数据通信网络 第2章

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1、第二章 计算机网络基础2.1 2.1 计算机网络的组成与计算机网络的组成与分类分类2.2 2.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.3 2.3 局域网技术局域网技术2.4 2.4 广域网技术广域网技术2.1计算机网络的组成与分类2.1.1 计算机网络的产生与发展一、面向终端的网络这种以单个计算机为中心的远程联机系统也称为面向终端的计算机通信网，或称它为第一代计算机网络。二、面向通信的网络为了提高主机数据处理的效率，网络 上的通信处理任务由称为通信控制处理机 （Communication Control Processor， CCP）来承担。 第二代计算机网络的典型代表是 ARPA网，60

2、年代后期美国国防部高级研 究计划局为促进对新型计算机网络的研究 ，提供经费资助美国的许多大学和公司， 于1969年2月建成了一个具有4个节点的实 验性网络投入运行和使用。三、标准化的网络这样经过若干年的努力，ISO在1984 年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型 ”的正式文件，即著名的ISO 7498国际标准 ，通常人们将它称为OSI参考模型，并记 为OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model），或简 称OSI。2.1.2 计算机网络的定义 与功能一、计算机网络的定义计算机网络最初的定义是：以实现远 程通信为目的的，一些互连的，独立自

3、治 的计算机的集合。 当计算机网络发展处于第二阶段时， 计算机网络被定义为：以相互共享资源（ 硬件、软件和数据）方式而连接起来，且 各自具有独立功能的计算机系统之集合。二、计算机网络的功能1可实现资源共享共享资源是开发计算机网络的动机之一。 2提高了系统的可靠性一般来说，计算机网络中的资源是重复设置的，它们被分布在不同的位置上。3有利于均衡负荷计算机网络还具有均衡网络负荷的功能。4提供了非常灵活的工作环境用户通过网络把终端连接到办公室的计算机上，就可以在家里工作。2.1.3 计算机网络的分类 与应用一、计算机网络的分类按网络的拓扑结构进行分类：可分为 星型、树型、环型、总线型和网格型等。 按网

4、络的交换功能进行分类：可分为 电路交换、报文交换和分组交换。 按网络的覆盖范围进行分类：可分为 广域网、局域网和城域网。 按网络服务的对象进行分类：可分为 公用网和专用网。二、计算机网络的应用计算机网络的潜在功能使得它在工业，农业，交通运输，邮电通信，文化教育，金融贸易，以及国防建设等领域中获得越来越广泛的应用。2.2 计算机网络体系结构2.2.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构是指为了完成计算机之间的通信，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。一、层、子系统与实体分层是进行系统分解的最好方法之一 。主要有： 各层相对独立，彼此不需

5、要 知道各自的实现细节，而只要了解该层通 过层间接口提供的服务。 易于实现和维 护。这是由于系统已被分解为相对简单的 若干层次的缘故。 易于标准化。因为每 一层的功能和所提供的服务均已有精确的 说明。实体（entity）表示进行发送或接收 信息的硬件或软件进程。因此，每一层都 可看成由若干个实体组成。 二、服务、协议和服务访 问点在同一开放系统中，（N）实体可以 通过层间边界与上邻的（N1）实体和下 邻的（N1）实体进行直接通信。不同开放系统对等实体之间的通信，需要（N）实体向相邻的上一层（N1）实体提供一种能力，这种能力称为（N）服务。接受（N）服务的相邻上一层的实体，即（N1）实体，称为（

6、N）服务用户或（N）用户。一个网络协议主要由下面三部分组成 。 语义：规定通信双方彼此之间准备 “讲什么”，即确定协议元素的类型。 语法：规定通信双方彼此之间“如 何讲”，即确定协议元素的格式。 同步：规定通信双方彼此之间的“ 应答关系”，即确定通信过程中的状态变化 ，此项可用状态来描述。三、服务原语相邻子系统内的实体通过服务访问点 发送或接收服务原语进行交互作用。（N ）服务原语可以由（N）实体向（N1） 实体发送，或由（N1）实体向（N）实 体发送。ISO/OSI规定了每一层均可使用 的服务原语有以下4种类型。1请求（request）由（N1）实体发往（N）实体，表示（N1）实体请求（N）

