第2章網絡基礎2.1網絡的定義2.2網絡發展史2.3網絡的分類2.4網絡拓撲結構2.5常見的國際標準化組織2.6OSI參考模型小結

主要內容：

網絡的定義及發展歷史

網絡的分類及拓撲結構

常見的國際標準化組織

OSI參考模型

網絡由一組計算機及相關設備與傳輸介質組成，可以相互通信，交換信息，共享外設(如硬盤與打印機)，共享存儲能力與處理能力，并可訪問遠程主機或其它網絡。2.1網?絡?的?定?義

網絡的發展史與數據通信的發展史相同，參見第1章1.2節。網絡的發展史如圖2-1所示。2.2網?絡?發?展?史

圖2-1網絡發展史

1952年，美國半自動地面防空系統(CAGE)的科研人員首次研究把遠程雷達或其它測量設備的信息，通過通信線路匯接到一臺計算機上，進行集中處理和控制。

20世紀60年代初，美國航空公司與IBM聯手研究并首先建成了由一臺計算機遍布全美2000多個終端組成的美國航空訂票系統(SABRE-1)。在該系統中，各終端采用多條線路與中央計算機連接。SABRE-1系統的特點是出現了通信控制器和前端處理機，采用了實時、分時與分批處理的方式，提高了線路的利用率，使通信系統發生了根本變革。

上述兩例均為第一階段的網絡。第二、三階段的實例參見第1章1.2節。

網絡的分類如圖2-2所示。2.3網?絡?的?分?類

圖2-2網絡分類

1.局域網(LAN)

局域網是一個高速數據通信系統，它在較小的區域內將若干獨立的數據設備連接起來，使用戶共享計算機資源。局域網的地域范圍一般只有幾千米。局域網的基本組成包括服務器、客戶機、網絡設備和通信介質。通常局域網中的線路和網絡設備的擁有、使用、管理一般都是屬于用戶所在公司或組織的。

2.城域網(MAN)

城域網是數據網的另一個例子，它在區域范圍和數據傳輸速率兩方面與LAN有所不同：其地域范圍從幾千米至幾百千米，數據傳輸速率可以從幾千比特每秒到幾吉比特每秒。

MAN能向分散的LAN提供服務。對于MAN，最好的傳輸介質是光纖，這是因為光纖能夠滿足MAN在支持數據、聲音、圖形和圖像業務上的帶寬容量和性能要求。

3.廣域網(WAN)

廣域網覆蓋范圍為幾百千米至幾千千米，該網絡是由終端設備、節點交換設備和傳送設備組成的。一個廣域網的骨干網絡常采用分布式網絡網狀結構，在本地網和接入網中通常采用的是樹型或星型連接。廣域網的線路與設備的所有權與管理權一般是屬于電信服務提供商的，不屬于用戶。目前，國際互聯網(Internet)已經發展到全球的范圍，包含了成千上萬個相互協作的組織及網絡的集合。國際互聯網不屬于某一個組織或個人。Intranet是企業內部網絡，是隨著Internet的發展，在企業內部使用TCP/IP的組網技術以及互聯網WWW工具而建立的網絡，該網絡具有與Internet連接的功能，采用防止外界侵入的安全措施，為企業內部的管理和數據傳輸服務?？梢哉f，它是Internet的更小版本，但其規?？赡鼙椴既颉?/p>

常見的網絡物理拓撲有六類。

1.星型網

星型網的每一終端均通過單一的傳輸鏈路與中心交換節點相連，因而星型網具有結構簡單，建網容易且易于管理的特點。星型網的缺點是中心設備負載過重，易于發生故障；每一節點均有專線與中心節點相連，使得線路利用率不高，信道容量浪費較大。2.4網絡拓撲結構

2.樹型網

樹型網是一種分層網絡，適用于分級控制系統。樹型網的同一線路可以連接多個終端，與星型網相比，具有節省線路、成本較低和易于擴展的特點。其缺點是對高層節點和鏈路的要求較高。

