1、3 计算机网络 在智能建筑中，人们基于不同的目的组建了各种各样的局域网，并将这些局域网与外面的广域网联接起来传递信息。3.1 计算机网络概述 3.1.1 计算机网络的发展概况 1)具有通信功能的单机系统 2)具有通信功能的多机系统 3)计算机网络 20世纪60年代中期，人们利用通信线路将多台计算机连接起来，成功地进行了计算机之间的通信，从而诞生了计算机网络。图3.1 具有通信功能的多机系统 计算机网络在其发展过程中主要经历了两种结构形式：一种是早期的以数据交换为主要目的的一级结构计算机网络，另一种是目前广泛使用的为实现资源共享和完成分布式处理为目的的两级结构计算机网络。4)局域网的兴起及广泛应
2、用和网络标准化开放化阶段 3.1.2 计算机网络的定义及其功能 1)计算机网络的定义 计算机网络的定义随着计算机技术和通信技术的不断发展，其内涵也各不相同。目前为大多数学者和工程技术人员所接受的定义是：凡将地理位置不同，具有独立 功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，用功能完善的网络软件进行管理和控制，以实现互相交换信息及共享网络资源的系统，称为计算机网络系统。2)计算机网络的功能 计算机网络的主要功能如下：信息的快速传递和集中处理 资源共享 均衡负荷和分布处理 综合信息服务 提高计算机的可靠性 3.1.3 计算机网络的应用 计算机网络的应用归纳为以下几个主要方面：信息交换 访问中央
3、及远程数据库 传送电子邮件 远程执行程序 网络会议 3.1.4 计算机网络的分类 计算机网络通常有以下几种分类方法：按覆盖的地理范围 分为广域网(又称为远程网)、局域网(本地网)和城域网(市域网)。按通信速率 分为低速网、中速网和高速网。按网络的拓扑结构 分为星形网、总线形网、环形网、树形网、网状网和混合形网。按传输介质 分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线介质网和混合介质网。按信息交换方式 分为电路交换网、分组交换网和综合交换网。按使用范围 分为公用网和专用网。下面简要介绍常见的按覆盖地理范围来分的3种网络。1)广域网(Wide Area Network)广域网(WAN)又叫远程网，其特点
4、是覆盖范围很广，从覆盖几个城市到一个国家甚至全球。2)局域网(Local Area Network)局域网(LAN)，顾名思义是在局部范围使用的计算机网络，其特点是：覆盖的地理范围有限，规模较小，网内计算机及有关设备通常局限于一个单位、一幢大楼甚至一个办公室内，分布范围一般不超过几千米。3)城域网(Metropolitan Area Network)城域网(MAN)的范围通常覆盖一个城市或地区，介于广域网和局域网之间，它是在局域网基础上发展起来的一类新型网络。3.2 网络体系结构和网络协议 3.2.1 组成计算机网络的两级结构 现在都把计算机网络设计成由两级结构组成的形式，一级是资源子网，一级
5、是通信子网。资源子网主要完成数据存贮、数据处理的功能，通信子网主要完成数据传输、数据交换的功能，如图3.2所示。图3.2 计算机网络的两级结构形式 资源子网 图3.2中的外层为资源子网，它主要由主计算机(H)、主计算机中的软件资源(如数据库和应用程序)和请求利用资源的用户终端(T)组成，它们称为访问结点，负责网络的数据处理工作，并向网络用户提供各种软、硬件资源和网络服务。通信子网 图3.2中的内层为通信子网，它主要由转接结点(NC)和高速通信线路组成。3.2.2 计算机网络体系结构 1)网络分层次体系结构的设计 建立计算机网络的目的是实现资源共享和信息交换，为达到这两个目的，网络中的结点计算机
6、必然要进行通信。但网络中的通信工作是十分复杂的，它要涉及到收发两端一系列相互作用、相互影响的过程。如果将它们作为一个整体来处理，今后要对它的某一部分进行改动，就会牵一发而动其全身，这种办法是不可取的，也是行不通的。如果采用类似于软件开发技术中结构化、模块化的设计技术，将其化整为零，就可以使问题大大简化，这就是通过分层和分层协议相结合的办法来解决这个问题。对结构化的网络协议，就将层和协议的集合称为网络体系结构。2)网络分层次结构的优点 因为各层的功能相对独立，给修改和更新工作带来极大的便利。随着软硬件技术的不断发展，各层次的协议很容易改变，每个层次的内部结构可以重新设计，但这些并不影响相邻层次的
