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第5章计算机网络
5.1计算机网络的功能和组成
5.1.1什么是计算机网络?
计算机网络是利用通信手段,把地理上分散的、能够以相互共享资源(硬件、软件和数据等)的方式有机地连接起来的、而各自又具备独立功能的计算机系统的集合。
一个计算机网络包含有三个主要的组成部分。
(1)若干个主机(host),它们可以是各种类型的计算机,大到巨型机,小到便携式电脑,用来向用户提供服务。
(2)一个通信子网,它由一些通信链路和结点交换机(也叫通信处理机)组成,用于进行数据通信。
(3)一系列的通信协议,这些协议是为主机与主机、主机与通信子网或通信子网中各结点之间通信用的。
协议是通信双方事先约定好的和必须遵守的规则,它是计算机网络不可缺少的组成部分。
5.1.2计算机网络的功能
计算机网络至少应具有下列功能:
(1)数据通信。
它使分散在不同部门、不同单位、甚至不同省份、不同国家的计算机与计算机之间可以进行通信,互相传送数据,方便地进行信息交换。
例如,使用电子邮件进行通信,在网上召开视频会议等。
(2)资源共享。
这是计算机网络最有吸引力的功能,在网络范围内,用户可以共享软件、硬件、数据等资源,而不必考虑用户及资源所在的地理位置。
当然,资源共享必须经过授权才可进行。
(3)实现分布式的信息处理。
由于有了计算机网络,许多大型信息处理问题可以借助于分散在网络中的多台计算机协同完成,解决单机无法完成的信息处理任务。
特别是分布式数据库管理系统,它使分散存储在网络中不同系统中的数据,使用时就好像集中存储和集中管理那样方便。
(4)提高计算机系统的可靠性和可用性。
网络中的计算机可以互为后备,一旦某台计算机出现故障,它的任务可由网中其它计算机取而代之。
当网中某些计算机负荷过重时,网络可将新任务分配给较空闲的计算机去完成,提高了每一台计算机的可用性。
5.1.3计算机网络的发展
计算机网络是计算机与通信相结合的产物。
最初的计算机网络是一台主机通过电话线连接若干个远程的终端,这种网络称为面向终端的计算机通信网,它是以单个主机为中心的星形网,效率不高,功能有限。
60年代末期,美国建成了以ARPANET为代表的第二代计算机网络,它以“通信子网”为中心,许多主机和终端设备在通信子网的外围构成一个“用户资源子网”。
通信子网不再使用类似于电话通信的电路交换方式,而采用更适合于数据通信的分组交换方式,大大降低了计算机网络中通信的费用。
计算机网络是个非常复杂的系统,相互通信的计算机系统必须高度协调工作才行。
为了设计这样复杂的系统,70年代,包括IBM在内的一些计算机公司纷纷提出了本公司的网络体系结构。
但不同公司的网络产品很难互相连通。
为此,国际标准化组织ISO于1977年提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,这就是著名的“开放系统互连参考模型”,简称OSI/RM。
从这以后,就开始了所谓第三代计算机网络。
80年代中期以来,计算机网络领域最引入注目的事件是美国Internet网飞速发展。
Internet网也称互连网,或按音译为因特网,它仍属于第三代计算机网络,但它有自己的一套体系结构,没有完全使用OSI体系结构。
有关的情况在5.5中再作介绍。
进入90年代后,计算机网络的发展更加迅速,目前它正在向宽带综合业务数字网(B-ISDN)的方向演变。
这也就是人们常说的新一代或第四代计算机网络。
1993年美国政府提出建设所谓“信息高速公路”的计划,其主要内容之一就是建设一个覆盖全美的宽带综合业务数字网。
有关情况在5.5中再作介绍。
5.1.4计算机网络的分类
计算机网络的分类方法很多,通常可以从不同的角度对计算机网络进行分类。
例如:
·从网络的交换功能进行分类——网络的设计者常常从网络所使用的交换技术将网络分类为:
(l)电路交换网;
