第8章 计算机通信网.docx

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第8章计算机通信网

第八章计算机通信网

1概述

 数据通信网是计算机技术和通信技术相结合的产物，亦称计算机通信网，信息已成为经济发展的战略资源和独特的生产要素。

经济的竞争实际上已演变为信息的竞争。

经30余年的发展产生了各式各样的局域网和广域网以及它们之间的互连体系。

这种竞争和发展都围绕以下几个方面：

（1）如何迅速而优质地采集信息;

（2）高效而又可靠地传输信息；

（3）大量而普遍地处理、存储和使用信息；

（4）经济性。

 CATV宽带综合网是一种发展过程中出现的网络形式，不可避免地将与上述各种网络相联系，特别是与局域网的联系。

因为在HFC网络形式下，每个光节点的复盖面都不大。

本章将着重介绍局域网，在以后的几章中将对几种应用较广，对CATV宽带技术综合网有重要影响的广域网和传输技术作专门介绍，如ISDN、B－ISDN、Internet网、ATM技术和SDH等。

2局域网

 局域网从60年代末70年代初开始起步，经过近30年的发展，已越来越趋于成熟，其主要特点是形成了开放系统互连网络，网络走向了产品化、标准化；许多新型传输介质投入实际使用，以数据传输速率达100Mbps的以光缆为基础的FDDI技术和双绞线为基础的100BASE－T等技术已日趋成熟，投入商用；局域网的互连性越来越强，各种不同介质、不同协议、不同接口的互连产品已纷纷投入市场；微计算机的处理能力增强很快，局域网不仅能传输文本数据，而且可以传输和处理话音、图形、图象、视象等媒体数据。

2.1局域网的拓扑结构

 局域网的拓扑结构指网络中节点和通信线路的几何排序，它对整个网络的设计、功能、经济性、可靠性都有影响，对局域网一般有如下五种结构：

星形、总线形、环形、树形、网状等（见图8－1）。

2.1.1星形结构

 它以中央节点为中心，一个节点向另一个节点发送数据，必须向中央节点发出请求，一旦建立连接，这两个节点之间就是一条专用连接线路，信息传输通过中央节点的存储－转接来完成。

这种结构要求中央节点的可靠性很高，否则出现故障就会危及整个网络。

星形结构的优点是结构简单、网络控制容易、便于扩充；缺点是资源共享不便、可靠性较低，目前100BASE－VG采用此种结构。

2.1.2总线形结构

 它的所有节点都通过相应硬件接口连接到一条无源公共总线上，任何一个节点发出的信息都可沿着总线传输，并被总线上其它任何一个节点接收，它的传输方向是从发送点向两端扩散传送，是一种广播式结构。

    每个节点的网卡上有一个收发器，当发送节点发送的目的地址与某一节点的接口地址相符，该节点即接收该信息。

a）星形b）总线形c）树形d）环形e）网状形

 总线结构的优点是安装简单、易于扩充、可靠性高，一个节点损坏，不会影响整个网络工作，但由于共用一条总线，所以要解决两个节点同时向一个节点发送信息的碰撞问题，这对实时性要求较高的场合不太适用。

