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第一单元 局域网基础
1.1 计算机网络的发展历程

计算机网络从产生到发展,总体来说可以分成4个阶段。

第1阶段:20世纪60年代末到20世纪70年代初为计算机网络发展的萌芽阶段。其主要特征是:为了增加系统的计算能力和资源共享,把小型计算机连成实验性的网络。第一个远程分组交换网叫ARPANET,是由美国国防部于1969年建成的,第一次实现了由通信网络和资源网络复合构成计算机网络系统。标志计算机网络的真正产生,ARPANET是这一阶段的典型代表。

第2阶段:20世纪70年代中后期是局域网络(LAN)发展的重要阶段,其主要特征为:局域网络作为一种新型的计算机体系结构开始进入产业部门。局域网技术是从远程分组交换通信网络和I/O总线结构计算机系统派生出来的。1976年,美国Xerox公司的Palo Alto研究中心推出以太网(Ethernet),它成功地采用了夏威夷大学ALOHA无线电网络系统的基本原理,使之发展成为第一个总线竞争式局域网络。1974年,英国剑桥大学计算机研究所开发了著名的剑桥环局域网(Cambridge Ring)。这些网络的成功实现,一方面标志着局域网络的产生,另一方面,它们形成的以太网及环网对以后局域网络的发展起到导航的作用。

第3阶段:整个20世纪80年代是计算机局域网络的发展时期。其主要特征是:局域网络完全从硬件上实现了ISO的开放系统互连通信模式协议的能力。计算机局域网及其互连产品的集成,使得局域网与局域互连、局域网与各类主机互连,以及局域网与广域网互连的技术越来越成熟。综合业务数据通信网络(ISDN)和智能化网络(IN)的发展,标志着局域网络的飞速发展。1980年2月,IEEE (美国电气和电子工程师学会)下属的802局域网络标准委员会宣告成立,并相继提出IEEE801.5~802.6等局域网络标准草案,其中的绝大部分内容已被国际标准化组织(ISO)正式认可。作为局域网络的国际标准,它标志着局域网协议及其标准化的确定,为局域网的进一步发展奠定了基础。

第4阶段:20世纪90年代初至现在是计算机网络飞速发展的阶段,其主要特征是:计算机网络化,协同计算能力发展以及全球互连网络(Internet)的盛行。计算机的发展已经完全与网络融为一体,体现了“网络就是计算机”的口号。目前,计算机网络已经真正进入社会各行各业,为社会各行各业所采用。另外,虚拟网络FDDI及ATM技术的应用,使网络技术蓬勃发展并迅速走向市场,走进平民百姓的生活。

1.2 计算机网络的基本概念

现在网络已经成为人们生活中不可缺少的内容,不论是在工作,还是在生活中,时时刻刻都在使用着网络。为了能够更好地使用网络,先要了解一些经常用到的基本概念。1.2.1 局域网

从广义上讲,局域网(LAN)是联网距离有限的数据通信系统,它支持各种通信设备的互连,并以廉价的媒体提供宽频带的通信来完成信息交换和资源共享,而且通常是为用户自己所专有的。如图1-2所示就是一个简单的局域网。

 

图1-2 简单的局域网

按照这个广义概念,局域网是具有以下特征的分布式处理系统:

● 可把分散在几百到几千米局部地区的不同计算机互连。

● 具有传送速率为1~100Mbps的传输能力。

● 能支持标准化协议、终端接口等。

● 采用国际标准化组织ISO推荐的开放系统互连模型(OSI)的各项原则。

● 可以提供数据、语音、视频图形和图像等综合服务。

影响局域网性能的主要因素是:

● 带宽——网络的数据信道容量。

● 拓扑结构——网络的物理结构。

● 协议——网络的访问控制技术。1.2.2 广域网

从广义上讲,广域网(WAN)是将远距离的网络和资源连接起来的任何系统。广域网通过电话线和卫星提供跨国或全球范围的联系。有区域性或全球性事务的大公司可以使用广域网进行网络互连,并从远距离媒体租用线路来提供系统间的全天候连接。典型的局域网发送速度为10Mbps,而典型的广域网连接的网络系统发送速度为1Mbps。随着全球光纤通信网络的引入,这种情形正在改变。光纤通信网络能提供更宽的频带和更快的传输率。都市网(MAN)从广义也是一种广域网,通常为高速的光纤网络,在一个特定的范围内将局域网段,如校园、工业区等连接起来。都市网使用特殊的高速主干电缆(通常为光纤)直接连接服务器。最典型的广域网为Internet,其分支如图1-3所示。

图1-3 广域网某一分支的典型结构1.2.3 网络操作系统

网络操作系统是完成网络通信、控制、管理和资源共享的系统软件的集合。UNIX/LINUX Novell NetWare、Microsoft Windows NT/2000/XP等都是著名的通用局域网操作系统。

目前,并没有单一的网络操作系统一统天下,而是存在着多种网络操作系统并存的局面。其中,UNIX因其推出时间早、系统安全稳定等优势,几乎独霸了具有联网需求的邮电、银行、铁路、军事等领域。1.2.4 网络协议

