1、第3章 网络与通信基础,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,2,内 容 提 要,3.1 数据通信概述3.2 计算机网络概述3.3 计算机网络组成3.4 局域网技术3.5 广域网简介,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,3,3.4 局域网技术,基本特征:(1) 整个局域网中所有物理设备分布在半径不超过几公里的有限地理范围之内(不涉及远程通信问题)。(2) 整个局域网由同一组织或机构所拥有。(3) 在局域网中可实现相当高的数据传输速率,比较常用的为10Mbps至100 Mbps,现在有的单位已构建千兆位以太网,传输速率可达到1000 Mb/s。(4) 局域网内的连接相当
2、规整,有严格的标准可以遵循。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,4,3.4.1 局域网拓扑结构,网络拓扑结构指的是网络上的通信线路以及网络设备之间相互联接的几何排列或物理布局的形式。简言之,拓扑结构是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。 目前常用的拓扑结构有总线形、星形、环形、星形树拓扑等。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,5,网中的每个节点都连接在一条公共传输的总线上,网络上所有节点都要通过总线进行相互通信。,优点:结构简单、易安装、成本低、增删节点方便、扩充性强缺点:总线负荷重、系统范围一般在2km以内,局域网拓扑结构总线形结构,2018/9/22,计算机
3、科学与工程系基础教研室,6,局域网拓扑结构星形结构,网中的每个节点都连接到中央节点,两个用户只有通过中央节点才能通信。,优点:结构简单、建网容易、传输速度快、便于控制和管理。缺点:可靠性差,中央节点通常采用双机热备份;通信线路不能公用。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,7,网中的各个节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环形结构网。,优点:网络接口简单、通信设备和线路节省、通信容量比较均匀。缺点:传输效率低、可靠性差,需增加旁路装置提高可靠性。,局域网拓扑结构环形结构,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,8,局域网拓扑结构网状结构,网状拓扑结构的每一个
4、节点都与其他节点一一直接互连。利用冗余连接,实现节点之间的高速传输和高容错性能,以提高网络的速度和可靠性。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,9,局域网拓扑结构星形树结构, 从总线形演变而来,形状像一棵倒挂的树 其特点与总线形拓扑大致相似 不同的地方是树形拓扑故障易于检测和隔离。, 星形树是星形结构的一种扩充,每个中心节点与端用户的连接仍为星形 中心节点级连形成树,但级连个数有限制,并随厂商的不同而变化。,局域网拓扑结构树形结构,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,10,3.4.2 常用的传输介质,一、有线传输媒体双绞线 (twisted pair) 由两根相互绝
5、缘的铜导线对扭绞在一起(目前常用一条线中有四对绞线),又分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP两种,价廉、布线方便。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,11,双绞线,-螺旋绞合的双导线,1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m(LAN)-RJ45插座、插头-优缺点: 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易(综合布线系统) 平衡传输(高速率) 抗干扰性一般 连接距离短,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,12,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP),以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音,双绞线外无任何屏蔽层,2018/9/22,计算机科学与工程
6、系基础教研室,13,3.4.2 常用的传输介质(cont.),同轴电缆(coaxial) 由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护性塑料外壳组成。芯线和屏蔽层共用同一轴心,又分为细缆和粗缆两种,抗干扰强。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,14,同轴电缆基带同轴电缆阻抗50,用于数字传输宽带同轴电缆阻抗75 ,用于模拟传输,主要用于CATV,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,15,细同轴D=1.02cm,10Mbit/s每段185m、4中继、5段(925m)优缺点:价格低安装方便(T型连接器、BNC接头、Terminator)抗干扰能力较强可靠性
