1、第 2 章计算机网络基础第 2 章计算机网络基础2.1 计算机网络发展计算机网络发展2.2 计算机网络的定义及分类计算机网络的定义及分类 2.3 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.4 计算机网络新技术计算机网络新技术第 2 章计算机网络基础2.1 计算机网络发展计算机网络发展1联机终端系统早期的计算机网络是以主机为中心的联机终端网络系统，如图2-1所示。它是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。第 2 章计算机网络基础图2-1 以单个主机为中心的联机终端网络第 2 章计算机网络基础在系统的主机前增设一个前置处理机(FEP，Front End Pr
2、ocessor)，用来专门负责通信工作，从而实现了处理数据与通信控制的分工，更好地发挥中心计算机的数据处理能力，其结构图如图2-2所示。20世纪60年代初美国航空公司建成的由一台计算机与分布在全美国的2000多个终端组成的航空订票系统SABRE-1，就是一种典型的计算机通信网络。第 2 章计算机网络基础图2-2 有FEP的联机终端系统第 2 章计算机网络基础2主机-主机网络阶段早期的联机终端系统只有一个处理机，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。主机-主机网络系统呈现出的是多个主机处理中心的特点，各主机通过通信线路连接，相互交互数据、传送软件，实现了连接的计算机之间的资源共享。图2-3
3、为主机-主机网络结构图。第 2 章计算机网络基础图2-3 主机-主机网络结构第 2 章计算机网络基础 根据当时美国军方提出的需求，这种新型的网络必须满足以下一些基本要求： (1) 和传统的电信网不同，这种新型的网络不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送。 (2) 新型的网络能够连接不同类型的计算机，即不局限于单一类型的计算机。第 2 章计算机网络基础 (3) 所有的网络节点都同等重要。因为网络必须经受得起敌人的核打击，所以在网络中不能有某些特别重要的节点，否则敌人将首先瞄准和摧毁这些重要的节点。 (4) 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。当网络中的某一个节点或链路被破坏时，冗余的路由
4、能够使正在进行的通信自动找到合适的路由，使通信维持畅通。 (5) 网络的结构应当尽可能的简单，但能够非常可靠地传送数据。 第 2 章计算机网络基础根据以上这些要求，分组交换(packet switching)的新型计算机网络应运而生。1968年，世界上第一个计算机网络ARPANET诞生。ARPANET的主要特点是资源共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机。图2-4为典型的ARPA网。第 2 章计算机网络基础图2-4 典型的ARPA网第 2 章计算机网络基础这里简单地介绍一下分组交换的概念。分组交换采用的是存储转发技术，图2-5为分组概念的图示。将欲发送的整块数据称为一个报文，在发送
5、报文前，先将较长的报文划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组。分组是在计算机网络中传送的数据单位，分组的首部称为“报头”。第 2 章计算机网络基础图2-5 分组的概念第 2 章计算机网络基础每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的节点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个节点交换机，用这样的存储转发方式，就能将分组传送到最终目的地。接收端收到分组后剥去首部还原出报文(这里假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃)。第 2 章计算机网络基础分组交换网的示意图如图2-6所示。分组交换是动态分配
6、传输带宽，即对通信链路是逐段占用的，而且以分组为传送单位和查找路由。分组交换不必先建立连接就能向其他主机发送分组，这样就能充分使用链路的带宽。分组交换的可靠性较高，有着完善的网络协议，其自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。第 2 章计算机网络基础图2-6 分组交换网第 2 章计算机网络基础ARPANET的试验成功使计算机网络的概念发生了根本的变化，采用崭新的“存储转发-分组交换”的原理，标志着真正的计算机网络时代的开始，由此广域网得到了极大的发展。后来，主机-主机网络系统体系慢慢向两种形式演变。一种形式是将通信任务从主机中分离，加入通信控制处理机(CCP)来专门处理主机之间的通信任务，其
7、结构图如图2-7所示。第 2 章计算机网络基础图2-7 有CPP的主机-主机网络第 2 章计算机网络基础由CCP组成的传输网络，称为通信子网。主机的集合称为资源子网，提供各种网络资源。资源子网建立在通信子网基础上(可多系统并存)，通信子网为资源子网提供信息传输服务。图2-8为以通信子网为中心的网络图。第 2 章计算机网络基础图2-8 以通信子网为中心的网络第 2 章计算机网络基础第二种演变就是随着通信子网规模的扩大，网络逐渐由私有扩大成为社会公用，原来的CCP成为了公共数据通信网。其优点有：降低用户系统建设成本，使通信线路利用率高、兼容性好。其结构图如图2-9所示。第 2 章计算机网络基础图2