目前，10BASE－T、100BASE－T使用这种拓扑结构。

2.1.3树形结构

 树形结构是总线形的延伸，它是一个分层分支的结构。

一个分支和节点故障不影响其他分支和节点的工作。

像总线结构一样，它也是一种广播式网络。

任何一个节点发送的信息，其它节点都能接收。

此种结构的优点是在原网上易于扩充，但缺点是线路利用率不如总线形结构高。

2.1.4环形结构

 环形结构中的各节点通过有源接口连接在一条闭合的环形通信线路中，是点－点式结构。

环形网中每个节点对占用环路传送数据都有相同权力，它发送的信息流按环路设计的流向流动。

为了提高可靠性，可采用双环或多环等冗余措施来解决。

目前的环形结构中采用了一种多路访问部件MAU，当某个节点发生故障时，可以自动旁路，隔离故障点，这也使可靠性得到了提高。

 环形结构的优点是实时性好，信息吞吐量大，网的周长可达200km，节点可达几百个。

但因环路是封闭的。

所以扩充不便。

这种结构在IBM于1985年推出令牌环网后，已为人们所接受，目前推出的FDDI网就是使用这种双环结构。

2.1.5网状结构

 在一组节点中，将任意两个节点通过物理信道连接成一组不规则的形状，就构成网状结构。

它的优点是最大限度地提供了专用带宽；缺点是造价高，结构较复杂，目前在ATM局域网中使用这种结构。

2.2局域网的传输介质

 传输介质主要是指计算机网络中发送和接收者之间的物理通路，其中有通信电缆，也有无线信道如微波线路和卫星线路。

而局域网的典型传输介质是双绞线、同轴电缆和光缆。

2.2.1双绞线

 双绞线分非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）两种。

目前，在局域网中，大多数使用的是UTP。

双绞线是两根绝缘导线互相绞结在一起的一种通用的传输介质，它可减少线间电磁干扰，适用于模拟、数据通信。

在局域网中，UTP已被广泛采用，其传输速率取决于芯线质量、传输距离、驱动和接收信号的技术等。

如令牌环网采用第三类UTP，传输速率最高可达16Mbps，10BASE－T采用的三类UTP速率达10Mbps，100BASE－T采用的五类UTP传输速率达100Mbps。

 UTP价格较低，传输速率满足使用要求，适用于办公大楼、学校、商厦等干扰较小的环境中使用，但不适于噪声大、电磁干扰强的恶劣环境中使用。

2.2.2同轴电缆

同轴电缆由一空心金属圆管（外导体）和一根硬铜导线（内导体）组成。

内导体位于金属圆管中心，内外导体间用聚乙烯塑料垫片绝缘。

在局域网中使用的同轴电缆共有75Ω、50Ω和93Ω三种。

RG59型75Ω电缆是共用天线电视系统（CATV）采用的标准电缆，它常用于传输频分多路FDM方式产生的模拟信号，频率可达300～400MHz，称作宽带传输，也可用于传输数字信号。

50Ω同轴电缆分粗缆（RG－8型或RG－11型）和细缆（RG－58型）两种。

粗缆抗干扰性能好，传输距离较远，细缆价格低，传输距离较近，传输速率一般为10Mbps，适用于以及网。

RG－62型93Ω电缆是Arcnet网采用的同轴电缆，通常只适用于基带传输，传输速率为2～20Mbps。

2.2.3光缆

光缆是光纤电缆的简称，是传送光信号的介质，它由纤芯、包层和外部一层的增强强度的保护层构成。

纤芯是采用二氧化硅掺以锗、磷等材料制成，呈圆柱形。

外面包层用纯二氧化硅制成，它将光信号折射到纤芯中。

光纤分单模和多模两种，单模只提供一条光通路，多模有多条光通路，单模光纤容量大，价格较贵，目前单模光纤芯连包层尺寸约8.3μm/125μm，多模纤芯常用的为62.5μm/125μm。

光纤只能作单向传输，如需双向通信，则应成对使用。

 光缆是目前计算机网络中最有发展前途的传输介质，它的传输速率可高达1000Mbps，误码率低，约为         ，衰减小，传播延时很小，并有很强的抗干扰能力，适宜在泄漏信号、电气干扰信号严重的环境中使用，所以倍受人们青睐。

光缆适用于点－点链路，所以常应用于环状结构网络。

缺点是成本较高，还不能普遍使用。

2.3访问控制方式

 访问控制方式是指控制网络中各个节点之间信息的合理传输，对信道进行合理分配的方法。

目前在局域网中常用的访问控制方式有三种：

带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD－CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection）；令牌环（TokenRing）；令牌总线（TokenBus）。

