第1章 计算机网络技术基础

、F4--

计算机网络技术在现代社会发展中的作用

21世纪一个重要特征是：数字化、网络化与信息化；

它的基础是支持全社会的、强大的计算机网络；

计算机网络是当今计算机学科中发展最为迅速的技术

之一，也是计算机应用中一个空前活跃的领域；

计算机网络正在改变着人们的工作方式、生活方式与

思维方式；

网络技术发展与应用已成为影响一个国家与地区政治、

经济、军事、科学与文化发展的重要因素之一。J

2

A

、力▲、▲

为什么网络会对人类社会生活中产生如此重

大的影响？

社会学家指出：人类社会的生活方式与劳动方式从根

本上说具有群体性、交互性、分布性与协作性；

・计算机网络的出现使人类这样一种本质的特征得到了

充分的体现；

计算机网络的应用可以大大地缩短人与人之间的时间

与空间距离，更进一步扩大了人类社会群体之间的交

互与协作范围；

人们会很快地接受在计算机网络环境中的工作方式；

3

、/▲—

网络技术是多学科交叉的产物，也是一门基

础性课程

计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透、密切

结合而形成的一门交叉科学；

计算机网络已经成为计算机应用和软件编程的基本环

境；

计算机网络教学已经成为计算机专业的一门基础性的

课程，很多课程的学习建立在学生掌握了网络知识的

基础上。

___________________________________________________>

4

课程的性质、作用和教学目标

本课程是计算机专业的专业基础课，教学目标

是通过讲授计算机网络和通信的基础知识、传

统局域网络、广域网、高速网络技术、

Internet技术及网络管短等，使学星掌握计算

机网络的基本技术，为以后的组向技未、网络

编程、网络安全、网络数据库等课程打下基础。

教学时数：40（理论）+24（实验）

5

本章教学目标

•了解计算机网络的定义和分类

•认识计算机网络的拓扑结构

•了解计算机网络的组成

•掌握OSI参考模型

•掌握TCP/IP协议

•理解网络体系结构

了解计算机网络的发展趋势

6

1.1计算机网络概述

计算机网络是计算机技术与通信技术相互

渗透、密切结合而形成的一门交叉科学；

•两种技术在发展过程中不断地相互促进和

相互结合，导致了网络的飞速发展。

7

1・1・1计算机网络的定义和分类

1.计算机网络定义

由两台以上具有独立操作系统的计算机连

在一起，通过传输介质和网络设备连接组

成的相互共享软硬件资源的集合体。

8

1.1.1计算机网络的定义和分类

2.计算机网络分类

•按网络的地理位置分类

•按网络的拓扑结构分类

•按传输介质分类

•按通信方式分类

•按网络使用的目的分类

•按服务方式分类

9

1.1.1计算机网络的定义和分类

(1)按网络的地理位置分类

•局域网(LAN)

广域网(WAN)

城域网(MAN)

