计算机网络基础 课件 第1章 计算机网络和互联网

打造人工智能共享实训基地，我校专业集群协调发展

信系第1章计算机网络和互联网第1章计算机网络和互联网网络如何影响我们在学习、工作和娱乐的方式。互联网边缘部分和核心部分算的作用。理解电路交换和分组交换的概念。了解网络的组成和功能。熟悉网络的分类。了解计算机和互联网的演变和发展。了解中国互联网发展和互联互通。熟悉网络的性能指标。熟悉理解网络体系结构。【内容巡航】1.1全球联网1.日常生活中的网络1.1.1当今网络

当人们想到某个创意时，可以即时与其他人沟通，使创意变为现实；新闻事件和新的发现在几秒钟内就能举世皆知；在电商平台、商家网上平台参加购物，甚至做起跨境生意；旅行、住宿甚至目的地的天气都可以在网上办理和了解；人们甚至可以和大洋彼岸的朋友联系和玩游戏；支付宝、微信等支付方式改变了现金的流通。【内容探究】1.1全球联网2.网络改变我们的学习方式1.1.1当今网络

在线远程学习消除了地理位置的障碍，增加了人们的学习机会。网络提供了各种格式的学习材料，包括互动练习、评估和反馈。1.1全球联网3.网络支撑我们的通信方式。1.1.1当今网络

即时通信：QQ、微信、钉钉、MSN，ICQ社交媒体博客：网络日志特朗普→推特维基1.1全球联网4.网络支撑着我们的工作方式1.1.1当今网络

网上办公网上员工招聘、培训视频会议网上教学1.1全球联网5.网络支撑着我们的娱乐方式1.1.1当今网络

传统的娱乐形式：收听歌曲、欣赏电影、阅读书籍；观看体育赛事和音乐会的直播、录像和进行点播新娱乐方式：在线游戏1.1.2身边的网络

（1）小型家庭网络将少量的几台计算机互联并将它们连接到互联网。共享资源，如打印机、文档、图片和音乐等等。

（2）小型办公室或/家庭办公室（SOHO）网络可让一个家庭办公室或远程办公室的计算机连接到企业网络或访问集中的共享资源。

（3）大中型网络（例如大型企业和学校使用的网络）可能有许多站点，包含成百上千相互连接的计算机。

（4）互联网是由连接全球亿万台计算机的网络。是现存最大的网络，是由众多网络所组成的网络。1.1.3计算机网络概念

所谓网络，就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来而形成的计算机集合，并配置网络软件，计算机之间可以借助于通信线路传递信息、共享软件、硬件和数据等资源。也就是网络是由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（link）组成。如图1.1所示给出了一个具有四个节点和三条链路的网络。我们看到一台服务器、一台计算机（微机）、一台笔记本通过三条链路连接到一个交换机上，构成了一个简单地网络。1.1.3计算机网络概念

（1）一个网络可以包含多个“节点”，节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等，在后面单元我们会介绍集线器、交换机和路由器等设备。

注。在网络领域，“结点”是“node”的标准译名，在大多数中文资料中都采用“节点”，在本书中统一采用“节点”。1.1.3计算机网络概念

（2）网络是通过通信设备和通信线路把有关的计算机有机的连接起来。所谓“有机地”连接是指连接时彼此必须遵循所规定的约定和规则。

（3）建立网络的主要目的是为了实现通信的交往、信息的交流、计算机分布资源的共享或者是协同工作。其中最基本的目的是资源共享。包括硬件资源、软件资源和数据资源。1.2互联网概述

网络（Network）是由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（Link）组成。网络中的节点可以是计算机、交换机或路由器等。网络和网络还可以通过路由器等设备互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，这样的网络称为互连网（internet），如右图所示。互连网是网络的网络（Networkofnetworks）1.2.1

网络的网络

网络我们可以用一朵云来表示，这时候既可以把网络上的计算机包含在云中（如上图所示），也可以把计算机画在云的外边（如右图所示），通常，为了便于大家理解像讨论计算机之间的通信等问题，一般采用把计算机画在云外。把与网络相连的计算机称为主机（host）。1.2.1

网络的网络传统主机桌面PC笔记本Linux工作站服务器现代主机智能手机平板电脑电视家用电器交通信号灯监视系统手表、眼镜汽车控制系统1.2.1

网络的网络

网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起。互联网就是世界上最大的计算机网络。

互联网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计），是一个世界范围的计算机网络，即它是一个互联了遍及全世界数十亿计算机设备的网络。1.2.1互连网与互联网

