第2篇
系統的集成和設計

第3章
計算機網絡及體系結構

3.1 網絡基礎知識

3.1.1 計算機網絡的發展歷史

計算機網絡（computer network）是計算機和通信的交叉領域：計算機用來處理數據，通信鏈路用來傳輸數據。組成一個計算機網絡，一般需要用一定的外圍設備和線路把多個計算機連接在一起，也就是說，只要是將獨立的多臺計算機連接在一起并能夠進行通信、共享資源的系統就是計算機網絡。

隨著計算機從電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路到超大規模集成電路幾個階段的發展，計算機網絡也經歷了以下四個發展過程。

1．第一代計算機網絡

1954年，一種既能發送信息又能接收信息的收發器（transceiver）研制成功，可以將穿孔卡片上的數據通過電話線發送到遠程計算機。線路控制器（line controller）、調制解調器（modem）、多重線路控制器（multiline controller）、前端處理機（front end processor, FEP）、集中器（concentrator）等設備的相繼問世標志著第一代計算機網絡的出現（見圖3-1）。

2．第二代計算機網絡

第二代計算機網絡產生于1969年。其標志是分組交換概念的提出和使用。分組交換也稱為包交換，是現代計算機網絡的技術基礎。

如圖3-2所示，在使用分組交換的網絡中發送數據時，首先將數據分成等長的分組（或稱為數據包），再將數據包依次發送出去。當數據包通過通信子網時可以選擇不同的鏈路進行傳輸，直到到達目的主機為止。這個過程中，通信鏈路不被目前的通信雙方所占用，仍然可以被其他主機用來傳輸數據包，這大大提高了數據傳輸的效率。現代計算機網絡仍然使用分組交換的方式。

3．第三代計算機網絡

早期計算機網絡只是部分高校或科研機構為滿足自己的工作建立的，沒有在大范圍內進行連接，因此缺乏統一的標準。第三代計算機網絡致力于制定統一的互連標準，以實現不同廠家生產的計算機之間的互連。

1977年，國際標準化組織提出了著名的開放系統互聯基本參考模型OSI/RM（open system interconnect/reference model），簡稱為OSI模型。OSI模型包含七層，從下到上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，如圖3-3所示。OSl參考模型可以解決不同廠家生產的計算機和運行不同操作系統的計算機之間的互連問題，是計算機網絡技術發展的一個里程碑。目前使用的幾乎所有互聯網模型都是在一定程度上參考OSI模型而實現的。關于OSI模型的詳細內容將在下一節介紹。

4．第四代計算機網絡

第四代計算機網絡是在20世紀90年代隨著數字通信的出現而產生的綜合化和高速化網絡。綜合化是指將多種業務綜合到一個網絡中完成。例如現在可以將語音、數據、圖像等多種信息以二進制代碼的數字形式綜合到一個網絡之中進行傳送。這種網絡稱為綜合業務數字網ISDN，后來又出現了可在同一條線路中傳輸多種媒體的ADSL（異步數據傳輸模型）和cable modem（線纜調制解調器）等技術。另一方面，網絡在速度方面的發展也非常迅速，如今100 Mbit/s的連接設備已經非常普及，千兆網絡設備也在一些大中型網絡中廣泛使用，萬兆位以太網標準也正在制定中，即將投入使用。

3.1.2 計算機網絡的分類

從網絡交換的角度可以把計算機網絡分為電路交換、報文交換、分組交換和混合交換4種。但更多的文獻中將網絡根據地域范圍來劃分，可以分為以下兩大類。

1．局域網（LAN）

局域網（local area network, LAN）的范圍一般是一個相對較小的區域（幾百米到幾千米以內）。不同局域網的大小可能不同，比如可以是在同一房間中的兩臺計算機組成的網絡（見圖3-4），也可以是相鄰的幾幢大樓內的成百上千臺計算機所組成的網絡。

