大工计算机硬件基础 第九章

1、第九章 计算机网络本章要点w计算机网络的概念、功能和分类；w计算机网络的体系结构（OSI/RM、TCP/IP）；w局域网的体系结构、分类和相关硬件；w网络互联与Internet的技术和相关硬件；w新兴网络技术 9.1 计算机网络概述9.1.1 计算机网络发展的历史阶段 计算机网络最早出现于20世纪50年代，经历了从简单到复杂，从单机到多机的过程，其演变可以概括为三个阶段：n单机系统：在这种系统中，主计算机不仅要负责数据处理，还要负责通信控制 ，见图9-1。n多机系统：在主计算机前面增加一个通信处理机，专门负责主计算机与终端的通信，主计算机专门负责数据处理，如图9-2所示。n计算机网络：该系统由

2、若干互连的计算机网络组成，网络终端不仅能够共享自己的主机的资源还可以共享其他主机的资源，如图9-3所示。 9.1.2 计算机网络的定义、功能、分类和组成 计算机网络的定义：利用传输介质，将分布在不同地域的计算机、终端设备、网络设备互联起来，按照相同的网络协议进行通信，以实现资源共享、数据通信为目的的系统集合。 计算机网络的功能 ：n数据通信n资源共享n提高计算机的可用性和利用率n有利于分布式处理计算机网络的分类 按网络范围和计算机之间互连距离划分主要分为：局域网、广域网和城域网n局域网是指一个局部区域内的计算机网络，比如一个机房，一间办公室，一层楼，一栋楼或几栋相邻的建筑物。局域网的计算机之间

3、互连距离一般不超过几公里，数据的传输速率从1-1000Mbps之间。 n广域网是指一个广泛的区域内的计算机网络，比如城市间、国家间和洲际间。广域网的互连距离在几百公里至几万公里之间，在广域网内，用于通信的传输设备和传输介质通常由电信部门提供，多采用光纤和无线通信，网络有多个部门或多个国家共同组建，网络规模大，能实现较大规模的资源共享。 n城域网是指一个城市或地区建立的网络，介于局域网和广域网之间，它的互连距离从几十公里到上百公里。传输速率在10M/100Mbps之间。 计算机网络的分类（续）按拓扑结构划分，分为星形、树形、环形、总线结构、全部互联合不规则形 。见下图所示。星形总线形树形环形全部

4、互连形不规则形9. 2 计算机网络的体系结构 9.2.1 OSI/RM参考模型 计算机网络是由多种计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复合系统，在这个系统中，由于计算机的型号不一，终端类型各异，加之通信线路的类型（固定线路和交换线路）、同步技术、通信方式的不同，给网络的通信带来诸多不便。为此需要制定一个国际的标准，使得各个厂家都能生产出符合标准的产品。在同一个网络中应做到：统一信息编码制度，统一报文格式，统一传输命令，统一控制顺序以及对网内结点、用户、程序名做统一编码，达到简化通信手续，便于在不同计算机之间实现通信。 OSI/RM参考模型为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织

5、（ISO）于1978年成立了一个专门的机构来研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model），简称为OSI/RM。OSI开放系统互连参考模型将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层，如下页图所示。 OSI/RM参考模型图应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层传输介质应用层协议表示

6、层协议会话层协议运输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议图9-7 OSI/RM参考模型OSI/RM参考模型各层次的作用物理层物理层传输数据的单位是比特。物理层定义了物理媒体的特性。连接器，针，针的使用，电气参数，编码和光的调制等都是物理层规范的一部分。数据链路层数据链路层传输数据的单位是帧（Frame），数据帧的帧格式中包括的信息有：地址信息部分、控制信息部分、数据部分、校验信息部分。数据链路层规范主要关心数据如何在一种特定连接或媒体上传输。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址、网络介质访问、错误检测。 OSI/RM参考模型各层次的作用(续1)网络层网络层传送的数据单位是报文分组或包（Packe

