第三章网络的基本概念

第5章计算机网络

主要内容：

本章介绍了计算机网络的的基本概念。内容涉及计算机网络的定义、功能、组成、拓扑

结构，以及计算机网络体系结构和目前流行的计算机广域网技术、局域网技术、网络互联技

术。最后介绍了Internet基础知识。

学习目标：

1.了解数据通信和网络方面的相关概念以及计算机网络网络体系结构的概念，学习

OSI/RM参考模型和TCP/IP参考模型的结构和协议。

2.了解局域网的定义、特点和局域网的主要技术，包括网络拓扑结构、传输介质和介

质访问控制方法。还要了解IEEE802局域网标准、交换式局域网、高速局域网和网络操作

系统的基本概念。

3.了解Internet的发展、结构及其提供的服务，以及IP地址、域名、Internet接入技术

等概念。

5.1计算机网络的基本概念

计算机网络在政治、经济、文化、科学研究、教育、军事等各个领域获得越来越广泛的

应用。20世纪9()年代是计算机网络化的时代，随着因特网的普及，正在深刻地改变着人们

的工作方式与生活方式。面向21世纪，计算机网络技术正在不断促进全球信息产业的发展。

了解和掌握计算机网络技术已成为社会关注的一个热点。

5.1.1计算机网络的发展与展望

计算机网络出现的历史不长，它的形成和发展大致可以分为4个阶段：

1.第一代计算机网络—面向终端的计算机网络

这一阶段可以追溯到20世纪50年代。人们将多台终端通过通信线路连接到一台中央计

算机上而构成“主机一终端”系统。这里的终端不具备自主处理数据的能力，仅仅完成简单

的输入输出功能，所有数据处理和通信处理任务均由主机完成。例如60年代，美国航空公

司建成的全国性飞机订票系统，该系统中心是一分大型计算机，通过通信线路连接遍布全美

范围的2000多台终端而构成。用今天对计算机网络的定义来看，主机一终端系统只能称得

上是计算机网络的雏形，还算不上是真正的计算机网络，但这一阶段进行的计算机技术与通

信技术相结合的研究，成为计算机网络发展的基础。

大学计算机基础

2.第二代计算机网络—计算机通信网络

20世纪60年代，计算机应用日趋普及，许多部门，如工业、商业机构都开始配置大、

中型计算机系统。这些地理位置上分散的计算机之间很自然需要进行信息交换。这种信息交

换的结果是多个计算机系统连接成为一个计算机通信网络，被称之为第二代网络。其重要特

征是通信在“计算机一计算机”之间进行，各自具有独立处理数据的能力，并且不存在主从

关系。计算机通信网络主要用于传输和交换信息，而资源共享程度不高。美国的ARPANET

就是第二代计算机网络的典型代表。ARPANET为Internet的产生和发展奠定了基础。

3.第三代计算机网络—网络体系结构和协议标准化的计算机网络

20世纪70年代中期开始，许多计算机生产商纷纷开发出自己的计算机网络系统并形成

各自不同的网络体系结构。例如IBM公司的系统网络体系结构SNA、DEC公司的数字网络

体系结构DNA。这些网络体系结构有很大的差异，无法实现不同网络之间的互连，因此网

络体系结构与网络协议的国际标准化成了迫切需要解决的问题。1977年国际标准化组织

ISO(InternationalStandardsOrganization)提出了著名的开放系统互连参考模型OSI/RM,形成

了一个计算机网络体系结构的国际标准。尽管因特网上使用的是TCP/IP协议，但OSI/RM

对网络技术的发展产生了极其重要的影响。第三代计算机的特征是全网中所有的计算机遵守

同一种协议，强调以实现资源共享(硬件、软件和数据)为目的。

4.第四代计算机网络—高速化和综合化的计算机网络

从20世纪90年代开始，因特网实现了全球范围的电子邮件、WWW、文件传输、图像

通信等数据服务的普及，但电话和电视仍各自使用独立的网络系统进行信息传输。人们希望

利用同一网络来传输语音、数据和视频图像，因此提出了宽带综合业务数字网(B-ISDN)的概

念。这里宽带的意思是指网络具有极高的数据传输速率，可以承载大数据量的传输；综合是

指信息媒体，包括语音、数据和图像可以在网络中综合采集、存储、处理和传输，由此可见，

第四代计算机网络的特点是综合化和高速化。支持第四代计算机网络的技术有：异步传输模

式ATM(AsynchronousTransferMode)、光纤传输介质、分布式网络、智能网络、高速网络、

互联网技术等。人们对这些新的技术注以极大的热情和关注，正在不断深入地研究和应用。

因特网技术的飞速发展以及在企业、学校、政府、科研部门和千家万户的广泛应用，使

人们对计算机网络提出了越来越高的要求。未来的计算机网络应能提供目前电话网、电视网

和计算机网络的综合服务；能支持多媒体信息通信，以提供多种形式的视频服务；具有高度

安全的管理机制，以保证信息安全传输；具有开放统一的应用环境，智能的系统自适应性和

高可靠性，网络的使用、管理和维护将更加方便。总之，计算机网络将进一步朝着“开放、

综合、智能”方向发展，必将对未来世界的经济、军事、科技、教育与文化的发展产生重大

的影响。

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5.1.2计算机网络的定义与功能

1.计算机网络的定义

在计算机网络发展的不同阶段,人们对计算机网络的理解和侧重点不同而提出了不同的

定义。从目前计算机网络现状来看，以资源共享观点将计算机网络定义为：将相互独立的计

算机系统以通信线路相连接，按照全网统一的网络协议进行数楣通信，从而实现网络资源共

享的计算机系统的集合。

下面对上述定义中的“关键词”加以说明。

(1)相互独立的计算机系统：网中各计算机系统具有独立的数据•处理功能，它们既可

以连入网内工作，也可以脱离网络独立工作，而且，连网工作时，也没有明确的主从关系，

即网内的一台计算机不能强制性地控制另一台计算机。从分布的地理位置来看，它们既可以

相距很近，也可以相隔千里。

(2)通信线路：可以用多种传输介质实现计算机的互连，如双绞线、同轴电缆、光纤、

微波、无线电等。

(3)全网统一的网络协议：网络协议，即全网中各计算机在通信过程中必需共同遵守

的规则。这里强调的是“全网统一”。

(4)数据：可以是文本、图形、声音、图象等多媒体信息。

(5)资源：可以是网内计算机的硬件、软件和信息。

根据资源共享观点对计算机网络的定义，可以理解为什么说“主机一终端”系统不是一

个真正意义上的计算机网络，因为终端没有独立处理数据的能力。

2.计算机网络的主要功能

(1)资源共享

计算机网络最主要的功能是实现了资源共享。这里说的资源包括网内计算机的硬件、软

件和信息。从用户的角度来看，网中用户既可以使用本地的资源，又可以使用远程计算机上