7、实体提供指定的（N）服务。2指示（indication）由（N）实体发往（N1）实体，表示（N）实体发生了某些事件。3响应（response）由（N1）实体发往（N）实体，表示对（N）实体最近一次送来指示的响应。4证实（confirm）由（N）实体发往（N1）实体，表示该（N1）实体所请示的服务已经完成，予以确认。四、数据单元1服务数据单元（Service Data Unit，SDU） 2协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU） 3接口数据单元（InterFace Data Unit， IDU）五、对等实体间的通信1建立连接阶段当位于不同开放系统同一（N1）层 的两个（N1

8、）实体需要通信时，必须先 在其相邻的低层即（N）层利用（N）协议 建立一种逻辑联系，这种联系称为（N）连接。2数据交换阶段 建立了（N）连接的对等（N1）实体 ，可分别通过与它相连的某个访问点（N） SAP实现该（N1）实体之间的数据交换。 3释放连接阶段 当两个对等的（N1）实体完成了数 据交换之后，任何一方的（N1）实体都可 以请示释放它们之间的（N）连接，以中止 通信联系，这一过程称为正常释放连接。六、服务的类型两个对等实体间的通信还与服务的类 型有关。从通信的角度看，服务可分为两 大类即面向连接的服务和无连接的服务。 面向连接的服务，是指两个对等实体 在进行数据交换之前，必须先建立连接

9、， 当数据交换结束后，应终止或释放这种连 接关系。 无连接服务是指两个对等实体之间的 通信无需先建立一个连接，就可以进行数 据交换。2.2.2 ISO/OSI网络体系 结构 一、OSI/RM的制定国际标准化组织（ISO）于1984年正 式制定了标准化的开放系统互连参考模型 OSI/RM（即ISO7498）。ISO曾对开放系 统作了如下的原始定义：“开放系统是对与 开放系统互连（OSI）有关的实系统在参 考模型中诸方面的一种表征。而实开放系 统是指一个完整的系统或网络，它在与其 他实系统通信时，遵循OSI标准”。ISO提出OSI/RM的意义在于：第一，它从计算机与通信的角度提出系统的开放性问题。

10、第二，将开放系统与系统互连互通联系在一起，为今后开放系统的发展指明了方向，奠定了基础。二、分层原则及各层的主 要功能 1分层的原则 一般分层可遵照以下几个主要原则。 （1）当必须有一个不同等级的对象 时，应设立一个相应的层次。 （2）对每一层的功能应当有确切的 定义。 （3）层间接口要清晰。 （4）层的数目应适当。2各层的主要功能 OSI参考模型采用七个层次的体系结 构，如图2.9所示。 （1）物理层：物理层的作用是为数 据链路层提供一个物理连接。 （2）数据链路层：数据链路层的作 用是为网络层提供一个数据链路连接，在 一条可能出差错的数据链路上进行几乎无 差错的数据传输。图2.9 OSI参考

11、模型层次结构（3）网络层：网络层对通信子网的运行进行控制。（4）传输层：传输层的作用是为会话层用户提供一个端到端（即主机到主机）的透明的数据传输服务。（5）会话层：会话层允许不同主机上的各种进程之间进行会话，并参与管理。（6）表示层：表示层主要为上层用 户解决用户信息的语法问题，为了让不同 的计算机采用不同的编码方法来表示用户 的抽象数据类型和数据结构，表示层管理 这些抽象的数据结构，并把计算机内部的 表示形式转换成网络通信中采用的表示形 式。 （7）应用层：应用层是OSI模型的最 高层，它为特定类型的网络应用提供访问 OSI环境的手段。三、开放系统互连环境 所谓开放系统互连环境（Open S