8、-9 以公用数据通信网为中心的网络第 2 章计算机网络基础3标准化网络阶段20世纪70年代中期，价廉物美的个人计算机(PC)问世，使得一个企业或者部门可以很容易地拥有一台或者多台计算机，这样便形成了局域网。局域网的出现促进了计算机网络的发展，不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构标准化的原动力。20世纪70年代，进入了网络协议标准化的时代，也就是局域网时代的开始，其中具有代表性的网络协议是OSI、TCP/IP。第 2 章计算机网络基础 2.2 计算机网络的定义及分类计算机网络的定义及分类2.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义 关于计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、
9、自治的计算机的集合。若按此定义，则早期的面向终端的网络都不能算是计算机网络，而只能称为联机系统(因为那时的许多终端不能算是自治的计算机)。但随着硬件价格的下降，许多终端都具有了一定的“智能”，因而“终端”和“自治的计算机”逐渐失去了严格的界限。 第 2 章计算机网络基础计算机网络由网络硬件、网络软件和网络协议构成。如图2-10所示。网络硬件一般包括工作站、服务器、联网部件和通信介质。网络软件包括网络操作系统、管理软件、交换及路由软件、网络应用软件。网络协议依附于一定的网络体系结构，如ISO-OSI参考模型、TCP/IP等。目前起主导作用的网络体系结构为TCP/IP。第 2 章计算机网络基础图2
10、-10 计算机网络的构成第 2 章计算机网络基础2.2.2 几种不同的网络分类方法几种不同的网络分类方法1按网络的跨度分类 (1) 局域网(LAN，Local Area Network)。局域网也称局部区域网络，覆盖范围常在几千米以内，限于单位内部或建筑物内，常由一个单位投资组建，具有规模小、专用、传输时延小的特征。局域网一般由微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常为10Mb/s)。第 2 章计算机网络基础(2) 城域网(MAN，Metropolitan Area Network)。城域网也称市域网，覆盖范围介于局域网和广域网之间。例如覆盖一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市。城域网
11、可以为一个或几个单位所拥有，也可以是一种公共设施，用来将多个局域网进行互联。城域网的传送速率比局域网更高。第 2 章计算机网络基础 (3) 广域网(WAN，Wide Area Network)。广域网也称为远程网(long haul network)，覆盖范围通常在数十千米以上，具有规模大、传输时延大的特征。广域网的任务是长距离传送主机所发送的数据。连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。第 2 章计算机网络基础(4) 接入网(AN，Acess Network)。接入网又称本地接入网或居民接入网，它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术。接入网是个人
12、计算机、局域网和城域网之间的接口。接入网提供多种高速接入技术，使用户接入到因特网的瓶颈问题得到某种程度上的解决。图2-11给出了广域网、城域网、局域网和接入网的关系。第 2 章计算机网络基础图2-11 广域网、城域网、局域网和接入网的关系第 2 章计算机网络基础2按网络的拓扑结构分类(1) 星形网：指各工作站以星形方式连接成网。其结构示意图如图2-12所示。即网络有中央节点，其他节点(工作站、服务器)都与中央节点直接相连。它具有结构简单、便于管理、控制简单、便于建网、网络时延时间较小、传输误差较低等优点，但缺点也很明显，如成本高、可靠性较低、资源共享能力较差等。第 2 章计算机网络基础(2)
13、环形网：结构示意图如图2-13所示。网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中沿着一个方向从一个节点传到另一个节点。第 2 章计算机网络基础图2-12 星形拓扑结构示意图 第 2 章计算机网络基础图2-13 环形拓扑结构示意图 第 2 章计算机网络基础信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，简化了路径选择的控制；由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点的，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充，可靠性低，若一个节点发生故障，将会导致全网瘫痪，网络维护难，对分支节点故障定位
14、难。第 2 章计算机网络基础(2) 环形网：结构示意图如图2-13所示。网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中沿着一个方向从一个节点传到另一个节点。第 2 章计算机网络基础(3) 总线形网：各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制。公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样。各节点在接收信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。 第 2 章计算机网络基础其结构示意图如图2-14所示。总线形网络的特点为：结
