第10章 计算机网络及Internet

第10章计算机网络及Internet10.1计算机网络概述10.2计算机局域网10.3Internet基本概念10.4IP协议10.5运输层协议10.6互联网工作过程10.7Internet基本业务10.1计算机网络概述10.1.1计算机网络发展自从1946年世界上第一台电子计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，电子数字积分计算机)问世以来，随着计算机技术的发展，以计算机为主体的各种远程信息处理技术应运而生，计算机与通信的结合也在不断发展。计算机网络就是计算机学科与通信学科紧密结合的产物。

计算机网络的发展主要经历了以下四个阶段。第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络的雏形。任何一种新技术的出现都必须具备两个条件，即强烈的社会需求与先期技术的成熟。计算机网络技术的形成与发展也证实了这条规律。1946年ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统SAGE进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。它将远程雷达与其他测量设施测到的信息通过总长度达到241万千米的通信线路与一台IBM计算机连接，进行集中的防空信息处理与控制。1969年美国国防部高级研究计划署(ARPA：AdvancedResearchProjectsAgency)提出将多个大学、公司和研究所的多台计算机互连成为计算机－计算机网络。网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软硬件与数据资源，也可以使用连网的其他地方计算机软硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。1969年ARPANet只有4个节点，1973年发展到40个节点，1983年已经达到100多个节点。ARPANet通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖了从美国本土到欧洲与夏威夷的广阔地域。ARPANet是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面：(1)第一个采用以分组的方式在网络中进行交换和传输；(2)首次提出数据以无连接的方式进行传输；(3)分组在网络中以自适应选路方式传输到目的端。

ARPA网络研究成果对推动计算机网络发展的意义是深远的。在它的基础之上，七、八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络。

第二阶段：在计算机通信网络的基础上，完成网络体系结构与协议的研究，形成了计算机网络。

该阶段所取得的成果对推动网络技术的成熟和应用极其重要，它研究的网络体系结构与网络协议的理论成果为以后网络理论的发展奠定了基础。很多网络系统经过适当修改与充实后仍在广泛使用。目前国际上应用广泛的Internet网络就是在ARPANet的基础上发展起来的。

但是，20世纪70年代后期人们已经看到了计算机网络发展中出现的危机，那就是网络体系结构与协议标准的不统一限制了计算机网络自身的发展和应用。网络体系结构与网络协议标准必须走国际标准化的道路。

第三阶段：提出开放系统互连参考模型与协议，促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展。国际标准化组织ISO的计算机与信息处理标准化技术委员会TC97成立了一个分委员会SC16，研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题。经过多年卓有成效的工作，ISO正式制定、颁布了“开放系统互连参考模型”(OSIRM：OpenSystemInterconnectionReferenceModel)，即ISO/IEC7498国际标准。ISO/OSIRM已被国际社会所公认，成为研究和制定新一代计算机网络标准的基础。20世纪80年代，ISO与ITU等组织为参考模型的各个层次制定了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本协议集。我国也于1989年在《国家经济系统设计与应用标准化规范》中明确规定选定OSI标准作为我国网络建设标准。ISO/OSIRM及标准协议的制定和完善正在推动计算机网络朝着健康的方向发展。很多大的计算机厂商相继宣布支持OSI标准，并积极研究和开发符合OSI标准的产品。各种符合OSIRM与协议标准的远程计算机网络、局部计算机网络与城市地区计算机网络已开始广泛应用。随着研究的深入，OSI标准将日趋完善。

第四阶段：计算机网络向互连、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用。进入20世纪80年代末期以来，在计算机网络领域最引人注目的就是起源于美国的ARPANet，已经发展成世界上规模最大和增长速度最快的国际性计算机互连网络——Internet。Internet迅猛发展的原因是欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(WorldWideWeb)使用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet的这种指数级增长的主要动力。Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电子传输、信息查询、语音与图像通信服务功能。实际上Internet是一个用路由器(Router)实现多个远程网和局域网互连的网际网，它将对推动世界经济、社会、科学、文化的发展产生不可估量的作用。10.1.2计算机网络的概念、功能和分类

1．计算机网络概念计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享的信息系统。

2．计算机网络的功能计算机网络既然是以共享为主要目标，那么它应具备下述几个方面的功能。

1)数据通信数据通信功能实现计算机与终端、计算机与计算机间的数据传输，这是计算机网络的基本功能。2)资源共享网络上的计算机彼此之间可以实现资源共享，包括软硬件和数据。信息时代的到来，资源的共享具有重大的意义。首先，从投资考虑，网络上的用户可以共享网上的打印机、扫描仪等，这样就节省了资金。其次，现代的信息量越来越大，单一的计算机已经不能将其存储，只能分布在不同的计算机上，网络用户可以共享这些信息资源。再次，现在计算机软件层出不穷，在这些浩如烟海的软件中，不少是免费共享的，这是网络上的宝贵财富。任何连入网络的人，都有权利使用它们。资源共享为用户使用网络提供了方便。3)实现分布式处理网络技术的发展，使得分布式计算成为可能。对于大型的课题，可以分为许许多多的小题目，由不同的计算机分别完成，然后再集中起来解决问题。由此可见，计算机网络可以大大扩展计算机系统的功能，扩大其应用范围，提高可靠性，为用户提供方便，同时也减少了费用，提高了性能价格比。