7、接口和服务关系。由于各层次设计得相对简化，所以就可以采用最合适的软、硬件技术实现其功能。为满足一些特殊通信需要，一个层次中可以再划分出一些子层。当不需要某层的服务时，又可将该层旁路。易于维护。一个功能部件或接口上出现的问题不会影响整个网络系统，使查找故障的范围大大缩小。有利于促进网络标准化。因为各层的功能和提供的服务都有了明确的定义和说明，各厂商实现起来就有一个统一的标准，这样就为不同网络互联奠定了基础。3)关于网络协议的概念 网络协议就是：两个通信体之间通信时，对所传送信息内容的表示方式、理解方式以及应答方式等双方必须共同遵守的约定，即两者互相都能接受的、能保证通信的一些规则的集合。网络协议
8、由以下三部分组成：语法(Syntax)语义(Semantics)时序(Timing)3.2.3 ISO/OSI网络体系结构 1)ISO/RM参考模型 国际标准化组织(ISO)在1984年颁布了“开放系统互联”(OSI)的参考模型，简称ISO/RM参考模型。所谓开放系统互联(OSI)是指计算机在网络中的互连性、互通性和互操作性。ISO/RM模型运用分层结构技术，把整个网络的通信功能划分为7层，由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图3.3所示。图3.3 ISO/RM参考模型 2)关于OSI协议的说明 ISO/RM参考模型中各层的功能是通过符合协议的每一层软件
9、和硬件来实现的。国际标准化组织(ISO)除了定义ISO/RM参考模型外，已开发了或正在开发实现这7个层次功能的各种协议和服务标准(通常和CCITT合作)，这些协议和服务标准通称为“OSI协议”。ISO研究开发OSI协议的目的同样是想制定出能适合所有网络的国际标准。3)ISO/RM参考模型7层功能的概述 物理层 此层规定通信设备和传输介质的电气、机械特性，起到系统和传输介质之间物理衔接的作用，实现收、发两端通信链路的建立、保持和拆除功能。数据链路层 此层的功能是，使结点之间的数据传输分帧进行，各帧按顺序传送。网络层 此层负责把传输层送来的数据分组，并控制其传送，其中主要是进行路由选择。传输层 传
10、输层是整个协议层次中最核心的一层，它的作用是从会话层接收数据，然后再传给网络层，并用多路复用或分流的方式使数据传输高效地进行。会话层 会话层利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信，属于进程间通信范畴。表示层 表示层的功能是解释数据的含意，使应用层能够读懂。应用层 应用层负责建立网络中应用程序与网络操作系统间的联系，并且管理二者相互连接起来的应用系统以及系统使用的应用资源，提供直接面向网络最终用户的服务。3.2.4 几种常见的网络协议(1)TCP/IP协议 TCP/IP协议是由美国国防部高级计划研究署(ARPA)于20世纪60年代开始研究并成功开发出来的。T
11、CP/IP是多台相同或不同类型的计算机进行信息交换的一组通信协议所组成的协议集，它已成为一种网络体系结构，而TCP和IP是其中两个最重要的协议。TCP(Transmission Control Protocal)是传输控制协议，它的作用是，确保所有传送到某个计算机系统的数据能正确无误地到 达该系统。IP(Internet Protocal)是网络间互联协议，它的作用是，制定所有在网络上流通的数据包标准，提供可靠的数据传输服务。TCP/IP协议和ISO/RM对照，见图3.4。图3.4 TCP/IP与ISO/RM比较图(2)IEEE 802协议 IEEE 802协议是国际电气电子工程师学会(IEE
12、E)于1982年为局域网制定的有关标准。(3)IPX/SPX协议 IPX/SPX协议是在Novell网的操作系统Netware中使用的协议。3.3 计算机网络的硬件组成 3.3.1 广域网的基本组成 主计算机 终端 通信控制处理机 通信设备 通信线路 3.3.2 局域网的基本组成与一般结构形式 局域网的主要硬件设备如下：服务器(Server)客户机(Clients)网络连接设备 通信介质 局域网有图3.5所示几种基本拓扑结构。用得最多的是星型结构。图3.5 常见局域网的拓扑结构图3.5 常见局域网的拓扑结构图3.5 常见局域网的拓扑结构 3.3.3 常见的网络硬件设备 1)调制解调器 数字信号
