第1章 计算机网络概述

第一章计算机网络概论第1章计算机网络概述1.11.21.31.41.5计算机网络和因特网的产生与发展计算机网络的定义和拓扑结构计算机网络的分类分组交换技术OSI和TCP/IP计算机网络InternetSOHO移动用户公司总部分支机构1.1计算机网络和因特网的产生与发展回顾计算机网络技术发展的历程，大致可以划分为以下4个阶段。第一阶段：20世纪50年代，计算机网络开始形成。第二阶段：20世纪60年代，ARPANET的研究和成功，实现了分组交换网。ARPANET分为两部分：通信子网与资源子网，如图1.1所示。第三阶段：20世纪70年代中期，因特网（Internet）开始形成。第四阶段：20世纪90年代初开始，计算机网络出现了前所未有的大发展。1.1计算机网络和因特网的产生与发展具体表现在以下几个方面。1．因特网迅速扩展和快速发展1991年，美国成立商业网络信息交换协会，允许在因特网上开展商务活动，各个公司逐渐意识到因特网在宣传产品、开展商业贸易活动上的价值，因特网上的商业应用开始迅速发展。2．无线局域网和无线城域网快速发展（1）无线局域网的发展。（2）无线城域网的发展。（3）无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视。（4）无线个人区域网得到了相应的发展。1.1计算机网络和因特网的产生与发展3．三网融合促进了宽带城域网的出现，进一步促进了因特网的发展“三网融合”使得3种网络的服务业务相互交叉，界限越来越模糊。移动电话用户能够通过智能手机看到有线电视网的新闻节目、访问Web网站、收发电子邮件；有线电视网的用户也希望利用有线电视传输网打电话、访问Web网站、收发电子邮件；因特网用户也希望能够在计算机上收看电视新闻、打电话，如图1.2所示。1.1计算机网络和因特网的产生与发展云计算为“三网融合”与现代信息服务业的运行提供了成熟的商业模式，如图1.3所示。1.1计算机网络和因特网的产生与发展4．物联网技术的形成与发展1999年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，ITU发布的报告系统地介绍了意大利、日本、韩国与新加坡等国家的案例，并提出了“物联网时代”的构想。对于物联网目前有两种基本的思路：（1）将物联网应用系统直接接入到因特网中。虽然物联网应用系统可能使用电信传输网、移动通信3G/4G技术，然而它们使用的通信协议不是TCP/IP，因此需要采用“网关”解决异构网络互联的问题。（2）设计完全新的网络，以适应物联网不同的应用环境、流量约束与资源限制的需求。物联网预示着网络技术将会在更大范围、更深层次应用的发展。1.2计算机网络的定义和拓扑结构1.2.1计算机网络的定义

计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。具体说明如下：（1）计算机网络建立的目的是将分布在不同地理位置的计算机连接起来，以实现计算机资源的共享。计算机资源是指计算机硬件、软件与数据。网络用户在使用本地计算机资源基础上，还可以通过网络访问联网的远程计算机资源，与网络中其他计算机共同完成计算任务。（2）互联的计算机没有明确的主从关系，每台计算机既可以联网工作，也可以脱网独立工作，联网计算机可以为本地用户提供服务，也可以为异地的网络用户提供服务。（3）联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。计算机网络的定义

计算机网络是指地理位置不同，并具有独立功能的多台计算机系统由通信设备和线路连接起来，通过网络软件进行数据通信，实现资源共享的信息系统。“独立功能”是指每台计算机的工作是独立的，任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作，任意两台计算机之间都没有主从关系。通信设备是指完成网络连续所需要的交换设备，如交换机、路由器等，线路连接包括双绞线、同轴电缆、光纤、通信卫星、红外线等不同传输介质。其中网络软件是指网络通信协议和实现协议的网络操作系统等，网络协议是区别计算机网络与一般计算机互联系统的标志。网络的功能数据交换和通信

这是计算机网络最基础的功能，快速的计算机之间或计算机与终端之间相互传递信息如数据、程序或文件等。利用这一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。资源共享

