1、第1章 计算机网络基本知识1.1 计算机网络的形成和发展计算机网络的形成和发展1.2 计算机网络的基本概念计算机网络的基本概念1.3 计算机网络的组成与分类计算机网络的组成与分类1.4 计算机网络的常见拓扑结构计算机网络的常见拓扑结构本章介绍计算机网络的形成和发展，计算机网络的基本概念，计算机网络的组成与分类以及计算机网络的常见拓扑结构。1.1.1计算机网络发展的四个阶段计算机网络发展的四个阶段计算机网络最初是由美国国防部高级研究计划署创建的，当时的研究目的是为了实现资源共享。从20世纪60年代中期美国国防部在美国军内的计算机系统使用共享式系统开始，共享资源就成为计算机网络的主要应用。1.1
2、计算机网络的形成和发展计算机网络的形成和发展20世纪90年代中期，美国国家科学基金会宣布，不再向互联网提供资金，从此，网络进入市场经济时代，完全走上商业化道路。自此计算机网络技术取得了惊人的发展，可处理和传输信息的计算机网络形成了信息社会的基础，已深深地与我们的工作、生活、学习紧密相连，甚至改变了我们的思维习惯、工作方式和学习形式。计算机网络从形成到今天大致经历了四个阶段。1计算机网络的初始阶段计算机网络的初始阶段第一代计算机网络是联机终端网络，它是一种以单计算机为中心的联机系统。其联机形式包括从开始的一点通信和为了提高线路的利用率所使用的多点通信线路，如图1-1所示。从计算机技术来看，第一代
3、计算机网络由单用户独占一个系统发展到分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源。联机终端网络典型的范例是美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初开始联合研究、60年代初投入使用的飞机订票系统(SABRE-I)和美国通用电气公司1968年投入运行的信息服务系统(GE Information Service)。图1-1 单计算机联机系统2计算机网络的发展阶段计算机网络的发展阶段从20世纪60年代起，随着以多处理机为中心的网络的发展，计算机网络的负载均衡和单机的响应速度成为网络进一步发展的障碍。1968年，美国国防部高级研究计划署(ARPA)提出了ARPANET计划。1969年12月，美
4、国为了保障战争中计算机系统工作的不间断性，使用分组交换技术建成了有4个节点的网络，到20世纪70年代这一网络中的计算机扩展到几百台。分组交换网ARPANET以通信子网为中心，主机和终端构成用户资源子网。用户不仅能共享通信子网的资源，而且能共享用户资源子网的许多硬件和软件资源。这种以通信子网为中心的计算机网络被称为第二代计算机网络。人们把ARPANET作为第二代计算机网络的标志，其网络系统如图1-2所示。后来，与ARPANET连接的有卫星网SATnet以及与ARPANET签约的学校和政府机构各自的局域网等，共达到几千台主机，十万个以上的用户，形成了整个ARPANET互联网络。图1-2 分组交换计
5、算机网络3计算机网络互联阶段计算机网络互联阶段1972年，美国Xerox公司开发了以太网(Ethernet)技术，局域网技术逐渐成熟。1977年前后，国际标准化组织(ISO)成立了专门机构，提出了一个计算机能够在世界范围内互联成网的标准开放系统互联参考模型(Open System Interconnect/Reference Model，OSI/RM)，简称OSI。OSI模型的提出，为计算机网络技术的发展开创了新纪元。1984年，国际标准化组织(ISO)正式公布了开放系统互联参考模型(OSI)。OSI的提出及应用推动了国际互联网的发展。遵循网络体系结构标准建成的网络，通常被称为第三代计算机网络
6、。1984年，美国国家科学基金会决定将原用于军方的TCP/IP协议运用于ARPANET网络，并将此网命名为Internet。4信息高速公路阶段信息高速公路阶段进入20世纪90年代后，随着数字通信的出现，产生了第四代计算机网络，其特点是综合化和高速化。综合化是指将多种业务综合到一个网络中去完成。1992年，当时的参议员、美国前副总统阿尔戈尔提出了美国信息高速公路法案。1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划国家信息基础设施(National Information Infrastructure，NII)。所谓“信息高速公路”，就是一个高速度、大容量、多媒体的信息传输网络。其速度之快，是