注：internet（互联网或互连网）：是一个通用名词，它泛指由多个网络互连而成的网络。

Internet（互联网）：是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPAnet。1.2.2互联网结构发展的三个阶段第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网络发展的过程。1969，美国国防部，第一个分组交换网络ARPANET主机

就近的节点交换机十九世纪70年代中期，互连网络1983年，TCP/IP标准协议，互联网的诞生时间。1990年，ARPANET关闭。1.2.2互联网结构发展的三个阶段第二阶段：逐步建成三级结构的互联网。1985，国家科学基金网NSFNET是一个三级计算机网络主干网1992年，100万台，主干网的速率45Mbit/s（T3）地区网地区网地区网校园网企业网校园网企业网1.2.2互联网结构发展的三个阶段第三阶段：逐渐形成多层次ISP结构的互联网。1993年，NSFNET

若干的商用的互联网主干网，ISP：从互联网管理机构申请到成块的IP地址；

通信线路；路由器等联网设备；政府机构运营

各种互联网服务提供方（ISP）互联网已不是某个单个组织所拥有而是全世界无数大大小小的ISP所共同拥有的，因此互联网也被称为“网络的网络”。1.2.2互联网结构发展的三个阶段根据提供服务的覆盖范围面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同层次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地ISP。（2）地区ISP：是一些较小的ISP，这些地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来（1）主干ISP：有几个专门的公司创建和维持，服务面积最大，并且还拥有高速主干网。（3）本地ISP：供用户提供直接的服务。本地ISP可以连接到本地ISP也可直接连接到主干ISP。绝大多数的用户都是直接连接到本地ISP的。本地ISP可以是一个仅仅提供互联网服务的公司，也可以是一个拥有网络并向自己的雇员提供服务的企业，或者是一个运行自己的网络的非营利机构（如大学）。1.2.2互联网结构发展的三个阶段1.2.2互联网基础结构发展互联网服务提供者ISP20世纪90年代的主要事件是万维网应用程序的出现，它将因特网带入世界上数以百万计的家庭和商业中。Web：包括Web浏览和因特网商务。电子邮件：包括附件和Web可访问的电子邮件。FTP：文件传输服务；即时通讯，具有联系人列表。P2P文件共享。1.2.2互联网结构发展的三个阶段

主机A与主机B通信：一个主干ISP下的主机A要访问同一地理位置的另一主干ISP下的主机B，主机A要经过许多不同层次的ISP才能访问主机B，而不能直接访问。

主机C和主机D通信：主机C和主机D属于同一主干ISP，但在不同的本地ISP，它们之间的通信在地区ISP就可以完成分组转发。

互联网交换点IXP就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过上一级ISP的网络来转发分组。

据统计，到2020年8月，全球已经有1064个IXP，其中我国拥有32个，分布在172个国家和地区。1.2.2互联网结构发展的三个阶段

在2015年有134亿台设备与互联网相连，而到了2020年达到了385亿台设备。2016年，全球互联网用户数为34.2亿人，占相当于全球人口的46%；2022年1月，全球互联网用户数为49.5亿人，占全球总人口的62.5%。