15、构简单、可扩充性好。当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口即可与分支节点相连；当总线负载不允许时还可以扩充总线，使用的电缆少，且安装容易，使用的设备相对简单，可靠性高，但维护难、分支节点故障查找难。 第 2 章计算机网络基础图2-14 总线形拓扑结构示意图第 2 章计算机网络基础(4) 树形网：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，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或与其相连的线路发生故障都会使系统受到影响。其结构示意图如图2-15所示。第 2 章计算机网络基础图2-15 树形拓扑结构示意图第 2 章计算机网络
16、基础(5) 网状网络：在网状拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接。这种连接不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种结构。它的安装也复杂，但系统可靠性高，容错能力强，有时也称为分布式结构。其结构示意图如图2-16所示。第 2 章计算机网络基础图2-16 网状拓扑结构示意图第 2 章计算机网络基础3按网络的使用者进行分类(1) 公用网(public network)又称公众网，指国家的电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。公用的意思就是所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用。(2) 专用网(private network)是指某个部门为本单位的特殊业务的需要而建造
17、的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。第 2 章计算机网络基础4按网络的交换功能进行分类 (1) 电路交换：采用电话工作方式，具有建立链路、传输数据和释放链路三个阶段。通信过程中，电路交换自始至终占用该条线路，且不允许其他用户共享其信道容量。第 2 章计算机网络基础 (2) 报文交换：交换机采用具有“存储-转发”能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等线路空闲时，再进行用户数据的一次性传输。 (3) 分组交换：类同报文交换技术，但规定了交换机处理和传输的数据长度(称为分组)，不同用户的数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输。 (4) 混合交换：指在一个数据网中同时采用电路交换
18、和分组交换。第 2 章计算机网络基础5按功能分类(1) 通信子网：网络中面向数据传输或者数据通信的部分的资源集合，主要支持用户数据的传输。 (2) 资源子网：网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用。该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机以及面向应用的外设(如终端)、软件和可共享的数据等。第 2 章计算机网络基础2.3 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.3.1 计算机网络体系的形成计算机网络体系的形成图2-17所示的一般分层结构中，n层是n1层的用户，又是n+1层的服务提供者。 n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务，但实际上它通过n层还间接地使用了n1层以及以下所有
19、各层的服务。第 2 章计算机网络基础图2-17 层次模型第 2 章计算机网络基础(1) 发起通信的计算机必须对数据通信的通路进行激活(activate)。所谓“激活”就是要发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上被正确地发送和接收。(2) 要告诉网络如何识别接收数据的计算机。(3) 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。第 2 章计算机网络基础(4) 发起通信的计算机必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作。(5) 若计算机的文件格式不兼容，则至少其中的一个计算机能完成格式转换功能。(6) 对出现的各种差错和意外事故，如数据传送
20、错误、重复或丢失、网络中某个节点交换机出故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够接收到正确的文件。第 2 章计算机网络基础计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。换句话说，体系结构包括三个内容：分层结构与每层的功能、服务与层间接口及协议。采用层次结构的系统独立性强，即耦合程度低，上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务；适应性强，只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变；易于实现和维护，把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单元，使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易；使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。第 2 章计算机网络基础2.