的资源，如通过远程作业提交的方式，可以共享大型机的CPU和存贮器资源。至于在网络

中设置共享的外部设备，如打印机、绘图仪等，更是常见的硬件资源共享的例子。当网络在

某台大型机上安装有大型软件包，如专用绘图软件，用户可以通过远程登录的方式，登录到

该大型机上去使用该软件。也可以在一台计算机上安装数据库供全网信息共享。

(2)数据通信

网络中的计算机与计算机之间交换各种数据和信息。这是计算机网络提供的最基本的功

能。

(3)分布式处理

利用计算机网络的技术，将一个大型复杂的计算问题分配给网络中的多台计算机，在网

络操作系统的调度和管理下，由这些计算机分工协作来完成。此时的网络就像是一个具有高

性能的大中型计算机系统，能很好地完成复杂的处理，但费用却比大中型计算机低得多。

(4)提高了计算机的可靠性和可用性

大学计算机基础

在网络中，当一台计算机出现故障无法继续工作时，可以调度另一台计算机来接替完成

计算任务，很显然，比起单机系统来，整个系统的可靠性大为提高。当一台计算机的工作任

务过重时，可以将部分任务转交给其地计算机处理，实现整个网络各计算机负担比较均衡，

从而提高了每台计算机的可用性。

5.1.3计算机网络的组成

计算机网络要实现如前所述的功能，必须具有数据处理和数据通信两种能力。从这个前

提出发，计算机网络可以从逻辑上被划分成两个子网：资源子网和通信子网，如图5」所示。

图5.1资源子网和通信子网

1.资源子网

资源子网完成网络的数据处理功能。从上图中可以看出，它包括主机和终端，另外还包

括各种连网的共享外部设备、软件和数据库资源。这里的主机是指大型、中型、小型以及微

型计算机。

2.通讯子网

通信子网完成网络的数据传输功能。从上图可以看出，通讯子网由通信控制处理机、通

信链路及相关软件组成。通信控制处理机又被称为网络结点，具体来说可以是集线器、路由

器、网络协议转换器等。它完成数据在网络中的逐点存储和转发处理，以实现数据从源结点

正确传输到目的结点。同时，它还起着将主机和终端连接到网络上的功能。

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5.1.4计算机网络的拓扑结构

1.计算机网络拓扑的定义

拓扑学是几何学的一个分支，它是把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将点一点之

间的连接抽象成线段，进而研究它们之间的关系。计算机网络中也借用这种方法，将网络中

的计算机和通信设备抽象成结点，将结点一结点之间的通信线路抽象成链路。这样一来，计

算机网络可以抽象成由一组结点和若干链路组成，这种由结点和链路组成的几何图形称之为

计算机网络拓扑结构，或称网络结构。

计算机网络拓扑结构是组建各种网络的基础。不同的网络拓扑结构涉及不同的网络技

术，对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重要的影响，所以建设计算机网络首先要设计

网络的拓扑结构

2.计算机网络拓扑结构的分类

计算机网络中根据结点之间链路的连接方式不同可分为点一点链路和共享链路，因而网

络拓扑结构也可以根据链路类型的不同而分为两类：

（1）点一点链路的拓扑结构

在采用点一点链路的拓扑结构中，每条物理线路连接对结点。没有直接链路的两结点

之间不能直接通信，而必须经其他结点转发。点一点链路拓扑结构有3种基本结构：星型、

树型、网状型，如图5.2所示。

图5.2星型、树型、网状型拓扑结构

①星型拓扑的主要特点

星型拓扑结构中的各结点通过点一点通信线路与中心结点连接。除中心结点外，任何两

结点之间没有宜接链路，所有数据传输都要经过中心结点的控制和转发。中心结点控制全网

的通信。星型拓扑结构简单”易于组建和管理。如以集线器为中心的局域网是一种最常见的

星型网络拓扑结构。但中心结点的高可靠性是至关重要的，中心结点的故障可能造成整个网

络瘫痪。

②树型拓扑的主要特点

树型拓扑结构可以看成是星型拓扑的扩展。树型拓扑结构中，结点具有层次。全网中有

一个顶层的结点，其余结点按上、下层次进行连接，数据传输主要在上、下层结点之间进行,

同层结点之间数据传输时要经上层转发。树型拓扑结构适合于一个单位的局域网组建，以实

现信息的汇集、转发和管理的要求。

大学计算机基础

③网状型拓扑的主要特点

网状拓扑结构中两两结点之间的连接是任意的。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高,

数据传输快，特别是任意两结点之间都连接专用链路的情况。但是网状拓扑结构建网费用高

昂，控制复杂，目前常用于广域网中。

(2)共享链路的拓扑结构

在采用共享链路的拓扑结构中，一个公共的链路被多个网络结点所共享，结点往往采用

广播的方法来传输信息，因而这种拓扑结构又被称为广播网络拓扑结构。共享链路拓扑构主

要有4种基本结构：总线型、环形、无线通信与卫星通信型，如图5.3所示。

图5.3总线型、环形、无线通信与卫星通信型

①总线型拓扑的主要特点

网络中所有结点连接到一条共享的传输介质上，通过一种控制方法，使得任一时刻只允

许一个结点使用链路发送数据，而其余的结点都能“收听”到该数据。采用CSMA/CD控制

机制的以太网即是一个典型的总线型拓扑结构的例子。

②环型拓扑的主要特点

环型拓扑结构中的结点通过点一点通信线路，首尾连接构成闭合环路。从点一点相连的

构造方式，有时也被划分入点一点链路拓扑范畴。环中数据将沿一个方向逐结点传送，当」

个结点使用链路发送数据时.，而其余的结点也能先后“收听”到该数据。环型拓扑结构简单,

传输延时确定，但环路的维护复杂。IBM令牌环网是典型的环型拓扑结构。

③无线型拓扑的主要特点

采用同一频率的无线电波作为公用链路，网络中的各结点均通过“广播”的方式发送数

据。

④卫星通信型拓扑的主要特点

网络中的卫星是所有数据的转发中心。当一个结点需要给另一结点发送数据时.，发送结

点将数据发送给卫星，由卫星再中转给接收结点。

5.1.5计算机网络的分类

根据强调网络的某一特性来对计算机网络进行分类时.，其分类方法是多种多样的，下面

对其中主要的方法加以介绍。

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1.根据网络所使用的传输技术

如前所述，计算机网络中根据结点之间链路的连接方式不同可分为点一点链路和共享链

路，两种不同的链路即对应着两种不同的通信信道：广播通信信道和点一点通信信道。在广

播通信信道中，多个结点共享一个公用通信信道，即所有结点均利用公用信道来发送(广播)

