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计算机网络基础 5计算机网络基础计算机网络是计算机技术和通信技术结合的产物，计算机网络技术集中了当代计算机硬件、软件、系统结构和通信技术发展的成果。计算机网络的产生和发展引起了信息技术的大发展。在当前信息社会中，计算机网络对人们的生活和工作产生越来越大的影响。2 网络体系结构及协议计算机网络通信是一个非常复杂的过程，将一个复杂过程分解为若干个容易处理的部分，然后逐个分析处理，这种结构化设计方法是工程设计中经常用到的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。另一方面，计算机网络系统是一个十分复杂的系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同约定。如何表达信息、交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这些就是本节要研究的两个主要问题。2.1网络通信协议1协议的概念一个计算机网络有许多互相连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据的交换。要做到有条不紊地交换数据，每个节点就必须遵守一些事先约定好的规则。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。网络协议主要由以下3个要素组成：（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式。例如在某个协议中，第一个字节表示源地址，第二个字节表示目的地址，其余字节为要发送的数据等。（2）语义：定义数据格式中每一个字段的含义。例如发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答等。 （3）同步：收发双方或多方在收发时间和速度上的严格匹配，即事件实现顺序的详细说明。2制定网络通信协议和标准的主要组织国际上制定通信协议和标准的主要组织有以下几个。（1）IEEE：电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE）是世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。IEEE在通信领域最著名的研究成果是802标准。802标准定义了总线网络和环形网络等的通信协议。（2）ISO：国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）是一个世界性组织，它包括了许多国家的标准团体。ISO最有意义的工作就是它对开放系统的研究。在开放系统中，任意两台计算机可以进行通信，而不必理会各自有不同的体系结构。具有七层协议结构的开放系统互连模型（OSI）就是一个众所周知的例子。作为一个分层协议的典型，OSI仍然经常被人们学习研究。（3）ITU：国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）其前身是国际电报电话咨询委员会（Consultative Committee on International Telephone and Telegraph，CCITT）。ITU是一家联合国机构，共分为三个部门。ITUR负责无线电通信，ITUD是发展部门，而与本书相关的是ITUT，负责电信。ITU的成员包括各种各样的科研机构、工业组织、电信组织、电话通信方面的权威人士，还有ISO。ITU已经制定了许多网络和电话通信方面的标准。除此以外还有一些国际组织和著名的公司等在网络通信标准的制定方面起着重要作用，如国际电子技术委员会 （International Electrotechnical Commission，IEC）、电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）、国际商用机器公司（International Business Machine，IBM）等。2.2网络体系结构1分层结构网络通信需要完成很复杂的功能，若制定一个完整的规则来描述所有这些问题是很困难的。实践证明，对于非常复杂的计算机网络协议，最好的方法是采用分层式结构。每一层关注和解决通信中的某一方面的规则。（1）层次结构的优点n 层之间是独立的。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样，将问题的复杂程度下降了。n 灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。n 结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。便于各层软件、硬件及互连设备的开发。n 易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。n 能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。（2）分层的原则n 如果层次划分不合理也会带来一些问题。因此，分层时应注意层次的数量和使每一层的功能非常明确。一般来说，层次划分应遵循以下原则：n 结构清晰，易于设计，层数应适中。若层次太少，就会使每一层的协议太复杂，但层数太多又会在描述和实现各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。n 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，便不会对相邻层产生影响。n 同一节点相邻层之间通过接口通信，层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。n 每一层都使用下层的服务，并为上层提供服务。