计算机网络技术与应用第1章

1、第第1 1章章 计算机网络基础计算机网络基础1.1 计算机网络概述计算机网络概述就是把分布在不同地理位置就是把分布在不同地理位置的计算机通过通信设备和线路连接起来，的计算机通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现互相通信及以功能完善的网络软件实现互相通信及网络资源共享的系统。网络资源共享的系统。大致划分为四个阶段大致划分为四个阶段|世界上公认的、最成功的第一个远程计世界上公认的、最成功的第一个远程计算机网络是在算机网络是在1969年年 ，该网络称为，该网络称为arpanet 诞生阶段诞生阶段2020世纪世纪6060年代中期之前，以传输信息为目的，实现远程信息年代中期之前，以传输信息

2、为目的，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统处理或进一步达到资源共享的系统形成阶段形成阶段2020世纪世纪6060年代中期至年代中期至7070年代，典型代表是年代，典型代表是arpanetarpanet，以能够，以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体，形成了计算机网络的基本概念之集合体，形成了计算机网络的基本概念 互联互通阶段互联互通阶段7070年代末至年代末至9090年代，具有统一的网络体系结构并遵循国际标年代，具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化。准的开放式和标准化。 即即tcp/iptcp/ip

3、、osiosi体系结构。体系结构。高速网络技术阶段高速网络技术阶段2020世纪世纪9090年代末至今，出现光纤及高速网络技术年代末至今，出现光纤及高速网络技术 资源硬件：资源硬件：计算机、输入计算机、输入/ /输出设备输出设备网络硬件网络硬件 通信硬件：通信硬件：在网络节点间提供数据帧的在网络节点间提供数据帧的传输传输 系统软件系统软件软件资源软件资源 应用软件应用软件v资源硬件资源硬件服务器（服务器（server）工作站（工作站（workstation）共享的外围设备共享的外围设备v通信硬件通信硬件网卡（网络适配器）网卡（网络适配器）通信线路通信线路通信设备通信设备资源硬件资源硬件一般需要一

4、台或多台服务器，可以使用专用服务一般需要一台或多台服务器，可以使用专用服务器或小型计算机，但通常采用高档微机，要求速器或小型计算机，但通常采用高档微机，要求速度快、硬盘和内存容量大、处理能力强。度快、硬盘和内存容量大、处理能力强。网络中共享的资源大多集中在服务器上。如：高网络中共享的资源大多集中在服务器上。如：高速打印机、数据库等等。速打印机、数据库等等。服务器中装有网络操作系统的核心软件。具有网服务器中装有网络操作系统的核心软件。具有网络管理、资源共享、管理网络通信、为用户提供络管理、资源共享、管理网络通信、为用户提供网络服务的功能等。网络服务的功能等。资源硬件资源硬件除服务器以外的联网计算

5、机除服务器以外的联网计算机。各种打印机、绘图仪、磁带机、硬盘、光盘驱动器。各种打印机、绘图仪、磁带机、硬盘、光盘驱动器。通信硬件通信硬件u计算机联入网络的入口。计算机联入网络的入口。每一台接入网络的计算机都每一台接入网络的计算机都必须在扩展槽中插入网卡，通过网卡的电缆接头接入网必须在扩展槽中插入网卡，通过网卡的电缆接头接入网络。络。u完成的功能之一：计算机与电缆系统的完成的功能之一：计算机与电缆系统的物理连接物理连接u功能之二：功能之二：提供数据传输功能提供数据传输功能。实现数据帧的封装、。实现数据帧的封装、拆封、差错校验等。拆封、差错校验等。u网络与网络节点处理器之间的速率并不匹配，为防止网

6、络与网络节点处理器之间的速率并不匹配，为防止数据在传输过程中丢失数据在传输过程中丢失，网卡必须设置数据缓存。，网卡必须设置数据缓存。网卡网卡主机主机传输介质传输介质帧帧网络编码信号网络编码信号通信硬件通信硬件是网络的数据传输通路，包括传输介质、相是网络的数据传输通路，包括传输介质、相应的接口插件，常用的传输介质有：双绞线和光缆应的接口插件，常用的传输介质有：双绞线和光缆由两根相互绝缘的，均匀排列成螺旋的导线组成。网由两根相互绝缘的，均匀排列成螺旋的导线组成。网络中一般采用无屏蔽双绞线（络中一般采用无屏蔽双绞线（utputp）。）。utputp分为三个等级分为三个等级(3(3类类55类类) )。