3．计算机网络的分类

(1)按网络节点分布，计算机网络可分为局域网(LAN：LocalAreaNetwork)、广域网(WAN：WideAreaNetwork)和城域网(MAN：MetropolitanAreaNetwork)。局域网是一种在小范围内实现的计算机网络，一般在一个建筑物内、一个工厂内或一个事业单位内，为单位独有。局域网距离可在十几千米以内，信道传输速率可达1000Mb/s，结构简单，布线容易。广域网范围很广，可以分布在一个省内、一个国家内或几个国家之间。广域网连网技术、结构比较复杂。城域网是在一个城市内部组建的计算机信息网络，提供全市的信息服务。(2)按交换方式计算机网络可分为电路交换网络(CircuitSwitching)、报文交换网络(MessageSwitching)和分组交换网络(PacketSwitching)等。

(3)按网络拓扑结构计算机网络可分为星型网络、树型网络、总线型网络、环型网络和网状网络等。应该指出,在实际组网中,拓扑结构不一定是单一的,通常是几种结构的混用。10.110.2计算机局域网10.2.1计算机局域网体系结构1．计算机局域网的技术特点计算机局域网LAN产生于20世纪60年代末。20世纪70年代出现了一些实验性的网络，到80年代，局域网的产品已经大量涌现，其典型代表就是Ethernet。近年来，随着社会信息化的发展，计算机局域网技术得到很大的进步，其应用范围也越来越广。(1)局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、军营、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；

(2)局域网具有较高的数据传输速率(10～100Mb/s)、低误码率(<10-8)的高质量数据传输环境；

(3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法。

2．计算机局域网的参考模型美国电气和电子工程师学会IEEE802课题小组为计算机局域网制定了许多标准，大部分得到国际标准化组织的认可。

IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，确定最低两层——物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务、网络互连有关的高层功能。要注意的是，按OSI的观点，有关传输介质的规格和网络拓扑结构的说明，应比物理层还低，但对局域网来说这两者却至关重要，因而在IEEE802模型中，包含了对两者详细的规定，图10.2是局域网参考模型与OSI参考模型的对比。图10.2IEEE802参考模型与OSI模型的比较

局域网参考模型只用到OSI参考模型的最低两层：物理层和数据链路层。数据链路层分为两个子层，媒体访问控制MAC和逻辑链路控制LLC。物理媒介、介质访问控制方法等对网络层的影响在MAC子层已完全隐蔽起来了。数据链路层与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层。MAC子层主要有如下功能：(1)将上层来的数据封装成帧进行发送，接收时进行相反的过程；(2)实现和维护MAC协议；(3)比特差错检测。LLC子层主要有如下功能：(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接；(2)提供与高层的接口；(3)差错控制；(4)给帧加上序号。

3．IEEE802标准

IEEE802标准包括以下主要部分:(1)IEEE802.1概述、系统结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。

(2)IEEE802.2逻辑链路控制。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。

(3)IEEE802.3CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约。

(4)IEEE802.4令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规约。

(5)IEEE802.5令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规约。

(6)IEEE802.11无线局域网。10.2.2以太网EthernetIEEE802.3定义了一种基带总线局域网标准，其速率为共享总线10Mb/s。标准包含MAC子层和物理层的内容。根据物理层介质的不同Ethernet可分为10Base-2(基带粗同轴)、10Base-5(基带细铜轴)、10Base-T(基带双绞线)、10Base-FL(基带光纤)几种类型。

在MAC子层，共享介质的访问控制采用CSMA/CD协议(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)。由于历史的原因，人们习惯上将采用IEEE802.3标准的局域网称为Ethernet。

1．带有碰撞检测的载波侦听多点访问法(CSMA/CD)CSMA/CD含有两方面的内容，即载波侦听(CSMA)和冲突检测(CD)。CSMA/CD访问控制方式主要用于总线型和树型网络拓扑结构，基带传输系统。信息传输是以“包”为单位，简称信包，发展为IEEE802.3基带CSMA/CD局域网标准。CSMA/CD的设计思想如下：

1)侦听(监听)总线查看信道上是否有信号是CSMA系统的首要问题，各个站点都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息(也称为载波识别)，如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间后再争取发送权；如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。查看信号的有无称为载波侦听，而多点访问指多个工作站共同使用一条线路。CSMA技术中要解决的另一个问题是侦听信道已被占用时，等待的一段时间如何确定。通常采用以下两种方法：方法一：当某工作站检测到信道被占用后，继续侦听下去，一直等到发现信道空闲后，立即发送，这种方法称为持续的载波侦听多点访问。方法二：当某工作站检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息，这种方法称为非持续载波侦听多点访问。2)冲突检测(碰撞检测)

当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突(碰撞)；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包(由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故)，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是一个重要的问题。3)冲突加强如果在发送数据帧过程中检测出冲突，在CSMA/CD介质存取方法中，首先进入发送“冲突加强信号(JammingSignal)”阶段。CSMA/CD采用冲突加强措施的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网中所有节点都能检测出冲突存在，废弃冲突帧，减少因冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强中发送的阻塞(JAM)信号一般为4字节的任意数据。4)重新发送数据完成“冲突加强”过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。进入重发状态的第一步是计算重发次数。IEEE802.3协议规定一个帧最大重发次数为16次。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入“冲突过多”结束状态。如重发次数N≤16，则允许节点随机延迟后再重发。在计算后退延迟时间，并且等待后退延迟时间到之后，节点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程。

如果在发送数据帧过程中没有检测出冲突，在数据帧发送结束后，进入结束状态。

CSMA/CD的发送流程可简单地概括成四点：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。从以上可以看出，任何一个节点发送数据都要通过CSMA/CD方法去竞争总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此CSMA/CD方法为随机竞争型介质访问控制方法。2．以太网物理层介质对于具体可选用的物理层的实现方案，IEEE802.3制定了以下一个简明的表示法：