2.3.1CSMA/CD

 最早的CSMA方法起源于美国夏威夷大学的ALOHA广播分组网络，1980年美国DEC、Intel和Xerox公司联合宣布Ethernet网采用CSMA技术，并增加了检测碰撞功能，称之为CSMA/CD。

这种方式适用于总线型和树形拓扑结构，主要解决如何共享一条公用广播传输介质。

其简单原理是：

在网络中，任何一个工作站在发送信息前，要侦听一下网络中有无其它工作站在发送信号，如无则立即发送，如有，即信道被占用，此工作站要等一段时间再争取发送权。

等待时间可由二种方法确定，一种是某工作站检测到信道被占用后，继续检测，直到信道出现空闲。

另一种是检测到信道被占用后，等待一个随机时间进行检测，直到信道出现空闲后再发送。

    CSMA/CD要解决的另一主要问题是如何检测冲突。

当网络处于空闲的某一瞬间，有两个或两个以上工作站要同时发送信息，这时，同步发送的信号就会引起冲突，现由IEEE802.3标准确定的CSMA/CD检测冲突的方法是：

当一个工作站开始占用信道进行发送信息时，再用碰撞检测器继续对网络检测一段时间，即一边发送，一边监听，把发送的信息与监听的信息进行比较，如结果一致，则说明发送正常，抢占总线成功，可继续发送。

如结果不一致，则说明有冲突，应立即停止发送。

等待一随机时间后，再重复上述过程进行发送。

 CSMA/CD控制方式的优点是：

原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。

但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

2.3.2令牌环

 令牌环只适用于环形拓扑结构的局域网。

其主要原理是：

使用一个称之为“令牌”的控制标志（令牌是一个二进制数的字节，它由“空闲”与“忙”两种编码标志来实现，既无目的地址，也无源地址），当无信息在环上传送时，令牌处于“空闲”状态，它沿环从一个工作站到另一个工作站不停地进行传递。

当某一工作站准备发送信息时，就必须等待，直到检测并捕获到经过该站的令牌为止，然后，将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态，并发送出一帧信息。

其他的工作站随时检测经过本站的帧，当发送的帧目的地址与本站地址相符时，就接收该帧，待复制完毕再转发此帧，直到该帧沿环一周返回发送站，并收到接收站指向发送站的肯定应签信息时，才将发送的帧信息进行清除，并使令牌标志又处于“空闲”状态，继续插入环中。

当另一个新的工作站需要发送数据时，按前述过程，检测到令牌，修改状态，把信息装配成帧，进行新一轮的发送。

 令牌环控制方式的优点是它能提供优先权服务，有很强的实时性，在重负载环路中，“令牌”以循环方式工作，效率较高。

其缺点是控制电路较复杂，令牌容易丢失。

但IBM在1985年已解决了实用问题，近年来采用令牌环方式的令牌环网实用性已大大增强。

2.3.3令牌总线

 令牌总线主要用于总线形或树形网络结构中。

它的访问控制方式类似于令牌环，但它是把总线形或树形网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。

只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

信息是双向传送，每个站都可检测到其它站点发出的信息。

在令牌传递时，都要加上目的地址，所以只有检测到并得到令牌的工作站，才能发送信息，它不同于CSMA/CD方式，可在总线和树形结构中避免冲突。

 这种控制方式的优点是各工作站对介质的共享权力是均等的，可以设置优先级，也可以不设；有较好的吞吐能力，吞吐量随数据传输速率增高而加大，连网距离较CSMA/CD方式大。

缺点是控制电路较复杂、成本高，轻负载时，线路传输效率低。

2.4局域网协议标准

 美国IEEE于1980年2月专门成立了局域网课题研究组，对局域网制定了美国国家标准，并把它提交国际标准化组织作为国际标准的草案，1984年3月已得到ISO的采纳。