10

局域网（LAN）

•是将较小地理区域内的计算机或终端设备

连接在一起的通信网络。

•特点：

•覆盖的地理区域比较小，20km以内；

传输速率高，1Mbps-10Gbps；

•误码率低；

•拓扑结构简单，常用：总线型、星型、环型；

局域网通常归属一个单一的组织管理。

11

广域网（WAN）

•是在一个广阔的地理区域内进行数据、语

音、图象信息传输的通信网。

•特点：

•覆盖的地理区域大；

•广域网连接常借用公用网络；

传输速率比较低，64Kbps-2Mbps；

•网络拓扑结构复杂。

_________________________________________7

12

城域网（MAN）

是一种大型的LAN,覆盖范围介于局域网

和广域网之间。即,覆盖范围在一个城市

内。

13

广域网、城域网、接入网以及局域网的关系

广域网

城域网一城域网

/\、

接入网接入网接入网接入网接入网接入网

III」」」

___、___、

局域网校园网企业网局域网

14

1.1.1计算机网络的定义和分类

(2)按网络的拓扑结构分类

・总线型网络

环型网络

•星型网络

・树型网络

网状网络

15

1.1.1计算机网络的定义和分类

(3)按传输介质分类

•双绞线网

同轴电缆网

・光纤网

无线网

16

1.1.1计算机网络的定义和分类

(4)按通信方式分类

点对点传输网络

广播式传输网络

17

1.1.1计算机网络的定义和分类

(5)按网络使用的目的分类

共享资源网

数据处理网

数据传输网

___________________7

18

1.1.1计算机网络的定义和分类

(6)按服务方式分类

・客户机/服务器网络

•对等网

19

1.1.2计算机网络的发展

第一阶段：20世纪50年代

数据通信技术的研究与发展

第二阶段：20世纪60年代

ARPANET与分组交换技术的研究与发展

第三阶段：20世纪70年代

网络体系结构与协议标准化的研究；广域网、局域

网与公用分组交换网的研究与应用

第四阶段：20世纪90年代

Internet技术的广泛应用；网络计算技术的研究与发

展；宽带城域网与接入网技术的研究与发展；网络与

信息安全技术的研究与发展

20

1.1.2计算机网络的发展

(1)面向终端的计算机通信网

——第一代计算机网络。

图一以单计算机为中心的远程联机系统

21

A

1.1.2计算机网络的发展

主要特点:

是终端到计算机的连接，而不是计算机到计算机

的连接。即“终端一通信线路一计算机”系统。

主机负担太重。终端设备没有自处理的功能，多

个终端共同使用一台主计算机，主计算机既要处

理通信功能，又要处理作业，它的负担过重。

__________________7

22

1.1.2计算机网络的发展

(2)多个主计算机通过通信线路互连的计

算机网络——第二代计算机网络。

图一计算机-计算机网络

23

1.1.2计算机网络的发展

主要特点：

是计算机到计算机的连接，即“计算机——计

算机”系统。

•是分布式系统，而不是集中式系统。

•从逻辑上被划分为通信子网和资源子网。

_________________________________7

24

1.1.2计算机网络的发展

(3)有统一的网络体系结构，遵循国际标准化

协议的计算机网络—第三代计算机网络。

主机I线岗按电隅I——F\

25

1.1.2计算机网络的发展

存在的弊病：各自研制的网络没有统一的

网络体系结构，难以实现互联

•造成自成体系的系统：“封闭”系统

ISO颁布的OSI参考模型：开创了一个具有

统一的网络体系结构、遵循国际标准化协

议的计算机网络新时代

26

1.1.2计算机网络的发展

（4）高速网络技术一一第四代计算机网络

时期。

•网络传输介质的光纤化，信息高速公路的建设

多媒体网络及宽带综合业务数字网的开发和应

用

高速以太网、FDDI（光纤分布式数据接口）、

帧中继、ATM（异步转移模式）等等

___________________7

27

1・1・3计算机网络的功能

、数据通信

2、资源共享

3、远程传输

4、分布式处理

5、均衡负载

6、数据信息的集中和综合处理

__________________________________________________________________7

28

A

1.1.3计算机网络的功能

办公自动化OA

•电子数据交换EDI

远程交换、远程教育DE、电子银行EB、电子公

告板系统BBS

•校园网

•信息高速公路

智能大厦和结构化综合布线

•电子邮件、网络电话、远程医疗、电子商务

、•Internet

29

A

1-2网络的拓扑结构

网络的拓扑结构：是计算机网络结点和通信链

路所组成的几何形状。

常用的网络拓扑结构有如下几种：

・总线形结构

•环形结构

•星形结构

•树形结构

•网状结构

____•__混__合__形__结__构________________________________>

30

1・2.1总线形网络结构

总线形网络是将若干个节点平等地连接到

一条高速公用总线上的网络。

00

0。0

____________J

31

1.2.1总线形网络结构

总线形结构的优点：

•结构简单，易于安装，易于扩展；

•共享能力强，便于广播式传输；

局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但总

线出现故障，则影响整个网络；

总线结构所M缆数量少，费用低。

_____________________7

32

1.2.1总线形网络结构

•总线形结构的缺点：

•故障诊断和隔离较困难：因为总线拓扑网络不是集中控

制，故障检测需在各个结点进行，故障检测不很容易；

•若故障在结点：将该结点从总线上去掉；

•若故障在传输媒体：整个这段总线要切断。

•分布式协议不能保证信息的及时传送，不保证实时功能；

•系统范围受到限制：同轴电缆的工作长度一般在2Km以

内，在总线的干线基础上扩展长度时，需使用中继器扩

展附加段。

___________________________________________________J

33

1・2・2环形网络结构

环形结构的网络指网络中的每个节点均与

下一个节点连接，最后一个节点与第一个

节点连接，构成一个闭合的环路。

34

1.2.2环形网络结构

环形结构的优点：

•各工作站间无主从关系，结构简单；

信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好;