<以Mb/s为单位的传输速率><信号调制方式><以百米为单位的网段的最大长度>

例如10Base-2，10代表传输速率是10Mb/s，Base代表采用基带信号方式，2代表一个网段的长度是200米。表10.1IEEE802.310Mb/s物理层介质比较百兆以太网百兆以太网指100Base-T或快速Ethernet,IEEE802.3委员会于1995制订了快速Ethernet标准IEEE802.3μ，该新标准作为对IEEE802.3的补充和扩充，保持了和原有标准的兼容性。快速Ethernet在MAC子层仍然使用CSMA/CD协议，帧结构和帧的最小长度也保持不变，但帧的发送间隔从9.6μs减少到0.96μs，以支持在共享介质上100Mb/s基带信号的传输速率。

千兆Ethernet

千兆Ethernet标准在IEEE802.3委员会制定的IEEE802.3z中定义，它与Ethernet和快速Ethernet工作原理相同，在定义新的介质和传输规范时，千兆Ethernet保留了CSMA/CD协议和MAC帧格式，帧间隔则提升到0.096μs。目前千兆Ethernet标准包含的主要物理层介质是：

1000Base-LX:使用62.5μm或50μm多模光纤，最长网段距离为550m；采用1μm单模光纤，最长网段距离为5km。工作波长范围为1270～1355nm。(1)在局域网方面：主要用于组建网络骨干，在局域网交换机到交换机的互连中使用千兆Ethernet接口，例如，长距离使用光纤，短距离则使用铜线，以解决由于100兆Ethernet普及后，对骨干网带宽的压力。

(2)在广域网和城域网中：由于千兆Ethernet与ATM技术相比，不但技术简单，而且成本低，提供宽带的能力也强于ATM，由于与现有的企业、机构局域网互通简单，因而它目前也被广泛用于组建基于IP的城域网和IP广域骨干网。10.210.3Internet基本概念10.3.1互联网结构及协议模型

1．Internet结构从网络通信的观点来看，Internet是一个由TCP/IP把各个国家、各个机构、各个部门的内部网络连接起来的庞大的数据通信网；从信息资源的角度来看，Internet是一个集各个领域、各个部门内各种信息资源共享为目的的信息资源网；从技术的角度来看，Internet是一个“不同网络互连的网络”(网际网)，实际是由许多网络(包括局域网、城域网和广域网)互连形成的。

图10.8为全球互连网络示意图。每个国家内部由骨干网、城域网及用户驻地园区网组成。国家之间由骨干网互连起来，用户就可以共享全球任意一个国家的资源。中国信息产业部与美国Sprint电信公司于1994年8月30日签署了中华人民共和国通过SprintLink与Internet互连的协议。目前，用户可以通过运营商提供的ChinaNet、CERNet、金桥网、科学网等网络进入Internet，实现全球资源共享。图10.8全球互连网络示意图2．TCP/IP分层模型关于协议分层，前面我们详细介绍了ISO开放系统互连OSI网络体系结构模型，同样TCP/IP也采用分层体系结构。TCP/IP与OSI模型是不同的，OSI模型来自于标准化组织，而TCP/IP则不是人为制定的标准，而是产生于Internet网的研究和应用实践中。TCP/IP完全撇开了网络的物理性，“网络”是一个高度抽象的概念，即将任何一个能传输数据分组的通信系统都看作网络。这种概念为协议的设计提供了极大的方便，大大简化了网络互连技术的实现，为TCP/IP赋予了极大的灵活性和适应性。TCP/IP共分五层。与OSI七层模型相比，TCP/IP没有表示层和会话层，这两层的功能由最高层——应用层提供。同时，TCP/IP分层协议模型在各层名称定义及功能定义等方面与OSI模型也存在着差异。

TCP/IP是由许多协议组成的协议族，其详细的协议分类如图10.9所示。图中同时给出了OSI模型的对应层。对于OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP不提供任何协议，由网络接入层协议负责。对于网络层，TCP/IP提供了一些协议，但主要是IP协议，对于运输层，TCP/IP提供了两个协议：传输控制协议TCP和用户数据协议UDP；对于应用层，TCP/IP提供了大量的协议，作为网络服务，如Telnet、FTP等。图10.9TCP/IP族

3．TCP/IP模型各层功能

1)应用层

TCP/IP应用层为用户提供访问Internet的一组应用高层协议，即一组应用程序，如FTP、Telnet等。应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是便于传输与接收。严格地说，应用程序并不是TCP/IP的一部分，只是由于TCP/IP对此制定了相应的协议标准，所以将它们作为TCP/IP的内容。实际上，用户可以在Internet之上(运输层之上)建立自己的专用程序。设计使用这些专用应用程序要用到TCP/IP，但不属于TCP/IP。2)运输层

TCP／IP运输层的作用是提供应用程序间(端到端)的通信服务。为实现可靠传输，该层协议规定接收端必须向发送端发回确认；若有分组丢失时，必须重新发送。该层提供了以下两个协议：

(1)传输控制协议TCP：负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文，如文件传送等。

(2)用户数据协议UDP：负责提供高效率的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。3)IP层

TCP/IP网络层的核心是IP协议，同时还提供多种其他协议。IP协议提供主机间的数据传送能力，其他协议提供IP协议的辅助功能，协助IP协议更好地完成数据报文传送。

IP层的主要功能有三点：

(1)处理来自运输层的分组发送请求。收到请求后，将分组装人IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接口。(2)处理输入数据报。首先检查输入的合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已到达目的地(本机)，则去掉报头，将剩下的部分(即运输层分组)交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。