7、3 3类类utputp在在100100米以内的数据传输速率达米以内的数据传输速率达10mbps10mbps5 5类类utp在100米以内可达米以内可达100mbps100mbps.通信硬件通信硬件光缆光缆一种以光来传送信息的介质。由纤细柔软一种以光来传送信息的介质。由纤细柔软的玻璃纤维材料制成。的玻璃纤维材料制成。必须使用一对光纤实现双向传输，一个发必须使用一对光纤实现双向传输，一个发射、一个接受。射、一个接受。在光缆和计算机之间必须使用光端设备，在光缆和计算机之间必须使用光端设备，进行光进行光/电信号的转换。电信号的转换。衰减小衰减小寿命长、重量轻、传输寿命长、重量轻、传输速率高、抗干扰能力

8、强、数据传速率高、抗干扰能力强、数据传输保密性、准确性高等优点输保密性、准确性高等优点通信硬件通信硬件中继器：对数字信号进行放大，以扩展中继器：对数字信号进行放大，以扩展总线型网络的传输距离。总线型网络的传输距离。集线器：提供多个网络接口集线器：提供多个网络接口路由器：拥有整个网络的路由表，使用路由器：拥有整个网络的路由表，使用最有效的路由发送信息包。最有效的路由发送信息包。网络硬件的主要部件是：服务器、工网络硬件的主要部件是：服务器、工作站、网卡、电缆系统作站、网卡、电缆系统网络软件网络软件网络协议和协议软件：通过协议程序实现网络网络协议和协议软件：通过协议程序实现网络协议功能协议功能网络通

9、信软件：实现网络工作站之间的通信网络通信软件：实现网络工作站之间的通信网络操作系统网络操作系统最主要的网络软件，实现系统资源共享、管理最主要的网络软件，实现系统资源共享、管理用户对不同资源访问的应用程序用户对不同资源访问的应用程序网络管理及应用软件网络管理及应用软件管理软件是对网络资源进行管理和对网络管理软件是对网络资源进行管理和对网络进行维护的程序。进行维护的程序。应用软件是为用户提供服务并为用户解决应用软件是为用户提供服务并为用户解决实际问题的程序。实际问题的程序。网络软件网络软件数据通信：最基本的功能数据通信：最基本的功能资源共享：网络中的用户都能部分或全部的资源共享：网络中的用户都能部

10、分或全部的享受软件、硬件和数据资源。享受软件、硬件和数据资源。分布处理：分布式计算分布处理：分布式计算1.2 计算机网络的分类和组成计算机网络的分类和组成按网络的覆盖地理范围划分，分为：按网络的覆盖地理范围划分，分为：局域网、城域网、广域网局域网、城域网、广域网局域网（局域网（lan）应用最广的一种网络。在局部地区范围内的应用最广的一种网络。在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。地理距离网络，它所覆盖的地区范围较小。地理距离一般可以是几米一般可以是几米10公里。公里。特点：连接范围窄、用户数少、配置容易、特点：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。连接速率高。典型代表：以太网、

11、令牌环网典型代表：以太网、令牌环网城域网（城域网（man）在一个城市，但不在同一地理小区范围内在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。连接距离在的计算机互联。连接距离在10100公里。公里。特点：是特点：是lan的一个延伸，连接距离更长，的一个延伸，连接距离更长，计算机数量更多，通常连接着多个计算机数量更多，通常连接着多个lan。广域网（广域网（wan）也称远程网，一般在不同城市之间的也称远程网，一般在不同城市之间的lan和和man网络网络互联。连接距离在几百互联。连接距离在几百几千公里。几千公里。特点：速度慢、延迟长、入网的站点不参与网络的管特点：速度慢、延迟长、入网的站点不参与网

12、络的管理，管理工作由复杂的互联设备（路由器、交换机）理，管理工作由复杂的互联设备（路由器、交换机）处理。处理。通信子网：负责数据通信的设备与通信线路，由通信子网：负责数据通信的设备与通信线路，由物理通道、通信设备、通信控制软件组成。物理通道、通信设备、通信控制软件组成。要解决的两大问题：提高信道利用率；传输可靠要解决的两大问题：提高信道利用率；传输可靠问题。问题。两种通信子网类型：点对点、广播式两种通信子网类型：点对点、广播式资源子网：负责数据处理以实现网络资源共享的资源子网：负责数据处理以实现网络资源共享的计算机与终端计算机与终端1.3 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构将网络中的设备