无论是在人与人之间的通信中,还是在有计算机参与的通信中,协议都必须存在,换句话说,“哪里有通信,哪里就有协议”。网络协议是计算机网络中通信各方事先约定的通信规则的集合。网络协议是分层次的,因此,在同一个网络中,可以有许多不同的协议在同时运行。

计算机网络协议有很多种,不同的网络通常采用不同的协议,例如,TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议、DLC协议、X.25协议、ATM协议、帧中继协议等。1.2.5 网络体系结构

为了有效地建立面向分布式处理的通信网络,必须明确它们的逻辑结构及功能配置,网络体系结构就是为了实现这些功能而进行的体系化管理。

如果计算机系统中的应用仅能在其内部操作,称该系统为封闭系统。如果一个计算机系统中的应用进程能与另一计算机系统的进程通信,则称之为开放系统。开放系统是由通信设施连接的计算机系统。如果两个计算机系统之间要进行数据交换,在这两个计算机系统之间必须存在一条数据通道。

两个计算机系统之间必须有一种高度的协调,既要在硬件上协调,也要在软件上协调,这样才能从物理上、逻辑上都结合起来。当多个开放系统都做到了这种协调,并构成一个完整的系统,才能构成计算机网络。这就是所谓的计算机网络体系结构。

开放式体系结构是指配置不同型号的计算机、不同的操作系统和不同的拓扑结构与通信协议的网络相互连成一个统一的网络,以达到资源共享、数据通信及分布式处理的目的。1.2.6 服务器

网络有共享外部设备的功能。这种共享主要是通过设计一个专门的节点,该节点为网上用户所共知,具有固定的地址,并为网上用户提供服务,这种提供服务的节点称为服务器。服务器运行网络操作系统,为网络提供通信控制、管理和共享资源。每个独立的计算机网络中至少应该有一台服务器。在低成本局域网中,也可以采用高性能的PC机作为网络服务器。

服务器的基本任务是处理各个网络工作站提交的网络请求。用户请求可以是访问服务器硬盘上的文件系统、申请共享打印服务,也可以是与其他设备进行通信。

网络中服务器接收、响应和处理工作站的请求,并提供相应的服务,所有这些请求都占用服务器的时间。在网络运行过程中,当有多个用户从工作站登录入网时,由于服务器要处理来自所有工作站的用户请求,服务时间将会增加。因此,网络服务器的负载在通常情况下是相当大的。随着用户数量的增加或用户请求的增加,网络上的信息流量随之增大,有时会导致网络服务器的拥挤现象—— 出现“瓶颈”,致使工作站的请求无法得到及时响应。

服务器的负载相当大,当网络增大时,负载的增加更加明显。因此,网络规模越大要求服务器的性能越高。影响网络服务器性能的因素很多,主要因素包括:

● 处理器的类型和速度。

● 内存容量的大小、内存通道的访问速度。

● 网络服务器缓存的大小。

● 硬盘的性能和存储容量。

● 通信协议中确定的分组的大小。

● 到达网络服务器的数据速率。1.2.7 工作站

工作站是网络中具有独立运行功能并且能够接受网络服务器控制和管理,共享网络资源的计算机。工作站上运行的软件包括工作站启动程序和工作站实用程序。每个工作站上使用的启动程序都是根据工作站所使用的网卡所决定的。

网络工作站是用户使用网络的接口,是用户工作的真正平台。用户从工作站登录入网后,通过工作站向服务器发出请求,得到服务器响应后,从服务器取出程序和数据,传送到工作站内存,并在工作站上执行应用程序,对数据进行加工处理,然后又将处理结果传回到服务器中保存。网络上的所有工作站都能共享服务器上的程序和数据信息。

工作站可分为有盘工作站和无盘工作站。所谓有盘工作站,是指工作站本身配置磁盘驱动器,工作时,既可以使用本地磁盘,也可以使用服务器的磁盘。无盘工作站是指工作站本身并不配置磁盘驱动器,只使用服务器上的磁盘。无盘工作站不仅降低了网络的成本,而且便于网络的安全管理,对于服务器中的共享文件和数据有极大的保护作用,但它应具有普通计算机的处理能力和足够的内存。

1.3 计算机网络的功能和分类

随着科学技术的发展,共享信息的获得显得越来越重要了,计算机网络可以实现人们的这一愿望。计算机网络的分类按不同的标准有不同的种类。

1.3.1 计算机网络的功能

计算机网络有许多功能,如可以进行数据通信、资源共享等。下面简单地介绍一下它的主要功能。

 1. 数据通信

数据通信即实现计算机与终端、计算机与计算机间的数据传输,是计算机网络的最基本的功能,也是实现其他功能的基础。如电子邮件、传真、远程数据交换等。

2. 资源共享

实现计算机网络的主要目的是共享资源。一般情况下,网络中可共享的资源有硬件资源、软件资源和数据资源,其中共享数据资源最为重要。

 3. 远程传输

计算机已经由科学计算向数据处理方面发展,由单机向网络方面发展,且发展的速度很快。分布在很远的用户可以互相传输数据信息,互相交流,协同工作。

 4. 集中管理

计算机网络技术的发展和应用,已使得现代办公、经营管理等发生了很大的变化。目前,已经有了许多MIS系统、OA系统等,通过这些系统可以实现日常工作的集中管理,提高工作效率,增加经济效益。

