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第9章 局域计算机网(2)

共享打印机中利用LAN打印服务器,用户仅可使用与一定文件服务器相连的打印机,或使用与网络上任何用户工作站相连的打印机。LAN管理器可以限制对一定打印机的访问。用户也可将几个文件发送到同一个打印机。这些特点和其它特点取决于使用的LAN软件特性。

LAN打印服务器之后,相继出现了其它类型的服务器,如通讯服务器、数据库服务器等。需要强调的是,LAN是通过将一组PC连接到指定为服务器的机器上来实现的,连接媒体可有多种,如同轴电缆等。

三、为什么需要LAN

一定数量的用户间共享资源是LAN的最初的目的,并能维持连入网络的各种机器本身原有的重要功能。当然,现在共享资源的方法比以前更加完善了。例如,LAN可使多台PC机共享一台费用较高的激光打印机。

用户还可以共享公共数据。由于LAN的这一持性,出现了很多更加完善的技术。LAN的最初方法是将网上PC机的共享数据放入一个中心文件服务器中。服务器通常由一台PC机组成,代表LAN上的用户专门管理数据。这种方法效率较低,而且服务器和PC机之间的数据流随PC机的增加,或工作量的增大而可能使LAN产生阻塞。产生这种问题的原因是,每当用户希望访问服务器上的一个记录时,便进行搜索,数据库中的每个记录经过LAN从文件服务器发送到请求信息的PC机,直到接到所需的文件记录为止。

客户/服务器技术可以避免出现这个问题。客户/服务器方式能使LAN和其上的PC机操作更为有效。从本质上说,应用可分为两部分,一部分运行在用户的微机上,另一部分运行在中心服务器上。如果用户希望访问某一个记录,他便向服务器发送请求,中心服务器将在自己的机器上定位用户请求的那个记录,并响应用户请求,将记录发往请求它的PC机。因为这种方式不再需要将其它记录发到LAN上,所以具有较高的效率,并能减少LAN上的信息阻塞。

客户/服务器计算方式在即使是较小的LAN上,也越来越重要,这是因为在开发LAN各种应用时将会利用这种技术。用户的PC机随后只需集中到它要处理的任务上,如信息表示和在用户控制下的诸如字处理和电子表格之类的服务。中心服务器则集中到由若干LAN用户共享的服务上,如管理公共数据。

如果在较小的LAN上专门设置一个服务器,在成本上是不大合算的。在这种情况下,有些PC机要负担起双重作用,即作为数据库服务器,也作为客户。这样形成的小型LAN,各PC机能以灵活和有效的方法相互通信和共享信息。

四、LAN的基本部件

应该由谁来组成LAN的基本部件呢?LAN既然是一种计算机网络,自然少不了计算机,特别是个人计算机(PC)。几乎没有一种网络只由大型机或小型机构成。因此,对于LAN而言,个人计算机是一种必不可少的构件。计算机互连在一起,当然也不可能没有传输媒体,这种媒体可以是同轴电缆、双绞线、光缆或辐射性媒体。第三个构件是任何一台独立计算机通常都不配备的网卡,也称为网络适配器,但在构成LAN时,则是不可少的部件。第四个构件是将计算机与传输媒体相连的各种连接设备,如DB-15插头座、RJ-45插头座等。具备了上述四种网络构件,便可搭成一个基本的LAN硬件平台。

LAN硬件环境是必备的,同时还需要控制和管理LAN正常运行的软件,所谓NOS是在每个PC机原有操作系统上增加网络所需的功能。例如,当需要在LAN上使用字处理程序时,用户的感觉犹如没有组成LAN一样,这正是LAN操作发挥了对字处理程序访问的管理。在LAN情况下,字处理程序的一个拷贝通常保存在文件服务器中,并由LAN上的任何一个用户共享。综上所述,需要下述5种基本结构组成LAN:

①计算机(特别是PC机);

②传输媒体;

③网络适配器;

④网络连接设备;

⑤网络操作系统。

五、网络操作系统

网络的心脏和灵魂——网络操作系统(NOS),它是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统,它在计算机操作系统下工作,使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。例如前面已谈到的当你在LAN上使用字处理程序时,你的PC机操作系统的行为像在没有构成LAN时一样,这正是LAN操作系统软件管理了你对字处理程序的访问。网络操作系统运行在称为服务器的计算机上,并由连网的计算机用户共享,这类用户称为客户。

由于提供不同的服务类型,NOS有别于运行在工作站上的单用户操作系统或多用户操作系统。一般情况下,NOS是以使网络相关特性最佳为目的的。如共享数据文件、软件应用以及共享硬盘、打印机、调制解调器、扫描仪和传真机等。一般计算机的操作系统,如DOS和OS/2等,其目的是让用户与系统及在此操作系统上运行的各种应用之间的交互作用最佳。