3.分布式網絡

分布式網絡的網絡結構是由分布在不同地點且具有多個終端的節點機互連而成的。網中任一節點均至少與兩條線路相連，當任意一條線路發生故障時，通信可轉經其它鏈路完成，具有較高的可靠性。同時，網絡易于擴充。該網絡的缺點是網絡控制機構復雜，線路增多使成本增加。

分布式網絡又稱網型網，較有代表性的網型網就是全連通網絡?？梢杂嬎?，一個具有N個節點的全連通網需要有N(N-1)條鏈路。這樣，當N值較大時，傳輸鏈路數很大，而傳輸鏈路的利用率較低。因此，在實際應用中一般不選擇全連通網絡，而是在保證可靠性的前提下，應盡量減少鏈路的冗余和降低造價。

4.總線型網

總線型網是通過總線把所有節點連接起來，從而形成一條信道。總線型網絡結構比較簡單，擴展十分方便。該網絡結構常用于計算機局域網中。

5.環型網

環型網的各設備經環路節點機連成環型。環型網中，信息流一般為單向的，線路是公用的，采用分布控制方式。這種結構常用于計算機局域網中，有單環和雙環之分，雙環的可靠性明顯優于單環的。

6.復合型網絡

復合型網絡的網絡結構是現實中常見的組網方式，其典型特點是將分布式網絡與樹型網結合起來。如可在計算機網絡中的骨干網部分采用網型網結構，而在基層網中構成星型網絡，這樣既提高了網絡的可靠性，又節省了鏈路成本。

1.國際標準化組織

國際標準化組織(ISO)成立于1947年，是世界上最大的國際標準化專門機構。ISO的宗旨是在世界范圍內促進標準化工作的發展，其主要活動是制定國際標準，協調世界范圍內的標準化工作。2.5常見的國際標準化組織

ISO標準的制定過程要經過四個階段，即工作草案(WorkingDocument，WD)、建議草案(DraftDocument，DD)、建議國際標準(DraftInternationalStandard，DIS)和國際標準(InternationalStandard，IS)。

2.國際電信聯盟

國際電信聯盟(ITU)成立于1932年，其前身為國際電報聯合會(UTI)。ITU的宗旨是維護與發展成員國間的國際合作以改進和共享各種電信技術；幫助發展中國家大力發展電信事業；通過各種手段促進電信技術設施和電信網的改進與服務；管理無線電頻帶的分配和注冊，避免各國電臺的互相干擾。國際電信聯盟旗下的國際電信聯盟—電信標準部(ITU-T)是一個開發全球電信技術標準的國際組織，也是ITU的四個常設機構之一。ITU-T的宗旨是研究與電話、電報、電傳運作和關稅有關的問題，并對國際通信用的各種設備及規程的標準化分別制定了一系列建議，具體有：

(1)

F系列：制定有關電報、數據傳輸和遠程信息通信業務。

(2)

I系列：制定有關數字網的建議(含ISDN)。

(3)

T系列：制定有關終端設備的建議。

(4)

V系列：制定有關在電話網上的數據通信的建議。

(5)

X系列：制定有關數據通信網絡的建議。

3.電子電器工程師協會

電子電器工程師協會(IEEE)是世界上最大的專業性組織，其工作主要是開發通信和網絡標準。IEEE制定的關于局域網的標準已經成為當今主流的LAN標準。

4.美國國家標準局

美國在ISO中的代表是美國國家標準局(ANSI)，實際上該組織與其名稱不相符，它是一個私人的非政府非盈利性組織。其研究范圍與ISO的相對應。

5.電子工業協會

電子工業協會(EIA/TIA)曾經制定過許多有名的標準，是一個電子傳輸標準的解釋組織。EIA開發的RS-232和ES-449標準在今天數據通信設備中被廣泛使用。

6.?Internet工程任務組

Internet工程任務組(IETF)成立于1986年，是推動Internet標準規范制定的最主要的組織。對于虛擬網絡世界的形成，IETF起到了無以倫比的作用。除TCP/IP外，幾乎所有互聯網的基本技術都是由IETF開發或改進的。IETF工作組創建了網絡路由、管理、傳輸標準，這些正是互聯網賴以生存的基礎。