两个结点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择；

•电缆长度短，环型拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑

网络相似，但比星型拓扑网络耍少得多；

可使用光纤，传输速度事；。

35

1.2.2环形网络结构

•环形结构的缺点：

•可靠性若，任何线路或结点的故障，都有可能

引起全网故障；

’故障检测困难，与总线拓扑相似，因为不是集

中控制，故障检测需在网上各个结点进行，故

障的检测就不很容易；

•扩展性差；

•当负载轻时，信道利用率低。

________________________________________________>

36

1.2,3星形网络结构

任何两节点之间的通信都要通过中心节点

进行转发，中心节点通常是集线器。

37

1.2,3星形网络结构

•星形结构的优点：

•控制简耳：任何一个站点只与中心结点相连，

因而媒体访问控制的方法很简单，协议也简单；

・方便服务：中心结点可方便地对各个站点提供

服务和网络重新配置，所以中心结点的可靠性

基本上决定了整个网络的可靠性；

•易实现结构化布线；

•易扩充，易升级。

____________)

38

1.2,3星形网络结构

•星形结构的缺点：

•电缆长度和安装工作量可观：因为每个站点都

要和中心结点直接连接，需要耗费大量的电缆。

安装维护的工作量大；

・中心结点的负担，易形成瓶颈，一旦出现故

障，会导致全网瘫痪，因而中心结点的可靠性

和冗余度方面的要求很高；

•各结点的分布处理能力较少。

__________________7

39

1-2.4树形网络结构

是星形的扩展，分层结构，有根结点和各

分支结点；属集中控制；适用于分级管理

和控制系统。

集线器

集线需

集线给

集线器

40

A

1-2.4树形网络结构

•树形结构的优点：

•易于扩展：从本质上讲，这种结构可以延伸出

很多分支和子分支，这些新结点和新分支都很

容易地加入网内；

•故障隔离较容易，可靠性高：如果某一分支的

结点或线路发生故障，很容易将故障分支和整

个系统隔离开来。

__________________7

41

1-2.4树形网络结构

•树形结构的缺点：

・各环节对根的依赖性太大，如果根发生故障，

全网则不能正常工作，与星型相似；

•结构比星型复杂，数据在传输中要经过多条链

路，时延较大。

__________________7

42

1.3计算机网络的组成

计算机网络从逻辑功能上分为：资源子网和通

信子网两部分

43

1.3计算机网络的组成

拥有资源的用户主机

提供访问网络和

r资源子网Y请求资源的用户终端I

I处理数据的能力

I通信子网接口设备和软件J

L结点交换机（交换）"提供网络通信功能，

1通信子网Y»完成主机之间的数据

〔高速通信线路（传输）-

传输、交换控制和变

换等通信任务

44

1.3.1网络软件

为了协调系统资源，系统需要通过软件工

具对网络资源进行全面的管理、调度和分

配。

•网络协议和协议软件

网络通信软件

•网络操作系统

网络管理及网络应用软件

45

1.3.2网络硬件

计算机网络系统的硬件基础。

•线路控制器LC

•通信控制器CC

•通信处理机CP

•前端处理机FEP

•集中器&多路选择器

・主机

____•__终__端_________________________________________>

46

1.4计算机网络的体系结构

1.4.1网络体系结构的概念

1.4.2OSI参考模型

143TCP/IP协议模型

1.4.4OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较

___________________7

47

1.4.1网络体系结构的概念

大多数计算机网络采用层次式结构。将一

个计算机网络分为若干层次，处在高层次

的系统利用较低层次的系统提供的接口和

功能，而不需了解低层实现改功能所采用

的算法和协议，较低层次也仅使用从高层

传送过来的参数，体现了层次间的无关性。

_________J

48

1.4.1网络体系结构的概念

1.层次结构

为减少协议设计和实现的复杂程度，通常将网

络协议按照层次设计方法进行设计形成分层结

构；

分层便于抽象，易于交流理解，有助于标准化，

便于分工并行协作开发；

每层完成一组特定的、独立的、明确的功能集

合；

•每层只与上下层有接口。

________________________________________>

49

1.4.1网络体系结构的概念

划分层次的必要性

•相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作

才行，而这种“协调”是相当复杂的。

“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干

较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比

较易于研究和处理。

O

O

/由大化小>

J由小化无

50

1.4.1网络体系结构的概念

层数多少要适当

若层数太少，则层间功能的划分会不明确,

多种功能混杂在一层中，造成每一层的协

议太复杂。

若层数太多，则体系结构过于复杂，各层

组装时的任务要变得困难。

