计算机网络教程课件 01 网络基础

第01章网络基础OSI参考模型（七层结构+优点）TCP/IP协议（四层结构+工作原理）OSI参考模型和TCP/IP协议两者关系（异同点+实际应用）网络分类（按范围/按使用者）企业局域网规划（二层/三层结构）本章内容1.1OSI参考模型（七层结构）计算机网络的复杂通信过程需要一个有序的体系结构来规范和管理，OSI参考模型应运而生。它如同一个精心设计的蓝图，为网络通信提供了全面而系统的框架，使得不同厂商的设备和软件能够协同工作，实现高效、可靠的数据传输。OSI参考模型将网络通信过程划分为七个层次，每个层次都具有独特的功能和职责，共同协作实现了网络数据的有效传输。以下将详细介绍各层的主要功能。1.1.1OSI参考模型的七层结构层级核心功能典型示例应用层提供网络服务（文件传输、网页浏览）HTTP、FTP、SMTP表示层数据格式转换（加密、压缩、编码）ASCII编码、数据加密会话层建立/维护/终止通信会话远程登录连接管理传输层端到端可靠传输TCP（可靠）、UDP（实时）网络层路由选择、跨网传输IP协议、路由转发数据链路层帧封装、差错检测MAC地址、CRC校验物理层比特流传输（物理介质+信号）双绞线、光纤、信号调制层次分明：七层功能模块化，层间独立（上层无需关注下层实现）标准化互操作：统一框架让不同厂商设备互联互通灵活性强：单层级升级不影响其他层（如IPv4→IPv6仅修改网络层）易故障诊断：分层定位问题（物理层→数据链路层→...逐步排查）1.1.2OSI参考模型优点清晰的结构划分：OSI参考模型将复杂的网络通信系统划分为七个清晰的层次，每个层次都有明确的功能和职责。这使得网络的设计、实现、管理和维护都更加容易理解和操作

