第8章计算机网络

1、第8章计算机网络计算机网络的定义及功能 定义：定义：所谓计算机网络，就是把地理上分散的、所谓计算机网络，就是把地理上分散的、的多个计算机系统，用通讯设备和线路互相连接，并配以的多个计算机系统，用通讯设备和线路互相连接，并配以，以实现数据通信和资源共享的系统。，以实现数据通信和资源共享的系统。 功能：提高计算机的可靠性与可用性提高计算机的可靠性与可用性-均衡各计算机的负担均衡各计算机的负担28.1.2 计算机网络的发展计算机网络的发展n1第一代计算机网络第一代计算机网络n以主机为中心的联机终端网络n联机终端网络与多处理机网络相比较有如下缺点。n 主机负荷较重，既要承担通信工作，又要承担数据处理，

2、主机的效率低。n 通信线路的利用率低，尤其在远距离时，分散的终端都要单独占用一条通信线路，费用贵。解决的方法是在终端聚集的地方采用远程线路集中器，以降低通信费用。n 这种结构属集中控制方式，可靠性低。3第一代网络：4第二代计算机网络第二代计算机网络计算机计算机- -计算机网络计算机网络这一阶段是在20世纪的6070年代之间，这一阶段是以通信子网为中心，通过公用通信子网实现计算机之间的通信。典型代表：ARPAnetp以通信子网为中心，实现了以通信子网为中心，实现了“计算机计算机-计算机计算机”的通信。的通信。p采用采用“存储转发存储转发”机制，大大提高了通信线路的利用率机制，大大提高了通信线路的

3、利用率p将网络划分为通信子网和资源子网，设计与实现都相对容易将网络划分为通信子网和资源子网，设计与实现都相对容易p缺点：网络的标准不统一；同一网络中的计算机必须是相同类型缺点：网络的标准不统一；同一网络中的计算机必须是相同类型的。的。 ARPA NET的出现，为网络标准化建设打下了坚实的基础。返回5第二代：计算机第二代：计算机计算机网络计算机网络6第三代计算机网络第三代计算机网络开放式标准化网络开放式标准化网络返回从20世纪80年代开始进入了计算机网络的标准化时代。 典型代表：Internet网络技术标准化的要求更为迫切。制定出计算机网络体系结构OSI参考模型随着Internet的发展，TCP

4、/IP协议族的广泛应用。局域网的全面发展。所谓“开放”，即网络的体系结构是公开的，使用的、统一的。7现代计算机网络示意图现代计算机网络示意图8第四代计算机网络第四代计算机网络宽带化、综合化、数字化网宽带化、综合化、数字化网络络返回进入20世纪90年代后，计算机网络开始向宽带化、综合化、数字化方向发展。目前计算机网络正处于第4个发展阶段，这是一个智能化、全球化、高速化、个性化的网络时代。9 Internet示意图 108.1.3 计算机网络的功能1资源共享资源共享n数据通信数据通信n分布式处理分布式处理2.提高计算机的可靠性和稳定性提高计算机的可靠性和稳定性118.1.4 计算机网络组成计算机网

5、络主要由通信子网和资源子网组成计算机网络主要由通信子网和资源子网组成12资源子网资源子网n由主机、终端、连网外设各种软件资源和信息资源组成。n主机：提供接入服务、信息服务的计算机。早期主要由大型机、中型机、小型机承担，现在也用高档微机。n终端：是用户访问网络的计算机。n软件：n数据：13通信子网通信子网n由通信处理机、通信线路、通信设备组成。n通信处理机（IMP）：如路由器、交换机等。一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，另一方面作为通信子网中的分组存储转发结点。n通信线路：连接主机、通信处理机，为它们之间传输数据提供通道。14计算机网络协议和体系结构1网络协议网络协议n定义：是为进行网

6、络中数据交换而建立的定义：是为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。规则、标准或约定。n一个网络协议主要由一个网络协议主要由3个要素组成。个要素组成。n（1）语法：）语法：数据与控制信息的结构或格式（即“怎么讲”）。n（2）语义：）语义：控制信息的含义，需要做出的动作及响应（即“讲什么”）。n（3）时序：）时序：规定了操作的执行顺序（即“什么时候讲”）。153网络体系结构网络体系结构-OSI和TCP/IP参考模型n1OSI参考模型参考模型nOSI（Open System Interconnection，开放系统互连），开放系统互连）参考模型分为七层，参考模型分为七层， 202X年由年由I