数据，并从公用信道上接收数据。而在点一点通信信道中，一条链路只能连接一对结点，对

于没有直接链路的两个结点，那么需要通过中间结点来转发。很显然，对于两种不同的通信

信道，网络传输数据时，需要采用不同的传输技术，即广播(Broadcas。方式与点一点

(Point-to-Point)方式。根据网络所使用的传输技术，计算机网络也就可以分为：广播式网络

(BroadcastNetworks)和点一点式网络(Point-to-PointNetworks)两类。

①广播式网络

广播式网络中，网络中所有结点都利用一个公共通信信道来“广播”和“收听”数据。

但到底应该由谁来接收数据呢？办法是通过在发送的数据分组中附带上发送结点的地址(源

地址)和接收结点的地址(目的地址)，“收听”到该分组的结点都进行将目的地址与本结点

地址相比较的操作。如果数据分组的目的地址与本结点地址相同，则表示是发给本站的数据

而接收，其它所有“收听”的结点将丢弃该数据分组。

②点一点式网络

点一点式网络中，每条链路连接一对结点。如果两个结点之间有直接链路，则可以直接

发送和接收数据。如果两个结点之间没有直接链路，则它们之间就要通过中间结点来转发数

据，传输过程中，由于网络链路结构可能是复杂的，因此中间结点上的接收、存储、路由、

转发操作是必不可少的。

点一点式网络叮广播式网络的重要区别之一是前者采用数据分组存储、转发.与路由选择

技术，而后者不需要。

2.根据网络的拓扑结构

如前所述，计算机网络中常用的基本拓扑结构有总线型、环型、星型、网状型等，据此

计算机网络根据其采用的拓扑结构也可以分为总线型网络、环型网络、星型网络、网状型网

络等。有关总线型网络、环型网络、星型网络的特点可参看局域网部分的讲解。

3.根据网络的覆盖范围与规模

计算机网络按覆盖的地域范围与规模可以被分为三类：局域网(LANLocalArea

Network)>城域网(MANMetropolitanAreaNetwork)与广域网(WANWideAreaNetwork)«

①局域网

局域网覆盖有限的地域范围，其地域范围一般不超过几十公里。局域网的规模相对于城

域网和广域网而言为小。常在公司、机关、学校、工厂等有限范围内，将本单位的计算机、

终端以及其他的信息处理设备连接起来，实现办公自动化、信息汇集与发布等功能。

②广域网

广域网也称为远程网。它可以覆盖一个地区、国家、甚至横跨几个洲而形成国际性的广

大学计算机基础

域网络。目前大家熟知的因特网就是一个横跨全球，可公共商用的广域网络。除此之外，许

多大型企业以及跨国公司和组织也建立了属于内部使用的广域网络。

③城域网

城域网所覆盖的地域范围介于局域网和广域网之间，一般从几十公里到几百公里的范

围。城域网是随着各单位大量局域网的建立而出现的。同一个城市内各个局域网之间需要交

换的信息量越来越大，为了解决它们之间信息高速传输问题,提出了城域计算机网络的概念，

并为此制定了城域网的标准。

值得注意的是，计算机网络因其覆盖地域范围的不同，它们所采用的传输技术也是不同

的，因而形成了各自不同的网络技术特点。

4.根据链路采用的传输介质

传输介质是网络中连接发送结点和接收结点之间链路的物理通路。目前计算机网络中常

用的传输介质可以分为有线介质和无线介质两类。有线介质包括双绞线、同轴电缆、光纤电

缆；无线介质包括无线电、红外线、激光、地面微波、卫星微波等。

根据采用的传输介质不同，计算机网络可分为有线网络和无线网络两类。有线网络包括

双绞线网、同轴电缆网、光纤网；无线网络包括和分组无线网、地面微波网、卫星通信网等。

5.根据网络通信信道的数据传输速率

数据传输速率是描述网络通信信道的一个重要技术参数。数据传输速率定义为每秒钟传

输的二进制代码位数，即比特数，故又称之为比特率。单位为比特/秒(bit/second),t酢bps。

在实际的通信信道中，常采用的数据传输速率单位还有：Kbps、Mbps和Gbps。

其中：1Kbps=10，bps,1Mbps=106bps,1Gbps=109bps.,

根据通信信道的数据传输速率高低不同，计算机网络可分为低速网络、中速网络和高速

网络。有时也直接利用数据传输速率的值来划分，例如10Mbps网络、100Mbps网络、

1000Mbps(1Gbps)网络、10000Mbps(lOGbps)网络。

6.根据网络的信道带宽

在计算机网络技术中，信道带宽常简称为“带宽”，带宽与数据传输速率是紧密相关的

两个概念。在实际应用中，带宽总是直接用来描述通信信道的数据传输速率，因为带宽和数

据传输速率之间存在着明确的对应关系，有时几乎成了同义词。具有高数据传输速率的网络

常称之为宽带网络。这样一来，计算机网络又可以根据网络的信道带宽分为：窄带网、宽带

网和超宽带网。

有关信道带宽与数据传输速率之间的定量关系描述，可以参阅相关的奈奎斯特(Nyquist)

准则和香农(Shanon)定律。

除了上述常见的网络划分外，还有以下一些常见的分类方法：

•根据工作原理分为以太网、令牌环网、FDDI网、ATM网。

•根据控制方式分为集中式网和分布式网。

•根据使用范围分为公用网和专用网。

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•根据交换技术分为共享式网和交换式网。交换式网络又可分为线路交换网、分组交换

