計算機網絡:類型和體系結構

計算機網絡類型

一、按網絡覆蓋範圍分類

計算機網絡按網絡覆蓋範圍分類分爲:局域網、城域網、廣域網、接入網。

1.局域網

局域網(LAN,Local Area Network)是指覆蓋某單位或若干辦公樓等局部區域內的多臺計算機互聯組成的計算機網絡。局域網分佈範圍小,容易管理與配置,拓撲結構組成簡潔,速度快,延遲小,故它是應用廣泛的計算機網絡類型。

以太網IEEE 802.3(IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers)標準是最常用的局域網組網方式。

2.城域網

城域網(MAN,Metropolitan Area Network)指大型的計算機網絡,是介於LAN和WAN之間能傳輸語音與數據的公用網絡,這些網絡通常涵蓋一個大學校園或一座城市,覆蓋的地理範圍從幾十千米至數百千米。城域網基本上是局域網的延伸,像是一個大型的局域網,通常使用與局域網相似的技術,傳輸距離較遠,佈線結構更爲複雜。

3.廣域網

廣域網(WAN,Wide Area Network)是連接不同地區的局域網或城域網來進行計算機通信的遠程網。廣域網通常可以跨接很大的物理範圍,所覆蓋的範圍從幾十千米到幾千千米,它能連接多個地區、城市和國家,或橫跨幾個洲,能夠提供遠距離通信,形成國際性的遠程網絡。由於其速度慢,延遲大,廣域網中通常具有複雜的互聯設備,如交換機、路由器等,由它們負責重要的數據交換業務,入網站點只負責收發數據。

4.接入網

接入網是指骨幹網絡到用戶終端之間的所有設備。其長度一般爲幾百米到幾千米,因而被形象地稱爲“最後一千米”。由於骨幹網一般採用光纖結構,傳輸速度快,所以接入網作爲骨幹網與用戶終端之間的接口便成爲整個網絡系統的瓶頸。接入網的接入方式包括銅線(普通電話線)接入、光纖接入、光纖同軸電纜(有線電視電纜)混合接入和無線接入等幾種方式。

二、按網絡拓撲結構分類

計算機網絡的拓撲結構是指計算機網絡的通信鏈路和節點的幾何排列或物理佈局圖形。鏈路是網絡中相鄰兩個節點之間的物理通路。節點指計算機和網絡設備,也可指一個網絡。

按網絡拓撲結構分類分爲:總線型網絡、星型網絡、樹型網絡、環型網絡和網狀拓撲。

1.總線型網絡

總線型網絡是由一條高速共享總線連接若干個節點所形成的網絡。由於多個節點共用一條傳輸信道,故信道利用率高,但容易產生訪問“衝突”。總線型網絡的傳輸速率高,可達1~100Mbps,但可靠性相對較差,常因一個節點出現故障(如接頭接觸不良等)而導致整個網絡癱瘓。

總線型網絡的特點包括:結構簡單靈活,便於擴充,容易部署。

2.星型網絡

星型網絡是以中央節點爲中心與各節點連接組成的,多節點與中央節點通過點到點的方式連接。中央節點執行集中式控制策略,中央節點較爲複雜,負載也比其他各節點大。

星型網絡的特點包括:

1)網絡結構簡單,便於管理。

2)控制簡單,組網容易。

3)網絡延遲較小,誤碼率較低。

4)網絡共享能力較差。

5)通信線路利用率不高。

6)中央節點負荷太重。

3.樹型網絡

樹型網絡是將多級星型網絡按層次方式排列即形成樹型網絡,在實際組建一個大型網絡時,往往是採用多級星型網絡。我國電話網絡即採用樹型結構,其由五級星型網絡構成。著名的因特網(Internet)從整體上看採用的也是樹型結構。

樹型網絡的主要特點包括:

1)結構比較簡單,成本低。在網絡中,任意兩個節點之間不產生迴路,每個鏈路都支持雙向傳輸。

2)網絡中節點擴充方便靈活,尋找鏈路路徑比較方便。但在這種網絡系統中,除葉子節點及其相連的鏈路外,任何一個節點或鏈路產生的故障都會影響整個網絡。

4.環型網絡

環型網絡中的各個節點均通過環路接口連在一條首尾相連的閉合環型通信線路中,環上的任何節點均可請求發送信息。環型網絡也是局域網常用的拓撲結構之一,如某些校園網的主幹網就是採用的環網拓撲結構。

環型網絡的主要特點包括:

1)信息或數據在網絡中沿固定方向流動,兩個節點間僅有唯一的通路,大大簡化了路徑選擇的控制。

2)當某個節點發生故障時,可以自動旁路,可靠性較高。

3)由於信息是串行穿過多個節點環路接口,故當節點過多時,網絡的響應時間將變長。

4)當網絡組成確定時,其延時固定,實時性強。

5.網狀型網絡

網狀型網絡中的各節點之間的連接呈網狀交錯,較爲複雜,節點之間存在多條路徑可達。它是廣域網中最常用的一種組網拓撲形式,是典型的點到點結構。

網狀型網絡的主要特點包括:

1)具有較高的可靠性。一般通信子網在任意兩個節點交換機之間,存在着兩條或兩條以上的通信路徑。這樣,當一條路徑發生故障時,可以通過另一條路徑把信息傳送到目的節點交換機。

2)具有較好的可擴充性。該網絡無論是在增加新功能,還是將另一臺新的計算機接入網絡,以形成更大規模的網絡時,都比較方便。

3)網絡可組建成各種形狀,可採用多種通信信道、多種傳輸速率。

總之,通常選擇網絡的拓撲結構時,在保證一定的可靠性、時延和吞吐量的前提下,要求選擇適合的通路、確定線路帶寬和進行流量分配,以使得整個網絡的成本最低。5種網絡拓撲類型的性能對比如表1-1所示。

表1- 1 5種網絡拓撲結構的優缺點及應用

網絡拓撲

優點

缺點

應用

總線型

結構簡單、靈活,可擴充性好,傳輸速率高,響應速度快 安全性低,共用總線,實時性差

ATM網

星型

結構簡單,組網容易,傳輸速率高,誤碼率低 網絡共享能力較差,通信線路利用率不高

局域網

樹型

易於擴展,故障隔離較容易 節點對根的依賴性較大

Internet

環型

通信設備簡單,線路消耗少容易安裝 不便於擴充,系統響應時延長

令牌網

網狀型

可靠性高,傳輸時延小,資源易於共享 控制複雜,軟件複雜

廣域網

三、按交換方式分類

按交換方式分類分爲:電路交換、報文交換、分組交換。

網絡中傳輸的數據從一個節點到下一個節點的過程稱爲交換。

1.電路交換

電路交換(Circuit Switching)是以電路連接爲交換目的的通信方式,要求必須在通信雙方之間建立連接通道,當連接建立成功之後,雙方通信活動才能開始進行。通信雙方需要傳遞的信息是通過已經建立好的連接進行傳遞,而且這個連接一直維持到通信結束。在這個通信過程中,這個連接始終佔有通信資源(信道、帶寬等),這也是電路交換的主要特徵。

2.報文交換

報文交換(Message Switching)不需要在兩個通信節點之間建立專用通道,通信節點把需要發送的信息組成數據報文,該報文中含有目的節點地址,完整的報文在網絡中一站一站地向前傳輸,每一個節點均接收整個報文,檢查目的節點地址,然後根據網絡的路由規則轉發到下一個節點。經過多次的存儲/轉發,最後到達目的節點。

3.分組交換

分組交換(Packet Switching)是在計算機網絡中相對電路交換的一種交換方式,分組由用戶數據塊、目的地址和管理信息組成。通信節點首先將要發送的數據按照網絡協議的要求轉化成分組,然後通過最佳路徑(路由算法)發送到目標節點,但並不是所有的分組都沿着同一路徑傳輸。最後,由目標節點按照順序把分組組合成原始數據。

在分組交換中,可以將數據分組分別發送到目標計算機。這裏,不僅鏈路是共享的,而且每個分組都可以獨立進行路徑選擇,這些優點使得分組交換的應用更加廣泛。例如,互聯網就是分組交換的一個典型應用。

上述三種交換之間的交換原理綜合比較如圖1-3所示。

圖1-3三種數據交換原理方式比較

(a)線路交換;(b)報文交換;(c)分組交換

三種交換方式的特點如表1-2所示。

表1-2三種交換方式的特點

交換方式

特點

電路交換

(1)建立連接的時間長;

(2)一旦建立連接就獨佔線路,線路利用率低;

(3)無糾錯機制;

(4)建立連接後,傳輸延遲小

報文交換

(1)報文大小不一,造成緩衝區管理複雜;

(2)大報文造成存儲轉發的延時過長;

(3)出錯後整個報文全部重發

分組交換

(1)存儲量要求較小,可以用內存進行緩衝分組,轉發速度快;

(2)轉發延時小,適用於交互式通信;

(3)若某個分組出錯,則僅重發該分組,效率高;

