计算机网络基础知识：全媒体制播技术

1.计算机网络的定义

计算机网络是20世纪中期发展起来的一项新技术，是计算机技术和通信技术相结合的产物。计算机网络经历了由简单到复杂，由低级到高级的发展过程。概括起来可以分为四个阶段：远程终端联机系统阶段、计算机网络阶段、计算机网络的互联阶段以及信息高速公路阶段。20世纪60年代末至70年代初，美国ARPA网的成功开通，正式标志着计算机网络发展阶段的开始。

网络比较通用的定义是：计算机网络是利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和数据通信的系统。

计算机网络的定义涉及以下四个要点：

①计算机网络中包含两台以上的地理位置不同具有“自主”功能的计算机。所谓“自主”的含义，是指这些计算机不依赖于网络也能独立工作。通常，将具有“自主”功能的计算机称为主机（Host），在网络中也称为结点（Node）。网络中的结点不仅仅是计算机，还可以是其他通信设备，如HUB、路由器等。

②网络中各结点之间的连接需要有一条通道，即，由传输介质实现物理互联。这条物理通道可以是双绞线、同轴电缆或光纤等“有线”传输介质；也可以是激光、微波或卫星等“无线”传输介质。

③网络中各结点之间互相通信或交换信息，需要有某些约定和规则，这些约定和规则的集合就是协议，其功能是实现各结点的逻辑互联。例如，Internet上使用的通信协议是TCP/IP协议簇。

④计算机网络是以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源）共享为目的。要实现这一目的，网络中需配备功能完善的网络软件，包括网络通信协议（如TCP/IP、IPX/SPX）和网络操作系统（如Netware、Windows 2000 Server、Linux）。

计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，这主要体现在两个方面：一方面，通信技术为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。

计算机网络的主要功能：实现网络中的资源共享、使用远程资源成为可能、均衡负载、相互协作。

2.计算机网络的分类

计算机网络的分类依据有几种，按其网络覆盖的范围可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）；按其信息传输方式可分为因特网（Internet）和企业内部网（Intranet）；按其信息传输内容可分为文字网和视频网；按其信息传输协议可分为以太网、异步传输模式网（ATM）和光纤通道网（FC）等。

（1）按网络覆盖范围分

局域网：是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，覆盖范围通常是在半径几米到几千米。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。

决定局域网的主要技术要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。局域网由网络硬件（包括网络服务器、网络工作站、网络打印机、网卡、网络互联设备等）和网络传输介质以及网络软件所组成。网络的传输介质主要采用双绞线、光纤和同轴电缆。其特征是数据传输速率高，系统安装维护简便，网络产权归属个人或某一个机构，非运营性质，可以任意增删用户。建筑物中的计算机网络就规模而言属于局域网范畴，企业网和校园网一般也属于局域网。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网，包括以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）等。

目前，在覆盖范围比较小的局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术。从局域网应用的角度看，局域网的特点主要有以下几个方面：

①局域网覆盖有限的地理范围，它适用于一个单位有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。

②局域网提供高数据传输速率、低误码率的高质量数据传输环境。

③决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。

城域网：顾名思义，城域网就是指可以覆盖一个城市范围的计算机网络，通常网络的半径可以达到几十千米。城域网一般由专门的网络运营商管理和维护，可以承载多种业务的接入和分配，可以互联各种LAN，通信协议复杂，网络可靠性要求高，具有较高的网络安全要求。MAN一般采用光纤或微波传输技术。早期的城域网产品主要是光纤分布式数据接口（FDDI）。

FDDI是一种以光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用来互联局域网与计算机。FDDI主要有以下特点：

①使用基于IEEE802.5的单令牌的环网介质访问控制MAC协议。

②使用IEEE802.2协议，与符合IEEE802标准的局域网兼容。

③数据传输速率为100Mb/s，联网的结点数＜1000，环路长度为100km。

④可以使用双环结构，具有容错能力，和具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。

广域网：更大范围的计算机网络统称为广域网，由不同的网络或电信运营商共同管理和维护。除采用光纤和微波外，还大量使用通信卫星提供传输服务。常见的广域网有中国宽带互联网（CHINANET）、中国公用分组交换网（CHINAPAC）和中国公用数字数据网（CHINADDN）等。

提到广域网，必然会联想到因特网（Internet），两者是什么关系呢？因特网是一个特殊的网络，它的覆盖范围遍及全球。它的特殊之处在于在该网络中运行了一套专有的网络协议并有完整的网络地址分配与管理体制。

