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4.3 计算机网络,计算机网络是现代计算机技术与通信技术相结合的产物，是随着社会对信息共享和信息传递日益增强的需求而发展起来的。,4.3 计算机网络 目录,4.3.1 计算机网络发展历程 4.3.2 计算机网络基本概念 4.3.3 物理层 4.3.4 数据链路层 4.3.5 网络层 4.3.6 传输层及其高层 4.3.7 局域网技术 4.3.8 因特网技术 4.3.9 计算机网络安全,4.3.1 计算机网络发展历程,1946年在美国诞生了世界上第一台电子计算机，在50多年的时间中，计算机在人类生活的各个领域发挥着越来越重要的作用，人们对计算机的功能也提出了越来越高的要求，计算机网络就是在这个进程中出现并得以快速发展的。,计算机网络是指把一定地理范围内的计算机通过通信线路互连起来，在相应通信协议和网络系统软件的支持下，彼此互相通信并共享资源的系统。简单地说，就是将各自独立的计算机处理节(node）通过线路连接而成的计算机的集合。,计算机网络的发展经历了远程终端、局域网（LAN）、广域网（WAN）等阶段。从20世纪80年代末开始，网络技术进入新的发展阶段，以光纤通信技术、多媒体技术、综合业务数字网ISDN（Integrated Service Digit Network）、人工智能网络的出现和发展为标志。,20世纪90年代以来，计算机网络进入高速发展时期，特别是国际互连网Internet的出现，使计算机网络的应用得到了飞速发展。随着信息高速公路NII（National Information Infrastructure，国家信息基础结构）的建设，计算机网络将进入全球信息高速公路时代。,网络技术的发展离不开计算机技术 和通信技术的发展，计算机技术和通 信技术发展到一定阶段，才会出现相 应的网络技术。,Internet的前身是1969年由美国国防部高级研究所计划局（ARPA）建立的军用实验网络ARPANET，初期只有4台主机，其设计考虑是当网络中的一部分因战争原因遭到破坏时，其余部分仍能正常工作。20世纪80年代初期，ARPA和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的TCP/IP协议并投入使用。,1986年在美国科学基金会（NSF）的支持下，用高速通信线路把分布在各地的一些超级计算机连接起来。之后，经过十几年的发展，逐步形成了Internet。 今天，Internet已成为全球最大的互连网，覆盖150多个国家和地区，连接网络6万多个，接入主机400多万台，终端用户近1个亿，而且这些数字还在不断增长着。,中国作为第71个国家级网于 1994年4月接入Internet，目前中 国接入Internet的4个主要网分别 是： 中国原邮电部网CHINANET， 面向商业用户和一般个人用户。,中国教育科研网CERNET，面向教育和科研单位用户。 中国科学院网NCFC，面向科研机构用户。 中国金桥信息网CHINAGBNET，面向国家公用经济信息用户。 到2004年，我国上网用户人数已达4700万。,Internet实际上是一个网际网，它 是通过硬件设备将不同的网络互连而 成的，为了在Internet上有效的传输信 息，还需要通信协议的支持。,目前，普遍采用的是TCP/IP协议，IP（Internet Protocol，网际协议）负责将数据报从源计算机传送到目的计算机；TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）负责解决传输过程中的数据报丢失、数据报重复传送及数据报改变顺序等问题，以保证数据传输的可靠性。,4.3.2计算机网络基本概念,一、计算机网络的定义 计算机网络是一个复合系统，它以信息交换、资源共享和协同工作为目的，由多个具有自主功能的计算机通过通信系统互连而成。简言之，计算机网络是自主计算机的互连集合。,从概念上说，计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成。资源子网由互连的主机或提供共享资源的其他设备组成，而通信子网由通信系统组成，负责计算机间的数据传输。通信子网覆盖的地理范围可以是很小的局部区域，如一个办公室、一栋楼、一个单位，也可以是很大的区域，如一个城市、一个国家或地区，甚至可以跨越多个国家。,通信子网中除了包括传输信息的物理媒体外，还包括诸如转发器、交换机之类的通信设备。通过通信子网互连在一起的计算机负责运行对信息进行处理的应用程序，它们是网络中信息流动的源和宿，这些计算机向使用者提供可供共享的硬件、软件和信息资源，构成资源子网。,二、计算机网络的类型 计算机网络的分类方法有多种，最常用的则是根据传输技术和覆盖范围来分类。,1、根据传输技术分类 （1）广播式网络：这类网络中所有连网计算机都共享一个公共通信信道，一台计算机可以同时向多台计算机发送数据。 （2）点对点式网络：每条物理线路连接一对计算机，如果两台计算机之间没有直接连接的线路，它们之间的数据传输必须经过中间结点转发。,2、根据覆盖范围分类 （1）局域网（Local Area Network， LAN）：覆盖的地理范围较小，通常小 于1公里，可以是一个房间、一栋建筑 物或一个园区。局域网具有覆盖范围 小、传输速率高、传输延迟小、结构 简单、管理方便、造价低廉等特点。,（2）城域网（City Area Network，CAN）：覆盖的地理范围在几公里到几十公里，一般在一个城市的范围内。城域网采用的通信技术与局域网类似。 （3）广域网（Wide Area Network）：覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，可以覆盖一个地区、一个国家，甚至更大的范围。,三、计算机网络的功能和应用 1、计算机网络的功能 （1）通信：计算机网络为分散在各地的用户提供强有力的通信手段。生活工作在不同地方的人们通过计算机网络可以很方便地进行交流与合作（如收发电子邮件、网上教学等）。通信功能是计算机网络提供的最基本的、也是最重要的功能。,（2）资源共享是计算机网络提供的另一项重要功能，也是推动计算机网络产生和发展的源动力之一。计算机网络中可供共享的资源可以是硬件，也可以是软件和信息资源。目前很多资源（共享软件、新闻消息等）都可以方便的在网上找到。,2、计算机网络的应用 计算机网络已经广泛应用到工业、 农业、交通运输、文化教育、商业、国 防以及科学研究等领域，日益深入到人 类社会的各个方面。,四、计算机网络的体系结构 网络的体系结构是对计算机网络系 统的抽象，它精确地定义了计算机网 络完成的功能。现代计算机网络都采 用分层体系结构。,1、层次模型 分层体系结构，就是将系统按其实现的功能分成若干层。其最低层是系统中最基本的功能模块，是完成系统功能的最基本的部分，它向其相邻高层提供服务。层次结构中的每一层都直接使用其低层提供的服务，完成其自身确定的功能，然后向其高层提供“增值”后的服务。分层体系结构使得系统的功能逐层加强与完善，最终完成系统要完成的功能。,层次结构的好处在于使每一层实现相对独立的功能，每一层不必知道下一层功能实现的细节。只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么以及本层应向上提供什么样的服务，就能独立地进行本层的设计开发。另外，由于各层相对简单独立，故容易设计、实现、维护、修改和扩充，也增加了系统的灵活性。,计算机网络由多个互连的结点组成，它们之间要不断地交换数据和控制信息。为此，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则被称为协议，它精确地描述了水平方向上(对等层)模块之间的逻辑关系。,2、开放系统互连参考模型 开放系统互连参考模型（OSI/RM）由国际标准化组织制订，是一个标准化的、开放式的计算机网络层次结构模型。OSI/RM由7层组成，自下而上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,（1）物理层的功能是在物理媒体上传输原始比特（bit）流，物理层并不关心信息的意义和结构。当一方发送二进制比特流时，对方应能正确地接收。在物理层，传输的双方应该有一致的通信规程，即物理层协议。物理层协议又称物理层接口标准，主要定义数据终端设备DTE和数据通信设备DCE的物理和逻辑连接方法。物理层是为在物理媒体上建立、维持和终止传输数据比特流的连接提供电气、机械、功能和过程的手段。,(2）数据链路层的主要功能就是将原始的物理连接改造成无差错的、可靠的数据传输链路。在数据链路层要将比特流组合成帧打包传送，使传送的比特信息具有意义和规范的结构。数据链路层还要解决由于发送方和接收方速度不匹配而造成数据包“淹没”接收方的问题，即流量控制。此外，数据链路层还负责检测或纠正数据帧中出现的错误，即差错控制。,（3）网络层关心的是通信子网的运行控制，主要任务是如何把网络层的协议数据单元(分组)从源传送到目的。网络层实现的功能主要包括：路由选择，即为在子网上传送的分组选择合适的传送途径；拥塞控制，避免在通信子网中出现过多的分组时造成网络拥塞和死锁；网络互连，实现分组跨网传输。,（4）传输层也叫运输层，是工作在端到端或主机到主机的功能层次。传输层的功能就是在通信子网的环境上实现端到端的数据传输管理、差错控制、流量控制、复用管理等，为高层用户提供可靠的、透明的、有效的数据传输服务。 （5）会话层允许不同主机上各进程之间的会话，是进程到进程的层次。会话层的功能是完成会话的组织、建立、同步和维护及断开等管理功能。,（6）表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同的机器系统采用的数据和信息编码及表示方法可能不尽相同，使用的数据结构也不一样。为了解决采用不同方法表示的数据和信息之间能互相交换(值不变)，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。,（7）应用层是开放系统互连参考模型 的最高层，其功能是为特定类型的网络 应用提供访问OSI环境的手段。,3、TCP/IP参考模型 TCP/IP参考模型是在因特网（Internet）的发展过程中逐渐形成的参考体系结构，实现多个网络的无缝连接是TCP/IP参考模型的主要设计目标。TCP/IP参考模型共分4层，自下向上分别是主机至网络层、互联层、传输层和应用层。,（1）主机至网络层位于TCP/IP参考模型 的最底层，负责将相邻高层提交的IP报 文封装成适合在物理网络上传输的帧格 式并传输，或将从物理网络接收到的帧 解封，从中取出IP报文并提交给相邻高 层。,（2）互联层是整个TCP/IP参考模型的关键部分，负责将报文独立地从源主机传送到目的主机，不同的报文可能会经过不同的网络，而且报文到达的顺序可能与发送的顺序有所不同，但是互联层并不负责对报文的排序。互联层在功能上与OSI参考模型中的网络层相似。,（3）传输层负责在源主机和目的主机的应用程序间提供端-端的数据传输服务，使主机上的对等实体可以进行会话，相当于OSI参考模型中的传输层。 （4）应用层包含所有面向用户应用的高层协议。,五、计算机网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构是指计算机网络的物理形状，即网络结点的互连方式。网络拓扑结构有星形、环形、总线、树形和网形等，我们主要介绍星形和网形结构。,1、星形结构 星形结构是由中心结点和通过点到点通信链路连接到中央结点的各个站点组成。中心结点采用集中式通信控制策略，中心结点负担较重，各个站点的通信负担较小。,星形结构具有控制简单、故障诊断和隔离容易、方便服务等优点，但同时也具有电缆长度和安装工作量大、中心结点负担重易成为系统瓶颈、各站点的分布处理能力低等缺点。星形结构广泛应用在局域网中。,2、网形结构 网形结构是指网络中各个结点之间存在多条不规则的通信链路，构成一个像网一样形状的网络。由于结点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或繁忙的结点。,网形拓扑结构在广域网中得到了广泛 的应用，它的优点是不受瓶颈问题和失效 问题的影响，可靠性高。缺点是结构复 杂，成本较高，相应的网络协议也比较复 杂。,六、IP地址和域名 连接在Internet上的每台计算机都必须有一个唯一的地址，发送信息的计算机在通信之前必须知道接收信息计算机的地址，这个地址称作IP地址，表示为用小数点分开的的4个10进制整数。,如1便是一个有效的IP地址，每个10进制数编码成一个字节，即最大为255，1对应的4个字节的2进制数为10100110 01101111 00011001 00101001。 IP地址有4种格式，即有4类网络地址：A类、B类、C类和D类，比较常用的是前3类地址，其格式如图4.7所示。,图4.7 IP地址格式,A类地址用于特大规模网络，地址的最高位固定为0，随后的7位为网络标识（Netid），最后24位为网络内的主机标识（Hostid），一个分配了A类地址的网络，网络内主机最多可接近16777216台（0、127、255等数值有特殊意义，不能用于一般的IP地址）。地址就是一个A类地址。,B类地址用于较大规模网络，地址的最高2位固定为10，随后的14位为网络标识（Netid），最后16位为网络内的主机标识（Hostid），一个分配了B类地址的网络，网络内主机最多可接近65536台。地址1就是一个B类地址。,C类地址用于较小规模网络，地址的最高3位固定为110，随后的21位为网络标识（Netid），最后8位为网络内的主机标识（Hostid），一个分配了C类地址的网络，网络内主机最多可接近256台。地址35就是一个C类地址。,由于数字地址难以记忆和准确输入，人们就用易于记忆的用字母表示的计算机名来代替用数字表示的地址，同样每台计算机应该有一个唯一的名字以便能区别于网上的其他计算机，网络中用于标识一台计算机的名字通常由4个部分组成：主机名.组织名.组织类型名.国家名。,用字母表示的计算机名叫域名（Domain Name），Internet最初采用的是非层次结构的命名系统。当网络规模变大后，这种非层次结构的命名系统就很难进行管理。因此在1983年Internet开始采用层次结构的命名树，如图4.8所示，它实际上是一棵倒过来的树，树根在最上面。,Internet将所有连网主机的名字空间划分为许多不同的域（Domain）。树根下是最高一级的域。美国共分6个域（与地理位置无关），即：com（商业机构）、edu（教育单位）、gov（政府部门）、mil（军事单位）、net（网络服务公司）、org（非com类的组织），命名树中的名字一律不分大小写。每个域又分为许多子域，例如在com下面有DEC、IBM、ATT（即AT&T公司）等，显然子域的名字都必须是不同的。,每个公司下面再如何划分子域，则由该公司自己决定。最高一级的域还有一个叫int，是供国际组织使用的。在最高一级的其他域名都是由两个字母组成的国家名，例如cn（中国）、uk（英国）、fr（法国）、jp（日本）等。每个国家自己决定其下属子域的划分方法。我国下属的子域名大体上采用美国的划分方法，但也有所不同，如用ac代表科研机构等。,图4.8 域名命名结构,一个完整的域名就是将最低层到最高层的域名串起来，在域名之间加上一个点。例如，域名就代表yy大学计算机科学系（Department ofomputer Science of yy University）的主机，可以看出域名很容易记忆。 Internet起源于美国，因此美国的国家名不必加上。如就代表美国 purdue大学计算机科学系的主机。,Internet通信协议要求在发送和接受数据报时必须使用数字表示的IP地址，因此一个应用程序在与用字母表示的域名的计算机上的应用程序通信之前，必须将域名翻译成IP地址，Internet提供了一种自动将域名翻译成IP地址的服务。将域名翻译成IP地址的软件叫做域名系统DNS（Domain Name System），每个组织都有一个域名服务器（即在Internet的命名树的每一个结点上都有一个域名服务器），用于存放该组织所有计算机的域名及其对应的IP地址。,当某个应用程序需要将一个计算机域名翻译成IP地址时，这个应用程序就与域名服务器建立连接，将域名发送给域名服务器，域名服务器检索并把正确的IP地址回送给应用程序。当某个域名服务器找不到所需地址的主机名时，就将地址转换请求向着树根的方向传给上一级的域名服务器，这样一直找下去，直至找到所需的主机名，若找不到，说明给出的主机域名是错误的。