到目前为目，IEEE802为局域网制定的标准有：

    EEE802.1A体系结构

  IEEE802.1B寻址、网际互连和网间管理

 IEEE802.2逻辑链路控制

 IEEE802.3CSMA/CD总线访问方法和物理层技术规范

 IEEE802.4令牌总线访问控制方法和物理层技术规范

 IEEE802.5令牌环访问控制方法和物理层技术规范

 IEEE802.6城域网访问方法和物理层技术规范

 最近几年，又制定了几个标准。

IEEE802.7、802.8标准，主要作为光缆传输技术的局域网和时间片分割环网制定的；IEEE802.9主要是对传输突发性强、对时间又很敏感的等时以太网Isonet设计标准：

Isonet设计的标准，IEEE802.11是为无线局域网制定的标准。

IEEE802.12是为100Mbps传输速率制定的100VG－AnyLAN标准。

 IEEE802模型与OSI参考模型对应关系见图8－2。

IEEE主要对第一、二两层制定了规程，所以局域网的IEEE802模型是在OSI的物理层和数据链路层实现基本通信功能的，高层的标准没有制定。

 IEEE802局域网参考模型对应于OSI参考模型物理层的功能，主要是：

信号的编码、译码、前导码的生成和清除、比特的发送和接收。

 IEEE802对应于OSI的数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层、OSI的数据链路层的主要功能由IEEE802的LLC子层和部分的MAC子层来执行。

2.4.1逻辑链路控制（LLC）子层

    它向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口。

LLC子层主要执行OSI基本数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能，如具有帧的收发功能，在发送时，帧由发送的数据加上地址和CRC校验等构成，接收时，将帧拆开，执行地址识别、CRC校验，并具有帧顺序控制、差错控制、流量控制等功能。

此外，它还执行数据报、虚电路、多路复用等部分网络层的功能。

LLC子层目前提供三种服务方式：

（1）不确认无连接服务，此种服务类似数据报，支持点－点、多点和广播服务，但不保证帧的可靠有序的传送。

（2）连接方式服务，类似虚电路服务，为两个LLC用户之间建立一条逻辑连接，提供对数据单元的确认，流量控制、顺序控制和差错恢复等功能。

（3）确认的无连接服务，也是一种数据报服务，但提供确认。

它也支持点－点、多点和广播方式服务。

2.4.2介质访问控制（MAC）子层

 本子层主要提供如CSMA/CD、TokenRing等多种访问控制方式的有关协议。

它还具有管理多个源、多个目的链路的功能。

它向LLC子层提供单个MSAP服务访问点，由于有不同的访问控制方法，所以它与LLC子层有各种访问控制方法的接口，它与物理层则有PSAP访问点。

2.5以太网

 以太网（Ethernet）最初是美国Xerox公司和STANFORD大学合作于1975年推出的一种局域网。

以后由于微机的快速发展，DEC、Intel、Xerox三公司合作于1980年9月等一次公布Ethernet物理层和数据链路层的规范，也称DIX规范。

IEEE802.3就是以DIX规范为主要来源而制定的以太网标准。

以太网具有传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便等优点，所以已成为国际流行的局域网标准之一，现在对其支持的几种以太网如10BASE－T以及最新公布的IEEE802.3U中100BASE－T择要介绍如下：

2.5.110BASE－T双绞线以太网

 10BASE－T是1990年由IEEE新认可的，编号为IEEE802.3i，T表示采用双绞线，现10BASE－T采用的是无屏蔽双绞线。

10BASE－T的主要技术特性：

（1）数据传输速率10Mbps基带传输

（2）每段双绞线最大长度100m（HUB与工作站间及两个HUB之间）

 （3）一条通路允许连接HUB数4个

 （4）拓扑结构星形或总线形

 （5）访问控制方式CDMA/CD

 （6）帧长度可变，最大1518个字节

 （7）最大传输距离500m

 （8）每个HUB可连接的工作站96个

 10BASE－T的连接主要以集线器HUB作为枢纽（HUB将在第5节中介绍），工作站通过网卡的RJ45插座与RJ45接头相连，另一端HUB的端口都可供RJ45的接头插入，装拆非常方便。