21、3.2 网络体系结构的分层原理网络体系结构的分层原理1基本概念 实体是一个较为抽象的名词，表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 对等层，即两个不同系统的同级层次；对等实体，即分别位于不同系统对等层中的两个实体；接口，即相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务；服务，即某一层及以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层；协议，即通信双方在通信中必须遵守的规则。 第 2 章计算机网络基础网络协议有三个要素：(1) 语义，涉及用于协调与差错处理的控制信息。(2) 语法，涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。(3) 定时(Timing)，涉及速度匹配和排序等。在协
22、议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。第 2 章计算机网络基础协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则，但服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。第 2 章计算机网络基础2网络体系结构及划分所遵循的原则 层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。层次结构还有利于交流、理解和标准化。所谓网络的体系结构(Architecture)就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般
23、以垂直分层模型来表示(如图2-18所示)。第 2 章计算机网络基础图2-18 计算机网络的层次模型第 2 章计算机网络基础层次结构的要点： (1) 除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。 (2) 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 (3) n层的虚通信是通过n/n1层接口处n1层提供的服务以及n1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。第 2 章计算机网络基础层次结构划分的原则： (1) 每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻层产生影响。 (2) 层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。 (
24、3) 层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。第 2 章计算机网络基础 网络体系结构的特点是： (1) 以功能作为划分层次的基础。 (2) 第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n1层提供的服务。 (3) 第n层在向第n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。(4) 仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。第 2 章计算机网络基础2.3.3 开放系统互联开放系统互联/参考模型参考模型OSI/RM (1) 能够支持异种计算机之间的互联和通信；(2) 能够支
25、持多种通信媒体(提供多种通信控制规程，支持不同的线制和通信要求)；(3) 能够支持多种业务处理；(4) 能够支持高级的人机接口(图形I/O、文字处理、语音识别和合成处理等)；(5) 具有可扩充的能力(支持扩充的应用要求，适应新工艺、新技术的发展)。第 2 章计算机网络基础标准应当尽可能地包罗万象，应当尽可能地覆盖各个方面，而一个全面的标准的实现，不仅需要耗费较多的系统资源和投资，还要针对具体的应用。在20世纪80年代，许多大公司甚至一些国家的政府机构都纷纷表示支持OSI。当时看来似乎在不久的将来，全世界一定会按照OSI制定的标准来构造自己的计算机网络。 第 2 章计算机网络基础然而到了20世纪
26、90年代初期，虽然整套的OSI国际标准都制定出来了，但由于因特网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围，而此时，几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。由于上述原因，由国际标准化组织ISO制定的网络体系结构国际标准OSI/RM并未得到广泛的应用，而非国际标准TCP/IP却成为事实上的国际标准。第 2 章计算机网络基础2.3.4 OSI/RM的层次的层次 层次的划分是在逻辑上对通信功能的划分。层次不能太少，以使每个层次易于实现和管理；层次也不能太多，否则汇集各层功能的开销太大。ISO在上述分层的基础上,将OSI/RM定义为七个层次。 第 2 章计算机网络基础OSI包括了体系结构、服务定义和
27、协议规范三级抽象。OSI的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定；OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI各层的协议规范精确地定义了应当发送何种控制信息以及使用何种过程来解释该控制信息。第 2 章计算机网络基础如图2-19所示为OSI/RM参考模型，其对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU，Protocol Data Unit)，而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层数据段(Segment)，网络层分组(数据报)(Packet)，数据链路层数据帧(Frame)，物理
