第2章 网络设计的基础知识.doc

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1、第 2 章 网络设计的基础知识 在设计网络时，理解计算机网络分为几种不同的类型是十分重要的。在本章中，你将学习计算机网络中使用的网络计算模型（包括集中式计算、分布式计算和协同计算）、不同类型的网络（如局域网、城域网、广域网、虚拟局域网等）、不同类型的网络拓扑结构，在学习了本章之后，你将理解网络设计时所涉及的基本概念和基本方法。2.1 网络计算模型随着网络及其应用技术的发展，网络分布计算模式经历了以下三个发展阶段：、以大型计算机为主的集中计算模式。、以服务器为中心的客户机服务器计算模式，分布计算模式。、以多台计算机共同完成某项工作的为协同式计算。信息技术的高速发展推动了计算模式不断更新。从单机时

2、代的主机终端模式、文件服务器时代的共享数据模式、客户机服务器时代的 CS 计算模式，到电子商务时代的 BS 网络计算模式，计算模式已经发生了巨大变化。2.1.1 集中式计算在 20 世纪 80 年代以前，功能强大的大型机应用普遍，许多用户同时共享 CPU 资源和数据存储功能。访问这些大型机往往会受到严格控制，与其进行数据交换时也需要通过穿孔卡和简单的终端。这时的就是以大型机为中心的计算模式，也称为时分共享模式。这一模式的特点是：系统提供专用的用户界面；所有用户的击键和光标位置都被传入主机；通过直接的硬件连线把简单的终端连接到主机或一个终端控制器上；所有从主机处返回的结果光标位置和字符串等都显示

3、在屏幕的特定位置；系统采用严格的控制和广泛的系统管理、性能管理机制。这一采用主机的能力来进行应用，同时采用无智能的终端来对应用进行控制。如图 2.1.1 所示为以大型主机为中心的网络结构。2.1.2 分布式计算客户（client）和服务器（server）模式到了 20 世纪 90 年代，计算技术最引人注目的进展之一就是应用计算环境从集中走向分布，其中，ClientServer 计算机系统的建立及其应用系统的开发过程中，应该第 2 章网络设计的基础知识 - 9 -说系统集成是决定此类系统开发和应用能否成功的关键因素之一。这种安排一个应用被动地等待另一个应用来启动通信的模式在分布式计算中极其普遍，

4、以至于为它专门起了个名字：客户服务器交互模式（client-server paradigm of interaction）。客户（client）和服务器（server）的术语是指一个通信中所涉及的两个应用。主动启动通信的应用称为客户，被动等待通信的应用称为服务器。概括如下：网络应用使用称为客户服务器模式的通信方式。服务器应用被动地等待通信，面客户应用主动地启动通信。虽然存在一些小的区别，大多数客户服务器交互的实例仍具有相同的通用特性。客户服务器交互模式示意图 2.1.2。但是，我们对服务器这个术语有时会产生一些误解。通常地，服务器是指一个被动地等待通信的程序，而不是运行它的计算机。然而，当一台

5、计算机被用来运行一个或几个服务器程序时，这台计算机本身就是服务器。硬件供应商更是加深了这种误解，因为他们将那类具有快速 CPU、大容量存储器和强大操作系统的计算机称称为服务器。我们仍然坚持科学、精确的术语，并用服务器（Server）这个术语来表示那些运行的程序而不是计算机本身。那些运行服务器的强大的计算机称为服务器类计算机（Server-class computer）。发展到了今天，基于 Client/Server 计算模式构建的商用计算体系结构表现出愈来愈大的局限性。如图 2.1.2 所示为客户机服务器模式的网络结构示意图。它的网络优- 10 - 实用联网技术势仅仅局限企业内部，难以突破企业

6、之间的组织边界，企业与企业之间的信息交流受到很大制约，由于人员素质等各方面的原因也容易造成这种内部网的“失效”现象，而且维护维修也相当麻烦。因此，一旦用户的电脑知识不足，网络管理人员将会将大量时间消耗在维修客户端硬件设备和客户端软件，也不得的安装上。同时它还存在企业软件购置开销过大等 诸多不足之处，由于这各 ClientServer 计算模式下的网络设备需要不断升级，使得企业的网络投资年复一年的不断增大。这种计算模式的网络安坐性较差，正因为这种模式下的 PC 有着强大的本地处理能力和高度的灵活性，因此客户端操作人员在些无意识（或恶意）的操作下， 都有可能将病毒从内部带入企业，为企业带来巨大的损