(2)报文交换网;(3)分组交换网;(4)帧中继网;(5)ATM网等。
·从网络的拓朴结构进行分类——根据网络中计算机之间互连的拓朴形式可把计算机网络分为:
(l)星型网;
(2)树形网;(3)总线型网;(4)环形网;(5)网状网;(6)混合网等。
·从网络的控制方式进行分类——网络的管理者则非常关心网络的控制方式。
按网络的控制方式划分,可以分为:
(l)集中式网络;
(2)分散式网络;(3)分布式网络。
·从网络的作用范围进行分类——很多情况下人们经常从网络作用的地域范围对网络进行分类。
例如:
广域网(WideAreaNetwork,简称WAN),它的作用范围通常为几十到几千公里。
广域网有时也称为远程网。
局域网(LocalAreaNetwork,简称LAN),一般通过专用高速通信线路把许多台计算机连接起来(速率一般在l0Mb/s以上),但在地理上则局限在较小的范围(如lkm或几km左右),一般是一幢楼房或一个单位内部。
还有一种网络,其作用范围在广域网和局域网之间,例如作用范围是一个城市。
这种网络就叫做城域网或市域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)。
城域网的传送速率也在1Mb/s以上,但其作用距离约为5—50km。
网络的分类方法还有其它一些。
例如从网络的使用性质进行分类,可以划分为公用网和专用网;从网络的使用范围和环境可以分为企业网、校园网等;从网络的带宽和传输能力可分为窄带网和宽带网(多媒体网)等。
最近几年有一种称之为“内连网”(Intranet)的网络颇为流行。
它是集LAN、WAN和数据服务为一体的一种网络,它采用Internet的相关技术(如TCP/IP协议,Web服务器和浏览器技术等)将计算机连接起来,从而建立起企业内部网络。
Intranet有许多优点,例如简单易用、用户培训负担轻;系统建立容易,规模小的系统甚至数天即可完成;系统建立成本低;标准化程度高,容易集成各类信息系统等。
目前,国内正处于开发管理信息系统(MIS)和建网的热潮中,Intranet应该是网络化MIS系统的优选方案之一。
5.2数据通信基础
5.2.1数据通信的基本概念
所谓数据通信是指通过计算机技术与通信技术的结合来实现信息的传翰、交换、存储和处理。
现代数据通信系统实际上就是一个计算机网络,它由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。
数据传输系统也称通信子系统或通信子网,其主要任务是实现不同数据终端设备(DTE)之间的数据传输;而数据处理系统也称为资源子系统或资源子网,它由许多数据终端设备(例如PC机、服务器、大型计算机、工作站、智能终端等)组成,它们是网络中信息传输的信源或信宿,负责提供信息和接收信息与处理信息。
图5.1数据通信模型
数据传输系统中数据通信的模型如图5.1如示。
为了将一个数据终端设备发出的数据传送到指定目标设备,通常不仅要经过很长的传输线路,而且也往往需要进行调制/解调、多路复用以及交换等处理。
数据传输系统由下述几部分所组成:
(1)传输线路
它是信息的传输通路,由各种类型的传输介质和有关的中间通信设备所组成。
(2)调制解调器(MODEM)
由发送端的数据终端设备所发出的数据,通常并不以其原有形式直接进行传送,而是被转换成适合于传输的的电磁信号。
当该信号传输到目标数据终端设备之前,也需要再把它转换成为适合数据终端设备接收的数据。
调制解调器就是用来实现上述功能的。
(3)多路复用器
为了提高传输线路的利用率,使多个终端设备共用一条物理信道来传输信息,所用的设备就是多路复用器。
它将多个信源所发出的信号,有序地纳入一条物理信道中进行传输。
到达目的地后,再将物理信道中的多路信号分别送入对应的目标数据终端设备。
多路复用器有时也称为多路转换器。
(4)交换器
当许多终端设备(几百、几千甚至几万个)要相互通信时,它们之间采用固定的连接是不现实的。
