第2篇
系统的集成和设计
第3章
计算机网络及体系结构
3.1 网络基础知识
3.1.1 计算机网络的发展历史
计算机网络（computer network）是计算机和通信的交叉领域：计算机用来处理数据，通信链路用来传输数据。组成一个计算机网络，一般需要用一定的外围设备和线路把多个计算机连接在一起，也就是说，只要是将独立的多台计算机连接在一起并能够进行通信、共享资源的系统就是计算机网络。
随着计算机从电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路几个阶段的发展，计算机网络也经历了以下四个发展过程。
1．第一代计算机网络
1954年，一种既能发送信息又能接收信息的收发器（transceiver）研制成功，可以将穿孔卡片上的数据通过电话线发送到远程计算机。线路控制器（line controller）、调制解调器（modem）、多重线路控制器（multiline controller）、前端处理机（front end processor, FEP）、集中器（concentrator）等设备的相继问世标志着第一代计算机网络的出现（见图3-1）。
图3-1 第一代计算机网络
2．第二代计算机网络
第二代计算机网络产生于1969年。其标志是分组交换概念的提出和使用。分组交换也称为包交换，是现代计算机网络的技术基础。
如图3-2所示，在使用分组交换的网络中发送数据时，首先将数据分成等长的分组（或称为数据包），再将数据包依次发送出去。当数据包通过通信子网时可以选择不同的链路进行传输，直到到达目的主机为止。这个过程中，通信链路不被目前的通信双方所占用，仍然可以被其他主机用来传输数据包，这大大提高了数据传输的效率。现代计算机网络仍然使用分组交换的方式。
图3-2 使用通信子网的第二代计算机网络
3．第三代计算机网络
早期计算机网络只是部分高校或科研机构为满足自己的工作建立的，没有在大范围内进行连接，因此缺乏统一的标准。第三代计算机网络致力于制定统一的互连标准，以实现不同厂家生产的计算机之间的互连。
图3-3 OSI七层模型
1977年，国际标准化组织提出了著名的开放系统互联基本参考模型OSI/RM（open system interconnect/reference model），简称为OSI模型。OSI模型包含七层，从下到上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图3-3所示。OSl参考模型可以解决不同厂家生产的计算机和运行不同操作系统的计算机之间的互连问题，是计算机网络技术发展的一个里程碑。目前使用的几乎所有互联网模型都是在一定程度上参考OSI模型而实现的。关于OSI模型的详细内容将在下一节介绍。
4．第四代计算机网络
第四代计算机网络是在20世纪90年代随着数字通信的出现而产生的综合化和高速化网络。综合化是指将多种业务综合到一个网络中完成。例如现在可以将语音、数据、图像等多种信息以二进制代码的数字形式综合到一个网络之中进行传送。这种网络称为综合业务数字网ISDN，后来又出现了可在同一条线路中传输多种媒体的ADSL（异步数据传输模型）和cable modem（线缆调制解调器）等技术。另一方面，网络在速度方面的发展也非常迅速，如今100 Mbit/s的连接设备已经非常普及，千兆网络设备也在一些大中型网络中广泛使用，万兆位以太网标准也正在制定中，即将投入使用。
3.1.2 计算机网络的分类
从网络交换的角度可以把计算机网络分为电路交换、报文交换、分组交换和混合交换4种。但更多的文献中将网络根据地域范围来划分，可以分为以下两大类。
1．局域网（LAN）
局域网（local area network, LAN）的范围一般是一个相对较小的区域（几百米到几千米以内）。不同局域网的大小可能不同，比如可以是在同一房间中的两台计算机组成的网络（见图3-4），也可以是相邻的几幢大楼内的成百上千台计算机所组成的网络。
图3-4 由两台计算机连接的网络
局域网又可以按工作方式分为令牌环网和以太网两种：
