计算机网络原理与应用1

计算机网络原理与应用课程的性质和任务

本课程是信息管理与信息系统的必修课和经济系专业考查课。本课程的任务是使学生掌握计算机网络的基本原理，包括计算机网络的体系结构；数字通信原理；TCP/IP各层的主要协议、工作原理及相关概念、理论和技术；广域网、局域网和Internet网络的相关技术；网络管理和安全相关知识；网络规划方法。课程内容、基本要求（1）第1章概述：

掌握计算机网络的发展过程、协议与体系结构、ISO/OSI参考模型、TCP/IP协议模型网络的分类以及功能等。第2章数据通信

掌握数据通信的基础知识。第3章物理层

掌握物理层的基本概念。第4章数据链路层

掌握数据链路层的基本概念、停止等待协议。第5章局域网

掌握局域网的体系结构、CSMA/CD协议、IEEE802.3标准、非主流的局域网技术、局域网的扩展技术、高速局域网技术、无线局域网技术、局域网的网络操作系统。第6章广域网

掌握广域网的基本概念、广域网中的路由选择机制、路由选择的一般原理。课程内容、基本要求（2）第7章互连网

掌握因特网的网际协议IP、路由选择协议、下一代网际协议IPv6。

第8章运输层

掌握因特网的用户数据报协议UDP、传输控制协议TCP的原理。第9章应用层协议

掌握域名系统DNS、文件传送协议、远程登录TELNET、电子邮件、万维网WWW、网络管理的原理。第10章计算机网络的安全

掌握网络安全概念、常规密钥密码体制、公开密钥密码体制、防火墙等。第11章网络的规划和设计掌握需求和目标的辨别、逻辑网络设计、物理网络设计等。第1章概述

1.1网络在信息时代中的作用1.2什么是计算机网络1.3计算机网络的发展过程1.4因特网的发展概况1.5计算机网络的功能1.6计算机网络的分类1.7计算机网络在我国的发展1.8计算机网络体系结构的形成1.9计算机网络体系结构的相关概念1.10网络体系结构划分层次的重要性1.11OSI的体系结构1.12TCP/IP的体系结构1.13OSI/RM与TCP/IP的比较1.14简化的计算机网络的体系结构1.15客户服务器模式1.1网络在信息时代中的作用21世纪的特征是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。当前世界经济正在从工业经济向知识经济（网络经济、新经济、数字经济）转变。知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化。要实现信息化和全球化，就必须依靠完善的网络。Internet是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开Internet;现在全世界所有的工业发达国家和很多的发展中国家都纷纷研究和制定本国建设信息基础结构的计划。1.2什么是计算机网络两个定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合。利用通信设备和线路将不同地理位置的具有独立功能的多台计算机系统和其他外部设备互连起来，以网络通信协议和功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。计算机网络应当有三个主要的组成部分：若干个主机，它们向各用户提供服务；一个通信子网，它由一些专用的结点交换机和连接这些结点的通信链路所组成；一系列的协议。这些协议是为在主机之间或主机和子网之间的通信而用的。1.3

计算机网络的发展过程网络发展的过程是计算机与通信的融合过程。

1）60年代:以主机为中心的联机终端网络系统（第一代）各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源

终端用户通过I/O串口连到主机上，不具备CPU和主存，它使用主机的CPU和内存为每个用户划分时间片来执行终端用户的应用程序。它不是真正的计算机网络，但它提供了计算机通信的许多基本技术，成为以后发展起来的计算机网络的组成部分。2）70年代：以通信子网为中心的主机互连-分组交换网(第二代)它由通信子网和资源子网组成的。以通信子网为中心，用户通过分组交换网可共享用户资源子网的硬件和软件资源；通信子网：由接口报文处理机IMP和通信线路一起构成，负责主机之间的通信任务，实现信息传输与交换。资源子网：由通信子网互连的主机组成，它负责信息处理、向网络用户提供可共享的软硬件资源。通信线路不为某对通信双方所独占，大大提高通信线路的利用效率。以ARPANET为代表，最先采用崭新的“存贮转发－分组交换”原理。3）80年代：具有层次化体系结构的标准化网络（第三代）计算机网络上的两台计算机相互通信必须高度协调工作才行，这种协调相当复杂。因此，出现了网络模型的分层设计和协议的标准化：1974年IBM宣布其按照分层的方法研制的SNA；1977年ISO开始制定OSI/RM，ISO于84年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型”OSI/RM的国际标准ISO/OSI7498；Internet遵循TCP/IP参考模型。4）90年代：现代网络技术进入20世纪90年代以来微电子技术、大规模集成电路技术、光通信技术和计算机技术不断发展为网络技术的发展提供了有力的支持。网络应用正迅速朝着高速化、无线化、实时化、智能化、集成化、多媒体化、IP化的方向发展。计算机网络的发展既受到计算机技术和通信技术的支撑，又受到网络应用需求的推动。如今，计算机网络从体系结构到实用技术已逐步走向系统化、科学化和工程化。目前的研究内容：在一定的约束条件下如何合理、有效地管理和调度网络资源（如带路、带宽、信息等）．提供适应不同应用需求的网络服务。1.4