网、信元交换网等。

显然，根据计算机网络的不同特征就出现了不同的分类方法，因此，一个计算机网络的

分类名称往往表现出它的若干特征。例如“10Mbps共享式以太局域网”描述了一个网络的

数据传输率、交换方式、工作原理和覆盖地域范围儿个特征。

5.1.6计算机网络的应用

随着因特网的日益普及，计算机网络已经在工业、农业、国防、科研、文化教育以及日

常生活等各个领域得到广泛应用。电子邮件、WWW服务、文件传输、远程登陆、1P电话、

网络娱乐、ICQ等都是人们熟悉的例子。另外虚拟现实、电子商务也正在迅速发展和成熟。

下面对几个应用加以简单介绍。

1.WWW服务

WWW是WorldWideWeb的简称，又称之为万维网。WWW服务，也简称为Web服务，

是目前因特网匕最受欢迎的服务。WWW中创造性地使用超文本(Hypertext)方式组织、查找

和表示信息。这是一种完全不同于传统文件系统的组织结构，利用从一个站点到另一个站点

的链接，WWW中的站点的连接关系是相互交叉的。WWW服务友好的用户查询界面，强

有力的搜索引擎，使得它在信息服务、广告、新闻、销售与电子商务等诸多领域获得广泛应

用。WWW服务的出现是因特网发展中的一个革命性的里程碑。

WWW服务采用客户机/服务器工作模式，客户端通过浏览器软件来访问服务器，目前

有许多种浏览器软件，常用的有InternetExplorer、NetscapeNavigator等。

2.IP电话

IP电话是利用因特网实现远程通话的一种先进通信方式。它使得以市话价格打国际长

途成为可能。IP电话与传统电话在实现技术上有很大的不同，前者的传输网络是因特网，

后者则是公用电话交换网。它们的交换方式也是完全不同的，前者采用分组交换技术，语音

信息按IP协议被分割成若干个分组，各个分组独立地在网中传送，因此通信信道占用时间

短，而后者采用电路交换技术，通话时间内独占通信信道，因此占用时间长。正因为交换方

式的特点，决定了IP电话的费用可以远低于传统电话。

IP电话可以在PC机和PC机，PC机和普通电话，普通电话和普通电话之间进行通话。

目前普通电话和普通电话之间的通话方式最受欢迎，它使得用户可以像操作传统电话一样操

作IP电话。

3.电子商务

电子商务起始于上个世纪九十年代中期。虽然它出现的时间短，但却是一个发展极其迅

速的领域。目前，对电子商务的理解和定义尚未统一，因此对“电子商务”有着不同的定义。

大学计算机基础

一种流行的看法是：电子商务是以计算机和通信网络为基础平台，实现在线商业交易活动的

全过程。所谓通信网络包括因特网和企业专用网；所谓在线商业交易活动的全过程是指商务

活动的各个环节，包括商务谈判、商品交易、资金支付等都在网络上进行。

和传统商务相比，电子商务使得商务活动中信息处理和传递的速度明显加快，传播范围

更宽，甚至可到达世界的任何地方，而商业成本却可以大大降低。

电子商务的影响是多方面的。作为一种新型的商务模式，电子商务改变了商务活动和企

业生产的方式，影响了人们的消费行为和观念。总之，电子商务对个人、企业、政府乃至整

个社会都产生了重大的影响。

5.2网络体系结构的基本概念

5.2.1网络通信协议和网络体系结构定义

1.网络通信协议(Protocol)

(1)网络通信协议的定义

网络通信协议也简称为网络协议。计算机网络中多个互连的结点需要进行数据通信，使

得结点之间将不断地交换数据，也包括控制信息。为了做到有条不紊地交换数据，每个结点

都必须遵守一些事先约定好的规则。规则精确地规定了所交换数据的内容、格式和时序。这

些为网络数据通信而制定的规则(约定或标准)被称为网络协议。

网络协议从本质上来看是计算机网络中各结点数据通信时使用的一种语言，它是组成计

算机网络不可缺少的一部分。

(2)网络协议的3个要素

一个网络协议应包含以下3个要素：即语法、语义和时序。

•语法：即交换数据和控制信息的结构和格式。例如，一个协议可以定义数据中的若干

个字节为目的地址，其后又是若干个字节为源地址，紧接着才是实际要传输的信息本身。

•语义：即控制信息的含义。例如何种控制信息需要发出、其动作及应有的响应。

•时序，即通信中事件的实现顺序。

也许上面的描述比较抽象，可以将3个要素分别理解为通信双方“如何讲”、“讲什么”

和“说话顺序

(3)网络协议的层次结构

一个功能完备的计算机网络需要完成的通信任务是十分复杂的，所以相应的网络协议也

必然会是十分复杂。为了很好的制定和实现协议，人们采用层次结构模型来描述网络协议。

为了更好地理解网络协议分层的作用，下面以日常生活中的邮政通信为例，引出层次结构模

型概念。

当甲、乙两人通过邮政进行通信时，完成整个通信过程至少应涉及三个层次，如图5.4

所示。

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阅设信函

信函的分拣.投递

接收邮包

图5.4一个具有三个层次的邮政投递系统模型

图中最高层为通信者层，中间为邮局层，下面为运输层。甲、乙双方的信息交换必须

经由三层合作才能完成。其中甲、乙双方按事先约定的格式来书写、阅读信函内容；邮局

层完成对信函的分拣、包装、发送、投递；运输层则负责运输管理，将信函实际从一地运

输到另一地。这种将一个任务分解成若干层而分别实施的方法，使得每一层只需要关心自

己所需要作的工作，其余的由下层提供的“服务”来完成。例如通信者层只关心信函如何

表述，至于信函如何投递则由邮局提供的服务去完成。同样，邮包在运输中可能经过多个

车站转接，也可能使用不同的交通工具，但这些邮局均无需考虑，而交给运输部门去负责

操作。另外，对于每一层来说，通信时总是存在着收发双方，例如通信的甲和乙、收发方

的两个邮局、收发方的两个运输部门，并且，每•层的收发双方都将按照一定的规则进行

信息交换——通信。

网络协议分层的概念和上述邮政系统分层的概念很类似。整个网络通信操作分解到若

干层次中，下层向上层提供“服务”，上层使用下层的“服务”，同时又为更高一层提供自

己的“服务每一层次中包括两个实体，称之为对等实体(peerentity)。邮政系统中的两个

通信者、两个邮局、两个运输部门可以比喻为对等实体。网络中各层的对等实体之间都将

进行通信，既然有通信，各层都需要有一套双方都遵守的通信规则——通信协议。通常将

第n层的对等实体之间进行通信时所遵守的协议称之为第n层协议，所以通信协议也是具

有层次结构的。

目前，各种网络协议都采用层次结构，如OSI/RM、TCP/IP、SNA等等。不过不同网

络协议的分层方法会有很大差异。

(4)网络协议层次结构优点：

网络协议采取了层次结构具有如下一些优点：

①各层相互独立•上面一层只要知道下一层通过层间接口所能提供的服务，而不需了

解其实现的细节.

②灵活性好。随着网络技术的不断变化，每一层的实现方法和技术也会发生变化，当

某一层发生变化时，只要层间接口不变，则上、下层均不受影响。这种灵活性为协议的修

改提供了很大的方便。

③实现技术最优化。分层结构使得各层都可以选择最优的实现技术，并能不断更新。

④易于实现和维护。系统被分解为若干部分，分别在较小范围内来实现、调试和维护,

大学计算机基础

显然比将系统当成一个整体来操作要简便。

⑤促进标准化。每一层的功能和所提供的服务都可以进行精确地说明，这有助于促进

标准化。

2.网络体系结构(architecture)