5. 实现分布式处理

网络技术的发展,使得分布式计算成为可能。对于大型的课题,可以分为许许多多的小题目,由不同的计算机分别完成,然后再集中起来解决问题。

 6. 负载平衡

负载平衡是指工作被均匀地分配给网络上的各台计算机。网络控制中心负责分配和检测,当某台计算机负载过重时,系统会自动转移部分工作到负载较轻的计算机中去处理。

1.3.2 计算机网络的分类

计算机网络根据不同的分类标准有不同的分类,下面把不同的分类列成如图1-4所示的列表,让读者对计算机网络的分类从整体上一目了然。

1. 按网络节点分布

局域网是一种在小范围内实现的计算机网络,一般在一个建筑物内,或一个工厂、一个单位内部。局域网覆盖范围可在十几公里以内,结构简单,布线容易。

广域网范围很广,可以分布在一个省内、一个国家或几个国家。广域网信道传输速率较低,结构比较复杂。

城域网是在一个城市内部组建的计算机信息网络,提供全市的信息服务。目前,我国许多城市正在建设城域网。

图1-4 计算机网络的分类

2. 按传输介质

有线网:是采用同轴电缆或双绞线连接的计算机网络。同轴电缆网是常见的一种连网方式,它比较经济,安装较为便利,传输率和抗干扰能力一般,传输距离较短。双绞线网是目前最常见的连网方式。它价格便宜,安装方便,但易受干扰,传输率较低,传输距离比同轴电缆要短。

光纤网:也是有线网的一种,但由于其特殊性而单独列出。光纤网采用光导纤维作传输介质。光纤传输距离长,传输率高,可达数千兆bps,抗干扰性强,不会受到电子监听设备的监听,是高安全性网络的理想选择。但其成本较高,且需要高水平的安装技术。

无线网:用电磁波作为载体来传输数据,目前无线网联网费用较高,还不太普及。但由于联网方式灵活方便,是一种很有前途的连网方式。

局域网通常采用单一的传输介质,而城域网和广域网采用多种传输介质。

3. 按交换方式

线路交换最早出现在电话系统中,早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的,数字信号经过变换成为模拟信号后才能联机传输。

报文交换是一种数字化网络。当通信开始时,源机发出的一个报文被存储在交换机里,交换机根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文,这种方式称做存储-转发方式。

分组交换也采用报文传输,但它不是以不定长的报文作传输的基本单位,而是将一个长的报文划分为许多定长的报文分组,以分组作为传输的基本单位。这不仅大大简化了对计算机存储器的管理,而且也加速了信息在网络中的传播速度。由于分组交换优于线路交换和报文交换,具有许多优点。因此,它已成为计算机网络中传输数据的主要方式。

4. 按逻辑

通信子网:面向通信控制和通信处理,主要包括:通信控制处理机(CCP)、网络控制中心(NCC)、分组组装/拆卸设备(PAD)、网关等。

资源子网:负责全网的面向应用的数据处理,实现网络资源的共享。它由各种拥有资源的用户主机和软件(网络操作系统和网络数据库等)所组成,主要包括:主机(HOST)、终端设备(T)、网络操作系统、网络数据库。

5. 按通信方式

点对点传输网络:数据以点到点的方式在计算机或通信设备中传输。星型网、环形网采用这种传输方式。

广播式传输网络:数据在公用介质中传输。无线网和总线型网络属于这种类型。

6. 按服务方式

客户机/服务器网络:服务器是指专门提供服务的高性能计算机或专用设备,客户机是指用户计算机。这是由客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络形式,多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。这是最常用、最重要的一种网络类型,不仅适合于同类计算机联网,也适合于不同类型的计算机联网,如PC机、Mac机的混合联网。这种网络安全性容易得到保证,计算机的权限、优先级易于控制,监控容易实现,网络管理能够规范化。网络性能在很大程度上取决于服务器的性能和客户机的数量。目前,针对这类网络有很多优化性能的服务器称为专用服务器。银行、证券公司都采用这种类型的网络。

对等网:对等网不要求专用服务器,每台客户机都可以与其他每台客户机对话,共享彼此的信息资源和硬件资源,组网的计算机一般类型相同。这种组网方式灵活方便,但是较难实现集中管理与监控,安全性也低,较适合作为部门内部协同工作的小型网络。

1.4 网络通信协议

用户不仅可以通过本地连接建立本地的局域网,而且也可以通过电话线、红外线和电缆建立计算机与其他计算机或者网络的外部连接。通过建立这些连接,可以形成一个更大规模的计算机网络,使更多的计算机以更多的方式使用所连接到的网络中的资源。