截止2021年12月，我国网民规模达10.32亿人。1.2.3互联网的标准化工作

1992年，成立互联网协会，互联网体系结构委员会IAB，负责管理互联网有关协议的开发。互联网工程部IETF：主要的工作是协议的开发和标准化因特网研究部IRTF：主要的工作是进行理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题包括互联网的一些协议、应用、体系结构等。1.2.4中国互联网发展状况我国于1980年开始计算机联网实验，1989年11月第一个公用分组交换网CNPAC建立运行，1994年用64kbps专线正式接入互联网，起步比欧美国家晚，并且传统互联网的核心技术由美国掌握，但经过30多年的迅速发展，我国网民数量快速增长，全世间第一，互联网的普及和应用程度已经位于世界各国前列，尤其是电子商务和互联网应用发展飞快，以阿里巴巴、腾讯为代表的互联网企业在国际上处于领先地位。支付宝和微信支付等移动支付在世界范围内具有广泛应用并受到用户的极大认可，这些领先的应用都向世界展示出中国科研工作者的非凡创新能力。1.2.4中国互联网发展状况国家骨干网中国电信集团有限公司（简称中国电信）（原中国公用计算机互联网）中国联合网络通信集团有限公司（简称中国联通）中国移动通信集团有限公司（简称中国移动）中国教育和科研计算机网中国科学院计算机网络信息中心中国国际电子商务中心中国长城互联网网络中心国际骨干互联网运营商公益性网络。1.2.4中国互联网发展状况中国互联网的发展令世界瞩目，尤其表现在规模和应用两个方面。根据中国互联网协会发布的第50次《中国互联网发展状况统计报告》，截止2022年6月，中国网民已达10.51亿，互联网普及率达74.4%，2021年中国网上零售额13.01万亿元，电子商务年交易额为42.3万亿元元，网上支付交易额2353.96万亿元，中国数字经济规模稳居世界第二。除此之外，中国互联网应用也在蓬勃发展，以新四大发明为代表的“互联网+”应用对传统产业转型升级、优化行业环境具有重要的推动意义。中国互联网的发展背后彰显了中国特色社会主义的文化自信和道路自信。1.2.4中国互联网发展状况2.互联网之间互联互通中国互联网就是由上述7家运营单位的骨干网通过互联互通共同构建。各运营单位的骨干网主要通过以下方式实现互联互通。（1）NAP模式。NAP本质上即IXP，目前国内NAP只设置在北京、上海、广州三地，骨干网互联单位可在此接入实现网间互联互通。（2）骨干直联点模式。目前国家级骨干直连点数量已达到13个（3+7+3），即北京、上海、广州、南京、成都、武汉、西安、沈阳、重庆、郑州、杭州、贵阳·贵安、福州，已经覆盖了国内三大运营商IP骨干网核心节点所在城市。1.2.4中国互联网发展状况1.2.4中国互联网发展状况3.互联网骨干网网间结算2020年02月，工信部发布《关于调整互联网骨干网网间结算政策的通知》（20号）。（1）2020年7月1日起，取消中国移动与中国电信、中国联通间的单向结算政策，实行对等互联，互不结算。（2）2020年1月1日起，中国电信、中国移动和中国联通下调对中国广播电视网络有限公司、中信网络有限公司的互联网骨干网网间结算费用，下调比例不低于现有标准结算价（8万元/G/月）的30%。（3）2020年1月1日起，教育网、科技网、经贸网、长城网等公益性网络与中国电信、中国移动和中国联通的互联网骨干网之间实行免费互联。1.3互联网的组成1.3.1边缘部分

互联网的边缘部分也称为资源子网。处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统（endsystem），“端”就是“末端”也就是互联网的末端。桌面计算机（如包括桌面PC，Mac、工作站等）。服务器（如Web服务器、视频服务器、电子邮件服务器等）。移动计算机（如笔记本电脑、智能手机、平板电脑、PDA等）。其他非传统设备（也称IoT设备，如电视、游戏机、家用电器、交通信号灯、监视系统、手表、眼镜、温度调节装置、汽车控制系统等）。1.3.1边缘部分

用户和组织连接到互联网可以采取许多不同的方式。家庭用户、远程工作人员和小型办公室通常需要连接到互联网服务提供商（ISP）才能访问互联网。不同ISP和地理位置的连接选项各不相同。

接入网是指将端系统物理连接到其边缘路由器的网络。边缘路由器是端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。接入网主要解决的是“最后一公里接入”问题。1.接入网

1.3.1边缘部分

端系统通过通信链路（Communicationlink）和分组交换机（Packetswitch）连接到一起，再接入到互联网。而通信链路就使用了物理媒体。2.物理媒体物理媒体导引型媒体非导引型媒体双绞电缆、同轴电缆光缆电信号光信号电波在空气或外层空间中传播1.3.2互联网的核心部分

互联网的核心部分也称为通信子网，是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘中的任何一台主机都能够向其他主机通信。路由器实现分组交换（packetswitching）的关键构件，其任务是转发收到的分组分组（Packet）发送端系统将数据分段，并为段加上首部字节1.3.2互联网的核心部分1．电路交换建立连接通话释放连接电路交换是面向连接的，当然它必定是可靠的。1.3.2互联网的核心部分2.报文交换存储转发传输报文交换1.3.2互联网的核心部分3.分组交换分组交换、包交换试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少分组（Packet），也称“包”：每个数据段为1024bit。在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部（header）后。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的首部是非常重要的，正是由于分组的首部中包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。1.3.2互联网的核心部分1.3.2互联网的核心部分1.3.2互联网的核心部分电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。分组交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。1.4.1计算机网络的组成