(1)网络体系结构的定义：

从网络协议的层次模型可以看出，整个网络通信功能被分解到若干层次中分别定义，

并且各层对等实体之间存在着通信和通信协议，下层通过层间“接口”向上层提供“服务”。

一个功能完备的计算机网络需要一套复杂的协议集。

网络体系结构定义为：计算机网络的所有功能层次，各层次的通信协议以及相邻层间

接口的集合。

需要指出的是，网络体系结构说明了计算机网络层次结构应如何设置，并且应该如何

对各层的功能进行精确的定义。它是抽象的，而不是具体的。至于用何种硬件和软件来实

现定义的功能，则不属于网络体系结构的范畴。可见，对同样的网络体系结构，可采用不

同的方法，设计完全不同的硬件和软件来实现相应层次的功能。

(2)网络体系结构实例

①网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)

美国IBM公司于1974年提出的世界上第一个以分层方法设计的网络体系结构，凡是

遵循SNA的设备可以进行互连。

②数字网络结构DNA(DigitalNetworkArchitecture)

DEC公司于1975年提出的一个以分层方法设计的网络体系结构，适用于该公司的计

算机连网。

③开放系统互连参考模型OSI/RM(ReferenceModelofOpenSystemInterconnection)

国际标准化组织ISOT-1978年提出的最著名的网络互连国际标准协议。该体系结构

标准定义了网络互连的七层框架。

④传输控制协议/互联网协议TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)

TCP/IP形成于1977至1979年间，其最早起源于1969年美国国防部赞助研究的

ARPANET参考模型。虽然TCP/IP协议不符合OSI/RM标准，但由于它是因特网上采用的

协议，所以已经成为目前最流行的商业化的协议，并被公认为当前的工业标准或“事实上

的标准”。

⑤宽带综合业务数字网B-ISDN(Broad-IntegratedServicesDigitalNetwork)

宽带综合业务数字网B-ISDN可以将各种业务，包括话音、数据、图像、活动图像等

等业务综合在一个网络中传送。为了支持如此众多而且特性各异的业务，除以光缆作为其

传输介质外，还采用了一种称之为异步转移模式ATM(AsynchronousTransferMode)的网络

传输技术，因此，B-ISDN提出了一种全新的网络体系结构。

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5.2.2OSI/RM参考模型

有网络就有网络体系结构。在OSI/RM公布以前.，许多大的计算机公司在设计、生产臼

己网络产品的同时，都定义了自己的网络体系结构，例如IBM公司的SNA、DEC公司的

DNA等。虽然这些网络体系结构都采用了分层的思想，但层次的划分、功能的分配与采用

的技术术语差异极大。采用同一种网络协议的计算机可以互连以进行通信，而不同的协议之

间却无法直接相连，因此形成许多“封闭”系统。显然，这种不能互连的封闭系统已不能满

足人们对信息传输的要求。各种计算机系统连网和各种计算机网络的互连已成为必需解决的

问题。为此，制定一个国际标准的网络体系结构也就势在必行了。

1.OSI参考模型的层次

国际标准化组织ISO从1978年开始，经过几年的工作，于1983年正式发布了最著名

的ISO7498标准。它就是“开放系统互联参考模型"OSI/RM。如图5.5所示。

-—A

应用层

表示层-—A表示层

—

会话层―►会话层

—

运输层<A运输层

网络层♦—►网络层网络层.A网络层

数据链路层-A数据链路层——►数据链路层-A数据链路层

物理层-►物理层V►物理层-A物理层

物理布质]j~物理介质I[物而流

图5.5开放系统参考模型OSI/RM结构

开放系统互连参考模型中的“开放”是指一个系统只要遵循OSI标准，就可以和位于

世界上任何地方的、也遵循这个标准的其它任何系统进行通信。强调“开放”也就是说系统

可以实现“互连”。这里的系统可以是计算机、和这些计算机相关的软件以及其他外部设备

等的集合.

OSI/RM采用的是分层的体系结构。它定义了网络体系结构的7层框架，最下层为第1

层，依次向上，最高层为第7层。从第1层到第7层的命名为：物理层、数据链路层、网络

层、运输层、会话层、表示层和应用层，分别用英文字母PH、DL、N、T、S、P和A来表

ZjSO

2.OSI/RM各层的主要功能和协议

OSI/RM定义了每一层的功能以及各层通过“接口”为其上层所能提供的“服务”。

(1)物理层(Physicallayer)

物理层实现透明地传送比特流，为数据链路层提供物理连接“服务”。

(2)数据链路层(Datalinklayer)

大学计算机基础

数据链路层在通信的实体之间负责建立、维持和释放数据链路连接。在相邻两个结点间

采用差错控制、流量控制方法，为网络层提供无差错的数据传输“服务”。

(3)网络层(Networklayer)

网络层通过路由算法，为分组选择最适当的路径，并实现差错检测、流量控制与网络互

连等功能。

(4)运输层(Transportlayer)

运输层完成端到端(End-to-End)的差错控制、流量控制等。这里“端”指的是进程，和

数据链路层的“点一点”概念不同。运输层是计算机网络体系结构中关键的一层，它为高层

提供端到端可靠的、透明的数据传输“服务”。

(5)会话层(Sessionlayer)

会话层组织两个会话进程之间的数据传输同步，并管理数据的交换。

(6)表示层(Presentationlayer)

表示层处理不同语法表示的数据格式转换，数据加密与解密，数据压缩与恢复等功能。

(7)应用层(Applicationlayer)