层之间相互独立，上层不需要了解下层的具体实现细节，只需要通过接口与下层进行交互。这种独立性使得各层可以独立地进行设计、开发和测试，提高了系统的可维护性和可扩展性。便于分工协作：由于层次分明，不同的人员可以专注于不同的层次进行开发和维护。如图1-2所示，程序员开发应用程序，在应用层、表示层、会话层进行工作。网络工程师配置路由器、交换机等设备，在数据链路层、网络层等进行工作。通信工程师考虑如何利用通信介质最大限度传输数据，在物理层进行工作。层次分明统一的标准框架：OSI参考模型为网络通信提供了一个统一的标准框架，使得不同厂商的设备和软件可以遵循相同的规范进行设计和实现。这大大提高了网络设备之间的互操作性，使得不同品牌的计算机、路由器、交换机等可以在同一个网络中协同工作。例如，无论使用哪个厂商的网络设备，只要它们都遵循OSI参考模型的标准，就可以实现互联互通。促进技术发展：标准化的OSI参考模型促进了网络技术的快速发展和创新。厂商可以在统一的标准框架下进行竞争和创新，推出更加先进和高效的网络产品和解决方案。同时，标准化也使得用户可以更加方便地选择和使用不同厂商的设备和软件，降低了成本，提高了效益。标准化促进互操作性易于升级和扩展：OSI参考模型的分层结构使得网络可以很容易地进行升级和扩展。当需要引入新的技术或功能时，可以在相应的层次进行添加或修改，而不会影响其他层次的正常运行。每一层发生变化时，不会影响其他层。比如IPv4实现的是网络层功能，现在升级为IPv6，实现的仍然是网络层功能，传输层使用的TCP协议和UDP协议不需做任何变动，数据链路层使用的协议也不用做任何变动。适应不同的应用需求：OSI参考模型可以根据不同的应用需求进行灵活配置。不同的应用程序可以根据自己的特点选择合适的层次和协议进行通信。例如，对于实时性要求较高的应用，如视频会议和在线游戏，可以选择在传输层使用UDP协议，以减少传输延迟；对于数据准确性要求较高的应用，如文件传输和电子邮件，可以选择在传输层使用TCP协议，以保证数据的可靠传输。灵活性和可扩展性定位问题更准确：当网络出现故障时，OSI参考模型的分层结构可以帮助工程师更准确地定位问题所在的层次。通过对不同层次的测试和分析，可以快速确定故障是发生在物理层、数据链路层、网络层还是其他层次，从而采取相应的措施进行修复。例如，如果网络连接中断，首先可以检查物理层的电缆连接是否正常；如果物理层没有问题，可以进一步检查数据链路层的MAC地址是否正确配置；如果数据链路层也正常，可以检查网络层的IP地址和路由设置是否正确。简化维护工作：由于每个层次的功能相对独立，维护工作也更加简单和高效。工程师可以针对不同层次的问题进行专门的维护和管理，而不需要对整个网络进行全面的排查。同时，标准化的接口和协议也使得维护工具和技术更加通用和成熟，降低了维护成本和难度。便于故障诊断和维护1.2TCP/IP协议（四层结构）1.2TCP/IP协议：互联网的“核心基石”分层+功能+核心协议层级核心功能核心协议应用场景应用层定义应用程序通信规则HTTP、FTP、DNS、SMTP网页浏览、文件传输、域名解析传输层端到端数据传输控制TCP（面向连接、可靠）、UDP（无连接、实时）文件传输（TCP）、视频会议（UDP）网络层路由选择、跨网传输IP、ICMP（差错报告）、IGMP（多播）数据包跨网段转发网络接口层帧封装、适配物理网络PPP、以太网（CSMA/CD）数据在物理网络中的传输TCP/IP是互联网的核心协议，它使得不同类型的计算机和网络设备能够相互通信，实现了全球范围内的信息共享和资源交换。TCP/IP具有开放性、通用性和灵活性等特点，能够满足以下网络环境和应用需求。互联网通信：几乎所有的互联网应用都基于TCP/IP，如网页浏览、电子邮件、文件下载等。企业网络：企业内部的局域网和广域网也通常采用TCP/IP进行通信。物联网：物联网中的设备之间的通信也可以使用TCP/IP。移动通信：移动互联网中的数据通信也依赖于TCP/IP。1.2.1TCP/IP协议简介TCP/IP协议站应用层包含了各种应用协议，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等。应用层协议负责定义应用程序之间如何进行通信，以及数据的格式和内容。传输层有TCP和UDP两个协议。TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输协议。UDP（UserDatagramProtocol，用户数据报协议）是一种无连接的、不可靠的传输协议。网络层核心协议是IP协议，它负责为数据包选择路由，将数据包从源主机发送到目的主机。IP协议是一种无连接、不可靠的协议，它只负责尽力将数据包发送出去，但不保证数据包一定能到达目的地，也不保证数据包的顺序。网络层还包括ICMP（InternetControlMessageProtocol，互联网控制报文协议），用于在IP主机、路由器之间传递控制消息，如报告错误、网络拥塞等情况。网络接口层负责将IP数据报封装成适合在特定网络上传输的帧格式，并从物理网络上接收数据帧，抽出IP数据报交给网络层。具体的网络接口可以是以太网、Wi-Fi、PPP等各种不同的网络技术。1.2.2TCP/IP协议各层功能掌握TCP/IP工作原理，要理解数据封装与解封装、寻址和路由选择、TCP协议通信建立连接和释放连接。1.2.3TCP/IP工作原理当应用程序发送数据时，数据从应用层开始，依次经过传输层、网络层和网络接口层，每一层都对数据进行封装，添加相应的协议头部信息。在接收端，数据则依次经过网络接口层、网络层、传输层和应用层，每一层都对数据进行解封装，去除相应的协议头部信息，最终将原始数据交给应用程序。数据封装与解封装IP协议通过IP地址来标识网络中的主机，数据包在网络中传输时，根据IP地址进行寻址。路由器根据路由表中的信息，