连接到网络的设备称为端设备或主机。1.终端设备

主机设备是通过网络传输的消息的信源或目的地。为了区分不同主机，网络中的每台主机都用一个地址加以标识。当主机发起通信时，会使用目的地主机的地址来指定应该将消息发送到哪里。数据从一台终端出发，经网络传输到另一台终端设备。传统桌面PC，Mac、工作站、笔记本、服务器IoT设备，如电视、游戏机、家用电器、交通信号灯、监视系统、手表、眼镜、温度调节装置、汽车控制系统等智能手机平板电脑、PDA1.4.1计算机网络的组成2.中间网络设备网络接入设备（交换机和无线接入点）中间网络设备与终端设备互连。这些设备提供连接并在后台运行，以确保数据在网络中传输。中间设备将每台主机连接到网络，并且可以将多个独立的网络连接成互联网络。网络互联设备（路由器）安全设备（防火墙、入侵检测设备）中间网络设备确定数据的传输路径，但不生成或修改数据。1.4.1计算机网络的组成3.网络介质简称网卡，又称为网络适配器，主要负责主机和网络之间的信息传输控制，它的主要功能是线路传输控制、差错检测与恢复、代码转换以及数据帧的装配与拆装等。双绞线、光缆、无线4.网络接口卡5.网络软件及协议网络软件一般包括网络操作系统、网络协议和通信软件等。1.4.2计算机网络的功能

分布式计算机系统1、数据通信。硬件、软件、数据2、实现资源共享3、进行分布式处理4、综合信息服务1.4.3计算机网络的分类点到点网络1.按计算机网络的传输技术分类两台计算机之间通过一条物理线路连接。点对点传输只有一个发送方和接收方，也称为单播。广播式网络仅有一条通信信道，网络上的所有计算机都共享这个通信信道。当一台计算机在信道上发送数据报时，网络中的每台计算机都会收到这个数据报，并且将自己的地址与数据报中的目的地址进行比较，如果相同，则处理该数据报，否则将它丢弃。1.4.3计算机网络的分类个人区域网PAN2.按计算机网络的作用范围分类在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。其范围大约在10m左右。也称无线个人区域网WPAN（WirelessPAN）,局域网指将有限的地理区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。具有很高的传输速率，100M、1G、10G覆盖范围一般不超过几十千米，通常将一座大楼或一个校园1.4.3计算机网络的分类城域网2.按计算机网络的作用范围分类又称之为城市网、区域网、都市网。城域网介于LAN和WAN之间，其覆盖范围通常为一个城市或地区，距离从几十千米到上百千米。城域网中可包含若干个彼此互连的局域网，可以采用不同的系统硬件、软件和通信传输介质构成，从而使不同类型的局域网能有效地共享信息资源。通常采用光纤或微波作为网络的主干通道。1.4.3计算机网络的分类广域网2.按计算机网络的作用范围分类实现计算机远距离连接的计算机网络，涉及的范围较大，一般从几百千米到几万千米，可以把众多的城域网、局域网连接起来，也可以把全球的城域网、局域网连接起来。用于通信的传输装置和介质一般由电信部门提供，能实现大范围内的资源共享。1.4.3计算机网络的分类3.按计算机网络的用户性质分类公用网通常是指所有用户可以租用的网络，如公用电视网、公用电话网等是由电信公司等大型单位出资建设的大规模网络，一般归属于国家或大型单位所有。专用网是指单位用户自行构建的网络，如军队、学校、医院、研究机构、电力、铁路等网络，由单位用户出资建设，网络归属于其建设者，不向本单位以外的用户提供服务。1.4.3计算机网络的分类3.按计算机网络的用户性质分类有线网双绞线同轴电缆光纤无线网以电磁波作为传输介质的计算机网络它可以传送无线电波和卫星信号。1.4.4.网络的拓扑结构

在计算机网络中，把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点，把连接这些设备的通信线路抽象成线，并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。

网络拓扑结构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有着重要的影响。星型拓扑总线拓扑环型拓扑树型结构星型环拓扑网状拓扑1.4.4.网络的拓扑结构