应用层是开放系统与用户应用进程，如文件传送和电子邮件等的接口，为OSI用户提

供管理和分配网络资源的“服务”。

也许上面的讲述太专业化，初学者不易理解，那么可以借用下面的比喻来描述OSI/RM

中几个主要层次的功能，以便建立一个网络通信分层模型的直观印象。

应用层：这次通信要做什么？

传输层：对方的位置在哪里？

网络层：到达对方位置走哪条路？

数据链路层：沿途中的每一步怎样走？

物理层：每一步怎样实际使用物理介质？

OSI/RM中每一层次中包括两个实体，称之为对等实体(peerentity)。每层对等实体之间

都存在着通信，即信息交换，因此定义了7层协议，分别以层的名称来命名。各层协议定义

了该层的协议控制信息的规则和格式，如图5.6所示。

-应用层协议A

应用层应用层

表示层协议A

表示层―表示层

________会_________A

会话层-会话层

________誉蒯动钻__________A

运输层V运输层

网络层协议

网络层.>网络层

数据链路层协议

数据链路层-A数据链路层

物理层协议

物理层-A物理层

物理介质

图5.6OSI/RM中定义的7层协议

3.OSI/RM中的虚拟通信和实际数据流向

从图5.6来看，在水平方向上，似乎每层的对等实体之间都在遵循本层的通信协议而进

-172-

行通信。但实际的数据传输却并非如此，下面以图5.7为例加以说明。

下例中假定主机A为发送方，主机B为接收方。带箭粗线表示实际的数据传输。

P

主H机A主机B

虚通信»

应用层应用层

虚通信_

表示层表示层

__________________虚溜京_____________»

会话层会话层

-___________________虚加值____________________»

