计算机网络技术综述Word格式文档下载.docx

计算机网络技术综述Word格式文档下载.docx

《计算机网络技术综述Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络技术综述Word格式文档下载.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

8.第二层交换

9.第三层交换

10.网络管理

11.客户/服务器模式

12.网络操作系统

13.今日网络

东北电力科学研究院

计算机管理信息系统附录三

1.计算机网络系统

在过去的15年中，局域网（LAN）已经从一种试验性的技术发展成为世界上各行各业所用的一种关键性的工具。

LAN是为将在一个小的地域范围（如工作组、部门或者多层建筑中的一层）内的计算机和其它数据处理设备连接起来而设计的一种高速通信系统。

在一个建筑物或园区内的几个LAN也能互连以扩大连网范围。

由于能使用户共享必需的计算资源，包括昂贵的硬件如打印机、CD-ROM驱动器、应用程序，而且更重要的是那些用户在工作中所需要的信息，使得LAN变得越加流行。

在LAN技术未发展以前，独立的计算机互相隔绝并限制了本身的应用范围。

通过使用LAN将独立的计算机连接起来，其用途和效率显著增加。

但就其本质而言，LAN是一种局域网络，界定于一个非常小的范围（如一个建筑物甚或建筑物的一层）内。

为了充分利用计算机网络，关键是将各自独立的LAN连入企业范围内的骨干网，最终将企业的全部雇员和资源都连接入网，而且不论其地理分布如何。

今天的LAN和互连局域网（LANInternetworks）是强劲的，灵活的，并且易于使用，但是它们却是将许多复杂的技术整和在一起，而这些技术必须无隙地一起工作。