共享计算机网络中提供的资源（包括硬件、软件和数据）是计算机网络组网的目标之一。计算机的许多资源是十分昂贵的，不可能为每个用户所拥有。例如，进行复杂运算的巨型计算机、海量存储器、高速激光打印机、大型绘图仪和一些特殊的外部设备，另外还有大型数据库和大型软件等。然而这些昂贵的资源都可以为计算机网络上的用户所共享，既可以使用户减少投资，又可以提高这些昂贵资源的使用效率。提高系统的可靠性和可用性

可靠性的提高体现在网络中计算机彼此互为备用，在单机使用的情况下，如没有备用机，则计算机一有故障便会导致停机。如果增加备用机，则费用也会极大增加。当计算机连成网络后，各计算机可以通过网络互为后备，当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理。还可以在网络的一些节点上设置一定的备用设备，起到全网络公用后备的作用。这样计算机网络就能起到提高系统可靠性及可用性的作用。特别是在地理位置分布很广且具有实时性管理和不间断运行要求的系统中，建立计算机网络便可保证系统更高的可靠性和可用性。分布式网络处理

一般在计算机网络中，用户可根据问题的实质和要求选择网内最合适的资源来处理，以便使问题能迅速而经济地得以解决，对于综合性大型问题可以采用合适的算法将任务分散到不同的计算机上进行处理。各计算机连成网络也有利于共同协作进行重大科研课题的开发和研究。利用网络技术还可以将许多小型机或微型机连成具有高性能的分布式计算机系统，使它具有解决复杂问题的能力，从而使费用极大降低。提高系统性能价格比，易于扩充，便于维护

计算机组成网络后，虽然增加了通信费用，但由于资源共享，明显提高了整个系统的性能价格比，降低了系统的维护费用，且易于扩充，方便系统维护，扩大了应用范围，提高了系统性价比。网络的应用在科研教育中的应用

通过计算机网络，科技人员可以在网上查询各种文字和资料，可以互相交流，甚至可以在计算机网络上进行国际合作研究项目。在教育方面，一方面可以开设网上学校，实现远程授课，学生在家中或者其他任何方便的地方随时学习，而且利用多媒体技术，可以使枯燥的教学更为生动；另一方面，学生可以随时提问和讨论，实现“面对面”交流。在企业网络中的应用

计算机网络可以使企事业单位和公司内部实现办公自动化，做到各种软硬件资源共享，如果将内部网络联入因特网还可以实现异地办公。企业可以通过国际互联网，搜索市场信息并发布企业产品信息，取得良好的经济效益。校园网络的应用

校园网是将校园的计算机、工作站和终端，通过高性能网络连接到各种服务器上，组成分布式的网络系统，是将大中型计算机资源和其他网内资源共享的通信网络。校园网是提高教学、科研水平不可或缺的支撑环节。共享资源是校园网最基础的应用，人们通过网络更有效地共享信息资源，并提供合作环境。在通信与娱乐中的应用

目前，计算机网络所提供的通信服务包括了广泛应用的电子邮件、网络寻呼、BBS、网络新闻和IP电话等。另外家庭娱乐正对信息服务业产生着巨大的影响，它可以让人们在家里点播电视和电影节目。还有，游戏的应用也越来越多。计算机网络的组成1.网络硬件2.网络传输介质3.网络软件硬件包括：客户机：指用户上网使用的计算机，也可以理解为网络工作站、节点机和主机服务器：是提供某种网络服务的计算机，运算能力强大。网卡：即网络适配器，是计算机与传输介质连接的接口设备。网络互连设备：有集线器、中继器、网桥、交换机、路由器和网关。

注意：

分清客户机与服务器的真正含义。计算机网络的组成1.网络硬件2.网络传输介质3.网络软件主要包括：同轴电缆双绞线光缆微波卫星计算机网络的组成1.网络硬件2.网络传输介质3.网络软件包括：

网络协议网络操作系统网络管理软件网络应用软件

提示：

计算机网络的组成包括网络核心和网络边缘两部分。

进一步讨论。计算机网络的组成计算机网络网络硬件通信线路(传输介质)网络软件客户机服务器网卡网络互连设备双绞线同轴电缆光缆微波卫星网络传输协议网络操作系统网络管理软件网络应用软件计算机网络的组成返回1.2.2计算机网络拓扑结构

