1.2 局域网组成原理

从20世纪80年代以来，计算机局域网飞速发展，已成为一种复杂、多样的大系统。局域网组建要解决许多复杂的技术问题，例如，支持铜线、光缆、无线等介质传输；支持多厂商、异构系统互连；支持多种网络计算模式，如客户机/服务器结构、浏览器/服务器结构等。因此，熟悉局域网组成原理，对解决局域网建设中的许多复杂技术问题具有重要作用。

1.2.1 局域网基本概念

1．网络协议

计算机网络由多个互连结点组成，网络通信时结点之间不断地交换着数据和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个结点必须遵守一些事先约定好的共同规则。为网络数据交换而制定的规则、约定和标准统称为网络协议（Protocol）。

一般来说，一个网络协议由三个要素构成：语法、语义和时序。语法确定通信双方之间“如何讲”，由逻辑说明构成，确定通信时采用的数据格式、编码、信号电平及应答结构等；语义确定通信双方之间“讲什么”，由通信过程的说明构成，要对发布请求、执行动作及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息；时序则确定事件的顺序以及速度匹配、排序等。

2．体系结构

为了完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。将这些同层次进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。

一个完善的网络需要一系列网络协议构成一套完备的网络协议集。大多数网络在设计时将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次；然后针对每个层次及层次间的关系制定相应的协议，这样可以减少协议设计的复杂性。像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合，称为计算机网络体系结构（Network Architecture）。

世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）。在此之后，许多公司纷纷提出了各自的网络体系结构。这些网络体系结构的共同之处在于它们都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配与采用的技术术语均不相同。随着信息技术的发展，各种计算机系统连网和各种计算机网络的互连成为人们迫切需要解决的课题。开放系统互连参考模型（Open System Interconnect Reference Model，OSI/RM）就是在这样一个背景下提出和研究的。

3．分层思想

网络分层体系结构，如图1.1所示。在网络分层结构中，N层是N−1层的用户，同时是N+1层的服务提供者。N+1层的用户直接使用的是N层提供的服务，而事实上N+1层的用户是通过N层的服务享用了N层内的所有的服务。分层结构的好处是：

（1）独立性强。独立性是指被分层的具有相对独立功能的每一层，它不必知道下一层是如何实现的；只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么，本层向上一层提供的服务是什么就可以了。

（2）功能简单。网络系统分层后，整个复杂的系统就被分解成若干个小范围的、功能简单的部分，使每一层功能变得比较简单。这样就方便了各层设施的研制，每一层均有相应的标准，使不同厂商的设备可以互换。

（3）适应性强。当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不影响其他任何一层。这就意味着可以对分层中的任何一层的内部结构进行修改，甚至可以取消某层。

（4）易于实现和维护。分层之后使得实现和调试一个大的、复杂的网络系统变得简单和容易。

1.2.2 OSI模型

IEEE 802委员会于1981年提出开放系统互连参考模型OSI/RM。OSI定义了异构计算机（硬件结构、软件指令均不同）互连标准的框架结构，受到计算机和通信行业的极大关注。OSI的不断发展，得到了国际上的承认，成为其他计算机网络体系结构靠拢的标准，大大推动了计算机网络与通信的发展。

OSI采用三级抽象，即体系结构、服务定义和协议规格说明。体系结构部分定义OSI的层次结构、各层间的关系及各层可能提供的服务；服务定义部分详细说明了各层所具备的功能；协议规格部分的各种协议精确定义了每一层在通信中发送控制信息及解释信息的过程。提供各种网络服务功能的计算机网络系统是非常复杂的。根据分而治之的原则，OSI将整个通信功能划分为7个层次，如图1.2所示。

（1）物理层（Physical Layer）。物理层提供的服务包括：物理连接、物理服务数据单元顺序化（接收物理实体收到的比特顺序与发送物理实体所发送的比特顺序相同）和数据电路标识。由于物理层提供网络物理连接，所以物理层建立在物理介质上，提供机械和电气接口。主要包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、光缆、接线设备（如集线器、中集器、收发器等）、RJ-45接口、串行口和并行口等，在网络中都工作在物理层。

