6.1 网络操作系统概述

第六章网络操作系统教学要点本章主要内容包括网络操作系统的基本概念，各种网络拓扑结构的特点，网络操作系统的功能及其实现，网络通信技术——原语通信与远程过程调用，网络资源共享的概念，网络文件系统的概念与实现，以及Linux下网络文件系统的体系结构。读者应重点掌握网络操作系统的概念和功能以及网络通信方式，掌握网络资源共享技术。6.1网络操作系统概述6.1.1网络拓扑结构•计算机网络设计的第一步就是要解决在给定计算机的位置，以及保证一定的吞吐量、网络响应时间和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量与连接方式，使整个网络的结构合理并且价格低廉。•为了应付复杂的网络结构设计，引入网络拓扑（拓扑即topology，指网络是如何进行布线的）的概念。•计算机网络的拓扑结构有好多种，下面介绍几种常用的拓扑结构。1．总线型拓扑结构•总线型拓扑结构（bustopology）是用一条高速公用主干电缆（即总线，bus）作为公共传输通道连接若干结点所形成的网络结构。•如图6.1所示就是总线型拓扑结构。其中，图6.1（a）给出了实际的总线型局域网的计算机连接情况，图6.1（b）给出了总线型拓扑结构。结点总线冲突结点总线(a)（b）图6.1总线型拓朴结构•这种拓扑结构被认为是一种被动的拓扑，总线上的计算机只是监听并等候。•当它们听到总线上有属于自己的数据时，就接收数据（它们实际上通过网络接口卡进行监听）。•当它们准备发送数据时，先确定总线上没有其它计算机正在传送数据，然后再将它们自己的信息包发送出去。•由此可知必须采用某种介质访问控制规程来分配信道，以保证在一段时间内只允许一个结点传送信息。目前令牌传送访问控制规程已成为国际标准。总线型拓扑结构具有以下特点：•①总线型结构没有关键结点，单一的工作站故障并不影响网络上其它工作站的正常工作，可靠性较高。但是一旦总线出现故障将会造成整个网络的瘫痪。•②总线作为公共传输介质被各个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点同时通过总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”（collision），造成传输失败。“冲突”现象如图6.2所示。•③各工作站平等，都有权占用总线，不受某个站点的仲裁。•④所有结点都通过网卡直接连接到公共总线上。连接简单，易于安装，增加撤销网络设备灵活方便，但网络效率与带宽利用率低。(a)中央结点结点图6.2总线型局域网中冲突的发生2．星型拓扑结构•星型拓扑结构（startopology）的每一个结点都有一条点到点链路与中心结点（中心交换设备即集线器）相连，信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的。•图6.3为星型拓扑结构示意图，其中星型拓扑采用和总线拓扑一样的等候并监听策略接收数据或发送数据。•在这种结构的网络中，若某台计算机停机，则不会影响其它计算机间互相通信的能力。结点(a)中央结点结点（b）图6.3星型拓朴结构星型拓扑结构具有以下特点：•①结构简单，便于管理和维护，易于扩展。•②访问控制和诊断方便。•③过分依赖中心结点。•④费用较大。3．环型拓扑结构•环型拓扑（ringtopology）指各个网络结点通过环接口连在一条首尾相连接的闭合环形通信线路中。•6.4为环型拓扑示意图。环中的数据信息是单方向的逐站传送，是一种主动拓扑，因为环中的计算机实际上沿着环传递令牌（token）。•令牌是一种专用的数据包，有点像ATM卡，它给持有令牌的计算机以特殊的权力。如果一台计算机要向网络上发送数据，它就必须一直等到自己得到令牌。•环型拓扑中各站点通过中继器连在环路上，中继器一方面负责与自己所连的工作站交换信息，另一方面将接收到的信号以同样的速率、同样的方向传给下一结点，最后由终结点接收信息。结点（b）图6.4环型拓朴结构环型结构具有以下特点：①各工作站间无主从关系，结构简单。②传输速率高，距离远，传输信息长度不受限制，适合传输数据量大的场合。