连接到网络中的计算机等各种设备称为结点;把结点连成网络可以有多种结构，我们称之为网络拓扑。基本的网络拓扑有5种：总线形、星形、树形、环形与网状。总线型环型星型

网状型

树型1.2.2计算机网络拓扑结构

1．总线形拓扑在总线形拓扑结构中，所有结点连接在一条作为公共传输介质的总线上。当一个结点发送数据时，其他结点只能接收数据。2．星形拓扑在星形拓扑结构中，结点通过点−点通信线路与中心结点连接，所以增减结点非常方便。但中心结点控制全网的通信，如果它出现故障则可能造成全网瘫痪。3．树形拓扑在树形拓扑结构中，结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行。4．环形拓扑在环形拓扑结构中，结点通过点−点通信线路连接成闭合环路。环中的数据将沿一个方向逐站传送。所以，环中的任何一个结点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。5．网状拓扑网状拓扑又称为无规则型。在网状拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑的优点是系统可靠性高。1.3计算机网络的分类计算机网络的分类方法有多种，按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为：个人区域网、局域网、城域网与广域网。如图1.5所示。1.3.1广域网

广域网技术的发展过程可以以ISDN、X.25、WDM与GE这4条路线来表示。如图1.6所示。1.3.1广域网

1．X.25分组交换网X.25网是一种典型的公共分组交换网。X.25协议规定了用户终端设备与X.25交换机之间的接口标准。X.25网传输介质传输误码较多；

为了解决误码设计了复杂控制方案。1.3.1广域网

2．帧中继网（FR）（1）传输介质变成光纤后，误码率很低，数据传输速率高。原来X.25复杂的防误码设计不必要。（2）大量局域网之间高速互联的需求越来越强烈，原来X.25网复杂协议不能满足需要。（3）用户计算机性能提高，可以承担一部分原来由通信子网承担的通信处理功能。1.3.1广域网

3．宽带综合业务数字网（B-ISDN）ISDN从20世纪70年代开始构思，80年代开始研究和试验。1988年，CCITT开始在各国推动ISDN向商用化方向发展。4．SONET与SDHSDH的发展经历了以下3个过程：1988年，ITU-T第18研究组通过有关SDH的3个建议，并在1989年ITU-T的蓝皮书上正式登载，它们是：G.707（同步数字体系的比特率）G.708（同步数字体系的网络结点接口）G.709（同步复用结构），定义了SDH的速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等，从而确立了SDH作为国际标准的地位。1992年，ITU-T增加了十几个建议书，从而出现国际统一的通信传输体制与速率、接口标准。1.3.1广域网

5．ATM网在已经成功研究和应用SONET/SDH技术的基础上，20世纪90年代早期，电话公司的技术人员提出了ATM的概念。它建立在电路交换和分组交换的基础上，采用面向连接的快速分组交换技术。在ATM交换方式中，文本、语音、视频等数据都将被封装为信元，信元长度确定为53B。6．光以太网光以太网利用光纤的巨大带宽资源与成熟的以太网技术，为运营商建造新一代的网络提供技术支持。具备以下特征：（1）根据终端用户的实际应用需求分配带宽，保证带宽资源充分、合理应用。（2）用户访问网络资源必须经过认证和授权，确保用户对网络资源的安全使用。（3）及时获得用户的上网时间记录和流量记录，支持按上网时间、用户流量实时计费或包月计费功能。（4）支持VPN和防火墙，可以有效地保证网络安全。（5）提供分级的QoS（服务质量）服务。（6）方便、快速、灵活地适应用户和业务的扩展。WAN定义和分类WAN定义：在大范围区域内提供数据通信服务，主要用于互连局域网。WAN分类：公用电话网：PSTN综合业务数字网：ISDN数字数据网：E1专线公用分组交换网：X.25帧中继：FrameRelay异步传输模式：ATMWAN交换模式电路交换：基于电话网的电路交换优点：时延小、透明传输；缺点：带宽固定，网络资源利用率低。分组交换：以分组为单位存储转发优点：多路复用，网络资源利用率高；缺点：实时性差。WAN常用设备WAN的设计目标：运行在广阔的地理区域；通过低速串行链路进行访问；网络控制服从公共服务的规则；提供全时的或部分时间的连接；连接物理上分离的、遥远的、甚至全球的设备。Modem/CSU/DSU路由器广域网交换机接入服务器1.3.2局域网