7、当时网络传输速度的10000倍；其容量之大，一条信道就能传输大约500个电视频道或50万路电话。信息高速公路，即以光缆作为信息传输的主干线，采用支线光纤和多媒体终端，用交互方式传输数据、电视、语音、图像等多种形式信息的千兆比特的高速数据网。随着光纤技术的发展，网络的传输速度可达1000 Mb/s，真正达到网络信息传输的高速化。目前，计算机网络正处于向“网格计算”发展的时代，即将整个Internet整合成一个巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、通信资源、软件资源和知识资源的全面共享。1.1.2互联网的发展互联网的发展1Internet的发展的发展美国国家科学基金会(NS
8、F)在建立著名的计算机科学网(CSnet)之后，又转向建立横跨全美的国家科学基金会网NSFnet，这个网络可以说是走向Internet的真正起点。NSFnet后来成为Internet基干网，Internet起初就是以它为基础并连接其他几个网络而发展起来的。Internet一经出现，在短短几年时间里，就遍及美国大陆，并伸延到世界各地。中国科学院高能物理所从1987年起，通过国际互联网线路进入Internet并开始使用电子邮件，1991年以专线方式实现同Internet的连接，并开始为全国科学技术与教育界的专家提供服务。自1994年以来，高能物理网、中科院教育与科研示范网、国家教委科研教育网、国家
9、公共数据网以及其他一些计算机网，先后完成了同Internet的连接。随着Internet的发展，Internet 2应运而生。1994年，美国加州理工学院和欧州核研究机构(CERN)创下了第二代国际互联网(Internet 2)数据传输速度的新记录。目前，Internet 2的最高速度可达到10 Gb/s，下一代互联网研究组织正准备开发全球最快的新型互联网络，理论上最高网速可达100 Gb/s。2007年进行的中期拓展，全面覆盖、接入现有Internet 2网络的有46 000个组织。目前已有的Internet 2网络建立于1998年，速度只有10 Gb/s，新的Internet 2将10倍于
10、此，而如果能部署更高容量的电路，传输速度能达到400 Gb/s以上。根据Internet 2组织的计划，到2009年秋天，将设法把80束光放在同一根光纤里，从而向800 Gb/s的超高速度发起冲击。可惜的是，高速Internet 2与普通网络用户还有一段距离，新增的带宽主要供物理学家、天文学家等专业人士更好地收发数据、开展研究。也许我们至少还得再等3年，才能投入下一代互联网技术的怀抱。但从某种意义上来说，Internet 2已经成为全球下一代互联网建设的代名词。2我国我国Internet的发展的发展Internet在中国的发展历程可以大略地划分为三个阶段：第一阶段为19871993年的研究试验
11、阶段。这个阶段的网络应用仅限于小范围内的电子邮件服务。第二阶段为19941996年的起步阶段。1994年4月，中关村地区教育与科研示范网络工程进入Internet，从此中国被国际上正式承认为拥有Internet的国家。第三阶段从1997年至今为Internet在我国的快速发展阶段。国内Internet的用户数从1997年起基本保持每半年翻一番的增长速度。2007年1月23日，中国互联网络信息中心(CNNIC)发布报告显示，截至2006年底，我国网民人数达到了1.37亿，占中国人口总数的10.5%，北京市网民普及率也首次超过30%。报告同时显示，我国域名总数显著增加，其中，CN域名总数超过180
12、万，与2005年同期相比，增长幅度达到64.4%。上网方式的调查结果显示，使用xDSL、Cable Modem、专线等宽带上网的网民达到1.04亿人，占网民总数的75.9%。中国互联网进入宽带时期。3无线网络的发展无线网络的发展在美国，计算机无线网络广泛应用于移动办公，用户可以在无线网络的支持下随时“漫游联网”。在我国，把无线网用于计算机的移动漫游联网的应用不多，无线网主要用于没有适当线路和不易布线的远距离联网的场合，把距离相当远的两个网络联网。1995年9月美国标准化IEEE 802委员会制定了关于计算机无线网物理层和链路层的802.11协议的技术规范，建立了一个开放的标准。从此，随着具有良
13、好兼容性的无线网络产品的出现，网络传输层的功能进一步提高，从而，为无线网应用软件提供了很好的支持。随着无线网桥、路由器和中继器等更先进设备标准的推出，发展更快的数据传输速率，进一步扩大无线网络的能力和适用范围已成为可能。目前，无线通信正以前所未有的速度发展，3G时代也悄然临近。根据2007年统计数据表明，我国目前手机上网人数已达到1700万，手机上网即将成为互联网接入方式的新潮流。1.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义计算机网络是计算机技术与通信技术的结合，其定义有多种，通常定义为：计算机网络是利用通信设备和通信线路，将分布在不同地点的具有独立工作能力的计算机互相连接起来，按照网络协议进