运输层运输层

虚通信

网络层网络层

虚通信蜉

数据链路后数据链路层

虚通信

物理层物理层

介质

►

实际信息流

图5.7OSI/RM中的虚拟通信和实际数据流向

实际的数据传输过程在发送方和接收方都是沿垂直方向进行的，仅在物理介质中沿水平

方向传送。在发送方，上层数据逐层传送给下层，并逐层增加协议控制信息进行“封装”，

在接收方，下层数据逐层上传，并逐层剥去协议控制信息。为了区别起见，将同层对等实体

之间不存在实际数据传送的通信称之为虚拟通信，或虚通信。正如邮政系统中一样，通信者

甲、乙双方存在着信息交换，但信函却要经发方邮局、发方运输部门、运输线路、收方运输

部门、收方邮局依次传递。

在OSI/RM中，各层的数据单位使用了各自的名称：

物理层传送的是“比特流”，即0、1代码串，数据单位为比特。

数据链路层的数据单位为帧。

网络层的数据单位为分组。

运输层、会话层、表示层和应用层的数据单位为报文。

从发送方而言，数据从上层流动到下层。一个“报文”可能被分割成多个小的数据片段,

每个数据片段加上相应的协议控制信息，即报头，而封装形成“分组”，每个分组加上必要

的协议控制信息而形成“帧”。这就是“封装”的过程。在接收方，则正好是一个反向的过

程，即逐层剥去协议控制信息，并进行重新组装，以还原数据。从这里，也可以看出报文、

分组、帧之间的关系。

4.OSI/RM中的中继开放系统

•般来说，从发送方到接收方的数据传输往往需要经过中间结点转发。OSI/RM对这些

转发数据的中间结点，只定义了低三层的协议，即物理层、数据链路层和网络层，并称之为

中继开放系统。

实际的数据传送过程中，中继开放系统也要进行相应协议层的处理，数据在每个结点中

经历了接收和发送两个过程，其实际数据传送流程如图5.8所示。

大学计算机基础

应用层应用层

表示层表示层

会话层会话层

运输层运输层

网络层网络层网络层

数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层

物理层物理层物理层物理层

物理介质物理介质

中继开放系统

图5.8中继开放系统的实际数据流动

上面列举了OSI/RM中的儿个概念。OSI/RM只是描述了一些网络概念，并不提供可以

实现的方法，所以说它只是一个技术规范，而不是工程规范。

OSI/RM是在市场己有的计算机网络体系结构的基础上，博采众长，兼顾各方而形成的。

这样的一个模型庞大而全面，但其复杂性影响了其效率，以至于至今OSI/RM并没有真正流

行而成为网络体系结构的国际标准。尽管如此，OSI/RM中提出的思想和概念，指导人们开

发出许多有用的网络协议，并在理论探索和网络教学中起到了重要的作用。

5.2.3TCP/IP参考模型

OSI/RM的网络体系结构与协议没有能发展成为一种国际标准。在现实的网络世界中，

由于Internet在全世界的飞速发展，Internet上采用的TCP/IP协议已经成为事实上的标准，

TCP/IP协议的广泛应用对网络技术发展产生了重要的影响。

TCP/IP协议起源于ARPANET„ARPANET是美国国防部于1969年赞助研究的世界上

第一个采用分组交换技术的计算机网络。该网络使用点到点的租用线路，逐步地将数百所大

学、政府部门的计算机连接起来，这也就是Internet的前身。随着卫星通信系统与通信网的

发展，从1982年开始，ARPANET上采用了一簇以TCP和1P协议为主的新的网络协议，不

久,又由此定义了TCP/IP参考模型(TCP/IPReferenceModel)。

1.TCP/IP参考模型与层次

在如何用分层模型来描述TCP/IP体系结构的问题上，目前并没有完全统一。一般认为，

TCP/IP参考模型应包括4个层次，从上往下依次为：应用层、传输层、互连层、主机-网络

层。为了便于理解模型中各层的含义，图5.9给出了TCP/IP参考模型与OSI参考模型的层

次对应关系。

-174-

TCP/IP参考模型OSI参考模型

应用层

应用层表示层

会话层

传输层传输层

网络互联层网络层

数据链路层

主机-网络层

物理层

图5-9TCP/IP参考模型和OSI参考模型

在TCP/IP参考模型中，没有专门设计对应于OSI/RM表示层、会话层的分层。各层的

功能简述如下：

(1)应用层:对应于OSI/RM模型中的会话层、表示层和应用层。它不仅包括了OSI/RM

会话层以上三层的所有功能，还包括了应用程序，所以TCP/IP模型比OSI/RM更简洁和更