(4)各分組可通過不同路徑傳輸,可靠性高;

(5)數據傳輸前不需要建立一條端到端的通路;

(6)有強大的糾錯機制、流量控制和路由選擇功能

 

 

體系結構

一、標準化組織

標準化組織包括ISO、IEEE、IETF和ITU等。

1.ISO

國際標準化組織(ISO,International Organization for Standardization)是由不同國家的標準機構組成的世界範圍的聯合會,包含140多個成員國,其主要任務是制定國際標準,協調世界範圍內的標準化工作,與其他國際性組織合作研究有關標準化問題。

“開放系統互聯/參考模型”(OSI/RM,Open System Interconnection/Reference Model)就是其標準,此標準用以解決信息的處理、發送和管理等問題。

2.IEEE

美國電氣和電子工程師協會(IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers)是一個國際性的電子技術與信息科學工程師的協會,是世界上最大的專業技術組織之一。

3.IETF

互聯網工程任務組(IETF,Internet Engineering Task Force)是一個由網絡設計者、廠商和研究者組成的開放國際組織,主要任務是負責制定互聯網的相關技術規範,爲互聯網架構的演進和互聯網的正常運轉提供支持。

4.ITU

國際電信聯盟(ITU,International Telecommunication Union)是聯合國的一個專門機構,它負責主管信息通信技術事務,包括確立國際無線電和電信的管理制度和標準,它也是聯合國機構中歷史最長的一個國際組織,簡稱“國際電聯”。此外,國際電聯不僅是世界範圍內聯繫各國政府和私營部門的紐帶,還是信息社會世界高峯會議的主辦機構。

二、開放系統互聯/參考模型

開放系統互聯/參考模型即OSI/RM模型爲網絡設備的互聯提供了參考標準。該模型共有七層,並有特定的數據傳輸過程。

1.OSI/RM模型

國際標準化組織ISO制定了開放系統互聯/參考模型OSI/RM(Open System Interconnection/Reference Model),爲網絡之間的設備互聯提供了一個參考標準。

爲了實現OSI/RM模型,通信雙方需遵循一些規則,這些規則在計算機網絡中被稱爲“協議”。具體來說,計算機網絡協議由語法、語義和同步3個要素組成。

爲了簡化複雜的計算機之間的通信流程,計算機網絡採用分層結構,將通信功能細化,以便於工程化實現。在計算機網絡分層體系結構中,層與層之間是通過相應的接口進行通信的,接口包括軟接口和硬接口兩種類型,其中硬接口又可以從機械、電氣、功能和規程4個方面進行描述。

2.OSI/RM模型的七層

OSI/RM參考模型共有7層,分爲兩部分,上面4層爲應用程序對數據進行處理,而下面3層主要完成數據的通信功能,如圖1-4所示。其中,最高層爲應用層,它爲用戶提供通信的接口;最低層爲物理層,與傳輸介質相連用於傳輸比特流。分層的設計使得OSI/RM參考模型的每層都具有獨立和特定的功能,在低層爲高層提供服務的同時,高層也需要利用低層所提供的這些服務,爲應用程序提供網絡環境服務。

圖1-4 OSI/RM參考模型

3.OSI/RM模型的功能

物理層:物理層與通信媒介直接相連,在電子與機械層面上傳輸比特流,並提供了發送和接收數據的載體。

數據鏈路層:數據鏈路層的主要功能是把上層的數據包封裝成數據幀並轉給物理層,確立兩個端點之間的邏輯連接,數據幀中的每一幀均包含數據信息和必要的控制信息,比如地址信息、同步信息、差錯控制等,保證了數據的可靠性傳輸。

網絡層:網絡層的主要功能是把網絡地址轉化成物理地址並把信息發送到目的地。在把信息發送到目的地時,需要選擇合適的路由,對在此過程中產生的網絡擁塞、交換等問題進行管理,網絡層的協議包括IP、ICMP和IGMP等。

傳輸層:傳輸層爲端到端的數據提供透明傳輸,利用流控制、錯誤檢測和分段等機制爲上一層提供可靠的服務,如果數據在傳輸過程中出現錯誤,則傳輸層負責重傳。傳輸層主要包括兩種類型的服務:一種是面向連接的服務,可提供可靠的交付;另一種是無連接的服務,該服務無法保證提供可靠的交付。