14、行通信，实现信息交换和资源共享的计算机系统。1.2 计算机网络的基本概念计算机网络的基本概念有时，也称计算机网络为“一个互联的、自主的计算机集合”，其中互联表示计算机之间有交换信息的能力，互联方式可以自由选用传输介质，自主的计算机表示网络中的任何一台计算机都是独立自主的，没有明显的从属关系。计算机网络是多个计算机集合构成的系统。各个计算机相互通信，需要通信线路(由网络传输介质构成)和通信设备。各个计算机之间的信息交换和资源共享，必须在完善的网络协议和软件支持下才能实现。在这里，资源共享是指共享各计算机系统提供的资源，包括硬件、软件和数据信息等。1.2.2 计算机网络的功能与应用计算机网络的功能
15、与应用计算机技术和通信技术结合而产生的计算机通信网络，不仅使计算机的作用范围超越了地理位置的限制，而且也增大了计算机本身的威力，拓宽了服务。计算机网络主要具有以下功能：(1)数据通信。网络中的计算机之间可以进行数据传输，如电子邮件。(2)资源共享。网络中的所有用户或计算机可以共享网络中的数据和设备，如通存通兑。(3)提高系统的可靠性。可以通过设置用户或计算机对某些资源和设备的访问权限来保证系统的可靠性。均衡使用网络资源方面，如DNS；提高计算机的安全可靠性方面，如银行多服务器。(4)进行分布式处理。网络中的计算机可以共同作用完成一项复杂的数据处理，提高整个网络系统的处理能力。分布处理方面，将多
16、台性能不一定很高的计算机连成具有高性能的计算机网络。(5)网络的集中管理。每一个网络尤其是企业内部的局域网都有自己的网络管理员，负责整个网络系统的管理维护和控制，从而保证了网络的统一管理和控制。1.3.1 计算机网络的组成计算机网络的组成根据网络的定义，一个典型的计算机网络主要由计算机系统、数据通信系统、网络软件及协议三大部分组成。计算机系统是网络的基本模块，为网络内的其他计算机提供共享资源；数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；网络软件是网络的组织者和管理者，在网络协议的支持下，为网络用户提供各种服务。1.3 计算机网络的组成与分类计算机网络的组成与分类计算
17、机系统主要由主机(Host)构成。主机又称主计算机，负责数据处理和网络控制，它是构成网络的主要资源，可由大型机、中小型机和高档微机组成。局域网中的主机又称为服务器(Server)。数据通信系统主要由通信子网(Commumcation Subnet)构成。通信协议(Communication Protocol)是指通信各方事先约定和必须遵守的规则。1.3.2 计算机网络的分类计算机网络的分类计算机网络的种类繁多、性能各异。根据不同的分类原则，可以得到各种不同类型的计算机网络。下面从几个不同的角度来介绍计算机网络的分类。1按覆盖范围分类按覆盖范围分类按网络的覆盖范围和计算机之间互联的距离来分，计算
18、机网络包括局域网(LAN,Local Area Network)、城域网(MAN,Metropolitan Area Network)、广域网(WAN,Wide Area Network，(也称远程网RCN，Remote Computer Network)和国际互联网(Internet)。1)局域网局域网是指在一个较小地理范围内把各种计算机和其他网络设备互联在一起，并受网络操作系统管理的通信网络。它可以包含一个或多个子网，通常局限于几千米范围之内，一般指一个实验室、一个办公室、一栋大楼或一个单位的计算机连成的网络，主要应用于昂贵设备、文件和数据的共享及相互之间的通信(可以实现企业内部的无纸化办
19、公)。由于LAN具有较小的地理范围，一般使用数字传输介质，误码率低，其传输速率为101000 Mb/s，比WAN的传输速率快很多。局域网组建方便，使用灵活，是目前计算机网络发展中最活跃的分支。局域网若采用与Internet相同的协议，即构成今天人们所说的Intranet(企业内部网)。局域网具有如下特点：(1)地理范围有限，参与组网的计算机通常处在10 km范围内。(2)信道的带宽大，数据传输率高，一般为101000 Mb/s。(3)局域网大多采用总线型、星型或环型拓扑结构，其结构简单，容易实现。(4)网络控制一般趋向于分布式，从而减少了对某个节点的依赖性，避免或减少了个别节点故障对整个网络的