 10BASE－T由于安装方便，价格比粗缆和细缆都便宜、管理、连接方便、性能优良，它一经问世就受到广泛的注意和大量的应用，归结起来，它有如下特点：

（1）网络建立和扩展，十分灵活方便，根据每个HUB的端口数量（有8、12、16、32口）和网络大小，选用不同端口的HUB，构成所需网络；增减工作站可不中断整个网工作；

（2）可以预先和电话线统一布线，并在房间内预先安装好RJ45插座，所以改变网络布局十分容易；

     （3）HUB具有自动隔离故障作用，当某工作站发生故障时，不会影响网络正常工作；

 （4）HUB可将一个网络有效的分成若干互连的段，当发生故障时，管理人员可在较短时间内迅速查出故障点，提高故障排除的速度；

 （5）10BASE－T网与10BASE－2、10BASE－5能很好兼容，所有标准以太网运行软件可不作修改能兼容运行；

  （6）在HUB上都设有粗缆的AUI接口和细缆的BNC接口，所以粗缆或细缆与双绞线10BASE－T网混合布线连接方便，使用场合较多（见图8－3）。

2.5.2100BASE－T快速以太网

 100BASE－T的信息包格式、包长度、差错控制及信息管理均与10BASE－T相同，但信息传输速率比10BASE－T提高了10倍。

与10BASE－T不同的主要技术特性有：

（1）介质传输速率100Mbps基带传输

（2）拓扑结构星形

 （3）从集线器到节点最大距离100m（UTP）185m（光缆）

 （4）一个网段最多允许的HUB2个

 （5）两个HUB之间的允许距离＜5m

    100BASE－T的特点如下；

（1）性能价格比高，100BASE－T约为10BASE－T价格的两倍，但可取得10倍性能的提高。

（2）升级容易，它与10BASE－T有很好的兼容性，许多硬件线缆、接头可不必重新投资，若需将10BASE－T升级时只需投入影响带宽的瓶颈部分资金进行更换设备。

10BASE－T的核心协议即访问控制方式不必更动即可在100BASE－T上使用。

 （3）移值方便，10BASE－T上的一些管理软件、网络分析工具都可在100BASE－T上使用。

 （4）易于扩展，它可无缝地连接在10BASE－T的现有局域网中，它还可通过交换器方便地与FDDI主干校园网相接。

100BASE－T的拓扑结构示于图8－4。

2.6IBM令牌环网

    令牌环（TokenRing）网是局域网的传统组网方式之一，它具有实现简单、控制效率高的特点。

IBM的令牌环网解决了令牌容易丢失和故障的容错能力弱等问题，使令牌环网的可靠性有了很大提高。

近年来，令牌环网数量逐年增多，令牌环的双绞线局域网产品已成为市场的一种主要产品。

 令牌环网的主要技术特性

（1）传输速率4Mbps或16Mbps

（2）传输介质UTP或STP

 （3）拓扑结构星状环形结构

 （4）介质访问控制方式IEEE802.5TokenPassingRing

 （5）多站访问部件MAU连接线缆最大长度45m

 （6）最大节点数96个（4Mbps）256个（16Mbps）

 （7）MAU与MAU最大间距45m

令牌环网通过MAU的接口BD9或RJ45接头与STP或UTP相连，STP或UTP的另一端与工作站的网卡上的BD9插座或RJ45插座相接。

MAU类似于10BASE－T的HUB功能，一般设有8个或16个BD9接口或RJ45接口，用以与STP或UTP连接。

MAU在物理上是星形结构，但通信的逻辑关系又是闭合的环路，这样就解决了环形结构站点增减的困难和由于一个节点故障而引起整个环形网的瘫痪问题。

在某台工作站发生故障时只要将连接线缆从MAU接口处拆下即可，整个环网仍能正常工作。

