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1、第1章 网络技术基础,1.1 计算机网络基础,计算机网络其实就是连接在一起的多台计算机系统，它所能够完成的功能主要有： 计算机之间的通信。 计算机之间的信息共享。 分布式计算。 例如，读者们所熟知的Internet就是由世界范围内的计算机网络组成的。其主要目的是为了实现全球计算机资源和信息的共享。按照一般的标准，计算机网络主要分为以下两种： 局域网（Local Area Network，LAN）。 广域网（Wide Area Network，WAN）。,1.1 计算机网络基础,其中，局域网（LAN）是指地理位置连接紧密，可以只使用网向设备的计算机网络，图1-1所示的就是一个典型的局域网模型。广
2、域网（WAN）是指地理分布广泛，计算机系统之间距离遥远，需要通过专用数据线或电话线连接的网络，这种网络往往需要使用路由器（Router），Internet就是属于一种广域网类型。,图1-1 一个典型局域网（LAN）模型,1.1 计算机网络基础,学校、企业和事业单位常常采用局域网技术，以组建自己的内部网络（Intranet）。在这种网络中往往只需要有一台服务器、一个网络数据库和多台客户终端设备，其中所有计算机都通过网络适配器相连接，既可以连接为以太网或令牌网形式，也可以通过集线器（HUB）相连接。 广域网是将不同的局域网相连而组成的网络，其中，各个局域网部分是通过路由器与其他局域网相接的。图1-
3、2表示了一个典型的广域网模型。,1.1 计算机网络基础,图1-2 一个典型广域网模型,1.1 计算机网络基础,在一个计算机网络中，可能连接了几十台计算机，也可以连接了上百台、上千台计算机。如何连接这些计算机呢？这就涉及到网络的拓扑结构。网络拓扑结构指网络的组成形状，即计算机的连接方式。目前最常用的拓扑结构有星型、总线型和环型三种形式。 在星型网络拓扑结构中，如图1-3所示，所有计算机都连接到中心计算机或集线器上。在星型结构网络中，计算机发送的分组信息首先被传输到集线器上，然后集线器再将这些信息包发送到其他网点。星型网络的最大优点在于网络中某台计算机发生故障将不会影响到其他计算机的正常工作，网络
4、可以照常运行。但是，如果集线器发生了故障，整个网络就会瘫痪。,1.1 计算机网络基础,环型拓扑网络结构是将所有计算机依次连接成一个环状的结构，如图1-4所示。从图中可以看出，如果环型结构网络中的任何一台计算机发生故障，整个网络就会瘫痪，因此，环型结构网络的可靠性不太好。 总线型网络拓扑结构使用总线作为信息传输通道，把需要连网的计算机连接到总线上，如图1-5所示。在总线型网络拓扑结构中，数据可以向任何一个方向传输。类似于星型结构网络，总线型网络中的某台计算机发生故障将不会影响其他计算机的正常工作，也不会影响网络的运行。但是，如果总线上任意一点发生了故障，整个网络会瘫痪。,1.1 计算机网络基础,
5、图1-3 星型网络拓扑结构图,1-4 环型网络拓扑结构,1.1 计算机网络基础,图1-5 总线型网络拓扑结构,1.2 开放式系统互联参考模型,计算机网络体系结构是指网络的层次结构和协议，是从体系结构的角度来研究和设计计算机网络系统。其核心问题是确定不同计算机系统之间互联和通信的方法和结构。网络体系结构常用来描述网络系统的组织、构造和功能，是网络通信总的规则。现代计算机网络通常用层次清晰的结构化设计方法，将计算机网络按功能划分为若干层，形成层次化体系结构。,1.2.1 开放式系统互联参考模型（OSI/RM）,国际标准化组织ISO于1983年提出了开放式系统互联参考模型OSI/RM（Open Sy