星型拓扑是由中央节点和通过点对点链路接到中央节点的各节点（网络工作站等）组成。1.星型拓扑（Star-Topology）

星型拓扑以中央节点为中心，执行集中式通信控制策略，因此，中央节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，又称集中式网络。

中央控制器是一个具有信号分离功能的“隔离”装置，它能放大和改善网络信号，外部有一定数量的端口，每个端口连接一个节点，如Hub集线器、交换机等。1.4.4.网络的拓扑结构

优点是结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。1.星型拓扑（Star-Topology）

中央节点产生故障，则全网不能工作，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高。1.4.4.网络的拓扑结构

采用单根传输线作为传输介质，所有的节点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何一个节点发送的信息都可以沿着介质传播，而且能被所有其他的节点接收。2.总线拓扑（BusTopology）1.4.4.网络的拓扑结构

总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易；易于安装和维护；价格低廉，用户节点入网灵活。2.总线拓扑（BusTopology）

总线拓朴结构的缺点是：传输介质故障难以排除，并且由于所有节点都直接连接在总线上，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。1.4.4.网络的拓扑结构

环型拓扑由一些中继器和连接中继器的点到点链路首尾相连形成一个闭合的环。3.环型拓扑（RingTopology）

每个中继器都与两条链路相连，它接收一条链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，而不在中继器中缓冲。1.4.4.网络的拓扑结构

把星型和总线型结合起来，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支，4.树型结构（TreeTopology1.4.4.网络的拓扑结构

是由一批接在环上的连接集中器（实际上是指安装在楼内各层的配线架）组成，从每个集中器按星型结构接至每个用户节点上。5.星型环拓扑

将星型拓扑和环型拓扑混合起来的一种拓扑1.4.4.网络的拓扑结构

网状结构分为全连接网状和不完全连接网状两种形式。6.网状拓扑

在全连接网状结构中，每一个节点和网中其他节点均有链路连接。

在不完全连接网状网中，两节点之间不一定有直接链路连接，它们之间的通信，依靠其他节点转接。

广域网中一般用不完全连接网状结构，1.4.4.网络的拓扑结构1.4.4.网络的拓扑结构1.5.1计算机网络的性能指标

指连接在网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，它也称数据率（datarate）或比特率（bitrate）。速率是网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s（比特每秒）（或bit/s，bps即bitpersecond）。1.速率Kb/s（K=103=千）Mb/s（M=106=兆）Gb/s（G=109=吉）Tb/s（T=1012=太）在Windows操作系统中，速率以字节为单位。如磁盘之间复制文件、从网络上下载文件，可以看到以字节为单位的速率，换算成以比特为单位的速率要乘以8。注：要注意速率是大写B还是小写b。1.5.1计算机网络的性能指标

（1）带宽是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。

带宽的单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。2.带宽

（2）在网络中，用来表示网络通信线路传输数据的能力，即最高速率。。

带宽单位是比特每秒（b/s）或Mb/s、Gb/s、Tb/s。

如计算机适配器的速率为100Mbps，说明适配器的最快每秒传输100Mbit。1.5.1计算机网络的性能指标

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。3.吞吐量

决定吞吐量的因素包括网络互联设备、所传输的数据类型、网络的拓扑结构、网络上的并发用户数量、用户的计算机、服务器和拥塞。

对于100Mb/s的以太网，其典型的吞吐量可能只有70~80Mb/s。1.5.1计算机网络的性能指标

时延（delay或latency）是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从一个网络（或链路）的一端传送到另一个端所需要的时间。时延是个很重要的性能指标，有时也称为延迟或迟延。4.时延发送时延传播时延处理时延排队时延总时延1.5.1计算机网络的性能指标以比特为单位的链路长度5.时延带宽积传播时延带宽传播时延带宽积1.5.1计算机网络的性能指标

在计算机网络中，往返时间RTT（Round-TripTime）表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后便立即发送确认），总共经历的时间。6.往返时间

在互联网中，往返时间还包括各中间节点的处理时延，排队时延以及转发数据时的发送时延。1.5.1计算机网络的性能指标信道利用率7.利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零；网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。利用率1.5.2计算机网络的非性能特征（1）费用。网络的价格（包括设计和实现的费用）总是必须考虑的，因为网络的性能与其价格密切相关。一般来说，网络的速率越高，其价格也越高。（2）质量。网络的质量取决于网络中所有构件的质量，以及这些构件是怎样组成网络的。（3）可靠性。可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。（4）可扩展性和可升级性。（5）易于管理和维护。网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。1.6计算机网络体系结构1.6.1计算机网络的分层体系结构1.6.2ISO/RM参考模型1.6.3、TCP/IP模型1.6.4具有五层协议的体系结构1.6.5数据通信过程1.6.1计算机网络的分层体系结构