因特网的发展概况1969年，美国的分组交换网ARPANET投入运行，使用网络控制协议（NCP）1973年，引进传输控制协议（TCP)1982年，标准化为TCP/IP协议组1983年，TCP/IP取代NCP，作为标准组件嵌入UNIX操作系统1985年，NSF围绕其六个大型计算机中心建立计算机网络，建立了NSFNET(主干网、地区网和校园网)，覆盖全美主要大学和研究所。后来NSFNET接管了ARPANET,并改名为Internet。20世纪90年代,由CERN开发的万维网WWW被广泛使用在因特网上，成为Internet的这种指数级增长的主要驱动力。1996年，155Mbps,622Mb/s(光纤网)1996年10月,克林顿宣布实施“下一代因特网计划”，即“NGI计划”。目标是主干网的速率比现在的因特网高1000倍，端到端的速率要达到100Mbit/s-10Gbit/s。截止到2000年,Internet的规模为网络数105,主机数107,用户数108，主干速率为2.5Gbit/s1.5

计算机网络的功能数据通信：终端与计算机、计算机与计算机之间能够进行通信，互传数据，从而方便地进行信息收集、处理、交换。资源共享：用户可以共享计算机网络范围内的系统硬件、软件、数据、信息等各种资源。网络计算：提供分布处理和均衡计算机负荷的功能，降低软件设计复杂性，提高系统效率。集中控制：通过计算机网络可对地理上分布的系统进行集中控制，对网络资源进行集中的分配和管理。提高系统的可靠性：借助冗余和备份的手段提高系统可靠性。网络新服务：开辟大量新的应用服务项目。

1.6

计算机网络的分类（1）1）按网络的交换功能：

电路交换；报文交换；分组交换；混合交换

2）按网络的拓扑结构：集中式网络(星形网)：所有的信息流必须经过中央处理设备(即交换结点)。若很多个终端较集中配置在某处时，可采用集中器或复用器。分散式网络(非集中式网络):是集中式网络的扩展。它的某些集中器或复用器具有一定的交换功能。分布式网络：是格状网。其中任何一个结点都至少和其他两个结点直接相连，因而其可靠性是最高的。

1.6

计算机网络的分类（2）3）按网络的作用范围广域网WAN(WideAreaNetwork)：作用范围通常为几十到几千公里。也可称为远程网(longhaulnetwork)。局域网LAN(LocalAreaNetwork)：一般通过高速通信线路相连(10Mb/s以上)，但在地理上则局限在较小的范围(如1公里左右)。城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)：作用范围在广域网和局域网之间，作用范围是一个城市，其传送速率比局域网的更高，但作用距离约为5～50km。处理机之间的典型距离处理机所在的范围实例0.1m印刷电路板数据流计算机1m系统多处理机10m房间

100m建筑物局域网、校园网、企业网1km校园

10km城市城域网100km国家广域网1000km国家，洲广域网，互连的广域网1.6

计算机网络的分类（3）4）按网络的使用范围公用网(publicnetwork)一般是国家的电信公司建造的网络。“公用”就是所有愿意按规定交纳费用的人都可以使用。因此公用网也可称为公众网。专用网(privatenetwork)是某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。1.7计算机网络在我国的发展1980年，铁道部开始进行计算机联网的实验，其目的是建立一个为铁路指挥和调度服务的运输管理系统。在20世纪80年代后期，公安、银行、军队等部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。CNPAC分组交换网由3个分组结点交换机，8个集中器和一个双机组成的网络管理中心所组成。1993年9月，建成新的中国公用分组交换网，并改称为CHINAPAC，由国家主干网和各省、区、市的省内网组成。20世纪90年代起，我国陆续建造了基于Internet技术的并可以和Internet互连的四个全国范围的公用计算机网络：中国公用计算机互联网CHINANET，中国金桥信息网CHINAGBN，中国教育和科研计算机网CERNET，以及中国科学技术网CSTNET。据“中国互联网信息中心”统计，截止到2006年1月，我国上网用户总数为11100万，上网计算机达到4950万台。网络国际出口总数达到136,106M。CN下注册的域名数、网站数分别达到1,096,924和694,200个。1.8计算机通信的条件发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。要告诉网络如何识别接收数据的计算机。发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。发起通信的计算机必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作。若计算机的文件格式不兼容，则至少其中的一个计算机应完成格式转换功能。对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个结点交换机出故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。1.9网络体系结构的相关概念（1）网络协议：不同系统中的实体为了能成功地进行通信而应该遵守的共同的约定。或，为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。实体:能接收或发送信息(数据)的任何东西,如用户应用程序；系统：包含一个或多个实体的物理对象,如某台终端计算机。网络协议主要由以下三个要素组成：语法:数据与控制信息的结构或格式；语义:需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种应答；同步:事件实现顺序的详细说明。1.9网络体系结构的相关概念（2）计算机网络的体系结构(architecture)：具有某种特定组织方式的多个协议的集合就称为计算机网络的体系结构。即计算机网络的各层及其协议的集合。计算机网络的体系结构=协议s+组织结构网络体系结构使用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性。目前有多种不同的网络体系结构，但组织结构基本上都是采用分层的方式：IBM的系统网络体系结构SNA；ISO的开放系统互连OSI/RM;Internet的TCP/IP。1.10网络体系结构划分层次的重要性(1)各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样，整个问题的复杂程度就下降了。(2)灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。(3)结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。(4)易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。(5能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。协议层次实例