6、stem Interconnection Reference Model）。它采用了分层的结构化技术，从逻辑上定义了一组功能分层，并定义了每层所完成的服务。任何系统只要遵循OSI标准即可进行相互通信。OSI/RM参考模型如图1-6所示。,1.2 开放式系统互联参考模型,1. OSI/RM各层的含义及功能概述,（1）物理层（Physical Layer）,是整个OSI七层协议的底层，一般通过机械和电气的互联方式把实体连接起来，让数据流通过。物理层对连接到网络上的设备描述其各种机械的、电气的和功能的规定，如连接器的类型、尺寸、插脚的数目与功能、在网络上信号可接受的电气范围以及所用的电缆的类型、还有
7、网络的速率和编码方法等都是网络的物理规范中规定的主要项目。物理层负责传送高层使用的信号，提供了建立、维护和拆除物理链路所需的电气连接和信号系统，其它各层都必须通过物理层进行通信。 物理层规范的例子有：10BASE-5、10BASE-2和10BASE-T，它们是用于不同类型的局域网的规范。,1.2 开放式系统互联参考模型,图1-6 OSI/RM开放系统互联参考模型,1.2 开放式系统互联参考模型,（2）数据链路层（Data Lin Layer）,在物理层之上，负责帧的传输、差错检测与恢复以及流量控制。在局域网中，大多数组织将它分为两个子层，即介质访问控制协议（MAC）和逻辑链路控制协议（LLC）
8、。 数据链路层的最典型例子是高级数据链路控制规程（HDLC）。,（3）网络层（Network Layer）,网络层控制分组传送，提供路由选择、拥挤控制、网络互联等功能；根据传输层的要求，选择服务技术；向传输层报告未恢复的差错。,（4）传输层（Transport Layer）,提供建立、维护和拆除传送连接的功能，在系统之间提供可靠的、透明的数据传送，并提供端到端的错误恢复和流控制。也就是说，传输层屏蔽了上一层，使它看不见数据通信的细节。,1.2 开放式系统互联参考模型,所以，传输层是计算机通信体系结构中最关键的一层。在传输出现问题时，传输层软件寻找可以替代的路由，或者将要传输的数据保存起来，一直
9、等到网络连接正常时为止。,（5）会话层（Session Layer）,提供两个进程之间建立、维护和结束会话连接的功能和交互会话的管理功能。,（6）表示层（Presentation Layer）,完成数据表示和字符编码的转换，并完成数据转换、格式化和文本压缩。,（7）应用层（Application Layer）,提供网络操作系统、应用程序和用户服务，如文件共享、打印、电子邮件等。 OSI/RM各层的主要功能见表1-1。,1.2 开放式系统互联参考模型,表1-1 OSI/RM各层的主要功能,1.2 开放式系统互联参考模型,表1-1 OSI/RM各层的主要功能,1.2 开放式系统互联参考模型,1.2
10、.2 OSI/RM参考模型的数据传输过程,OSI/RM参考模型的每一层都允许数据穿过。这些层使用协议数据单元（PDU）彼此进行通信，PDU的作用是控制加入到用户数据中的信息。因为PDU在上下层间传输时包含不同信息，因此根据它负载的信息给出不同的名字。例如：TCP/IP协议的数据传送过程中，当上层数据通过传输层后，TCP头被加载到上层数据中，这个单元称为报文段；报文段向下传到网络层，一个IP头被加上，它变成一个数据包；数据包被封装进LLC头，变成数据帧；最后，帧数据封装上MAC头变成一位一位的二进制数字信息，电子信号通过网络物理传输介质传送出去。,假设主机A要发送一组数据到主机B，如图1-7所示
11、。其过程是：,1.2 开放式系统互联参考模型,图1-7 OSI数据的传输过程,1.2 开放式系统互联参考模型,（1）在应用层生成应用数据。 （2）在传输层生成数据报文。 （3）在网络层，根据网络默认包尺寸的大小，将数据重组为数据包，在报头中加入目的地址和源地址，以便于路由转发。 （4）在数据链路层把数据包封装到帧中。 （5）在物理层以比特流形态传输。 数据从主机A开始由上层向下层传输并加入头和尾，变为数据帧的过程称为封装。主机B接收时除去附加的头和尾信息，并使用头部中的信息，决定数据从下层上行到合适的层，这显然是封装的一个逆过程，就称作解包。 应当说明，OSI网络体系结构参考模型一方面是网络的