（2）数据链路层（Data Link Layer）。数据链路层是在通信的实体间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，并采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路层协议有SLIP、PPP、HDLC、X.25和帧中继等。网络交换机、网卡、网桥、Modem等设备都工作在这个层次上。

（3）网络层（Network Layer）。网络层的主要任务是通过路由算法，为数据包选择最适当的路径。网络层除了路由选择外，还提供阻塞控制与网络互连等功能。网络层的设备是路由器和提供路由功能的交换机。这种路由交换机，称为“第三层交换机”。

（4）传输层（Transport Layer）。传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，透明地传送报文。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是体系结构中最关键的一层。

（5）会话层（Session Layer）。会话层为通信的应用进程建立与组织会话，使应用进程能管理与控制通信进程，从而使网络上的应用灵活、可靠。可暂时终止一个会话，在进行了更紧急的会话后，再继续被暂时终止的会话；也能高效地从与通信无关的高层故障中恢复。

（6）表示层（Presentation Layer）。表示层的作用是为通信双方的应用层实体提供共同的表达手段，使双方能正确地理解所传送的信息。表示层的功能主要包括格式转换、数据加密与数据压缩等诸多方面。

（7）应用层（Application Layer）。应用层直接为应用进程提供服务，使应用进程能进入操作系统接口，并提供公共的服务以确保交易（transaction）的完整性；也能向用户提供如文件传输、电子邮件、Web网页浏览、远程登录、虚拟终端及目录查询等专用服务。

从总体上看计算机网络分为两个大的层次：通信子网和网络高层，如图1.2所示。通信子网（1～3层）支持通信接口，提供网络访问；网络高层（4～7层）支持端端的通信，提供网络服务。无论怎样分层，较低的层次总是为与它紧邻的上层提供服务的。

OSI参考模型是理论模型，模型的建立有利于将网络通信作业拆解成较小的、较简单的部分，方便设计制造。将网络元件标准化，使更多的厂商加入开发及技术支持，使各种不同类型的网络硬件与软件彼此互通信息。防止一层中的改变影响到其他各层，便于更迅速发展。将网络通信作业拆解成较小的部分，在学习和了解时会更加简单明了。

1.2.3 TCP/IP体系结构

1．TCP/IP协议

由于种种原因，OSI模型并没有成为真正应用在工业技术中的网络体系结构。Internet在全世界的飞速发展，使Internet所遵循的TCP/IP参考模型得到了广泛的应用。TCP/IP协议是一个协议集，如图1.3所示。TCP/IP协议集中最重要的是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网际互连协议（Internet Protocol，IP），通称为TCP/IP协议。

TCP/IP协议具有如下4个特点：

（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互连。

（3）统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机在网中都具有唯一的地址。

（4）标准化的高层协议（FTP，HTTP，SMTP等），如图1.3所示，可以提供多种可靠的用户服务。

在TCP/IP协议中，TCP协议和IP协议各有分工。TCP协议是IP协议的高层协议，TCP在IP之上提供了一个可靠的面向连接的协议。TCP协议能保证数据包的传输及正确的传输顺序，并且它可以确认数据包头和包内数据的准确性。如果在传输期间出现丢包或错包的情况，TCP负责重新传输出错的包。这样的可靠性使得TCP/IP协议在会话式传输中得到充分应用。IP协议为TCP/IP协议集中的其他所有协议提供“包传输”功能，IP协议为计算机网络上的数据提供了一个有效的无连接传输系统。也就是说，IP包不能保证到达目的地，接收方也不能保证按顺序收到IP包，它仅能确认IP包头的完整性。最终确认数据包是否到达目的地，还要依靠TCP协议。其原因是TCP协议是面向连接的服务。