MAU有两个外部接口，即环入口RI和环出口RO。

BD9是IBM的9针数据连接器接头，与STP相接。

RJ45是UTP的接头。

 令牌环网的连接方式见图8－5。

 IBM令牌环网是采用点－点式物理信道，较以太网广播信道有很大优点，实时响应好，环接口是一个有源收发器、环网的分布范围较大，传输的延时小，但控制电路较复杂。

2.7FDDI网（光纤分布式数据接口网）

 FDDI以光纤作为传输介质，传输速率达100Mbps，它既可用作连接高性能工作站的高速局域网，也可作为互连本地局域网的主干网，已被ISO采纳作为ISO9314国际标准。

 在它作为主干网时，由于连接距离较远，也有人称它为城域网。

在1990年为了降低成本，又制订了使用双绞线的CDDI铜缆分布式数据接口标准，为了能传输话音、图象等实时业务又制定了FDDI－2标准。

2.7.1主要技术特性

（1）传输介质光缆，按CDDI标准可连接UTP或STP

（2）传输速率100Mbps

 （3）拓扑结构双环、双环树、树形

 （4）主环最大站点数1000（用光缆）

 （5）环网最大长度200km（光缆）

984m（STP）

200m（UTP）

 （6）站点间最大距离2km（多模光纤）

60km（单模光纤）

200m（STP）

100m（UTP）

（7）介质访问控制方式定时令牌传递

（TimedTokenPassing）

 （8）延时时间10～200ms

 （9）最大帧长4500字节

3广域网WAN

 近年来，计算机通信网的重要组成部分——广域网得到了很大的发展，它是近30年来计算机技术与通信技术高速发展、相互促进、相互渗透而逐渐融为一体的具体结果。

特别是80年代以来，ISO公布了OSI参考模型，提供了计算机网络通信协议的结构和标准层次划分，为异种机的互连网络有了一个公认的协议准则；其次，微机的高速发展，促进了LAN的标准化、产品化，使它成为连结WAN的一个可靠的基本组成部分；此外，远程用户需求的增加，跨国跨省企业网的兴起，都是促使广域网继续发展的重要动力。

WAN不仅在地理范围上超越城市、省界、国界、洲界形成世界范围的计算机互连网络，而且在各种远程通信手段上有许多大的变化，如除了原有的电话网外，已有分组数据交换网、数字数据网、帧中继网以及集话音、图象、数据等为一体的ISDN网以及数字卫星网VSAT（verySmallApertureTerminal）和无线分组数据通信网等；在技术上也有许多突破，如互连设备的快速发展，多路复用技术和交换技术的发展特别是ATM交换技术的日臻成熟，为广域网解决传输带宽这个瓶颈问题展现了美好的前景。

下面择要介绍广域网采用的几种主要公共通信平台。

3.1公用电话网PSTN

 公用电话网PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork）是公用通信网络中的基础网，通信区域覆盖全国，利用电话网进行远程通信是投资少、见效快、实现大范围数字通信最便捷的方法。

利用现有的电话网，只要在计算机或终端设备进入电话网的前端装入调制解调器MODEM，将数字数据信号变换成模拟信号进入电话交换网即可。

 公用电话网一般由本地电话网和长途电话网组成，本地电话网是指一个城市或一个地区的电话网，由端局和汇接局组成，端局主要与长途电话网进行交换任务，汇接局主要是进行本地区的电话交换，与端局构成一个交换网络。

长途电话网由一、二、三、级长途交换中心与五级交换中心（端局），构成网状与汇接相结合的复合形网络结构。

在同一交换区内相邻等级交换中心之间的电路群称作基干路由，任意两个长途交换中心之间的低呼损电路群称作低呼损直达路由，高效电路群