（1）令牌环网：令牌环网（token）主要用于广域网和大型的局域网的主干部分，其操作系统大多使用UNIX，普通用户一般很少会接触到。
（2）以太网：以太网（Ethernet）是目前使用的最广泛的网络技术。以太网组建较为容易，各设备之间的兼容性较好，目前主流的服务器操作系统如Windows 2000 Server、Windows XP Server、NetWare、Linux和UNIX以及单机操作系统Windows 95/98/2000/Me/XP都支持这种网络，所以现在有80%以上的局域网为以太网，而且其比例还在不断上升。对于普通用户来说，学会以太网的组建、维护和管理相对较为容易。如无特殊说明，本书中提到的局域网都是指以太网。
2．广域网（WAN）
在较大范围之内共享信息需要使用广域网（wide area network, WAN）。广域网一般指范围为几十到几千公里的网络。广域网是将多个局域网连接后产生的更大的网络，各局域网可以通过电话线连接，也可以通过电缆、光缆、天线或卫星等连接。图3-5是一个简单的广域网示意图。
图3-5 简单的广域网结构
广域网一般存在两种类型，一种是扩展到城市中主要地区的网络，称为城域网（metropolitan area network, MAN）和全球范围的Internet；另一种是多个局域网互连形成的网络，如某个大公司的各公司组成的企业网，或由多个分校组成的校园网等。广域网的带宽一般有限，传输速率比局域网慢得多，因此不能像局域网那样高速地共享资源。
3.1.3 计算机网络的结构
网络拓扑结构一般分为：总线型结构、星型结构、环型结构、网状结构等。
1．总线型网络结构（bus topology）
总线型拓扑如图3-6所示，多台计算机共用一条通信线路（总线），其中一个节点发送的信息会通过总线传送到每一个节点上，属于广播式的通信。每台计算机收到信息后如果发现目的地址与本机地址一致则接收此信息，否则拒绝接收。
图3-6 总线型网络结构
总线型网络的特点包括：一般使用同轴电缆，不需要中间连接设备，成本较低；每一网段的两端都要安装终端电阻器；适用于连接计算机较少（少于20台）的网络；稳定性较差，任一节点故障将导致整个网络瘫痪；单纯的总线型结构主要用于10 Mbit/s的共享网络。
在总线结构的网络上数据被发送给网络上的所有计算机，但只有地址与信息的目的地址相匹配的计算机才能接收。另外，任何时刻只有一台计算机可以发送信息，其他计算机必须等待，直到网络空闲。
2．星型网络结构（star topology）
星型拓扑如图3-7所示，星型网络中所有的计算机直接连接到中心节点上，中心节点为集线器（hub）或交换机。传输数据时都要通过中心节点。
星型结构的特点包括：hub或交换机可以进行级连；单个计算机接入或退出网络不会影响整个系统的正常工作；一般使用双绞线或光纤连接；可以满足多种带宽需求，从10 Mbit/s、100 Mbit/s到1000 Mbit/s；如果hub或交换机故障，与之相连的所有计算机全部无法进行通信。
3．环型网络结构（ring topology）
环型拓扑中所有计算机连成环状，如图3-8所示。信号沿环的一个方向传播，依次通过每台计算机。
图3-7 星型网络结构
环型网络中每台计算机把信号放大并传给下一台计算机，任何一台计算机出现网络连接故障都会影响整个网络。沿环传递数据的一种方法是令牌传递（token passing）。令牌到达某个计算机后，该计算机修改令牌，加入数据，并将令牌沿环发送出去。
图3-8 环型网络结构
4．网状网络结构（mesh topology）
网状拓扑结构中各计算机相互连接，任何一个节点至少与其他两个节点相连，如图3-9所示。网状结构可靠性较高，但费用高、结构复杂、不易管理和维护，因此在局域网中很少采用。广域网中也经常采用部分网状连接的形式节省成本。
图3-9 网状网络结构
除了以上的几种基本拓扑结构外，目前大部分网络都是由两种或两种以上基本拓扑混合而成的。下面介绍其中两种常用的变种：
1．星型总线网络结构（star-bus）