③中继器的增加使得费用加大，增加或去除计算机将打断网络的运行，即必须先断开原有环路。④中间若有工作站失效，则会影响到整个系统，可靠性较差。在大多数小局域网中，都不会用到环型拓扑，IBM令牌环和其它使用环的高速网络技术一般更多地用在大型网络中。在家庭或小办公室网络中通常用星型拓扑。4．网状拓扑结构•网状拓扑结构中网络结点与通信线路的互联呈不规则形状，每个结点至少与其它两个结点相连。•网状拓扑结构如下图6.5所示。此结构中的每一台计算机和其它计算机之间都有直接的线路相连，即使有线路坏了，也不会影响通信。国际互联网的主干网一般都采用这种结构。（b）图6.5网状拓扑结构（a）网状型拓扑结构具有以下特点：•①系统的可靠性高。任意两个结点之间都存在两条或两条以上的通信线路，因而当某一路径出现故障时，可选择另一条线路传输信息。•②可扩充性和灵活性好。这种网络可方便地增加新功能或增加新的连网计算机，扩充为更新或更大的网络。另外，这种网络可组建成各种形状，采用多种通信方式，很灵活。•③结构复杂，成本高。必须采用路由选择算法和质量控制方法，不易管理和维护，线路成本高。•要注意的是，选用不同的拓扑结构，要配置的网卡和采用的传输协议都是不同的。应根据环境中的要求来选择合适的拓扑结构，选用相应的网卡和传输介质，使网络达到较高的性价比。6.1.2通信与协议1．通信⑴数据通信的概念•通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语言、图形或图像。•数据通信就是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的0、1比特序列的过程。•图6.6是一个实际运行的邮政系统信件发送、接收过程示意图。•在层次式结构的网络中，利用上面例子的原理来进行对等实体间的通信活动。•不同系统中的应用进程，在进行数据通信时的信息流动过程如图6.7所示。通信者活动传送部门的邮件传输业务通信者活动邮局服务业务邮局服务业务邮局转送业务邮局转送业务阅览信件信件投递、信件分拣分发邮件、邮件拆包转送邮局、接受邮包书写信件、贴邮票、送邮箱收集信件、盖邮戳、信件分拣信件打包、送运输部门路由选择、运输发信者收信者图6.6邮政系统信件发送,接受过程源进程Ps目标进程Pd硬件接口硬件接口最高层次高层数据链路层图6.7对等实体通信图⑵通信过程的五个阶段•网络从执行各种操作开始到操作结束这一过程，称为通信过程。•但是通信过程不仅仅是一个单向数据传送的过程，还要引入除数据传送之外的各种操作。如要选择一条数据传送路径，保证数据传送的正确性等等。•这些非传送数据的操作，是各种为正确传送数据的目的而采用的辅助操作。•通信过程通常分为以下五个阶段：①建立链路②开始传送③交换数据④结束传送⑤断开链路⑶通信控制•通信过程中各个通信阶段是对通信控制操作的分解，建立链路时的各个操作不会在数据交换阶段重复出现。•同样，数据交换中的一些操作，对链路的建立和断开也是无用的。•数据交换阶段有些性能指标如误码率、传送时间等，必须有相应的操作来保证，而链路断开阶段会以相反的操作次序出现。•通信过程中对通信各阶段进行分解，将整个通信控制分成一组组操作，这样的一组操作就称为通信功能（CF，CommunicationFunction）。•每个通信阶段有自己的通信功能，如上述5个通信阶段对应5个主要通信功能：链路建立功能、传送开始功能、数据交换功能、传送结束功能和链路断开功能。通常一个通信阶段往往有一个以上的功能。•网络通信功能的形式描述就是通信协议。通信协议是一组通信规则的集合，是交互双方必须遵循的约定。2．协议（protocol）⑴基本概念与组成•协议其实就是通信的语言。两个网络之间相互进行通信必须使用相同的协议，也就是必须用相同的语言。•我们常听说过的外交协议类似于网络协议，它规定了两个外交官会见并讨论各种问题时使用的交流规则。•在计算机网络世界中，协议提供了计算机之间如何通信的规则。网络协议由以下三个要素组成：①语义。即规定通信双方“讲什么”，如需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。