20世纪80年代，局域网领域出现以太网与令牌总线、令牌环三足鼎立的局面，并且各自都形成了相应的国际标准。后来，局域网有了很快的发展图1.9给出了局域网技术的演变过程。LAN定义LAN定义：通常指几公里以内的，可以通过某种介质互联的计算机、打印机、modem或其它设备的集合。特点：距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。标准（standard）：描述了协议的规定，设定了最简的性能集。LAN常用设备LAN的设计目标：运行在有限的地理区域；允许网络设备同时访问高带宽的介质；通过局部管理控制网络的权限；提供全时的局部服务；连接物理上相邻的设备。HUB交换机路由器中继器1.3.2局域网

图1.10所示为按照时间排列的顺序局域网技术发展情况。1.3.3城域网1．城域网城域网是指覆盖一个城市范围的计算机网络。根据IEEE802委员会的最初表述，城域网是以光纤为传输介质，能够提供45～150Mbps的高传输速率，支持数据、语音与视频综合业务的数据传输，可以覆盖跨度在50～100km的城市范围，实现高速宽带传输的数据通信网络。早期城域网的首选技术是光纤环网，典型的产品是FDDI。1.3.3城域网2．宽带城域网现代城域网一定是宽带城域网，它是网络运营商在城市范围内组建的、提供各种信息服务业务的网络的集合。如图1.11所示。3.无线城域网随着无线网络的发展，无线城域网也得到了迅速发展。1.3.4个人区域网

1．蓝牙技术蓝牙技术具有以下几个重要的特点：（1）开放的规范。（2）近距离无线通信。在计算机外部设备与通信设备中有很多近距离连接的缆线，如打印机、扫描仪、键盘、鼠标、投影仪与计算机的连接线。（3）语音和数据传输。iPhone、iPad的出现，使得计算机与智能手机、PDA之间的界线越来越不明显了。（4）通常，无线频段与传输功率的使用需要有许可证，并且受到严格的限制。但蓝牙在世界任何地方都能进行通信。2．ZigBee技术ZigBee的基础是IEEE802.15.4标准，早期的名字是HomeRF或FireFly。它是一种面向自动控制的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。1.3.5局域网、城域网与广域网的三网融合

除了计算机网络、电信网与广播电视网在技术与业务上的三网融合。由于光以太网技术传输速率大提高和传输距离大扩展，计算机网络中的局域网、城域网与广域网技术的三网融合。如图1.12所示。交换技术在一种任意拓扑的数据通信网络中，通过网络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间接通数据通路的技术，就称为数据交换技术。数据交换技术主要是电路交换、存储转发交换。

存储转发交换有可以分为分组交换和报文交换。分组交换分成数据报和虚电路方式1.4分组交换技术1.4.1交换方式

1．电路交换电路交换方式与电话交换的工作过程类似。这里，电话换成了计算机（称为主机），电话交换机换成了数据交换机，电话交换网变成了通信子网。工作过程如图1.13所示。由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因而有以下优缺点。

①由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。②通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。③双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。④电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。⑤电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。缺点：①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。②电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。③电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。2．报文交换将需要传输的数据封装成一个包，这个包称为报文。报文交换就是在网络中直接传输报文。但与电路交换不同，它一段一段占用通信线路。优点：①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。②由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。③通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。缺点：①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。②报文交换只适用于数字信号。③由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。1.4.1交换方式

3．分组交换分组交换将需要传输的数据预先分成多个短的、有固定格式的分组。如图1.14所示。分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换除了具有报文的优点外，与报文交换相比有以下优缺点：①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。②简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。③减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。④由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。缺点：①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。1.4.1交换方式