•层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应

尽可能少。

51

1.4.1网络体系结构的概念

2.协议

网络中互连的计算机要进行数据交换，必

须遵守事先约定好的规则，即为进行网络

中数据通信而建立的规则、标准或约

定——网络协议。

___________________7

52

1.4.1网络体系结构的概念

•协议的三要素：

•语法：指数据或控制信息的格式、数据编码等。

•语义：指控制信息的内容，需要做出的动作及

响应。

・时序：事件先后顺序和速度匹配。

___________________7

53

1・4・1网络体系结构的概念

3.网络体系结构

•计算机网络的各层及其协议的集合。

网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络

体系结构；

网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进

行了精确的定义；

IBM公司SNA,Digital公司DNA,ARPANET参考

模型ARM都采用层次结构

_________________________________7

54

1.4.1网络体系结构的概念

4.有关标准化组织

•ANSI：美国国家标准协会

•ITU：国际电信联盟

•EIA：电子工业协会

•IEEE：电气和电子工程师协会

ISO：国际标准化组织

55

1.4.2OSI参考模型

•开放系统互连参考模型

国际标准化组织ISO制定了开放式系统互连OSI参

考模型

OSI参考模型的目的——方便计算机系统的互连。

凡遵守OSI标准的系统可以互连，彼此能开放式地

进行通信。

•OSI参考模型共有七层：物理层、数据链路层、网

络层、传输层、会话层、表示层、应用层。书P14

图1-9。

_________J

56

A

1.4.2OSI参考模型

LOSI的服务原语

服务用户与服务提供者之间要进行交互，交互的信息称

为服务原语。

•如：

请求：表示某实体希望开始调用服务做事。

指示：表示某实体被通知有事件发生。

响应：表示某实体对事件做出响应。

•确认：表示对发回响应的确认。

•服务原语由原语名字、原语类型和原语参数组

____成___。_________________________________________________>

57

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(1)物理层

/利用传输介质为通信的网络结点之间建立、

管理和释放物理连接；

/实现比特流的透明传输，为数据链路层提

供数据传输服务；

物理层的数据传输单元是比特。

58

A

1.4.2OSI参考模型

物理层的主要任务——描述为确定与传输媒

体的接口的一些特性。

接口电缆接口电缆

DTE/DCE接口DTE/DCE接口

59

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(1)物理层

・机械特性

•电气特性

・功能特性

规程特性

_________J

60

机械特性

规定接口所用接线器的形状、几何尺寸、引线

数目和排列方式、固定和锁定装置等。

OOOOO

OOOO

■如规定：25芯接头、34芯、9芯；固定螺丝中

心之间的距离；引脚分上下排列等。

61

电气特性

DTE与DCE之间有多条信号线，除地线外,

每条信号线都有其发送器和接收器。电气

特性规定了这些信号的连接方式、发送器

和接收器的电气参数。如：阻抗、电压范

围等。

62

功能特性

对接口连线的功能给出确切的定义。

63

规程特性

使用接口线实现数据传输的操作过程，即

在物理连接的建立、维持和解释时，

DTE/DCE双方在各电路上的动作序列。

64

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(2)数据链路层

，在物理层提供的服务基础上，数据链路层

在通信的实体间建立数据链路连接；

/传输以“帧”为单位的数据包；

,采用差错控制与流量控制方法，使有差错

的物理线路变成无差错的数据链路。

65

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(3)网络层

/通过路由选择算法为分组通过通信子网选

择最适当的路径；

,为数据在结点之间传输创建逻辑链路；

实现拥塞控制、网络互连等功能。

66

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

⑷传输层

向用户提供可靠端到端(end-to-end)服务；

处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些

关键传输问题；

传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是

计算机通信体系结构中关键的一层。

67

A

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(5)会话层

，负责维护两个结点之间的传输链接，以便

确保点-点传输不中断；

管理数据交换。

68

A

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(6)表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表