选择最佳的路径将数据包转发到下一跳。寻址与路由选择在使用TCP协议进行通信之前，需要先建立连接。连接建立过程通过三次握手来完成，即客户端向服务器发送一个SYN报文，服务器收到后回复一个SYN/ACK报文，客户端再回复一个ACK报文，连接建立成功。通信结束后，需要断开连接。连接断开过程通过四次挥手来完成，即一方发送一个FIN报文，表示要关闭连接，另一方收到后回复一个ACK报文，然后也发送一个FIN报文，最后另一方再回复一个ACK报文，连接断开成功。连接建立与断开（TCP协议）应用层协议作用范围：直接与用户的应用程序交互，工作在服务端程序和客户端程序之间。传输层协议作用范围：在源主机和目的主机之间建立端到端的通信连接。网络层协议作用范围：覆盖整个互联网络。IP协议负责为数据包选择路由，将数据包从源主机发送到目的主机。IP协议通过IP地址来标识网络中的主机，作用范围是全球互联网以及各种规模的局域网和广域网。通信的计算机要根据IP协议的要求封装数据包，路由器要根据IP协议的规定转发数据包。计算机和路由器工作在网络层。网络接口层作用范围：通常涉及物理网络设备和与之直接交互的部分。网络接口层负责将网络层的数据包从链路的一端发送到另一端，数据链路层协议的作用范围是一段链路，不同的链路有不同的数据链路层协议。交换机负责将帧从一端发送到另一端，交换机属于数据链路层设备。1.2.4TCP/IPv4协议分层和作用范围1.3OSI参考模型和TCP/IP之间的关系OSI参考模型和TCP/IP之间关系OSI参考模型和TCP/IP在计算机网络领域都占据重要地位，它们之间既有相似之处，又存在明显差异。OSI参考模型和TCP/IP之间存在着紧密的关系。分层结构：

两者都采用了分层的体系结构。OSI参考模型分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP/IP分为四层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层。

这种分层结构使得网络通信的各个功能被划分到不同的层次中，每一层只负责特定的任务，实现了功能的模块化和独立性，便于网络的设计、实现和维护。部分功能对应：OSI参考模型的网络层与TCP/IP的网络层功能相似，都负责在不同网络之间进行路由选择和数据包转发，实现网络的互联。OSI参考模型的传输层和TCP/IP的传输层都负责端到端的数据传输控制，确保数据的可靠传输。相似之处层数和划分：OSI参考模型的层数更多，划分更细致。例如，它将高层的功能进一步分为会话层、表示层和应用层，分别处理不同的通信任务。而TCP/IP相对简洁，将这些功能合并在应用层中。

这种差异使得OSI参考模型在理论上更加完善，但在实际应用中，TCP/IP的简洁性使其更容易实现和部署。发展历程：OSI参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的理论模型，旨在为不同的计算机网络提供一个统一的标准框架。然而，由于其制定过程较为缓慢，且在实际应用中缺乏广泛的支持，OSI参考模型并没有得到大规模的实际应用。TCP/IP则是在互联网的发展过程中逐渐形成的，它先于OSI参考模型出现，并在实际的网络应用中得到了广泛的验证和发展。由于其简单实用、高效可靠，TCP/IP成为了互联网的核心协议。不同之处TCP/IP主导实际网络：

在当今的网络通信中，TCP/IP占据了主导地位。几乎所有的计算机网络和互联网应用都基于TCP/IP进行通信。

它的广泛应用得益于其简单灵活、适应性强的特点，能够满足不同规模和类型的网络需求。OSI参考模型的理论指导意义：

虽然OSI参考模型在实际应用中没有得到广泛采用，但它作为一个理论模型，为网络通信的研究和发展提供了重要的指导意义。

许多网络技术和协议的设计都参考了OSI参考模型的分层思想和功能划分，使得网络通信的发展更加规范化和系统化。实际关系1.4网络分类

局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机、外部设备和数据库等互相连接起来组成的计算机通信网。通常是单位自己采购设备组建局域网，当前使用交换机组建的局域网带宽为10M、100M或1000M，无线局域网为54M。广域网（WideAreaNetwork，WAN）通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。比如有个企业在北京和上海有两个局域网，把这两个局域网连接起来，就是广域网的一种。广域网通常情况下需要租用ISP（Internet服务提供商，比如电信、移动、联通公司）的线路，每年向ISP支付一定的费用购买带宽，带宽和支付的费用相关，就和你家用ADSL拨号访问Internet一样，有2M带宽、4M带宽、8M带宽等标准。城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5～50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也将其并入局域网的范围进行讨论。个人区域