计算机网络的基本结构

17第 三 章一、计算机网络的基本概念31 计算机网络定义 什么是计算机网络? 多年来并没有一个严格的定义，且随着计算机技术和通信技术的发展，将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路而连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式和网络操作系统等)实现网络资源共享的系统，可称为计算机网络系统。32 计算机网络分类 计算机网络的品种繁多、性能各异、根据不同的分类原则，可以得到不同类型的计算机网络。例如：按网络的拓扑结构划分；按网络涉辖范围和互连距离划分；按网络数据传输和系统的拥有者划分；按不同的服务对象划分等。此处以网络涉辖范围划分，它也是比较流行的划分方法。 (1)局域网(LANLocal Area Network) (2)城域网(MANMetropolitan Area Network) (3)广域网(WANWide Area Network)局域网地理范围一般在 10 km 以内，属于个部门或单位组建的小范围内，一个建筑物、一个学校、一个单位内等。局域网组建方便、使用灵活。是目前计算机网络发展中最活跃的分支。广域网涉辖范围大，般从几十公里至几万公里，例如，一个城市，一个国家或洲际网络。用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供，能实现广大范围内的资源共享。城域网介于 LAN 和 WAN 之间，其范围通常覆盖一个城市或地区，距离从几十公里到上百公里。另外、从计算机之间互连距离和耦合程度来看，还经常有多机系统、局域网和广域网之分。局域网络通常还被分为 3 类： (1)局域网(LAN)，即一般所指的局域网； (2)高速局域网(HSLN)，其原理类似 LAN，但有更高的速率； (3)计算机交换分机(CBX)，它是采用线路交换的局域网。各种网络之间速率相距离的关系如图 11。计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构18 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构3.3 网络结构： 由计算机网络的定义可知，计其机网络是由计算机系统、数据通信系统和网络系统软件组成的有机整体。计算机系统是网络的基本模块，它提供各种网络资源；数据通信系统是连接网络基本桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；而网络系统软件则是网络的组织管理者，它提供了各种网络服务。从计算机网络设计者的角度来看，网络模块的组成及其相互间的连接方式决定了网络的整体结构和性能。 一、网络的基本组成 计算机网络的一般结构形式如图 12 所示。它主要由主计算机、终端、通信处理机和通信设备等网络单元经通讯线路连接而成。1 主计算机(H0ST)。是计算机网络中承担数据处理的计算机系统。主计算机应具有完成批处理(实时或交互分时)能力的硬件和操作系统，并具有相应的接口。 2. 终端(Terminal)。是网络中用量大、分布广的设备，直接面对用第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 19户，实现人机对话，并通过它与网络进行联系。终端种类很多如键盘、显示器、智能终端、会话型终端、复合终端等。 3.通信处理机。也称作结点计算机(NC-Node COMPUTER)或叫前端 处理机，是主计算机与通信线路单元间设置的计算机，负责通信控制和通信处理工作。它可以连接多台主计算机也可将多个终端接入网内。通信处理机是为减轻主计算机负担提高计算机 效率而设置的。4通信设备。是数据传输设备，包括集中器、信号变换器和多路复用器等。集中器设置在终端密集地区，它把若干个终端用低速线 路先集中起来再与高速线路连接，以提高通信效率，降低通信费 用。信号变换器提供不同信号之间的变换。不同传输介质采用不 同的信号变换器。通常用电话线作为传输线。电话线只能传输模 拟信号，但主计算机和终端输出的是数字信号，因此在通信线路与主计算机、通信处理机和终端之间都需接入模拟信号与数字信号相互转换的变换器。5通信线路。通信线路用来连接上述组成部分。按数据信号的传输速率不同，通信线路分高速、中低速和低速 3 种。般终端与主 计算机、通信处理机与集中器之间采用低速通信线路。各计算机之间，包括上计算机和通信处理机之间及各通信处理机之间采用高速通信线路。通信线路可采用电缆、架空明线和光导纤维等有线通信线路，亦可采用微波、通信卫星等无线通信线路。 按照数据通信和数据处理的功能，计算机网络可分为两层：内层通信子网和外层资源子网。通信子网由结点计算机和高速通信线路组成独立的数据通信系统，承担全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作，即将一个主计算机输出的信息传送给另个主计算机。