20、影响。(5)网络归组织拥有和使用，不受任何公共网络当局的规定约束，容易进行设备更新和新技术的应用，以不断增强网络功能。(6)误码率(二进制码元在数据传输系统中被传错的概率)低。误码率的公式表示为误码率=传输的二进制码元总数被传错的码元数2)城域网城域网是介于广域网与局域网之间的一种网络，其主要应用是互联城市范围内的许多局域网，它实际是把国家或地方多个部门的计算机连接起来。今天城域网的应用范围已大大拓宽，能用来传输不同类型的业务，包括实时数据、语音和视频等。城域网能有效地工作于多种环境，其主要特点如下：(1)地址覆盖范围可达100 km。(2)数据传输速率为45150 Mb/s。(3)工作站数大
21、于500个。(4)传输介质主要是光纤。(5)既可用于专用网，也可用于公共网。3)广域网广域网涉及范围较大，一般情况下，人们提到的计算机网络均指的是广域网，其最基本的特点就是站点分布范围广，从数千米到几万米，因此网络涉及的范围可以为一个城市、一个国家乃至世界范围，其中最著名的就是因特网(Internet)。例如：一个地区、一个国家或全球范围内建立的网络都是广域网，在广域网中采用统一的访问方式和网络协议。广域网的这个特点决定了它的一系列特性。单独建立一个广域网是极其昂贵和不现实的，所以广域网内用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供，网络由多个部门或多个国家联合组建而成，网络规模大，能实现较大范
22、围内的资源共享。但是，在广域网内部，由于传输距离远，需依靠传统的公共传输网进行通信，所以错误率较高，由于广域网布局不规则，使得网络的通信控制比较复杂，因此要求连接到网上的任何用户都必须严格遵守各种标准和规程。2按网络结构分类按网络结构分类1)以太网以太网(Ethernet)是目前使用最为广泛的局域网。以太网是一种由Xerox公司、DEC公司和Intel公司联合开发的数据通信网。建立该网的目的是把它视为分布式处理和办公自动化应用方面的工业标准。它使用同轴电缆或双绞线作为无源通信介质连接设置在本地业务现场的不同类型的计算机、信息处理设备和办公设备，不需要交换逻辑电路或由中心计算机来控制。以太网的站
23、点之间的数据采用共享或交换方式进行通信，所有接入网络的设备均使用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)协议，我们通常使用的局域网大多是以太网。以太网中的计算机多采用总线型或星型结构连接。2)令牌环网令牌环网中的计算机逻辑上连接成一个环型，令牌环网的每一个站点通过电缆与干线耦合器相连，主要用于大型局域网或广域网的主干部分。令牌环网中有一个令牌在网络上流动，获得令牌的计算机才有权发送数据，数据发送完毕后，释放令牌以方便其他计算机发送数据。令牌环网使用的操作系统大多数为UNIX操作系统。令牌环网的组建和管理非常繁
24、琐，只有专业人员才能胜任。令牌环网的一个很大的优点就是在重载时可以高效率地工作。3)令牌总线网令牌总线网在物理上是一个总线网，在逻辑上是一个令牌环网，它综合了以太网不能实时传送数据和令牌环网轻载时性能不高的特点，既有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，又具有令牌环网的无冲突和发送时延有决定上限的优点，但实现起来更加复杂。一般在网络既要求高可靠性又要求较强的实时性时，才会采用令牌总线网。3按用户存取和共享信息的方式分类按用户存取和共享信息的方式分类1)对等网络对等网络(peer-to-peer)中相连的计算机彼此处于同等的地位，不分主次，它们共享资源，每台计算机都能以同样的方式作用于对方。网络中
25、的每一台计算机都把自己的资源及资源允许情况告知网络，一台计算机可以登录到另一台计算机并访问它的信息，网络中的每一台计算机既可以作为服务器，又可以作为客户机。对等网的优点是网络造价低，允许数据和数据处理分布在一个很大的范围内，还允许用户动态地安排计算机需求。对等网的缺点是难以确定文件的位置，因为这些文件一般分布于整个网络，即在许多不同的计算机上，因此网络管理比较困难。2)客户机/服务器网络客户机/服务器(Client/Server)网络是一种基于服务器的网络，与对等网络相比，客户机/服务器网络提供了更好的运行性能。在客户机/服务器网络中，一台或数台服务器提供网络中的所有共享的资源，并管理网络中的
26、计算机和资源，所有共享的数据全部放在服务器上，客户机一般只访问网络中服务器提供的资源，而不提供共享资源，这种模式的网络管理方便，共享数据和设备集中管理，提供了更严密的安全保护功能，有助于数据的保存和恢复。4按网络的逻辑功能来分按网络的逻辑功能来分计算机网络按逻辑功能来分，可分为数据通信和数据处理。数据通信是指网络中的计算机之间可以进行数据传输；数据处理是指网络中的计算机可以共同作用完成一项复杂的数据处理，即进行分布式工作，整个网络系统的处理能力较高。5按网络的逻辑结构来分按网络的逻辑结构来分计算机网络从逻辑结构上分可分为通信子网和资源子网两部分。通信子网由通信控制处理机以及软件和高连通线路组成