7、SO所公布，如图所示。所公布，如图所示。各层功能简述如下。各层功能简述如下。n（7）应用层：）应用层：n（6）表示层：）表示层：n（5）会话层：）会话层：n（4）传输层：）传输层：n（3）网络层：）网络层：n（2）数据链路层：）数据链路层：n（1）物理层：）物理层：1617物理层(Physical)n实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。n定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性功能的特性n机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格n电气

8、特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数 据传送速率，最大传送距离等据传送速率，最大传送距离等n功能特性：接口引脚的功能作用功能特性：接口引脚的功能作用n过程特性：信号时序，应答关系，操作过程过程特性：信号时序，应答关系，操作过程返回返回18数据链路层(Data Link)n把从物理层来的原始数据打包成帧。负责帧在计算机之间的无差错传递，使把从物理层来的原始数据打包成帧。负责帧在计算机之间的无差错传递，使相邻结点间的链路相邻结点间的链路对网络层呈现为一条无差错的链路对网络层呈现为一条无差错的链路n帧是放置数据的、逻辑的、结构化的包。帧是放置数据的、逻辑的、结构化

9、的包。n所关心的问题包括：所关心的问题包括：n物理地址、链路维护；物理地址、链路维护；n组帧：把数据封装在帧中组帧：把数据封装在帧中, 按顺序传送；按顺序传送；n定界与同步：产生定界与同步：产生/识别帧边界；识别帧边界；n差错恢复：采用重传（差错恢复：采用重传（ARQ）的方法；）的方法；n流量控制：收发双方传输速率的匹配。流量控制：收发双方传输速率的匹配。返回返回19网络层 n负责网络中两主机间的数据交换。由于通信的两台计算负责网络中两主机间的数据交换。由于通信的两台计算机间可能要经过许多个节点机间可能要经过许多个节点, ,也可能经过多个通信子网也可能经过多个通信子网, ,故网络层的任务是：故

10、网络层的任务是：n选择合适的路径将信息送到目的站选择合适的路径将信息送到目的站, ,这就是所谓的路由选择。这就是所谓的路由选择。n进行流量控制进行流量控制, ,以防止网络拥塞引起的网络功能下降。以防止网络拥塞引起的网络功能下降。n网络层传输的信息以报文分组为单位。网络层传输的信息以报文分组为单位。n网络层协议最著名的协议是国际电报网络层协议最著名的协议是国际电报 咨询委员会咨询委员会CCITTCCITT的的X.25X.25协议协议, ,对应对应OSIOSI的下三层，相当于的下三层，相当于ISO8473/8348ISO8473/8348标准，提供数据报和虚电路两种类型的标准，提供数据报和虚电路两

11、种类型的接口。接口。 20传输层(Transport)n传输层是资源子网和通信子网的接口层。传输层是资源子网和通信子网的接口层。n进行数据分段并组装成报文流；传输单位为：进行数据分段并组装成报文流；传输单位为：报文报文n提供端到端的服务提供端到端的服务n提供提供“面向连接面向连接”（虚电路）和（虚电路）和“无连接无连接”（数据报）两种服务；（数据报）两种服务；n传输差错校验与恢复；传输差错校验与恢复；21n对不同开放系统中两个进程间通信的过程对不同开放系统中两个进程间通信的过程进行管理和协调进行管理和协调n不参与数据传输，主要进行对话的管理不参与数据传输，主要进行对话的管理n向应用进程提供资料

12、表示，如信息编码、向应用进程提供资料表示，如信息编码、数据转换、数据压缩与恢复等。数据转换、数据压缩与恢复等。返回返回22应用层(Application)n为用户的应用进程提供网络通信服务为用户的应用进程提供网络通信服务 n识别并证实目的通信方的可用性识别并证实目的通信方的可用性n使协同工作的应用程序之间实现同步使协同工作的应用程序之间实现同步n判断是否为通信过程申请了足够的资源判断是否为通信过程申请了足够的资源n处理被传送数据的表示问题，即信息的语义。处理被传送数据的表示问题，即信息的语义。应用层协议的例子：应用层协议的例子： 远程登录协议远程登录协议Telnet、文件传输协议、文件传输协议