12、ystem Interconnection Environment，OSIE）是指那些与系统互连有关的部分，也就是OSI参考模型所描述的范围。2.2.3 Internet网络体系 结构Internet起源于ARPANET，在其发展 过程中，为了完成异构网络的互连，采用 了TCP/IP分层体系。TCP/IP（ Transmission Control Protocol/Internet Protocol）于70年代末开始研究开发，1983 年初，ARPANET完成了向TCP/IP全部转 换工作。 TCP/IP分层体系只包含4个功能层， 即应用层、传输层、网际层和网络接口层 ，它与OSI/RM的对

13、应关系如图2.12所示。一、网络接口层TCP/IP不包含物理层和数据链路层协 议，它只定义了各种物理网络与TCP/IP之 间的网络接口。 二、网际层网际层是因特网实现异构网络互联最 关键的一层，网际层又称为IP层，包含有4 个重要的协议，即IP、ICMP、ARP和 RARP。网际层的另一个重要服务是在互相独立的局域网上建立互连网络。在互连网络中，连接两个以上网络的节点称为路由器（在TCP/IP中，有时也称为网关），网间的报文根据它的目的地址通过路由器传送到另一个网络。三、传输层 1传输控制协议 传输控制协议（Transfer Control Protocol，TCP）是一个可靠的面向连接的 数

14、据传送协议，它完成因特网内主机到主 机之间流式数据的无差错的传输控制过程 ，包括对数据流的分段与重装、端到端流 量控制、差错检验与恢复以及目标进程的 识别等操作。2用户数据报协议 用户数据报协议（User Data Protocol ，UDP）是一个不可靠的、无连接的、直 接面向多种应用业务的数据报传送协议， 例如，网络控制和管理性的数据业务，客 户/服务器模式的查询响应数据业务，以及 话音和视频数据业务等。UDP是实现高效 、快速响应的重要协议。四、应用层因特网的应用层与OSI/RM中的应用 层差别很大，它不仅包括了从会话层以上3 层中可能有的所有功能，而且还延伸到包 括本地应用进程本身在内

15、。 因特网的应用层主要包括一系列应用 系统的协议，如远程终端协议（Telnet） 、文件传送协议（FTP）、简单邮件传输 协议（SMTP）、简单网络管理协议（ SNMP）以及环球网（WWW）超文本传 输协议（HTTP）等等。2.3 局域网技术2.3.1 局域网的基本概念一、局域网概述局域网（Local Area Network，LAN）是指将局部范围内的各种通信设备互连在一起实现相互间数据传输和资源共享的通信网络。局域网的特征是：覆盖范围小，从几十米到几公里；传输速率高，从10Mbit/s到1000Mbit/s；误码率低，约10-8到10-11。局域网中的通信设备包括计算机、终端和各种外围设备

16、等。局域网是一个自治网，由所属单位管理。二、局域网分类局域网主要分成三种类型：以太网（ Ethernet）、令牌环（Token Ring）和令 牌总线（Token Bus）。 1总线型拓扑 总线结构是局域网中最常见的网络拓 扑。在这种结构的网络中，所有的用户工 作站（计算机、终端、外围设备等）都同 等地挂接在一条广播式公共信道（总线） 上，如图2.13所示。图2.13 总线型拓扑总线结构局域网的主要缺点： 网络覆盖范围受到限制。 信道是网络的惟一公共部件，信道 的故障（匹配器损坏、引入干扰、缆线断 裂，等等）将导致整个网络失效，使网络 完全瘫痪。 广播式竞争型多址通信协议不利于 网络业务量的增加。2环型拓扑 环型结构局域网的主要优点： 网络接入控制及其接口部件比较简 单。 由于网络操作是分布式且非竞争型 的，所以对于信道资源（系