13、定义为节点，把两个设备之将网络中的设备定义为节点，把两个设备之间的连接线路定义为链路。间的连接线路定义为链路。计算机网络是由一组节点和链路组成的几何计算机网络是由一组节点和链路组成的几何图形，它反映了网络中各种实体间的结构关图形，它反映了网络中各种实体间的结构关系。系。网络拓扑结构的设计是构建计算机网络的第网络拓扑结构的设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础。一步，也是实现各种网络协议的基础。总线拓扑总线拓扑星型拓扑星型拓扑树型拓扑树型拓扑环型拓扑环型拓扑网络拓扑结构通常有以下四种类型：网络拓扑结构通常有以下四种类型：是指网络中的计算机和其他通信设备均连是指网络中的计算机和其

14、他通信设备均连接到一条公用的总线上，所有结点共同使接到一条公用的总线上，所有结点共同使用这条总线，共享总线的全部带宽。拓扑用这条总线，共享总线的全部带宽。拓扑结构如上图所示结构如上图所示特点特点：一个节点向另一个节点发送数据时，所有节：一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点都被动的侦听该数据，只有目标节点接收并处理点都被动的侦听该数据，只有目标节点接收并处理数据。数据。由于该拓扑结构容易实现，组建成本低，由于该拓扑结构容易实现，组建成本低，但扩展性较差，容错能力较差。但扩展性较差，容错能力较差。网络中的每个节点通过一个中央设备网络中的每个节点通过一个中央设备连接在一起。中心节点是主节点，网连

15、接在一起。中心节点是主节点，网络中的各个节点通过点到点的方式连络中的各个节点通过点到点的方式连接到一个中心节点上，再由中心节点接到一个中心节点上，再由中心节点向目的节点传输信息。如图向目的节点传输信息。如图a所示所示 特点：由于使用中央设备作为连接点，特点：由于使用中央设备作为连接点，星型拓扑结构可以很容易地移动、隔星型拓扑结构可以很容易地移动、隔绝或与其他网络连接，这使得星型结绝或与其他网络连接，这使得星型结构更易于扩展。构更易于扩展。 它将原来用单独链路直接连接的节点通它将原来用单独链路直接连接的节点通过多级处理主机进行分级连接。结构如过多级处理主机进行分级连接。结构如图图b所示所示 特点

16、：与星型结构相比降低了通信线路的特点：与星型结构相比降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性。网络中除最成本，但增加了网络复杂性。网络中除最低层节点及其连线外，任一节点或连线的低层节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。故障均影响其所在支路网络的正常工作。 每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一个环形，数据沿着环路逐点传输。络形成一个环形，数据沿着环路逐点传输。结构如图结构如图c所示所示 特点：单纯的环型拓扑结构非常不灵活或特点：单纯的环型拓扑结构非常不灵活或不易于扩展。不易于扩展。 不同的网络拓扑结构适用于不同的网

17、络规不同的网络拓扑结构适用于不同的网络规模。在一个实际的网络中，可能是上述几模。在一个实际的网络中，可能是上述几种网络构型的混合。种网络构型的混合。 1.4 计算机网络体系结构计算机网络体系结构网络体系就是为了完成计算机之间的通信网络体系就是为了完成计算机之间的通信合作，把计算机互联的功能划分成有明确合作，把计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定同层次通信的协议及相定义的层次，规定同层次通信的协议及相邻层之间的接口及服务等。邻层之间的接口及服务等。 将这些同层进程通信的协议及相邻层之间将这些同层进程通信的协议及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。的接口统称为网络体系结构。 网络体系结构的

18、定义网络体系结构的定义为网络数据交换而制定的规定、约束与标为网络数据交换而制定的规定、约束与标准被称为网络协议（准被称为网络协议（protocol）。代表着）。代表着标准化，是一组规则的集合。主要有三个标准化，是一组规则的集合。主要有三个要素组成：要素组成： l语义是指构成协议的元素含义的解释，亦即语义是指构成协议的元素含义的解释，亦即“讲讲什么什么” l语法语法，即，即“怎么讲怎么讲” l规则协议规则规定了事件的执行顺序。规则协议规则规定了事件的执行顺序。 网络体系结构网络体系结构将计算机网络层次结构模型和各层协议的集将计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（合定义为

19、计算机网络体系结构（network architecture） ，它是关于计算机网络系统，它是关于计算机网络系统应设置多少层，每个层能提供哪些功能的精应设置多少层，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。确定义，以及层之间的关系如何联系在一起。 网络体系结构的分层原理网络体系结构的分层原理在网络分层当中，每一层是其下一层的在网络分层当中，每一层是其下一层的用户，同时又是其上一层的服务提供者。用户，同时又是其上一层的服务提供者。 网络体系分层有以下好处：网络体系分层有以下好处：独立性强：每一层都具有相对独立的功能独立性强：每一层都具有相对独立的功能功能简单：各层完成其特定

