第三章计算机网络技术基础

1第三章计算机网络技术基础2一、定义

计算机网络的拓扑结构是把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。

网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。网络拓扑结构能够反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作“点”，把它们之间的通信线路画作“线”，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图。

3.1计算机网络的拓扑结构3

不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。二、分类

3.1计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构星型拓扑结构

总线型拓扑结构

环型拓扑结构树型拓扑结构混合型拓扑网状拓扑结构“星-环”式混合型拓扑“星-总”式混合型拓扑

总线型拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共媒体上，公共传输媒体就是总线。其结构如下图所示，任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被所有其他站接收。

1、总线型拓扑结构3.1计算机网络的拓扑结构（1）总线结构所需的电缆长度短，易于布线和维护；（2）总线结构简单，是无源工作，有较高可靠性；（3）易于扩充，增加或减少用户比较方便。

总线型拓扑结构的优点：

（1）总线的传输距离有限，通信范围受到限制；（2）故障诊断和隔离较困难；（3）实时性不强。

总线型拓扑结构的缺点：3.1计算机网络的拓扑结构

星型拓扑结构由中央节点和通过点到点通信链路连接到中央节点的各个站点组成，中央节点执行集中式通信控制策略。因此，星型又称集中型星型拓扑网络采用的交换方式有电路交换和报文交换，其中，尤以电路交换更为普遍。这种结构一旦建立了通道连接，就可以无延迟地在连通的两个站点之间传送数据。其结构如下图所示。2、星型拓扑结构3.1计算机网络的拓扑结构

（1）控制简单。在星型网络中，任何站点只和中央节点连接，因而媒体访问控制方法简单，也导致访问协议十分简单。（2）故障诊断和隔离容易。在星型网络中，中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。（3）方便服务。中央节点可以方便地对各个站点提供服务和对网络提供重新配置。

（4）每个连接只接一个设备。星型拓扑结构的优点：3.1计算机网络的拓扑结构

（1）电缆长度较长和安装工作量大。因为每个站点都要和中央节点直接连接，需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量大。（2）中央节点的负担较重，形成瓶颈效应。一旦发生故障，则全网受影响，因此，对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。（3）扩展困难：要增加新的节点，就要增加到中央节点的连接，这就需要大量的电缆，配置更多的连接点。

星型拓扑结构的缺点：3.1计算机网络的拓扑结构

环形拓扑网络由站点连接站点的链路组成一个全闭环路，其结构如下图所示。每个站点能够接收从一条链路传来的数据，并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另一端链路上，这种链路可以是单向的，也可以是双向的，通常以单向为多见。

3、环型拓扑结构AC3.1计算机网络的拓扑结构

（1）电缆长度短。环型拓扑结构的网络所需的电缆长度与总线型拓扑结构网络相似，电缆长度比较短。（2）增加或减少工作站时，仅需作简单连接。（3）可使用光纤作传输媒体。光纤的传输速率很高，没有电磁干扰，既适合环型拓扑的单方向传输，更适合于双环的两个方向传输。（4）网络的实时性好。环型拓扑结构的优点：3.1计算机网络的拓扑结构

（1）节点故障引起全网故障。因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点，一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。（2）故障诊断困难。这与总线型拓扑结构相似，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，因此，实施起来有困难。（3）网络扩展配置困难。（4）拓扑结构影响访问协议：节点发送数据时，要考虑访问控制协议，必须事先知道传输介质对它是可用的。环型拓扑结构的缺点：

3.1计算机网络的拓扑结构

树型拓扑结构是从总线型拓扑演变而来的，形状像一颗倒立的树，顶端是根，树根以下带分支，每个分支再带分支。由树根接收各站发送来的数据，然后再广播发送到全网。树型拓扑的特点大多与总线型拓扑的特点相同，但也有其特殊之处。4、树型拓扑结构3.1计算机网络的拓扑结构（1）易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都很容易加入网内。（2）故障隔离容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。树形拓扑结构的优点：