7、t）。在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个结点和链路，也可能还要经过好几个路由器所连接的通信子网。网络层定义了逻辑地址，所以任何端点都可以被唯一的标识。它也定义了路由如何工作和如何学习。网络层还定义了如何对数据报分片来适应较小的最大传输单元。运输层运输层信息的传送单位是报文。运输层的基本功能是从会话层接收数据报文，并且在当所发送的报文较长时，在运输层先要把它分割成若干个报文分组，然后再交给它的下一层（即网络层）进行传输。另外，这一层还负责报文错误的确认和恢复，以确保信息的可靠传递。 OSI/RM参考模型各层次的作用(续2)会话层定义了如何建立、管理和终止两台通讯主机之间的会话

8、，使不同应用进程的数据彼此分离。会话层为表示层提供服务，它也对两台主机表示层之间的对话进行同步，并管理其数据交换。会话层确认对话的顺序，确保每一个步骤按顺序进行。 表示层表示层完成计算机网络的信息表示。表示层还有数据的加密和解密和文本的压缩功能。其主要作用是定义了数据格式，确保一个系统应用层发送的信息可以被另一种系统的应用层读取。应用层应用层是OSI网络协议体系结构的最高层，是计算机网络与最终用户的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。 9.2.2 TCP/IP协议由于目前的Internet采用TCP/IP协议族，体现出很好的适应性和扩充能力，所以有人把TCP/IP称为计算机网络的事实上的

9、标准，而把OSI/RM称为名义的标准。TCP/IP体系结构共分成四个层次，它们依次是：网络接口层、网络层、运输层和应用层。如下页图所示。 TCP/IP结构应用层运输层网际层网络接口层以太网ARP令牌环X.25RARPIPICMPTCPUDPTelnetFTPSMTPDNSSNMP图9-8 TCP/IP参考模型每一层的功能应用层：给用户访问网络提供接口。传输层：为应用层提供端到端的数据传输服务，包括：n传输控制协议(TCP， Transmission Control Protocol )n用户数据包协议(UDP，User Datdgram Protocol)Internet层：设置逻辑地址，路径

10、选择，分包和组包，错误汇报等。包括：n因特网协议（IP）n地址解析协议(ARP)n网间控制报文协议（ICMP， Internet Control Message Protocol）网络接口层：主要提供接口，其它的物理层和数据链路层的协议都支持TCP/IP协议。TCP/IP各层次的作用应用层：在TCP/IP体系结构中并没有OSI的会话层和表示层，TCP/IP把它都归结到应用层。应用层应用层主要解决网络用户的各种应用需求，远程登录主机服务（TELNET）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传送协议（SMTP）、简单网络管理协议SNMP和域名解析服务（DNS）等等。 传输控制协议（TCP）的功能功能说

11、明数据传输 有序的连续数据流多路复用 一个端口号的决策功能，允许接收端主机根据端口号确认流向那个应用。可靠传输 数据通过序号（sequence）和前向确认（acknowledgment），完成错误恢复。流量控制 使用滑动窗口连接用来初始化端口号及序列和确认字段的过程。（三次握手）用户数据报协议（UDP）的功能功能描述 (TCP)描述(UDP)数据传输有序数据的连续流消息（数据报）传递多路复用接收主机根据端口号决定数据流向那个应用接收主机根据端口号决定数据流向那个应用可靠传输使用TCP帧头中的序列与确认字段进行数据确认UDP无此功能流控制使用滑动窗口UDP无此功能连接一种用语初始化端口号极其他T

12、CP帧头字段的过程。UDP无此功能TCP and UDP 功能比较地址解析协议（ARP）嘿! 每个人都听着，谁的IP地址是， 请将你的MAC地址发给我，我的IP地址是, 我的MAC地址是 87:A2:15:35:02:CC不是我嘿! 我的IP地址是, 我的MAC是 87:A2:15:35:02:C3ARP请求ARP响应网间控制报文协议（ICMP）的功能消息消息用途用途目的不可到达通知源主机传递包时有错超时传递包耗时太多或包丢弃源抑制源发送数据速度超过转发速度，该报文要求发送方降低发送速度。重定向发送该报文的路由器接受了某个包，而