20、的功能，每一功能简单：各层完成其特定的功能，每一层都为上一层提供某种服务层都为上一层提供某种服务适应性强：只要层间接口不变，变化不会适应性强：只要层间接口不变，变化不会影响别层影响别层易于实现和维护：易于实现和维护：osi参考模型参考模型国际标准化组织（国际标准化组织（iso）制定了开放系统互联）制定了开放系统互联参考模型参考模型osi/rm（open system interconnection basic reference model），从而形成了网络体系结构的国际标），从而形成了网络体系结构的国际标准。准。 osi构造了七层模型，即物理层、数据链路层、构造了七层模型，即物理层、数据链路

21、层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层网络层、传输层、会话层、表示层、应用层.不同系统对等层之间按相应协议进行通信，同不同系统对等层之间按相应协议进行通信，同一系统不同层之间通过接口进行通信一系统不同层之间通过接口进行通信.1物理层物理层物理层是所有网络的基础。物理层处在物理层是所有网络的基础。物理层处在osi的最低层，为信息流提供物理传输的最低层，为信息流提供物理传输通道，是有关物理设备通过传输介质进通道，是有关物理设备通过传输介质进行互联的描述和规定行互联的描述和规定 这一层比特流被转换成媒体易于传输的电、光这一层比特流被转换成媒体易于传输的电、光等信号。等信号。 2数据链路层数据链路

22、层数据链路层的一个主要功能就是通过校验、数据链路层的一个主要功能就是通过校验、确认和反馈重发等手段将原始的物理连接确认和反馈重发等手段将原始的物理连接改造成无差错的数据链路。数据链路层传改造成无差错的数据链路。数据链路层传输数据的单位是帧输数据的单位是帧 数据链路层利用物理层所建立的链路，将报文数据链路层利用物理层所建立的链路，将报文从一个节点传输至另一个节点。从一个节点传输至另一个节点。3网络层网络层网络层传送的数据单位是报文、分组或包。网络层传送的数据单位是报文、分组或包。网络层的主要任务是在通信子网中选择适当网络层的主要任务是在通信子网中选择适当的路径。的路径。4传输层传输层传输层通过通

23、信线路在不同机器之间进行程传输层通过通信线路在不同机器之间进行程序和数据的交换。传输层一个很重要的序和数据的交换。传输层一个很重要的功能功能是数据的分段和重组是数据的分段和重组5会话层会话层6表示层表示层7应用层应用层tcp:transfer control protocol, 传输控传输控制协议制协议ip: internet protocol, 网际协议网际协议tcp/ip层次结构osi模型结构tcp/ip模型tcp/ip协议簇应用层应用层http、ftp、tftp、smtp、snmp、telent、rpc、dns、ping、表示层会话层传输层传输层tcp、udp网络层网络层ip、arp、r

24、arp、icmp、igmp数据链路层网络接口层ethernet、atm、fddi、x.25、ppp、token-ring物理层从层次结构图中可以看出，从层次结构图中可以看出，tcp/ip是一个四层的体系结是一个四层的体系结构，包括应用层、传输层、网络层、网络接口层。构，包括应用层、传输层、网络层、网络接口层。tcp/ip专门设置了网络层，它是整个模型中的核心和关专门设置了网络层，它是整个模型中的核心和关键，该层运行的协议就是键，该层运行的协议就是ip协议。协议。网络层网络层网络层是整个网络层是整个tcp/iptcp/ip体系结构的关键部分，它体系结构的关键部分，它解决两个不解决两个不同同ipi

25、p地址的计算机之间的通信问题。地址的计算机之间的通信问题。其中其中ipip协议是协议是internetinternet中的基础协议和重要组成部分。主中的基础协议和重要组成部分。主要功能是要功能是进行寻址和路由选择，并将数据包从一个网络进行寻址和路由选择，并将数据包从一个网络转发到另一个网络。转发到另一个网络。 tcp建立连接时要分三步走，即三次握手。建立连接时要分三步走，即三次握手。第一次握手是第一次握手是a进程向进程向b进程发出连接请求，进程发出连接请求，包含包含a端的初始序号端的初始序号x。第二次握手是第二次握手是b进程收到请求后，发回连接进程收到请求后，发回连接确认，包含确认，包含b端的

26、初始序号端的初始序号y和对和对a端的初端的初始序号始序号x的确认。的确认。第三次握手是第三次握手是a进程收到进程收到b进程的确认后，进程的确认后，向向b进程发送进程发送x1号数据，包括对号数据，包括对b进程初进程初始序号始序号y的确认。的确认。 ip协议负责数据的传输，而协议负责数据的传输，而tcp协协议负责数据的可靠传输议负责数据的可靠传输 ip地址与子网掩码地址与子网掩码在在internet中的所有主机和路由器中的所有主机和路由器都分配了一个地址，都分配了一个地址，ip 地址地址类别类别ip 地址由：地址由：网络号网络号主机号主机号ip : 40 (11001010.