12、理想模型，它对于网络的理论指导作用大大胜过其实际应用，因此很少有网络系统完全遵循它。但另一方面，OSI网络体系结构参考模型作为很多网络操作系统的原型，它的概念已深入到网络的方方面面。,1.3 网络协议,网络协议是一组规则，管理网络计算机和网络应用程序之间的信息流动。下面讨论几个常用的物理协议。,1.3.1 TCP/IP协议,TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网协议）是当前Internet上使用的两个最著名的协议，它包含了100多个协议，是一个协议系列，所以其正确的名称应该是Internet协议系列。I
13、P协议提供所要求的地址，以确保数据到达正确的网络计算机。TCP协议保证数据发送的正确性（确保数据到顺序和发送顺序一致），如果数据发生损失和丢失，TCP要求重新发送该数据。,1. IP地址,IP协议为网络上每一台计算机定义了一个唯一的标识，称之为IP地址。一个IP地址是一个32位的整数。根据目标计算机的IP地址，传送的信息就可以通过路由找到目标端的计算机。,1.3 网络协议,2. 建立和关闭一个TCP/IP连接,TCP是一种面向连接的、可靠的传输控制协议。可靠性主要是指在数据传输中发生数据丢失或被破坏情况时，TCP会将这些数据进行重发操作。面向连接是指在数据传输前源地址与目标地址之间会通过传输特
14、定的控制信息建立一个连接。在大多数情况下，目标端计算机在正确收到一个数据后会发送一个应答包，当收到该应答包之后，发送端计算机才会发送下一个数据包。,IP地址通常被写成如下的格式：.，每一个分段是一处于0到255之间的整数。一般来说，每一个地址对应着一对网络号及主机号，其中网络号标识计算机所在的网络，主机号标识这个网络中的计算机。但是为了方便，常常将每一个IP地址应一个能够方便记忆的域句，将域名转换成IP地址的工作将由域名服务器（DNS）来完成。这样网络用户所要记住的应是 www.thisD ，而不192.222.121.233这样枯燥无味的数字IP地址。,1.3 网络协议,对于某一个数据包来说
15、，在传输过程中可能会发生损坏甚至丢失现象，而不能到达目标地。在这种情况下，目标端计算机将不发送接收应答包，TCP则要求发送端计算机会重新发送被损坏或丢失的那个数据包。 建立一个TCP连接是通过客户端和服务器之间的“三次握手”完成的。当客户端需要从服务器上下载某个数据对象时，会发送一个请求以建立一个新的TCP连接；服务器收到客户端发出的请求后，将发回一个确认包。客户端收到服务器发回的确认信息之后，将发出响应以确认服务器的应答，图1-8表示了该过程。,图1-8 建立一个新的TCP/IP连接,1.3 网络协议,当一个TCP连接完成其使命之后，应该关闭该连接。其过程如下所述：首先，服务器发送一个消息包
16、，表示希望关闭一个活动的TCP连接；客户端收到这个消息包之后关闭自己那一端的TCP连接，并向服务器发送一个确认包；服务器收到这个确认包之后将关闭服务器端的TCP连接，并向客户端发送一个确认包，这样，指定的TCP连接就被关闭了。该过程可以通过图1-9来形象地表示。,3. TCP/IP协议体系结构,TCP/IP协议是一个四层结构的网络通信协议组，这四层协议分别是：物理网络接口层协议、网际层协议、传输层协议和应用层协议。TCP/IP模型及所包含的协议、基于TCP/IP协议的Internet与OSI参考模型的体系结构对比如图1-10所示。,（1）网络接口层,网络接口层定义了Internet与各种物理网络之间的网络接口。该协议层接收上层（IP层）的数据并把它封装成对应的、特定的帧，或者从下层物理网接收数据帧并从帧中提取数据报文，然后提交给IP层。,1.3 网