3.1计算机网络的拓扑结构

各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。由此可见，树形拓扑结构的可靠性有点类似星形拓扑结构。

树形拓扑结构的缺点：

3.1计算机网络的拓扑结构

5、星型环状拓扑结构“星-环”式混合型拓扑

3.1计算机网络的拓扑结构

（1）故障诊断和隔离较为方便。一旦网络发生故障，只要诊断出哪个集中器有故障，将该集中器和全网隔离即可。（2）易于扩展。要扩展用户时，可以加入新的集中器，也可以在每个集中器留出一些备用的可插入的站点接口。（3）安装电缆方便。网络的主电缆只要连通这些集中器即可。这种安装和传统的电话系统电缆安装很相似。星状环状拓扑结构的优点：3.1计算机网络的拓扑结构

（1）需要选用智能型的集中器。这是为了实现网络故障自动诊断和故障节点的隔离所必需的。（2）像星型拓扑结构一样，集中器到各个站点的电缆安装长度会增加。星状环状拓扑结构的缺点：

3.1计算机网络的拓扑结构18三、拓扑结构的选择原则

拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点：

（1）服务可靠性

（2）网络可扩充性

（3）组网费用高低（或性能价格比）3.1计算机网络的拓扑结构19

数据通信的大体流程客户端浏览器网站网页浏览请求网页请求回应3.2ISO/OSI参考模型应用层

所有能产生网络流量的程序。

word编辑文档、QQ聊天、阿里旺旺。表示层

在数据传输之前是否需要进行加密或者是压缩数据。如网页数据的加密、切割，QQ视频等。

3.2ISO/OSI参考模型GABCEDFDNS服务器交换机交换机服务器2服务器1PC2PC1互联网3.2ISO/OSI参考模型GABCEDFDNS服务器交换机交换机服务器2服务器1PC2PC1互联网会话层

会话1会话23.2ISO/OSI参考模型GABCEDFDNS服务器交换机交换机服务器2服务器1PC2PC1互联网传输层：可靠传输；流量控制；不可靠传输(询问DNS的域名)3.2ISO/OSI参考模型GABCEDFDNS服务器交换机交换机服务器2服务器1PC2PC1互联网网络层：负责选择最佳路径、规划IP地址3.2ISO/OSI参考模型交换机PC2PC101010101010101001校验位开始结束数据链路层

定义了帧的开始和结束、透明传输、差错校验（信号衰竭）但不纠错。3.2ISO/OSI参考模型物理层

接口标准、电气标准、如何在物理链路上传输更快的速度。接口标准：如交换机的接线相统一。电气标准：0伏代表0，50伏代表1等。3.2ISO/OSI参考模型3.2

OSI参考模型(详细版)学习目标

什么是OSI模型？OSI参考模型是如何工作的？每层的功能是什么？学习完本节课，你应该能够掌握：课程内容

物理层：二进制传输数据链路层：介质访问网络层：确定地址和最佳路径传输层：端到端连接会话层：互连主机通信表示层：数据表示应用层：为应用程序提供网络服务OSI参考模型

70年代以来，国外一些主要计算机生产厂家先后推出了各自的网络体系结构，但都属于专用的。为使不同计算机厂家的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO于1981年正式推荐了一个网络系统结构——开放系统互连模型(OpenSystemInterconnectionreferencemodel)OSI/RM,简称OSI。由于这个标准模型的建立，使得各种计算机网络向它靠拢，大大推动了网络通信的发展。“开放”这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。计算机网络的分层模型

一个功能完善的计算机网络需要制定一套复杂的协议集合，对于这种协议集合，最好的组织方式是层次结构模型。这样分层的好处在于：每一层都实现相对的独立功能，因而可以将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。