它说明字或报文的每一部分的含义，如报文的一部分可能是控制数据，而另一部分是通信信息等。语义用来解决什么是通信的问题。②语法。即规定通信双方彼此“如何讲”，用于决定用户数据与控制信息的结构与格式，关系到字的排列，并与报文的形式有关，例如ASCII或EBCDIC字符编码等。语法解决如何进行通信的问题。③时序。即对事件实现顺序的详细说明，例如，同步还是异步传输。时序解决何时进行通信的问题。⑵协议的分类协议通常是按特性来分类的，它有以下几类：①标准或非标准协议•标准协议涉及到各种各样的通信环境，而非标准协议则涉及到专用的通信环境（例如，将AT&T系统连到IBM系统）。②直接或间接协议设备可以是一种专用或交换（公用）网络的一部分。③整体或结构化协议一个协议是一整套规则，既可作为一个单元（整体）实施，也可以作为多个单元（结构化）实施。因为协议通常是复合的，可以比较方便地分成几部分，而每个部分又可分别执行。④对称或非对称协议如果一个系统主要是由地位类似的设备组成的话，就要采用对称协议。如果在某系统中包含一台计算机，它用来轮询和选择其它终端，该系统就应使用非对称协议，因为它涉及到地位不同的设备。⑶协议的功能①分割和重组②传输服务③寻址④信息流控制⑤多路传输⑥排序与同步⑦错误控制与连接控制⑧封装（Encapsulation）⑷协议的基本特点①层次性•因为网络结构是层次的，所以协议也是层次的。•在网络的数据通信中，协议用于对数据链、线路、会话及数据输出控制进行管理。•报文或数据的存取以及存储空间的安排，也要通过协议来实现。②可靠性如果协议要承担诸如连接、流量控制及信息的传送这样一些任务的话，那么它必须是可靠的。③有效性协议的选择是否有效，主要是以它的可靠性和所花的代价为标志的。代价是与用户要求直接相关的。可以总结出网络协议应该提供以下几方面的支持：•①高效且价格合理的操作；②低争用性；③便于扩展的模块化设计；④公共性测试和对数据库的存取操作；⑤资源共享；⑥动态重定义以及系统重构。•网络协议对计算机网络是不可缺少的，一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集，而且要以层次结构模型来组织。•与协议有关的另一个概念是规程（Procedure），所谓规程就是协议的具体实现。6.1.3网络操作系统的功能和构成1.网络操作系统的功能⑴较强的系统服务⑵丰富的应用程序⑶网络管理服务⑷对用户端的支持⑸分布式服务2.网络操作系统的构成⑴工作站网络软件①重定向程序Redirector其基本任务是对工作站所发出的请求进行正确的导向。②网络基本输入输出系统NETBIOSNETBIOS是网络应用程序与LAN硬件之间的界面程序，它可使网络应用程序以显示命令方式访问LAN设施，以实现工作站与服务器之间的通信。⑵网络环境软件•在服务器上配置网络环境软件包括多任务软件、传输协议软件以及多用户文件系统。•多任务软件可以使多任务高度并发执行，为它们提供良好的环境•多用户文件系统采用增加高速缓冲区、电梯调度算法等各种方法来提高访问文件的速度和保证文件的安全性。⑶网站服务软件一个局域网是否受用户欢迎，在很大程度上取决于NOS所提供的网络服务。⑷网络管理软件局域网一般设置四级访问控制来进行安全性管理：①系统级控制，用于控制用户的入网；②用户级控制，对不同的用户赋予不同的访问权限；③目录级控制，为各目录规定访问权限；④文件级控制。性能检测的范围有：服务器性能、硬盘性能、网络中的分组流量以及网络接口卡的操作等。6.1.4Linux网络操作系统的实现•Linux是一种网络操作系统，它具备了上面所讲的NOS的所有功能。•另外，Linux也同样装有软件等。•下面我们就来简略介绍一下Linux网络操作系统的各个网络部分是如何工作的。•Linux各个部分通过函数调用来实现通信，整个系统最后编译成一个大的内核文件，在系统启动时加载到内存中。其网络子系统与文件系统和内存管理系统的地位一样。•我们知道Linux使用的是TCP/IP参考模型，它的网络部分的层次结构如图6.8所示。•其中，PLIP、SLIP和E