一种可行的方法是在任意两个要进行通信的终端之间建立临时连接,然后通过该连接把源终端发出的信息转送至目标终端,通信结束后再拆除连接。
交换器就是用来实现这种临时连接和传输信息的设备。
数据传输中常用的一些基本概念简述如下。
信道:
信号传输的通道,通常它是一种抽象的描述,与传输介质有着相似的含义。
数据传输速率:
简称数据率(datarate),是指单位时间内传送的二进制数据位数,通常用“千位/秒”(kb/s)或“兆位/秒”(Mb/s)作计量单位。
信道容量:
信道允许的最大数据传输速率,是数据通信信道的主要性能参数之一。
误码率(errorrate):
指数据传输中出错数据占被传输数据总数的比例,也是通信信道的主要性能参数。
5.2.2物理信道与传输介质
物理信道是数据通信系统中最基本的组成部分,它由各种类型的传输介质和中间设备组成。
物理信道的类型可以从不同的角度进行分类:
(1)按传输介质的类型可把信道分为有线信道和无线信道;
(2)按传输信号的形式可把信道分成模拟信道和数字信道;(3)按使用方式则又分成专用信道和公用信道。
下面按传输介质类型作简单阐述。
1有线信道
它由传输线和中继器组成,数据在导体中传播,这样不仅可获得较高的传输效率,且易于保证传输的正确性。
属于有线信道的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤等。
(1)双绞线
双绞线由两根相互绝缘的导线组成,两根导线绞合成匀称的螺纹状,作为一条通信线路。
将2根、4根或更多根这样的双绞线捆在一起,外面包上护套,构成双绞线电缆。
它可以用于传输模拟信号,传输距离不大时也可以用于传输数字信号。
双绞线有屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair,STP)和无屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair,UTP)两种,前者支持较远距离的数据传送,误码率低,但价格稍高;后者使用在LAN中,3类线的传输速率达10Mb/s,距离可达100~150m。
质量更高的5类线的传输速率可达100Mb/s。
双绞线价格便宜且安装方便。
双绞线容易受到外部高频电磁波的干扰,线路本身也会产生一定的噪声,误码率较高。
如果用作数据通信网络的传输介质,每隔一定距离就要使用一台中继器或放大器。
因此通常只用作建筑物内部的局部网通信介质。
(2)同轴电缆
同轴电缆的横截面是一组同心圆,最外圈是绝缘保护层,紧贴着的是一圈导体编织层,均匀地排列成网状,再里面是绝缘填料,用来分隔编织外导体与内导体,内导体可以用单股实心线,或者用多股绞合线。
目前广泛使用的同轴电缆有基带同轴电缆(特征阻抗50Ω)和宽带同轴电缆(特征阻抗75Ω)两种。
前者用于传输数字信号,采用基带传输方式,当距离不超过1km时,最高传输速率可达50Mb/s;后者即常用的有线电视电缆,带宽可达300~400MHz,既可用于传输模拟信号,也可用于传输数字信号。
同轴电缆的最大传输距离随电缆型号和传输信号的不同而不同,一般可达几公里甚至几十公里。
由于同轴电缆易受低频干扰,在使用时多将信号调制在高频载波上。
(3)光导纤维(光缆)
用光纤做成的光缆由4部分组成:
①缆芯。
可以是一股或多股光纤,光纤的直径约为10-100μm,通常是超高纯的石英玻璃纤维;②包层。
这是在光纤外面包裹的一层,它对光的折射率低于光纤;③吸收外壳。
用于防止光的泄漏;④防护层。
对光缆起保护作用。
光纤有两类:
①单模光纤。
这种光纤具有较宽的频带,传输损耗小,因此允许进行无中继的长距离传输(100km以上)。
但由于这种光纤难于与光源耦合,连接较困难,价格也贵,故主要用作邮电通信中的长距离主干线;②多模光纤。
其频带较窄、传输衰减也大,因此允许的无中继传输距离较短,但其耦合损失较小、易于连接、价格便宜,故常用于中、短距离的数据传输网和局域网中。