计算机网络的分层模型

在网络互连中，有两个标准可以考虑：合法的和事实的。合法的意味着用权力或法律建立。事实的意味着用实际的事实建立。尽管没有得到官方或法律上的承认，但TCP/IP为网络协议创建了一个事实标准，尽管它在得到广泛接受之前并没有成为标准。OSI参考模型是一个合法的标准。国际标准化组织(ISO)创建了OSI模型，并在1984年发布，为供应商提供一个网络模型，这样它们的产品可以在网络上协调工作。计算机网络协议网络协议定义：即网络中（包括互联网）传递、管理信息的一些规范。如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规矩一样，计算机之间的相互通信需要共同遵守一定的规则，这些规则就称为网络协议。网络协议三个要素：语法：即数据与控制信息的结构或格式。语义：即需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答。同步：即事件实现顺序的详细说明。

OSI模型概述

传输层数据链路层网络层物理层会话层表示层应用层应用层（高层）高层的功能为处理用户接口、数据格式及应用访问。主要由操作系统实现数据流层（低层）定义了数据如何在网络传输介质之间传送，及数据如何通过网线和网络设备传输到期望的终端OSI参考模型的第4层及其以上各层为高层协议，实现资源子网的功能，其中的实体为进程。实现端到端的通信。下3层协议实现通信子网的功能，其中的实体为网络互联设备和网络通信介质，实现点到点的通信。

OSI模型概述通信子网和资源子网路由器主机网络系统通信线路

通信子网

资源子网L7L6L5L4L3L2L1L3L2L1L7L6L5L4L3L2L1L3L2L1L3L2L1通信子网和资源子网通信子网：由所有通信线路、网络互连设备和相应通信协议软件组成，承担不同主机之间数据传输的任务；资源子网：网络中所有的主机、通信协议和各种应用系统。路由器仅有低3层协议，包含在通信子网中；主机有7层协议，但属于资源子网范围。按各网络单元功能分割76543217654321321321OSI环境网络环境数据通信网计算机A计算机B实系统环境

应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层发送进程接收进程物理层数据链路层网络层主机A主机B路由器路由器物理层数据链路层网络层通信子网物理介质物理介质物理通信

物理通信：是通信进行的真实路径，从发送主机的上层逐层向下传递，经通信介质和通信子网送达目标主机，然后在目标主机中逐层向上传递。物理通信是由主机和网络设备中的逐层通信及通信子网中的逐点通信组合而成，因此物理通信具有间接通信属性。网络通信子系统

应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层发送进程接收进程应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议物理层数据链路层网络层主机A主机B路由器路由器物理层数据链路层网络层通信子网物理介质物理介质逻辑通信网络层协议2链路层协议2物理层协议2逻辑通信：位于不同主机和网络设备中同层通信实体间的对话，对话遵循某一特定协议，且每层协议各不相同；传输层及以上层不同主机通信实体间的逻辑通信是直接点对点的通信，下3层中主机与路由器和路由器与路由器之间的通信也是直接通信，且同层通信协议不尽相同。网络层协议1网络层协议3链路层协议1链路层协议3物理层协议1物理层协议3L7数据L7数据H6L6数据H5L5数据H4L4数据H3L3数据H2T2010101010111111001010101234567L7数据L7数据H6L6数据H5L5数据H4L4数据H3L3数据H2T2010101010111111001010101234567传输媒体信息的流动过程

数据封装和解封装

数据封装：

OSI模型的每一层用其自己的协议与目的设备的相同层进行通信。为了交换信息，每层都使用协议数据单元（PDU）。PDU包括控制信息和用户数据。比如，帧是一个除上层控制信息和数据外还包含了数据链路层控制信息的PDU。将控制信息添加到一个PDU的过程称作封装。当一个层收到PDU时，它为该PDU添加一个头和尾，并将封装后的PDU传送到下一层。添加到PDU上的控制信息将被远端设备的相同层所解读。