在网络中,网络协议扮演着重要的角色,无论使用哪一种网络连接方式,都需要相应的网络协议的支持,如果没有网络协议,资源的共享就无法实现,那么,网络连接就失去了意义。在所有的操作系统中,如Windows 2000 Server,都内置了管理和配置网络协议的功能,只要选择相应的协议并进行配置,就可以使用相应的连接方式组网。

1.4.1 常用的网络协议

在连接网络时,必须选用正确的网络协议,以保证不同连接方式和操作系统的计算机之间可以进行数据传输。可以使用的网络协议有很多,以下主要介绍几种常用的协议。

1. TCP/IP协议

TCP/IP协议是Internet网中进行通信的标准协议,它实际上是由两个协议“传输控制协议”(TCP)和“互联网协议”(IP)组成,由于这两个协议通常连接在一起使用,因此叫做TCP/IP协议。

TCP/IP协议使用一组由十进制数组成的4段数字(最大为255)来确定计算机的地址,每段数字之间用小数点隔开,例如122.68.73.1,习惯上把这种识别计算机的数字称为IP地址,通过IP地址,操作系统可以方便地在网络中识别不同的计算机,在TCP/IP协议中提供了称为域名解析服务(DNS)的方案,它可以将IP地址转化为用文字表示的计算机名称,例如www.microsoft.com,这种用文字表示主机的方法,可以使用户更加容易理解IP地址所代表的含义或者拥有该地址的计算机所代表的公司或提供服务的领域,避免了纯数字的枯燥乏味。另外,TCP/IP协议是一种可以路由的协议,通过识别子网掩码,可以在多个网络间传递和复制信息。

微软的联网方案也使用了TCP/IP协议,在Windows 2000 Server中,TCP/IP协议是和DNS以及动态主机配置协议(DHCP)配合使用的。DHCP用来分配IP地址,当用户计算机登录网络时,会自动寻找网络中的DHCP服务器,以便从DHCP服务器获得网络连接的动态配置,并获得IP地址。

2. NetBEUI协议

NetBEUI协议是专门为小型局域网设计的协议,主要用于Windows 2000 Server、Windows NT、LAN Manager和Windows for Workgroups的联网。在小型网络中,NetBEUI是一种速度很快的协议,它的缺点是不能在跨路由器的网络中使用。

3. NWLink IPX/SPX/NetBIOS兼容传输协议

NWLink IPX/SPX/NetBIOS也是一种常用的兼容传输协议,它支持将Windows 2000 Server服务器连接到Novell NetWare服务器上。访问Novell NetWare服务器上运行的客户和服务器应用程序,通过使用NWLink协议,NetWare客户也可以访问在Windows 2000服务器上运行的客户和服务器应用程序。用户也可以在使用Windows 2000或者微软的其他客户软件在小型网络中使用该协议。

4. DLC协议

DLC协议提供对于使用数据链路控制协议的网络设备的支持,如果要通过JetDirect网卡为惠普打印机提供打印队列服务,可以使用该协议。同时,该协议也允许运行Windows 2000 Server的计算机连接到IBM大型机,使用IBM大型机的资源。

5. AppleTalk协议

AppleTalk协议允许其他使用AppleTalk协议的计算机与运行Windows 2000的计算机及打印机进行通信,这主要是指苹果公司运行AppleTalk网络协议的计算机,如苹果机。AppleTalk协议允许运行Windows 2000 Server的计算机充当AppleTalk的路由器。通过AppleTalk协议,Windows 2000 Server可以为苹果机提供文件和打印服务。

6. IrDA协议

IrDA协议支持通过远红外线传输数据,它不仅支持发送和打印机服务,还可以通过远红外线接口创建多台计算机之间的连接。在Windows 2000 Server中没有集成该协议,如果要使用远红外线功能,可以使用Windows 2000中提供的支持IrDA协议的其他软件。

1.4.2 网络协议的选择

根据组网的不同需要,可以选择相应的网络协议,如果要建立一个小型的工作组或者局域网,并且不打算访问其他网络中的资源,可以使用NetBEUI协议,这种协议可以满足用户的需求,并且有着较高的速度和效率。如果要求微软网络的计算机可以访问Novell NetWare的资源,可以选用IPX兼容协议,如果要将计算机连接到IBM大型机或将计算机作为惠普打印机的打印服务器,可以选用DLC协议。如果要求连接到苹果机或者要使Windows 2000 Server服务器为苹果机提供文件和打印服务,可以选用AppleTalk协议。如果要组建一个大型的网络,或者要将计算机连接到Internet中,就必须使用TCP/IP协议。在实际的组网中,用户的需求是千差万别的,单一的协议可能无法满足需要,用户可以根据需要选择一种或者多种相关的协议,以达到不同的组网要求,使服务器能够提供相应的服务,或者解决不同操作系统,不同网络之间的通信问题,从而组建高效的网络,满足工作和业务的需求。