图1.15给出了报文存储转发与分组存储转发过程的比较。（a）报文交换（b）分组交换1.4.2数据报方式与虚电路方式1．数据报方式数据报是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。面向无连接的数据传输,工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。数据报的前部增加地址信息的字段，网络中的各个中间结点根据地址信息和一定的路由规则，选择输出端口，暂存和排队数据报，并在传输媒体空闲时，发往媒体乃至最终站点。当一对站点之间需要传输多个数据报时，由于每个数据报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的路径，具有不同的时间延迟，按序发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点。因此为了支持数据报的传输，站点必须具有存储和重新排序的能力。在数据报方式中，分组被独立的对待，每一个分组都包含终点地址信息，彼此之间相互独立的寻找路径，同一份报文的不同分组可能沿着不同的路径到达终点。在这种技术中，一个被独立对待的分组就称为一个数据报。数据报方式特点：（1）无连接的工作方式；（2）存在分组失序现象（3）分组头复杂；（4）对网络故障适应性较强图1.16给出了数据报方式的工作原理示意图。1.4.2数据报方式与虚电路方式2．虚电路方式虚电路方式试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥这两种方法各自的优点，以达到最佳的数据交换效果。虚电路电路是面向连接的数据传输，工作过程类似于线路交换，不同之处在于此时的电路是虚拟的。采用虚电路方式传输时，物理媒体被理解为由多个子信道（称之为逻辑信道LC）组成，子信道的串接形成虚电路（VC），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。虚电路方式就是指通信终端在收发数据之前，先在网络中建立一条逻辑连接，在通信过程中，用户数据按照顺序沿着该逻辑连接到达终点。虚电路指的是一条逻辑连接，而不是指一条专门的物理通路。同一条线路可能同时被多条虚电路使用。

虚电路方式特点：

（1）面向连接的工作方式；（2）分组按序传送

（3）分组头简单；（4）对故障敏感

采用虚电路进行数据传输的过程（1）虚电路建立：发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块（如：呼叫分组），该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道（LC）使用状况，分配LC，并建立输入和输出LC映射表，所有中间结点分配的LC的串接形成虚电路（VC）。虚电路构造和数据传输示意图（2）数据传输：站点发送的所有分组均沿着相同的VC传输，分组的发收顺序完全相同；（3）虚电路释放：数据传输完毕，采用特定的控制信息块（如：拆除分组），释放该虚电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间，因此虚电路方式不适合站点之间具有频繁连接和交换短小数据的应用，例如：交互式的通信图1.17给出了虚电路方式的工作原理示意图。1.4.2数据报方式与虚电路方式虚电路方式的工作过程分为3个阶段：（1）虚电路建立阶段。源主机向目的主机发送建立连接分组给A。（2）数据传输阶段。沿着利用已建立的虚电路以存储转发方式顺序传送分组P1、P2、P3和P4。（3）虚电路释放阶段。在所有的数据传输结束后，源主机向目的主机发送释放连接分组，目的主机发送对源主机发分组回应。1.4.3面向连接服务与无连接服务

1．面向连接服务面向连接服务和电话系统的工作模式相似。主要特点：（1）数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接3个阶段。（2）在数据传输过程中，各个分组不需要携带目的结点的地址。（3）传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据。传输的分组顺序不变，因此传输的可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。2．无连接服务无连接服务与邮政系统服务的信件投递过程相似。主要特点是：（1）传输数据前不需要建立连接，而是直接传输。传输过程中可以不确认。（2）每个分组都携带源结点与目的结点地址，各个分组的转发过程是独立的。（3）目的主机接收的分组可能出现乱序、重复与丢失现象。数据传输可靠性不能保证。1.5OSI和TCP/IP1.5.1协议与划分层次1．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。（2）语义。即语法表达的意思。（3）同步。即事件的先后顺序。即谁先发，发什么，然后发什么，最后发什么。收到后如何回应。等等。1.5.1协议与划分层次2．层次计算机网络非常复杂，需要解决的问题很多。可以分解成多个小的问题进行处理。特殊之处是它们之间是套用的关系。把具有独立功能并且具有上下套用的关系的模块称为层。如图1.18所示。分层模型采用分层结构的好处

