第一章 计算机网络基础知识

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1、第一章 计算机网络基础知识以网络为核心的信息时代，要实现信息化就必须依靠完善的网络，因为网络可以非常 迅速地传递信息。因此网络现在已经称为现代社会发展的一个重要基础，对社会生活的很多 方面以及对社会经济的发展已经产生了不可估量的影响。1.1 网络的类别为了更好的学习计算机网络，下面把网络进行分类以便学习：1.1.1 计算机网络的定义计算机网络：就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系 统互连起来，以功能完善的网络软件(即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等) 实现网络中资源共享和信息传递的系统。这个简单的定义可以看出，计算机网络涉及到四个方面的问题。(1) 计算机网

2、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， Inter

3、net 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)。1.1.2 计算机网络的分类计算机网络的分类可按多种方法进行，一般有下面几种： 按分布地理范围的大小分为局域网、城域网、和广域网 3 类。 按拓扑结构可分为总线型、星状、环状、网状等。 按交换方式可分为电路交换网、分组交换网、帧中继交换网、信元交换网等。(4)按网络协议可

4、分为采用TCP/IP、SNA、SPX/IPX、AppleTALK等协议的网络。 按应用规模可以分为 Intranet、 Extranet、 Intenet。虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络 划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。 局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的 一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。下面 简要介绍这几种计算机网络。局域网(Local Area Network； LAN)常见的“LAN”就是指局域网，这是最常

5、见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个 计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有 的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网 络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有 两台，多的可达几百台。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。 在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑 物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最 快的速率要算现今

6、的10G以太网了。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网： 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)。(2) 城域网(Metropolitan Area Network； MAN)这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络 的连接距离可以在10100公里，它采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比扩展的 距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型 城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个

7、LAN网。如连接政府机构的LAN、医院 的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的 LAN互连成为可能。城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用 程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输 信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM 协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速 度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用， 如邮政、银行、医院等。广域网(Wide Are

8、a Network； WAN)这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网(MAN)更广，它一般是在不同城市 之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。因为距离较远，信 息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP (接口信息处理)协议和线路 连接起来，构成网状结构，解决循径问题。这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有 限，所以用户的终端连接速率一般较低,通常为9.6Kbps45Mbps女口：邮电部的CHINANET， CHINAPAC 和 CHINADDN 网。互联网(I nternet)互联网又因其英文单词“Internet”的谐音，又称为“英特网”。在

9、互联网应用如此发展的今 天，无论从地理范围，还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络，就是我们常说的“Web”、 “WWW”和“万维网”等多种叫法。从地理范围来说，它可以是全球计算机的互联，这种网络 的最大的特点就是不定性，整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。 当您连在互联网上的时候，您的计算机可以算是互联网的一部分，但一旦当您断开互联网的 连接时，您的计算机就不属于互联网了。但它的优点也是非常明显的，就是信息量大，传播 广，无论你身处何地，只要联上互联网你就可以对任何可以联网用户发出你的信函和广告。 因为这种网络的复杂性，所以这种网络实现的技术也是非常复杂的，这一点我们可以

10、通过后 面要讲的几种互联网接入设备详细地了解到。1.2 OSI参考模型国际标准化组织(International Organization for Standardization)简称 ISO，在 1978 年提出 了开放系统互连模型( Open System Interconnection Reference Model,OSI) ,该模型是设计和 描述网络通信的基本框架。生产厂商根据OSI模型的标准设计自己的产品。OSI描述了网络 硬件和软件如何以层的方式协同工作进行网络通信。OSI 采用了 7 层的结构化技术，这7 层的分层原则如下：(1).当需要一个不同抽象体的时候，应该创建一层。每一

11、层都应该执行一个明确定义的功能。.选择每一层功能的时候，应该考虑到定义国际标准化的协议。(4) .选择层边界的时候，应该使“跨接口所需要的信息流”尽可能小。(5) .层数应该足够多，以保证不同的功能不会被混杂在同一层中，同时层数也不能够 太多，以至于整个体系结构变得过于强大。下面将从底层开始，依次讨论该模型中的每一层。需要注意的是OSI参考模型本身并不 是一个网络体系结构，只是指明了每一层上应该做些什么事情。然而，ISO也已经为每一层 制定了相应的标准，但这些标准并不属于参考模型本身。1.2.1 物理层物理层(physical layer)涉及到在通信信道上传输的原始数据位。在设计的时候必须要

12、 保证，当一方发送了“1”时，在另一方的也是“1”，而不是“0”。这里的典型问题是：应 该用多少伏的电压来表示“ 1”；多少伏的电压表示“ 0”，每一位持续多少纳秒( ns) ;传输 过程是否在两个方向上同时进行；初始连接如何建立；当双方结束之后如何撤销连接；网络 连接器有多少针以及每一针的用途是什么。这里的设计问题主要涉及到机械、电子和定时接 口，以及位于物理层之下的物理传输介质等。1.2.2 数据链路层数据链路层是 OSI 模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能 是将从网络层收到的数据分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包， 它不仅包括原始数据，或称“

13、有效荷载”，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控 制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，二纠错和控制信息则确保帧无差错到达。可以把数据帧想象为一列有许多车厢的火车。其中一些车厢可能不是必需的，每列火车 在的货物量也是不同的，但每列火车都需要一个火车头和一个守车。数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型，它也不关心是否正在 运行WordPerfect、Excel或使用I n t e r n e t。有一些连接设备，如网桥或交换机，由于它们 要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方，所以它们是工作在数据链路层的。 E t h e r n e t是应用数据链路层技术的一

14、个实例。1.2.3 网络层网络层，即 OSI 模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决 定如何将数据从发送方路由到接收方。例如，一个计算机有一个网络地址 10 .34 .99 .12(若 它使用的是TCP/IP协议)和一个物理地址0060973E97F3。以教室为例，这种编址方案就 好像说“丽丽女士”和“具有身份证号 是1 2 3 - 4 5 - 6 7 8 9的中国公民”是一个人一样。 即使在中国还有其他许多人也叫“丽丽女士”，但只有一人其身份证号是 1 2 3 - 4 5 - 6 7 8 9。 在你的教室范围内，只有一个丽丽女士，因此当叫“丽丽女士”时，回答的人一定不

15、会搞错。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决 定从一个网络中节点A到另一个网络中节点B的最佳路径。由于网络层处理路由，而路由器 因为即连接网络各段，并智能指导数据传送，属于网络层。在网络中，“路由”是基于编址 方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。网络层协议还能补偿数据发送、传输以及接 收的设备能力的不平衡性。为完成这一任务，网络层对数据包进行分段和重组。分段即是指 当数据从一个能处理较大数据单元的网络段传送到仅能处理较小数据单元的网络段时，网络 层减小数据单元的大小的过程。这个过程就如同将单词分割成若干可识别的音节，给正学习 阅读的儿童使用一样。重组

16、过程即是重构被分段的数据单元。类似地，当一个孩子理解了分 开的音节时，他会将所有音节组成一个单词，也就是将部分重组成一个整体。注意：OSI模型中网络层所进行的分段过程与网络分段无关。网络层的分段是指数据帧 大小的减小，而网络分段是指一个网络分割成更小的逻辑片或物理片。1.2.4 传输层传输层主要负责确保数据可靠、顺序、无差错地从A点到传输到B点（A、B点可能在也 可能不在相同的网络段上）。因为如果没有传输层，数据将不能被接受方验证或解释，所以， 传输层常被认为是 OSI 模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方 可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。例如， 以太网无法接收大于 1500 字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片， 同时对每一数据片安排一