要使LAN真正地有利于企业，必须将其设计成能够满足企业变化的通信需求。

建造LAN是一个选择不同的设备并将其连接在一起的过程。

这要求用户不仅要知道如何选择LAN设备，而且还应懂得一些LAN的基础知识。

2.标准和协议

LAN是能够实现许多不同服务以便能够在连到其上的所有设备间进行通信的复杂系统。

为了定义LAN所能提供的所有服务，国际标准化组织（ISO）提出了一个称为开放系统互连（OSI）参考模型的通信模型。

图2.1描述的是最基本的OSI参考模型，它表示了源节点，中间节点，目标节点以及每个节点之内的协议栈。

各层的表示从底部第一层开始──它与相邻的节点之间有物理接口──直至最顶端的第七层──它通常驻留于用户末端设备或主机上，与用户的应用相互交互。

这七层的每一层都代表一个或多个协议，这些协议定义了在用户和网络单元之间通信的功能操作。

在各层之间所有协议通信都是对等的，如层之间的水平箭头所示。

尽管OSI已经标准化了许多协议，只有少数几个被广泛应用。

图2.1OSI参考模型

这种分层方法使得相关的一小组服务可以用模块的型式实现，使得网络软件的设计更加灵活。

用户的应用需求不同，可设计出不同的物理层和数据链路层模块，并可据此将在模型的网络层和传输层提供服务的网络软件模块分类。

图2.2说明在OSI参考模型中每层的基本元素。

OSI的这部分已经被广泛地用于将计算机和通信协议按照这个一般模型的特征进行分类。

层（N+1）的实体与对等的层（N+1）的实体通过在层（N）支持的服务经由服务访问点（SAP）进行通信。

层（N）的SAP提供有关请求、指示、确认以及应答的原语给层（N+1），参数与每个原语有关。

协议数据单元（PDU）从层（N+1）向层（N）向下通过时采用请求原语，而在层（N）的PDU从层（N）向（N+1）向上通过时采用指示原语。

控制和错误信息则使用确认和应答原语。

图2.2分层协议模型的说明

在过去大型机和小型机的时代，底部三层（网络层、数据链路层以及物理层）与随后三个更高的层（表示层、会话层以及传输层）是在不同的设备上实现的。

前三层是在前端处理机（FrontEndProcessor，FEP）上实现的，而上三层是在主机上实现的。

目前的网络设备──诸如网桥、路由器和集线器──通常处理前面三层的协议：

网络层、数据链路层和物理层。

它们经常能够连接不同的协议和接口。

许多用户软件的实现过程覆盖顶部三个非应用层（表示层、会话层和传输层），从而构成了一个程序。

但是，OSI模型并未规定在LAN设备中如何实现这些服务。

有许多不同的协议定义了“如何实现”的问题，而这些协议是由相应的国际标准化组织，独立的LAN设备制造商，以及对此有特殊兴趣的团体制定的。

典型地，这些协议在OSI参考模型的一层或两层内定义如何实现一组服务。

然后，再由国际通信标准化组织──电气和电子工程师协会（IEEE）加以改进。

因为以太网和令牌环网是由IEEE改进并公布的，所以其被称为工业标准。

任何公司都能获得这些规范并设计以太网和令牌环网NIC。

例如，用户可以购买一块任一厂商生产的以太网NIC，都能保证其与网络中其它厂商生产的NIC互操作。

对互操作性总是有一个很高的希望希望度。

然而，在OSI模型的高层提供服务的协议很多，但其很少经过了国际标准化组织的改进。

事实上，大多数高层网络协议都已包含在专有的网络操作系统（如NovellNetware，MicroSoftWindowsNT）之中。

为保证其在LAN中的互操作性，用户只能购买该厂商的产品。

3.局域网络基础

今天，局域网使用的是共享访问（sharedaccess）技术。

这意味着连接到LAN上的全部设备共享单一的通信介质，通常为同轴电缆，双绞线，或光缆。

图3.1说明了这一概念：

几台计算机连接到同一条用作通信介质的电缆上。

在计算机内插入一块网络接口卡（NIC）并将其与网络电缆相连，这就实现了网络的物理连接。

一旦实现了物理连接，既可使用网络软件管理网上站点间的通信。

图3.1总线型局域网

在共享介质（sharedmedia）网络中，当一个站点想要向另一个站点发送消息时，它用该站点中的软件将消息放入一个“信封”中。

这个信封，称为包（packet），由被头（header）和尾（trailer）封装的消息数据组成，其中头和尾中含有网络软件用来定位目的站点的特定信息。

置入包头的信息之一是目的站点的地址。

然后，NIC将包传到LAN上。

包以通过电子信号变化表示的数据bit流传递。

当其沿着共享电缆传输时，所有连到该电缆上的站点都能看到它。

当其经过每个站点的NIC时，NIC检验包头中的目的地址，确定该包是否是传给自己的。

当包传到了所标址的站点时，站点的NIC复制包，然后取出信封中的数据并将其交给计算机。