（1）各层之间相互独立。这样，某一层只要知道下一层通过界面（接口）所提供的服务，不需了解其实现的细节。

（2）灵活性好。若某层发生变化，只要接口关系不变，则上下层均不会受到影响。这样，便于修改、取消某层提供的服务。

（3）结构上可以分隔开，各层都可以选择最合适的实现技术。

（4）整个系统被分解为若干个范围较小的部分，便于实现、调试和维护。

（5）每一层的功能和所提供的服务都有详细的说明，有助于标准化。1.5.2OSI参考模型

1．OSI参考模型ISO将整个通信功能划分为7个层次，划分层次的主要原则是：（1）网中的各结点都具有相同的层次。（2）不同结点的同等层具有相同的功能。（3）同一结点内相邻层之间通过接口通信。（4）每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。（5）不同结点的同等层通过协议来实现对等层次之间的通信。OSI参考模型结构定义了一个7层的网络体系结构，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。OSI参考模型OSIRM：开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）OSIRM定义了网络中设备所遵守的层次结构分层结构的优点：简化网络的操作提供设备间兼容性和标准接口促进标准化工作结构上可以分隔易于实现和维护1.5.2OSI参考模型

计算机网络与OSI参考模型的关系如图1.19所示。1.5.2OSI参考模型

2．OSI环境数据传输过程在OSI环境下，主机之间的数据传输过程如图1.20所示。OSI参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567底层:负责网络数据传输高层:负责主机之间的数据传输开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）OSI七层功能应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567提供应用程序间通信处理数据格式、数据加密等建立、维护和管理会话建立主机端到端连接寻址和路由选择提供介质访问、链路管理等比特流传输对等通信每一层利用下一层提供的服务与对等层通信；每一层使用自己的协议。HostAHostBAPDUPPDUSPDU段Segment包Packet帧Frame比特Bit应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层数据封装与解封装过程主机主机二层交换机路由器DataDataData应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层TCPIPTCPMAC+LLCDataIPTCPDataDataDataTCPIPTCPMAC+LLCDataIPTCP1010010111000110100101110001物理层

物理层（PhysicalLayer）是OSI的最底层，它建立在物理通信介质的基础上，作为通信系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特（bit）流传输。物理层规定了传输介质的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。但是物理媒体（或传输媒体）不属于物理层。物理层物理层：定义电压、接口、线缆标准、传输距离等物理层介质：同轴电缆（coaxialcable）：细缆和粗缆双绞线（twistedpair）：UTP、STP光纤（fiber）：单模、多模无线（wireless）：红外线、蓝牙BlueTooth、WLAN技术应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理层局域网与物理层网络设备：中继器、集线器等；常见接口：10Base-T、100Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX等广域网与物理层DTE设备：路由器、终端主机等；DCE设备：广域网交换机、Modem、CSU/DSU等；常见接口：RS-232、V.24、V.35等。数据链路层

数据链路层（DataLinkLayer）的主要功能是在物理层提供比特流传输服务的基础上，从网络层接收数据，并加上有意义的比特位形成报文头部和尾部（用来携带地址和其他控制信息），负责在通信的实体之间建立、维持和拆除数据链路的连接，在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。因此，每一帧必须带有同步、地址、差错控制以及流量控制等控制信息，负责将数据帧无差错地从一个站点送达下一个相邻的站点，即通过一些数据链帧。路层协议完成在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层局域网数据链路层分为2个子层：LLC子层和MAC子层。数据链路层的功能：物理地址定义网络拓扑结构链路参数差错验证物理介质访问流控制（可选）应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层MAC/物理地址MAC地址有48bit，用16进制数表示00e0.fc01.2345厂商编号序列号24bits24bits00e0.fc01.2345RomRamLAN与数据链路层IEEE802标准：定义了系列局域网标准IEEE802.1基本局域网问题IEEE802.2定义LLC子层IEEE802.3以太网标准IEEE802.4令牌总线网IEEE802.5令牌环网局域网设备：以太网交换机HUBWAN与数据链路层WAN数据链路层标准：HDLCPPPISDNX.25FrameRelayWAN数据链路层设备：Modem、ISDN终端适配器CSU/DSU、广域网交换机网络层