n 网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。2网络体系结构的定义所谓网络的体系结构就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表示。 如果两个网络的体系结构不完全相同就称为异构网络。异构网络之间的通信需要相应的连接设备进行协议的转换。3开放系统互连（OSI）基本参考模型开放系统互连基本参考模型是由国际标准化组织于1997年开始研究，1983年正式批准的网络体系结构参考模型。这是一个标准化开放式计算机网络层次结构模型。在这里“开放”的含义表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。OSI的体系结构定义了一个七层模型，从下向上依次包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图2-1所示。图2-1 OSI七层模型各层的主要功能如下：（1）物理层：物理层是七层中的第一层，也即最下一层。物理层直接和传输介质相连。物理层的任务是实现网内两实体间的物理连接，按位串行传送比特流，将数据信息从一个实体经物理信道送往另一个实体，向数据链路层提供一个透明的比特流传送服务。（2）数据链路层：数据链路层是 OSI 七层协议中的第二层。数据链路层主要负责在两个相邻结点间的链路上无差错地传送以帧为单位的数据。 帧是一种信息单位，每一帧应该包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。控制信息包括同步信息(帧的开始、结束信息)、地址信息、差错控制信息以及流量控制信息等。（3）网络层：网络层是 OSI 七层协议的第三层，介于数据链路层和传输层之间。数据链路层提供的是两个节点之间数据的传输，还没有做到主机到主机之间数据的传输，而主机到主机之间数据的传输工作是由网络层来完成的。网络层是通信子网的最高层，它的任务是选择合适的路由和交换节点，以透明地向目的站传输发送站所发送的分组信息，即路由选择是网络层的一项主要工作。另外，要很好的进行流量控制，即对发送数据的速度进行控制，一方面使接收方来得及接收数据；另一方面又不能使通信线路空闲，以便充分利用通信线路。这也是网络层的另一功能。网络层传送数据的单位是分组，就是将一个报文分成等长的分组。（4）传输层：传输层是 OSI 七层协议的第四层，又称为主机-主机协议层。也有的将传输层称作运输层或传送层。该层的功能是提供一种独立于通信子网的数据传输服务，使源主机与目标主机象是点对点地简单连接起来一样。（5）会话层：会话层是 OSI 七层协议的第五层，又称为会晤层或对话层。会话层所提供的会话服务主要分为两大部分，即会话连接管理与会话数据交换。（6）表示层：表示层是 OSI 七层协议的第六层。表示层的目的是表示出用户看得懂的数据格式，实现与数据表示有关的功能。主要完成数据字符集的转换，数据格式化和文本压缩，数据加密、解密等工作。（7）应用层：应用层是 OSI 七层中的最高层。应用层为用户提供服务，是 OSI 用户的窗口，并为用户提供一个 OSI 的工作环境。应用层的内容主要取决于用户的需要，因为每个用户可以自行解决运行什么程序和使用什么协议。应用层的功能包括程序执行的功能和操作员执行的功能。在 OSI 环境下，只有应用层是直接为用户服务的。应用层包括的功能最多，已经制定的应用层协议很多，例如虚拟终端协议 VTP，电子邮件，事务处理等。根据七层的功能，又将会话层以上的三层（会话层、表示层、应用层）协议称为高层协议，而将下三层（物理层、数据链路层、网络层）协议称为低层协议，传输层居中有的将其归入低层协议，有的将其归入高层协议。高层协议是面向信息处理的，完成用户数据处理的功能；低层协议是面向通信的，完成网络功能。这种层次关系如图2-2所示。图2-2 OSI七层协议关系4TCP/IP协议模型网络互连是目前网络技术研究的热点之一，并且已经取得了很大的进展。在诸多网络互连协议中，传输控制协议/互连网协议TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是一个使用非常普遍的网络互连标准协议。目前，众多的网络产品厂家都支持TCP/IP协议，并被广泛用于因特网（Internet）连接的所有计算机上，所以TCP/IP已成为一个事实上的网络工业标准，建立在TCP/IP结构体系上的协议也成为应用最广泛的协议。TCP/IP协议模型采用四层的分层体系结构，由下向上依次是：网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP四层协议模型以及与OSI参考模型的对照关系如图2-3所示。图2-3 TCP/IP协议模型及与OSI参考模型对照关系各层的主要功能如下：（1）网络接口层：TCP/IP模型的最底层是网络接口层，它相当于OSI参考模型的物理层和数据链路层，它包括那些能使TCP/IP与物理网络进行通信的协议。然而，TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，而是旨在提供灵活性，以适应各种网络类型。一般情况下，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，不需要在数据链路层上设置专门的TCP/IP协议。（2）网际层：网际层是在因特网标准中正式定义的第一层。网际层所执行的主要功能是消息寻址以及把逻辑地址和名称转换成物理地址。通过判定从源计算机到目标计算机的路由，该层还控制通信子网的操作。在网际层中，最常用的协议是网际协议（IP），此外还包含互连网控制报文协议ICMP、地址转换协议ARP和反向地址转换协议RARP。（3）传输层：在TCP/IP模型中，传输层的主要功能是提供从一个应用程序到另一个应用程序的通信，常称为端对端的通信。现在的操作系统都支持多用户和多任务操作，一台主机可能运行多个应用程序（并发进程），因此所谓端