图3.1显示了一个源站点发送一个消息包到一个目的站点。

如果源站点想要发送的消息太大以至于不能装入一个包，它将以一系列包发送该消息。

无论如何，在共享访问LAN中，许多站点都共享同一条电缆。

每个单独的包都很小，其传输到电缆末端（电子信号在此消失）耗时很少。

因而，在一对站点间栽有消息的包沿着电缆传输完成后，其它站点就能向其需发送消息的任一站点传输一个包。

以这样的方法，许多设备能够共享同一LAN介质。

3.1以太网

今天，使用最广的LAN技术是以太网（Ethernet）。

它在速度，价格，易于安装，和承载能力之间取得了平衡。

所有LAN连接中大约有80%使用的是以太网。

以太网标准由电气和电子工程师协会定义，称为IEEE802.3规范。

802.3规范含概了配置以太网LAN的规则，能用的介质类型，以及网络元件之间如何相互作用。

以太网协议提供了OSI参考模型物理层和数据链路层所要求的服务。

802.3规范的一部分描述了以太网络以每秒10兆bit（10Mbps）或在快速以太网下以每秒100兆bit（100Mbps）的数据速率运行。

这意味着当一个站点在以太网介质上传输一个包时，该包将以10Mbps的速率沿着介质传递。

802.3规范的另一个重要的部分定义了连接到以太网LAN的站点所用的访问方法，称为碰撞检测载波感应多重访问（CSMA/CD）机制。

以这样的方法，每个站点抢占对共享介质的访问。

可能会发生两个站点试图同时发送包，结果在LAN上产生了碰撞。

在以太网络中，碰撞属正常事件，在碰撞发生后，CSMA/CD访问机制很快就能使网络恢复正常状态。

以太网介质和拓扑：

设计安装LAN的一个重要部分是按照环境选择适当的介质和拓扑。

以太网络有星型和总线型两种拓扑，使用三种不同的介质。

同轴电缆是最早使用的LAN介质，用于所谓的总线（bus）拓扑（图3.1为典型的总线拓扑）。

在这种结构中，同轴电缆形成一条单一的总线，所有站点都与其相连。

在今天新建的LAN中以很少使用这样的拓扑，因为当增加新的用户或将已有用户从一个地方移到另一个地方会很困难。

除非非常小，否则要查出总线LAN中的问题也很困难。

图3.2示出的是星型拓扑的LAN──一种更稳定的拓扑。

在星型拓扑中，每个站点都通过不同长度的双绞线连到中心集线器或HUB上。

电缆的一端与站点的NIC相连，另一端与HUB的一个端口相连。

HUB置于位于建筑物中部的配线室中。

图3.2星型拓扑LAN

可以使用三种不同的介质建造以太网络：

屏蔽和非屏蔽双绞线，同轴电缆，以及光缆。

现在最常用的是双绞线，因其所实现的是更受欢迎的星型拓扑。

双绞线既便宜，又易于安装，查找故障和维护。

双绞线电缆分为非屏蔽和屏蔽两种。

用于LAN的非屏蔽双绞线（UTP）电缆类似于电话电缆，但与通常的电话线相比，其对外部电磁干扰（EMI）的灵敏度又更加严格的性能指标。

象其名称一样，屏蔽双绞线（STP）在其电缆的周围有一层屏蔽层，对EMI提供更多的防护。

现在，在这两种双绞线电缆中，UTP更加通用。

在UTP上运行以太网的规范称为10BASE-T。

这意味着10Mbps，基带信号（以太网络用于产生信号的方法），以双绞线为传输介质。

其它以太网规范包括10BASE5，使用粗同轴电缆为介质，及10BASE2，使用细同轴电缆为介质。

今天，在安装新的以太网时已很少使用10BASE5，而10BASE2也只是在非常小的办公网络中才会使用。

另一个标准允许在光缆上运行10BASE-F以太网。

快速以太网：

作为常规10BASE-T以太网标准的扩展，快速以太网已100Mbps的速率传输数据。

按照IEEE802.3u所定义的规则，快速以太网仍采用熟知的以太网技术并保留了10Mbps以太网的CSMA//CD协议。

有两种类型的快速以太网：

100BASE-TX，其以5类UTP为传输介质；

和100BASE-FX，其以多膜光纤为传输介质。

千兆位以太网：

为了满足对局域网（LAN）更大带宽的迫切需要，众多厂商结成的千兆位以太网联盟（GigabitEthernetAlliance）正在帮助IEEE将以太网标准扩展到千兆位速度。

称为千兆位以太网的新标准将实现每秒1000兆比特的传输带宽，并且与已有的10/100Mbps以太网标准兼容。

千兆位以太网只需很小的投资就能实现快速以太网10倍的性能。

可望在1998年出出台的第一个版本的千兆位以太网标准定义的是通过光缆和短绞距铜缆实现全双工传输。

半双工和长绞距铜缆的标准可望在1999年出发布。

千兆位以太网提供了全面保护现有网络投资的无缝迁移途径。

保留了802.3、以太网帧格式以及802.3对象管理特性，千兆位以太网能使组织在保留已有布线、操作系统、协议、桌面应用以及网络管理策略和工具等的同时升级到千兆位性能。

