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第三章计算机网络技术基础3.1计算机网络的拓扑结构•3.1.1什么是计算机网络的拓扑结构•网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。•网络拓扑结构能够反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作“点”，把它们之间的通信线路画作“线”，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图。•不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。•计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，常见的一般分为以下几种：•1.总线型•2.星型•3.环型•4.树型•5.网状型(a)(b)(c)(d)(e)总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。3.1.2总线型拓扑结构•总线型结构是从多机系统的总线互联结构演变而来的，又可分为单总线结构和多总线结构，常用CSMA/CD和令牌总线访问控制方式。中继器图3-3总线型网络拓扑结构的扩展•总线型结构的缺点：•（1）故障诊断困难•（2）故障隔离困难•（3）中继器等配置•（4）实时性不强•总线型结构的优点：•（1）电缆长度短，易于布线和维护•（2）可靠性高•（3）可扩充性强•（4）费用开支少星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。3.1.3星型拓扑结构•星型拓扑结构的访问采用集中式控制策略，采用星型拓扑的交换方式有电路交换和报文交换。•星型拓扑结构的优点：•（1）方便服务•（2）每个连接只接一个设备•（3）集中控制和便于故障诊断•（4）简单的访问协议•星型拓扑结构的缺点：•（1）电缆长度和安装•（2）扩展困难•（3）依赖于中央节点网络中节点计算机连成环型就成为环型网络。环路上，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择问题。环型网络实现简单，适应传输信息量不大的场合。任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性较差。3.1.4环型拓扑结构•环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。•环型拓扑结构的优点：•（1）电缆长度短•（2）适用于光纤•（3）网络的实时性好•环型拓扑结构的缺点：•（1）网络扩展配置困难•（2）节点故障引起全网故障•（3）故障诊断困难•（4）拓扑结构影响访问协议1.树型拓扑结构树型网络是分层结构，适用于分级管理和控制系统。网络中，除叶节点及其联机外，任一节点或联机的故障均只影响其所在支路网络的正常工作。3.1.5其他类型拓扑结构•图3-6树型网络拓扑结构节点头端节点•2.星型环型拓扑结构主干环接线盒3.1.6拓扑结构的选择原则拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点：（1）服务可靠性（2）网络可扩充性（3）组网费用高低（或性能价格比）。3.2ISO/OSI网络参考模型建立分层结构的原因和意义•建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施，国际标准化组织ISO（InternationalStandardOrganization），经过多年研究，在1983年提出了开放系统互联参考模型OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection），这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构，给网络设计者提供了一个参考规范。OSI参考模型的层次•OSI参考模型共有七层，由低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输介质52341671．OSI参考模型的特性•（1）是一种将异构系统互联的分层结构；•（2）提供了控制互联系统交互规则的标准骨架；•（3）定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述；•（4）不同系统上的相同层的实体称为同等层实体；•（5）同等层实体之间的通信由该层的协议管理；•（6）相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务；•（7）所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；•（8）直接的数据传送仅在最低层实现；•（9）每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其它层。765432176543216/7层界面5/6层界面4/5层界面3/4层界面2/3层界面1/2层界面应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议链路层协议物理层协议主机A主机B物理媒介应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层2．有关OSI参考模型的技术术语•在OSI参考模型中，每一层的真正功能是为其上一层提供服务。在对这些功能或服务过程以及协议的描述中，经常使用如下一些技术术语：•（1）数据单元①服务数据单元SDU（ServiceDataUnit）②协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）③接口数据单元IDU（InterfaceDataUnit）④服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）⑤服务原语（Primitive）•（2）面向连接和无连接的服务•下层能够向上层提供的服务有两种基本形式：面向连接和无连接的服务。•面向连接的服务是在数据传输之前先建立连接，主要过程是：建立连接、进行数据传送，拆除链路。面向连接的服务，又称为虚电路服务。•无连接服务没有建立和拆除链路的过程，一般也不采用可靠方式传送。不可靠（无确认）的无连接服务又称为数据报服务。3.2.1物理层物理层是OSI模型的最低层，其任务是实现物理上互连系统间的信息传输。1.