13、FTP、 超文本传输协议超文本传输协议HTTP、域名服务、域名服务DNS、 简单邮件传输协议简单邮件传输协议SMTP、邮局协议、邮局协议POP3等等23n2TCP/IP参考模型图图4-5 OSI参考模型和参考模型和TCP/IP参考模型的对比参考模型的对比24nTCP/IP参考模型所定义的5个层次如下n（1）应用层：n（2）传输层：n（3）网络层：n（4）数据链路层和物理层1：25数据的封装和拆封的过程数据的封装和拆封的过程3数据封装数据封装268.1.5 计算机网络分类n1按网络覆盖范围分类按网络覆盖范围分类n按照连网的计算机之间的距离和网络覆盖地域范围的不同，网络可分为以下几种类型。n（1）

14、局域网）局域网（Local Area Network，LAN）：n（2）广域网）广域网（Wide Area Network，WAN）：n（3）城域网）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：27n传输距离有限，一般在10公里以内n传输速率高，可达10Mbps以上n误码率低n一般用专线连接局域网（局域网（LANLAN，Local Area NetworkLocal Area Network）28v用于连接几十公里内的企业、机关的局域网v介于局域网与广域网之间。城域网城域网(MAN, (MAN, Metropolitan Area NetworkMetropolita

15、n Area Network) )29广域网广域网(WAN, Wide Area Network)(WAN, Wide Area Network)传输距离广，一般在几十公里以上，覆盖一个地区、国家、甚至是整个世界。Internet是其典型代表 传输速率相对较低 一般租用公共通信线路 广域网主要采用分组交换技术返回30因特网（Internet）n也称为互联网，分布在世界各地，是一个规模空前的超级计算机网络31n（1）星型网n（2）总线型网n（3）环型网n（4）网状型网n（5）树型网2按拓扑结构分类按拓扑结构分类32网络的分类网络的分类按拓扑结构分按拓扑结构分计算机网络的几种拓扑结构 33总线型网

16、络拓扑结构工作站工作站终接器终接器终接器终接器工作站工作站工作站工作站工作站工作站n总线型拓扑：采用一条公共总线作为通信线路，所有工作站都共用这条通总线型拓扑：采用一条公共总线作为通信线路，所有工作站都共用这条通信线路。信线路。n优点：优点：1）不需中间的连接设备，成本低；）不需中间的连接设备，成本低； 2）节约电缆；）节约电缆；n缺点：缺点：1）网络稳定性较差，当某一接头接触不良时会影响网络的通信；）网络稳定性较差，当某一接头接触不良时会影响网络的通信；2）排除故障比较困难；）排除故障比较困难；3）仅适合连接较少的计算机）仅适合连接较少的计算机 ；34星型网络拓扑结构工作站工作站工作站工作站

17、工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站集线器集线器35环型网络拓扑结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站36树型网络拓扑结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站37网型网络拓扑结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站38混合型网络拓扑结构39网络中的硬件设备n1、网卡n计算机主要通过网卡接入局域网络。n网卡除了起到物理接口作用外，还有控制数据传送（数据打包、解包）的功能。40USB接口的无线网卡41网络中的硬件设备n2、传输介质：用于连接网络中的各节点n同轴电缆：n双绞线：n光纤：n无线：绝缘层保护

18、外层绝缘层外导体4243网络中的硬件设备n3、中继设备：n包括集线器、交换机、路由器等交换机示意图448.1.7 网络操作系统网络操作系统n网络操作系统：是网络系统软件的主体，其网络操作系统：是网络系统软件的主体，其功能为处理网络请求、分配网络资源、提供功能为处理网络请求、分配网络资源、提供用户服务等。常用的网络操作系统有用户服务等。常用的网络操作系统有Unix, Windows NT、Windows 202X Server，Windows 202X Server ，Netware（NOVELL公司），公司），Linux（开源软件）等。（开源软件）等。n网络协议：是为进行网络中数据交换而建立网

19、络协议：是为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。的规则、标准或约定。45XP的网络功能的网络功能n网卡的禁用与启动网卡的禁用与启动n局域网的连接与设置局域网的连接与设置n配置配置TCP/IP协议协议n设置共享资源设置共享资源n打印机的共享与使用打印机的共享与使用468.2 Internet基础nInternet是由美国国防部所资助的ARPANET网络发展而来，它也被称为国际互联网或因特网。Internet使用的通信协议是TCP/IP。478.2.1 Internet概述nInternet是由成千上万的不同类型、不同规模的计算机网络和成千上万个共同工作、共享信息的计算设备组成的世界范围的