7、差,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,16,粗同轴D=2.54cm,10Mbit/s每段500m、4中继、5段(2500m)优缺点:价格稍高安装方便(收发器、收发器电缆、Terminator)抗干扰能力强连接距离中等可靠性好,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,17,3.4.2 常用的传输介质(cont.),光纤(optical fiber) 由能传导光波的石英玻璃纤维加保护层构成,以光脉冲的形式来传输信号,具有带宽宽,速度快、距离远、可靠性高等优点,但价格高。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,18,光纤分类,单模光纤:直径小、采用较长波长的激光
8、传送信号,损耗小、传输距离长;多模光纤:直径大、采用较短波长的激光传送信号,损耗大、传输距离短。,光波在纤芯中的传播,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,19,3.4.2 常用的传输介质(cont.),二、无线传输媒体使用无线电波作为传输媒体,不需要在数据的发送方和接收方之间“拉线”。优点:无需布线、机动灵活缺点:安全性、可靠性、稳定性差,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,20,3.4.3 局域网体系结构与标准,在ISO的OSI七层参考模型中,通信网工作在下三层:物理层、数据链路层和网络层。 局域网作为一种特殊的通信网,首先它是用带地址的帧来传送数据;其次局域网拓
9、扑结构非常简单,节点与节点之间直接相连,数据传送不需要中间交换,不存在路由选择的问题,由此看来局域网中没有单独设置网络层的必要。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,21,局域网体系结构,逻辑链路控制子层: 处理两个站点间的逻辑链接媒体访问控制子层: 控制对传输媒体的访问物理层: 负责物理连接和在物理媒体上比特流的传输,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,22,3.4.4 典型的局域网技术,由于以IBM PC为代表的个人计算机的普及应用,80年代中期局域网技术的应用得到迅速发展和普及。 典型的LAN技术,除了以太网(Ethernet)和令牌环(Token ring)
10、网以外,还发展了在光纤介质上运行、通信距离更远的FDDI(光纤分布式数据接口),用作局域网的干线或者园区网。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,23,以太网技术-1,以太网是国际上的主流网络,已发展了近三十年,性能不断提高,从最初的10Mb/s以太网发展到100Mb/s的快速以太网,以及最近发展到1000Mb/s的千兆位以太网。 网络拓扑从总线形发展为星形;工作方式从共享式发展到交换式;网上应用从单纯传输数据发展到传输多媒体信息。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,24,以太网技术-2,传统的以太网的传输速率为10Mb/s。它所采用的主要技术如下: 传输速率为
11、10Mb/s 基本拓扑结构为总线形 介质存取方式为CSMA/CD共享争用方式。CSMA/CD:带冲突检测的载波侦听多路存取方式。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,25,以太网技术-3,CSMA/CD一般采用的操作如下:如果传输介质空闲,它就发送数据。如果传输介质正忙,它等待直至传输介质空闲才发送。如果发生冲突,立即取消本次信息发送,并在等待一个随机时间(即长短不确定的一段时间)之后重新发送。这样,两个站的发送就有可能错开时间,避免再次冲突。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,26,以太网技术-4,CSMA/CD工作流程:,2018/9/22,计算机科学与工程系
12、基础教研室,27,快速以太网-1,快速以太网100Base-T 快速以太网100Base-T是在传统以太网10Base-T的基础上发展起来的具有100Mb/s传输速率的以太网。有两种形式: 使用共享式集线器 使用交换式集线器(即交换机),2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,28,快速以太网-2,使用共享式集线器 网络带宽由连接到该集线器上的所有站点共享,每个站点所能获得的平均带宽为网络带宽除以站点总数。例如,对100Mb/s的快速以太网来说,若连接了10个站点,则100Mb/s网络带宽由这10个站点共享,平均到每个站点能得到10Mb/s的带宽。,2018/9/22,计算机科学与工