(3)处理差错与控制报文。处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。

网络层提供的其他协议主要有：

(1)地址解析协议ARP：用于将Internet地址转换成物理地址；

(2)反向地址解析协议RARP：与ARP的功能相反，用于将物理地址转换成Internet地址；

(3)网间控制信息协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。4)网络接入层网络接入层是TCP/IP协议软件的最低一层，主要功能是负责接收IP分组，并且通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽出IP分组，上交给运输层。10.3.2IP编址方式在计算机技术中，地址是一种标识符，用于标识系统中的某个对象，不同的物理网络技术有不同的编址方式。IP网络技术是将不同物理网络技术统一起来的高层软件技术，在统一的过程中，首先要解决的问题就是地址的统一。对于地址，首先的要求是唯一性，即在同一系统中一个地址只能对应一台主机(一台主机则不一定对应一个地址)。互联网中采用了一种全局通用的地址格式，为全网的每一台主机分配一个网络地址，依次来屏蔽物理网络地址的差异，从而为保证其以一个一致性实体的形象出现奠定了重要基础。

1．分类编址机制最初的互联网采用简单的分类编址机制，一个IP地址由4个8位字节数字串组成，这4个字节通常用小数点分隔。每个字节可用十进制或十六进制表示，如2或0x8.0x43.0x10.0x26就是用十进制或十六进制表示的IP地址。IP地址也可以用二进制表示。一个IP地址包括两个标识码(ID)，即网络ID和主机ID，如图10.10所示。图10.10IP地址的组成

同一个物理网络上的所有主机都用同一个网络ID，网络上的一个主机(包括网络上工作站、服务器和路由器等)有一个主机ID与其对应。据此把IP地址的4个字节划分为两个部分，一部分用以标明具体的网络段，即网络ID；另一部分用以标明具体的节点，即宿主机ID。在这32位地址信息内有五种定位的划分方式，这五种划分方法分别对应于A、B、C、D和E类IP地址，如表10.2所示。表10.2IP地址划分方法A类：一个A类IP地址由1个字节的网络地址和3个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”(每个字节有8位二进制数)。

B类：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高两位必须是“10”。

C类：一个C类地址由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址的最高三位必须是“110"。D类：用于多点播送。第一个字节以“1110”开始。因此，任何第一个字节大于223小于240的IP地址是多点播送地址。

E类：以“11110”开始，为将来使用保留。

传统分类编址方式使得同一物理网络上的所有主机共享一个相同的前缀——网络ID，在互联网中选路时，只检查目的地址的网络ID，就可以找到目的主机所在的物理网络。

2．子网编址

20世纪80年代，随着局域网的流行，传统分类编址方式为每个物理网络分配一个独特的前缀会迅速耗尽地址空间，因此开发了一种地址扩展来保存网络前缀，这种方法称为子网编址(SubnetAddressing)，允许多个物理地址共享一个前缀。子网划分用来把一个单一的IP网络地址划分成多个更小的子网(Subnet)。这种技术可使一个较大的分类IP地址能够被进一步划分。子网划分基于以下原理：采用借位的方式，从主机位最高位开始借位变为新的子网位，所剩余的部分则仍为主机位。这使得IP地址的结构由网络号加主机号变为三部分：网络号、子网号和主机号。

子网划分的方法如图10.11所示。在Internet地址中，网络地址部分不变，原主机地址划分为子网地址和主机地址。图10.11子网划分原理掩码（Mask）与子网掩码(SubnetMask)

掩码用于识别IP地址网络部分/主机部分。每一个网络都选用32位的掩码，掩码中的1对应着IP地址的网络号，掩码中的0对应着IP地址的主机号。子网掩码则是掩码的一部分，可以进一步划分出子网。例如：IP地址为，掩码为，将这两个数进行二进制的逻辑与，得到结果为：网络部分是134.211，IP地址剩余部分就是主机号32.1。如果对B类网络134.211进行了子网划分，如果子网掩码为(整个掩码为/20，即11111111.11111111.11110000.00000000)。10.3.3域名系统在Internet中IP地址由32bit组成，对于这种数字型地址，用户很难记忆和理解。为了向用户提供一种直观明白的主机标识符，TCP/IP开发了一种命名协议，即域名系统DNS(DomainNameSystem)。这是一种字符型的主机命名机制，用于实现主机名与主机地址间的映射。

1．命名机制

Internet允许每个用户为自己的计算机命名，并且允许用户输入计算机的名字来代替机器的地址。Internet提供了将主机名字翻译成地址的服务。对主机名字的首要要求是全局惟一性，这样才可在整个网中通用；其次要便于管理，这里包括名字的分配、确认和回收等工作；最后要便于名字与IP地址之间的映射。对这样三个问题的特定解决方法，便构成了特定的命名机制。在网络技术中最先采用的是无层次命名机制，由于其能力有限，现已被淘汰。TCP/IP采用的是层次型命名机制，其层次型命名结构与Internet网络体系结构相对应。

在层次型命名管理中，首先由中央管理机构将最高一级名字空间划分为若干部分，并将各部分的管理权授予相应机构；各管理机构可以将自己管辖的名字空间再进一步划分成若干子部分，并将这些子部分的管理权再授予若干子机构。一个通用的完整的层次型主机名格式如下：本地名·组名·网点名·其中，一个网点是Internet中的一个部分，由若干在地址位置或组织关系上联系非常紧密的网络组成；一个网点内又可分为若干个“管理组”，并以此作为基础；在组名之下是各主机“本地名”。为保证主机名的惟一性，则只要保证同层名字不发生冲突即可。