与已有的解决方案如ATM互补，千兆位以太网将为扩展交换式快速以太网或FDDI主干、改善交换机与交换机、交换机与服务器间的连接提供可靠的、价格适宜的替代方案。

网络设计人员能够建造高速结构，使得高速、关键任务应用和文件备份等应用更加有效。

网络管理员将为用户提供更快的对服务器、Intranet以及Internet和广域网（WAN）的访问。

3.2令牌环网

今天使用的另一种主要LAN技术是令牌环网（TokenRing）。

令牌环规则由IEEE802.5规范定义。

象以太网一样，令牌环协议在OSI参考模型的物理和数据链路层提供服务。

令牌环网络能以4Mbps和16Mbps两种不同的数据速率运行。

令牌环网络所使用的访问机制称为令牌传递（TokenPassing）。

令牌传递是一种确定访问机制，它通过确保在任何给定的时间只有一个站点能够传输而避免碰撞的发生。

这是通过绕着环从一个站点到另一个站点传递称作令牌（Token）的特殊包实现的。

一个站点获得自由令牌时只能送出一个包。

当一个站点获得了自由令牌并发出了一个包以后，该包绕着环在一个方向上前行，经过前方的所有其它站点。

象以太网一样，包中含有一个单一站点的地址，当其通过该站时被复制。

包继续绕着环前行直至返回到送出它的站点，该站点除去包并绕着环送出一个自由令牌到下一个站点。

令牌环网络拓扑和介质：

令牌环网络使用所谓的环型拓扑。

然而，它能够通过看上去象是物理星型拓扑的、最好称为折叠环（CollapsedRing）的结构来实现。

如图3.3所示。

在令牌环LAN中，每个站点都使用独立敷设的双绞线电缆连到称为多站访问单元（MAU）的令牌环集线器上。

象以太网Hub一样，MAU放置在线室中。

图3.3环型拓扑LAN

3.3FDDI网

光纤分布数据接口（FiberDistributedDataInterface），常称为FDDI，以比以太网和令牌环网高得多的数据速率100Mbps传输数据。

FDDI网络原先要求使用光缆，但今天也可使用UTP。

在许多FDDI网络中，光纤仍是最好的选择，因为它能覆盖的距离比UTP大得多。

和令牌环网一样，FDDI使用令牌传递介质访问机制。

通常也将它配置成一个折叠的环型（物理上为星型）拓扑。

FDDI主要用于主干（Backbone）,在一个建筑中将独立的工作组或部门LAN连在一起的一端网络。

在一个园区环境中，它也用来将几个建筑物中LAN连接起来。

结构化布线：

人们称为结构化布线（StructuredWiring）的结构既支持以太网星型拓扑，也满足令牌环LAN中使用的“折叠环”拓扑的要求。

使用结构化布线，所有的网络站点都以物理星型连接到智能HUB上。

智能HUB是网络管理员能够监视和管理的HUB。

星型拓扑和智能HUB的结合使得查找错误和排除故障变得更容易和快速，因为每个端站都与网络上的一个特定端口相连，这意味着可以很容易地监控它，必要时能够很容易地将其关掉。

此外结构化布线使得在网上增加用户，移动用户，或者作些其它的物理改变变得非常简单。

因为以太网和令牌环网都能使用双绞线电缆并能配置成物理星型拓扑，结构化布线结构将会支持这两种网络技术。

中心连接节点

Hub是LAN中最重要的单元之一。

对网络布线而言，Hub是一个中心连接接点，如图4.1所示，LAN上的所有站点都通过Hub互相连接。

图4.1用HUB作为中心连接接点的LAN

Hub一词一般只用于10BASE-T以太网络，而多站访问单元（MAU）一词用于称谓令牌环网的集线器。

只是由于这两种LAN技术使用不同的介质访问机制，在其内部Hub和MAU完成不同的介质访问功能，但在一点上它们的功能相同：

它们都是网络线缆集中器。

一部典型的Hub有多个用户端口，可将计算机和周边设备如服务器等连在其上。

每个端口支持一条源于网络工作站的10BASE-T双绞线连接。

当一个以太网包从一台工作站传到Hub时，其被复制或拷贝到Hub的所有其它别的端口上。

以这样的方式，所有站点象在总线网络中一样都能“看见”每个包，因此尽管每个站点都以其专用的双绞线电缆连接到Hub上，但基于Hub的网络仍然是共享介质LAN──将其想象成一个作在盒子中的LAN。