IETF的工作組(WorkingGroup)定義了有助于保衛互聯網安全的安全標準，使互聯網成為更為穩定環境的服務質量標準以及下一代互聯網協議自身的標準。

IETF是一個非常大的開放性國際組織，由網絡設計師、運營者、服務提供商和研究人員組成，致力于Internet架構的發展和順利操作。大多數IETF的實際工作是在其工作組中完成的，這些工作組又根據主題的不同劃分到若干個領域(Area)，如路由、傳輸、網絡安全等。

7.互聯網架構委員會

互聯網架構委員會(InternetArchitectureBoard，IAB)負責定義整個互聯網的架構，負責向IETF提供指導，是IETF最高技術決策機構。

8.?Internet上的IP地址編號結構(IANA)

Internet上的IP地址和AS號碼分配是分級進行的。Internet上的IP地址編號結構(InternetAssignedNumbersAuthority，IANA)是負責對全球Internet上的IP地址進行編號分配的機構。

按照IANA的需要，將部分IP地址分配給地區級的Internet注冊機構IR(InternetRegistry)，地區級的IR負責該地區的登記注冊服務。現在，全球一共有3個地區級的IR：InterNIC、RIPENIC、APNIC。InterNIC負責北美地區，RIPENIC負責歐洲地區，亞太區國家的IP地址和AS號碼分配由APNIC管理。

2.6.1OSI模型概述

OSI的參考模型如圖2-3所示。2.6OSI參考模型

圖2-3OSI參考模型從通信的硬件設備來看，有了終端、信道和交換設備就能接通兩個用戶了，但是要順利地進行信息交換，或者說通信網要正常運轉那是不夠的。尤其是自動化程度越高，人的參與越少，就更顯得如此。為了保證通信正常進行，必須事先作一些規定，而且通信雙方要正確執行這些規定。例如，電話網中有規定的信令方式，數據通信中要有傳輸控制規程等。我們把這種通信雙方必須遵守的規則和約定稱為協議或規程。協議的要素包括語法、語義和定時。語法規定通信雙方“如何講”，即確定數據格式、數據碼型、信號電平等；語義規定通信雙方“講什么”，即確定協議元素的類型，如規定通信雙方要發出什么控制信息、執行什么動作和返回什么應答等；定時關系則規定事件執行的順序，即確定鏈路通信過程中通信狀態的變化，如規定正確的應答關系等。

可見協議能協調網的運轉，使之達到互通、互控和互換的目的。那么如何來制定協議呢？由于協議十分復雜，涉及面很廣，因此在制定協議時經常采用的方法是分層法。分層法最核心的思路是上一層的功能是建立在下一層的功能基礎之上的，并且在每一層內均要遵守一定的規則。層次和協議的集合稱為網絡的體系結構。體系結構應當具有足夠的信息，以允許軟件設計人員給每層編寫實現該層協議的有關程序，即通信軟件。許多計算機制造商都開發了自己的通信網絡系統，例如IBM公司從20世紀60年代后期開始開發了它的系統網絡體系結構(SNA)，并于1974年宣布了SNA及其產品；數字設備公司(DEC)也發展了自己的網絡體系結構(DNA)。各種通信體系結構的發展增強了系統成員之間的通信能力，但是同時也產生了不同廠家之間的通信障礙，因此迫切需要制定全世界統一的網絡體系結構標準。負責制定國際標準的ISO吸取了IBM和其它計算機廠商的網絡體系結構，提出了開放系統互連(OpenSystemInterconnection)參考模型(簡稱OSI-RM)，按照這個標準設計和建成的計算機網絡系統都可以互相連接。

OSI參考模型如圖2-4所示。它采用分層結構化技術，將整個網絡的通信功能分為7層。由低層至高層分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、會話層、表示層、應用層。每一層都有特定的功能，并且上一層利用下一層的功能所提供的服務。

圖2-4OSI參考模型在OSI參考模型中，各層的數據并不是從一端的第N層直接送到另一端的，第N層的數據在垂直的層次中自上而下地逐層傳遞直至物理層，在物理層的兩個端點進行物理通信。我們把這種通信稱為實通信。而對等層由于通信并不是直接進行的，因而稱為虛擬通信。