28、层比特(Bit)。第 2 章计算机网络基础图2-19 OSI/RM参考模型第 2 章计算机网络基础在如图2-19所示的OSI/RM七层模型中从下到上分别为物理层(PH，Physical Layer)、数据链路层(DL，Data Link Layer)、网络层(N，Network Layer)、传输层(T，Transport Layer)、会话层(S，Session Layer)、表示层(P，Presentation Layer)和应用层(A，Application Layer)。第 2 章计算机网络基础从图2-19中可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理媒
29、体连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统都是国际标准OSI 7498中使用的术语。通俗地说，它们相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机(IMP)。只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的IMP一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了。第 2 章计算机网络基础OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部(和尾部)。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。第 2 章计算机网络基础层次结构模型中
30、数据的实际传送过程如图2-20所示。图2-20中发送进程送给接收进程的数据，实际上经过发送方各层从上到下传递到物理媒体，通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。第 2 章计算机网络基础图2-20 数据的实际传送过程第 2 章计算机网络基础在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图2-20中的H7、H6、H2、H1，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。第 2 章计算机网络基础下面对各层功能作简要介绍。(1)
31、 物理层：定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输，具体涉及接插件的规格，“0”、“1”信号的电平表示，收发双方的协调等内容。第 2 章计算机网络基础(2) 数据链路层：比特流被组织成数据链路协议数据单元(通常称为帧)，并以其为单位进行传输。帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。第 2 章计算机网络基础(3) 网络层：数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分
32、组跨越通信子网从源地传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互联的问题。第 2 章计算机网络基础(4) 传输层：第一个端-端，也即主机-主机的层次。传输层提供的端到端的透明数据传输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，因此用统一的传输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。第 2 章计算机网络基础(5) 会话层：进程-进程的层次，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)。
33、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。会话层还提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据即可。第 2 章计算机网络基础(6) 表示层：为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示形式。为了让采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。第 2 章计算机网络基础(7) 应用层：开放系统互联环境的最高层。不同的
34、应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送访问和管理(FTAM)、传送标准电子邮件的文件处理系统(MHS)、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端(VT)协议等都属于应用层的范畴。第 2 章计算机网络基础1面向连接服务 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。在数据交换之前，面向连接服务必须先建立连接；当数据交换结束后，则必须终止这个连接。在传送数据时是按序传送的。面向连接服务比较适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。第 2 章计算机网络基础2无连接服务 无连接服务的另一个特征就是它不需要通信的两个实体同时是活跃的