27、，负责全网的数据传输、转接和通信处理。它主要包括通信线路(即传输介质)、网络连接设备(如网络接口设备、通信控制处理机、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器、卫星地面接收站等)、网络通信协议和通信控制软件等。资源子网包括所有主计算机系统的硬件、软件、数据库、终端以及与通信子网的接口设备等，负责全网的数据处理业务，并向网络提供自己的资源，同时也享用全网资源。它主要包括网络中所有的主计算机、I/O设备、终端、各种网络协议、网络软件和数据库等。在局域网中，资源子网主要由网络服务器和工作站组成；通信子网主要由传输介质、集线器、交换机和网卡等组成。一个典型的局域网如图1-3所示。图1-3 典型的局域网在
28、计算机网络中，通信处理机通过线路相互连接成通信子网。人们借用拓扑学的概念，将通信处理机称为节点，将通信线路称为链路，将节点和链路连接的几何构型称为网络的拓扑结构。网络拓扑结构是决定网络性能的主要因素。构造网络时首先要选择采用哪种网络拓扑结构来物理连接所有的节点及计算机系统。常见的网络拓扑结构有星型、总线型、环型、树型、网状拓扑结构等。1.4 计算机网络的常见拓扑结构计算机网络的常见拓扑结构1星型拓扑结构星型拓扑结构在星型拓扑结构中，将一台设备作为中央节点，该中央节点与各从节点(服务器、客户机等)采用点到点的方式连接，每个节点都通过分支链路与网络中心节点相连，如图1-4所示。如今流行以集线器(H
29、ub)充当中心节点，用双绞线作为分支链路而构成星型网络。网络中一个计算机发出的数据信息经集线器转发给其他计算机。在广播式星型网络中，集线器将信息发给其他所有节点，在交换式星型网络中，集线器只将信息发给指定的节点。星型结构具有配置方便、集中控制、故障容易隔断、扩展方便、可由集线器完成故障诊断和网络集中监视与管理、运行可靠等优点。缺点是通信电缆长度长、扩展困难、依赖于中央节点，而广播式星型网络系统还存在广播风暴。星型网络是目前应用最多的一种局域网类型。目前流行的快速以太网就是典型的星型网络。图1-4 星型拓扑结构2总线型拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构采用电缆(通常采用同轴电缆)作为公共总线，
30、各节点通过网卡直接连接到一条主干电缆上。在总线上，如果入网节点数少，总线可以是一段电缆；如果节点数多，则用几段电缆通过中继器相连来扩展总线长度，如图1-5所示。图1-5 总线型拓扑结构在总线型拓扑结构的网络中，各节点地位平等，都可以向总线发送信号。从一个节点发出的信号到达总线后，沿总线向两个方向同时传送，所有节点都可以检测到总线上的信号，并根据数据信号中的地址信息来确定是否接收。如果有两个以上的节点同时向总线上发送数据，数据信号就会在总线上相遇而发生信号冲突，造成信号出错，因此总线型网络需要解决信号冲突问题。总线型拓扑结构具有结构简单、费用较低、布线容易、增删节点方便、运行可靠的优点。缺点是故
31、障诊断和故障隔离较困难，传输信息中存在“瓶颈”问题。总线型结构是局域网中常用的拓扑结构。典型的总线型局域网是同轴电缆以太网，其传输介质为细缆10BASE-2和粗缆10BASE-5。3环型拓扑结构环型拓扑结构在环型拓扑结构中，所有节点连接成一个封闭的环路，信息沿某一个方向在闭合环路中逐个节点进行传递。其信息传递方式为令牌(Token)传递方式，令牌是一种“通行证”，只有获得令牌的节点才能发送数据，其他节点处于等待状态。令牌环(Token Ring)：在IEEE802.4标准中，关于令牌总线(Token Bus)的说法是从物理结构上看它是一个总线结构的局域网；从逻辑结构上看它是一个环形的局域网，如
32、图1-6所示。环型拓扑结构的几何构型是一个封闭的环。每个计算机连到中继器上，每个中继器通过一段链路(采用电缆或光缆)与下一个中继器相连，并首尾相接构成一个闭合环。信息在环内沿着某一方向逐个节点地传递。与星型结构相比，环型拓扑结构没有路径选择问题，信息发送是通过令牌传递方式来控制的。令牌可看成是一种“通行证”，只有获得令牌的节点才能发送数据，没有获得令牌的节点只能等待。在整个环路上只有一个令牌，所以不会发生冲突，这种网络性能比较稳定。图1-6 环型拓扑结构环型拓扑结构的特点是没有冲突，传输速度高，传输距离远，可用于超大规模网络，但其成本大，扩充不易。环型拓扑的优点是硬件结构简单，各节点地位平等，