1.10网络体系结构划分层次的重要性(2)分层时应注意使每一层的功能非常明确。与此同时每一层所要实现下面的一种功能或多种功能：差错控制：使得和网络对端的相应层次的通信更加可靠。流量控制：使得发送端的发送速率不要太快，要使接收端来得及接收。分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。连接建立和释放：在交换数据之前，先交换一些控制信息，以建立一条逻辑连接。当数据传送结束时，将连接释放。1.11OSI/RM的体系结构ISO提出著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。在1983年形成了开放系统互连基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准。它是一个包含7层网络协议的模型。

OSI/RM的各层功能7654321应用层Application表示层Presentation会话层session传输层transport物理层Physical数据链路层DataLink网络层Network处理网络应用数据表示主机间通信端到端的连接寻址和最短路径介质访问（接入）二进制传输物理层(physicallayer)物理层的位置：在物理媒体之上，在数据链路层之下。物理层的主要任务：确定与传输媒体接口的一些特性，以便无差别地利用不同物理媒体来进行数据传输，这些特性为：机械特性电气特性功能特性规程特性物理层的作用：屏蔽掉计算机网络中种类繁多的具体物理设备和传输媒体的差异,向上层(数据链路层)提供一致的服务。协议数据单元：比特数据链路层(datalinklayer)数据链路层的位置：在物理层之上，在网络层之下。数据链路层的主要任务：链路层的连接和释放；数据链路服务数据单元的透明传送；数据单元和服务质量的控制；在链路上为上层提供出错检测和控制。数据链路层的作用：在不可靠的物理线路上进行可靠的数据传输，使其变为一条逻辑传输线路。包括:帧同步、链路管理、差错控制、流量控制。协议数据单元：帧网络层(networklayer)网络层的位置：在数据链路层之上，在运输层之下。网络层的主要任务：路由选择和存储转发通过网络连接在主机之间提供分组交换功能差错控制和流量控制网络层的作用：网络层是通信子网的最高层。对上层用户屏蔽了子网通信的全部细节，如拓扑结构和子网数目等，以向上层提供一致的服务，统一的寻址。网络层的协议数据单元：分组运输层(传输层transportlayer)运输层的位置：在网络层之上，在会话层之下。运输层的主要任务：根据通信子网的特征最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，在源系统和目的系统的会话层之间，建立一条运输连接，以透明的方式传送报文。运输层的作用：为上一层(会话层)提供一个可靠的端到端的服务。协议数据单元：报文会话层(sessionlayer)会话层的位置：在运输层之上，在表示层之下。会话层的主要任务：会话层以上不再参与数据传输，而是管理数据传输。在不同计算机上的两个应用进程之间建立、使用和终止连接，该连接就是所谓的会话。会话层的作用：比如确定该连接是全双工还是半双工，中断的会话从何处重新开始等传送的单位：报文。表示层(presentationlayer)表示层的位置：在会话层之上，在应用层之下。表示层的主要任务：主要解决用户信息的语法表示问题。还涉及数据的压缩和解压、数据的加密和解密表示层的作用：将欲交换的数据从适合某一用户的语法变换为适合于OSI系统内部使用的抽象传送语法。这样就屏蔽了不同应用进程的不同数据表示。传送的单位：报文。应用层(applicationlayer)应用层的位置：在表示层之上，位于整个模型的最高层。应用层的主要任务：应用层是OSI参考模型中的最高层，为用户提供一个OSI的工作环境，为网络用户之间的通信提供专用的程序或协议。如：WWW服务、电子邮件、OICQ聊天、FTP等。应用层的的作用：为用户的应用进程提供网络通信服务；识别并证实目的通信方的可用性；使协同工作的应用程序之间实现同步；判断是否为通信过程申请了足够的资源处理被传送数据的表示问题，即信息的语义。传送的单位：报文。OSI的体系结构中的数据传输演示对等层通信的实质：