这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准称为网络协议（NetworkProtocol），也可简称为协议。1．网络协议语法即用户数据与控制信息的结构和格式。例如，地址字段多长以及它在整个分组中的什么位置。语义即各个控制信息的具体含义，包括需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应。时序即事件实现的顺序和时间的详细说明，包括数据应该在何时发送出去，以及数据应该以什么速度发送。1.6.1计算机网络的分层体系结构1．网络协议

协议必须在计算机上或通信设备中用硬件或软件来实现。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint），实际上是一个逻辑接口。1.6.1网络协议与分层中央政府省、市、自治区县、区市、自治州乡、镇、街道办事处村、社区学校（院）系（院）部教研室1.6.1网络协议与分层

计算机网络系统应该设置多少层，每个层能提供哪些功能的精确定义，以及层之间的关系如何联系在一起。2．网络体系结构“层内功能内聚，层间耦合松散”在网络中，功能类似或紧密程度相关的模块应放置在同一层，层与层之间应保持松散的耦合，使信息在层与层之间的流动减到最小。1.6.1网络协议与分层2．网络体系结构OSI/RM国际化标准组织ISO提出的开放系统互联参考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnectionBasicReferenceMode），该模型结构严谨，理论性强，学术价值高，各种网络都参考它，它是局域网和广域网上一套普遍适用的规范集合。TCP/IPInternet标准化组织制定的参考模型TCP/IP，相对于OSI/RM来说更为简单，实用性强，现在已成为事实上的工业标准，现代计算机网络大多遵循这一标准。1.6.2

ISO/RM参考模型1.6.2ISO/RM参考模型高三层为用户提供网络服务，属于资源子网的范畴，主要由软件来实现低三层属于通信子网的范畴，它主要通过硬件来实现，传输层的作用是屏蔽具体通信子网的通信细节，使得高层不关心通信过程而只进行信息的处理。传输层1.6.2ISO/RM参考模型

（1）应用层（ApplicationLayer）：应用层协议实现应用程序的功能，将实现方法标准化就形成应用层协议。应用层协议定义客户端能够向服务器发送哪些请求（命令），服务器能够向客户端返回哪些响应，以及用到的报文格式、命令的交互顺序等。Internet中的应用有很多，如访问网站、收发电子邮件、访问文件服务器、域名解析等。

（2）表示层（PresentationLayer）：应用程序要传输的信息要转换成数据。如果为字符文件，要使用字符集转换成数据；如果是图片或应用程序这些二进制文件也要进行编码转换成数据，数据在传输前是否压缩、是否加密处理都是表示层要解决的问题。发送端的表示层和接收端的表示层是协议的双方，加密和解密、压缩和解压缩、将字符文件编码和解码要遵循表示层协议的规范。1.6.2ISO/RM参考模型

（3）会话层（SessionLayer）：会话层为通信的客户端和服务器端程序建立会话、保持会话和断开会话。

（4）传输层（TransportLayer）：传输层负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。传输层有传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）两种协议。

（5）网络层（NetworkLayer）：网络层为数据报跨网段通信选择转发路径。1.6.2ISO/RM参考模型（6）数据链路层（DataLinkLayer）：数据链路层就是将数据报封装成能够在不同链路传输的帧。数据报要想在不同类型的链路上传输需要封装成不同的帧格式，例如，以太网的帧要加上目标MAC地址和源MAC地址，而点到点信道上的帧就不用添加MAC地址。（7）物理层（PhysicalLayer）：物理层规定了网络设备的接口标准、电压标准，要是不定义这些标准，各个厂家生产的网络设备就不能连接在一起，更不能相互兼容了。物理层也包括通信技术，如通过复用技术、编码技术更快地传输数据。1.6.2ISO/RM参考模型1.6.3

TCP/IP参考模型TCP/IP模型是由美国国防部创建的，所以有时又称DoD（DepartmentofDefense）模型，是至今为止发展最成功的通信协议，它被用于构筑目前最大的、开放的互联网络系统Internet。网络层数据链路层物理层表示层会话层传输层应用层OSI网络层网络接口层传输层应用层TCP/IP1.6.1网络协议与分层

