1、第14章 计算机通信网概述,14.1 计算机网络的定义及其功能 14.2 计算机网络的组成 14.3 计算机网络的分类 14.4 计算机网络的拓扑结构 14.5 数据交换技术,14.1 计算机网络的定义及其功能,14.1.1 计算机网络的定义计算机网络是用通信介质将地理上分散且具有独立功能的多台计算机相互连接， 按照网络协议进行数据通信以实现资源共享的信息系统。 实际上，对计算机网络的定义并不十分严格， 且在不同的发展阶段，有其不同的内涵，不同的定义反映着当时网络发展的水平及人们对网络的认识程度。 计算机网络从广义的观点定义为计算机通信网，其特点是借用通信信道，通过资源共享实现信息的传输和处理
2、；,从对用户透明的观点定义为分布式计算机系统，其特点是它的操作系统以全局方式管理系统资源，能自动为用户的需求调度网络资源，多台互连的计算机系统对用户来说是“透明”的， 是计算机网络技术发展的高级阶段；以资源共享观点定义的计算机网络可以看成是计算机通信网到分布式计算机系统的过渡， 为分布式系统的研究提供技术和理论基础。,14.1.2 计算机网络的功能计算机网络的主要功能有： （1）数据传送。数据传送是计算机网络最基本的功能之一， 用以实现计算机与计算机之间传递各种信息。 （2）资源共享。 资源共享指共享计算机系统的硬件、软件和数据，是计算机网络最有吸引力的功能。 （3）提高计算机的可靠性和可用性
3、。 可靠性的提高体现在网络计算机彼此互为备用；可用性指当网络中某台计算机负担过重时， 可将新任务转交网络中较空闲的计算机完成，通过计算机网络均衡各台计算机的负担。,（4） 便于进行分布式处理。 对于较大型的综合性问题， 当一台机器不能完成处理任务时， 可按一定的算法将任务交给不同计算机分工协作完成， 达到均衡地使用网络资源进行分布处理的目的。 （5） 提供综合信息服务。计算机网络支持文字、 数据、 话音、 视像等多媒体信息传输、收集和处理， 因此， 计算机网络可以提供综合信息服务功能。,14.2 计算机网络的组成,计算机网络要完成数据处理和数据通信两大功能，在结构上可以分成两部分：负责数据处理
4、的计算机与终端；负责数据通信处理的通信控制处理机（CCP， Communication Control Processor）和通信线路。典型的计算机网络从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子网两部分，其结构如图14.1所示。,图 14.1 计算机网络结构,14.3 计算机网络的分类,计算机网络的分类方法很多，有按拓扑结构分类的，有按网络规模大小、距离远近分类的，还有按服务对象分类的，并且这些方法还有所交叉。 其实， 这些方法对于网络本身并无实质的意义，只是人们讨论问题的立场不同而已。 表14.1给出了计算机网络的常见类型。,表14.1 计算机网络常见分类,14.3.1 局域网（LAN）局域网一般
5、是指规模相对较小、计算机硬件设备不多、通信线路不长、距离一般不超过几十千米、采用单一的传输介质、 通常安装在一幢建筑物或一个园区内的网络。 目前，局域网的功能非常强大，很容易进入MAN或WAN的范围。 常见的局域网类型包括以太网（Ethernet）、令牌环（TokenRing）、光纤分布式数据接口（FDDI）、 异步传输模式（ATM）等，其中应用最广泛的当属以太网，现在绝大多数单位的网络都属于以太网类型。,14.3.2 城域网（MAN）城域网较局域网的作用范围要大一些，大小通常是覆盖一个地区或城市，地域范围可从几十千米到上百千米， 也常称为区域网或都市网。城域网通常采用不同的硬件、软件和通信传
6、输介质来构成。 这是因为它必须有效地覆盖所定区域范围， 无论网点处于何处，都要保证可靠的信息共享。 ,随着以Internet为代表的数据业务按指数增长，数据通信量占网络业务量的比例越来越大，宽带城域网已成为目前我国电信建设的一个重点。2000年以来，我国许多城市都先后启动了宽带城域网的规划和建设，其中的不少城市已开始提供宽带接入服务。 在目前城域网建设过程中，主要建设思路是以IP技术和ATM技术为骨干，以采用密集波分复用（DWDM）技术的光纤为主要传输介质进行建设，主要包括以ATM为骨干的城域网和以IP为骨干的城域网等两种基本类型。由于我国局域网90%是以太网， 这使得构建IP基础上的城域网有