星型总线型拓扑结构如图3-10所示。可以覆盖较大范围，也具有星型网络的优点。任何一台计算机故障都不影响整个网络，但hub出现问题会影响整个网络。星型总线是以太网、快速以太网和千兆以太网的基础，但成本较高，可作为整个网络的主干。
图3-10 星型总线网络结构
2．星型环网络结构（star-ring）
星型环网络如图3-11所示。星型环网络中计算机连接到集线器或交换机上，但是集线器或交换机的内部是环状而不是总线状。
图3-11 星型环（集线器或交换机内部为环状）网络结构
3.1.4 以太网技术
目前局域网技术中的事实标准是以太网技术。以太网技术发展迅速，不到25年的时间里从10 Mbps发展到今天的100 Mbps。其技术基础包括CSMA/CD、广播、IEEE802.3帧、MAC地址等。
标准以太网采用总线型拓扑结构，所有的数据在总线的两个方向上进行广播传输，接受到数据的计算机根据介质访问控制（MAC）地址是否匹配来决定是否接受数据。其中MAC地址是网卡出厂时按照IEEE802.3标准分配给每个网卡的唯一地址。
以太网信息传输的基本数据单位是IEEE802.3帧，对总线的访问采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议。关于IEEE802.3帧的具体结构和CSMA/CD协议的具体过程以及以太网的结构化布线等内容超出了本书的范围，不再详述。
随着网络规模的不断扩大，出现了以网络交换技术解决带宽需求的交换式以太网，交换式以太网不是把每个帧广播到所有的节点上，而是为终端用户提供独占的点对点连接。交换机可以使多个源端口/目的端口对同时进行通信，从而成为一个并行通信系统，大大提高了网络可利用带宽。
随着计算机处理能力的提高，网络应用程序对于带宽的需求也急剧上升，因此又出现了快速以太网技术，由于快速以太网技术保留了CSMA/CD协议，所以传统以太网和快速以太网站点之间可以不需要协议转换，而且传统设备和快速以太网设备可以在一个网络中同时工作。快速以太网的标准在1995年5月正式通过，即IEEE802.3u。
快速以太网在20世纪90年代普及之后，为了进一步提高骨干网的通信带宽，IEEE又于1998年发布了千兆位以太网标准IEEE802.3z，目前的高速局域骨干网、宽带城域骨干网、服务器和图形工作站接入层网络平台等已经大量使用千兆以太网。而万兆以太网也在研发之中。
人们对于无线以太网的研究也非常的早，但在早期无线以太网是作为有线以太网的补充而存在的，因此也采用IEEE802.3标准，但这种方案具有很多劣势，因此1997年6月IEEE通过了专门用于无线传输的802.11标准。目前802.11标准已经发展成为一个系列，并快速普及，由于得到了业界众多大公司的支持，所以前景广阔。
3.1.5 网络设备
下面简单列举常见的网络通信设备，包括网络接入设备、交换机、远程互联设备等。
接入设备用于计算机的网络接入，主要有网络接口卡（NIC，简称网卡）、集线器（hub）、10/100 M固定端口交换机、调制解调器（modem）和远程访问服务器（RAS）等。
网卡可以用于将个人计算机或服务器直接连接到局域网中；集线器主要对接受到的信号放大，以扩大网络传输距离，所有达到hub的数据都被广播到与其相连的各个端口上；RAS是为了延伸网络半径而部署的网络接入设备；modem则是数字信号与模拟信号相互转换的设备。
网络交换机主要完成物理层和数据链路层的功能，可以将网络分为小的冲突域，以便提高每个工作站的带宽。交换机分为广域网交换机和局域网交换机两种，广域网交换机主要用于电信领域，提供通信的基本平台；而局域网交换机主要部署在局域网中，用来连接局域网中的服务器、PC、打印机等网络资源。从技术上还可以将交换机分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、ATM交换机、令牌环交换机等。
路由器也是一类重要的网络设备，工作在网络层，可以在不同类型、不同位置、不同网段的网络节点之间提供数据通信服务，从而使得网络通信跨出了局域网的范围。
除了上述网络设备之外，还有很多其他种类的网络设备，比如第三层交换机、无线局域网设备等，这里不再详述。