2．Internet域名

TCP/IP命名协议只是一种抽象说法，任何组织都可根据其层次型名字空间的要求，构造自己组织内部的域名，不过这些城名的使用也仅限于其系统内部。

Internet为保证其域名系统的通用性，特规定了一组正式的通用标准符号，作为第一级域的域名，如表10.3所示。表10.3一级Internet域名comnetorgedugovmilcoopbizinfoaerointcnuk…hkjsshbjorgnetgoveducomac…pkufudansjtutsinghua…树根cctvibmhpmot…顶级域名二级域名三级域名mailep四级域名mailcsnetl……seu

3．DNS管理在Internet中，分组传送时必须使用IP地址。用户输入的是主机名字，DNS的作用是将名字自动翻译成IP地址。

DNS使用客户机/服务器模型，其服务器称为域名服务器。在域名服务器中保存了某一组织的全部主机的名字及其对应的IP地址。当某个应用程序需要将某一主机名翻译成IP地址时，该应用程序即成为DNS的一个客户。该应用程序与域名服务器建立连接，将其主机名发送到域名服务器，域名服务器查找其对应的IP地址，然后将正确的IP地址回送给该应用程序。这样该应用程序在以后的所有通信中将使用该IP地址。10.310.4IP协议10.4.1IP分组格式

IP分组由分组头和数据区两部分组成。其中，分组头部分用来存放IP协议的具体控制信息，而数据区则包含了上层协议(如TCP)提交给IP协议传送的数据。IP分组的格式如图10.14所示。图10.14IP分组格式IP分组头由以下字段组成：

(1)版本：长度为4bit，表示与IP分组对应的IP协议版本号。在处理IP分组前，IP软件都要检查IP分组的版本字段，以保证分组格式与软件期待的一致。目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。

(2)分组头长度：长度为4bit，用于指明IP分组头的长度，其单位是4个字节(32bit)，即分组头部是4个字节整数倍的数目。由于IP分组头的长度是可变的，因此，该字段是必不可少的。(3)服务类型(TOS)：长度为8bit，用于指明IP分组所希望得到的有关优先级、可靠性、吞吐量、时延等方面的服务质量要求,如图10.15所示。它包括一个3bit的优先级子字段，优先级取值范围0～7；D、T、R各占1bit，表示该分组所期望的服务类型。D为最小时延，T为最大吞吐量,R为最高可靠性。如果所有比特位均为0,那么就意味着该服务为普遍服务。图10.15服务类型字段(4)总长度：长度为16个比特，用于指名整个IP数据报的长度，以字节为单位。它包括分组头和数据区的长度，利用分组头部长度字段和总长度字段，我们就可以知道IP分组中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit，所以IP分组最长可达65535字节。当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。总长度字段是IP分组头中必要的内容，因为一些数据链路(如以太网)需要填充一些数据以达到最小长度。例如，以太网的最小帧长为46字节，但是IP分组可能会更短。如果没有总长度字段，那么IP层就不知道46字节中有多少是IP数据报的内容。(5)标识符：长度为16个bit，和源地址、目的地址、用户协议一起惟一地标识主机发送的每一个分组。通常每发送一个分组它的值就会加1。我们在10.5节介绍分片和重组时再详细讨论它。同样，在讨论分片时我们再来分析标志字段和片偏移字段。

(6)标志：长度为3bit，在3bit中1位保留，另两位DF和MF分别用于指明IP分组不分片和分片。

(7)分片偏移量：长度为13bit，以8字节为1单位，用于指明当前分组片在原始分组中的位置，这是分段和重组所必需的。(8)生存时间TTL(Time-To-Live)：长度为8bit，用于指明IP分组可在网络中传输的最长时间，TTL的初始值由源主机设置(通常为32位或64位)，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值减为0时，该分组被丢弃，并发送ICMP消息通知源主机。这个字段用于保证IP分组不会在网络出错时无休止地传输。

(9)协议：长度为8bit，用于指明调用IP协议进行传输的高层协议，高层协议的号码由TCP/IP权威管理机构统一分配。例如，ICMP的值为1，TCP的值为6，UDP的值为17。(10)分组头校验和：长度为16bit，用于保证IP分组头的完整性。只对IP分组头部(不对分组头部后面的数据区)计算的检验和。其算法为：该字段初始值为0，然后对IP分组头以每16位为单位进行求异或，并将结果求反，便得到校验和。

(11)源IP地址：长度为32bit，用于指明发送IP分组的源主机IP地址。

(12)目的地址：长度为32bit，用于指明接收IP分组的目标主机IP地址。(13)任选项：长度可变，该字段允许在以后版本中包括在当前设计的分组头中未出现的信息，其使用有一些特殊的规定。目前，这些任选项定义如下：●安全和处理限制(用于军事领域，详细内容参见RFC1108)；●记录路径(让每个路由器都记下它的IP地址，见7.3节)；●时间戳(让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7.4节)；●宽松的源站选路(为分组指定一系列必须经过的IP地址)；●严格的源站选路(与宽松的源站选路类似，但是它要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址)。这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。(14)填充：长度不定，由于IP分组头必须是4字节的整数倍(这是分组头长度字段所要求的)，因此，当使用任选项的IP分组头长度不足4字节的整数倍时，必须用0填入填充字段来满足这一要求。10.4.2IP的分片与重装在互联网中各个网络定义的最大分组长度可能不同，网络层需要将收到的数据报分割成较小的数据块，称为分片。相反地，到了目的端将多个数据块组合起来，称为重装。