可管理Hub：

智能Hub被定义为可管理Hub，意思是指网络管理员可以从Hub的网管控制台对Hub的每个端口进行配置，监视，激活，撤除等。

Hub管理也包括采集各类网络参数的信息，例如通过Hub及其每个端口的包数，都是什么类型的包，包中是否有错误，以及发生了多少次碰撞。

每个Hub厂商都会与其产品一起销售某种管理软件包。

因其所能采集信息多少、能够使用什么样的命令以及如何将信息呈送给网络管理员等方面的不同，使得这些管理软件包的应用也不同。

独立式Hub：

有三种HUB和MAU配置：

独立式Hub，可堆叠式Hub，和模块式Hub。

一些产品式最佳配置的组合。

象其名字一样，独立式Hub是带有多个端口的盒子形的产品。

通常，独立式Hub会包括与其它独立式Hub相连接的方法──或者用一条10BASE5同轴电缆将它们连在一起，或者使用双绞线连接每个Hub上的个别口将其堆叠在一起（如图4.2所示）。

一般来说，独立式Hub最便宜，常常不能管理。

它们最适合用于小的，独立的工作组，部门，或者典型地其LAN上的用户不超过12个的办公室。

图4.2网络结构图

堆叠式Hub：

第三类Hub是堆叠式Hub。

除了能用短电缆堆叠或互连外，堆叠式Hub的外观和功能与独立式Hub很相象。

互连后，它们象模块式Hub一样地工作，可以当作一个单元进行管理。

在以堆内有一部可管理Hub，既可管理堆内所有别的Hub。

当一个机构开始时投资很少，而又预知将来其LAN会增长，选用堆叠式Hub会非常合适。

使用堆叠式Hub，一个机构就不用花很多钱去购买一个大的机箱，而直到有更多的需求以前，在相当长的一段时间里机箱中可能只有一块或两块卡。

连接Hub：

通常每个Hub即为一个LAN。

在大多数机构中都会希望将所有的LAN互连，亦即以某种方法连接Hub。

连接Hub的一种方法是使用内部中继器连接或级连网段。

这种类型的的连接简单地将包从其所连接的一个Hub重发至另一个Hub，结果是两个Hub属于同一个LAN。

模块式Hub：

由于模块式Hub易于扩展并且总有可选的管理功能，使其在网络中更受欢迎。

模块式Hub的基础是一台机箱或卡架，其含有许多卡槽，每个卡槽中可插一块通信卡或模块。

每块模块的作用就象一部独立式Hub一样。

当通信模块插到机箱中的插槽上时，其即连到了机箱的通信背板上。

通信背板将所有模块连在一起，使得与一个模块某一端口相连的站点很容易地与连在另一个模块上的站点进行通信。

图4.3显示了一个模块式Hub。

图4.3模块式Hub

典型的模块式Hub有4至14个插槽，使得网络能够很容易地扩展。

通常，Hub的几个插槽中会插有10BASE-T模块。

例如，插10个模块，每个模块支持12个用户，一个Hub就可支持120个10BASE-T用户。

用高速背板将这些模块连在一起，该高速背板也能用来将通信模块连到可以管理机箱中所有插卡的管理模块上。

除许多端口公用一个管理模块外，所有模块还共享同一个公共电源。

某些模块式Hub的另一个优点是能够在同一个机箱中插入以太网，令牌环网，甚至FDDI网通信模块，所有模块共用同样的电源。

5.互连网络

互连网络一词指的是将多个独立的LAN连在一起形成一个单一的互连网络。

因其将整个企业的所有计算机都连在了一起，所以互连网络有时也称为企业网络。

能够将同一建筑物中不同楼层或一个商业园区几个建筑物的工作组LAN连在一起，以便使所在场所的的所有计算系统互连。

可以通过企业广域互连网将地域上相距遥远的公司场所连在一起。

一个独立的LAN受到一些诸如其能扩展的范围，能够连接多少个站点，能以多快的速度在站点间传输数据，能够支持多大的交通流量等许多条件的限制。

如果一个企业想要超出这些限制──例如，连接比LAN能支持的更多的工作站──那就必须另建一个LAN并将两个LAN连成互连网络。

建造多个LAN并互连它们的理由主要有两个。

一个理由是将网络所覆盖的地域范围扩展到一个LAN所能支持的范围以外──到一个建筑物中的多个楼层，到邻近建筑物，到远地场所。