数据封装和解封装数据解封装：

当一个远端设备收到一串比特数据时，它将它们传送给数据链路层进行帧操作。当数据链路层收到一个帧时，它完成以下工作：读出同层源设备提供的控制信息，从帧中剥离控制信息，将帧传给上一层，同时执行在帧的控制域给出的指令。这样，将控制信息从PDU剥离的过程就称作解封装。数据封装PPDU传输层数据链路层物理层网络层上层数据上层数据传输层控制信息数据网络层控制信息数据逻辑链路子层控制信息0101110101001000010数据表示层应用层会话层段包比特帧FCSFCS介质访问控制子层控制信息SPDUAPDU数据解封装上层数据逻辑链路控制子层控制信息+网络层控制信息+传输层控制信息+上层数据媒体访问控制子层控制信息网络层控制信息+传输层控制信息+上层数据逻辑链路子层控制信息传输层控制信息+上层数据网络层控制信息上层数据传输层控制信息0101110101001000010传输层数据链路层物理层网络层表示层应用层会话层计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机1向计算机2发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体计算机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机

2计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据H3H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层计算机1向计算机2发送数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层计算机1向计算机2发送数据应用程序数据H5应用程序数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据1、物理层

物理层是OSI参考模型的最低层，与传输媒体直接相连，主要作用是建立、保持和断开物理连接，以确保二进制比特流的正确传输。1、物理层特性(1)机械特征:规定线缆与网络接口卡的连接头的形状、几何尺寸、引脚线数、引线排列方式、锁定装置等一系列外形特征。(2)电气特征:规定了在传输过程中多少伏特的电压代表“1”，多少伏特代表“0”。(3)功能特征:规定了连接双方每个连接线的作用：用于传输数据的数据线、用于传输控制信息的控制线、用于协调通信的定时线、用于接地的地线。(4)规程特征:具体规定了通信双方的通信步骤。物理层主要功能示意图

L2数据10010110101物理层L2数据10010110101物理层从数据链路层到数据链路层传输媒体2、数据链路层

主要负责数据链路的建立、维持和拆除，确保在一段物理链路上数据帧的正确传输，将有差错的物理链路转化成对网络层来说是没有传输错误的数据链路:差错检测和数据流量控制。该层用于建立相邻结点之间的数据传输；它将不可靠的物理信道处理为可靠的通道，使高层不必考虑物理介质的具体特性；该层的数据单元为帧(frame)；IEEE标准将该层又分为介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(

LLC)。物理层只负责传输无结构的原始比特流，是不可靠的。数据链路层将不可靠的物理连接（数据电路）转换成（对网络层来说）可靠的数据链路。为实现转换：首先，必须将物理层的无结构原始比特流划分成一定长度的结构数据单元——帧（frame）其次，对帧进行差错控制（errorcontrol），实现检错/纠错功能。最后，通过合适的流量控制（flowcontrol）协议保证收发双方的传输同步，为网络层提供透明可靠的服务。

2、数据链路层2、数据链路层L3数据L3数据

L2数据L2数据T2T2H2H2到物理层从物理层从网络层到网络层数据链路层数据链路层帧帧数据链路层数据封装示意图3、网络层网络层主要作用是将从高层传送下来的数据分组打包，再进行必要的路由选择、流量控制、差错控制、顺序检测等处理，使数据正确无误地传送到目的端。将网络逻辑地址转换成物理机器地址：IP=>MAC。决定服务质量(如消息的优先权)，从发送者到接收者之间存在多条线路径时,还需要进行路由选择：路由选择。当数据包的大小比数据链路层允许的最大数据帧还要大时,网络层将其分成多个数据段，在接收端负责将多个数据段组合数据包：包的拆分和重组。L4数据L4数据