7、失。另一方面，企业的部分资料和数据也可能人恶意盗用，给企业造成巨大的损失。上述这些均导致了 ClienetServer 计算模式的可管理性差、工作效率低的缺陷。本来，企业办公自动化、网络化的初衷就是为了提高企业的工作效率和竞争力，但是很显然 ClientServer 计算模式已不能适应今天更高速度、更大地域范围的数据运算和处理。2.1.3 协同式计算协同式计算可以看作为一种协作式的分布计算。在这种模式中，计算机之间不仅仅像在分布式计算中那样互相传递数据，实现信息共享，而且要进行更深层次的共享，也就是说用两台或更多的计算机来共同完成一个处理任务。协同式计算是实现真正网络协同的重要一步。网络协同是

8、指网络的处理能力要比网络中所有处理器处理能力的直接相加的和更大。第 2 章网络设计的基础知识 - 11 -协同式计算的两个最重要的特征是对称处理和并行处理。对称处理是由多个处理器协同地进行某一过程，各处理器之间的负载是平衡的，当然由于对称处理实现的困难性，目前还没有哪一种网络完全实现对称处理。并行处理，即多任务处理，是指几个不同的任务在联网的处理器之中同时地，即并行地，进行处理。2.2 网络类型随着计算机网络技术的发展，按计算机网络所处地域的大小的不同，我们可以把计算机网络分为局域网（LAN）、校园网（CAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和虚拟局域网（VLAN），下面将逐一进行介绍。2

9、.2.1 局域网 LAN（Local Area Network）局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起的网络，其分布范围局限在一个办公室、一幢大楼或一个校园内，用于连接个人计算机、工作站和各类外围设备以实现资源共享和信息交换。它的特点是分布距离近（通常在 1000m 到 2000m 范围内），传输速度高（一般为 10Mbps 到 1000Mbps），连接费用低，数据传输可靠，误码率低等。2.2.2 校园网 CAN（Campus Network）校园网是一个通俗意义上的概念，目前还没有统一的解释。按字面理解校园网就是校园内部的计算机网络，但是这种说法比较狭溢，不能充分提示校园网的作用、意义和

10、内涵。国际互连网被称为全球的信息高速公路，有人按照这种说法，称校园网是学校内部的信息高速公路，这种说法很简单形象。我们认为校园网是利用现代网络技术、多媒体技术及 Internet 技术等为基础建立起来的计算机网络，一方面连接学校内部子网和分散于校园各处的计算机，另一方面作为勾通学校校园内部网络的桥梁。校园网为学校的教学、管理、办公、消息交流和通讯等服务的。要实现这一点，必须有大量先进实用的应用软件为支撑，软硬件的充分结合是校园网发挥作用的前提。一般认为校园网由硬件和软件两部分组成。形象地讲硬件是路，软件是车。没有硬件做基础和支撑，车就失去了运行的环境；而缺乏车或没有车，硬件就是一堆摆设，根本不

11、能发挥作用。软硬件是一种互为依赖互相促进的关系。2.2.3 城域网 MAN（metropolitan area network）城域网，基本上是一种大型的 LAN，通常使用于 LAN 相似的技术。它可以覆盖一组- 12 - 实用联网技术邻近的公司办公室和一个城市，既可能是私有的也可能是公用的。MAM 可以支持数据和声音，并且可能涉及到当地的有线电视网。MAN 仅使用一条或两条电缆，并且不包含交换单元，即把分组分流到几条可能的引出电缆的设备。这样做可以简化设计。把 MAN 列为单独的一类主要原因是已经有了一个标准并正在实施。这就是分布式队列双总线 DQDB（distributed queue d

12、ual bus)。对于那些习惯于使用数字代号的任来说就是 802.6（即其定义的 IEEE 标准号）。DQDB 由两条单向总线（电缆）组成，所有的计算机都连接在上面。2.2.4 广域网 WAN（Wide Area Network）广域网也称远程网，它的联网设备分布范围广，一般从数公里到数百至数千公里。因此网络所涉及的范围可以是市、地区、省、国家，乃至世界范围。由于它的这一特点使得单独建造一个广域网是极其昂贵和不现实的，所以，常常借用传统的公共传输（电报、电话）网来实现。此外，由于传输距离远，又依靠传统的公共传输网，所以错误率较高。2.2.5 虚拟局域网(VLAN)虚拟局域网(VLAN)，是指网