20、巨大的计算机网络。nInternet的拓扑结构是一种松散的层次结构的拓扑结构是一种松散的层次结构。n从信息服务的角度看，Internet又是一个世界规模的巨大的信息和服务资源网络，因为它能够为每一个入网的用户提供有价值的信息和其他相关的服务。48Internet数据传输n将Internet中大大小小、各种各样网络连接在一起的“粘结剂”是称为TCP/IP的网络通信协议。这个协议使得各种各样不同类型的网络和计算机都能连入Internet，互通信息。nTCP/IP是一个协议簇，它本身是一组通信协议的代名词，常用的协议如图所示。TCP/IP这个名字就是来自于这组通信协议中最重要的两个协议：TCP和IP

21、。TCP/IP组成了Internet世界的通用语言，连入Internet的每一台计算机都能理解这个协议，并且依据它来与Internet中的其他计算机进行通信。49图图 TCP/IP协议簇常用协议协议簇常用协议508.2.3 IP地址nIP地址就是给每个连接在地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一上的主机分配的一个在全世界范围内惟一的标识符，相当于通信时每个个在全世界范围内惟一的标识符，相当于通信时每个计算机的名字。计算机的名字。n目前在Internet上使用的IP地址主要采用的是IPv4，即第4代版本。nIP地址又是一种层次性的地址，分为网络地址网络地址和主主机地址机地址两个部分

22、。网络地址网络地址主机地址主机地址51nIP地址分为地址分为5类：类：A类、类、B类、类、C类、类、D类和类和E类。类。其中其中A、B、C类地址是主类地址，类地址是主类地址，D类地址为类地址为组播（组播（Multicast）地址，）地址，E类地址保留给将来类地址保留给将来使用，如图所示。使用，如图所示。2IP地址的分类地址的分类52net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类

23、地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 10153net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节，而主机号为3个字节54net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id

24、16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节，而主，而主机号为机号为2个字节个字节55net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101C 类地址的网络号字段 net-id

25、为 3 字节，而主机号为1个字节56net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101D 类地址是多播地址 57net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址011host-id8 bitD

26、 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101E 类地址保留为今后使用 58点分十进制记法点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址是 32 bit 二进制代码10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 bit 插入一个空格能够提高可读性采用点分十进制记法则进一步提高可读性1 128 11 3 31 将每 8 bit 的二进制数转换为十进制数59常用的三种类别的常用的三种类别的 IP 地址地址 IP 地址的使用范围 网络 最大 第

27、一个 最后一个 每个网络类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 2) 1 126 16,777,214 B 16,384 (214) 128.0 191.255 65,534 C 2,097,152 (221) 192.0.0 223.255.255 254注：网络号和主机号不能全为注：网络号和主机号不能全为0或全为或全为1（转化为二进制）（转化为二进制）60n网络地址：网络地址：n广播地址：广播地址：61n在在TCP/IP中是通过子网掩码来表明本网是如何中是通过子网掩码来表明本网是如何划分子网的。子网掩码也是一个划分子网的。子网掩码也是一个32位二

28、进制数，位二进制数，用圆点分隔成用圆点分隔成4段。其标识方法是，将段。其标识方法是，将IP地址中地址中网络和子网部分用二进制数网络和子网部分用二进制数1表示；主机部分用表示；主机部分用二进制数二进制数0表示。表示。A、B、C三类三类IP地址的缺省子地址的缺省子网掩码如下。网掩码如下。4子网掩码子网掩码62缺省网关地址缺省网关地址n缺省网关地址指定了本地子网中路由器的缺省网关地址指定了本地子网中路由器的IP地地址。址。n当一个路由器用于连接两个不同的网络时，它当一个路由器用于连接两个不同的网络时，它有两个网络接口和两个有两个网络接口和两个IP地址。如图地址。如图4-16所示，所示，子网子网X上的

29、计算机的缺省网关地址配置必须和上的计算机的缺省网关地址配置必须和路由器上连接到子网路由器上连接到子网X的接口的的接口的IP地址地址（）匹配，子网）匹配，子网Y的计算机的缺省的计算机的缺省网关地址配置也必须和路由器上连接到子网网关地址配置也必须和路由器上连接到子网Y的接口的的接口的IP地址（地址（）匹配。）匹配。63图图 缺省网关地址的配置缺省网关地址的配置64IPv6nIPv6是下一版本的Internet协议，它的提出最初是因为随着Internet的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响Internet的进一步发展。为了扩大