,七、Internet服务 Internet能提供多种服务，目前主要有电子邮件（E-mail）、文件传输（FTP）、远程登录（TELNET）和信息查询，在信息查询服务中最突出的就是万维网（World Wide Web，简称WWW或Web）。,1.电子邮件（E-mail） 通过Internet发送和接收电子邮件的过程十分简单。它是一种通过计算机网络与其他 用户进行联系的高效、简便的现代化通信手段。使用电子邮件可以同朋友、商业伙伴等直接联系。也可使用电子邮件进行数据库查询并将结果寄回。,而且用户可以不受时间、地点的限制来收发邮件。据统计，电子邮件是Internet上应用范围最广泛的服务。通过Internet发一页邮件的费用仅比发一页国际航空信多不到一倍，在传递时间上快的只需数秒钟，即使慢的也只需数小时，便可以送达世界上任何一个与Internet相连的用户，为使用者带来了很大的方便。,电子邮件还可以用来查询信息，Internet上的一些信息咨询服务中心专门开发了邮件服务器软件，用户想要获取某一方面的资料时，只需向指定的电子信箱发送一封含有一系列信息查询命令的电子邮件，邮件服务器程序将自动读取、分析收到的电子邮件中的信息查询命令，并将查询结果以邮件方式发回到用户的电子信箱中。,2.电子公告板 电子公告板（BBS）是Internet网络上最知名的信息服务之一，主要功能是： 供用户自我选择若干感兴趣的专业组和讨论组。 定期检查是否有新的消息发布，如果有，可以选择部分或全部内容进行阅读。 用户可以“张贴”供他人阅读的文章。 用户可以“张贴”对他人文章或某条新闻的评论。,3.文件传输（FTP） 文件传输服务允许Internet上的用户将一台计算机上的文件传送到另一台计算机上。文件传输服务由文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）支持。FTP是TCP/IP体系中的一个重要协议。,它是一种实时的联机服务，在进行工作时先要登录到对方的计算机上。使用FTP可以进行与文件搜索和文件传送有关的操作。FTP几乎可以传送任何类型的文件：文本文件、可执行文件、图像文件、声音文件、数据压缩文件等。使用FTP几乎可以获得任何领域的信息，通过FTP还可以获取大量的实用程序。,4.远程登录（TELNET） 远程登录是指在远程登录协议TELNET的支持下，用户的计算机通过Internet暂时成为远程计算机（主机）的终端。用户可以实时使用远程计算机对外开放的全部资源。,国内外许多大学图书馆通过TELNET 对外提供联机检索服务，一些政府部门、 研究机构也将它们的数据库对外开放， 并提供各种菜单驱动的用户接口，甚至 全文检索接口，供用户通过TELNET查 询。,5.信息查询服务Gopher与 Gopher是由美国明尼苏达大学研制的基于菜单驱动的信息查询软件。用户可以对Internet上的远程联机信息系统进行实时访问。是环球网之义，是一个基于超文本方式的信息工具。是目前Internet上最先进的网络信息检索工具，已成为Internet上发展最为迅速的一种服务 。,通过将位于全世界Internet上不同地点的相关数据信息有机地编织在一起。提供一种友好的信息查询接口，即用户仅需提出查询要求，而到什么地方查询及如何查询则由自动完成。除了可浏览文本信息外，还可以通过相应浏览器软件显示与文本相配合的图像、影视和声音等信息。,与其他一些Internet工具一样，采用的也是客户/服务器模式，由客户程序和服务器两大部分组成，当在中寻找的时候，本身就相当于客户程序，服务器则负责提供由文本、图像及声音组成的信息。也就是说，文档均存储于WWW服务器上，客户程序向服务器发出请求，并接受服务器发回的文档，以网页的形式发布出来。,4.3.3 物理层,物理层是计算机网络体系结构中的最底层，其功能是为数据链路层提供原始比特流传输服务，因此物理层与数据通信系统有着直接的联系。 一、数据通信概述 1、基本概念和术语 数据通信是以计算机参与、能直接进行各种数据传输为特征的现代通信技术中的一种。数据通信系统主要由信源、信宿、信号变换设备和信道构成。,信源是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。信号变换设备则是对数据进行转换，将其变换成能在信道上进行传输的设备，如调制解调器就是其中一个典型代表。信道则是信源和信宿之间的通信线路。 数据通信可分为模拟通信和数字通信。,数据可定义为有意义的实体，它涉及到事物的存在形式。数据分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据是在某个区间内连续变化的值，例如声音、视频、温度和压力等；数字数据的值是离散的，例如文本信息和整数等。,信号是数据的电子或电磁编码，是数据在通信过程中的物理表示。信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列电脉冲。,信息是数据的内容和解释。 无论信源传输的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都要转换成适合于信道传输的某些信号形式。模拟数据可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示；同样数字数据可以用数字信号表示，也可以用模拟信号表示。任何类型的数据只要通过适当的转换都可以在模拟信道或数字信道上传输。,2、主要技术指标 数据通信的任务是传输数据信息，为了取得理想的通信效果，用户总是希望传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高、既经济又便于维护。