对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务实际通信在最底层完成OSI中的相关概念（1）实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议：是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。服务：在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。服务原语：在OSI中上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些的命令OSI中的相关概念（2）服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)：在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方。数据单元DU(DataUnit)：指各层传输数据的最小单位。服务数据单元SDU(ServiceDataUnit)：在同一系统中相邻层与层之间交换的数据的单位。协议数据单元PDU(ProtocolDataUnit)：就是对等实体之间通过协议传送的数据。协议（水平）和服务（垂直）

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。另外，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些能够被高一层看得见的功能才能称之为“服务”。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。面向连接服务和无连接服务在网络中，下层向上层提供的服务有两大类：面向连接服务：是电话系统服务模式的抽象。每一次完整的数据传输都必须经过建立连接、数据传输和终止连接三个过程。在数据传输过程中，各数据包地址不需要携带目的地址，而是使用连接号，连接本质上类似于一个管道。其特点是接收到的数据与发送方发出的数据在内容和顺序上是一致的。无连接服务：是邮政系统服务模式的抽象,其中每个报文带有完整的目的地址，每个报文在系统中独立传送,无连接服务不能保证报文到达的先后顺序，原因是不同的报文可能经下同的路径到达目的地，所以先发送的报文不一定先到。无连接服务不保证报文传输的可靠性。1.12TCP/IP的体系结构TCP/IP参考模型是一种能够对异种网络实现无缝连接的体系结构。它包含了一族网络协议，TCP和IP是其中最重要的两个协议。

TCP/IP参考模型中的各个协议在RFC文档中都有详细的定义。RFC(InternetRequestForComments)是关于因特网协议标准以及建议草案等的介绍，目前数量还在不断增加。

/rfc.htmlTCP/IP的各层功能4321应用层Application传输层transport网络接口层网际层Internet处理网络应用端到端的连接寻址和最短路径(未定义实质内容,由具体物理网络提供相应功能)网络接口层网络接口层(Host-to-networkLayer)，也有翻译成主机-网络层的。在TCP/IP参考模型中并没有详细定义这一层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。具体使用那种协议，在本层里并没有规定。TCP/IP实际并未定义任何数据链路层协议和物理层协议，它可运行在现有的任何一种数据链路层和物理层之上。

网际层网际层(InternetLayer)的主要功能是负责在互连网上传输数据分组。网际层是TCP/IP参考模型中最重要的一层，它是通信的枢纽。从底层来的数据包，要由网际层来选择继续传给其他网络结点或是直接交给运输层；对从运输层来的数据包，要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。在网际层，主要定义了网际协议(IP)以及数据分组的格式。它的主要功能是路由选择和拥塞控制。另外，本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP以及ICMP协议。网际层与OSI参考模型的网络层相对应。运输层运输层(TransportLayer)的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信。它与OSI参考模型的运输层功能类似，也对高层屏蔽了低层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。TCP/IP参考模型的运输层完全是建立在包交换通信子网基础之上的。TCP/IP的运输层定义了两个协议：传输控制协议TCP(TransportControlProtocol)；用户数据报协议UDP(UserDatagramProtocol)。应用层应用层(ApplicationLayer)是TCP/IP协议族的最高层。它包含了所有OSI参考模型中会话层、表示层和应用层这些的高层的协议的功能。到目前为止，互连网络上建在应用层的协议主要有下面几种：电子邮件协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）网络终端协议（TELNET）文件传输协议（FTP）随着计算机网络技术的发展，还不断有新的协议加入。1.13OSI/RM与TCP/IP的比较应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层应用层传输层网络接口(数据链路层+物理层)网际层Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP支持所有标准的数据链路层和物理层协议7654321OSI参考模型TCP/IP概念层次OSI失败的原因OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分也并不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。但ISO和CCITT最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重，而OSI在开始时只强调面向连接服务。TCP/IP有较好的网络管理功能，而OSI到后来才开始考虑这个问题。TCP/IP不足之处TCP/IP的模型对“服务”、“协议”和“接口”等概念并没有很清楚地区分开。因此在使用一些新的技术来设计新的网络时，采用这种模型就可能会遇到一些麻烦。TCP/IP模型的通用性较差，很难用它来描述其他种类的协议栈。TCP/IP的网络接口层严格来说并不是一个层次而仅仅是一个接口，而在这下面的数据链路层和物理层则根本没有。但实际上这两个层次还是很重要的。1.14简化的计算机网络的体系结构OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚。TCP/IP的协议得到了全世界的承认，但它实际上并没有一个完整的体系结构。TCP/IP的体系结构实际上只有三层,下面网络接口层没有什么内容。在学习计算机网络的原理时可采取折衷的办法，即综合OSI和