30、地址空间，通过IPv6重新定义地址空间（16个字节）。nIPv6相对于现在的IP（即IPv4）有如下特点。n 扩展的寻址能力n 简化的报头格式n 对扩展报头和选项支持的改进n 标识流的能力 n 认证和加密能力 65一般来讲，域名的最左端是主机名，从左到右层次越来越高。一般来讲，域名的最左端是主机名，从左到右层次越来越高。最高层域名一般为该主机所在国名或所属性质，如：最高层域名一般为该主机所在国名或所属性质，如：cn（中（中国）、国）、uk（英国）、（英国）、gov（政府）、（政府）、com（商业）、（商业）、edu（教（教育）、育）、net（网络）、（网络）、ORG（非赢利机构组织）等。（非赢

31、利机构组织）等。 8.2.4 域名系统域名系统虽然计算机的地址在网络中是以虽然计算机的地址在网络中是以IP地址的形式存在的，但一般人要记住地址的形式存在的，但一般人要记住世界上为数众多的世界上为数众多的IP地址，却是一件不可能的事情。因此，地址，却是一件不可能的事情。因此，Internet的设计者们又发明了一种的设计者们又发明了一种，称为域，称为域名系统（名系统（Domain Name System，简称，简称）。域名的组成如下：）。域名的组成如下： 6667以机构区分的顶级域名 另一种是通用的国际域名，这类域名原来有com、edu、gov、int、mil、net和org七个，202X年又新增

32、了7个。一般来说，大型的或有国际业务的公司或机构的顶级域名不使用国家或地区代码，而使用表示机构性质的国际域名。顶级域名机构性质顶级域名机构性质com商业实体arts从事文化娱乐的实体edu教育机构firm企业和公司gov政府部门info从事信息服务业的实体int国际组织nom从事个人活动的个体mil军事机构rec从事休闲娱乐业的实体net网络机构store商业企业org社会团体（非盈利组织）web从事与WEB相关业务的实体688.2.5 Internet接入技术接入技术n接入接入Internet是指用户采用什么设备、采用什是指用户采用什么设备、采用什么通信网络或者线路接入么通信网络或者线路接入

33、Internet的服务提供的服务提供者（者（ISP ，Internet Service Provider）。下）。下面介绍几种常用的接入方式。面介绍几种常用的接入方式。n1使用调制解调器入网（早期）使用调制解调器入网（早期）Internet服务商服务商69n综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）是通过对 网进行数字化改造，可将 、 和数字通信等业务全部通过数字化的方式传输的网络。ISDN具有连接速率高、通信费用低（与 通信类似）、上网和打 可以同时进行等优点，国外采用这种方式接入Internet非常广泛。通过ISDN接入Internet

34、的速率可达128kbit/s。n非对称数字用户线（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）是20世纪末开始出现的宽带接入技术，目前已经获得广泛应用。ADSL在概念上类似于拨号接入，也是运行在现存的双绞线 线上，但是采用了一种新的调制解调技术，使得下行速率可以达到8Mbit/s（从ISP到用户），上行速率接近1Mbit/s。2通过通过ISDN、ADSL专线入网专线入网70n以局域网方式入网即用路由器将本地计算机以局域网方式入网即用路由器将本地计算机局域网作为一个子网连接到局域网作为一个子网连接到Internet上，使得上，使得局域网中的所有计算机都能够访问

35、局域网中的所有计算机都能够访问Internet。这种连接的本地传输速率可达这种连接的本地传输速率可达10Mbit/s100Mbit/s，但访问，但访问Internet的速率要受到局的速率要受到局域网出口（路由器）的速率和同时访问域网出口（路由器）的速率和同时访问Internet的用户数量的影响。这种入网方式适的用户数量的影响。这种入网方式适用于用户数较多并且较为集中的情况。用于用户数较多并且较为集中的情况。3以局域网方式入网以局域网方式入网71n专线方式入网n5以无线方式入网72图图 无线入网示意图无线入网示意图738.2.6 网络中的常用术语网络中的常用术语n浏览器：如浏览器：如IE，NetScape等等n主页：主页：即首页。其实是HTML（超文本标记语言）编写的文本n服务器：服务器：为网络提供共享资源或专门服务的计算机系统n客户机：客户机：联入网络的计算机，能够使用网络上的由服务器提供的各种资源n网络协议：网络协议：是为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。如TCP/IP协议nHTTP协议：超文本传输协议，主要用于客户机向