物理层必须具备以下功能（1）物理连接的建立、维持与释放（2）物理层服务数据单元传输（3）物理层管理。•2.媒体和互联设备•物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等；•通信用的互联设备如各种插头、插座等；局域网中的各种粗、细同轴电缆，T型接/插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。3.2.2数据链路层•数据链路可以粗略地理解为数据信道。数据链路层的任务是以物理层为基础，为网络层提供透明的、正确的和有效的传输线路，通过数据链路协议，实施对二进制数据正确、可靠的传输。•数据链路的建立、拆除、对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务。•1.链路层的主要功能•（1）链路管理•（2）帧的装配与分解•（3）帧的同步•（4）流量控制与顺序控制•（5）差错控制•（6）使接收端能区分数据和控制信息•（7）透明传输•（8）寻址•2.数据链路层的主要协议•（1）ISO1745-1975•（2）ISO3309-1984•（3）ISO7776•3.链路层产品•独立的链路产品中最常见的是网卡，网桥也是链路产品。•数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802．3情况下，数据链路层分成两个子层：一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。3.2.3网络层•网络层是通信子网与资源子网之间的接口，也是高、低层协议之间的接口层。网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。当本地端与目的端不处于同一网络中，网络层将处理这些差异。•1.网络层的主要功能•（1）建立和拆除网络连接•（2）分段和组块•（3）有序传输和流量控制•（4）网络连接多路复用•（5）路由选择和中继•（6）差错的检测和恢复•（7）服务选择•2.网络层提供的服务•OSI/RM中规定，网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务，也称为数据报服务和虚电路服务。•3.路由选择3.2.4传输层•传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁。传输层下面三层（属于通信子网）面向数据通信，上面三层（属于资源子网）面向数据处理。因此，传输层位于高层和低层中间，起承上启下的作用。它屏蔽了通信子网中的细节，实现通信子网中端到端的透明传输，完成资源子网中两节点间的逻辑通信。它是负责数据传输的最高一层，也是整个七层协议中最重要和最复杂的一层。•1.传输层的特性•（1）连接与传输•（2）传输层服务•2.传输层的主要功能•3.传输层协议3.2.5会话层•会话层、表示层和应用层一起构成OSI/RM的高层，会话层位于OSI模型面向信息处理的高三层中的最下层，它利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信，属于进程间通信的范畴。•会话层还对会话活动提供组织和同步所必须的手段，对数据传输提供控制和管理。•1.会话层的主要功能•（1）提供远程会话地址•（2）会话建立后的管理•（3）提供把报文分组重新组成报文的功能•2.会话层提供的服务•（1）会话连接的建立和拆除•（2）与会话管理有关的服务•（3）隔离•（4）出错和恢复控制3.2.6表示层•表示层为应用层服务，该服务层处理的是通信双方之间的数据表示问题。为使通信的双方能互相理解所传送信息的含义，表示层就需要把发送方具有的内部格式编码为适于传输的比特流，接收方再将其译码为所需要的表示形式。•数据传送包括语义和语法两个方面的问题。OSI模型中，有关语义的处理由应用层负责，表示层仅完成语法的处理。•1.表示层的主要功能•（1）语法转换•（2）传送语法的选择•（3）常规功能•2.表示层提供的服务•（1）数据转换和格式转换•（2）语法选择•（3）数据加密与解密•（4）文本压缩3.2.7应用层•OSI的7层协议从功能划分来看，下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示问题，应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议。•应用层是OSI的最高层，直接面向用户，是计算机网络与最终用户的接口。负责两个应用进程（应用程序或操作员）之间的通信，为网络用户之间的通信提供专用程序。3.3数据传输控制方式•数据和信息在网络中是通过信道进行传输的，由于各计算机共享网络公共信道，因此如何进行信道分配，避免或解决通道争用就成为重要的问题，就要求网络必须具备网络的访问控制功能。介质访问控制（MAC）方法是在局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法。3.3.1具有冲突检测的载波侦听多路访问•冲突检测/载波侦听（CSMA/CD法）•CSMA/CD是基于IEEE802．3标准的以太网中采用的MAC方法，也称为“先听后发、边发边听”。它的工作方式是要传输数据的节点先对通道进行侦听，以确定通道中是否有别的站在传输数据，若信道空闲，该节点就可以占用通道进行传输，反之，该节点将按一定算法等待一段时间后再试，并且在发送过程中进行冲突检测，一旦有冲突立即停止发送。通常采用的算法有三种：非坚持CSMA、1-坚持CSMA、P-坚持CSMA。•目前，常见的局域网，一般都是采用CSMA/CD访问控制方法的逻辑总线型网络。用户只要使用Ethernet网卡，就具备此种功能。3.3.2令牌传递控制法•令牌传递控制法（TokenPassing）是基于IEEE802．5标准的环形局域网以及基于IEEE802．4标准的令牌总线网中采用的MAC方法，又称为许可证法。•其基本原理是：一个独特的被称为令牌的标志信息沿着环形网络依次向每个节点传递，只有获得令牌的节点才有权利发送信息，而没有获得令牌的节点则处于等待状态。每个站随时检测经过本站的信息，当查到信息帧中指定的目的地址与本站地址相同时，则一面拷贝全部有关信息，一面继续转发该信息帧，环上的信息帧绕环一周后回到原发送站点予以回收。这种方式传输信息时，发送权一直在源站点的控制之下，只有发送信息帧的源站点放弃发送权，并把令牌置“空”后，其它站点才有机会得到令牌，发送自己的信息。3.3.3网络交换技术•交换又称转换，是在多节点网络中实现数据传输的一种有效手段。•通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换，其对应的技术为