这些要求可以用下列指标来描述： 数据传输速率：每秒所传输信息的二进制比特数，又称比特率，单位是比特/秒。 信号传输速率：单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫码元速率、调制速率或波特率，单位为波特。,信道容量：表示信道传输数据的能力，单位也用比特/秒。但信道容量与比特率是有区别的，前者表示信道的最大数据传输速率，而后者是数据实际的传输速度。 误码率：衡量数据通信系统在正常工作时的传输可靠性的指标，定义为二进制数据位在传输时出错的概率。计算机网络中，一般要求误码率不能超过10-6。,二、多路复用技术 在数据通信系统或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求。为了有效地利用通信线路，采用多路复用技术把多个信号组合起来，在一条物理信道上进行传输，这可以大大节省电缆安装维护和通信的费用。 目前比较流行的多路复用技术有频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用等。,三、数据交换技术 数据经编码后在通信线路上进行传输的最简单形式是两个互连设备之间直接进行数据通信。但是，网络中所有设备都直接两两相连是不现实的，通常要经过中间结点才能将其数据从信源传送到信宿。这些中间结点不关心所传数据的内容，也不对数据进行计算，而只是提供数据交换的功能。正是由这些中间结点构成了计算机网络的通信子网。,目前常采用的交换技术主要分为电路交换和存储转发交换。 1、电路交换 电路交换要求数据传输期间在源结点和目标结点之间建立一条专用线路，这条专用线路由一系列中间结点构成，数据传输结束时专用线路被拆除。电话交换网是使用电路交换技术的典型例子。电路交换包括电路建立、数据传输和电路释放三个阶段。,2、存储转发交换 存储转发交换不需要在数据传输期间建立一条专用线路，中间交换结点收到信源方向传来的数据时，先在交换结点暂存，然后根据输出端口的状态选择合适的输出线路进行转发。 根据数据单位的大小，存储转发交换又分为报文交换和分组交换，其主要区别在于所传输的报文长度不固定而分组长度固定。目前运行的计算机网络多采用分组交换技术。,四、传输介质 传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。传输介质的选择取决于网络拓扑结构、实际所需通信容量、可靠性要求以及价格等因素。,计算机网络中采用的传输介质可以分为有线、无线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的有线传输介质；而无线电、微波、红外线和激光等则属于无线传输介质。 双绞线的最大特点是价格便宜，但与同轴电缆相比，其带宽受到限制。对于单个建筑物内低通信容量局域网来说，双绞线性能价格比是最好的。,同轴电缆的价格要比双绞线贵一些。在需要连接较多设备，而且通信容量较大时可选择同轴电缆。 光纤具有频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等诸多优点，但是价格较为昂贵，因此在高速数据通信中有广泛的应用。,无线传输介质最大的优点在于其良好 的可移动性，没有布线和维护成本，但是 抗干扰性和安全性差，传输距离有限，因 此广泛应用在一些移动计算场合。,五、物理层接口与协议 物理层上的协议有时也称为接口，物理层协议规定了DTE和DCE之间与建立、维持及断开物理信号有关的特性，包括机械特性、电气特性、功能特性和规程特性4个方面，以确保物理层通过物理信号的传输可以在相邻的网络结点之间正确地收发比特流信息。,4.3.4 数据链路层,数据链路层是介于物理层和网络层之间的功能层次，其基本功能是将物理层提供的传输原始比特流的物理连接改造成逻辑上无差错的数据传输链路，并向网络层提供透明的可靠的数据传输服务。具体来说包括帧同步、差错控制、流量控制和链路管理等功能。,一、帧同步 数据链路层之所以要把比特组合成以帧为单位传送，是为了在出错时只重发有错的帧，而不必重新发送全部数据，从而提高了效率。为了使接收方能够检查传送数据，就必须能从物理层所收到的比特流中明确区分一个数据帧的开始和结束位置，这就是帧同步问题。,常用的帧同步方法主要有首尾标志法和违规编码法。 1、使用比特填充的首尾标志法 首尾标志法用一组特定的比特模式(如011111110)来标志一帧的开头和结束。为了不使信息位中出现的与该特定比特模式相似的比特串被误判为帧的首尾标志，采用比特填充的方法。,如采用特定模式01111110时，对信息位中的任何连续出现的5个“1”，发送方自动在其后插入一个“0”，接收方则自动删除连续5个“1”后跟的“0”，以恢复原信息。 2、违规编码法 在物理层采用特定的比特编码方法时采用，借用一些违规编码序列来定界帧的起始与终止。违规编码法不需要任何填充技术，便能实现透明性，但它只适用于采用冗余编码的环境。,二、差错控制 数据信号在物理信道上传输时，线路本身电气特性产生的随机热噪声或外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，会引起信号幅度、频率和相位的衰减或畸变，从而出现数据传输错误。通信系统必须具备发现差错的能力，并能采取有效措施纠正之，将差错的出现控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制功能，也是数据链路层的主要功能之一。,最常用的差错控制方法是利用差错控制编码。