3.1 计算机网络的拓扑结构（课件）《计算机网络技术》（清华大学出版社）同步教学

第三章 计算机网络技术基础 1 3.1 计算机网络的拓扑结构 3.1.1 什么是计算机网络的拓扑结构？ 网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。 网络拓扑结构能够反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作“点”，把它们之间的通信线路画作“线”，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图。 2 不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。 计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，常见的一般分为以下几种： 1.总线型 2.星型 3.环型 4.树型 5.网状型 总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。 3.1.2 总线型拓扑结构 4 总线型结构是从多机系统的总线互联结构演变而来的，又可分为单总线结构和多总线结构，常用CSMA/CD和令牌总线访问控制方式。 中继器 图3-3 总线型网络拓扑结构的扩展 总线型结构的缺点： （1）故障诊断困难 （2）故障隔离困难 （3）中继器等配置 （4）实时性不强 总线型结构的优点： （1）电缆长度短，易于布线和维护 （2）可靠性高 （3）可扩充性强 （4）费用开支少 星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。 3.1.3 星型拓扑结构 星型拓扑结构的访问采用集中式控制策略，采用星型拓扑的交换方式有电路交换和报文交换。 星型拓扑结构的优点： （1）方便服务 （2）每个连接只接一个设备 （3）集中控制和便于故障诊断 （4）简单的访问协议 星型拓扑结构的缺点： （1）电缆长度和安装 （2）扩展困难 （3）依赖于中央节点 8 网络中节点计算机连成环型就成为环型网络。环路上，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择问题。环型网络实现简单，适应传输信息量不大的场合。任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性较差。 3.1.4 环型拓扑结构 环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。 环型拓扑结构的优点： （1）电缆长度短 （2）适用于光纤 （3）网络的实时性好 环型拓扑结构的缺点： （1）网络扩展配置困难 （2）节点故障引起全网故障 （3）故障诊断困难 （4）拓扑结构影响访问协议 1.树型拓扑结构 树型网络是分层结构，适用于分级管理和控制系统。网络中，除叶节点及其联机外，任一节点或联机的故障均只影响其所在支路网络的正常工作。 3.1.5 其他类型拓扑结构 11 图3-6 树型网络拓扑结构 节点 头端 节点 树状拓扑结构的优缺点和总线型拓扑结构的优缺点大致相同，但也有一些特殊之处。 树状拓扑结构的优点： （1）易于扩展 （2）故障隔离方便 树状拓扑结构的缺点： 对根部的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，其可靠性问题和星状拓扑结构相似。 2.星型环型拓扑结构 这是将星状拓扑结构和环状拓扑结构混合起来的一种拓扑，试图能充分利用两种拓扑结构的优势。从电路上看，和一般的环状拓扑结构相同，只是物理走线安排成星状连接。 主干环 接线盒 14 星状环状拓扑结构的优点： （1）易于扩展 （2）故障的诊断和隔离方便 （3）安装电缆方便 星状环状拓扑结构的主要缺点是环上需要智能的集中器，以便于实现网络的故障自动诊断和故障节点的隔离。 3.1.6 拓扑结构的选择原则 拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点： （1）服务可靠性 （2）网络可扩充性 （3）组网费用高低（或性能价格比） 16 3.2 ISO/OSI网络参考模型 建立分层结构的原因和意义 建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施，国际标准化组织ISO（International Standard Organization），经过多年研究，在1983年形成了开放系统互联参考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构，给网络设计者提供了一个参考规范。 17 OSI参考模型层次结构 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1 2 3 4 5 6 7 提供应用程序间通信 处理数据格式、数据加密等 建立、维护和管理会话 建立主机端到端连接 寻址和路由选择 提供介质访问、链路管理等 比特流传输 对等通信 每一层都使用自己的协议 每一层都利用下层提供的服务与对等层通信 HostA HostB APDU PPDU SPDU Segment（段） Packet（包） Frame（帧） Bit（比特） 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 数据封装与解封装 Data Data 第7层头 + 第7层头 + 第6层头 Data 第7层头 第6层头 + 第5层头 Data 第7层头 第6层头 第5层头 + 第4层头 Data 第7层头 第6层头 第5层头 第4层头 + 第3层头 Data 第7层头 第6层头 第5层头 第4层头 第3层头 + 第2层头 Data 第7层头 第6层头 第5层头 第4层头 第3层头 第2层头 + 第1层头 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 Data 第2层头 第3层头 第4层头 第5层头 第6层头 第7层头 二进制的数据流 第1层头 Data 第2层头 第3层头 第4层头 第5层头 第6层头 第7层头 Data 第3层头 第4层头 第5层头 第6层头 第7层头 Data 第4层头 第5层头 第6层头 第7层头 Data 第5层头 第6层头 第7层头 Data 第6层头 第7层头 Data 第7层头 封装 解封装 1．