35、。当发送端的实体正在进行发送时，它才必须是活跃的，接收端的实体并不一定必须是活跃的；只有当接收端的实体正在接收时，它才必须是活跃的。第 2 章计算机网络基础 无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速，但无连接服务不能防止报文的丢失、损坏、重复或失序。 表2-1示出了面向连接服务和无连接服务两种方式的区别。第 2 章计算机网络基础第 2 章计算机网络基础2.3.5 OSI/RM与与TCP/IP体系结构的比较体系结构的比较图2-21给出了OSI与TCP这两种体系结构的对比。图2-21中左边是已成为历史的OSI体系结构，右边是目前因特网使用的TCP体系结构(但也有些人将下面的网络接口层划分为两层，即网络
36、接口层和物理层，因而成为五层的体系结构)。第 2 章计算机网络基础图2-21 OSI和TCP/IP参考模型的对应关系第 2 章计算机网络基础TCP/IP的应用层为用户提供所需要的各种服务。它提供的主要服务有远程登录(Telnet)、文件传输(FTP)、电子邮件等，如图2-22所示。第 2 章计算机网络基础图2-22 TCP/IP的应用层第 2 章计算机网络基础TCP/IP的传输层为应用程序提供端-端通信功能。传输层有两个主要协议，即传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)、用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)，如图2-
37、23所示。TCP协议以建立面向连接的高可靠性的消息传输为目的，它负责把大量的用户数据按一定的长度组成多个数据包进行发送，并在接收到数据包之后按分解顺序重组和恢复用户数据。 第 2 章计算机网络基础图2-23 TCP/IP传输层的两种协议第 2 章计算机网络基础为了完成可靠的数据传输任务，TCP协议具有数据包的顺序控制、差错检测、检验以及再发送控制等功能。图2-24列出了TCP段格式。UDP协议提供无连接数据包传输服务，它把用户数据分解成多个数据包后发送给接收方。但是，UDP协议没有建立连接、数据包顺序控制、再发送和流量控制等功能，数据传送的可靠性由用户程序保证。第 2 章计算机网络基础图2-2
38、4 TCP段格式第 2 章计算机网络基础各字段的解释如下。源端口(Source Port)：呼叫端口的编号；目的端口(Destination Port)：被叫端口的编号；顺序号(Sequence Number)：数据的第一个字节的顺序号；确认号(Acknowledgment Number)：所期待的下一段的顺序号；报头长度(HLEN)：以32字节为单位的报头的长度；保留位(Reserved)：设置为0；第 2 章计算机网络基础编码位(Code Bits)：用于控制段的传输(如会话的建立和中止)，包括URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN六个位；窗口大小(Window)：接收方能够继续接
39、收的字节数；校验和(Checksum)：包括TCP报头和数据在内的校验和；紧急指针(Urgent Pointer)：当前顺序号到紧急数据位置的偏移量；选项(Option)：用于附加说明信息，一般应用中都是省略的；数据(Data)：上层协议数据。第 2 章计算机网络基础端口(socket)是应用层和传输层的接口。应用程序要调用相应的服务，就要使用特定的端口，端口号为16位。TCP和UDP都用端口号把信息传到上层。端口号指示了正在使用的上层协议。图2-25列出了一些常用的端口号及其所对应的服务。第 2 章计算机网络基础图2-25 常用的端口号及其所对应的服务第 2 章计算机网络基础TCP/IP保留
40、的端口号的范围为11023，其中小于255的端口号作为公共应用；2551023的端口号作为公司用；大于1023的端口号未作规定。TCP/IP的网际层使用的协议是互联网协议IP。它把传输层送来的消息组装成IP数据包，并把IP数据包传送给网际层。IP协议提供统一的IP数据包格式，以消除网际层各通信子网的差异，从而为信息发送方和接收方提供了透明通道。图2-26示出了网际层的四个主要协议。第 2 章计算机网络基础图2-26 TCP/IP的网际层的四个主要协议第 2 章计算机网络基础 2.4 计算机网络新技术计算机网络新技术2.4.1 网格技术网格技术图2-27示出了超级计算机中心。虽然超级计算机的处理
41、能力很强，但是它的造价极高，不能共享使用资源，仅限于一些国家级的部门，如航天、气象等部门才有这样的设备，不方便用户使用，因其应用程序可能大到无法执行。第 2 章计算机网络基础图2-27 超级计算机中心第 2 章计算机网络基础大约在1910年出现了电力网(Electric Power Grid)的概念，今天人们在用电的时候，无需考虑它是怎么产生的，其位置在哪里。图2-28为电力网的示意图。 第 2 章计算机网络基础图2-28 电力网示意图第 2 章计算机网络基础网格的示意图如图2-29所示。网格和电力网都有各自资源的资源提供者和消费者。对于电力网来说资源提供者就是发电站，对于网格来说资源提供者是
42、计算机等；对于电力网来说资源消费者就是各种消耗电能的设备，对于网格来说资源消费者就是使用网格计算能力求解问题的用户。第 2 章计算机网络基础图2-29 网格示意图第 2 章计算机网络基础广义上来讲，网格可以理解为一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。网格能够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成有效的、可靠的、标准的、同时还很经济的计算能力。除了各种类型的计算机外，这里的计算资源还包括网络通信能力、数据资料、仪器设备，甚至是人等各种相关的资源。基于网格问题的求解就是网格计算(Gird Computing), 其示意图如图2-30所示。第 2 章计算机网络基础图2-30 网格计算示意图