IP分组格式中，分片偏移量和标志字段用来对IP分组的分片与重装，分片过程如图10.16所示。图10.16IP分组的分片过程

原始数据长度404个8位位组，在网络层传输过程中分为两个数据块，一块长度为208个8位位组，另外一块为196个8位位组。在第一分片中，数据长度为208个8位位组，分片偏移量为0，(后续)标志为1，表示后续有分片的数据。在第二分片中，数据长度为196个8位位组，分片偏移量为26个64bit单元(208个8位位组)，(后续)标志为0，表示后续不再有分片的数据。到了目的端后，根据分片偏移量和后续标志对分片的数据进行重装。10.410.5运输层协议10.5.1运输层端口运输层与网络层在功能上的最大区别是前者提供进程通信能力，后者则不提供。在进程通信的意义上，网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述的某种标识符。为此，TCP/IP提出协议端口的概念，用于标识通信的进程。为了区分不同的端口，用端口号对每个端口进行标识。端口分为两部分，一部分是保留端口，另外一部分是自由端口。其中保留端口只占很小的数目，以全局方式进行分配，即由一个公认的机构统一进行分配，并将结果公诸于众。自由端口占全端口的绝大部分，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作为保留端口使用。10.5.2用户数据报协议UDP

用户数据报协议UDP建立在IP协议之上，同IP协议一起提供无连接的数据报传输。相对与IP协议，它惟一增加的能力是提供协议端口，以保证进程通信。

UDP由两大部分组成：报头和数据区，如图10.17所示。图10.17UDP报文格式(1)UDP源端口号：指示发送方的UDP端口号，当不需要返回数据时，可将这个字段的值置0。

(2)UDP目的端口号：指示接收方的UDP端口号。UDP将根据该字断的内容将报文送给指定的应用进程。

(3)UDP报文长度：指示数据报总长度，包括报头和数据区总长度。最小值为8，即UDP报头部分的长度。

(4)UDP校验和：该字段为可选项。为0表示未选校验和，而全1表示校验和为0。校验和的可选性是UDP效率的又一体现，因为计算校验和是一个非常耗时的工作，如果应用程序对效率的要求非常高，则可不选此项。

当IP模块收到一个IP分组时，它就将其中的UDP数据报递交给UDP模块。UDP模块在收到由IP层传来的UDP数据报后，首先检验UDP校验和。如果校验和为0，表示发送方没有计算校验和。如果校验和非0，并且校验和不正确，则UDP将丢弃该数据报。如果校验和非0，并且校验和正确，则UDP根据数据报的目的端口号，将其送给指定应用程序等待队列。10.5.3运输控制协议TCP

运输控制协议TCP是运输层的另一个重要协议。它用于在各种网络上提供有序可靠的面向连接的数据传输服务。与UDP相比，TCP最大特点是以牺牲效率为代价换取高可靠的服务。为了达到这种高可靠性，TCP必须检测分组的丢失，在收不到确认时进行自动重传、流量控制、拥塞控制等。1．TCP分组格式图10.18TCP分组格式(1)源端口：标识源端应用进程。

(2)目的端口：标识目的端应用进程。

(3)序号：在SYN标志未置位时，该字段指示了用户数据区中第一个字节的序号；在SYN标志置位时，该字段指示的是初始发送的序列号。

(4)确认号：用来确认本端TCP实体已经接收到的数据，其值表示期待对端发送的下一个字节的序号，实际上告诉对方，在这个序号减1以前的字节已正确接收。

(5)数据偏移：表示以32位字为单位的TCP分组头的总长度，用于确定用户数据区的起始位置。(6)URG：紧急指针字段有效。

(7)ACK：确认好有效。

(8)PSH：Push操作。TCP分组长度不定，为提高传输效率，往往要收集到足够的数据后才发送。这种方式不适合实时性要求很高的应用，因此，TCP提供“Push”操作，以强迫传输当前的数据，不必等待缓冲区满才传送。

(9)RST：连接复位，重新连接。

(10)SYN：同步序号，该比特置位表示连接建立分组。

(11)FIN：字符串发送完毕，没有其他数据需要发送，该比特置位表示连接确认分组。(12)窗口：单位是字节，指明该分组的发送端愿意接收的从确认字段中的值开始的字节数量。

(13)校验和：对TCP分组的头部和数据区进行校验。

(14)紧急指针：指出窗口中紧急数据的位置(从分组序号开始的正向位移，指向紧急数据的最后一个字节)，这些紧急数据应优先于其他数据进行传送。

(15)任选项：用于处理一些特殊情况。目前被正式使用的选项字段可用于定义通信过程中的最大分组长度，只能在连接建立时使用。

(16)填充：用于保证任选项为32bit的整数倍。2．TCP连接建立、拆除

TCP协议是面向字节流的，提供高可靠性的数据传输服务。在数据传输前，TCP协议必须在两个不同主机的传输端口之间建立一条连接，一旦连接建立成功，在两个进程间就建立起来一条虚电路，数据分组在建立好的虚连接上依次传输。