实用。它能为用户提供若干

应用程序调用。

(2)传输层：对应于OSI/RM的传输层。它实现端一端(进程一进程)无差错通信。

由于该层中使用的主要协议是TCP协议，因此又称为TCP层。

(3)互连层：对应于OS1/RM的网络层。负责对独立传送的数据分组进行路由选择，

以保证可以发送到目的主机。由于该层中使用的是IP协议，因此又称为IP层。

(4)主机-网络层：对应于OS1/RM的物理层、数据链路层及一部分的网络层功能。负

责将数据送到指定的网络上。主机-网络层直接面向各种不同的通信子网。日前常用的以太

网、令牌环网等局域网和X.25分组交换网等广域网都可以通过本层接口接入。

2.TCP/IP协议簇

在TCP/IP参考模型中定义了一组协议，其中最重要的两个协议是传输控制协议

TCP(TransportControlProtocol)和互连协议(InternetProtocol),因匕用TCP/IP来为协议簇名。

TCP/IP协议簇中一些主要协议及其相互关系如图5.10所示。

应用层HTTPTELNETFTPSMTPDNS・・・

传愉层TCPUDP

IP

互联层

ARPRARP

主机-网络层以太网令牌环X.25网FDDI

图5.10TCP/IP协议簇

下面对各层协议的功能作一个简要的描述。

(1)应用层

应用层包括了许多的高层协议，随着因特网应用范围的扩大,总会不断有新的协议加入。

目前主要使用的协议有：

①HTTP,超文本传输协议，用于因特网上的WWW服务。

大学计算机基础

②TELNET,网络终端仿真协议，用于实现远程系统登录功能，以使用远程主机的资源。

③FTP,文件传输协议，用于实现交互式文件传输和文件管理功能。

④SMTP,简单电子邮件协议，用于实现电子邮件传送功能。通常，电子邮件应用程序

向邮件服务器传送邮件时使用SMTP协议；而从邮件服务器的邮箱中读取时使用POP3或

IMAP协议。

⑤DNS,域名服务，用于实现网络设备域名到IP地址的映射。

(2)传输层

传输层定义了两种协议：即传输控制协议TCP(TransportControlProtocol)和用户数据报

协议UDP(UserDatagramProtocol)«

①TCP协议，•种可靠的面向连接的协议，可以将源主机的字节流无差错的传送到目的

主机。在多数情况下，传输层使用TCP协议，以保证将通讯子网中的传输错误全部处理完

毕。

②UDP协议，一种不可靠的无连接协议，分组传输中的差错控制由应用层完成。

应用层协议在传输层协议之上，其中一些使用面向连接的TCP协议，如网络终端仿真

协议TELNET、电子邮件协议SMTP、文件传送协议FTP：另一些使用面向无连接的UDP

协议，如简单网络管理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP。

这里需要解释一下在网络协议中常遇到的“连接”和“无连接”的概念。

所谓“连接”，是指在数据交换前通过收发双方的呼叫与应答，在发方和收方之间建立

一条专用通信线路，然后数据沿着这条专用线路被传输到目的地。可以借用日常生活中电话

系统的实例来比喻这种‘'连接"关系，当需要打电话时，先要拨号，若线路空闲，即在通话

双方之间建立并维持一条通话电路，直到通话结束。当然，计算机网络中的“连接”和电话

系统中的“连接”是有区别的。以“连接”方式来传输数据时，可靠性高，适合于同一时间

内向同一目的地发送大量的数据，但线路利用率较低。

和“连接”相反，所谓“无连接”，是指在数据交换前，无需在发方和收方之间建立一

条专用通信线路，发送方只需将数据通过网络接口传送到网络上，数据在网络中逐站被传送

时，途中站点根据网络当时的实际情况来决定下一站点的选择，即路径选择，因此无法预先

确定数据将沿着哪条线路到达目的地。可以借用日常生活中邮政系统的实例来比喻这种“无

连接”关系。以“无连接”方式来传输数据时，可能会出现数据丢失、重复等现象，其可靠

性不高，但优点是灵活方便，线路利用率高。

(3)互连层(IP层)

互连层定义了IP协议。IP协议是一种面向无连接的协议。它负责将发送主机的数据分

组以“无连接”的方式发送到目的主机。由于是“无连接”方式，各数据分组在因特网中是

独立传输的，所以IP层必须负责数据分组传送过程中的路由选择和差错控制。同时，“无连

接”方式也决定了构成一个传输层报文的各个分组的发送顺序和接收顺序可能不同，甚至有

丢失现象，这些问题则提交给传输层去解决。

从图5.10可以看出，I