网际层网络接口层传输层应用层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低层，为应用程序提供网络接口。是TCP/IP模型的最低层，负责接收从网际层交来的IP数据报并将IP数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给网际层。负责独立地将分组从源主机送往目的主机，涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关。从应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。是在源节点和目的节点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信。1.6.3

TCP/IP参考模型1.6.4具有五层协议的体系结构

网络层数据链路层物理层表示层会话层传输层应用层OSI网际层网络接口层传输层应用层TCP/IP网络层传输层应用层五层协议的体系结构数据链路层物理层1.6.4具有五层协议的体系结构

1．应用层（applicationlayer）

应用层是体系结构中的最高层，应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。

进程（Process）就是指主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。

应用层交互的数据单元称为报文（message）1.6.4具有五层协议的体系结构

协议名称英文描述功能说明域名系统DNS将域名转换为IP地址。动态主机配置协议DHCP该协议允许服务器向客户端动态分配IP地址和配置信息。简单邮件传输协议SMTP允许客户端从邮件服务器发送电子邮件；允许服务器向其他服务器发送电子邮件；邮局协议第3版PoP3允许客户端从邮件服务器检索电子邮件；将电子邮件从邮件服务器下载到桌面。交互邮件访问协议IMAP允许客户端访问存储在邮件服务器中的电子邮件；在服务器上维护电子邮件。超文本传输协议HTTP用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。文件传送输协议FTP一种可靠面向连接而且确认结果的文件传送协议；设置规则，使得一台主机上的用户能够通过网络访问另一台主机或向其传输文件。远程网络终端协议Telnet为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。简单网络管理协议SNMP能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。1.6.4具有五层协议的体系结构

2.传输层（transportLayer）

传输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。传输控制协议TCP提供面向连接的、可靠的数据传输服务数据传输的单位是报文段（Segment）用户数据报协议UDP提供无连接的、尽最大努力（Best-effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）数据传输的单位是用户数据报。1.6.4具有五层协议的体系结构

2.传输层（transportLayer）

注：有的称传输层为运输层。在OSI定义的第四层使用的是transport，译为传输层较为准确。在本书中统一用传输层来表述。1.6.4具有五层协议的体系结构

3.网络层（NetworkLayer）

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包（Packet）进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也称为IP数据报，或简称为数据报（datagram）。注：传输层的用户数据报UDP不同于网络层的IP数据报。1.6.4具有五层协议的体系结构

3.网络层（NetworkLayer）

网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机传输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。在互联网中，网络层也称网际层或IP层。

互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP（InternetProtocol）和许多种路由选择协议，因此，互联网的网络层也称为网际层或IP层。1.6.4具有五层协议的体系结构

网络层协议含义网际协议IP是其中的核心协议，IP协议规定网际层数据分组的格式。Internet控制消息协议ICMP提供网络控制和消息传递功能。地址解释协议ARP用来将逻辑地址解析成物理地址。反向地址解释协议RARA通过RARP广播，将物理地址解析成逻辑地址。1.6.4具有五层协议的体系结构

4.数据链路层（DataLinkLayer）

数据链路层简称链路层。

在两个相邻节点间的链路上传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（frame），在两个相邻节点间的链路上传送帧。

每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）1.6.4具有五层协议的体系结构

5.物理层（PhysicalLayer）

在物理层上所传数据的单位是比特。

传送信息所用的物理媒体，如双绞线、光纤、无线信道等，并不在物理层协议之内，而在物理层协议的下面，因此，也有人把物理层下面的物理媒体当作第0层。1.6.5数据通信过程1.6.5数据通信过程

（2）第4层（传输层）收到这个数据单元后，首先对数据单元进行分段，然后为每个数据段加上本层的控制信息H4构成本层的数据单元，再交给第3层（网络层）。控制信息H4为传输层首部，包括源端口及目的端口等字段，是为了实现传输层的功能，如可靠传输、流量控制、拥塞避免等。

（1）AP1先将其数据交给本主机的第5层（应用层）。应用层提供应用程序和网络服务的接口，使应用程序能够使用网络服务。数据在第5层（应用层）完成相应的处理（如编码、加解密等），被加上必要的控制信息H5就变成了这一层的数据单元，并被交给下层。1.发送端数据封装过程1.6.5数据通信过程