一般网络操作系统对文件的加锁功能,防止了一次由一个以上的用户对文件进行访问。如果没有这种功能,将不会正常工作。文件加锁功能可跟踪使用中的每个文件,并确保一次只能一个用户对其进行编辑。文件也可由用户的口令加锁,以维持专用文件的专用性。

另外,LAN用户和LAN打印机之间的连接,受NOS负责管理。NOS总是跟踪每一个可供使用的打印机以及每个用户的打印请求,并对如何满足这些请求进行管理,使每个端用户的操作系统感到所希望的打印机犹如与其计算机直接相连。

NOS也管理着每个网络设备之间的通信,这是通过NOS中的媒体访问法来实现的。

NOS的各种安全特性可用来管理每个用户的访问权利,确保关键数据的安全保密。因此,NOS从根本上说是一种管理器,用来管理连接、资源和通信量的流向。

(第三节)局域网的特点

局域网技术成了计算机网络中最热的研究和应用对象之一,也是目前技术发展最快的领域之一。严格定义局域网是比较困难的。但一般认为具有以下三个特点的计算机网络称为局域网:

(1)局域网覆盖有限的地理范围,适用于有限范围(单位内部)内计算机的连网需求;

(2)局域网具有高的数据传输速率(10-100Mbps)、低的误码率(<10-9);

(3)局域网的所有权和经营权属于一个单位所有。

从技术角度看,决定局域网特性的主要技术要素是:网络拓扑、传输介质及介质访问控制方法。

局域网重要区别于广域网的是它所覆盖的地理范围。局域网一般为某个单位独立拥有,范围小、距离短,所以可以铺设专用的传输介质而不必采用公共电话网。从通信机制上它可以采用更为简单的机制,即从广域网的“存储转发”方式改变为“共享介质”方式。因此,在传输介质、介质存取控制方法上形成了自己的特点;在网络拓扑上也采用了简单的总线型、环型及星型结构。

一、局域网的拓扑构型

拓扑结构中点——点式的交换网采用的是存储/转发运行方式。这种方式每一个节点都要对经过的分组作存储,然后对收到的分组进行检错,并根据目的地址进行路径选择以转发到下一个节点去。以上的几个操作步骤使得分组在每个节点都要消耗一定的时间,这样就降低了传输效率,增加了用户的通信费用。

局域网可以实现小范围内的高速数据传输。局域网上连接的经常是价格低廉的微型计算机,因此,局域网不希望耗费时间和金钱在路径选择上。又由于局域网的误码率比广域网低得多,没必要在每一段线路上进行检错,所以局域网常采用广播型的拓扑构型。常见的有:总线型、星型和环型。

(一)总线型拓扑

局域网里最重要的拓扑构型是总线型拓扑,图(a)给出的是实际总线型局域网的计算机连接情况,图(b)是抽象的总线型拓扑构型。

总线型拓扑的特点是:

(1)所有的节点都通过相应的硬件接口连接到一条公共的传输介质上,这条公共传输介质就称为总线(bus);

(2)所有挂接到总线上的计算机(每一个称为一个工作站)都可以通过总线发送数据。但任一时刻只能有一个站发送数据。任一个站利用总线发送数据时,都采用广播的方式,即不论目的站是谁,总线上的所有站都能收到。

(3)由于所有挂接到总线上的计算机都利用总线发送数据,即总线为所有的站共享,这就有可能出现两个或两个以上站在同一时刻都要发送数据的情景,这种情况称作发生了“冲突”,冲突将造成发送失败。

(4)总线型拓扑既然是“共享介质”的拓扑,就必须解决多点访问总线时的“介质访问控制”问题,以解决发生冲突的问题。

总线型拓扑的优点是:结构简单,容易实现。

它的缺点是有冲突现象发生,重负载时传输效率急剧下降。

局域网总线型拓朴

(二)环型拓扑

局域网中还有一种常见的拓扑叫环型拓扑,其构形如图(a)所示。

环型拓扑的各个节点之间的信息传送通过一个闭合的环进行,环路是所有节点公用的传输信道,因此,环型拓扑的网络也存在介质访问方法的问题。环型网络每个节点都与两个相邻的节点相连,并构成一个闭合环路。同时,由于每个节点对上一个节点传来的数据,再通过接收/转发的方式发送给下一个节点,所以环中数据传输方向是单一的(如图(b)所示)。