33、系统控制简单，信息传送延迟主要与环路总长度有关。缺点是可靠性差，如果整个环路某一点出现故障，会使得整个网络不能工作；扩展性差，在网络中加入节点的总数受到介质总长度的限制，增删节点时要暂停整个网络的工作。环型拓扑也是局域网中常用的拓扑结构。常用的环型网有令牌环网(IBM Token Ring)和光纤环网FDDI。为了解决可靠性问题，FDDI一般将它的令牌环网设计成双环结构，而且该双环是逆向旋转的，利用第二环旁路故障站点实现故障自动恢复。4树型拓扑结构树型拓扑结构树型拓扑结构是星型结构的扩展，是一种多级星型结构。在一个大楼内组建网络可采用这种结构，其中，每个楼层内连成一个星型结构，各楼层的Hub再
34、集中到一个中心Hub上或一个中心交换机上，如图1-7所示。这种拓扑结构特别适用于分级管理和控制的网络。图1-7 树状拓扑结构5网状拓扑结构网状拓扑结构网状拓扑结构要求任意两个节点间都设置链路，但在实际网络中，从节省费用的角度出发，通常是根据实际需要在两个节点间设置直通链路。前者称为真正的网状拓扑结构，后者称为混合网状拓扑结构，如图1-8所示。图1-8 网状拓扑结构在网状拓扑结构中，由于两个节点间的通信链路可能有几条，可以考虑选择合适的一条或几条路径来传送数据。网状拓扑结构具有容错性能好、易于故障诊断、通信信道容量能有效保证等优点。缺点是安装和配置复杂、线路费用高。网状拓扑结构常用于广域网中或将
35、几个LAN互联时。第2章 局域网及网络体系结构2.1 计算机网络协议计算机网络协议2.2 局域网参考模型及协议标准局域网参考模型及协议标准2.3 局域网的基本组成局域网的基本组成本章介绍计算机网络的协议标准，OSI参考模型，TCP/IP协议标准的内容，网络的分类，IP地址与子网掩码，局域网的基本组成，常用的网络设备等。2.1.1 计算机网络协议计算机网络协议计算机网络协议就好比我们在日常工作、学习、生活中进行交流所使用的语言一样，计算机之间的交流也要使用某种语言，这种语言被称为协议。只有使用相同的协议，计算机才能正确地交换信息和共享资源。2.1 计算机网络协议网络协议是用来描述进程之间信息交换
36、过程的一个术语。网络中包含多种计算机系统，它们的硬件和软件系统彼此不同，要使它们之间能够相互通信，必须有一套计算机使用的通用通信语言。这就意味着当计算机之间彼此进行数据交换时，它们必须事先约定一种对方都能接受的规则。这种为实现网络系统中的数据通信和资源共享而建立的规则称为网络协议，它由语义、语法和交换规则三部分组成。2.1.2 OSI参考模型及协议标准参考模型及协议标准1ISO/OSI参考模型参考模型1984年，国际标准化组织(ISO)公布了一个作为未来网络协议指南的模型。该模型被称为开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型。OSI参考模型最大的特点是其开放性，“开放”表示任何两个遵守此参考模
37、型的系统都可以进行互联、互操作与可移植。2OSI七层模型七层模型OSI参考模型采用分层结构，如图2-1所示。在OSI七层模型中，每一层都为其上一层提供服务，并为其上一层提供一个访问接口或界面。不同主机之间的相同层次称为对等层。如主机A中的表示层和主机B中的表示层互为对等层，主机A中的会话层和主机B中的会话层互为对等层等。对等层之间互相通信需要遵守一定的规则，如通信的内容、通信的方式，我们将其称为协议(Protocol)。图2-1 OSI参考模型我们将某个主机上运行的某种协议的集合称为协议栈。主机正是利用这个协议栈来接收和发送数据的。两台计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间均
38、不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信，比如，两个对等的网络层使用网络层协议通信。只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信。OSI参考模型通过将协议栈划分为不同的层次，可以简化问题的分析、处理过程以及网络系统设计的复杂性。OSI参考模型只给出了一个原则性的说明，它并不是一个具体的网络。它将整个网络的功能划分为7个层次，从低层到高层分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。在OSI参考模型中，各层的数据格式不一样。物理层中的数据格式是二进制的比特(Bit)流，数据链路层中的数据格式是帧(Frame)，网络层中的数据格式是包(Packet)，传输层中的