13、变换成音频信号的过程称为调制(Modulate)，音频信号变换成对应数字信号的过程称为解调(Demodutule)。一般每个工作站既要发送数据，又要接收数据，所以总把实现调制和解调两个功能的电路板做在一个设备中，并称这个设备为调制解调器(Modulation demodutale,简称Modem)。图3.6是使用调制解调器进行远程通信的示意图。图3.6 远程信息通信系统中的调制解调器(1)调制技术 在调制解调器中的调制过程，是用数字信号去控制模拟正弦载波信号的3个参量幅度、频率、相位，让它们随数字信号的变化而变化，即能达到让其携带数字信号的目的。有3种最基本的调制方式，如图3.7所示。图3.7
14、 3种基本的调制方式(2)发送器 图3.9所示为Bell-103型Modem中发送器的工作原理。(3)接收器 工作于被动方Modem的接收器示意图如图3.10所示。图3.9 调制解调器发送原理图3.10 调制解调器接收原理图3.11 Modem的接线示意图 Modem有外置式和内置式两种，外置式如图3.11所示。2)异步通信适配器 因为Modem是用于数字信号和模拟信号之间变换的串行通信设备，所以必须在数据发送时将计算机内的并行位流转换成与这些设备兼容的串行位流，或在接收时将 Modem送来的串行位流转换成计算机内的并行位流，完成这个串并、并串转换功能的设备叫通信适配器。通信适配器一般和Mod
15、em配合使用，以实现计算机的远程通信功能。按通信规程来划分可分为两种，即异步通信适配器和同步通信适配器。3)网络接口卡 网络接口卡(NIC)简称网卡，又称网络接口适配器(NAC)，它是安装在局域网每个网络站点(包括服务器)上的一块电路板。网卡的基本功能是，数据串并和并串转换、数据的打包与拆包、网络存取控制、数据缓存等，其功能方块图如图3.12所示。图3.12 网络接口卡基本功能 网卡一方面要和网络站点内部的RAM交换数据，另一方面又要用网络数据的物理路径所需要的速度和格式发送和接收数据。图3.13是一个简单局域网的组网配置示意图，由图可看出网卡的功能。图3.13 简单的局域网组网配置示意图 4
16、)传输介质 传输介质也称为通信媒体，它是网络传输信息的物理通路，主要有以下几种传输介质。双绞线 双绞线又可分成无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)，如图3.14所示。图3.14 双绞线(TP)图3.14 双绞线(TP)光缆 光纤的主要优点有：通带宽度非常宽，数据传输速率极高，在10 km的距离内可达20 Gbit/s，远远大于其他介质；误码率极低，一般小于10-9；抗干扰能力极强，几乎不受外界电磁场的干扰；传输损耗很低，其中的光信号可以传输十几km而不需要中继器；超级数据保密性，线路上信号无泄露，很难窃听。光纤的主要缺点是：光纤的连接比较困难，需用专门设备，光纤分支也很不容易。无线传输
17、介质 无线传输介质有微波、红外线、激光、卫星电波等。利用无线媒介组成的计算机网络也称为无线网络。无线网络的优点是安装、移动及变更都很容易，不受环境限制，特别适合于海上及空中，在军事、野外等特殊场合非常适用。5)光纤收发器 光纤收发器是用来将光信号变成电信号，以及将电信号变成光信号的设备。6)集线器 集线器又称HUB，HUB主要用于由双绞线组成的局域网中。7)常用网络互联设备 网络互连是局域网发展的必然趋势。网络互联主要指LANLAN、LANWAN、WANWAN、LANWANLAN之间的连通性和互操作能力。局域网互联的形式主要有以下2种：同构型局域网互联：被连接的各个局域网具有相同的体系结构和通
18、信协议。异构型局域网互联：被连接的各个局域网的体系结构和通信协议不相同。(1)网桥 网桥又称桥接器，它的操作涉及到ISO/RM的数据链路层，如图3.17所示。图3.17 网桥的功能 网桥主要用于连接下二层异构的LAN。(2)路由器 路由器工作在ISO/RM的网络层，如图3.18所示。路由器主要用于两个以上的异构型局域网互联，或LANWAN和WANWAN之中。图3.18 路由器的功能(3)网关 网关在数据通信术语中又称为协议转换器(Protocal converter)，它工作在ISO/RM中的传输层到应用层，如图3.19所示。图3.19 网关的功能 3.4 局域网举例 局域网主要用于办公自动化