2．TCP/IP体系结构及功能

TCP/IP体系结构分为4个层次：网络接口层、IP层、传输层和应用层。TCP/IP体系结构与OSI参考模型的对应关系，如图1.4所示。TCP/IP的网络接口层（Network Interface）对应OSI的物理层和数据链路层，TCP/IP的IP层（包括ICMP、ARP、RARP等协议）对应OSI的网络层，TCP/IP传输层（TCP、UDP）对应OSI的传输层，TCP/IP的应用层（高层协议）对应OSI的会话、表示及应用层。TCP/IP各层的功能是：

（1）网络接口层。该层是整个体系结构的基础部分，负责接收IP层的IP数据包，通过网络向外发送；或接收、处理网络上的物理帧，抽出IP数据包，向IP层发送。该层是主机与网络的实际连接层，网络接口层中的比特流传输相当于邮政系统中信件的运送。

（2）网络互连层。该层是整个体系结构的核心部分，负责处理互联网中计算机之间的通信，向传输层提供统一的数据包。它的主要功能是处理来自传输层的分组发送请求，处理接收的数据包和处理互连的路径。

网络互连层IP协议提供了无连接（不可靠）的数据包传输服务，数据包从一个主机经过多个路由器到达目的主机。如果路由器不能正确地传输数据包，或者检测到影响数据包的正确传输的异常状况，路由器就要通知信源主机或路由器采取相应的措施。

网络互连层的ICMP（Internet Control Messages Protocol）消息被封装在IP数据报里，用来发送差错报告和控制信息。ICMP定义了如下消息类型：

· 目的端无法到达（DestinationUnreachable）

· 数据报超时（TimeExceeded）

· 数据报参数错（Parameter Problem）

· 重定向（Redirect）

· 回声请求（Echo）

· 回声应答（Echo Reply）

· 信息请求（Information Request）

· 信息应答（Information Reply）

· 地址请求（Address Request）

· 地址应答（Address Reply）……

ICMP为IP协议提供了网络通断检测、差错控制、网络拥塞控制和路由控制等功能。最常用的是“目的无法到达”和“回声”消息，如图1.5所示。

网络互连层的ARP（Address Resolution Protocol）提供地址转换服务，查找与给定IP地址对应主机的物理地址（网卡的MAC地址）。与ARP功能相反的是RARP（Reverse ARP），RARP协议主要是将主机物理地址转换为对应的IP地址。

ARP协议采用广播消息的方法来获取网上IP地址对应的MAC地址，对于使用低层介质访问机制的IP地址来说，ARP协议是非常通用的。当一台主机要发送数据包时，首先通过ARP获取MAC地址，并把结果存储在ARP缓存的IP地址和MAC地址表中，如图1.6所示。下次该主机需要发送数据包时，就不用再发送ARP请求，只要在ARP缓存中查找就可以了。

与ARP协议类似，RARP协议也采用广播消息的方法，通过客户机访问RARP服务器来决定与客户机MAC地址相对应的客户机IP地址，如图1.7所示。RARP协议对于网络无盘客户机来说显得尤为重要。因为，无盘客户机在系统引导时根本无法知道它自己的IP地址，只能通过RARP协议完成自身的MAC地址到对应IP地址的转换。

（3）传输层。该层是整个体系结构的控制部分，负责应用进程之间的端到端通信。传输层定义了两种协议：传输控制协议（Transfer Control Protocol，TCP）与用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，允许从一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。TCP将应用协议的字节流分成数据段，并将数据段传输给IP层打包。在接收端，IP层将接收的数据包解开，再由TCP层将收到的数据段组装成应用协议字节流。TCP还可处理流量控制，以避免快速发送方向低速接收方发送过多数据包，而使接收方无法处理。UDP协议是一种无连接的（不可靠）协议，它与TCP协议不同的是它不进行分组顺序的检查和差错控制，而是把这些工作交给上一级应用层来完成。