OSI参考模型的特性（了解） （1）是一种将异构系统互联的分层结构； （2）提供了控制互联系统交互规则的标准骨架； （3）定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述； （4）不同系统上的相同层的实体称为同等层实体； （5）同等层实体之间的通信由该层的协议管理； （6）相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务； （7）所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务； （8）直接的数据传送仅在最低层实现； （9）每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其它层。 21 7 6 5 4 3 2 1 7 6 5 4 3 2 1 6/7层界面 5/6层界面 4/5层界面 3/4层界面 2/3层界面 1/2层界面 应用层协议 表示层协议 会话层协议 传输层协议 网络层协议 链路层协议 物理层协议 主机A 主机B 物 理 媒 介 应 用 层 表 示 层 会 话 层 传 输 层 网 络 层 数据链路层 物 理 层 应 用 层 表 示 层 会 话 层 传 输 层 网 络 层 数据链路层 物 理 层 2．有关OSI参考模型的技术术语（选择） 在OSI参考模型中，每一层的真正功能是为其上一层提供服务。在对这些功能或服务过程以及协议的描述中，经常使用如下一些技术术语： （1）数据单元 服务数据单元SDU（Service Data Unit） 协议数据单元PDU（Protocol Data Unit） 接口数据单元IDU（Interface Data Unit） 服务访问点SAP（Service Access Point） 服务原语（Primitive） a.请求 b.指示 c.响应 d.确认 23 （2）面向连接和无连接的服务 （选择） 下层能够向上层提供的服务有两种基本形式： 面向连接和无连接的服务。 面向连接的服务是在数据传输之前先建立连接，主要过程是：建立连接、进行数据传送，拆除链路。面向连接的服务，又称为虚电路服务。 无连接服务没有建立和拆除链路的过程，一般也不采用可靠方式传送。不可靠（无确认）的无连接服务又称为数据报服务。 24 物理层 物理层的主要功能： 物理连接的建立、维持与释放 物理层服务数据单元传输 物理层管理 注意： 只有该层是真正的物理通信，其他各层均是虚拟通信 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 典型物理层标准和设备 物理层介质 双绞线、同轴电缆、光纤、无线电信号等 局域网物理层 常见标准：10Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX 常见设备：中继器、集线器 广域网物理层 常见标准：RS-232、V.24、V.35 常见设备：Modem 数据链路层 数据链路层的功能： 编帧和识别帧 数据链路的建立、维持和释放 传输资源控制 流量控制 差错验证 寻址 标识上层数据 局域网数据链路层分为LLC子层和MAC子层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 局域网数据链路层标准 IEEE802.1 基本局域网问题 IEEE802.2 定义LLC子层 IEEE802.3 以太网标准 IEEE802.4 令牌总线网 IEEE802.5 令牌环网 广域网数据链路层标准 HDLC PPP Frame Relay 网络层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 编址 路由 拥塞控制 异种网络互连 2.网络层提供的服务 OSI/RM中规定，网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务，也称为数据报服务和虚电路服务。 3.路由选择 网络层协议操作 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 传输层 应用层 RTA RTB RTC RTD RTE RTA RTB RTC 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 传输层 应用层 Host HostB HostA HostB 传输层 传输层功能： 分段上层数据 建立端到端连接 透明、可靠传输 流量控制 传输层协议： 主要有TCP/IP协议族的TCP协议和UDP协议，以及IPX/SPX协议组的SPX协议等。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1.传输层的特性 （1）连接与传输 （2）传输层服务 2.传输层的主要功能 3.传输层协议 会话层、表示层和应用层 应用层协议： 为应用程序进程（比如文字处理、邮件、电子表格）提供网络服务 SQL、NFS(网络文件系统)、RPC（远程调用协议）等 表示层协议： 定义数据格式与结构 协商上层数据格式 ASCII、MPEG、JPEG等 会话层协议： 主机间通信 建立、维护、终结应用程序之间的会话 文字处理、邮件、电子表格等 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 OSI七层模型练习题 1.在OSI参考模型中，把传输的比特流划分为帧的是在（ ） A.数据链路层 B.会话层 C.网络层 D.传输层 2.在ISO/OSI参考模型中，最重要的一层是（ ） A.数据链路层 B.会话层 C.网络层 D.传输层 3.下列4项中，不属于OSI/RM参考模型7个层次的是（ ） A.应用层 B.会话层 C.网络层 D.用户层 4.OSI参考模型的（ ）为处在两个不同地理位置上的网络系统中的终端设备，它提供连接和路径选择。 A.数据链路层 B.会话层 C.网络层 D.物理层 5.在物理层传输的是（ ） A.分组 B.报文 C.比特流 D.数据包 6.下面选项中错误地描述OSI参考模型的是（ ） A.为防止一个区域的网络变化影响另一个区域的网络 B.分层网络模型标准化了接口 C.为使专业的开发成为可能 D.分层网络模型增加了复杂性 A D D C C D 7.对等层实体之间采用（ ）进行通信。 A.服务 B.服务访问点 C.协议 D.上述3者 8.数据链路层的数据单位是（ ） A.分组 B.字节 C.比特流 D.帧 9.网络层、数据链路层和物理层传输的数据单位分别是（ ） A.报文、帧、比特 B.包、报文、比特 C.包、帧、比特 D.数据块、分组、比特 10.在计算机网络的OSI/RM参考模型中，负责选择合适的路由，使发送的分组能够正确无误地按照地址找到目的站并交付给目的站的是（ ） A.数据链路层 B.会话层 C.网络层 D.物理层 11.传输层的主要任务是向用户提供可靠的（ ） A.虚电路服务 B.点到点服务 C.分组交换服务 D.端到端服务 12.（ ）提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议，是计算机网络与最终用户的接口，负责两个应用进程之间的通信 A.应用层 B.会话层 C.网络层 D.表示层 C D C C D A 谢谢观看 Thank you $$