（4）第2层（数据链路层）收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H2（首部）和T2（尾部）。由数据链路层负责数据传送过程中的节点到节点的传送。数据报要想在网络中传输，就要针对不同的网络进行不同的封装，也就是封装成不同格式的帧，如以太网帧和PPP帧。在以太网帧中就要添加数据链路层首部，包括源MAC地址、目标MAC地址等。

（3）第3层（网络层）收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H3构成本层的数据单元，再交给第2层（数据链路层）。控制信息H3为网络层首部，网络中的路由器依据网络层首部为数据报选择路径，因此，网络层首部中至少应包括源IP地址和目标IP地址等字段，由网络层负责将数据从源端（发送数据的计算机）传送到目的端（接收数据的计算机）。1.6.5数据通信过程OSI把对等层次之间传送的数据单元称为该层的协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU）。（5）第1层（物理层）利用物理传输媒体最终将数据链路层数据单元的帧分解为比特以比特流的形式进行传送。

这一串比特流离开主机1经网络的物理传输媒体传送到路由器后，就从路由器的第1层依次上升到第3层（网络层）。每一层都根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将剩下的数据单元交给更高的一层。当分组上升到第3层时，该层根据首部中的目的地址查找路由器中的路由表，找出转发分组的接口，然后将分组往下传送到第2层，加上新的首部和尾部后，再传送到最下面的第1层，然后在物理传输媒体上把每一个比特发送出去。1.6.5数据通信过程任何两个同样的层次（如两个系统的第4层）之间，看上去也如同1.15中的水平虚线所示的那样，将数据（即数据单元加上控制信息）直接传递给了对方。这就是所谓的“对等层（PeerLayer）”之间的通信。

这一串比特流离开路由器到达目的站主机2后，就从主机2的第1层按照上面讲过的方式，依次上升到第5层。最后，应用进程AP1发出的数据被交给目的站的应用进程AP2。2.接收端数据解封装1.6.5数据通信过程

数据分组经过发送端、接收端、中途转发的设备时，从前往后依次被附加了以太网首部（包括LLC首部和MAC首部）、IP报首部、TCP首部（或UDP首部）以及应用自己的首部和数据。而分组的最后则追加了以太网帧尾（EthernetTrailer）3.数据分组的整体结构1.6.5数据通信过程3.数据分组的整体结构1.6.5数据通信过程

整个分组首部中至少都会包含两个信息：一个是发送端和接收端地址，另一个是上一层的协议类型。经过每个协议分层时，都必须有识别分组发送端和接收端的信息。数据链路层使用MAC地址，网络层使用IP地址，而传输层使用端口号作为识别两端主机的地址。即使是在应用程序中，像电子邮件地址、网址等这样的信息也是一种地址标识。这些地址信息都在每个分组经由各个分层时，附加到协议对应的分组首部中。3.数据分组的整体结构1.7技能训练1：eNSP软件的安装与使用eNSP软件以及eNSP软件运行依赖的三款软件：WinPcap、Wireshark和Oracle虚拟机VirtualBox软件。1.7技能训练1：eNSP软件的安装与使用1.8技能训练2：PacketTracer软件的安装与使用1.9技能训练3：Wireshark抓包软件1.9技能训练3：Wireshark抓包软件第二行：数据链路层详细信息，主要是发送端和接收端的物理地址。EthernetII,Src:IntelCor_07:91:7b(80:32:53:07:91:7b),Dst:Tp-LinkT_24:dc:5a(f8:8c:21:24:dc:5a)Destination:Tp-LinkT_24:dc:5a(f8:8c:21:24:dc:5a)Address:Tp-LinkT_24:dc:5a(f8:8c:21:24:dc:5a)......0.................=LGbit:Globallyuniqueaddress(factorydefault).......0................=IGbit:Individualaddress(unicast)Source:IntelCor_07:91:7b(80:32:53:07:91:7b)Address:IntelCor_07:91:7b(80:32:53:07:91:7b)......0.................=LGbit:Globallyuniqueaddress(factorydefault).......0................=IGbit:Individualaddress(unicast)Type:IPv4(0x0800)1.9技能训练3：Wireshark抓包软件第三行：网络层详细信息，主要是源主机和目的主机的IP地址。InternetProtocolVersion4,Src:,Dst:0100....=Version:4.