（2）按信息传输协议分类

①以太网

以太网是一种发展较早、应用广泛、技术成熟的局域网，具有结构灵活、配置简单方便、价格便宜等特点，现已广泛应用于企业内部管理等场合。主要包括标准以太网和高速以太网。

标准以太网：早期的以太网吞吐量为10Mbps，采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）控制方法，采用同轴电缆作为传输介质，支持10Base-T、10Base-5、10Base-2，传输距离可长达2公里。其特点是在局域网上的每个站都在监听，一个要发送数据的站如果发现总线在使用中，就会推迟发送，等待介质上出现空闲期，则该站点要延迟一段时间。因此当网上用户很多时，信号碰撞的频率会急剧加大，故传输容量不高。

百兆以太网：也称快速以太网。随着网络的发展，标准以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需要。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有光纤分布式数据接口（FDDI）可供选择，但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。它的速率为100Mpbs，支持100Base-TX、100Base-FX、100Base-T4三种传输介质类型。

千兆以太网：千兆以太网速率为1000Mpbs，也成为吉比以太网。它支持单模和多模光纤上的长波激光（1000 BaseLX）、多模光纤上的短波激光（1000 BaseSX）、均衡屏蔽的150欧姆同缆（1000 BaseCX）三种形式的存储介质。

万兆以太网：也称为高速以太网，或10G以太网。它采用IEEE802.3以太网媒体访问控制（MAC）协议、帧格式和帧长度。万兆以太网同快速以太网和吉比以太网一样，是全双工的，因此，它本身没有距离限制。

以太网技术具有灵活性高，网络构建实现简单，易于管理和维护等优点，但由于其与连接无关的特性，使管理开销增大，节点间竞争传输媒介而导致传输效率下降。

②异步传输模式网

异步传输模式ATM是Asynchronous Transfer Mode的缩写，又称信息元中继。它采用超大规模集成电路（VLSI）技术，对需要传送的各种数据高速地进行分段处理，将它们分成一个个的信元，每个信元长53个字节，其中报头占5个字节，包含着重要的路由信息，即送至何方，另外包含数字信息48个字节，用来传送要发送的信息，ATM信元结构图如图9-1所示。当发送端想要和接收端通信时，通过UNI发送一个要求建立连接的控制信号，接收端通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，一个虚拟线路就会被建立。

图9-1　ATM信元结构

ATM是为支持宽带综合业务网而专门开发的网络新技术，它采用基于信元的异步传输模式和虚电路结构，根本上解决了多媒体的实时性及带宽问题，实现了面向虚链路的点到点传输，它通常提供155Mbps的带宽。既汲取了话务通讯中电路交换的“有连接”服务和服务质量保证（QoS），又保持了以太网、FDDI网等传统网络中带宽可变、适于突发性传输的灵活性，从而成为迄今为止适用范围最广、技术最先进、传输效果最理想的网络互联手段。

③光纤通道

光纤通道（FC：Fibre Channel）是美国国家标准委员会（ANSI）1988年为网络和通道接口建立的一个利用光纤（或铜缆）作为物理链路的高性能串行数据接口标准。光纤通道是为了满足高端工作站、服务器、海量存储网络系统等多硬盘系统环境的高数据传输率的要求，而将高速的通道和灵活的网络结合在一起的，传输率高达1Gbps的高速传输技术。它支持IP、ATM、HiPPI、SCSI等多种高级协议，其最大的特点是将网络和设备的通信协议与传输物理介质隔离，允许多种协议在同一个物理连接上同时传送，以实现大容量、高速度信息传输，因此，它既是一种高速的I/O技术，又是一种局域网技术。

FC遵从OSI标准和开发性标准，支持点对点、仲裁环和交换式三种网络结构。点对点结构类似于SCSI连接方式，计算机直接与存储设备连接。仲裁环结构为环路共享结构，环路上的节点之间存在通道竞争，类似于HUB连接应用。交换式网络结构使用FC Switch，采用交换式数据流向，各网络节点之间独享端口带宽，具有较好的实用性。

光纤通道结构定义为多层功能级，但是所分的层不能直接映射到OSI模型的层上。光纤通道的五层定义为：物理媒介和传输速率、编码方式、帧协议和流控制、公共服务以及上级协议接口，如图9-2所示。

图9-2　光纤通道结构

A.FC-0

FC-0是物理层底层标准。FC-0层定义了连接的物理端口特性，包括介质和连接器（驱动器、接收机、发送机等）的物理特性、电气特性和光特性、传输速率以及其他的一些连接端口特性。物理介质有光纤、双绞线和同轴电缆。由于数字视音频的带宽要求，在视频非线性网络中将会采用高于1062MB/s的传输速率。光纤通道的数据误码率低于10-12，它具有严格的抖动容限规定和串行I/O电路能够进行正常管理的其他一些电气条件。