（4）应用层。该层是整个体系结构的协议部分，它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。与OSI模型不同的是，在TCP/IP模型中没有会话层和表示层。由于在应用中发现，并不是所有的网络服务都需要会话层和表示层的功能，因此，这些功能逐渐被融合到TCP/IP协议中应用层的那些特定的网络服务中。应用层是网络操作者的应用接口，就像发信人将信件放进邮筒一样，网络操作者只需在应用程序中按下发送数据按钮，其余的任务都由应用层以下的各层来完成。

1.2.4 局域网拓扑结构

1．拓扑结构的分类

计算机网络中各结点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。网络拓扑结构主要有总线形、星形、环形、树形、扩展星形和网状等多种，如图1.8所示。每种拓扑结构各有优缺点和适应范围。

（1）总线拓扑结构。采用共享传输线路作为介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到干线电缆即总线上。总线拓扑的优点是结构简单，电缆长度短，易于布线，造价低和易于扩充等。增加新站点时，可在总线的任一点将其接入，如需增加总线长度，可用中继器（集线器）或网桥（交换机）来扩展一个附加段。总线拓扑的主要缺点是故障诊断和隔离困难，因为它不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行。总线拓扑结构是局域网的主流结构（以太网）之一，广泛应用于随时都有扩充工作站要求的网络系统。

（2）星形结构。星形结构是指各网络结点以星形方式连接成网。网络有中央结点，其他结点（客户机、服务器）都与中央结点直接相连。这种结构以中央结点为中心，因此又称为集中式网络。单个结点的故障只影响一个结点，不会影响全网，因此容易检测和隔离故障，重新配置网络也十分方便。星形拓扑的主要缺点是对中心结点的可靠性和冗余度要求很高，一旦中心结点产生故障，则全网不能工作。另外，星形拓扑需要大量电缆，因此费用较高。星形拓扑结构广泛应用于高度集中于中心站点的网络，由于目前计算机系统已从集中的主机系统发展到分布式系统，所以，星形拓扑的使用会有所减少。

（3）扩展星形。在网状拓扑结构中有一级中央（核心）结点，还有二级中央（汇聚）结点。客户机、服务器与中央结点不直接相连，汇聚结点上连核心结点下连接入结点，这种结构以多中央结点为中心，因此称为扩展星形网络。它除具有单星形结构的特点外，最大的特点就是适合组建大中型局域网，扩大了局域网的地理范围。

（4）树形结构。树形结构是分级的集中控制式网络，与星形相比，它的通信线路总长度短（所有结点连接介质的总和），成本较低，结点易于扩充。但除了叶结点及其相连的线路外，任一结点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。

（5）环形结构。所有结点彼此串行连接，就像自行车的链条，构成一个回路或称环路，这种连接形式称为环形拓扑。在环形拓扑网络中，数据是单方向被传输的，两个结点之间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制，同时控制软件比较简单，可靠性高。由于环路是封闭的，所以扩充不方便。另外，当环路中所接站点过多时，将会影响信息传输效率，使网络的响应时间变长。环形拓扑结构适宜工厂自动化测控等应用领域。

（6）网形结构。所有站点彼此连接，任一结点到其他结点均有两条以上的路径，构成一个网状链路，这种连接形式称为网形拓扑。在网形拓扑网络中，数据传输路径选择的控制复杂，也就是为数据包寻找最佳路经的控制软件复杂。由于任一结点到其他结点均有两条路经，即便有一条路经发生故障，也不会中断网络通信，所以网形拓扑具有很高的可靠性。另外，网形拓扑需要大量传输链路，因此费用很高。网形拓扑结构适宜广域网和大型园区网络等应用领域。

2．选择拓扑结构需考虑的因素

网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点。

（1）费用。不论选用什么样的拓扑结构都需进行安装，如电缆布线等。要降低安装费用，就需要对拓扑结构、传输介质、传输距离等相关因素进行分析，选择合理的方案。

（2）灵活性。在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构必须具有一定的灵活性，能被容易地重新配置。此外，还要考虑原有结点的删除、新结点的加入等问题。

（3）可靠性。在局域网中有两类故障：一类是网络中个别结点损坏，这只影响局部；另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较为方便。