(1)TCP在连接建立机制上，提供了三次握手的方法，如图10.19所示。图10.19TCP三次握手建立连接

两台主机应用进程在传输数据前，建立TCP连接的过程：第一次握手，发端发出连接请求(ConnectRequest)，包括发端的初始分组序号；第二次握手，接收端收到连接请求后，发回连接确认(ConnectConfirm)，包含收端的初始分组序号，以及对发端初始分组的确认；第三次握手，发端向接收端发送连接确认已收到，连接已建立。(2)TCP连接的拆除。由于TCP连接是一个全双工的数据通道，一个连接的关闭必须由通信双方共同完成。当通信的一方没有数据需要发送给对方时，可以使用终止连接(FIN)向对方发送关闭连接请求。这时，它虽然不再发送数据，但并不排斥在这个连接上继续接收数据。只有当通信的对方也递交了终止连接的请求后，这个TCP连接才会完全关闭，如图10.20所示。在终止连接时，既可以由一方发起而另一方响应，也可以双方同时发起。无论怎样，收到关闭连接请求的一方必须使用终止确认(ACK)给予确认。实际上，TCP连接的关闭过程是一个四次握手的过程。图10.20TCP终止连接的过程3．TCP连接的完整通信过程图10.21TCP完整的通信过程10.510.6互联网工作过程10.6.1路由协议路由协议使路由器能够与其他路由器交换有关网络拓扑和可达性的信息。任何路由器的首要目标都是保证网络中所有的路由器都具有一个完整准确的网络拓扑数据库，这样，每个路由器都根据网络拓扑信息数据库来计算各自的路由表。正确的路由表能够提高IP分组正确到达目的地的概率；不正确或不完整的路由表易于导致IP分组不能到达其目的地，更坏的情况是它可能在网络上循环一段较长时间，白白地消耗了带宽和路由器上的资源。

路由协议可以分为域内(Intradomain)和域间(Interdomain)两类。一个域通常又可以被称为自治系统(AS：AutonomousSystem)。AS是一个由单一实体进行控制和管理的路由器集合，采用一个唯一的AS(如AS3)号来标识。域内协议被用在同一个AS中的路由器之间，其作用是计算AS中的任意两个网络之间的最快或者费用最低的通路，以达到最佳的网络性能。域间协议被用在不同自治域中的路由器之间，其作用是计算那些需要穿越不同自治域系统的通路。由于这些自治域系统是由不同的组织管理的，因此在选择穿越AS的通路时，我们所依据的标准将不只局限于通常所说的性能，而且要依据多种特定的策略和标准，如费用、可用性、性能、AS之间的商业关系等。

1．RIPRIP最初是为Xerox网络系统的Xeroxparc通用而设计的协议，是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路由，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路由信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其他信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP通知相邻的其他路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。

RIP使用非常广泛，它简单、可靠、便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络广播风暴的重要原因之一。

2．OSPF协议

20世纪80年代中期，RIP已不能适应大规模异构网络的互连，OSPF随之产生。它是互联网工程任务组织(IETF)的内部网关协议工作组为IP网络开发的一种路由协议。

OSPF是一种基于链路状态的路由协议，需要每个路由器向其同一管理域的所有其他路由器发送链路状态广播信息。在OSPF的链路状态广播中包括所有接口信息、所有的量度和其他一些变量。利用OSPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息，并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。而基于距离向量的路由协议仅向其邻接路由器发送有关路由更新信息。

与RIP不同，OSPF将一个自治域再划分为区，相应地，有两种类型的路由选择方式：当源和目的地在同一区时，采用区内路由选择；当源和目的地在不同区时，则采用区间路由选择。这就大大减少了网络开销，并增加了网络的稳定性。当一个区内的路由器出了故障时并不影响自治域内其他区路由器的正常工作，这也给网络的管理、维护带来了方便。

3．BGP协议

BGP是为TCP/IP互联网设计的外部网关协议，用于多个自治域之间。BGP的主要目标是为处于不同AS中的路由器之间进行路由信息通信提供保证。它既不是基于纯粹的链路状态算法，也不是基于纯粹的距离向量算法。它的主要功能是与其他自治域交换网络可达性信息。在网络启动的时候，不同自治域的相邻路由器(运行BGP协议)之间互相打开一个TCP连接(保证传输的可靠性)，然后交换整个路由信息库。从那以后，只有拓扑结构和策略发生改变时，才会使用BGP更新消息发送。一个BGP更新消息可以声明或撤销到一个特定网络的可达性。在BGP更新消息中也可以包含通路的属性，属性信息可被BGP路由器用于在特定策略下建立和发布路由表。

4．路由协议生成路由表的过程我们以OSPF为例介绍路由表的生成过程，其工作过程如下：

OSPF的目的是计算出一条经过互联网的最小费用的路由，这个费用基于用户可设置的费用量度。用户可以将费用设置为表示时延、数据率、现金花费或其他因素的一个函数。OSPF能够在多个同等费用的路径之间平均分配负载。每个路由器都维护一个数据库，这个数据库反映了该路由器所掌握的所属自治系统的拓扑结构，该拓扑结构拥有有向图表示。

图10.22是一个用6个路由器将5个子网连接起来的互联网示例。网络中的每个路由器都维护一个有向图的数据库，该数据库是通过从互联网的其他路由器上得到的链路状态信息拼凑而成的。路由器使用Dijkstra算法对有向图进行分析，计算到所有目的网络的最小费用路径。图10.22(a)是网络拓扑图，图10.22(b)是网络有向图。在有向图中，每个路由器接口的输出侧都有一个相关联的费用，这个费用可以由系统管理员配置。图10.22(b)中的弧被标记为相应的路由器到输出接口的费用，没有标记费用的弧，其费用为0。从网络到路由器的弧的费用永远为0(这是一个约定)，比如N1到R1、R2、R3，N2到R3，N3到R4、R5、R6，N4到R5以及N5到R6的费用始终为0。图10.22简单互联网络最短路径计算过程(a)网络拓扑图；(b)网络有项图；(c)路由器1的生成树图图10.22简单互联网络最短路径计算过程(a)网络拓扑图；(b)网络有项图；(c)路由器1的生成树图图10.22简单互联网络最短路径计算过程(a)网络拓扑图；(b)网络有项图；(c)路由器1的生成树图