网络层（NetworkLayer）关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。在网络层，数据的传送单位是分组或包，网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送端的传输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的端，并交付给目的端传输层，这就是网络层的寻址功能。如果在子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路，形成瓶颈，所以网络层还需要提供拥塞控制机制以避免此类现象的出现。分组在网络传输中，必须进行路由选择、差错检测、顺序和流量控制。另外，当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，不同网络间的寻址方式可以完全不相同，但要解决网际互连的问题。网络层编址和路由应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络地址网络层地址由两部分地址组成：网络地址和主机地址。网络地址是全局唯一的。IP地址IPX地址网络地址主机地址10.8.2.48网络地址主机地址1aceb0b1.0000.0c00.6e25路由协议与可路由协议可路由协议：IP、IPX路由协议：RIP、OSPF、BGP等N2N1N1.H1N1.H2N2.H1面向连接和无连接的服务面向连接的服务：适合延迟敏感性应用建立连接数据传输断开连接无连接的服务：适合对延迟不敏感的应用无需建立连接资源动态分配网络层协议操作网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层表示层会话层传输层应用层ABCDERouterARouterBRouterC传输层

传输层（TransportLayer）是OSI参考模型中唯一负责到端节点间数据传输和控制功能的层，其主要任务是向会话层提供服务，服务内容包括传输连接服务和数据传输服务。前者是指在两个传输层用户之间负责建立、维持和在传输结束后拆除传输连接；后者则是要求在一对用户之间提供互相交换数据的方法。传输层的服务使高层的用户可以完全不考虑信息在物理层、数据链路层和网络层通信的详细情况，方便用户使用。

在传输层，信息的传送单位是报文。当报文较长时，先把它分成几个分组，然后再交给下一层网络层进行传输。传输层传输层功能：分段上层数据；建立端到端连接；将数据从一端主机传送到另一端主机。传输层协议：主要有TCP/IP协议栈的TCP协议和UDP协议，IPX/SPX协议栈的SPX协议等。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层端到端通信应用数据WWWFTP传输数据包211028801027Data传输层虚电路HostData流量控制流量控制的三种方式：缓存技术：突发缓存，空闲发送。源抑制报文：利用ICMP协议向源端发送sourcequench报文。窗口机制：报文中包含窗口字段，用于控制源端一次发送数据的多少。确认技术Send1,2,3Acknowledge4Send4,5,6Acknowledge4Send4,5,6传输层虚电路Host源目的Host高层协议会话层协议：SQL、NFS、RPC等；表示层协议：ASCII、MPEG、JPEG等；应用层协议：文字处理、邮件、电子表格等。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主要功能：主机间通信建立、维护、终结应用程序之间的会话主要功能：定义数据格式与结构协商上层数据格式主要功能：为应用程序进程（比如文字处理、邮件、电子表格）提供网络服务会话层

会话层（SessionLayer）是网络对话控制器，虽然不参与具体的数据传输，但对数据传输的同步进行管理，主要功能是在两个节点之间建立、维护和释放面对用户的连接，保证每次会话都正常关闭而不会突然中断，从而使用户被挂起。会话层建立和验证用户之间的连接，包括口令和登录确认。它也控制数据交换，决定以何种顺序将对话单元传送到传输层，以及在传输过程的哪一点需要接收端的确认。表示层

表示层（PresentationLayer）保证了通信设备之间的互操作性。负责处理在两个通信系统间交换信息的表示格式，该层的功能使得两台内部数据表示结构不同的计算机能实现通信。它提供了一种对不同控制码、字符集和图形字符等的解释，而这种解释是使两台设备都能以相同方式理解相同的传输内容所必需的。表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是所传输内容的语法和语义。表示层还负责为引入的数据加密和解密，以及为提高传输效率提供必需的数据压缩及解压等功能。应用层

应用层（ApplicationLayer）是OSI参考模型的最高层，它是应用进程访问网络服务的窗口，运用于网络上的应用程序可以直接与较低层的组件通信，或者在请求时进行间接通信，这一层直接为网络用户或应用程序提供各种各样的网络服务，它是计算机网络与最终用户之间的界面。应用层提供的网络服务包括文件服务、打印服务、报文服务、目录服务、网络管理以及数据库服务等。计算机网络的层次体系结构TCP/IP模型TCP/IP的层次1）网络接口层