39、数据格式是段(Segment)，以上各层中的数据格式分别为各层的协议数据单元(PDU)。当数据从一层传送到另一层时，支持各层的协议软件就负责相应的格式转化。数据格式转化的基本规律是：当数据经由上层传往下层时，在原数据上增加一个“头部”，即进行数据“封装”；反之，经由下层往上层，扔掉一个“头部”，即进行数据“拆封”。OSI参考模型中的数据传输过程如图2-1所示。在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据(DATA)时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头(Application Header，AH)，形成应用层协议数据单元(Protocol Data
40、Unit，PDU)，然后被递交到下一层表示层。表示层并不“关心”上层应用层的数据格式，而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行封装，即加上表示层的报头(Presentation Header，PH)，然后递交到下层会话层。同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头。它们是：会话层报头(Session Header，SH)、传输层报头(Transport Header，TH)、网络层报头(Network Header，NH)和数据链路层报头(Data link Header，DH)。其中，数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾(Data
41、link Termination，DT)形成最终的一帧数据。当一帧数据通过物理层传送到目标主机的物理层时，该主机的物理层把它递交到上层数据链路层。数据链路层负责去掉数据帧的帧头部DH和尾部DT(同时还进行数据校验)。如果数据没有出错，则递交到上层网络层。同样，网络层、传输层、会话层、表示层、应用层也要做类似的工作。最终，原始数据被递交到目标主机的具体应用程序中。2.1.3 OSI参考模型各层的功能概述参考模型各层的功能概述1物理层物理层(Physical)物理层的任务是为上一层提供一个物理连接，以便透明地传送比特流。物理层的主要功能包括提供物理连接；完成比特流传输通路的建立、维持和释放；提供各
42、种服务元素对传输通路进行监督；提供故障状态报告；规定机械、电气、功能和过程特性等。网络中的连接线缆如双绞线、同轴电缆、光纤等设备的电气特性就是由物理层来决定的。物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35和RJ-45等。2数据链路层数据链路层(Data Link)数据链路层的任务是在两个相邻的节点之间无差错地传递帧。数据链路层对其上一层即网络层隐蔽了物理现实，使网络层的连接与具体的网络技术无关。数据链路层所提供
43、的服务包括数据链路层的连接和释放、数据链路服务、数据单位的透明传送、数据单位和服务质量控制等。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。3网络层网络层(Network)网络层的任务是在网络节点间提供路由选择，以使发送站的传输层所传送下来的数据包能够正确地传输到目的站的传输层，这就是传输层的寻址功能。此处的“网络”二字是OSI的专用名词，不同于通常的网络概念，这一点必须清楚。对于一个通信子网来说，最多只有到网络层为止的最低三层结构。对于由广播信道构成
44、的通信子网，网络层非常简单，甚至可以没有。网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互联等功能。在这一层，数据的单位称为数据包(Packet)。网络层协议的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。4传输层传输层(Transport)传输层的任务是以经济可靠的方式在两个端系统(发送站和目的站)之间建立传输连接，以便透明地传送报文。传输层位于通信子网和资源子网之间，起桥梁作用。传输层以上的各层就不再管信息传输的问题了，所以，传输层是网络体系结构中最为关键的一层。传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传