数据信息在向信道上发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成传输码然后在信道上发送。接收端收到传输码元后通过校验检查信息位和冗余位之间的关系，就可以发现传输过程中是否有差错发生。,利用差错控制编码进行差错控制的方法有两类：一是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。在ARQ方式中，接收端检测出差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确码元为止。在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能自动确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。因此，差错控制编码又可分为检错码和纠错码。,常见的检错码有奇偶校验码、定比码、循环校验码等，纠错码则有正反码、海明码等。衡量差错控制编码性能好坏的一个重要参数是编码效率，它是传输码字中信息位所占比例。编码效率越高，则信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。另外一个参数则是漏检率，用来说明编码无法检测出的错误可能占所有编码的比例。显然漏检率越低越好。,三、流量控制 流量控制是指限制发送方的数据流量，使其发送速率不要超过接收方所能处理的范围。这就需要通过某种反馈机制使发送方知道接收方是否能跟的上发送速率，也即需要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，什么情况下必须暂停发送。,四、链路管理 链路管理功能主要用于面向连接的服务。在链路两端的结点要进行通讯前，必须首先确认对方是否准备就绪，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接。在传输过程中则要维持该连接。如果出现了差错，需要重新初始化，重新自动建立连接。传输完毕，还要释放连接。链路的建立、维持和释放功能均属于数据链路层的链路管理功能。,4.3.5 网络层,网络层在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据从源端经过若干个中间结点传送到目的端。网络层向传输层提供端到端数据传输的服务，而端到端的数据传输又是依靠通信子网中结点间的通信来实现的。,因此网络层是网络结点中的最高层，它关系到通信子网的运行控制，是OSI模型中面向数据通信的低三层（即通信子网）中最为复杂、关键的一层，它将体现通信子网向端系统所提供的服务。网络层实现的主要功能包括路由选择、拥塞控制和网络互连等。,一、路由选择 通信子网为网络源结点和目的结点提供多条传输数据的路径。网络结点在收到一个分组后，要确定向下一结点传送的路径，这就是路由选择，路由选择是网络层要实现的基本功能。确定路由选择的策略称路由选择算法，设计路由算法要考虑很多技术因素，包括正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最佳性等。,路由选择算法包括静态路由选择算法和动态路由选择算法两大类。静态路由选择算法不用测量也不需要利用网络信息，而按某种固定规则进行路由选择的算法。常见的静态路由选择算法有最短路由选择算法、扩散法和基于流量的路由选择算法。动态路由选择则是指结点的路由选择根据网络当前的状态信息来决定，以适应网络流量、拓扑结构等方面的变化。,根据网络状态信息的来源，动态路由选择算法进一步分为孤立路由选择算法、集中路由选择算法和分布路由选择算法。最为常见的动态路由选择算法如距离矢量路由选择算法和链路状态路由选择算法就属于分布路由选择算法。现代计算机网络通常使用动态路由选择算法。,二、拥塞控制 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿。,拥塞是由于网络资源如路由器的缓冲区、通信线路带宽、处理器等无法满足用户的要求而引起的。拥塞控制就是要确保通信子网能够有效地为主机传送分组，这是一个全局性的、动态的问题，涉及所有主机、路由器、路由器的存储转发处理和导致削弱通信子网能力的其他因素。,网络拥塞控制方法分两类：开环和闭环。开环方法致力于良好的设计来避免拥塞的出现，确保问题在一开始时就不会发生。一旦系统安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正，在做出决定时也不考虑当前网络的状态。,开环算法进一步分为基于源端的算法和基于目的端的算法两种。闭环方法建立在反馈环路的概念上，包括监测拥塞、通知拥塞和解决拥塞3个部分。闭环算法可分为显式反馈和隐式反馈两类算法。,三、网络互连 网络互连是采用网络互连设备将网络及其相关设备连接在一起，组成地理范围更大、功能更强的网络，它是计算机网络发展到一定阶段的必然产物。 实现网络互连需要使用互连的中继设备（网络互连设备）。按照网络互连设备是对哪一层协议进行转换，可以将其分成转发器、网桥、路由器和网关4类。,1、转发器 转发器对网段上衰减的信号进行放大整形或再生，用于实现网络物理层的连接。转发器只能起到扩展网段距离的作用，使用转发器互连的网络在逻辑上仍属于同一网络。,2、网桥 网桥在不同或者相同的局域网之间存储和转发帧，提供数据链路层上的协议转换功能。网桥的功能是通过过滤和转发实现的。常见的网桥有透明网桥和源路由选择网桥。,3、路由器 路由器作用于网络层，在不同的网络间存储和转发分组，提供网络层上的协议转换。