网络模型和网络协议

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材大学计算机基础大学计算机基础高等教育出版社高等教育出版社ISBN:978-7-04-024268-3高等学校计算机公共教学改革与实践高等学校计算机公共教学改革与实践第第5章章 计算机网络基础计算机网络基础网络模型和网络协议网络模型和网络协议大学计算机基础大学计算机基础山东大学山东大学第5章 计算机网络基础 5.1 计算机网络概述5.2 网络模型与网络协议5.3 网络硬件和网络设备5.4 网络传输介质5.5 以太网技术及网络的架设5.6 IP协议与网际互联5.7 使用网上邻居访问局域网目目 录录山东大学山东大学5.1 计算机网络

2、概述一、网络的功能二、网络的构成三、网络的分类四、网络的拓扑结构山东大学山东大学一、网络的功能一、网络的功能1计算机网络通信计算机网络通信2资源共享资源共享 3网络基础设施网络基础设施山东大学山东大学1计算机网络通信计算机网络通信 在没有计算机网络的环境中，要实现计算机之间数据的传递是在没有计算机网络的环境中，要实现计算机之间数据的传递是通过磁盘或光盘等可移动存储媒体完成的。通过磁盘或光盘等可移动存储媒体完成的。 用磁盘传递数据的缺陷：用磁盘传递数据的缺陷： 首先，首先，工作效率很低工作效率很低； 其次，其次，不能保证数据的一致性不能保证数据的一致性。 在计算机网络的环境中，在计算机网络的环境

3、中，信息的传递直接通过通信线路来完成，信息的传递直接通过通信线路来完成，保证了数据的一致性，提高了工作效率保证了数据的一致性，提高了工作效率。 山东大学山东大学2 资源共享资源共享硬件资源共享硬件资源共享软件资源共享软件资源共享数据共享数据共享山东大学山东大学硬件资源共享硬件资源共享 在计算机独立工作模式下，所有的硬件设备都是独占式的。在计算机独立工作模式下，所有的硬件设备都是独占式的。在计算机网络的环境中，可以方便地实现硬件设备的共享，在计算机网络的环境中，可以方便地实现硬件设备的共享，用户可以将连接在本地计算机的硬件设备，如打印机、光盘用户可以将连接在本地计算机的硬件设备，如打印机、光盘驱

4、动器等共享，允许其他的用户通过计算机网络来使用。驱动器等共享，允许其他的用户通过计算机网络来使用。山东大学山东大学软件资源共享软件资源共享 软件共享是指在网络环境中，用户可以将某些重要的软件或者大型软件软件共享是指在网络环境中，用户可以将某些重要的软件或者大型软件只安装到网络中的特定服务器上，而无需在每个用户的计算机上安装一只安装到网络中的特定服务器上，而无需在每个用户的计算机上安装一个备份。个备份。衍生出客户机服务器工作模式。衍生出客户机服务器工作模式。一方面，有些软件对硬件环境的要求较高，有的计算机不能安装，在这一方面，有些软件对硬件环境的要求较高，有的计算机不能安装，在这种情况下，用户可

5、以通过计算机网络来使用安装在特定服务器上的软件。种情况下，用户可以通过计算机网络来使用安装在特定服务器上的软件。另一方面，软件共享可以更好的进行版本控制，如果在每一台计算机上另一方面，软件共享可以更好的进行版本控制，如果在每一台计算机上安装相同的软件，在软件升级时，用户必须升级每一台计算机上相应的安装相同的软件，在软件升级时，用户必须升级每一台计算机上相应的系统。系统。山东大学山东大学数据共享数据共享 例如，一个现代化的企业，在没有计算机网络的环境下，各例如，一个现代化的企业，在没有计算机网络的环境下，各个部门之间将无法保证数据的一致性。个部门之间将无法保证数据的一致性。在计算机网络中，人们可

6、在计算机网络中，人们可以建立整个企业用的基础生产数据库，由各个应用程序通过网络以建立整个企业用的基础生产数据库，由各个应用程序通过网络来使用和更新。来使用和更新。 这样的这样的公用数据库公用数据库就是所谓的数据共享，数据共享保证了系就是所谓的数据共享，数据共享保证了系统的整体性。统的整体性。 山东大学山东大学3. 网络基础设施网络基础设施计算机网络成为计算机网络成为分布式计算分布式计算、网格计算网格计算、云计算云计算等各种软件等各种软件体系架构所必需的硬件支撑环境。体系架构所必需的硬件支撑环境。 通过计算机网络，将问题分解并分配给多个计算机进行处理，通过计算机网络，将问题分解并分配给多个计算机