示方式；

/数据格式变换；

/数据加密与解密；

/数据压缩与恢复。

__________7

69

1.4.2OSI参考模型

2.OSI模型各层功能简介

(7)应用层

,为应用程序提供了网络服务；

/应用层需要识别并保证通信对方的可用性,

使得协同工作的应用程序之间的同步；

,建立传输错误纠正与保证数据完整性的控

制机制。

70

A

1.4.2OSI参考模型交换单

元名称

应用协议APDU

表示协议PPDU

会话协议SPDU

传输协议

TPDU

分组

帧

比特

通信子网协议主机B

物窥官主筑勒山嚣山欣

数据链路层主机-路由器协议通信子网边界

网络层主机-路由器协议

71

OSI环境中的数据传输过程

逆送进程）③收进省）

应用层应用协议一AH数据---------►应用层1

垢K层表示协议TPH数据---------►表不层

会话层会话协议一SH---------►会话层

传输层传轴协议•TH---------►传输层

网络层网络协议一NH数据---------►网络层

数据链路层V---D------H-数据DT---------►数据链路层

物理层----------bits----------物理层

土际数据传输路杼

72

两种国际标准

法律上的国际标准OSI并没有得到市

场的认可。

非国际标准TCP/IP现在获得了最广

泛的应用。

TCP/IP常被称为事实上的国际标准。

73

A

1.4.3TCP/IP协议模型

1.TCP/IP参考模型的发展

在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；

1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；

80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进

一步的研究；

TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是

版本4、版本5与版本6；

•目前我们使用的是版本4,一般被称为IPv4；

IPv6被称为下一代的IP协议。

74

1.4.3TCP/IP协议模型

2.TCP/IP参考模型层次及其功能

应用层(applicationlayer)

传输层(transportlayer)

互连层(internetlayer)

主机■网络层(host-to-networklayer)

_________J

75

主机-网络层

TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP

数据报；

允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例

如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧

中继、ATM协议等；

当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认

为是这一层的内容；

充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为

TCP/IP的成功奠定了基础。

________76>

互连层

•相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；

处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；

IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”

服务的网络层协议。

____________)

77

传输层

主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实

体间建立用于会话的端-端连接；

•传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；

•用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。

_________J

78

应用层

网络终端协议Telnet

•文件传输协议FTP

•简单邮件传输协议SMTP

•域名系统DNS

•简单网络管理协议SNMP

超文本传输协议HTTP

_________J

79

1.4.4OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较

OSI的体系结构TCP/IP的体系结构

Z7/

7

应用层/应用层

6表不层（各种应用层协议如

/TELNET,FTP,

5会话层

/SMTP等）/

4运输层

/运输层（TCP或UDP）/

3

网络层/互连层/

2数据链路层

/主机一网络层

1物理层

/

80

对OSI参考模型的评价

层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示

层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入;

OSI参考模型将“服务”与“协议”的定义结合起来，

使得参考模型变得格外复杂，实现困难；

寻址、流控与差错控制在多个层都重复出现，降低系统

效率；

数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被

忽略了；严格按照层次模型编程的软件效率很低。

___________________7

81

对TCP/IP参考模型的评价

在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好

的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考

模型不适合于其它非TCP/IP协议族；

TCP/IP参考模型的主机•网络层本身并不是实际

的一层；

•物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，

但是TCP/IP参考模型却没有做到这点。

___________________7

82

五层协议的体系结构

•TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运

输层、互连层、主机一网络层

•最下面的主机一网络层并没有具体内容

•因此往往采取折中的办法，即综合OSI和

TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议

的体系结构。

83

五层协议的体系结构

7

5应用层・应用层(applicationlayer)

/

4运输层・运输层(transportlayer)

/

3网络层•网络层(networklayer)

/

•数据链路层

2数据链路层(datalinklayer)

/

•物理层(physicallayer)

1物理层

84

85

86

87

88

89

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

/________/

APAP

__1_2

55

Z

44

33

2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

1

II_____/

匚七^二>物理传输媒体=>~~EF

90

91

92

93

94

A

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

Z_______/

AP1AP2

___7

应用层剥去首部，取出应用程序数据

5

z上交给应用进程

44

z

33

/

22

z

11

2-

95

计算机1向计算机2发送数据

计算机1