第5章计算机网络基本原理

1第5章计算机网络基本原理2§5.1局域网概述局域网知识是计算机网络知识的重要组成部分。自20世纪70年代以来，由于微机的普及，让更多的用户了解并掌握计算机的使用，通过计算机之间的互联实现资源共享日益成为人们的迫切需求，这些因素有力推动了局域网技术的快速发展，同时也促进了其他类型网络的发展。局域网与人们的生活联系非常紧密，而且局域网作为城域网和广域网的基本构成单位，在单位的信息管理和信息服务中也发挥着重要作用，因此掌握局域网技术十分必要。3§5.1局域网概述由于局域网技术发展非常迅速，其概念也处在不断的变化之中。通常可以采用如下的定义来说明：局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是将分布范围较小的计算机及其控制的外部设备，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统控制下，按照通信协议进行信息交换，实现资源共享的系统化的计算机网络。通过这个定义的说明，结合局域网的一些特征，可以从多方面来理解局域网技术：4§5.1局域网概述首先“局域网”的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性，一般是在方圆十公里以内，多为一个单位，如一个学校、一个企业的部门等所拥有，而且网络中站点的数目也不多，因此对局域网的建立、维护和扩展都比较简单；其次，由于地理范围比较小的原因,局域网通常都具有比较高的传输速率和很低的误码率。例如现在很多局域网的数据传输速率都达到了100Mbps，在一些对数据传输要求比较高的场合可以达到1000Mbps甚至10000Mbps；在局域网里查找、使用共享资源时比较方便，而且由于局域网的结构比较简单，用户从一个节点可以访问整个网络中的共享资源。5§5.1局域网概述组建局域网的主要目的是实现网络通信和共享网络资源。具体地说，主要有以下方面的应用：1、用户可以通过网络使用共享的数据资料、文件信息等，也可以使用各种共享的硬件资源，例如打印机、扫描仪等比较昂贵的外部设备，既节约了成本，又提高了工作效率；2、用户可以通过各种Web服务器查询、发布信息，收发电子邮件，在各个部门之间传达各种指示、通知等，方便各个部门之间的信息沟通；3、利用局域网络实现和其他网络的互联，例如连接到Internet上，享受网上冲浪的乐趣，丰富用户的业余生活。6§5.2局域网的组成5.2.1硬件组成5.2.2软件组成在局域网里需要的软件中，网络操作系统(NOS，NetworkOperationSystem)是网络的灵魂，主要负责整个网络系统的软、硬件资源的管理，实现网络通信和任务调度，提供用户和网络之间的接口，维护网络系统的安全性。网络操作系统运行于服务器之上，所以也称之为服务器操作系统。局域网能够实现的功能很大程度上受到操作系统功能的影响。7§5.2局域网的组成除了网络操作系统之外，分布在局域网中的计算机可能采用了不同的设计方式，对于信息内容的表达、理解可能相互间存在很大差异，这时需要有“翻译”存在，帮助计算机之间把数据转换成彼此能理解的方式，这就是协议的作用。在不同的网络需求中，所使用的协议可以有多种选择。目前有些协议集成在操作系统内，如果不合适的话可以再另外进行安装，而且在同一个网络中为计算机配置协议时，并非越多越好，因为协议在工作时也会占用计算机的资源，所以选择能满足网络要求的协议来使用即可。除了上述软件之外，硬件产品还需要有对应的驱动程序。在网络中提供相关的服务时，可能还需要安装相应地服务应用软件8§5.2局域网的组成一般情况下，网络操作系统作为管理员和网络的接口，是以提供网络服务、管理和维护整个网络使得网络相关特性达到最佳为目的的，如共享数据、应用软件及硬盘、打印机等设备。根据功能的不同，网络操作系统可以分为以下几种模式：对等网模式：处在对等网中的所有结点地位都是平等的，任何两个结点都可以直接进行通信，各个结点中的资源可以互相共享。