建造互连网络的另一个关键的理由是在多个LAN之间分担交通负载。

一个单独的LAN只能支持一定量的交通。

如果负载增加到超过其承载能力，用户将遭受通信总量减少的困绕，开始安装LAN时所获得的许多效率也会失去。

处理沉重网络交通的方法之一是将其分配在多个互连LAN之间。

网络互连使用的设备主要有三种：

网桥，路由器，及交换机。

今天，最常用的网络互连是高速路由器，特别是在广域互连网中连接相距遥远的场所。

但是在建筑物和园区互连网中也广泛地使用路由器。

尽管和路由器相比功能很少，网桥也非常受欢迎，因为它们价格低，安装维护简单。

LAN交换机是一种新型的网络互连设备，而且许多人都相信将来就连接建筑物和园区LAN而言交换式互连网会成为最公用的设计。

今天的LAN交换机和交换式Hub只是向所谓异步传输模式（ATM）交换迁移途中的第一步。

在未来的几年中，建设LAN和WAN时将广泛使用ATM技术。

5.1网桥和路由器

网桥和路由器是LAN互连网络（也就是将不同的LAN或LAN网段连在一起）所用的两种特殊的设备。

许多机构在地域上相距遥远的场所建有LAN。

最初设计路由器的目的就是允许用户跨过广域网络连接这些远地的LAN，而网桥也能用于此目的。

通过在两个相距很远的LAN中置入路由器或网桥，并用电信线路将它们连接起来，一个LAN上的用户就能够象本地一样访问另一个LAN上的资源。

网桥和路由器连接邻近的LAN。

局域网桥和路由器首先用来扩展网络所能覆盖的区域，允许用户连到两个相邻的LAN上，通过减少每个网段上的用户数保证网络的性能。

以太网和令牌环网都限定了工作站和Hub间，Hub和Hub间的最远距离，以及一个单一的LAN所能连接的最大站点数。

为了使更多的人连接入网，或者使网络能够覆盖一个更大的区域，有时必须将两个不同的LAN或LAN网段连接起来。

网桥和路由器都能提供这样的功能。

然而，今天这些网络互连设备越来越多地用于将LAN分段，以便通过减少每个网段上的用户数量来保证网络性能。

当在一个单独LAN上的用户感到响应时间变慢时，其原因常常是由于拥挤：

LAN上有太多的交通量。

用户用来解决这种问题的一种方法是将有许多用户的大LAN分割成多个较小的LAN，每个小LAN上有很少的用户。

增加新的网络用户时，需要建立新的LAN来容纳它们。

在已有LAN中引入新应用时，交通量可能会显著增加，为了使网络性能保持在可接受的水平，也需要将LAN分成多个LAN网段。

在上述的任何情况下，一个LAN上的用户能访问机构内其它LAN上的资源总是非常重要的。

但是LAN必须以能够过滤包的方法互连，只有那些需要从一个LAN传到另一个LAN的包才能通过该连接。

这就避免了在同一个LAN上的两个站点之间传递的包传到其它LAN并使其拥塞。

一般建议在一个典型的工作组或部门LAN上传递的百分之80的包应为该LAN上的站点所用。

网桥和路由器都能用于将LAN分段。

网桥：

网桥是一种较为简单，常常很便宜的设备。

网桥通过对其所收到的源于其所连入的网络的每一个包作出一个简单的转发/不转发的决定来过滤包。

基于包的目标地址进行过滤。

如果包的目标是一个与包的来源在同一网段上的站点，不转发包。

如果所指定的是另一个LAN上的站点，就将其连到网桥的另一个不同的端口并转发到该端口。

今天的许多网桥都以很小的延迟过滤并转发包，使其特别适用于大交通量的网络。

路由器：

路由器是更复杂的网络互连设备，也比网桥贵得多。

路由器使用每个包中的网络层信息将包从一个LAN路由到另一个。

这意味着路由器必须能够识别其所连接的网络可能使用的所有不同的网络层协议。

多协议路由器一词即源于此──一种能用许多不同的协议路由的设备。

路由器互相通信并分享那些允许它们在一个连接着许多LAN的互连网络中决定最佳路由的信息。

5.2交换机

交换机是另一种用于互连多个分离的LAN并在它们之间提供包过滤的设备。

LAN交换机是一台拥有多个