45、输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。传输层协议的代表包括TCP、UDP、SPX等。5会话层会话层(Session)会话层的任务是组织并协调两个互相通信的应用进程之间的会话并管理它们之间的数据交换，即会话层不再参与具体的数据传送，而是对数据传送进行管理。会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。会话层协议的代表包括：NetBIOS、ZIP(AppleTalk区域信息协议)等。6表示层表示层(Presentation)表示层负责信息表示方法的转换。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于
46、OSI系统内部使用的传送语法。有了表示层，用户可以把精力集中在他们要交谈的问题上，而不必过多地考虑对方的某些特性。表示层对上层数据或信息进行变换，以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序所理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。表示层协议的代表包括：ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等。7应用层应用层(Application)应用层是OSI参考模型的最高层。应用层直接面向用户，提供完成特定网络服务功能所需的各种应用层协议。在OSI参考模型的七层结构中，应用层是最复杂的，所包含的应用层协议也最多，有些协议尚在研究与开发之中。应用层为操作系统或网络应用程序提供访问
47、网络服务的接口。应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。2.1.4 TCP/IP1TCP/IP协议标准协议标准TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议)标准是目前全球计算机网络通信中应用最为广泛的协议。TCP/IP并非国际标准，但是由于其应用的广泛性，已经成为事实上的国际标准。TCP/IP协议的开发始于20世纪70年代，是用于Internet的第一套协议，目前被广泛地应用于各种局域网中。TCP(传输控制协议)是一种提供给用户进程的、可靠的全双工字节流面向连接的协议；IP(
48、网际协议)主要负责主机间数据的路由和网络上数据的存储。其中包括传输控制协议TCP、网络协议IP、网际控制报文协议ICMP、数据报文协议UDP等。TCP/IP是一个四层模型，分为网络接口层、网络互联层、传输层和应用层，如图2-2所示。下面分别介绍各层的主要功能。图2-2 TCP/IP参考模型1)网络接口层网络接口层负责数据帧的发送和接收，它定义了将数据组成正确帧的规程和在网络中传输帧的规程。2)网络互联层网络互联层是整个TCP/IP协议栈的核心。它负责提供基本的数据包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收)，如网际协议(IP)。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时
49、，为了尽快地发送分组，可能需要沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，这就需要上层必须对分组进行排序。网络互联层除了需要完成路由的功能外，也可以完成将不同类型的网络(异构网)互联的任务。除此之外，网络互联层还具有拥塞控制的功能。网络互联层有四个互连协议，即网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、网际控制报文协议(ICMP)和网间组管协议(IGMP)。其中，IP(Internet Protocol)主要负责在主机和网络之间寻址和数据包管理；ARP(Address Resolution Protocol)用于获得同一物理网络中的硬件地址；ICMP(Internet
50、 Control Message Protocol)主要负责发送报文，并报告有关数据包的传送错误；IGMP(Internet Group Management Protocol)被IP主机拿来向本地多路广播路由器报告主机组成员。3)传输层在TCP/IP模型中，传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体进行会话。传输层定义了两种服务质量不同的协议，即传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)和用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。在传输层中提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)等。