由于光纤具有非常宽的频带,在l公里距离内带宽可达1GHz以上,30公里内频带仍大于25MHz。
它的误码率很低,在中继距离为6—8公里时可小于10-9,无中继的传输距离可长达6—8公里。
此外还有不受电磁干扰、保密性好等一系列优点,使它愈来愈多地在各种通信系统中得到采用。
2无线信道
采用无线信道,使电磁波通过自由空间去传播数据,可省去线路的架设,也允许数字终端设备在一定范围内随意移动,因此,无线信道非常适合于那些难于铺设传输线的边远山区和沿海岛屿使用,也为大量的便携式计算机入网提供了条件。
但电磁波通过自由空间时能量较分散,故传输效率低。
另外,无线传输存在着易被窃听、易受干扰、易受气候因素影响等缺点。
目前常用的无线信道有微波、红外线和激光,尤以微波通信(包括卫星通信)使用最为广泛。
5.2.3调制解调器
为了能利用现有的电话、有线电视等模拟传输系统传输数字信号,必须先将数字信号变换成模拟信号。
调制器的基本职能是把从终端设备和计算机送出的数字信号变换为适合于在模拟信道上传输的模拟信号,解调器的基本职能是把模拟信号恢复成数字信号。
通常都把调制器和解调器做在一起而称之为“调制解调器”(MODEM)。
图5.2是利用模拟信道进行数据通信的方框图。
图5.2利用模拟信道进行数据通信
由于调制解调器的用途是使计算机数据能够在模拟信道上传输,且各类传输信道都各有自己的特点,因此便产生了不同类型的调制解调器。
例如,MODEM按操作状态可分为2种:
同步MODEM和异步MODEM。
前者速度快、成本高,适用于连接高速通信线路。
后者速度低、价格便宜,适用于连接低速通信线路。
一般家庭通过电话线上网所使用的都是异步MODEM,其传输速率为9.6-19.2kbps;高速MODEM的传输速率超过19.2kbps,达到28.8,33.6kbps,有的甚至达到56kbps。
MODEM产品有外接式、内插式、PC卡式(用于笔记本电脑)和机架式(用于网络中心)等多种不同的形式,它们各有其不同的使用场合。
最近几年市场上出现了一种新型的电视电缆调制解调器(CableMODEM),它是通过有线电视(CATV)网进行数据通信的设备,它一端与计算机相连,一端与墙上的CATV插座相连。
CableMODEM有对称型和非对称型两种,前者上行速率和下行速率相同(0.5-2Mbps),后者下行速率远大于上行速率,可达3-10Mbps甚至更高,很适合于接入因特网作多媒体通信使用,但目前价格较高,且标准化问题还有待很好解决,普及使用尚需假以时日。
5.2.4交换技术
在连接着大量数据终端设备的网络中,为了实现在众多数据终端设备之间的通信,较好的方法是在通信网络中设置交换中心(switchingcenter),它可同时为多对要通信的数据终端建立通信链路,通信结束后再拆除链路。
目前在计算机网络中使用的交换技术有如下几种。
(1)电路交换
电路交换又叫线路交换,这是一种在发送端和接收端之间实际地建立一条物理信道的交换方式。
典型的例子是电话交换机,打电话者拨通对方号码后,在电话交换机中就有一条线路把两个号码对应的线路端点连接起来,构成一条专用通信通道。
通话完毕挂机,交换机内的连线被拆除。
电路交换的通信过程包括三个阶段:
建立连接、传输数据、拆除连接。
这种交换方式使用的设备及操作比较简单,特别适合远距离成批传输,建立一次连接就可以传送大量数据。
缺点是线路的利用率非常低。
(2)报文交换
报文(message)是一种经过包装的数据,即把要发送的数据与发出地、目的地等有关信息结合在一起组成一个报文,每个报文按照去向不同送入通信网络中不同节点机的缓冲区去排队,当某一条链路空闲时,就从相应节点机的缓冲区中取出一个报文发送到下一节点,下一节点再进行转发,直至报文到达接收端。
这种交换方式有不少优点,如线路利用率较高;收发双方不需同时工作,当接收方忙碌时,整个网络都可以作为它的缓冲;根据报文的长短或其他特征可以给报文建立优先级,使得一些短的、重要的报文能优先传递。
它的缺点是延时长,不宜用于实时通信或交互通信。