常见的路由协议包括路由信息协议、开放最短路径优先协议、外部网关协议、边界网关协议等。,4、网关 网关是对传输层和应用层协议进行协议转换的网间连接器，因此又称协议转换器。网关一般有两种：传输层网关和应用层网关，分别工作于传输层和应用层。,4.3.6 传输层及其高层,传输层是整个协议层次结构的核心，其任务是为从源端到目的端提供可靠的、价格合理的数据传输，而与使用的网络无关。会话层建立在传输层上，其任务是实现会话连接到传输连接的映射、加强会话管理、同步和活动管理等。表示层负责处理语法。应用层则包括各种满足用户需要的应用程序及其通信规则。,一、传输层 传输层的最终目标是向其用户应用层进程提供有效、可靠和价格合理的服务。为此，传输层利用了网络层所提供的服务。传输层中完成这一工作的硬件和软件称为传输实体。传输层起着将通信子网的技术、设计和各种缺陷与上层相隔离的关键作用，它使得通信子网对于高层是透明的。传输层的主要功能就是增强网络层提供的服务质量。,二、会话层 会话层的主要功能是会话管理和同步。 会话是一种建立在传输层之上的连接，这种连接提供了一种建立连接并有序传输数据的方法。会话与传输的连接有3种对应关系：一对一，多对一，和一对多。两个会话实体之间的交互活动由会话层协议来协调、管理和控制。会话服务的获得是执行会话层协议的结果，会话层协议支持并管理对等实体之间的数据交换。,会话是由一系列交互对话组成，实现对话管理的方法是使用数据令牌。会话服务用户之间的合作可以划分为不同的活动，每个活动的内容具有相对的完整性和独立性。在任一时刻一个会话连接只能为一个活动所使用，但允许某个活动跨越多个会话连接。也可以多个活动使用一个会话连接，但在使用上不允许重叠。,会话层的另一个服务是同步。所谓同步就是使会话服务用户对会话的进展情况有一致的了解，在会话被中断后可以从中断处继续下去，而不必从头恢复。这种对会话进程的了解是通过设置同步点来获得的。会话层定义了两类同步点：主同步点用于在连续的数据流中划分出数据单元，一个主同步点是一个对话单元结束和下一个对话单元的开始。次同步点用于在一个对话单元内部实现数据结构化。,三、表示层 由于各种计算机都可能有各自的数据描述方法，所以不同类型计算机之间交换的数据一般需要经过格式转换才能保证其意义不变。表示层要解决的问题是如何描述数据结构并使之与具体机器无关，其作用是对源站内的数据结构进行编码，使之形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式。,为了使各个系统间交换的信息具有相同的语义，应用层采用了相互承认的抽象语法。抽象语法是对数据一般结构的描述。表示实体实现抽象语法与传输语法间的转换，传输语法是对等传输实体之间通信时对用户信息的描述，是对抽象语法比特流进行编码得到的。,四、应用层 应用层包括各种满足用户需要的应用程序。应用层又被划分成几个子层和元素，这些元素称为应用服务元素，如联系控制服务元素、可靠传输服务元素、远程操作服务元素等，这些元素统称为公共应用服务元素；另一类服务元素与特定的应用相关，如文件传送、访问和管理、报文处理系统等，这些元素被称为特殊应用服务元素。,4.3.7 局域网技术,局域网是在一个较小的区域范围内将各种通信设备和计算机互连起来以实现资源共享和信息交换的计算机网络。局域网技术是伴随着微型计算机技术迅速发展并得到广泛应用的，在计算机网络技术中占有越来越重要的地位。局域网具有覆盖范围小、传输速率高、通信延迟小、误码率低的特点。,一、介质访问控制子层 在广播网中，所有网络结点共享同一个通信信道，因此存在信道争用的问题。为此广播网中在数据链路层专门设计了一个介质访问控制MAC子层，用来协调各网络结点的行为，实现广播网中的信道分配，解决信道争用问题。点到点网中没有MAC子层的概念。,1、广播信道的分配策略 广播信道的分配策略主要包括静态分配策略和动态分配策略两大类。静态分配策略包括频分多路复用和同步时分多路复用，这种分配策略是预先将频带或时隙固定地分配给各个网络结点，各结点都有自己专用的频带或时隙，彼此之间不会产生干扰。静态分配策略适用于网络结点数目少而固定，且每个结点都有大量数据要发送的场合。此时采用静态分配策略不仅控制协议简单，而且信道利用率较高。,动态分配策略包括随机访问和控制访问，本质上属于异步时分多路复用。各站点当且仅当有数据需要发送时，才占用信道进行数据传输。随机访问又称争用，各个网络结点在发送前不需要申请信道的使用权，有数据就发送，发生碰撞之后再采取措施解决。,控制访问有两种方法：轮转和预约。轮转是使每个网络结点轮流获得信道的使用权，没有数据要发送的结点将使用权传给下一结点。预约是各网络结点首先声明自己有数据要发送，然后根据声明的顺序依次获得信道的使用权来发送数据。无论是轮转还是预约，都是使发送结点首先获得信道的使用权，然后再发送数据，因而不会出现碰撞和冲突。,2、介质访问控制协议 根据工作原理和采用的广播信道使用权的分配算法的不同，介质访问控制协议可分为3类：争用协议、无冲突协议和有限争用协议。 （1）争用协议适用于负载较轻的网络，其信道的利用率一般不高，但网络延迟时间较短。常见的争用协议包括纯ALOHA协议、时分ALOHA协议和载波监听多路访问协议，获得广泛应用的是带有冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD。,（2）无冲突协议适用于负载较重的网络，可以获得较高的信道利用率。常见的无冲突协议有位图协议和二进制倒计数协议。 （3）有限争用协议综合了争用协议和无冲突协议的优点，在轻负载时采用争用协议的信道分配策略，使时间延迟较短，而在重负载时采用无冲突协议的信道分配策略，使信道利用率较高。