对等结构局域网9§5.2局域网的组成客户/服务器模式：它不是一种特定的硬件技术或服务器技术，而是一种提供服务的体系结构。是一种开放式结构、集中式管理、协作式处理的主从式网络应用模型。C/S模式逻辑结构示意图用户界面客户应用操作系统网络接口服务驱动服务器应用核心操作系统网络接口局域网查询/命令结果/响应ServerClientLAN10§5.2局域网的组成图Browser/Server模式逻辑结构示意图Web请求HTTPWeb答应数据操作请求ADO/ASP数据操作答应BrowserWeb服务器数据库表示层功能层数据层(显示逻辑)(事务处理逻辑)(数据处理逻辑)浏览器/服务器模式随着Internet的广泛应用，基于局域网的企业网开始采用Web技术构筑和改建自己的企业网（Intranet）。于是，浏览器/服务器（B/S）新型结构模式应运而生。B/S三层模式的体系结构如图4-8所示。11§5.2局域网的组成目前局域网中主要存在以下几类网络操作系统：1.Unix/Linux系列：UNIX网络操作系统历史悠久，其良好的网络管理功能和出色的稳定性、安全性特征使得它被广大网络用户所接受，具有丰富的应用软件，支持网络文件系统服务，提供数据库等应用，功能非常强大。但另一方面，UNIX对计算机硬件的要求比较高，而且多数是以命令方式来进行操作的，一般的用户不容易掌握，所以主要用于大型的网站或大型的企、事业局域网中。例如目前分布在Internet网络中的大部分网站的服务器多数采用此系统。与UNIX相似的是，Linux虽然问世时间相对较短，却同样具有非常好的安全性和稳定性，得到了目前很多用户的青睐。它的最大的特点是开放源代码，可以免费得到许多应用程序。对硬件的要求比较低，但它主要也是面向服务器应用的，在使用的方便性方面正在逐步改善。12§5.2局域网的组成2.Windows系列：良好的人机界面，使得用户非常容易上手，在个人操作系统中占有绝对优势。这类操作系统配置在整个局域网中是最常见的形式。虽然它有很多优点，但由于对服务器的硬件要求较高，而且稳定性、安全性相对比较薄弱，所以一般用在中低档服务器中。在局域网中，微软的网络操作系统主要有：WindowsNT、Windows2000/XPServer系列，以及最新的Windows2003Server系列等。工作站可以采用任一Windows或非Windows操作系统。13§5.2局域网的组成3.NetWare系列：目前NetWare操作系统在局域网中的使用没有以前那么广泛，但是由于它对网络硬件的要求较低（例如工作站只要286以上的机器即可），对于一些设备比较落后、资金比较紧张的的中、小型企业还是比较有价值的，在一些学校也采用它来构建无盘网络。除了成本上的优势以外，其应用环境与DOS相似，经过长时间的发展，具有丰富的应用软件支持，技术比较完善、可靠。14§5.3局域网标准网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。在局域网内进行通信时，网络自身的特点决定了局域网的体系结构相对比较简单。局域网内的各台计算机采用共享传输介质的方式，通过带有地址的数据帧来传送数据，而且由于网络的结构比较简单，不涉及到中间交换的问题，所以不需要路由选择功能。由OSI所描述的七层参考模型，局域网的体系结构并非都需要，而只需要比较重要的低几层，LAN的核心是实现物理层和链路层的功能。5.3.1局域网体系结构15§5.3局域网标准美国IEEE（电气电子工程师协会）定义了局域网中物理层和数据链路层的功能描述。物理层完成的功能与OSI模型描述的功能基本上是一致的，负责信号的编解码，从传输介质接收和传送比特等工作。在数据链路层，由于局域网技术、种类多种多样，很难定义适合所有的局域网都能采用的统一标准，所以IEEE802委员会把局域网的数据链路层划分为两个子层：介质访问控制子层（MAC，MediaAccessControl）和逻辑链路控制子层（LLC，LogicalLinkControl）。