應該指出，OSI-RM只是提供了一個抽象的體系結構，從而根據它研究各項標準，并在這些標準的基礎上設計系統。開放系統的外部特性必須符合OSI參考模型，而各個系統的內部功能是不受限制的。

ISO/IEC是國際標準化組織和國際電工委員會的英文縮寫，它是致力于國際標準的、自愿和非營利的專門機構。OSI模型就是基于ISO的建議，作為各種網絡層上使用的國際標準化協議。這一模型被稱為ISOOSI開放系統互聯參考模型，簡稱OSI模型。OSI模型有7層，其分層原則為根據不同層次的抽象的分層，每層都可以實現一個明確的功能，每層功能的制定都有利于明確網絡協議的國際標準，層次明確避免各層的功能混亂。分層的好處是利用層次結構可以把開放系統的信息交換問題分解到一系列容易控制的軟硬件模塊—層中，而各層可以根據需要獨立進行修改或擴充功能，同時，有利于各不同制造廠家的設備互連，也有利于我們學習、理解數據通信網絡。

OSI參考模型中不同層完成不同的功能，各層相互配合通過標準的接口進行通信。

應用層、表示層和會話層合在一起常稱為高層或應用層，其功能通常是由應用程序軟件實現的；物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層合在一起常稱為數據流層，其功能大部分是通過軟硬件結合共同實現的。2.6.2應用層

應用層是OSI體系結構中的最高層，直接面向用戶以滿足不同的需求，是利用網絡資源，唯一向應用程序直接提供服務的層。應用層主要由用戶終端的應用軟件構成，如我們常見的Telnet、FTP、SNMP等協議都屬于應用層的協議。2.6.3表示層

表示層主要解決用戶信息的語法表示問題，它向上對應用層提供服務。表示層的功能是對信息格式和編碼起轉換作用，例如：將ASCII碼轉換成為EBCDIC碼等；此外，對傳送的信息進行加密與解密也是表示層的任務之一。2.6.4會話層

會話層的任務就是提供一種有效的方法，以組織并協商兩個表示層進程之間的會話，并管理它們之間的數據交換。會話層的主要功能是按照應用進程之間的原則，按照正確的順序發/收數據，進行各種形態的對話，其中包括對對方是否有權參加會話的身份進行核實，并且在選擇功能方面取得一致，如是選全雙工通信還是半雙工通信。2.6.5運輸層

運輸層可以為主機應用程序提供端到端的可靠或不可靠的通信服務。運輸層對上層屏蔽下層網絡的細節，保證通信的質量，消除通信過程中產生的錯誤，進行流量控制，以及對分散到達的包順序進行重新排序等。

運輸層的功能包括：

(1)分割上層應用程序產生的數據。

(2)在應用主機程序之間建立端到端的連接。

(3)進行流控制。

(4)提供可靠或不可靠的服務。

(5)提供面向連接與面向非連接的服務。2.6.6網絡層

網絡層是OSI參考模型中的第三層，介于運輸層與數據鏈路層之間，在數據鏈路層提供的兩個相鄰節點間的數據幀傳送功能上，進一步管理網絡中的數據通信，將數據設法從源端經過若干中間節點傳送到目的端，從而向運輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。網絡層的關鍵技術是路由選擇。

網絡層功能包括定義邏輯源地址和邏輯目的地址，提供尋址的方法，連接不同的數據鏈路層等。

常見的網絡層協議包括IP協議、IPX協議與APPLETALK協議等。2.6.7數據鏈路層

數據鏈路層是OSI參考模型的第二層，它以物理層為基礎，向網絡層提供可靠的服務。

數據鏈路層主要負責數據鏈路的建立、維持和拆除，并在兩個相鄰節點的線路上，將網絡層送下來的信息包組成幀傳送，每一幀包括數據和一些必要的控制信息。這樣，鏈路層就把一條有可能出錯的實際鏈路，轉變成讓網絡層看起來好像是一條不出差錯的鏈路，實現了在不可靠的實際鏈路上進行可靠的數據傳輸的功能。數據鏈路層的作用包括定