(3)分组交换
报文交换方式产生较大时延的主要原因,除了报文在交换器要进行排队外,还由于报文传输是按串行方式进行的。
通常,报文本身就可能很长,在传输过程中要先将报文存储起来,仅当报文的全部信息都已存入缓冲区后,才能对它们进行处理,再把它们转发给下一节点或目标终端。
分组交换的工作方式与报文交换大致相同,区别在于报文交换是以整个报文(数据块)为信息交换单位,而分组交换则是把大的数据块分割成若干小块,然后为每个小块数据加上有关地址信息及分组信息,组成一个数据包(称为“分组”或“包”)。
数据包的长度有限,通常为几十到几百个字节。
这些数据包按照类似于流水线的方式在网络中经过缓冲、转发而到达目的地。
分组交换方式比报文交换有明显的优点,例如:
(1)加速了信息在网络中的传输;
(2)简化了缓冲器的管理;(3)较短的信息分组减少了出错率和重发信息量,提高了通信线路的有效利用率;(4)更适于采用优先权策略。
70年代后期,CCITT发表了X.25建议书,规定了数据终端设备与分组交换网的接口。
目前,国际上的分组交换网几乎都采用X.25来连接主机和通信子网,因此也称为X.25分组交换网,简称X.25网。
(4)帧中继(FrameRelay)交换
多年来分组交换网一直是实现数据通信的较好方式,但进入80年代后,随着计算机的普及,网络用户的增加,网络上信息流量的急剧上升,分组交换网已经远远不能适应数据通信发展的需要。
这是因为早期的分组交换网主要采用模拟信道,其质量较差、误码率较高。
到80年代后期,通信用的主干线已逐步采用光缆,光缆不仅大幅度地提高了传输速率,而且使传输误码率降低了几个数量级。
此外,网络中所用通信节点机的可靠性也显著提高,这些都使信息在传输过程中发生差错的几率减小,因此没必要再像X.25分组交换网那样每经过一个节点都对数据包进行一次差错检测;也无需在每个交换器中设置功能较强的流量控制和路由选择机制。
正是在这种背景下产生了帧中继交换。
帧中继是在X.25分组交换的基础上,简化了差错控制(包括检测、重发和确认)、流量控制和路由选择功能,而形成的一种新型的交换技术。
由于X.25分组网和帧中继网很相似,因而很易于从X.25网升迁到帧中继网。
帧中继网与X.25分组交换网相比,通信子网得到简化,传输速率从64Kbps提高到2.048Mbps,因而较容易接入ATM骨干网。
目前帧中继网正在成为国际和国内广域网业务服务的主流。
(5)异步转移模式(ATM)
ATM技术是在分析了电路交换和分组交换的优缺点之后,吸取两者的长处而发展起来的。
电路交换具有良好的实时性,缺点是信道带宽不能动态分配,线路的利用率很低。
而分组交换虽然有带宽动态分配能力,但实时性很差。
ATM和帧中继一样也是一种快速分组交换技术,但帧中继中的分组(帧)的长度是可变的,而ATM中的分组(称为“信元”)长度是不变的。
由于使用了固定长度(53个字节)的短信元,一方面吸取了分组交换中标记复用方式的优点来提高信道利用率,另方面利用固定长度短信元便于采用高速硬件对信头进行识别和交换处理的优点,使传输控制大大简化,从而形成了一种崭新的高速交换技术。
由于ATM的高速交换特性,使文本、声音、图像和视频等能同时在ATM信道中传输,为实现多媒体数据通信创造了条件。
5.3网络体系结构——OSI/RM和TCP/IP
5.3.1基本概念
(1)网络的层次式结构。
现代计算机网络都采用层次式结构,即一个计算机网络可分为若干层,其高层仅是利用其较低层次的接口所提供的功能,而不需了解其较低层次实现该功能时所采用的算法和协议;其较低层次也仅仅是使用从高层传送来的参数。
这就使得一个层次中的模块用一个新的模块取代,只要新模块与老模块具有相同的功能和接口,即使它们执行着完全不同的算法和协议也无妨。
(2)网络协议。
在计算机网络中,为使各计算机之间或计算机与终端之间能正确地传送信息,必须在关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面有一组约定或规则,这组约定或规则即所谓的网络协议(Protocol)。