1.5 计算机网络模型

随着新媒体类型的开发、新传输协议的增长,许多人都看到了不同媒体类型和协议能够互相操作的需求。早在1980年,国际标准化组织(ISO)就着手解决这个问题,并于1984年成功地创建了开放系统互连参考模型(OSI),为不同厂商之间创建可互操作规程的网络软件部件提供了基本依据。

OSI模型描述了在像Windows NT、Windows 2000、Windows XP之类的模块化操作系统中,所有网络部件都应该承认的7个标准层:

● 应用层

● 表示层

● 会话层

● 传输层

● 网络层

● 数据链路层

● 物理层

在这7个标准层中,每一层使用下一层的服务,并直接对上一层提供服务。例如,TCP是传输层服务,使用可靠的IP服务,保证了对其上一层的可靠连接。开放互连参考模型如图1-5所示。

图1-5 开放互连参考模型

下面分别对OSI模型的7个子层进行介绍。

1.5.1 物理层

物理层是网络接口卡(NIC)与网络电缆的接口。NIC将数据帧传送到网络中的其他计算机或者是从其他计算机接收数据帧,具体使用什么样的NIC,要根据物理网络介质判断。比如:光纤、铜线、红外线等。介质选择的两个主要原则是用户需要多远与多快地发送数据。物理层仅仅负责从一台计算机到另一台计算机发送比特位(比特位是数字通信的二进制0和1),而并不关心比特位的含义。物理层处理与网络的物理连接和信号的发送与传输,定义了下列物理与电气细节:

● 0或1如何表示。

● 网络连接器的针数。

● 数据如何同步。

● 网卡什么时候传输数据,什么时候不传输数据。

1.5.2 数据链路层

数据链路层与物理层一起负责介质访问控制,它实现数据从一台计算机通过网络向另一台计算机的无差错传送。在发送端,数据链路层将从网络层接收到的数据帧发送到物理层。在接收端,数据链路层将从物理层接收到的数据位组织成与网络层兼容的数据帧。

根据所使用的协议,数据链路层传递一个数据帧到物理层并等待接收应答,如果没有发送成功或者没有收到应答,数据链路层将重发数据帧。当然,等待与重发的数量与时间受协议与设置的控制。电子和电气工程师协会(IEEE)将数据链路层分成了两个子层:介质访问控制(MAC)与逻辑链路控制(LLC),这两个子层分担了数据链路层的职责。

● LLC

LLC通过服务访问点(SAP)管理通信服务。SAP是到上层协议初始化数据传送的矢量,利用SAP,LLC就能判断将上级模型层中的数据发往何处。LLC还负责错误通知,这样就能设计LLC去执行错误恢复与重发。

● MAC

MAC负责将数据帧无差错地发送到物理层或者无差错地接收来自物理层的数据帧。MAC是较低级的子层,包括NIC及其软件驱动程序。网络错误在MAC层检测,结果将通知LLC。MAC规范要求每块NIC有惟一的物理地址。

1.5.3 网络层

网络层与传输层包括了各种传输协议,其中网络层定义了TCP/IP栈中的IP的功能及许多IPX/SPX协议中的IPX功能。

网络层负责在网络间查找路由,制定路由决策,并且为设备转发经过多个网络的数据包(一条链路连接两个网络设备,并且由数据链接层实现,通过一条链路连在一起的两个设备直接互相通信)。网络层允许传输层及其以上各层发送数据包,而不必关心终端系统是紧密相连,还是隔着其他系统中介。

1.5.4 传输层

传输层定义了TCP/IP协议栈中的TCP功能及IPX/SPX协议中的几种IPX功能和SPX功能。

传输层确保数据包按顺序进行无差错的传输。在数据包发送端,传输层把来自会话层的信息拆分成可以发送给目的计算机的数据包;在接收端,传输层重新把数据包组织成信息发送给会话层。另外,传输层会对所接受的信息发一个确认信息给发送端。  

1.5.5 会话层

会话层通过建立称为会话的通信链接来管理计算机之间的数据交换。为了建立会话,该层执行一些功能以完成名称与用户权限识别。为了提高数据的安全性,该层创建数据检查点并控制哪台计算机有明确的发送网络数据的访问权限。

1.5.6 表示层

表示层在网络需要的格式和计算机期望的格式之间翻译数据。表示层执行协议转换、数据翻译、压缩与加密及字符转换,表示层也解释图形命令。

重定向程序操作在表示层与应用层的水平上。表示层使文件服务器上的文件对客户计算机可见,重定向程序也对远程打印机起作用,好像远程打印机连接到本地计算机上一样。

1.5.7 应用层

应用层包含利用网络服务的应用程序进程,以及这些进程与网络层进行通信的应用程序接口(API)。API是一个标准的功能实用程序库,能用于下列应用程序类型。

● 标准的操作系统打包软件(如Windows的Notepad,Wordpad及Explorer等):这些应用程序作为操作系统的一部分得到,但实际上并不是操作系统内部的一部分。