L3数据L3数据H3H3到数据链路层从传输层到传输层网络层网络层分组从数据链路层分组网络层数据封装示意图

3、网络层4、传输层

传输层的主要作用是为利用通信子网进行通信的两个主机，提供可靠的、透明的端---端多路数据传输服务。本层提供了两个实体之间端对端的通信，掩盖了通信网服务的差别。传输层向高层用户屏蔽了通信子网的细节。该层的数据单元是段（Segment)，该层通常提供两种服务：面向连接的服务和面向无连接的服务。主要协议包括Internet的TCP、UDP，Novell的SPX等。传输层的功能:端对端通信

传输层用于网络内两实体间建立端到端的通信信道用于传输信息或报文分组。传输层不关心路径选择。传输层服务

传输层提供端点间的可靠、透明数据传输、执行端点间的差错检测和恢复、顺序控制流量控制，管理多路复用。4、传输层H4H4H4H4H4H4L4数据L4数据L4数据L5数据L5数据L4数据L4数据L4数据到网络层从网络层从会话层到会话层传输层传输层传输层数据封装及功能示意图

4、传输层5、会话层管理不同主机上各进程间的对话。该层使应用进程之间能够建立、维护会话的连接；会话层可以通知进程之间实现同步通信：管理和控制会话连接会话连接同步数据交换会话交互管理异常报告会话层传送报文为通信的两个进程建立会话连接，进行交换会话管理令牌管理同步管理5、会话层L6数据H5L5数据到传输层从传输层从表示层到表示层会话层L6数据H5L5数据会话层会话层数据封装及功能示意图

6、表示层为上下层之间提供对数据或信息的语法和语义的转换。该层完成某些特定的功能，它提供了一种公共语言，可以使不同类型的计算机相互通信、相互理解；该层还能够提供数据压缩、解压缩的服务，以及加密解密的服务：转换信息的格式和编码数据压缩和数据加密、解密表示层连接管理机制为应用层提供表示连接服务原语表示层信息格式的转换数据的加密和解密OSI内部语法6、表示层L6数据数据的编码、加密和压缩H6L7数据从应用层到会话层表示层L6数据数据的解码、解密和解压缩H6L7数据到应用层从会话层表示层表示层数据封装示意图

6、表示层为应用进程提供访问OSI环境的手段。如文件传输、电子邮件、网络管理等。该层预先定义的完整功能直接面向用户，该层的应用程序有FTP、TELNET、SMTP等：网络完整的透明性用户资源的配置应用管理和系统管理分布式信息服务分布式数据库管理7、应用层L7数据FTPDNSNFS用户应用层到应用层L7数据FTPDNSNFS用户应用层从应用层应用层功能示意图为用户的应用进程访问OSI环境提供服务负责整个网络应用程序一起很好地工作计算机应用程序字处理演示文稿电子表格数据库设计和制造项目计划其他网络

应用程序电子邮件文件传输远程访问客户/服务器处理信息查询网络管理其他7、应用层网络参考模型归纳总结

物理层：完成相邻两个节点间比特流的传输。数据链路层：完成数据链路间的帧的正确传输。为此要完成链路管理、差错控制、流量控制等等功能。网络层：完成端到端的分组的正确传输。为此要完成路由选择、差错控制、拥塞控制等功能。传输层：完成端到端的消息的正确传输。为此要完成分组的排序、流量控制、差错控制等等功能。会话层：完成会话的进程控制。表示层：完成消息的加密、解密；压缩、解压缩；不同系统间格式的转换。应用层：系统与用户间的接口。91

3.3数据传输控制方式3.3.1具有冲突检测的载波侦听多路访问3.3.2令牌传递控制法3.3.2令牌传递控制法3.3.2令牌传递控制法3.3.2令牌传递控制法3.3.3网络交换技术3.3.3网络交换技术通信协议的一个比喻完成的任务－－通信：深圳的老总A要告诉北要京的老总B：货已发出。A用中文写好信；把信交给秘书；秘书把信投进邮筒；邮局根据收信人地址选择好信件的传递路线；把信件打包后交给火车站；火车站负责把信件运输到北京；北京的火车站收到信件后，以后的步骤是什么？B怎