(a)局域网环型拓扑

(b)环型拓朴中数据传输方向T-发送电路;R-接收电路环型拓朴

二、局域网介质访问控制方法

所谓介质访问控制是指控制多个节点,利用公共传输介质发送和接收数据的方法。介质访问控制方法要解决以下几个问题:某一时刻应该哪个节点发送数据?发送时会不会有别的节点也会发送?出现多个节点同时发送的情况时应该怎么办?等等。由于局域网是采用“共享传输介质”的方法,所以介质访问控制方法是局域网必须解决的共同问题。

目前有两种常用的介质访问方法:带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD和令牌环TokenRing方法。其中CSMA/CD方法用于总线拓扑,TokenRing方法用于环型拓扑。这两种方法的具体工作过程在介绍具体网络时再介绍。

三、局域网体系结构与IEEE802标准

(一)局域网体系结构

OSI参考模型的通信子网必须包括低三层,即物理层、数据链路层和网络层。局域网作为一种计算机通信网理应包括OSI的低三层,但由于局域网的拓扑非常简单,不需要进行路由选择。局域网不存在网络层。

因此,局域网的通信子网只包括物理层和数据链路层。局域网的物理层实际上由两个子层组成,其中,较低的子层描述与传输介质有关的特性,较高的子层集中描述与介质无关的物理层特性。

局域网的传输方式是采用公共传输介质进行传输,因此局域网要解决介质访问的问题。局域网的数据链路层也有两个子层组成:介质访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。不同的局域网采用不同的MAC子层,而所有局域网的LLC子层均是一致的。有了统一的LLC子层,虽然局域网的种类五花八门,但高层可以通用。局域网的低两层一般由硬件实现,这就是我们平常所说的网络适配器(简称网卡),高层由软件实现,网络操作系统是高层的具体实现。

(二)IEEE802标准

IEEE是通信领域的一个国际标准化组织,这个标准化组织有一个802委员会,专门研究和制定有关局域网的各种标准,目前已经制定出12个标准。

(1)IEEE8021标准,包括局域网体系结构、网络互连以及网络管理;

(2)IEEE8022标准,逻辑链路控制LLC。

(3)IEEE8023定义,CSMA/CD总线介质访问控制方法与物理层规范;

(4)IEEE8024,定义令牌总线(TokenBus)介质访问控制方法与物理层规范;

(5)IEEE8025,定义令牌环(TokenRing)介质访问控制方法与物理层规范;

(6)IEEE8026,定义城市网介质访问控制方法与物理层规范;

(7)IEEE8027,定义了宽带技术;

(8)IEEE8028,定义了光纤技术;

(9)IEEE8029,定义了语音与数据综合局域网技术;

(10)IEEE80210,定义了局域网的安全机制;

(11)IEEE80211,定义了无线局域网技术;

(12)IEEE80212,定义了按需优先的介质访问方法,用于快速以太网。

(第四节)以太网

以太网(Ethernet)可以说是世界上最普及的局域网网络技术。

以太网是由Xerox(施乐)、DigitalEquipment(DEC)和Intel(英特尔)三家公司开发的局域网组网规范,并于80年代初首次出版,称为DIX10。1982年修改后的版本为DIX20。这三家公司将此规范提交给IEEE(电子电气工程师协会)802委员会,经过IEEE成员的修改并通过,变成了IEEE的正式标准,并编号为IEEE8023。Ethernet和IEEE8023虽然有很多规定不同,但术语Ethernet通常认为与8023是兼容的。IEEE将8023标准提交国际标准化组织(ISO)第一联合技术委员会(JTC1),再次经过修订变成了国际标准ISO88023。

IEEE8023或以太网采用CSMA/CD传输方式(带有碰撞检测的载波侦听多路访问)。CS(载波侦听)指有关信号在线路上传播的方式。MA(多路访问)指所有计算机主机在希望时可通过线路发送数据,它们不必依次序。CD(碰撞检测)协助MA部分工作。因为主机不必依次序,所以有时,可能会同时发送讯号,相互碰撞。由于采用冲突检测技术,会有许多“你先请”或“不,你先请”等有礼貌协议。当出现冲突时,主机可以隔一段时间后再试。换言之,当数据在电缆上传输时,所有主机同时都会收到讯号。只有应该接收数据的主机才从线路上获取它,其他主机则不管它。

Ethernet上是按一定格式进行发送数据的,并将此数据格式称为帧。帧由8个字段组成,每一字段有一定含义和用途。每个字段长度不等,下面分别加以简述。

处于MAC帧开始处的字段为前导码字段,其功能是使接收器建立比特同步。

帧首定界符(SFD)是MAN帧的第2个字段,其功能是指示一帧的开始。

终点地址字段(DA)为第3个字段,用来指出帧要发住往的工作站。

源点地址(SA)处于终点地址字段之后,功能是指示发送该帧的工作站地址。