19、、工厂自动化、企业管理信息系统、生产过程实时控制、军事指挥和控制系统、辅助教学系统、医药管理系统、银行金融系统、商业系统等方面。3.4.1 以太网(Ethernet)1)以太网概述 以太网采用IEEE 802.3协议，它是最灵活同时也是应用最广泛的一种LAN。2)双绞线构成的以太网组网设计(1)硬件设备 网卡 无屏蔽双绞线(UTP)集线器(HUB)图3.20 双绞线以太网硬件网卡、RJ-45插头，如图3.20所示。(2)组网设计 双绞线以太网一般均采用8芯(4对)非屏蔽双绞线(UTP)，网络结点通过双绞线以HUB为中心作星型连接，同时，HUB也可以作为一个结点与另一个HUB连接，如图3.21所
20、示。图3.21 由3级Switch HUB及HUB组成的以太网 3)双绞线与光缆构成的以太网 4)双绞线与同轴电缆构成的以太网 3.4.2 Intranet网 1)Intranet网概述 Intranet是近几年来出现的一种新型局域网，由于其独特的优点，目前发展异常迅速，已成为局域网中的后起之秀，有人称它为“网内网”，也有人直接称它为“企业网络”。图3.22 粗缆、细缆和双绞线的混合网络 Intranet是以WWW技术为基础建立的企业信息网。Intranet的体系结构可分为以下5个层次：应用、Web文件编辑工具、内容语言、浏览器与服务器、通信协议，如图3.23所示。图3.23 Intranet
21、的体系结构 2)Intranet组网设计 以某高校所建校园网为例加以说明。该网络的主要功能分为3类：基本功能 域名服务(DNS)、电子邮件(E-mail)服务、环球信息网(www)服务；其他服务功能 新闻讨论组(News Group)服务、文件传输服务(FIP)等；应用功能 采用WWW技术，并与动态的数据连接，实现数据库应用功能。该校根据具体情况，将整个网络设计成由校内主干网和各教学单位、部门子网组成的二级星型以太网结构形式，如图3.24所示。图3.24 校园网二级结构图(1)主干网设计方案 采用较先进的高速以太网技术，在全校信息中心(设在中心机房内)设置1台主干网高速交换机(即交换式集线器)
22、，以星型方式分别连接图书馆、教学大楼等各单位和部门的子网，以及邻近高校的网络，实现了信息中心与学校各单位、部门以及外校的快速连接。信息中心设置2台主服务器，面向全校提供主数据库服务、WWW服务和E-mail服务等，2台主服务器用超五类双绞线连于主干网交换机上。中心机房在校直属机关楼内，处于学校中央的位置，与各单位、部门的距离在200400 m。因为距离较远，所以选用光纤作为传输介质与这些部门相连，这样可以充分保证数据传输速率不受影响，同时，还能大大增强抗各种电磁干扰的能力，使网络信息快速、可靠的传输。由于学校申请的IP地址较少，为了满足很多用户访问Internet的需要，设置了1台代理服务器，
23、代理服务器连接路由器，路由器再通过串行接口连接Modem，最后连到公共电话网(PSTN)，从而进入Internet。代理服务器也设置于信息中心，用超五类双绞线连于主干网交换机上。将主干网交换机用光缆与邻近高校(相隔1 km远)校园网连接，通过邻近高校连接中国教育科研网。校园主干网的设备连接如图3.25所示。(2)二级子网设计方案 以子网交换机为中心，用星型方式连接各个网络工作站，也可以再往下分级接HUB，使系统具有很大的灵活性和可扩展性。学校第二步拟在教职工宿舍楼及学生宿舍楼设置子网交换机，使师生的计算机能方便的与校园网连接。每个子网设置1台子网服务器，存储各单位、部门有关的专业信息。因为一个子网一般都在一幢建筑物内，连接子网服务器与每个工作站的电缆长度一般都在150 m以内，所以选用了超五类双绞线作为子网服务器与每个工作站的连接线，完全能够保证数据传输速率。二级子网的设备连接示意图如图3.26所示。图3.26 二级子网设备连接图 图3.27是该校校园网光缆连接图和主干网主要设备连接示意图。图3.27 校园网光缆以及主要设备连接图