27、01100011.01100000.10001100)ip 地址：是由四个字节组成（地址：是由四个字节组成（32位二进位二进制），分成四组，制），分成四组，每组一个字节（每组一个字节（8位二进制），中间用位二进制），中间用.隔开隔开11001010.01100011.01100000.1000110040（a. b. c. d) 点分十进制表示法点分十进制表示法ip地址与子网掩码地址与子网掩码ip地址由网络标识和主机标识两部分组成，地址由网络标识和主机标识两部分组成，ip地址结构如图所示，网络标识相同的计算地址结构如图所示，网络标识相同的计算机处于同一个网络之中。机处于同

28、一个网络之中。 网络标识主机标识ip地址一般划分为五类：地址一般划分为五类：a、b、c、d、e，目前常用的为前三类。目前常用的为前三类。 0 网络号网络号主机号主机号0 17831a类类1网络号网络号主机号主机号0 115163102b类类编址范围：编址范围：55。主要用于拥有大量主机的网络主要用于拥有大量主机的网络.特点是网络特点是网络数量少，而拥有的主机数量多数量少，而拥有的主机数量多 编码范围：编码范围：55。主要用于中等规模的网络主要用于中等规模的网络.特点是网络相对比较特点是网络相对比较多，网络的主机

29、数也多多，网络的主机数也多 编码范围：编码范围：55。主要用于小型网络主要用于小型网络特点是网络数多，而主机数量少特点是网络数多，而主机数量少 1网络号网络号主机号主机号012324310213c类类ip地址与子网掩码地址与子网掩码将主机地址部分划分出一定位数作为网络地将主机地址部分划分出一定位数作为网络地址，剩余的位数作为主机地址。划分子网后址，剩余的位数作为主机地址。划分子网后的的ip地址结构如图地址结构如图 网络标识子网标识主机标识子网掩码是子网掩码是32位的数字，把位的数字，把ip地址中表示网络地址中表示网络的部分置为的部分置为1，表示主机的

30、部分置为，表示主机的部分置为0，这样用，这样用户就可以通过子网掩码来找到户就可以通过子网掩码来找到ip地址的网络部地址的网络部分从而完成路由选择。分从而完成路由选择。例如：例如：ip地址为地址为“”和子网掩码和子网掩码为为“”的主机的主机 子网掩码：屏蔽掉主机的子网掩码：屏蔽掉主机的id部分部分591与运算与运算与运算与运算ipv6协议协议 1.5 1.5 计算机网络互联设备计算机网络互联设备中继器，也称转发器或收发器中继器，也称转发器或收发器集线器，

31、也是一种中继器。集线器，也是一种中继器。物理层的互联设备可以将一个传输介质传输过来物理层的互联设备可以将一个传输介质传输过来的二进制信号位进行复制、整形、再生和转发。的二进制信号位进行复制、整形、再生和转发。作用于物理层和数据链路层，用于网络作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址进行过滤、网络分段中节点的物理地址进行过滤、网络分段以及跨网段数据侦的转发。以及跨网段数据侦的转发。网段：局域网中机器一多的话产生的网段：局域网中机器一多的话产生的冲突就会增多冲突就会增多我们将局域网分段，如果我们将局域网分段，如果100台机器台机器我们分成我们分成50台的两个段，那么整个冲台的两个段，那么整个冲突就会减少一半。突就会减少一半。（lan）（lan）为为通信通信双双方提供一方提供一条独条独立的立的线线路，路，减减少冲突的少冲突的发发生，效率高于集生，效率高于集线线器器交换机（集线器）交换机（集线器） 路由器在网络互联上起着至关重要的作用，路由器在网络互联上起着至关重要的作用，通过路由器设备可以把不同的网络连接成一个通过路由器设备可以把不同的网络连接成一个范围更大的网络。范围更大的网络。 路由器的主要功能是路由选择和数据交换。路由器的主要功能是路由选择和数据交换。 “路由选择路由选择”: 当一个数据包到达路