,二、高速局域网 1、光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口FDDI是一个使用多模光纤作为传输介质的高性能令牌环网，可以提供高达100Mbps的网络带宽。,2、快速以太网 快速以太网是基于传统以太网技术发展起来的数据传输速率达到100Mb/s的局域网，对应的是IEEE 802.3u标准。其基本思想很简单：保留IEEE 802.3标准中有关拓扑结构、传输介质、MAC帧结构、CSMA/CD介质访问控制方式等方面的所有规定，只是将数据传输速率提高到100Mb/s。,由于速率的提高，IEEE 802.3u标准对传统以太网的一些参数作了修改。在保持最小帧长不变的同时，但将最大电缆长度减小到100 m，帧间时隙从9.6s改为0.96s。,快速以太网的组网方式包括100BASE-T2、100BASE-T4、100BASE-TX和100BASE-FX，可以采用3类/5类非屏蔽双绞线、单模/多模光纤作为传输介质。为了与传统以太网相兼容，还采用了10/100自适应技术。,3、交换以太网 在交换型以太网系统中通过使用交换型设备可以在同一时刻实现多个数据通道各自独占带宽进行通信。交换型以太网以交换机为核心连接站点或网段，交换机的各端口之间可以同时形成多个数据通道，端口之间帧的输入和输出不受CSMA/CD介质访问控制协议的约束，端口上的信息流也不会随意在其他端口上广播。,利用交换技术可以建立全双工以太网，全双工以太网技术与传统的半双工以太网技术相比较，最大的特点就是：端口间两根双绞线或光纤上可以同时接收和发送帧，不再受CSMA/CD的约束，在端口发送帧时不会发生帧的碰撞，碰撞域已不复存在。,4、千兆位以太网 千兆位以太网在保持与传统以太网兼容性的同时提供高达1000Mbps的网络带宽。千兆位以太网的物理层标准有两个：IEEE 802.3z的1000Base-X和IEEE 802.3ab的1000Base-T。,1000Base-X是基于光纤通道的物理层，采取8B/10B的编码/译码方案，其中1000Base-LX采用长波激光作为信号源，传输介质为单模/多模光纤；1000Base-SX采用短波激光作为信号源，传输介质仅支持多模光纤；1000Base-CX则采用短距离屏蔽双绞线作为传输介质。,1000Base-T以5类或超5类UTP作为传输介质，采取5级脉冲幅度调制的编码方案和特殊的驱动电路方案使全部4对双绞线工作在全双工模式下，每个线对上传输250Mb/s。,千兆位以太网的MAC子层实现了CSMA/CD的介质访问控制方式和全双工/半双工的处理方式，其帧的格式和长度也与IEEE802.3标准所规定的一致。但为了在半双工模式下扩展碰撞域和增加系统跨距，千兆位以太网采用了两项特殊技术：载波扩展和分组突发。,5、万兆位以太网 万兆位以太网在保留IEEE 802.3标准帧格式、最小/最大帧长不变的同时，提供高达10000MBps的网络带宽。 万兆位以太网只支持全双工运行模式，而且仅使用光缆作为传输介质。,万兆位以太网技术提供了更丰富的带宽和处理能力，并保持了以太网一贯的兼容性和简单易用、升级容易的特点，使以太网打破局域网的限制，并穿越城域网，同时可为广域网提供无缝连接，因此有着极其光明的应用前景。,4.3.8 因特网技术,因特网Internet是世界上最大的、开放的、由多个计算机网络为了实现更大范围的资源共享和信息交换而组成的互连网络。Internet的巨大魅力在于其提供的全球范围内资源共享和信息交换的环境。Internet采用TCP/IP协议族，将各国家、地区、部门各种类型的计算机网络通过网络互连设备实现互连，形成一个计算机网络的网络。TCP/IP协议族由主机至网络协议、互联层协议、传输层协议和应用层协议等4层协议组成。,一、主机至网络层协议 主机至网络层上一般不需要专门的TCP/IP协议，各物理网络可以使用自己的数据链路层协议和物理层协议，但使用串行线路连接主机与网络或连接网络与网络时需要运行专门的SLIP协议或PPP协议。,1、SLIP协议 SLIP协议采用带有字符填充的首尾标志法在串行通信线路上封装IP报文，使得远程用户通过电话线及高速MODEM可以很方便地接入TCP/IP网络。SLIP是一种简单的组帧方式，要求通信双方必须事先知道对方的IP地址，也不支持动态分配IP地址，SLIP帧中没有协议类型域，只支持IP协议，SLIP帧中没有校验字段，因此无法在本层进行差错控制。,2、PPP协议 PPP协议是一种有效的点对点通信协议，由串行通信线路上的组帧方式、链路控制协议、网络控制协议等3部分组成。PPP帧的起始和结束标志都是（0x7E），如果在信息字段中出现与此相同的字符，必须进行填充。在同步数据链路中，采用比特填充法进行填充；在异步数据链路中，采用字符填充法进行填充。PPP协议支持动态分配IP地址，使用协议类型字段支持多种协议，使用帧校验字段进行差错控制。PPP协议已经取代SLIP协议。,二、互联层协议 在网络层，因特网可以被看作一组互相连接的子网或自治系统（Autonomous System，AS）。在因特网中，实现这些子网或AS互连的就是互联层IP协议。IP协议是TCP/IP协议族的核心，它提供一种不可靠的、无连接的IP报文服务，传输层上的数据信息和互联层上的控制信息都以IP报文的形式传输，它提供一种从源端到目的端传输IP报文的最佳尝试方法，而不管这些机器是否在同一网络中，或者传输是否还要经过其他网络。,1、IP地址 在因特网中的每个主机或路由器端口都必须