7、进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果，即实现分布式最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果，即实现分布式计算（计算（Distributed computing）。）。 网格计算（网格计算（Grid computing）：整合服务器、存储系统以及网）：整合服务器、存储系统以及网络，使之成为一个庞大的虚拟计算机。络，使之成为一个庞大的虚拟计算机。 云计算：将客户端的存储、计算等都（尽量）移到网络（不止云计算：将客户端的存储、计算等都（尽量）移到网络（不止一个服务器）上。一个服务器）上。山东大学山东大学二、计算机网络的构成二、计算机网络的构成计算机网络的三个主要组成部分：计算机网络的三

8、个主要组成部分：计算机系统计算机系统组成网络的计算机，也称为组成网络的计算机，也称为“结点结点”。计算机网络的计算机网络的“计算机系统计算机系统”部分也称为资源子网。部分也称为资源子网。通信系统通信系统传输介质，传输设备。传输介质，传输设备。计算机网络的计算机网络的“通信系统通信系统”部分也称为通信子网。部分也称为通信子网。网络系统软件网络系统软件1. 网络操作系统，通信协议，网络服务程序等。网络操作系统，通信协议，网络服务程序等。山东大学山东大学三、三、 网络的分类网络的分类1局域网局域网2. 广域网广域网3. 城域网城域网山东大学山东大学1局域网局域网 局域网（局域网（Local Area

9、 Network，LAN）是指）是指地理分布范围较小地理分布范围较小的计的计算机网络，一般用于短距离内的计算机通信。一般来说，算机网络，一般用于短距离内的计算机通信。一般来说，LAN技术具有技术具有价格低、可靠性高、安装方便和管理方便等优点。价格低、可靠性高、安装方便和管理方便等优点。 组网技术：对于局域网，按照网络标准和连线方式分为组网技术：对于局域网，按照网络标准和连线方式分为以太网以太网、令令牌环网牌环网络和络和FDDI网络网络等。等。 FDDI: Fiber Distributed Data Interface 山东大学山东大学2广域网广域网 广域网（广域网（Wide Area Net

10、work，WAN）是覆盖更大的地理范围的计算）是覆盖更大的地理范围的计算机网络，如覆盖几个城市或一个地区。机网络，如覆盖几个城市或一个地区。 组网技术：组网技术：WAN的最主要的特征是需要的最主要的特征是需要借助于电信服务借助于电信服务商提供的通信商提供的通信服务。常用的电信服务可以是拨号、专线或其它的通信服务。服务。常用的电信服务可以是拨号、专线或其它的通信服务。 山东大学山东大学3. 城域网城域网城域网城域网(MAN)(MAN)在地域上覆盖一个城市，一般适用于距离为在地域上覆盖一个城市，一般适用于距离为5KM5KM至至150KM150KM的范的范围。围。MAN: Metropolitan

11、Area NetworkMAN: Metropolitan Area Network城域网可以看作是一个城市的信息通信基础设施，是国家信息高速公路城域网可以看作是一个城市的信息通信基础设施，是国家信息高速公路NIINII与城市广大用户之间的中间环节。与城市广大用户之间的中间环节。NII: National Information InfrastructureNII: National Information Infrastructure城域网一般分为城域网一般分为骨干层骨干层、汇聚层汇聚层和和接入层接入层。骨干层提供高容量信息通道，实现各叠加网的互联互通；骨干层提供高容量信息通道，实现各叠加网

12、的互联互通；汇聚层提供接入点的汇聚、管理和分发处理；汇聚层提供接入点的汇聚、管理和分发处理；接入层利用光纤、接入层利用光纤、双绞线双绞线、同轴电缆、无线接入技术等传输介质，实、同轴电缆、无线接入技术等传输介质，实现与用户的连接。现与用户的连接。 山东大学山东大学3. 城域网城域网山东大学山东大学四、网络拓扑结构四、网络拓扑结构物理拓扑结构物理拓扑结构 由由通信链路的连接结构通信链路的连接结构确定确定逻辑拓扑结构逻辑拓扑结构 由由网络协议网络协议确定确定山东大学山东大学1、 网络的物理拓扑结构网络的物理拓扑结构 1总线拓扑总线拓扑2星状拓扑星状拓扑3扩展星状拓扑扩展星状拓扑山东大学山东大学(1)

13、 总线拓扑总线拓扑 总线拓扑是采用一根传输线作为传输介质，所有的节点都通过网络总线拓扑是采用一根传输线作为传输介质，所有的节点都通过网络连接器（如连接器（如T型头）串联在同一条线路上型头）串联在同一条线路上 。 总线拓扑结构示意图 山东大学山东大学(2) 星状拓扑星状拓扑网络中的所有计算机都以网络中的所有计算机都以点到点点到点的方式连接到的方式连接到中央通信设备中央通信设备上（如共享上（如共享式式Hub或交换机）。或交换机）。 星形拓扑是目前最为流行的网络拓扑结构。星形拓扑是目前最为流行的网络拓扑结构。 中 枢 设 备 星形拓扑结构示意图 山东大学山东大学(3) 扩展星形拓扑扩展星形拓扑由于交