资源子网包括主计算机、终端、通信子网接口设备及软件等，它负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源及网络服务。 局域网的基本组成和广域网相似，但由于局域网的涉辖范围与规模较小，故有一些方面与上面所述不太一样。例如，局域网没有通信处理机，通信处理功能由网卡实现；局域网在逻辑上也可以认为是两级子网结构，但在物理上却不明显。的结构主要有三种类型：以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）、令牌总线(Token Bus）以及作为这三种网的骨干网光纤分布数据接口（FDDI）。它们所遵循的标准都以802开头,目前共有11个与局域网有关的标准,它们分别是：IEEE 802.1 通用网络概念及网桥等IEEE 802.2 逻辑链路控制等IEEE 802.3CSMA/CD访问方法及物理层规定IEEE 802.4ARCnet总线结构及访问方法,物理层规定IEEE 802.5Token Ring访问方法及物理层规定等IEEE 802.6 城域网的访问方法及物理层规定IEEE 802.7 宽带局域网IEEE 802.8 光纤局域网(FDDI)IEEE 802.9 ISDN局域网20 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构IEEE 802.10 网络的安全 IEEE 802.11 无线局域网上述技术各有自身的线缆规则与工作站的连接方法，硬件需求以及各种其它部件的连接规定。在此重点说明组成Ethernet时应遵循的规则和所用的媒体的特性。首先指出：网络拓扑结构有两种类型，一个是指相互连接的工作站的物理布局，另一个是网络的工作方式。前者是人们可以看到的连接结构，后者是逻辑、操作结构，因而是不可见的，并称之为逻辑拓扑结构。的网络拓扑结构广泛采用的主要有总线型和环型。使用的星型结构主要是指用双绞线构成的网络。这种使用集线器（Hub）构成的星型网，实质上仍然是总线型网络。二、传输介质二、传输介质常用的媒体有同轴电缆、双绞线和光缆，以及在无线情况下使用的辐射媒体。技术在发展过程中，首先使用的是粗同轴电缆，其直径近似13 mm（1/2英寸），特性阻抗为欧姆。由于这种电缆很重，缺乏挠性以及价格高等问题，随后出现了细缆，其直径为6.4mm（1/4英寸），特性阻抗也是欧姆。使用粗缆构成的Ethernet称为粗缆Ethernet，使用细缆的Ethernet称为细缆Ethernet。在年代后期广泛采用了双绞线作为传输媒体的技术，既10Base-T以及其他实现技术。为将的范围进一步扩大，随后又出现了Base-F这种技术是使用光纤构成链路段，使用距离可延长到km但速率仍为10Mbps。FDDI则是与IEEE802.3、802.4和802.5完全不同的新技术,构成FDDI的媒体，不仅是光纤，而且访问媒体的机制有了新的提高,传输速率可达100Mbps。下面就这些实现技术所用的媒体逐一进行讨论。.同轴电缆同轴电缆由内部导体环绕绝缘层以及绝缘层外的金属屏蔽网和最外层的护套组成，如图7 所示。这种结构的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号。第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 21 图7在技术中。常用的同轴电缆有下述几种：、RG-8和RG-11，通常用来实现粗缆Ethernet。、RG-58，通常用来实现细缆Ethernet。、RG-59，通常用来实现电视传输，其阻抗为欧姆，也 可 用于宽带数据网络。、RG-62，ARCnet用来连接IBM3270终端的93欧姆的同轴电 缆。.双绞线双绞线是由相互按一定扭距绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有色标来标记，如图 8所示。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。双绞线按其电气特性而进分级或分类。 图8EIA/TIA（电气工业协会电信工业协会）第一类双绞线通常在技术中不使用,主要用于模拟话音。EIA/TIA第二类可用于综合业务数据网（数据），数字话音IBM3270等。这两类双绞线在技术中很少使用。EIA/TIA第三类双绞线是一种的四对不屏蔽双绞线,符合EIA/TIA568标准中确定的欧姆水平步线电缆的要求，可用来进行10Mbps和IEEE802.3 10Base-T的话音和数据传输。EIA/TIA第四类双绞线在性能上比第三类有一定改进,适用于包括16Mbps令牌环局域网在内的数据传输速率。其传输特性满足EIA/TIA Technical Services Bulletin 定义的第四类电缆的规范，也满足NEMA和ULTwisted-pair Qualification Program定义的规范这类双绞线可以是，也可以是。EIA/TIA第五类双绞线是的对电缆，比100欧姆低损耗电缆具有更好的传输特性，并适用于16Mbps以上的速率，最高可达100Mbps。