7、很大的吸引力，尤其是宽带需求的不断扩大，使得建立于纯IP之上的城域网取得了很大的发展， 并已成为目前宽带城域网建设的主流。,14.3.3 广域网（WAN）广域网又称远程网，其覆盖范围很大，不但可以将每个局域网或城域网连接起来，也可以把世界各地的局域网全部连接在一起， 因此， 可以覆盖一个国家、一个地区或横跨几个大洲，形成一个国际性的大网。一般而言，广域网的结构可分为末端系统（主要指两端的用户集合）和通信系统（主要指中间链路）两部分。 通信系统是广域网的关键，它主要存在以下几种：公共电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、 公用数字数据网（DDN）、 帧中继（FR）、异步传输模式（ATM
8、）等。,14.4 计算机网络的拓扑结构,所谓计算机网络的拓扑结构，是指网络的线路和节点的几何排列，也就是计算机网络中通信子网的拓扑结构。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等重要方面， 是研究计算机网络的重要内容。 如果计算机网络按通信子网的结构来分类，可分为点对点传输网络和广播网络两大类。,图 14.2 点对点式拓扑结构 (a) 星型； (b) 树型； (c) 环型(Loop)； (d) 全网状网,14.4.1 点对点传输结构点对点网络结构也称作链路型网。 其网络拓扑结构有星型、 树型、环型、全网状网等，如图14.2所示。,1. 星型星型网络指每个节点均通过一条链路与中心节点
9、相连，相邻节点之间通信都要通过中心节点。这种结构主要用于分级的主从式网络，采用集中式控制。 其优点是结构简单， 建网容易，便于管理，节点到中心节点平均延迟小。其缺点是中心节点设备出故障时， 整个系统瘫痪， 故可靠性差。,2. 树型树型网络也称多处理中心集中式网络，是一种在分级管理基础上的集中式网络，适用于各种统计管理系统。这种网络结构的优点是通信线路连接比较简单，网络管理软件也不复杂，维护方便。其缺点是资源共享能力差，可靠性差。,3. 环型（Loop）环型网络中有个节点作为主节点， 负责控制网络的全部工作过程， 属于集中控制型网。 一般采用逐点轮询方式通信。 4. 全网状网全网状网指网络中每个
10、节点都相互连接。其优点是网络可靠性高，资源共享方便。其缺点是网络结构和网络软件比较复杂， 成本也较高。,14.4.2 广播式传输结构,图 14.3 广播式网络拓扑结构 (a) 总线型； (b) 环型； (c) 卫星网； (d) 地面无线网,1. 总线型总线型指各节点设备和一根总线相连， 节点设备的插入和拆除方便， 单节点出现故障时对全网影响小， 系统可靠性高。 2. 环型（Ring）环型与前述Loop型相比无主节点，属分布式控制型。在网中信息流一般单向传递， 共用通信线路，不适用于信息量大的场合。 ,3. 卫星网卫星网指各节点利用人造卫星作中继站转发信号， 以达到相互之间通信的目的。 4. 地
11、面无线网地面无线网指各节点之间利用无线电波传输， 以达到相互之间通信的目的。,14.5 数据交换技术,交换也称转接，它是通信网的一个基本概念，承担着将各用户点来的信息转接到其它用户点去的任务。数据交换技术主要是指网络中间节点所提供的数据交换功能。通常使用的交换技术如图14.4所示。,图14.4 交换技术分类,14.5.1 电路交换（Circuit Switching）所谓电路交换，是指根据请求通过通信网中的节点在一对站之间建立一条专用电气连接的过程。 在该连接被拆除之前， 该线路不得被其它站使用。电路交换最典型的例子是电话网。 利用电路交换进行通信包括三个阶段：(1) 建立电路。 传递数据之前
12、必须根据呼叫申请建立一条端到端（站到站）的专用电路。 (2) 传递数据。 建立电路之后就可把数据通过通信网进行传输。,(3) 拆除电路。 在数据传输结束后，就要结束连接，通常由两端点中的任何一端完成这个动作（挂机）。 电路交换目前应用于公用电话网、 公用电报网及电路交换公用数据网（CSPDN）等通信网中。电路交换的优点是实时性强， 延迟很小（一般是一个字符或甚至小到一个比特均可传送），交换成本较低。其缺点是线路利用率低，尤其是使用在中继线上。,14.5.2 报文交换（Message Switching）报文交换方式就是用户把需要传递的数据分割成块，加上源和目的地址及其它控制信息、差错控制信息等
13、， 构成报文， 以报文为单位在网中进行传输和处理。 某一节点收到一个不是传递给自己的报文后，当该报文去目的地址的线路不空闲时，则将该报文暂存下来，待该节点至报文目的地址方向的输出线路空闲时， 再把该报文传递出去。 由于采用存储转发方式传递数据，许多报文可以分时共享一条线路， 因此其线路利用率优于电路交换。 报文交换的主要缺点是：由于报文长度不统一，有时需占用交换节点大量的内存和外存空间， 网络延时比较大，波动也较大，因此不适于实时或会话式（交互式）通信。它主要用于早期的广域网中。,14.5.3 分组交换（Packet Switching）在报文交换中，虽然可以利用缓冲存储器来提高信道和交换设备
