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计算机网络与工程实践教程讲座(3)黎连业计算机网络与工程实践教程讲座教材《计算机网络与工程实践教程》第1版科学出版社(2007.12)第3章网络拓扑与分层体系结构计算机网络是一个十分复杂的系统工程，如果能找到一种较好的计算机网络结构，对于增强网络功能和提高效率，更好地利用网络的软件、硬件资源，都具有重要意义。本章重点讨论以下内容：•网络的两级结构。•网络拓扑结构。•OSI分层体系结构。•TCP/IP体系结构。•其他的网络体系结构。3.1网络的两级结构计算机网络的组成形式主要包含资源子网和通信子网两级结构。两级结构的计算机网络以资源共享为目的，与初期一级结构的网络相比，具有以下优点：•简化了网络设计。把纯通信用的子网与应用部分的主机分离，从而使这两部分可以单独设计，这样就简化了整个网络的设计。•节约了投资。采用两级结构使得在构造网络时可利用邮电部门的公用数字通信网，只要遵循公用数字通信网所要求的接口标准，提出申请并交纳一定的租金，就可以接入该通信子网。计算机网络的两级结构请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-1。关于图3-1说明如下：•通信子网。通信子网为资源子网提供传输通道和交换用户信息，其中节点计算机（NC）可以是一台小型机或微型机，它的任务是进行网络的通信处理工作，可连接一台或多台主机（Host）。它和通信线路组成独立的数据通信系统，承担全网的数据传输、连接、加工和变换等通信处理工作。建立广域网的通信子网通常采用电话线或铺设专线。这些设备通常使用邮电部门的公用数字通信网，作为各种计算机网络的公用通信子网。•资源子网。资源子网为用户设备提供访问网络的能力，包括网络中所有的主机和外设，所有的软件资源和数据资源；它还负责网络的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。•通信子网的有关类型问题。根据通信信道的类型，可将通信子网分为两类：点对点线路的通信子网与广播信道的通信子网。在采用点对点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对节点，如没有直接线路则要通过其他节点转接。基本类型有星形、环形、树形和网状等。在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络节点共享。任一时间内只允许一个节点使用公用通信信道，一个节点利用公用通信信道发送数据时，其他网络节点都能收到发送数据。基本类型有总线式、无线与卫星通信3种。3.2网络拓扑结构计算机网络中要考虑各计算机的位置，同时在保证一定响应时间和吞吐量的条件下，选择适当的线路、线路容量、连接方式与流量分配，使整个网络安全可靠。网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系来表示网中各实体间的结构关系。网络的拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信量都有重大影响。网络的拓扑结构是抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，其形式主要有总线结构、星形结构、环形结构、树形结构、网状结构和分布式结构等。下面将简要介绍。3.2.1总线结构网络•总线（Bus）结构网络的各个节点都通过一条公共总线相连，各节点地位平等，无中央节点控制，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-2。这条总线是任意两节点之间通信的公用通道，其传输介质通常是具有足够带宽的双绞线、同轴电缆或光缆。总线可以分为几段，在两段之间通过中继器连接。•这种结构的公用总线大都采用同轴电缆，在需要分支的地方，电缆线上配有特殊的插口，工作站上也装有特殊的插头。总线上分支插口之间的距离一般有一定限制，否则会影响总线的电气性能。公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发送的信息一样，因此又称广播式网络。各节点在接收信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。当总线超载时还可以扩充总线。总线结构网络的特点如下：•结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需在总线上增加一个分支插口便可与分支节点相连。总线超载时还可以扩充总线。•使用的电缆少，且安装容易。•设备简单，可靠性好。•维护难，分支节点故障定位难。3.2.2星形网络星形（Star）网络有一个中央节点NC，它是通信子网中唯一的转折点。资源子网中的分支节点都有各自的专用线路连接中央节点，形成辐射网络结构。这样的结构使任何两个分支节点之间都不构成回路，它们之间的通信都要通过中央节点，由中央节点对所有用户之间的通信进行集中管理。因此，星形网络通常都要求采用一个功能强大并且性能可靠的中心机器（集线器、服务器）。星形结构是指各工作站以星形方式连接成网。网络中有中央节点和分支节点，分支节点都与中央节点直接连接，其形式请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-3。这种结构的网络以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。它具有如下特点：•结构简单，便于管理。•控制简单，便于建网。•网络时延小，传输误差低。•但缺点也很明显：成本高（通信线路总长度较长）；全网的控制权集中在中央节点，一旦中央节点发生故障则会导致全网瘫痪。3.2.3环形网络环形（Ring）网络的物理布局是一个连续的电缆环，它本身形成一个闭合回路，环将信号从一个节点传输到另一个节点。单条环路只支持单一方向的通信，传输速率比较慢。为了提高通信速率，环形网络可以采用双环结构来实现双向通信，即每一个节点可以选择最近的通信距离，沿着不同的方向将信息传给对方。•环形网络是节点和节点通过点到点的链路首尾相连，形成一个闭合的环，其形式请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-4。环形结构具有如下特点：•信息流在网上是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制。