會話層:會話層的主要功能是創建、保持和釋放通信鏈路,可以創建全雙工、半雙工和單一的連接,並能保持跟蹤客戶端與服務器之間的會話。

表示層:表示層主要是對信息格式和編碼進行轉化,從應用層發送來的數據被轉化成可以被計算機識別的格式。

應用層:應用層爲用戶與應用程序提供了一個接口,以滿足用戶不同的需求,比如FTP、E-mail和瀏覽器等應用程序就工作在這一層。

4.數據傳送過程

在OSI/RM模型中,數據的傳送過程如圖1-5所示。若主機A與主機B之間直接相連,進行通信,主機A的應用程序產生數據傳到應用層,應用層根據該層的協議加上應用層報頭(AH,application header),封裝成數據包轉交給表示層。

表示層接收到信息,加上相應的報頭組成報文,傳送給會話層。會話層也做同樣的工作並交給傳輸層,傳輸層收到數據包,加上本層的報頭信息後,再轉交到網絡層。由於網絡層是面向用戶與通信網的,而通信網對報文的長度是有一定限制的。因此,網絡層接收到數據包後,首先進行報文分析。如果沒有超過最大允許長度,則直接添加報頭;如果超過最大允許長度,則先進行數據包的拆分,再逐個傳送。

當數據包到達數據鏈路層時,數據包不僅被加上幀頭信息還要加上幀尾信息,構成數據幀,比如校驗和同步信息。最後,將數據幀交給物理層轉換爲比特數據進行發送。

在接收方,按照與發送端相反的方向從物理層到應用層一步步地進行拆包,恢復了原始發送的數據後,主機B的應用程序才能正確識別主機A所發送的數據,這樣纔是完成了主機A到主機B的信息發送全過程。同理,主機B給主機A進行反饋信息也是相同的過程。

圖1-5 數據傳輸的過程

雖然應用程序的數據每次都要經過如此複雜的過程發送到目的地,但是這個過程對用戶是完全透明的。任何兩個同層次之間的數據進行通信的過程如圖1-5中的水平直線所示,這也就是所謂的對等通信,其中各層的協議就是對等層之間的各項規定。

三、TCP/IP模型

TCP/IP模型是因特網的體系架構模型。TCP/IP模型與OSI/RM模型比較,兩者有各自的特點。

TCP/IP是因特網的體系結構模型,它是由若干通信協議組成的協議簇,包括應用層、傳輸層、網際層和網絡接口層。

1.TCP/IP模型各層的功能

(1)網絡接口層:網絡接口層主要負責主機的邏輯連接和物理連接,是TCP/IP模型的最底層,主要包括數據鏈路和介質訪問方式等。

(2)網際層:網際層是整個TCP/IP模型的核心,主要功能是路由尋址,即根據數據包頭部的源IP地址和目的IP地址,將數據包發送到正確的目的地。該層中主要的協議有IP、ICMP、IGMP、ARP和RARP等,它們共同構成了IP協議簇。

(3)傳輸層:傳輸層主要爲應用層提供數據報和虛電路服務,爲應用進程之間提供端到端的邏輯通信。傳輸層的主要協議包括TCP(Transmission Control Protocol)協議和UDP(User Datagram Protocol)協議,TCP協議提供可靠的、面向連接的端到端的數據傳輸,而UDP協議提供不可靠的、無連接的數據傳輸。

(4)應用層:應用層規定應用進程在通信中所遵守的協議,爲應用程序提供接口服務,應用層主要包括FTP、SMTP、DNS和HTTP等應用協議。

2.TCP/IP模型的分層設計具有以下兩方面的優勢

(1)降低了通信的複雜性,提高了可用性和通用性,每層都實現了其特定的功能。

(2)簡化了數據的發送、傳輸和接收過程,在發送端通過“自上而下”的形式一層層地打包發送,在接收端通過“自下而上”的形式進行解包接收信息。

3.OSI/RM模型和TCP/IP模型的比較

TCP/IP模型是一個事實上的工業標準,現已發展爲覆蓋全球的因特網協議體系結構。OSI/RM模型和TCP/IP模型均採用分層的設計模式,但是兩者略有差異,如圖1-6所示爲OSI/RM與TCP/IP體系結構的對比圖,其中TCP/IP體系結構分爲4層,與OSI/RM體系結構的7層相對應。

圖1-6 OSI/RM與TCP/IP體系結構對比

OSI/RM模型和TCP/IP模型的共同點是兩者都解決了異構網絡的通信問題,實現了不同終端設備和不同交換設備之間的通信,兩種模型均採用分層的設計思想,將複雜的功能分解細化。其中,兩者各層的劃分與功能大致相同,解決了信息的封裝、差錯控制、流量控制、傳輸同步和複用等通信問題。

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