150欧姆是另外一种高性能屏蔽式或的电缆它支持的数据传输速率可达100Mbps或更高，并支持600频带上的全息图象。22 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构上述电缆的主要特性和应用如表所示描述性名称参考应用 EIA/TIA类1简单老式电话服务模拟话音数字话音 EIA/TIA类2ISDN（数据）1.44Mb/sT1：1.544Mb/s数字话音IBM 3270IBM system/3xAS/400 100欧姆UTPEIA/TIA类3NEMA 100-24-LLUL Level III10Base-T IBM3270，3X，AS/400ISDN话音100欧姆低损耗EIA/TIA类4NEMA 100-24-LLUL Level IV10Base-T16Mb/s令牌环 100欧姆Extended FrequencyEIA/TIA 5NEMA 100-240-XFUL Level V10Base桾16Mb/s令牌环150欧姆STPEIA/TIA 150欧姆STPNEMA 150-22-LL16 Mb/s令牌环 100 Mb/s LAN 全息图象.光缆光缆不仅是目前可用的媒体，而且是今后若干年后将会继续使用的媒体，其主要原因是这种媒体具有很大的带宽。光纤与电导体构成的传输媒体最基本的差别是，它的传输信息是光束，而非电气信号。因此，光纤传输的信号不受电磁的干扰。(a)第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 23(b)(c)(d) 图9光纤由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层以及塑料保护涂层组成，如图9(a)所示。为使用光纤传输信号，光纤两端必须配有光发射机和接收机，如图9(b)(d)所示光发射机执行从光信号到电信号的转换。实现电光转换的通常是发光二极管(LED)或注入式激光二极管(ILD)；实现光电转换的是光电二极管或光电三极管。根据光在光纤中的传播方式，光纤有两种类型：多模光纤和单模光纤。多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率和渐变型折射率。以突变型折射率光纤作为传输媒介时，发光管以小于临界角发射的所有光都在光缆包层界面进行反射，并通过多次内部反射沿纤心传播。这种类型的光缆主要适用于适度比特率的场合，如图9(b)所示。多模突变型折射率光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料来减小，如图9(c)所示。折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是正弦波。将纤心直径减小到一种波长（3-10um），可进一步改进光纤的性能，在这种情况下，所有发射的光都沿直线传播，这种光纤称为单模光纤，如图9(d)所示。这种单模光纤通常使用作为发光元件，可操作的速率为数百Mbps。从上述三种光纤接受的信号看，单模光纤接收的信号与输入的信号最接近，多模渐变型次之，多模突变型接收的信号散射最严重，因而它所获得的速率最低。24 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 三、三、 同轴电缆同轴电缆Ethernet的布线的布线Ethernet常用的同轴电缆通常有粗缆和细缆。粗缆构成的Ethernet可称为标准Ethernet，或Thicknet；细缆构成的Ethernet称为Cheapernet或Thinnet。与标准Ethernet对应IEEE802.3称为10Base5，其中10代表10Mbps，Base代表基带操作方式，代表每段长为500m。 图10 为了理解同轴电缆的布线规定，首先叙述同轴电缆网络构成时所需的部件，如图10所示。图中给出了构成粗缆Ethernet所需的全部部件：同轴电缆、收发器（Transceiver），系列终接器、AUI（Attachment Unit Interface）电缆、工作站。图10中给出的中继器，是为LAN的距离而选加的设备。在构成一个电缆段的简单网络时,可以不必使用这种设备。图11示出了细缆Ethernet的网络构件，图中10Base2多口中继器是为连接多条细缆而可选增加的设备。图中左侧使用BNC TEE连接器，欧姆的终接器；图中右侧使用Thinnet 分接器，分接器电缆和Thinnet终接器。左侧和右侧的差别是连接方式，左侧是将细缆接到直接与微机相连的型接头，右侧是将微机用Thinnet分接器电缆连接到细缆上的Thinnet分接器上。第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 25 图11.粗缆Ethernet的组成规则 何谓电缆段？又何谓链路段？ 所谓电缆段是根据其特性阻抗在电缆两端加以终结的一定长度的同轴电缆。