13、程系基础教研室,29,快速以太网-3,使用交换式集线器 网络中每个站点独占网络带宽,网络性能大有提高。仍以100Mb/s的快速以太网为例,不管网络上连接有多少站点,每个站点都能独立使用100Mb/s带宽。 它能像电话总机那样,使一个用户与另一个用户的通信(例如A与C、B与D的通信)互不干扰,各自独占100Mb/s带宽。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,30,快速以太网-4,交换式以太网,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,31,千兆位以太网,具有每秒1000兆位的传输速率(1000Mb/s)传输介质采用光纤或短程铜线千兆以太网的出现,能有效地解决主干上拥挤的问题
14、,使网络性能大大提高。实际应用中,一般这样组网:桌面系统采用10Mb/s的传统以太网技术,办公楼系统采用100Mb/s的快速以太网技术,而构筑校园网或企业网主干的使用千兆位以太网。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,32,令牌环网技术,在令牌环上,所有工作站像共享式以太网一样通过一条公共信道进行通信。与以太网不同的是,令牌环采用令牌传递(Token Passing)方式控制各站对公共信道的使用。每个站必须拥有令牌才能占用公共信道发送数据。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,33,令牌环网技术-1,截获令牌与发送帧 令牌沿着环路流动,当某个站希望发送数据时,首先必
15、须截获令牌,此时环上暂时没有令牌,以确保任一时刻环上只有一个站可以发送数据。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,34,令牌环网技术-2,接收帧与转发帧 当某站获得令牌将信息帧发送到环上后,该信息帧将沿着环路一个站一个站地传送。每经过一个站,该站便检查帧的目的站是否包括本站(因为有可能组播)。若包括,则拷贝该帧到自己的缓冲区,同时将该帧转发到其下游站;否则该站直接将该帧转发给其下游站。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,35,令牌环网技术-3,清除帧与释放令牌 当信息帧在环上绕行一圈回到发送站时,发送站检查发现该帧的源站正是本站就不再往下转发,转去检查该帧的发送情
16、况:,若发送成功,则将该帧从环上清除,并产生一个新的令牌释放到环上。若发现该帧被没有被目的站正确收下,则重发该帧。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,36,FDDI光纤分布式数据接口,令牌环网是单令牌制,即整个环路上要么只有一个令牌帧在绕环旋转:环上所有站都无数据要发送;要么仅有一个站在发送数据:令牌已被某站截获,环上便暂时没有了令牌,直到发送站完成了数据的发送。在FDDI中采用多令牌制,即某站一旦抓获令牌并发送信息帧后,即使它发出的帧尚未返回源发站,也立即产生并释放新的令牌。,返回,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,37,3.5 广域网简介,基本特征:(1)
17、是覆盖地理范围相对较广(数十公里到数千公里)的数据通信网络。可以分布在一个城市、一个国家,甚至跨过许多国家分布到全球。(2) WAN通常分属于多个单位或部门所有,也可以由几个不同地域的局域网经公共网络相互连接也可构成一个广域网。(3) 在WAN中,数据传输速率相对较低,一般只有几十Kbps至2Mbps左右,最高也不过几兆(个别干线除外)。(4) 网络的相互连接通常很不规整,有相当大的随意性。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,38,广域网图示,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,39,广域网点对点链接,点对点是预先建立的一条从客户端经过电信营运商网络到达远端目标网
18、络的通信路径。点对点可能是一条租用专线,也可以是两点之间永久性固定连接。点对点在实际应用中,由于线路利用率低、运行成本高,应用较少。,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,40,广域网电路交换,电路交换是通过网络中的节点在两个通信终端之间建立一条专用的物理链路。电话系统就是使用电路交换技术。优点: (1) 通信期间,传输的延迟时间极短 (大约100公里只有6微秒)(2) 线路一旦接通,通信一般不会发生冲突缺点: 独占线路,信道带宽浪费,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,41,广域网报文交换,报文交换不独占线路,类似于邮局发信。(即使用交换设备来存储报文并转发)报文交换就是有名的所谓“存储转发”技术。优点: (1) 充分利用各个信道,交换设备可存放报文(2) 交换设备可检查报文传输中有无差错缺点: 报文过长,传输延迟时间较长,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,42,广域网分组交换,分组交换技术是把一个“报文”分割成若干个较小的单位,称为分组(packet)优点: (1) 报文过长将独占信道,但分组较小将共享信道。(2) 当传输出错时,重输时间短。缺点: 报文先要分组后再传输,到达目的地后分组再要装配。,返回,作业,参见elearning网站,2018/9/22,计算机科学与工程系基础教研室,43,