B.FC-1（传输协议）

FC-1根据ANSI X3 T11标准，规定了8B/10B的编码方式和传输协议，包括串行编码、解码规则、特殊字符和错误控制。传输编码必须是直流平衡以满足接收单元的电气要求。特殊字符确保在串行比特流中出现的是短字符长度和一定的跳变信号，以便时钟恢复。

C.FC-2（帧协议）

FC-2层定义了传输机制、包括帧定位、帧头内容、使用规则以及流量控制等。光纤通道数据帧长度可变，可扩展地址。光纤通道的数据帧长度最多达到2K，因此非常适合于大容量数据的传输。帧头内容包括控制信息、源地址、目的地址、传输序列标识和交换设备等。64字节可选帧头用于其他类型网络在光纤通道上传输时的协议映射。光纤通道依赖数据帧头的内容来引发操作，如把到达的数据发送到一个正确的缓冲区里。

D.FC-3（公共服务）

提供高级特性的公共服务，即端口间的结构协议和流动控制，它定义了三种服务：条带化（Striping）、搜索组（Hunt Group）和多播（Multicast）。条带化的目的是为了利用多个端口在多个连接上并行传输，这样I/O传输带宽能扩展到相应的倍数。搜索组用于多个端口去响应一个相同名字地址的情况，它通过降低到达“占线”的端口的概率来提高效率。多播用于将一个信息传递到多个目的地址。(www.xing528.com)

E.FC-4（ULP映射）

它是光纤通道标准中定义的最高等级，固定了光纤通道的底层跟高层协议（ULP）之间的映射关系以及与现行标准的应用接口，这里的现行标准包括现有的所有通道标准和网络协议，如SCSI接口和IP、ATM、HiPPI等。

由于FC采用较大的数据包进行传输，用于海量视音频的存储与传输极为理想，因此被许多计算机厂家推荐为电视节目制作设备的数字存储连接标准，从而在电视台全台网、媒体资产管理系统、制播系统中得到了广泛应用。

3.局域网组网技术

（1）同轴电缆组网

使用同轴电缆组建以太网是最传统的组网方式，根据使用的同轴电缆的不同，组建以太网的方式主要分为以下三种：

①粗缆方式

在使用粗缆组建以太网时，需要使用以下基本硬件设备：带有AUI接口的以太网卡；粗缆的外部收发器；收发器电缆；粗同轴电缆。

在典型的粗缆以太网中，常用的是提供AUI接口的两端口相同介质中继器。如果不使用中继器，最大粗缆长度不能超过500m。如果要使用中继器，一个以太网中最多只允许使用4个中继器，连接5条最大长度为500m的粗缆缆段，那么用中继器连接后的粗缆缆段最大长度不能超过2500m。在每个粗缆以太网中，最多只能连入100个结点。两个相邻收发器之间的最小距离为2.5m，收发器电缆的最大长度为50m。

②细缆方式

在使用细缆组建以太网时，需要使用以下基本硬件设备：带有BNC接口的以太网网卡；BNC T型连接器；细同轴电缆。

在典型的细缆以太网中，如果不使用中继器，最大细缆长度不能超过185m。如果实际需要的细缆长度超过185m，可以使用支持BNC接口的中继器。在细缆以太网中，最多允许使用4个中继器，连接5条最大长度为185m的细缆缆段，因此细缆缆段的最大长度为925m。两个相邻的BNC T型连接器之间的距离应是0.5m的整数倍，并且最小距离为0.5m。

与粗缆方式相比，细缆方式具有造价低、安装容易等优点。但是，由于缆段中连入多个BNC T型连接器，存在多个BNC连接头与BNC T型连接器的连接点，因而同轴电缆连接的故障率较高，使系统的可靠性受到了影响。目前，已极少采用粗缆、细缆组建局域网。

③粗缆与细缆混用方式

在使用粗缆与细缆共同组建以太网时，除了需要使用与构成粗缆、细缆以太网相同的基本硬件设备外，还必须使用粗缆与细缆之间的连接器件。粗缆与细缆混用方式的优点是造假合理，粗缆段用于室外，细缆段用于室内；缺点是结构复杂，维护困难。

（2）双绞线组网

使用双绞线组建以太网是一种流行的组网方式。它的优点是结构简单，造价低，组网方便，易于维护。

在双绞线组网方式中，集线器是以太网的中心连接设备，它是对共享介质的总线型局域网结构的一种变革。需要使用以下基本硬件设备：带有RJ-45接口的以太网网卡；集线器；三类或五类非屏蔽双绞线；RJ-45连接头。