局域網又可以按工作方式分為令牌環網和以太網兩種：

（1）令牌環網：令牌環網（token）主要用于廣域網和大型的局域網的主干部分，其操作系統大多使用UNIX，普通用戶一般很少會接觸到。

（2）以太網：以太網（Ethernet）是目前使用的最廣泛的網絡技術。以太網組建較為容易，各設備之間的兼容性較好，目前主流的服務器操作系統如Windows 2000 Server、Windows XP Server、NetWare、Linux和UNIX以及單機操作系統Windows 95/98/2000/Me/XP都支持這種網絡，所以現在有80%以上的局域網為以太網，而且其比例還在不斷上升。對于普通用戶來說，學會以太網的組建、維護和管理相對較為容易。如無特殊說明，本書中提到的局域網都是指以太網。

2．廣域網（WAN）

在較大范圍之內共享信息需要使用廣域網（wide area network, WAN）。廣域網一般指范圍為幾十到幾千公里的網絡。廣域網是將多個局域網連接后產生的更大的網絡，各局域網可以通過電話線連接，也可以通過電纜、光纜、天線或衛星等連接。圖3-5是一個簡單的廣域網示意圖。

廣域網一般存在兩種類型，一種是擴展到城市中主要地區的網絡，稱為城域網（metropolitan area network, MAN）和全球范圍的Internet；另一種是多個局域網互連形成的網絡，如某個大公司的各公司組成的企業網，或由多個分校組成的校園網等。廣域網的帶寬一般有限，傳輸速率比局域網慢得多，因此不能像局域網那樣高速地共享資源。

3.1.3 計算機網絡的結構

網絡拓撲結構一般分為：總線型結構、星型結構、環型結構、網狀結構等。

1．總線型網絡結構（bus topology）

總線型拓撲如圖3-6所示，多臺計算機共用一條通信線路（總線），其中一個節點發送的信息會通過總線傳送到每一個節點上，屬于廣播式的通信。每臺計算機收到信息后如果發現目的地址與本機地址一致則接收此信息，否則拒絕接收。

總線型網絡的特點包括：一般使用同軸電纜，不需要中間連接設備，成本較低；每一網段的兩端都要安裝終端電阻器；適用于連接計算機較少（少于20臺）的網絡；穩定性較差，任一節點故障將導致整個網絡癱瘓；單純的總線型結構主要用于10 Mbit/s的共享網絡。

在總線結構的網絡上數據被發送給網絡上的所有計算機，但只有地址與信息的目的地址相匹配的計算機才能接收。另外，任何時刻只有一臺計算機可以發送信息，其他計算機必須等待，直到網絡空閑。

2．星型網絡結構（star topology）

星型拓撲如圖3-7所示，星型網絡中所有的計算機直接連接到中心節點上，中心節點為集線器（hub）或交換機。傳輸數據時都要通過中心節點。

星型結構的特點包括：hub或交換機可以進行級連；單個計算機接入或退出網絡不會影響整個系統的正常工作；一般使用雙絞線或光纖連接；可以滿足多種帶寬需求，從10 Mbit/s、100 Mbit/s到1000 Mbit/s；如果hub或交換機故障，與之相連的所有計算機全部無法進行通信。

3．環型網絡結構（ring topology）

環型拓撲中所有計算機連成環狀，如圖3-8所示。信號沿環的一個方向傳播，依次通過每臺計算機。

環型網絡中每臺計算機把信號放大并傳給下一臺計算機，任何一臺計算機出現網絡連接故障都會影響整個網絡。沿環傳遞數據的一種方法是令牌傳遞（token passing）。令牌到達某個計算機后，該計算機修改令牌，加入數據，并將令牌沿環發送出去。

4．網狀網絡結構（mesh topology）

網狀拓撲結構中各計算機相互連接，任何一個節點至少與其他兩個節點相連，如圖3-9所示。網狀結構可靠性較高，但費用高、結構復雜、不易管理和維護，因此在局域網中很少采用。廣域網中也經常采用部分網狀連接的形式節省成本。

除了以上的幾種基本拓撲結構外，目前大部分網絡都是由兩種或兩種以上基本拓撲混合而成的。下面介紹其中兩種常用的變種：

1．星型總線網絡結構（star-bus）

星型總線型拓撲結構如圖3-10所示。可以覆蓋較大范圍，也具有星型網絡的優點。任何一臺計算機故障都不影響整個網絡，但hub出現問題會影響整個網絡。星型總線是以太網、快速以太網和千兆以太網的基礎，但成本較高，可作為整個網絡的主干。