14、的利用率，但报文长度是随机的，设计时若按最长报文作为存储单元，必定要扩大缓冲存储器的容量。为此，设法将每份报文分割成若干固定长度的“段”， 每段报文加上一些必要的操作信息，如源地址、目的地址、用户数据段编号及差错控制信息等，按规定格式进行排列作为一个数据单位，通常称之为“报文分组”或“信息包”， 简称为“分组”或“包”（Packet）。 在通信网中，报文是以分组为单位进行传输和处理的。 由于分组长度固定，一般为一千到数千比特，交换机以分组作为存储、处理和传输单元能节省缓冲存储器容量，提高缓冲存储器的利用率，降低设备费用， 而且可缩短处理时间， 加快信息传输速率。,1. 数据报（Datagram
15、）方式在数据报方式中，每个分组作为一个独立的信息单位来对待，正像在报文交换中每份报文独立对待一样。 因而在网中各分组可能沿不同的路径进行传递，接收顺序与发送顺序也可能不同，因此，接收端需重新将分组排序，以恢复其原来的顺序。 在这种方式中， 就把每一个单独处理的“分组”叫做一个“数据报”。,2. 虚电路（Virtual Circuit）方式虚电路方式就是在进行数据传输之前，必须先进行一次虚呼叫（Virtual Call）。根据网络地址确定当时情况下最好的路由，并将途经的各段逻辑信道连接起来，从而构成一条虚电路（逻辑电路）。一条虚电路（VC）不同于一条物理通路， 后者是一条实际通路， 一旦建立，不
16、管此刻是否传输数据，电路就被用户占用了。 对于虚电路， 只有在分配传输数据时才占用。虚电路概念允许用户在一条实际电路上建立多条与多个用户相连的并发虚电路，亦即一个用户可在一条实际电路上与多个用户同时建立通信。虚电路概念是以分组统计多路复用原理为基础的，之所以能采用统计多路复用技术，是因为一条虚电路上传输的分组的时间是很短暂的。,14.5.4 帧中继（Frame Relay）早期的分组交换网主要采用铜线模拟信道， 其传输质量较差, 误码率较高。到20世纪80年代后期，通信用的主干线已逐步采用光缆。光缆不仅大幅度地提高了传输速率， 而且使传输误码率降低了几个数量级。此外，网络中所用通信设备的可靠性
17、也显著提高， 从而使信息在传输过程中发生差错的概率减小。 因而不必再像X.25分组交换网那样每经过一个交换机都对帧进行一次差错检测，也无需在每个交换机中设置功能较强的流量控制和路由选择机制，正是在这种背景下产生了帧中继交换。 因此可以说，帧中继是在X.25基础上，简化了差错控制（包括检测、 重发和确认）、流量控制和路由选择功能而形成的一种新型的交换技术。 由于X.25分组网与帧中继网很相似，因而容易从X.25升迁到帧中继。,14.5.5 异步传输模式（ATM）异步传输模式（ATM， Asynchronous Transfer Mode）是一种最有发展前途的交换技术，它以分组传送模式为基础并融合
18、了电路传送模式实时性能好的优点发展而成的。 前述报文交换是以报文为单位进行的交换，分组交换是以分组为单位进行的交换， 两者都是在网络层上进行的；而帧（中继）交换则是以帧为单位进行的交换， 它是在数据链路层上进行的。异步传输方式又称信元（中继）交换，是以信元（Cell）为单位， 同样是在数据链路层上进行的。 ATM是建立在大容量光纤传输介质基础上的，它比帧中继具有更高的传输速率，在短距离时高达2.2 Gb/s，在中长矩离时可达10100 Mb/s。ATM技术已被列为支持 B-ISDN业务的基本方式之一。,ATM以信元为基本传输单位。信元由信头和信息段组成。 ATM通过信头来识别通路。在这种方式中
19、只要信道空闲， 便将信元投入信道。这有利于提高信道利用率。由于信元的发送无固定周期，因而将这种传输模式称为异步传输模式。 为了简化信元的传输控制，在ATM中采用了固定长度的信元，规定有53个字节， 其中信头占5个字节，信息段占48个字节。这样，每个信元都花费同样的传输时间，比其它通信协议的信息格式小得多，这种小的固定长度数据单元就是为了减少组装、拆卸信元以及信元在网络中排队等待所引入的时延， 确保更快、更容易地执行交换和多路复用功能，从而支持更高的传输速率。ATM采用固定长度单位，也更适于高速并行处理。,ATM介于电路交换模式和分组交换模式之间，对信息流通来说，它能提供与电路交换模式类似的功能和透明性。对单元来说， ATM采用统计（异步）多路复用， 能动态地分配带宽，具有分组交换模式的特点。ATM通过采用不同的信元发送频率来实现各种信息的多路复用，因而能将声音、图像和数据等同时在ATM信道中传输。,