● 最终用户创建的应用程序(如Visual FoxPro、Visual Basic、Java 及Visual C等):这些应用程序由最终用户所创建。

● 第三方应用程序(如Office 2000、WPS 2000等):它们是第三方创建的打包软件。

1.6 计算机网络的拓扑结构
网络拓扑是指网络中各个端点相互连接的方法和形式。网络拓扑结构反映了组网的一种几何形式。局域网的拓扑结构主要有总线型、星型、环型以及混合型拓扑结构。
1.6.1 总线型拓扑结构
总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质,所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质,而且能被所有其他的站点接受。图1-6所示为总线型拓扑结构示意图。
总线型网络结构中的节点为服务器或工作站,通信介质为同轴电缆。
由于所有的节点共享一条公用的传输链路,所以一次只能由一个设备传输。这样就需要某种形式的访问控制策略,来决定下一次哪一个节点可以发送。一般情况下,总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)控制策略。
图1-6  总线型拓扑结构
总线型网络信息发送的过程为:发送时,发送节点对报文进行分组,然后一次一个地址依次发送这些分组,有时要与其他工作站传来的分组交替地在通信介质上传输。当分组经过各节点时,目标节点将识别分组的地址,然后将属于自己的分组内容复制下来。
总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用,主要优点有:
● 布线容易、电缆用量小。总线型网络中的节点都连接在一个公共的通信介质上,所以需要的电缆长度短,减少了安装费用,易于布线和维护。
● 可靠性高。总线结构简单,从硬件观点来看,十分可靠。
● 易于扩充。在总线型网络中,如果要增加长度,可通过中继器加上一个附加段;如果需要增加新节点,只需要在总线的任何点将其接入。
● 易于安装。总线型网络的安装比较简单,对技术要求不是很高。
总线型拓扑结构虽然有许多优点,但也有自己的局限性:
● 故障诊断困难。虽然总线拓扑简单,可靠性高,但故障检测却不容易。因为具有总线拓扑结构的网络不是集中控制,故障检测需要在网上各个节点进行。
● 故障隔离困难。对于介质的故障,不能简单地撤消某工作站,这样会切断整段网络。
● 中继器配置。在总线的干线基础上扩充时,可利用中继器,需要重新设置,包括电缆长度的裁剪,终端匹配器的调整等。
● 通信介质或中间某一接口点出现故障,整个网络随即瘫痪。
● 终端必须是智能的。因为接在总线上的节点有介质访问控制功能,因此必须具有智能,从而增加了站点的硬件和软件费用。
1.6.2 星型拓扑结构
星型拓扑结构是中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点组成。利用星型拓扑结构的交换方式有电路交换和报文交换,尤以电路交换更为普遍。一旦建立了通道连接,可以没有延迟地在连通的两个节点之间传送数据。工作站到中央节点的线路是专用的,不会出现拥挤的瓶颈现象。图1-7为星型拓扑结构。
图1-7  星型拓扑结构
星型拓扑结构中,中央节点为集线器(HUB),其他外围节点为服务器或工作站;通信介质为双绞线或光纤。
星型拓扑结构被广泛的应用于网络中智能主要集中于中央节点的场合。由于所有节点的往外传输都必须经过中央节点来处理,因此,对中央节点的要求比较高。
星型拓扑结构信息发送的过程为:某一工作站有信息发送时,将向中央节点申请,中央节点响应该工作站,并将该工作站与目的工作站或服务器建立会话。此时,就可以进行无延时的会话了。
星型拓扑结构的优点为:
● 可靠性高。在星型拓扑的结构中,每个连接只与一个设备相连,因此,单个连接的故障只影响一个设备,不会影响全网。
● 方便服务。中央节点和中间接线都有一批集中点,可方便地提供服务和进行网络重新配置。
● 故障诊断容易。如果网络中的节点或者通信介质出现问题,只会影响到该节点或者通信介质相连的节点,不会涉及整个网络,从而比较容易判断故障的位置。
星型拓扑结构虽有许多优点,但也有缺点:
● 扩展困难、安装费用高。增加网络新节点时,无论有多远,都需要与中央节点直接连接,布线困难且费用高。
● 对中央节点的依赖性强。星型拓扑结构网络中的外围节点对中央节点的依赖性强,如果中央节点出现故障,则全部网络不能正常工作。
1.6.3 环型拓扑结构
环型拓扑结构是一个像环一样的闭合链路,在链路上有许多中继器和通过中继器连接到链路上的节点。也就是说,环型拓扑结构网络是由一些中继器和连接到中继器的点到点链路组成的一个闭合环。在环型网中,所有的通信共享一条物理通道,即连接网中所有节点的点到点链路。图1-8为环型拓扑结构。