网络协议含有三个要素:
第1是它的语义,第2是它的语法,第3是它的规则。
协议的语义是指对协议含义的解释。
实质上,网络协议是实体间通信时所使用的一种语言。
(3)网络体系结构
计算机网络的层次及其协议的集合,就是所谓的网络体系结构。
具体地说,网络体系结构是关于计算机网络应设置哪几层,每个层次又应提供哪些功能的精确定义。
自70年代以来,国外一些主要计算机生产厂商如IBM,DEC等都先后推出了本公司的网络体系结构,但它们都属于专用性的。
为使不同计算机厂家生产的计算机能相互通信,以便在更大范围内建立计算机网络,国际标准化组织信息处理系统技术委员会(ISOTC97)于1983年春,正式批准“开放系统互连参考模型(OSI/RM)”(ISO7492)作为网络体系结构的国际标准。
5.3.2开放系统互连参考模型(OSI/RM)
为了实现计算机系统的互连,ISO开放系统互连参考模型把整个网络的通信功能划分为7个层次,每个层次完成各自的功能,通过各层间的接口和功能的组合与其相邻层连接,从而实现不同系统之间、不同结点之间的信息传输。
表5.1是OSI参考模型中7个层次的名称和它们的主要功能。
表5.1OSI参考模型中的7个层次
层号
层的名称
英文
主要功能
7
应用层
ApplicationLayer
与用户应用进程的接口,即相当于:
做什么?
6
表示层
PresentationLayer
数据格式的转换,即相当于:
对方看起来像什么?
5
会话层
SessionLayer
会话的管理和数据传输的同步,即相当于:
轮到谁讲话和从何处讲?
4
运输层
TransportLayer
从端到端经网络透明地传输报文,即相当于:
对方在何处?
3
网络层
NetworkLayer
分组传输和路由选择,即相当于:
走哪条路可以到达该处?
2
数据链路层
DataLinkLayer
在链路上无差错地传送一帧一帧信息,即相当于:
每一步应该怎么走?
1
物理层
PhysicalLayer
将比特流送到物理介质上传送,即相当于:
对上一层的每一步该怎样利用物理介质?
在ISO和CCITT的共同努力下,这7个层次的许多标准都已制订出来了。
遵循这些标准的产品也已部分开发成功。
图5.3是两个计算机经过数据通信网的两个交换结点进行通信的示意图。
图中的交换结点只包含下3层。
联网的计算机A和B进行信息传递的路线是:
A机的应用进程APA从发送端的第7层向下依次传到第1层,然后通过网络的物理介质传送到第一个结点。
从该结点的第1层上升到第3层,完成路由选择后,再下到第1层,然后通过网络传到由路由选择所决定的第2个结点。
最后传到接收端(计算机B),从第1层上升到第7层后,到达应用进程APB。
在互连过程中,每个用户(或它们的应用进程)能看见自己及自己所在系统的管理模块,也能通过第7层看见对方用户的映象,但其它层次的许多东西用户是看不见的(一般情况下也不需要看见)。
图5.3开放系统互连环境
5.3.3TCP/IP
除OSI参考模型之外,在实际应用中还流行着一些其它网络体系结构,最有名的就是美国在Internet网中使用的TCP/IP体系,简称TCP/IP。
TCP/IP在计算机网络中占有非常重要的地位。
这是因为尽管OSI的体系结构理论上比较完整,但实际上完全符合各层协议的商用产品却很少进入市场,远远不能满足用户的需求。
而使用TCP/IP协议的产品却大量涌入市场,这就使得TCP/IP成为计算机网络体系结构的事实上的标准,有人也称它为工业标准。
图5.4TCP/IP的体系结构
TCP/IP与OSI/RM有不少差别(图5.4)。
它一共只有三个层次,最高的是应用层,相当于OSI中的最高三层。
接下来与OSI运输层相当的是传输控制协议TCP,
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