2．星型環網絡結構（star-ring）

星型環網絡如圖3-11所示。星型環網絡中計算機連接到集線器或交換機上，但是集線器或交換機的內部是環狀而不是總線狀。

3.1.4 以太網技術

目前局域網技術中的事實標準是以太網技術。以太網技術發展迅速，不到25年的時間里從10 Mbps發展到今天的100 Mbps。其技術基礎包括CSMA/CD、廣播、IEEE802.3幀、MAC地址等。

標準以太網采用總線型拓撲結構，所有的數據在總線的兩個方向上進行廣播傳輸，接受到數據的計算機根據介質訪問控制（MAC）地址是否匹配來決定是否接受數據。其中MAC地址是網卡出廠時按照IEEE802.3標準分配給每個網卡的唯一地址。

以太網信息傳輸的基本數據單位是IEEE802.3幀，對總線的訪問采用CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）協議。關于IEEE802.3幀的具體結構和CSMA/CD協議的具體過程以及以太網的結構化布線等內容超出了本書的范圍，不再詳述。

隨著網絡規模的不斷擴大，出現了以網絡交換技術解決帶寬需求的交換式以太網，交換式以太網不是把每個幀廣播到所有的節點上，而是為終端用戶提供獨占的點對點連接。交換機可以使多個源端口/目的端口對同時進行通信，從而成為一個并行通信系統，大大提高了網絡可利用帶寬。

隨著計算機處理能力的提高，網絡應用程序對于帶寬的需求也急劇上升，因此又出現了快速以太網技術，由于快速以太網技術保留了CSMA/CD協議，所以傳統以太網和快速以太網站點之間可以不需要協議轉換，而且傳統設備和快速以太網設備可以在一個網絡中同時工作。快速以太網的標準在1995年5月正式通過，即IEEE802.3u。

快速以太網在20世紀90年代普及之后，為了進一步提高骨干網的通信帶寬，IEEE又于1998年發布了千兆位以太網標準IEEE802.3z，目前的高速局域骨干網、寬帶城域骨干網、服務器和圖形工作站接入層網絡平臺等已經大量使用千兆以太網。而萬兆以太網也在研發之中。

人們對于無線以太網的研究也非常的早，但在早期無線以太網是作為有線以太網的補充而存在的，因此也采用IEEE802.3標準，但這種方案具有很多劣勢，因此1997年6月IEEE通過了專門用于無線傳輸的802.11標準。目前802.11標準已經發展成為一個系列，并快速普及，由于得到了業界眾多大公司的支持，所以前景廣闊。

3.1.5 網絡設備

下面簡單列舉常見的網絡通信設備，包括網絡接入設備、交換機、遠程互聯設備等。

接入設備用于計算機的網絡接入，主要有網絡接口卡（NIC，簡稱網卡）、集線器（hub）、10/100 M固定端口交換機、調制解調器（modem）和遠程訪問服務器（RAS）等。

網卡可以用于將個人計算機或服務器直接連接到局域網中；集線器主要對接受到的信號放大，以擴大網絡傳輸距離，所有達到hub的數據都被廣播到與其相連的各個端口上；RAS是為了延伸網絡半徑而部署的網絡接入設備；modem則是數字信號與模擬信號相互轉換的設備。

網絡交換機主要完成物理層和數據鏈路層的功能，可以將網絡分為小的沖突域，以便提高每個工作站的帶寬。交換機分為廣域網交換機和局域網交換機兩種，廣域網交換機主要用于電信領域，提供通信的基本平臺；而局域網交換機主要部署在局域網中，用來連接局域網中的服務器、PC、打印機等網絡資源。從技術上還可以將交換機分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、ATM交換機、令牌環交換機等。

路由器也是一類重要的網絡設備，工作在網絡層，可以在不同類型、不同位置、不同網段的網絡節點之間提供數據通信服務，從而使得網絡通信跨出了局域網的范圍。

除了上述網絡設備之外，還有很多其他種類的網絡設備，比如第三層交換機、無線局域網設備等，這里不再詳述。