网络接口层（HosttoNetWorkLayer），也翻译成主机-网络层或网络存取层，是TCP/IP的最低层，负责接收IP数据包并通过网络发送IP数据包，或者从网络上接收物理帧，取出IP数据包，并把它交给IP层。网络接口一般是设备驱动程序，如以太网的网卡驱动程序。在TCP/IP参考模型中并没有详细定义这一层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。具体使用哪种协议，在本层里并没有规定。实际上根据主机与网络拓扑结构的不同，局域网基本上采用了802系列的协议，如802.3以太网协议、802.5令牌环网协议，广域网较常采用的协议有帧中继、X.25等。2）网际层

网络互联层（InternetLayer）也称IP层、网络层或网际层，它的主要功能是负责在互联网上传输数据分组。网络互联层相当于OSI参考模型中的网络层无连接网络服务。网际层是整个TCP/IP体系结构的关键部分，最常用的协议是网际协议IP，用来协助IP报文操作的因特网控制报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP、地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP。网际层负责主机之间的通信，传输的数据单位是IP数据报，最终将数据报从源主机发送到目的主机。主要功能：①将传输层送来的报文段或用户数据报装入IP数据报，填完报头，选择去往目的主机的路由，将IP数据报发往适当的网络接口。②对从网络接口收到的IP数据报，首先检查其合理性，然后寻址。③处理网际层差错与控制报文，处理路径、流控、拥塞等问题。3）传输层

传输层提供端到端即应用程序间的通信，有TCP和UDP两个协议，TCP提供了可靠的传输（UDP提供不可靠的传输）。它与OSI参考模型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。TCP/IP参考模型的传输层完全建立在包交换通信子网基础上。

传输层传送的数据单位是报文段或用户数据报，为了实现可靠性，传输层要进行收发确认、信息校验，若数据包丢失则进行重传等。4）应用层

在TCP/IP模型中，应用层（ApplicationLayer）是TCP/IP协议族的最高层，它与OSI模型中的高三层的任务相同，包含了OSI参考模型中会话层、表示层和应用层这些高层的协议的功能。涉及为用户提供网络应用，并为这些应用提供网络支撑服务，把用户的数据发送到底层，为应用程序提供网络接口，应用比如Telnet（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）和Gopher等。几乎所有的应用程序都有自己的协议。1.5.3TCP/IP协议1．TCP/IP与OSIOSI参考模型的研究对促进计算机网络理论体系的形成起到了重要作用。TCP/IP协议规定计算机之间通信协议数据单元、格式、报头与相应的动作。TCP/IP协议分为4个层次：（1）应用层。与OSI参考模型的应用层、表示层与会话层对应。（2）传输层。与OSI参考模型的传输层对应。（3）网际层。与OSI参考模型的网络层对应。（4）网络及接口层。与OSI参考模型的数据链路层、物理层对应。这两层分开，即为TCP/IP体系5层结构。1.5.3TCP/IP协议图1.21给出了TCP/IP体系与OSI参考模型的层次对应关系。1.5.3TCP/IP协议2．TCP/IP协议各层功能网络及接口层：通过具体网络发送和接收IP数据报。网际层：提供“尽力而为”的网络分组传输服务。传输层：负责在应用进程之间建立和维护端−端的连接和应用层数据传输。应用层：应用层协议可以分为两类：标准的因特网应用协议；P2P协议：专用网络应用协议。基本的TCP/IP应用层协议及其功能如下。（1）域名系统（DNS）实现网络设备名字到IP地址映射服务功能。（2）文件传输协议（FTP）实现交互式文件传输功能。（3）简单邮件传输协议（SMTP）实现电子邮件传输功能。（4）远程登录协议（TELNET）实现远程登录功能。（5）超文本传输协议（HTTP）实现Web服务功能。（6）简单网络管理协议（SNMP）实现网络设备的监控与管理功能。TCP/IP协议IP的未来子网规划目录TCP/IP协议和OSI参考模型TCP/IP协议栈具有简单的分层设计，与OSI参考模型有清晰的对应关系。TCP/IP应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567应用层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型TCP/IPTCP/IP协议栈应用层传输层网络层数据链路层物理层提供应用程序网络接口常见协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS、TFTP……建立端到端连接常见协议：TCP、UDP寻址和路由选择常见协议：IP（ICMP、ARP/RARP）物理介质访问常见协议：Ethernet、PPP、HDLC、FrameRelay、X.25……定义接口与线缆二进制数据流传输TCP/IP协议数据封装TE