图10.22(c)为路由器1经过运算得到的生成树。需要注意的是，从R1到达N3的路由有两条，分别为R1→R4→N3和R1→N1→R2→N5→N3，两条路由的费用分别为10和14，费用为10的路由被保留下来，另外一条路由则被删除。表10.5路由器R1的路由表10.6.2分组在路由器上的转发当路由器收到一个IP分组时，路由器的处理软件首先检查该分组的生存时间，如果其生存时间为0，则丢弃该分组，并给其源点返回一个分组超时ICMP消息。如果生存期未到，则从IP分组头中提取目的地IP地址。目的IP地址与网络掩码进行屏蔽操作找出目的地网络号，在路由表中按照最长匹配原则查找与其相匹配的表项。如果在路由表中未找到与其相匹配的表项，则将该分组放入默认的网关对应路由的缓冲区排队输出，并向源端返回不可到达信息；如果找到匹配项，则选择最佳路由，进行头校验，TTL减1，封装链路层信息，并将该分组放入下一跳对应输出端口的缓冲区进行排队输出。图10.23是路由器处理IP分组的流程图。图10.23路由器处理IP分组流程图

为了进一步理解路由器转发分组的工作原理，图10.24给出了一个互联网通信的实例。其通信子网的IP编号为、和，路由器1与网络1和网络2直接相连，与网络1相连的端口1的IP地址为，与网络2相连的端口3的IP地址为；路由器2与网络2和网络3直接相连，与网络2相连的端口5的IP地址为0，与网络3相连的端口8的IP地址为。下面我们来看用户A要传送一个数据文件给用户B时每个路由器的工作过程。图10.24路由器转发分组实例

首先用户A把数据文件以IP分组的形式送到默认路由器1，其目的站点的IP地址为。第一步，分组被路由器1接收，通过子网掩码屏蔽操作确定了该IP分组的目的网络号为。第二步，通过查找路由表(通过运行路由协议维护)，路由器1在路由表中找到与其匹配的表项，获得输出端口号为3和下一跳路由器的IP地址为0(指路由器2与网络2相连网络端口的IP地址)。第三步，路由处理软件将该IP分组放入路由器1端口3的发送缓冲区，并将下一跳IP地址递交给网络接口处理软件。第四步，网络接口软件调用ARP完成下一跳IP地址到物理地址(MAC)的映射。在一个正常运行的路由器高速缓存中，保存其相邻路由器端口的IP地址对应的MAC地址，不必每接收一个IP分组都使用ARP来获得下一跳的MAC地址。获得下一跳的MAC地址后，便将原IP分组封装成适合网络2传送的数据帧，排队等待发送。

分组被送到路由器2后，根据目的IP地址确定目的网络号，经过查找路由表获得该目的网络与路由器2直接相连。路由处理软件将该IP分组放入网络端口8的发送缓冲区，并将目的IP地址递交给网络端口处理软件。因为分组到达最后一个路由器，所以需调用ARP获得目的主机的MAC地址，然后对IP分组进行封装，封装后的帧直接发送给目的主机B。10.7Internet基本业务10.7.1电子邮件电子邮件是一种通过Internet与其他用户进行联系的快捷、简便、廉价的现代化通信手段，也是目前Internet用户使用最频繁的一种服务功能。电子邮件系统采用了简单邮件传输协议SMTP，保证不同类型的计算机之间电子邮件的传送。该协议采用客户机/服务器结构，通过建立SMTP客户机与远程主机上SMTP服务器间的连接来传送电子邮件。

1．电子邮件的系统组成电子邮件系统组成如图10.25所示。其中，用户代理负责报文的生成与处理，报文传送代理负责建立与远程主机间的通信和邮件传送。图10.25电子邮件系统组成结构

邮件可能在报文传送代理间直接传送，也可能经中继报文传送代理。当邮件被中继时，整个报文全部传输到中间主机(邮件网关)，然后伺机转发，即使用存储转发技术。在接收主机，邮件被放到输人队列中，然后送到用户邮箱存储区。当用户调用用户代理程序时，用户代理通常显示邮箱中到达邮件的总览信息。用户代理的主要功能有：(1)显示用户邮箱的邮件信息；(2)将接收到的或要发送的报文存放在本地文件中；(3)向用户提示报文的接收者或主题；(4)为用户提供生成报文的编辑器；(5)对接收到的或要发送的报文进行排队和管理。

由于Internet电子邮件系统是建立在面向连接、高可靠的TCP基础上的，因此，其电子邮件非常可靠。

Internet电子邮件使用客户机/服务器模型。

2．电子邮件的工作过程

(1)写信或留便条；

(2)告诉邮件客户程序将信发至某个人或某些人；

(3)客户程序将E-mail发给服务提供者邮件服务器；

(4)邮件服务器使用SMTP(简单邮件传送协议)将邮件在服务器之间传递，邮件在Internet上传递时分成包的形式；

(5)邮件到达目的地服务器；

(6)目的地服务器将邮件放到接收者的邮箱里；

(7)接收者用其邮件客户程序阅读邮件。10.7.2远程文件传输文件传输协议(FTP：FileTransferProtocol)是Internet最早、最重要的网络服务之一。FTP的主要作用是在不同计算机系统间传送文件，它与两台计算机所处的位置、连接的方式以及使用的操作系统无关。

1．FTP模型与电子邮件一样，FTP也采用客户机/服务器方式，其模型如图10.26所示。为了实现文件传送，FTP在客户与服务器间建立了两个连接：控制连接和数据连接。控制连接用于传送客户机与服务器之间的命令和响应。数据连接用于客户机与服务器间交换数据。图10.26FTP客户机/服务器模型FTP使用TCP作为其传输控制协议。

FTP