13、络中的站点不拘泥于所处的物理位置，而可以根据需要灵活地加入不同的逻辑子网中的一种网络技术。基于交换式以太网的虚拟局域网在交换式以太网中，利用 VLAN 技术，可以将由交换机连接成的物理网络划分成多个逻辑子网。也就是说，一个虚拟局域网中的站点所发送的广播数据包将仅转发至属于同一 VLAN 的站点。在交换式以太网中，各站点可以分别属于不同的虚拟局域网。构成虚拟局域网的站点不拘泥于所处的物理位置，它们既可以挂接在同一个交换机中，也可以挂接在不同的交换机中。虚拟局域网技术使得网络的拓扑结构变得非常灵活，例如位于不同楼层的用户或者不同部门的用户可以根据需要加入不同的虚拟局域网。划分虚拟局域网主要出于三种

14、考虑：第一是基于网络性能的考虑。对于大型网络，现在常用的 Windows NetBEUI 是广播协议，当网络规模很大时，网上的广播信息会很多，会使网络性能恶化，甚至形成广播风暴，引起网络堵塞。那怎么办呢?可以通过划分很多虚拟局域网而减少整个网络范围内广播包的传输，因为广播信息是不会跨过 VLAN 的，可以把广播限制在各个虚拟网的范围内，用术语讲就是缩小了广播域，提高了网络的传输效率，从而提高网络性能。第二是基于安全性的考虑。因为各虚拟网之间不能直接进行通讯，而必须通过路由器转发，为高级的安全控制提供了可能，增强了网络的安全性。在大规模的网络，比如说大的集团公司，有财务部、采购部和客户部等，它们

15、之间的数据是保密的，相互之间只能提供接口数据，其它数据是保密的。我们可以通过划分虚拟局域网对不同部门进行隔离。第 2 章网络设计的基础知识 - 13 -第三是基于组织结构上考虑。同一部门的人员分散在不同的物理地点，比如集团公司的财务部在各子公司均有分部，但都属于财务部管理，虽然这些数据都是要保密的，但需统一结算时，就可以跨地域(也就是跨交换机)将其设在同一虚拟局域网之中，实现数据安全和共享。采用虚拟局域网有如下优势：抑制网络上的广播风暴；增加网络的安全性；集中化的管理控制。基于交换式的以太网要实现虚拟局域网主要有三种途径：基于端口的虚拟局域网、基于 MAC 地址(网卡的硬件地址)的虚拟局域网和

16、基于 IP 地址的虚拟局域网。(1)基于端口的虚拟局域网基于端口的虚拟局域网是最实用的虚拟局域网，它保持了最普通常用的虚拟局域网成员定义方法，配置也相当直观简单，就局域网中的站点具有相同的网络地址，不同的虚拟局域网之间进行通信需要通过路由器。采用这种方式的虚拟局域网其不足之处是灵活性不好。例如，当一个网络站点从一个端口移动到另外一个新的端口时，如果新端口与旧端口不属于同一个虚拟局域网，则用户必须对该站点重新进行网络地址配置，否则，该站点将无法进行网络通信。在基于端口的虚拟局域网中，每个交换端口可以属于一个或多个虚拟局域网组，比较适用于连接服务器。(2)基于 MAC 地址的虚拟局域网在基于 MA

17、C 地址的虚拟局域网中，交换机对站点的 MAC 地址和交换机端口进行跟踪，在新站点入网时根据需要将其划归至某一个虚拟局域网，而无论该站点在网络中怎样移动，由于其 MAC 地址保持不变，因此用户不需要进行网络地址的重新配置。这种虚拟局域网技术的不足之处是在站点入网时，需要对交换机进行比较复杂的手工配置，以确定该站点属于哪一个虚拟局域网。(3)基于 IP 地址的虚拟局域网在基于 IP 地址的虚拟局域网中，新站点在入网时无需进行太多配置，交换机则根据各站点网络地址自动将其划分成不同的虚拟局域网。在三种虚拟局域网的实现技术中，基于 IP 地址的虚拟局域网智能化程度最高，实现起来也最复杂。2.2.6 网

18、络的发展在 20 世纪 50 年代中期，美国的半自动地面防空系统（Semi-Automatic GroundEnvironment，SAGE）开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试，在 SAGE 系统中把远程距离的雷达和其他测控设备的信息经由线路汇集至一台 IBM 计算机上进行集中处理与控制。世界上公认的、最成功的第一个远程计算机网络是在 1969 年，由美国高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）组织研制成功的。该网络称为 ARPANET，它就是现在 Internet 的前身。随着计算机网络技术的蓬勃发展，计算机网络的发展大致可划分为 4