将局域网中与接入各种控制介质有关的问题都放在MAC子层解决。16§5.2局域网标准MAC子层屏蔽了不同物理链路种类的差异性。更具体的说，MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，实现和维护MAC协议，比特的差错控制等，其中关键的是规定了站点何时可以使用通信介质。MAC子层协议依赖于各自的物理层。LLC子层在IEEE802.2标准中定义,为802标准系列共用，与介质访问无关的部分都放在该子层实现。具体地说，LLC子层的主要功能包括建立和释放数据链路层的逻辑连接，屏蔽MAC子层的差异提供与高层的接口，对帧进行编号，实现差错控制和确认等。17§5.3局域网标准5.3.2以太网标准以太网（Ethernet）的核心思是使用共享的公共传输信道。共享数据传输信道的思想来源于夏威夷大学。60年代末，该校的NormanAbramson及其同事研制了一个名为ALOHA系统的无线电网络。这个地面无线电广播系统是为了把该校位于Oahu岛上的校园内的IBM360主机与分布在其它岛上和海洋船舶上的读卡机和终端连接起来而开发的。该系统的初始速度为4800bps，最后升级到9600bps。以太网的设计思想正是来源于上述内容所提及的ALOHA系统，它最初是由Xerox、DigitalEquipment和Intel三家公司联合开发的局域网组网标准，于1981年首次出版，称为DIX1.0。1982年修改后的版本为DIX2.0。后来这三家公司将此规范提交给IEEE802委员会，经过IEEE成员的修改并通过，成为IEEE的正式标准，编号为IEEE802.3。虽然严格的说，以太网和IEEE802.3标准有些区别，但在不涉及具体的网络细节时，可以将遵循IEEE802.3标准的局域网简称为以太网。18§5.3局域网标准以太网是当前应用最为广泛的总线型局域网，其核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,CSMA/CD）方法。处在以太网当中的任何结点发送数据都是随机的，没有用来集中控制的结点存在，也没有预约的发送时间，每个结点都平等地争用发送时间。若在同一时刻有多个结点通过总线发送信息，那么这些信息将会在传输线路上相互混淆而遭到破坏，称为“冲突”或者发生了“碰撞”。为了避免引起冲突，只允许结点在检测到线路空闲时才可以发送数据，而且一旦发现网络中有冲突必须立即停止发送并延迟等待一段时间后再重新尝试发送。19§5.3局域网标准CSMA/CD方法可以简单地概括为以下几点：●先听后发；●边听边发；●冲突停止；●随机延迟后重发。当网络中某一个结点要发送数据时，首先检测传输介质当前是否有数据正在传送，然后再判断是否能够将数据送上网络。如果检测到信道没有任何数据在传送（即信道处于空闲状态），则立即抢占信道发送数据；如果当前有数据在传送（即信道处于忙碌状态），则需要等待直至信道空闲时再发送数据，这个过程称为“先听后发”结点在发送数据的同时也进行接收，将收到的信号逐位地与发送出去的比特进行比较，这个过程称为“边听边发”，之所以这样做，是为了判断数据在传输过程中有没有发生冲突，如果比较的结果发现不一致，就表明此刻网络中还有其他的计算机在进行数据传送，网络中出现了冲突，这时若继续发送数据是没有意义的，因为数据可能已被破坏了；20§5.3局域网标准在进行冲突检测时，一旦发现冲突，结点应立刻停止发送数据，这个过程称为“冲突停止”，在实际的网络中往往还采取强化冲突的措施，即当结点发现有冲突存在时，除停止发送数据外，还有继续发送若干比特的干扰信号（jammingsignal），目的是为了通知网络中所有用户目前已发生了冲突；冲突停止后，结点继续监听信道直至将数据成功地发送出去为止，这一过程称为“延迟重发”，采用称为“截断二进制指数类型”的退避算法来决定重发所需的时间延迟，以保证系统的稳定性。当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监