13、另一个路由器对此具有更好的路由；该报文通知发送方使用更好的路由。回应用PING指令来校验连接IP地址的设计思想和原理在RFC791中定义了IP地址，IP地址是按照下面这些思想设计的：n每台主机都应该有一个唯一的地址。nIP地址的结构应该是逻辑的，而不是物理的，能够适应将来新的科技。n地址应该是分配给接口的，而不是给计算机本身。n地址能够被聚合（数字的）。IP地址的设计思想和原理n在地址第一部分具有相同数字的地址能够通过数字聚合，叫做地址的网络部分。n同一组的地址必须连接在同一个媒体上，不能被路由器分割开。n在每组中必须由一个地址能够表示整个组；这叫做网络号或者网络地址。n通过给每个组织一个网络

14、号，就能在全球范围内唯一的分配地址。n有些网络很大，有些网络很小，所以必须能够创建不同大小的网络。n使用32位地址，不可能被耗尽（目前已经接近耗尽）。网络接口层 这是TCP/IP协议的最低层，包括OSI模型的物理层和数据链路层，它本身没有真正的协议，主要提供接口，其它的物理层和数据链路层的协议都支持TCP/IP协议，如：以太网协议、令牌网协议、各种广域网协议。9.3 局域网 9.3.1 局域网概述计算机局域网的特点：n地理范围有限。通常网络分布在一座比赛办公楼或几种的建筑群内为一个部门所有，所辖范围一般只有几公里。n通信速率高。一般采用基带传输，传输速率在101000Mbps，能支持计算机之间

15、高速通信。n采用多种传输介质。例如，双绞线、同轴电缆或价格昂贵的光纤电缆，甚至可以采用无线通信。n多采用分布式控制和广播式发送，可靠性高，误码率通常低于10-810-11。结点的增删比较容易。 局域网基本组成包括如下： 服务器 (Server) 服务器是局域网的核心。根据它在网络中所担任的任务和作用，又可分为文件服务器、打印服务器和通信服务器三类。客户机（Client）客户机又称为工作站，是用户与网络的接口设备，用户可通过它与网络交换信息，共享网络资源。工作站通过网络接口卡、通信介质、通信设备连接到网络服务器上。网络设备 指网络硬件设备，主要有网络接口卡、收发器、中继器、网桥、路由器等。其中的

16、某些硬件，如网络接口卡、网桥、路由器上均有固化的软件，对其工作进行控制。通信介质网络操作系统和网络通讯协议，网络操作系统对整个网络的资源进行管理。局域通信网协议则实现局域网内通信实体之间和局域网络之间的相互理解的通信。 9.3.2 局域网的体系结构 局域网的传输介质多种多样，介质访问方法也是多种多样，故此将数据链路层划分为两个子层：介质访问控制子层MAC（Media Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control），MAC依赖具体的传输介质和网络拓扑结构，提供介质访问控制功能；LLC与传输介质无关，主要提供寻址（网络的物理地址）、差错控制和流量

17、控制等功能。 OSI/RM应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制子层LLC介质访问控制子层MAC物理层IEEE802IEEE802标准 802.1802标准的概述。802.2逻辑链接控制的标准和其他网络连接标准。802.3带有检测冲突的载波侦听多路存取方法(CSMA/CD)和相关物理层标准。802.4令牌总线介质访问控制方式和相关物理层标准。802.5令牌环介质访问控制方式和相关物理层标准。802.6高速无连接网络互连在内的LAN和MAN网络标准。802.7宽带电缆技术标准。802.8光纤电缆技术标准。802.9集成网络互连服务(如语音和数据集成)的标准。802.10LAN