14、换机或集线器的端口数有限，一台交换机（或集线器）不能连接由于交换机或集线器的端口数有限，一台交换机（或集线器）不能连接很多的计算机。很多的计算机。为了连接更多的计算机，通常采用为了连接更多的计算机，通常采用设备级联设备级联，这样就得到扩展星状拓扑，这样就得到扩展星状拓扑结构。结构。 交换机 交换机 山东大学山东大学2. 网络的逻辑拓扑结构网络的逻辑拓扑结构总线型拓扑总线型拓扑环状拓扑环状拓扑山东大学山东大学(1) 总线拓扑总线拓扑 数据传输采用广播方式。数据传输采用广播方式。 在广播通信中，发送端发送数据后，处于相同物理网络的在广播通信中，发送端发送数据后，处于相同物理网络的所有主机都接所有主

15、机都接收到相同的数据包收到相同的数据包，计算机根据数据包中所包含的目标地址，计算机根据数据包中所包含的目标地址是否为自己是否为自己决定是否接收该数据包决定是否接收该数据包。典型的总线广播传输协议为典型的总线广播传输协议为CSMA/CD，即：载波侦听多重访问，即：载波侦听多重访问/碰撞检碰撞检测。测。 CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection 先听后说先听后说：当一个节点需要发送数据时，先检测网络上的传输介质是否：当一个节点需要发送数据时，先检测网络上的传输介质是否有任何数据在传送，然后再决定要不要将数据送上网

16、络。有任何数据在传送，然后再决定要不要将数据送上网络。 存在的问题是，如果有两台或多台机器同时检测到传输介质处于空闲状存在的问题是，如果有两台或多台机器同时检测到传输介质处于空闲状态，就会同时向网络上发送数据，数据会发生态，就会同时向网络上发送数据，数据会发生“碰撞（碰撞（Collision）”。山东大学山东大学(1) 总线拓扑总线拓扑 A B C D E 山东大学山东大学(2) 环状拓扑环状拓扑 令牌环逻辑拓扑结构，是一种无冲突可靠传输通信方式。令牌环逻辑拓扑结构，是一种无冲突可靠传输通信方式。 网络上有一个循环传递的网络上有一个循环传递的“令牌令牌”。 当有一个结点要发送数据时，它首先接收

17、并检测令牌是否为空，如果当有一个结点要发送数据时，它首先接收并检测令牌是否为空，如果为空，它得到令牌并将其数据帧附在令牌上。为空，它得到令牌并将其数据帧附在令牌上。 每个接收到令牌的都接收令牌。若令牌数据中所包含的目的地址与自每个接收到令牌的都接收令牌。若令牌数据中所包含的目的地址与自己相同，则该节点接收数据，并将一个己相同，则该节点接收数据，并将一个“收据收据”信号附在令牌上。信号附在令牌上。 发送方再次收到令牌后，根据所收据信息可以判定数据是否已经可靠发送方再次收到令牌后，根据所收据信息可以判定数据是否已经可靠的传输到接收方。的传输到接收方。 若数据已经传输到接收方，则发送方释放若数据已经

18、传输到接收方，则发送方释放“令令牌牌”。令牌环协议：令牌环协议：IEEE 802.5，FDDI。山东大学山东大学(2) 环状拓扑环状拓扑 token A B C D E F 山东大学山东大学几种典型的局域网的拓扑结构几种典型的局域网的拓扑结构局域网局域网物理拓扑结构物理拓扑结构逻辑拓扑结构逻辑拓扑结构同轴电缆组建的同轴电缆组建的局域网局域网总线型总线型总线型总线型（CSMA/CD）集线器组建的局集线器组建的局域网域网星型星型总线型总线型（CSMA/CD）交换机组建的局交换机组建的局域网域网星型星型交换式交换式+CSMA/CD山东大学山东大学5.2 网络模型与网络协议网络模型与网络协议1OSI网

19、络参考模型网络参考模型 2TCP/IP模型模型 山东大学山东大学1OSI网络参考模型网络参考模型 定义了定义了异构系统互联异构系统互联的的七层七层框架框架，每一层使用下层提每一层使用下层提供的服务，完成本层功能，并向其上一层提供服务供的服务，完成本层功能，并向其上一层提供服务。OSI模型是模型是网络的基础模型网络的基础模型 。 山东大学山东大学1OSI网络参考模型网络参考模型 传输媒体 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 1 物理层 山东大学山东大学1OSI网络参考模