•由于信息源在环路上串行通过各节点，当环中节点过多时，势必影响传输速率，使网络的响应时间较长。•环路是封闭的，不便于扩充，因为增加节点将打断环路，网络将不能运行。•可靠性低，一个节点故障将导致全网瘫痪。•维护难，对故障节点定位难。3.2.4树形网络•树形网络是分级的集中控制式网络，与星形网络相比，它的通信线路总长度短，成本低，容易扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。树形结构网络请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-5。3.2.5网状结构网络•网状结构又称无规则结构，它是最一般化的网络结构。网络中的节点至少有两条线路相连，它既没有一个自然的“中心”，信息的流向也没有固定的方向，请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-6。网状结构网络的控制是分布式的，所以又称为分布式网络，这种拓扑结构一般用于广域网。•网状结构网络的主要优点是系统可靠性高、容错能力强，但是结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。目前实际存在和使用的远程计算机网络和Internet均采用了网状结构。3.2.6分布式网络分布式结构的网络是将分布在不同地点的计算机通过线路互相连接起来的一种网络，其形式请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-7。分布式结构的网络具有如下特点：•由于采用分散控制，即使整个网络的某一局部出现故障，也不会影响全网的运行，因而有很高的可靠性。•网中的路径选择最短路径算法，故网上时延小，传输速率高，但控制复杂。•各节点间均可以建立直接数据链路，信息流最短。除了以上介绍的几种网络拓扑结构外，在实际应用中还有一些混合形式的拓扑结构，它集中了几种拓扑结构的优点。例如，在网络的主干线采用总线拓扑结构，而在某一局部采用星形拓扑结构。混合形式网络的结构请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-8。3.3OSI分层体系结构为了完成计算机间的通信合作，人们把每个计算机互联的功能划分成定义明确的层次，规定了同层进程通信的协议及相邻层之间的接口和服务，将这些层、同层进程通信的协议以及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。所谓网络体系结构是指网络的基本设计思想及方案，并要定义各个组成部分的功能，从而达到用户要求。而层次结构是描述体系的基本方法，它的特点是每一层都建立在前一层基础之上，低层为高层提供服务。层次结构简化了对复杂的计算机网络的研究工作。3.3.1网络通信协议1.网络通信协议的定义网络通信协议是两个通信对象在进行通信时，须遵从相互接受的一组约定和规则，这些约定和规则使它们在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面相互配合。简单地说，协议是指通信双方必须遵循的控制信息交换的规则的集合。2.网络通信协议的组成网络协议主要由语法、语义和同步3个要素组成。语法指数据与控制信息的结构或格式。语义由通信过程的说明构成。同步是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。3.协议的特点网络体系结构是有层次的，通信协议也被分为多个层次，在每个层次内又可分成若干子层次，协议各层次有高低之分。现代计算机网络采用高度结构化的设计和实现技术，是用分层或协议分层来组织的。每一层和相邻层有接口，较低层通过接口向它的上一层提供服务，但这一服务的实现细节对上层是屏蔽的。较高层又是在较低层提供的低级服务的基础上实现更高级的服务。在设计和选择协议时，不仅要考虑网络系统的拓扑结构、信息的传输量、所采用的传输技术、数据存取方式，还要考虑到其效率、价格和适应性等问题。3.3.2OSI参考模型OSI是以综合开发通信协议体系为目的，从系统转移数据直至对各系统中的文件、数据库及程序资源的访问以及各种通信功能都作为它的标准化对象。它追求系统间互联时宽广的开放性，并且确保在导入新的通信业务时能够很容易地追加新的功能。•OSI参考模型（OSI/RM）请参见科学出版社《计算机网络与工程实践》(2007.12)第1版的图3-9。OSI参考模型是分层结构，它通过分层把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题。在OSI参考模型中，下一层为上一层提供服务，而各层内部的工作与相邻层无关。OSI参考模型是公认的分层体系，许多新的协议都是依据它定义出来的，它是由国际标准化组织于1979年提出的网络体系结构。OSI参考模型主要遵循了下述原则：（1）以现存的非ISO/OSI标准为基础，吸取它们成功的经验，并尽可能地与之兼容。（2）尽可能地保持各层功能的相对独立性，但又要使各邻接层的功能便于衔接，以构成功能上的单向依赖关系，保证只在相邻层之间建立接口。（3）尽可能地把近似的功能集中在一起构成同一层，以便于局部化，但对那些在进程执行过程中所涉及的执行方法显然不同的功能应建立独立的层次，以便进行特殊处理。（4）当某一层的功能或协议需要扩充、修改甚至重新设计时，不能影响整个模型主体结构的变化，只限于某个局部改动。（5）在需要不同的通信服务时，可在一个层次内再形成子层次；而不需要该服务时，也可以绕过这些子层次。（6）应该把层次分成理论上需要的不同等级，每一层都能很好地履行其特定的功能。OSI参考模型共分7层，它们分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层（也称为运输层）、会话层、表示层和应用层。OSI规定了每层的功能以及同层内如何协调。每个层次完成特定的功能，同层进程之间进行相互通信，这种通信是通过调用下层功能来实现的。OSI各层分别负责网络通信中的部分特定工作。在OSI的7层中，只有物理层是信号实际的传输层，其余各层只能说是逻辑上的虚拟对应传输。由于只有物理层是实际的传输信道，因此各层除了自己相对应层级的工作外，也必须负责上下层间的联系，这些层与层间的工作关系称为“接口”。OSI参考模型的数据传送过程中，各层会在数据前端进行通信标头（Header）的包装与拆装工作，并在数据链路层执行数据信号标尾（Trailer）的拆装与组装工作。标头标尾内包含各层在网络传输上的重要信息，以便节点各层协议可以根据相关信息进行各种必要处理