18、和MAN能共同使用的安全性标准。802.11无线连接标准。802.12要求优先级存取方法标准。802.14有线电视宽带通信标准。 9.3.3 以太网 近些年来，以太网得到了极为广泛的应用，IEEE协会已将以太网使用的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）的介质访问控制方式及物理层的规范定义为IEEE802.3标准。 以太网的工作原理 n载波侦听：载波侦听就是各个结点在发送信息之前，先检测一下总线上有无信息传送，也就是检测一下是否有载波信号，如果总线空闲，没有任何载波信号，就发送信息。 n冲突检测：由于载波侦听并不能完全避免信息冲突，所以在以太网中设置了冲突检测装置。冲突检测的方法是：发送

19、数据的结点一方面将数据发送到总线上，另一方面从总线上接收数据，当发送和接收的数据不一致时，必然发送了冲突。检测到冲突以后，发送数据的结点马上停止发送数据，并立即向总线上发送一个干扰串，通知其它结点产生了信息冲突。各个结点收到该干扰串以后，立即停止发送，并等待一个随机时间，然后继续竞争发送。 项目项目10BASE510BASE210BASE-T种类种类RG11同轴粗缆同轴粗缆RG58同轴细缆同轴细缆无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线UTP访问方式访问方式CSMA/CDCSMA/CDCSMA/CD传输速度传输速度10Mbps10Mbps10Mbps传输方式传输方式基带基带基带基带基带基带拓扑结构拓扑结构总线

20、型总线型总线型总线型星形星形最小结点距离最小结点距离2.5m0.5m-最大分段长度最大分段长度500m185m100m最多结点数最多结点数100台台30台台-备注备注终端连接器为终端连接器为收发器收发器终端连接器为终端连接器为T形头形头集线器（集线器（HUB）高速局域网 IEEE802.3委员会于1992年提出制定快速以太网标准。1995年正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，其中100BASE-T，支持用户由现有的10BASE-T升级，只需更换网络接口卡和集线器，就可以将传输速率从10Mbps升到100Mbp

21、s。1998年IEEE802.3委员会推出了千兆以太网标准，并把它定为IEEE802.3z。千兆以太网是IEEE802.3标准的扩展，在保持与以太网和快速以太网设备兼容的同时，提供1000Mbps的数据带宽。9.3.5 局域网中常用的网络设备 NIC（网络接口卡） ：简称网卡，应用极为广泛。网卡可以使网络设备如计算机或其他网络设备等连接到某个网络上。 网卡负责数据的发送和接收。网桥又称为桥接器（Bridge）。网桥是将一个局域网段与另一局域网段连接起来的网络设备。 集线器（Hub）是以星形拓扑结构连接网络结点如工作站、服务器等的一种中枢网络设备。集线器也可以指集中器，具有同时活动的多个输入和输

22、出端口。 局域网中常用的网络设备（续）交换机利用其MAC地址表来确定哪个端口接收特定的数据。由于每个端口都通过唯一的一个结点与一个段相连，并没有其他的结点，所以结点和段享有完全的10Mbps (或100Mbps或1Gbps)的带宽，这样就减少了发生冲突的可能，提高了数据传输的速度。是目前局域网常用的网络设备n某些交换机支持虚拟局域网(Virtual LAN，VLAN)技术。根据IEEE 802.1q标准的定义，VLAN是一种基于软件的将网络逻辑地划分为子网络的方法，这些逻辑的子网络不同于真实的物理网络拓扑结构。VLAN中组的成员可以在物理上相距甚远的段中，但可以通过VLAN软件和交换机、路由器以及其他网络设备而配置为在同一个逻辑段中。9.4 Internet 9.4.1 Internet提供的服务 远程登录主机服务Telnet（Remote Login） 文件传送服务FTP 电子邮件服务E-mail（Electronic Mail） 电子公告板系统（BBS）万维网服务 9.4.2 互联网中常用网络设备 路由器（Router）的有些功能与网桥类似，如学习、过滤和转发等。但与网桥不同，路由器通过的智能控制来指导分组流向特定的网络，可以研究网络流量并快速适应在网络中检测到的变化。 网关