20、型网络参考模型 应用层应用层 提供网络与应用程序之间的接口服务。提供网络与应用程序之间的接口服务。表示层表示层 提供数据格式（编码）和转换等服务。提供数据格式（编码）和转换等服务。会话层会话层 建立、维护和结束通信通信双方之间的连接（会话）。建立、维护和结束通信通信双方之间的连接（会话）。山东大学山东大学1OSI网络参考模型网络参考模型 传输层传输层 负责数据的可靠传输和流量控制。负责数据的可靠传输和流量控制。 将上层（会话层）传来的数据切成若干段（将上层（会话层）传来的数据切成若干段（Segment）。）。网络层网络层 将上层（传输层）传来的数据段封装成数据包（将上层（传输层）传来的数据段封

21、装成数据包（Packet）, 包头包头中含有源站点和目的站点的逻辑地址信息。中含有源站点和目的站点的逻辑地址信息。 根据数据包要传送到的目标位置，确定网络路由。根据数据包要传送到的目标位置，确定网络路由。山东大学山东大学1OSI网络参考模型网络参考模型 数据链路层数据链路层 将网络层的数据包封装成数据帧（将网络层的数据包封装成数据帧（frame），帧含有源站点设），帧含有源站点设备和目的站点设备的物理地址。备和目的站点设备的物理地址。 （在本网段内）完成数据帧的传输。（在本网段内）完成数据帧的传输。物理层物理层 完成比特流在通信链路上的传输。完成比特流在通信链路上的传输。 提供机械、电气、功能

22、和过程特性。提供机械、电气、功能和过程特性。山东大学山东大学1OSI网络参考模型网络参考模型 传输媒体 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 1 物理层 数 据 流 数据段 数据段 源 IP地址 目的IP地址 数据段 源 MAC地址 目的MAC地址 数据包 010000010001100 数 据 封 装 数 据 解 封 装 数据帧 数据包 数据段 产生 数据 信源 信宿 山东大学山东大学2TCP/IP模型模型 TCP/IP模型将网络分成四层模型将网络分成四层 应用层应用

23、层对应对应OSI参考模型中的第五、六、七层。参考模型中的第五、六、七层。 传输层传输层对应对应OSI参考模型中的第四层（传输层）。参考模型中的第四层（传输层）。 Internet层层对应对应OSI参考模型中的第三层（网络层）。参考模型中的第三层（网络层）。 网络接入层网络接入层对应对应OSI参考模型中的第一层和第二层。参考模型中的第一层和第二层。 TCP/IP模型可认为是模型可认为是OSI参考模型的具体实现。参考模型的具体实现。山东大学山东大学2TCP/IP模型模型 应用层 传输层 Internet层 网络接入层 TCP IP LAN WAN Internet UDP FTP HTTP SMT

24、P DNS DNS TFTP TCP/IP TCP/IP模型模型 TCP/IPTCP/IP模型对应的各层协议模型对应的各层协议 山东大学山东大学三、网络协议三、网络协议 1NetBIOS与与NetBEUI2NWLink 与与IPX/SPX3TCP/IP协议（协议（Internet协议）协议）山东大学山东大学1NetBIOS与与NetBEUINetBIOS协议，即网络基本输入输出系统，最初由协议，即网络基本输入输出系统，最初由IBM提出。提出。NetBEUI即即NetBios Enhanced User Interface，NetBIOS扩展用户接口，由微软扩展用户接口，由微软公司提出，是公司提

25、出，是NetBIOS协议的基础的增强版本。协议的基础的增强版本。NetBEUI协议是一种短小精悍、通信效率高的广播型协议。协议是一种短小精悍、通信效率高的广播型协议。NetBEUI适用于一个单独的适用于一个单独的小型局域网中小型局域网中（无法跨越路由器到其它网段）。（无法跨越路由器到其它网段）。NetBEUI曾被许多操作系统采用，例如曾被许多操作系统采用，例如Windows for Workgroup、Win9x系列、系列、Windows NT等，是等，是Windows 98及之前的操作系统的缺省协议。及之前的操作系统的缺省协议。NetBEUI安装后不需要进行设置，特别适合于在安装后不需要进行设置，特别适合于在“网络邻居网络邻居”传送数据。传送数据。 山东大学山东大学2IPX/SPX 与与 NWLinkIPX/SPX即互联网分组交换即互联网分组交换/顺序交换协议，它是顺序交换协议，它是Novell NetWare网络操作系统的使用的局域网通信协议网络操作系统的使用的局域网通信协议。 IPX/SPX: Internet Packet Exchange/Sequenced Packet ExchangeSPX工作在第工作在第4层，保证数据分组正确、顺序接收。层，保证数据分组正确、顺序接