链路段是在每一端都在中继器终结的点到点电缆段。例如，图10中两个光中继器之间的光缆为链路段，两个光中继器各自连接的粗缆都是电缆段。 为保证构成粗缆Ethernet具有规范确定的性能，必须遵循一定规则。下面就此进行叙述。规则：粗缆上的收发器（Transceiver）或MAU（媒体连接单 元）必须处于电缆每2.5的标记处，其容差应在0.05m 范围内，终接器也应置于这些标记处。规则：电缆段的最大长度最大限制为500m（1640ft）。规则：电缆最小弯曲半径为254mm。规则：一个500m长的电缆段上可允许安装的收发器数最多100 个。规则：每个电缆段仅一次接地，而且仅仅一次。规则：10Base5段可经过中继器与10Base2段相连，但10Base2 段绝不能用来连接两段粗缆。规则：收发器电缆（或AUI电缆）的最大长度为50m。规则：如可能，同轴电缆尽可能使用一整根，避免使用多节 互连在一起的电缆。如果不得不使用多节互连，最好每节 电缆长度为23.4m的奇 整数倍：23.4m，70.2m，117m （0.5m）。规则：电缆段两端必须用50欧姆的终接，以免产生反射现 象。规则10：使用中继器时，任何两个站之间允许的最大传输通 路为5 个段，4个中继器，在5个段中最多3个同轴电 缆段，其余 为链路段。中继器不能并行连接，否则 网络会形成环路。26 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构.细缆Ethernet的组成规则细缆Ethernet和粗缆Ethernet所遵循的协议都是IEEE802.3CSMA/CD，不同的是一种用粗缆作为传输媒体，另一种使用细缆作为传输媒体。由于电缆的粗细不同，在组成规则上有很多方面的不同。细缆Ethernet的收发器功能不象粗缆时那样在电缆上有一独立的收发器，用以执行收发功能，在细缆Ethernet情况下，收发功能由网络接口板中的电子线路来执行，或者说，这种功能是集成到网卡中的。细缆与网卡的连接使用一种特殊的连接器，称为BNC-T 连接器。由于细缆价格便宜，又比较灵活，在小型的环境中，或工作组环境中使用曾一度相当普遍。在使用细缆构成网时，必须遵循下述规则：规则：电缆类型应为。规则：缆段最大长度为。规则：收发器之间的最小距离为.（注意，收发器在网 卡上）。规则：一个缆段上允许连接的工作站为个。规则：电缆最小弯曲半径为。规则：必须使用欧姆的连接器和终接器。规则：在粗、细混合组网时，细缆部分只能处于网络外围， 即不能连接一个以上的粗缆段。规则：任何不使用的BNC-T阳性连接器决不能终接，而是置 入适当的保护套内。三、三、10 Base-T网络的组成网络的组成 由于使用双绞线可使媒体费用大为降低以及易于敷设等优点，10Base-T网络于90年代开始流行。10Base-T中的10代表操作速率为10Mbpss，Base 代表基带传输方式，代表双绞线。10Base具有物理结构是星型,因为所有的工作站都与称为集线器（Hub）的设备相连，如图12所示。集线器（Hub）与工作站之间使用的双绞线为两对，一对用于发送数据，一对用于接受数据。实现收发数据功能的收发器（Transceiver）或媒体连接单元(MAU)都集中到网卡或（Hub）中，设有独立的设备执行这种功能，所以从外表看，构成10BaseT网络较清楚。目前可供使用的双绞线多为芯（对），在Base情况下，只用两对，另外对Base不用。这对线的使用如表所示。第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 27表触点分配触点 信号 1 TxD（+） 2 TxD（-） 3 不用 4 不用 5 RxD（+） 6 不用 7 RxD（-） 8 不用 Hub与工作站用双绞线相连时所用的连接器称为，并规定插头连接器端接在双绞线上，插座连接器安装在网卡上或Hub中。插头和插座如图13所示。在标准术语中，插头称为连接器（媒体连接单元，媒体相关接口连接器），插头称为双绞线链路段连接器。表所列出的两对信号：一对发送，一对接收。所用电路均为平衡式发送器和接受器，所以具有较高的共模抑制能力。有关这种电路的细节这里不在进一步说明。(a) (b) 图13Base的构成规则应遵循下述规则：规则：双绞线应选择直径为0.4到0.6mm的无屏蔽导线，在网卡和Hub间使用两对线，其最大长度为100m。28 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构规则：发送器的输出要与接收器的输入相连。规则：在构成的网络中，任何两个数据站之间的数据通路最多个Hub。二、网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。将参与LAN 工作的各种设备用媒体互连在一起有多种方法,实际上只有几种方式能适合 LAN 的工作。如果一个网络只连接几台设备,最简单的方法是将它们都直接相连在一起，这种连接称为点对点连接。用这种方式形成的网络称为全互连网络,如图2所示。图中有6个设备，在全互连情况下,需要15条传输线路。