图1-8  环型拓扑结构
其中,每个中继器通过单向传输链路连接到另外两个中继器,形成单一的闭合通路,所有的工作站都可通过中继器连接到环路上。任何一个工作站发送的信号,都可以沿着通信介质进行传播,而且能被所有其他的工作站接收。中继器为环型网提供了3种基本功能:数据发送到环中,接收数据和从环中删除数据。它能够接收一个链路上的数据,并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上,即不在中继器中缓冲。由通信介质及中继器所构成的通信链路是单向的,即能在一个方向上传输数据,而且所有的链路是单向的,即能在一个方向上围绕着环进行循环。
环型拓扑结构的交换方式采用分组交换。由于多个工作站共享同一环,因此需要对此进行控制,以便决定每个站在什么时候可以把分组放在环上。一般情况下,环型拓扑结构网络采用令牌环(Token Ring)的介质访问控制。信息发送的过程为:如果某一站点希望将报文发送到另一目的站点,那么它需要将这个报文分成若干个分组。每个分组包括一段数据再加上一些控制信息,其中控制信息包括目的站点的地点。发送信息的站点依次把每个分组放到环上之后,通过其他中继器进行循环;环中的所有中继器都将分组的地址与该中继器连接的节点的地址相比较,当地址符合时,该站点就接收该分组。
环型拓扑结构具有以下优点:
● 电缆长度短。环型拓扑结构所需的电缆长度与总线型相当,但比星型要短。
● 适用于光纤。光纤传输速度高,环型拓扑网络是单向传输,十分适用于光纤通信介质。如果在环型拓扑网络中把光纤作为通信介质,将大大提高网络的速度和加强抗干扰的能力。
● 无差错传输。由于采用点到点通信链路,被传输的信号在每一节点上再生,因此,传输信息误码率可减到最少。
环型拓扑结构的缺点为:
● 可靠性差。在环上传输数据是通过接在环上的每个中继器完成的,所以任何两个节点间的电缆或者中继器故障都会导致全网故障。
● 故障诊断困难。因为环上的任一点出现故障都会引起全网的故障,所以难于对故障进行定位。
● 调整网络比较困难。要调整网络中的配置,例如扩大或缩小,都是比较困难的。
1.6.4 混合型拓扑结构
混合型拓扑结构是指综合性的一种拓扑结构。组建混合型拓扑结构的网络有利于发挥网络拓扑结构的优点,克服相应的局限。图1-9为一个混合型拓扑结构。

图1-9  星型与总线型相结合的混合型拓扑结构
1.7 网络操作系统简介

网络操作系统(NOS,Network Operating System)是使网络中各计算机能方便而有效地共享网络资源,为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规则的集合。通常的操作系统具有处理机管理、存储器管理、设备管理及文件管理,而网络操作系统除了具有上述的功能外,还具有提供高效、可靠的网络通信能力和提供多种网络服务的功能。

在现今市场上,用得最广泛的网络操作系统主要有Windows NT系统、NetWare系统和Unix系统,下面将分别进行简要的介绍。

1.7.1 Windows NT系统

Windows NT是20世纪90年代最新的网络操作系统,属于Cilent/Server模式(客户/服务器模式)。所谓客户/服务器运行模式是指:服务器检查是否有客户要求服务的请求,在满足客户的请求后将结果返回;客户机(可以为一个应用程序或另一个服务器)如果需要系统的服务,就向服务器发出请求服务的信息,服务器根据客户请求执行相应的操作,并将结果返回给客户。

客户/服务器模式之所以被广泛采用,在于其自身的优点:

● 系统的安全性

它将操作系统分成若干个小的且自包含的服务器,每个服务器运行在独立的用户态进程中,即使某个服务器失败也不会引起整个系统的毁坏或崩溃。

● 分布式处理

不同的服务器可以运行在不同的处理器或计算机上,从而使操作系统具有分布处理的能力。

● 易扩充性

它简化了基本操作系统,使在操作系统中增加新的服务器变得更加容易。

Windows NT恰恰反映了客户/服务器模式的优点,其结构可分为两大部分:系统用户态(Windows NT保护子系统)和系统核心态(NT执行体)。其结构图如图1-10所示。

1. 系统用户态

由客户进程及服务器进程所构成。该部分为特定的操作系统提供一个应用程序接口 (API)。多个应用程序又可同时在一个用户态服务器上进行,其中的安全子系统完成对用户是否允许登录和权限的检查与控制功能,保证系统的安全性。

2. 系统核心态

Windows NT的内核非常小,但它是一个完整的操作系统,由一些组件按层构成,这些组件分别完成不同的功能。

Windows NT是真正的32位网络操作系统,它之所以被越来越广泛地应用到各个领域,

主要因为该网络操作系统具有如下的功能:

● 采用全新的Windows图形用户界面

它摒弃了传统的命令行用户界面,采用Windows图形用户界面,增加了与用户的友好交流,极大地方便了用户。

图1-10 Windows NT构架

● 支持多种文件系统

Windows NT支持 FAT、NTFS、及HPFS等多种文件系统,可以实现多种应用程序的运行。

● 可实现与其他网络操作系统的互操作

Windows NT作为客户不仅可以访问其他厂商如Novell NetWare、Banyan VINES、SUNNFS等的服务器,而且Windows NT上的应用程序可直接访问网络中的其他文件系统,如UNIX、VMS、Apple Maintosh等。