按照使用集线器的方式，双绞线组网方法可以分为单一集线器结构、多集线器级联结构、堆叠式集线器结构。

（3）快速以太网组网

如果要组建快速以太网，需要使用以下基本硬件设备：100 BASE-T集线器/交换机；10/100 BASE-T网卡；双绞线或光缆。

100 BASE-T集线器的功能以及网络连接方法，与普通的10 BASE-T集线器基本相同。因此，以共享式100 BASE-T集线器为中心的快速以太网结构，与传统的以太网结构基本上是相同的。需要注意的是，在组建100 BASE-T的快速以太网时，快速以太网一般是作为局域网的主干部分。

（4）千兆以太网组网

如果要组建千兆以太网，需要使用以下基本硬件设备：1000Mb/s以太网交换机；100Mb/s集线器/交换机；10Mb/s或100Mb/s以太网卡；双绞线或光缆。

在千兆以太网组网方法中，需要合理地分配网络带宽，一般可根据网络的规模与布局，来选择合适的两级或三级网络结构。在网络主干部分使用性能比较好的千兆以太网主干交换机；在网络支干部分使用性能一般的千兆以太网支干交换机；在楼层或部门一级，根据实际需要选择100Mb/s集线器或以太网交换机；在用户层，使用10Mb/s或100Mb/s以太网卡，将工作站链接到100Mb/s集线器或以太网交换机上。

4.网络体系结构

网络拓扑是指网络形状，或者是它在物理上的连通性。计算机网络的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网型拓扑和混合型拓扑。

（1）总线型拓扑

总线型结构由一条高速公用主干电缆即总线连接若干个结点构成网络。网络中所有的结点通过总线进行信息的传输。这种结构的特点是结构简单灵活，建网容易，使用方便，性能好。其缺点是主干总线对网络起决定性作用，总线故障将影响整个网络。

总线型拓扑是使用最普遍的一种网络。

（2）星型拓扑

星型拓扑由中央结点集线器与各个结点连接组成。这种网络各结点必须通过中央结点才能实现通信。星型结构的特点是结构简单，建网容易，便于控制和管理。其缺点是中央结点负担较重，容易形成系统的“瓶颈”，线路的利用率也不高。

（3）环型拓扑

环型拓扑由各结点首尾相连形成一个闭合环型线路。环型网络中的信息传送是单向的，即沿一个方向从一个结点传到另一个结点；每个结点需安装中继器，以接收、放大、发送信号。这种结构的特点是结构简单，建网容易，便于管理。其缺点是当结点过多时，将影响传输效率，不利于扩充。

（4）树型拓扑

树型拓扑是一种分级结构。在树型结构的网络中，任意两个结点之间不产生回路，每条通路都支持双向传输。这种结构的特点是扩充方便、灵活，成本低，易推广，适合于分主次或分等级的层次型管理系统。

（5）网型拓扑

网型拓扑主要用于广域网，由于结点之间有多条线路相连，所以网络的可靠性较搞高。由于结构比较复杂，建设成本较高。

（6）混合型拓扑

混合型拓扑可以是不规则型的网络，也可以是点-点相连结构的网络。

OSI七层模型从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

①物理层：定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。

②数据链路层：在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。

③网络层：在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。

④传输层：是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少地工作。

⑤会话层：其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信（也称为对话）。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。

⑥表示层：为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作都由表示层负责。

⑦应用层：是开放系统互连环境的最高层，为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。

TCP/IP的层次模型分为四层，其最高层相当于OSI的5～7层，该层中包括了所有的高层协议，如常见的文件传输协议FTP、电子邮件SMTP、域名系统DNS、网络管理协议SNMP、访问WWW的超文本传输协议HTTP等。

TCP/IP的次高层相当于OSI的传输层，该层负责在源主机和目的主机之间提供端～端的数据传输服务。这一层上主要定义了两个协议：面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据报协议UDP。

TCP/IP的第二层相当于OSI的网络层，该层负责将分组独立地从信源传送到信宿，主要解决路由选择、阻塞控制级网际互联问题。这一层上定义了互联网协议IP、地址转换协议ARP、反向地址转换协议RARP和互联网控制报文协议ICMP等协议。

TCP/IP的最低层为网络接口层，该层负责将IP分组封装成适合在物理网络上传输的帧格式并发送出去，或将从物理网络接收到的帧卸装并取IP分组递交给高层。这一层与物理网络的具体实现有关，自身并无专用的协议。