如果要连的设备有n个,所需线路将达到n(n-1)/2条!显而易见,这种方式只有在涉及地理范围不大，设备数很少的条件下才有使用的可能。即使属于这种环境,在LAN技术中也不使用。这里所以给出这种拓扑结构，是因为当需要通过互连设备(如路由器)互连多个LAN时,将有可能遇到这种广域网(WAN)的互连技术。拓扑结构主要有环网形、星形、树形、总线形、网状和任意形等如图13所示。 图2第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 291.星型拓扑结构星型拓扑结构星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如图3所示。其中,图3(a)为电话网的星型结构,图3(b)为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。(a)电话网的星行结构(b)以Hub为中心的结构图3这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如图4所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型,Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。 图430 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。2.环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。 图5环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图5中,用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。3.总线拓扑结构总线拓扑结构总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如图6所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所有数据站都是平等的,不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法:带有碰撞检测的载波侦听多路访问,英文缩写成CSMA/CD。第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 31 图6这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是LAN技术中使用最普遍的一种。4树形拓扑结构 树形结构是从总线结构演变过来的，形状象一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。当结点发送时，根接收信号，然后再重新广播发送到全网。其特点是综合了总线形与星形的优缺点。 5网状拓扑结构 网状又称为分布式结构，其无严格的布点规定和构形，结点之间的有多条线路可供选择。当某一线路或结点故障时不会影响整个网络的工作，具有较高的可靠性，而且资源共享方便。由于各个结点通常和另外多个结点相连，故各个结点都应具有选路和流控制的功能，所以网络管理软件比较复杂硬件成本较高。 6任意形拓扑结构 由于卫星和微波通信是采用无线电波传输的，因此就无所谓网络的构形，也可以看作是一种任意形和无约束的网状结构。四、四、 多种传输媒体构成的网络多种传输媒体构成的网络从简到繁，从小到大逐渐组建的网络通常涉及多种传输媒体，在这种混合型媒体网络中，可用的网段包括光纤，双绞线或同轴电缆。为将不同厂商的电缆组合在一起，表给出了各种媒体网络的最大时延。使用Time Domain Reflectometer（TDR-时域反射表）可对这种时延进行观测，检查是否在此规范内。表3Ethernet媒体的最大时延32 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构媒体段类型每段的最大MAU数最大段长（M）最小传播速度（注）每段的最大时延（NS） 同轴 10Base5电 缆 10Base段 100 305001850. 77C0.65C2165950 链FOIRL（注）路段10Base-T2210001000. 66C0.59C50001000收发电缆个DTE1个MAU500.65C257 注1：C=3E8m/s注2：FOIRL=中继器的光纤链路当使用混合型媒体组建网络时，网络拓扑结构具有下述限制：、所有段的互连都必须使用中继器。、网络上任何两个站之间最大通路长度可以最多包括段， 个中继器（包括可选的），两个或。、如果网络通路由个段和个中继器组成，最多段为同 轴电缆段，其余的段必须为链路段。如果个段都存在， 而且FOIRL用作链路段，该链路段不能超过500m。 、如果网络通路由段和个中继器组成，FOIRL段的最大 允许长度为1000m。