● 提供了方便地建立分布式应用程序的机制

Windows NT提供了方便地建立和运行客户/服务器模式应用程序机制,主要包括远程过程调用RPC(Remote Procedure Call)、命名管道(Named Pipes)以及多种应用程序接口。

● 提供企业建立Internet/Intranet时的完整解决方案

Windows NT内置了Internet信息服务器(Internet Information Server,IIS),因此只需安装IIS就可直接建立WWW、Gopher、FTP服务器,而不再需要其他相关软件,为建立一个企业级网络提供了极大方便。

新一代的Windows 2000中文版支持范围广泛的应用程序开发工具,同时它又最容易使用和管理。Windows 2000 Server在市场上的占有率越来越大,其特点是:

能在不同平台上运行,具有抢先式多任务、虚拟内存、对称多处理的特性,不仅可以用作文件操作系统,还可以用作应用操作系统。

支持多种网络协议。

具有目录服务功能。

是高性能的客户/服务器应用平台。

具有强大的管理性,如容错性可达RAID5

具有C2安全级。

利用域(Domain)的概念来对网络资源进行控制,以便用简单的方法来控制用户对网络的访问。

用户界面良好,支持多窗口。

1.7.2  NetWare系统

NetWare20世纪90年代最流行的网络操作系统,它属于层次式的网络操作系统,但其霸主的地位正受到Windows NT 的威胁。

NetWare 32位实时、多任务网络系统,是基于模块设计思想的开放式系统结构。其逻辑结构如图1-11所示。

 1-11  NetWare的逻辑结构

 NetWare由两部分组成:

● NetWare核心部件运行在文件服务器上,包括内存管理程序、文件系统管理程序、进程调度程序等。

NetWare Shell—— 外壳程序,它作为用户的接口,运行在用户工作站上。它对用户命令进行解释,是DOS命令则进入DOS,执行本地DOS功能;是网络请求则将其转换后送到文件服务器。同时,它也接收并解释来自网络服务器的信息,并把它变为用户所需要的形式。

 NetWare是一种基于服务器的网络操作系统,采用层次结构模式、侧重于服务器的网络文件系统以及网络管理功能,如图1-12所示。

 1-12  NetWare 网络层次结构

NetWare之所以成为流行的网络操作系统,主要原因是NetWare网络操作系统具有如下的功能:

NetWare系统的开放性

NetWare系统对不同的工作平台(DOSOS/2MacintoshWindows)、不同网络协议环境(IPX/SPXTCP/IPAppleTalk),以及不同工作站操作系统提供了一致的服务。

NetWare系统的安全性

NetWare系统为用户提供了完善的安全措施。它包括用户密码、目录的权限、文件和目录的属性,以及对用户登录工作站点及时间的限制。

NetWare系统的容错性

NetWare系统提供了可靠的容错措施。可分为以下5个级别:

1级是硬盘目录和文件分配表的保护。

2级是硬盘表面损坏时的数据保护。

3级是SFTNetWare采用磁盘镜像的方法实现硬盘驱动器损坏的保护。

4级是采用磁盘双工,当磁盘通道或硬盘驱动损坏时起保护作用。

5级是设置事务跟踪系统TTS(Transaction Tracking System),用以防止当数据在写到数据库时,因系统故障而造成的数据库损坏。

NetWare服务器可提供给主机4个网卡所需要的资源,4个不同的LANNetWar服务器中物理上可以连在一起。对于多个LAN的情况,NetWare服务器中具有一个内部路由器,用来选择路径。

NetWare是出色的文件服务系统,它直接对微处理器编程。

支持多种硬件。

系统中保密、安全性好。

支持不同特性的网络互联。

1.7.3  Unix系统

Unix从诞生至今已有28年左右的历史了,它是一个多用户、多任务的网络操作系统。Unix系统长期受到计算机界的支持和欢迎。20世纪80年代,它在商业中也获得了成功。Unix的确是一种优秀的网络操作系统,其内部采用的是一种层次结构,如图1-13所示。

Unix网络操作系统不仅可在微型计算机上运行,而且也支持在大、中、小型机上运行。在微型计算机上运行主要采用的是Unix System V版本,而在大、中、小型机上运行主要采用Unix BSD版本。虽然从版本上看,Unix只有两个重要的分支,但从实际的Unix产品来看,却有许多类型:LinuxSolarisSCO UnixDigitalUnixHP UnixIBM AIXBeliant Unix等。

1-13  Unix系统的层次结构

Unix系统的功能主要体现在:实现网络内点到点的邮件传送、文件管理、用户程序的分配和执行。正是Unix系统的强大功能和可依赖的稳定性,使得其在市场上一直占有主导地位。虽然Internet开始风靡于1995年,但是,Unix正是Internet的起源,所以要建立Internet/Intranet应用项目,Unix网络操作系统仍是主要的选择对象。

Unix支持网络文件系统(NFS),对于熟悉DOSWindows 的用户来讲,必须购买并安装相应的NFS软件,才能透明、方便地访问Unix服务器上的目录资源。

 
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