43、第 2 章计算机网络基础图2-31示出了互联网的发展。以E-mail为主要应用的第一代Internet把遍布于世界各地的计算机用TCP/IP协议连接在一起；第二代Internet则通过Web信息浏览及电子商务应用等信息服务，实现了全球网页的连通；第三代Internet将试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等，这就是网格计算。 第 2 章计算机网络基础图2-31 互联网的发展 第 2 章计算机网络基础网格计算将改变传统的Client/Server和Client/Cluster结构，形成新的Pervasive/Grid体系结构，这种体系
44、结构将使得用户把整个网络视为一个巨大的计算机，并从中享受一体化的、动态变化的、可灵活控制的、智能的、协作式信息服务，真正实现“网络就是计算机”的理念。一般把网格技术分为三类，如图2-32所示。第 2 章计算机网络基础 图2-32 网格技术的分类 第 2 章计算机网络基础(1) 数据(信息)网格：主要是实现数据的随需即取。 数据网格可以使一组分布、异构的数据成为一个单一的数据视图。 数据网格可以管理大量的、分布在不同领域的数据、存储和网络资源，兼顾本地和总体的安全策略，有效地安排资源的使用，具有高性能，同时兼顾速度和可靠性。第 2 章计算机网络基础(2) 计算网格：处理能力的随需即取。 根据应用
45、的需求和系统负载情况实时地分配服务器资源，优化系统效率。 为异构系统提供统一的界面，减少系统管理和配置的开销。第 2 章计算机网络基础(3) 服务网格：应用和服务的随需即取。 基于Web服务(Web Services)标准，提供异构平台的应用访问和集成机制。 缩短应用开发和集成的开销和时间，带来更高的可重用性、灵活性、扩展性和可用性。 随着新Web服务标准的发布，网格计算和Web服务正在走向统一。第 2 章计算机网络基础概括地将发展情况分为以下四个不同的阶段： (1) 自定义摸索方案。20世纪早期是网格的摸索期，当时的元计算及相关领域的工作涉及针对网格问题开发自定义方案。研究工作的焦点集中在使
46、系统运行并探究哪些是可能的。应用直接建立在互联网协议之上，从安全性、扩展性和健壮性角度考虑，应用知识有一些有限的典型功能，并且互操作不是它的主要关注点。 第 2 章计算机网络基础(2) Globus工作集。Globus Tookit工具包来源于Globus项目，Globus项目是国际上最有影响力的与网格计算相关的项目之一，是由来自世界各地关注网格技术的研究人员和开发人员共同努力的成果。Globus Tookit是一个开放源码的网格基础平台，基于开放结构、开放服务资源和软件库，并支持网格和网格应用，目的是为构建网格应用提供中间件服务和程序库。现在最新的版本是2005年1月31日发布的Globus
47、 Toolkit 4(GT4)。 第 2 章计算机网络基础(3) 开放式网格服务体系结构。2002年出现的开放式网格服务体系结构(OGSA)是一个具有多种实现的真正社区标准。特别是它包括了2003年发布的基于OGSA的GT3.0。OGSA建立在GT2之上，并极大地扩展了GT2的概念和技术。OGSA提供了一种框架，在该框架中，可以定义范围更广的可互操作的轻量级服务。OGSA提供了一种基础，在这个基础之上可组建由多个技术提供者组成的丰富网格技术生态系统。第 2 章计算机网络基础(4) 受管理的共享虚拟系统。OGSA初始技术规范的定义算是向前迈了一大步，但在完全的网格蓝图实现之前还有很多事情要做。建
48、立在OGSA的面向服务基础架构之上，人们将得到一个扩展的互操作服务和系统，它们既可以处理大量的实体，也可以处理小的设备描述，能够增加可视化的程度，提供丰富的共享形式，通过多种形式的主动管理来增强服务质量。第 2 章计算机网络基础当前最著名的网格体系结构有两个：一个是Globus项目提出的五层沙漏结构，另一个就是GGF提出的OGSA。Globus系统的体系结构如图2-33所示。第 2 章计算机网络基础图2-33 Globus系统的体系结构第 2 章计算机网络基础2.4.2 云计算云计算1云计算的定义云计算的定义：云计算(Cloud Computing)是一种新兴的商业计算模型，它将计算任务分布在
49、大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务。第 2 章计算机网络基础2云计算的特点云计算具有以下特点：(1) 超大规模。“云”具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。企业私有云一般拥有数百甚至上千台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。第 2 章计算机网络基础(2) 虚拟化。云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的、有形的实体。应用在“云”中某处运行，而实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。只需
50、要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现人们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。第 2 章计算机网络基础(3) 高可靠性。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更可靠。(4) 通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。第 2 章计算机网络基础(5) 高可扩展性。“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。(6) 按需服务。“云”是一个庞大的资源池，你按需购买；云可以像自来水、电、煤气那样计费。(7) 极其廉价。第 2 章计算机网络基础3