19、 个阶段。1. 第一阶段：诞生阶段- 14 - 实用联网技术20 世纪 60 年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。典型应用是由一台计算机和全美范围内 2 000 多个终端组成的飞机定票系统。终端是一台计算机的外部设备包括显示器和键盘，无 CPU 和内存。随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机（FEP）。当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”，但这样的通信系统已具备了网络的雏形。2. 第二阶段：形成阶段20 世纪 60 年代中期至 70 年代的第二代计算机网络（见图 3-2）是以多个主机通过通信线路互

20、联起来，为用户提供服务，兴起于 60 年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的 ARPANET。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机（IMP）转接后互联的。IMP 和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成了资源子网。这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。3. 第三阶段：互联互通阶段20 世纪 70 年代末至 90 年代的第三代计算机网络（见图 3-3）是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。AR

21、PANET 兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，这样应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构，即 TCP/IP 体系结构和国际标准化组织的 OSI 体系结构。4. 第四阶段：高速网络技术阶段20 世纪 90 年代末至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，多媒体网络，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以 Internet 为代表的互联网。2.3 网络拓扑网络有各种标准格式，每种都是互相兼

22、容的硬件、协议、传输介质和拓扑结构的完整系统。拓扑结构是网络的映像，它是有关电缆如何连接、节点和节点间如何相互作用的规划。网络的拓扑可以用物理或逻辑的观点来描述，物理拓扑和逻辑拓扑可以不相同。最常用的物理拓扑和逻辑拓扑有三种主要的形式：总线、环型、星型。网络拓扑结构是指抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，是指网络电缆构成的几何形状，它能从逻辑上表示出网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接。网络拓扑结构按形状可分为：星型、环型、总线型、树型及总线/星型及网状拓扑结构。2.3.1 星型拓扑结构第 2 章网络设计的基础知识 - 15 -星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的

23、，各结点与中央结点通过点与点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也重。图 2.3.1 为星型拓扑结构示意图。以星型拓扑结构组网，其中任何两个站点要进行通信都要经过中央结点控制。中央结点主要功能有：1、为需要通信的设备建立物理连接；2、为两台设备通信过程中维持这一通路；3、在完成通信或不成功时,拆除通道。在文件服务器/工作站(File Servers/Workstation )局域网模式中，中心点为文件服务器，存放共享资源。由于这种拓扑结构，中心点与多台工作站相连,为便于集中连线，目前多采用集线器(HUB)。星型拓扑结构优点：网络结构简单,便于管理、集中控制, 组

24、网容易，网络延迟时间短，误码率低。缺点：网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。- 16 - 实用联网技术2.3.2 环型拓扑结构环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据可以是单向也可是双向传输。由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。图 2.3.2 为环型拓扑结构示意

25、图。环形网的优点：信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制；某个结点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。缺点：由于信息是串行穿过多个结点环路接口，当结点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长；由于环路封闭故扩充不方便。2.3.3 总线拓扑结构 用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工站连接起来的布局方式，称为总线形拓扑。图 2.3.3 为总线拓扑结构的示意图。在总线结构中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上， 任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个结点所接收。由于其信息向四周传播，类似于广

26、播电台，故总线网络也被称为广播式网络。第 2 章网络设计的基础知识 - 17 -总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。总线布局的特点：结构简单灵活，非常便于扩充；可靠性高，网络响应速度快；设备量少、价格低、安装使用方便；共享资源能力强，非常便于广播式工作，即一个结点发送所有结点都可接收。 在总线两端连接的器件称为端结器（末端阻抗匹配器、或终止器）。主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。 总线形网络结构是目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。2

27、.3.4 树型拓扑结构树形结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，树形网是一种分层网，其结构可以对称，联系固定，具有一定容错能力，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作，任何一个结点送出的信息都可以传遍整个传输介质，也是广播式网络。一般树形网上的链路相对具有一定的专用性，无须对原网做任何改动就可以扩充工作站。如图 2.3.1 为树型拓扑结构示意图。2.3.5 总线/星型拓扑结构这是一种混合型的网络结构。方法是用一条或多条总线把多组设备连接起来，相连的每组设备呈星型分布。采用这种拓扑结构，用户很容易配置和重新配置网络设备。总线采用同轴电缆，星型配置可采用双绞线。- 18 - 实用联网技术本章小结通过本章的学习，你应掌握以下内容：1、网络计算模型分为：集中式计算、分布式计算和协同计算三种。、网络类型通常分为：局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、虚拟局域网（VLAN）、校园网(CAN)。3、网络最常用的物理拓扑和逻辑拓扑有三种主要的形式：总线、环型、星型。练习题、计算机网络的发展分几个阶段？、计算机网络类型分几种？各有哪些优缺点？、计算机网络拓扑分几种？各有哪些优缺点？、简述 VLAN 的作用以及实现 VLAN 的基本途径。