《现代网络技术教程-自顶向下分析与设计》课件第1章

第1章计算机网络概论1.1计算机网络的产生与发展1.2现代网络技术发展的三大趋势1.3计算机网络基础知识1.4网络体系结构的基本概念习题

1.1计算机网络的产生与发展

1.1.1计算机网络的产生

1．面向终端的计算机通信网

随着远程终端数量的增多，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，在20世纪60年代初，出现了多重线路控制器(MultilineController)，它可和多个远程终端相连接(如图1-1所示)，构成面向终端的计算机通信网，它是最原始的计算机网络(有人称其为第一代计算机网络)。图1-1面向终端的计算机通信网当人们认识到计算机还可用作数据处理时，计算机的用户数量就迅速增长。但是，每当需要增加一个新的远程终端时，上述的这种线路控制器就要进行许多硬件和软件的改动，以便和新加入的终端的字符集和传输速率等特性相适应。通信处理机也称为前端处理机(FrontEndProcessor，FEP)或简称为前端机。前端处理机分工完成全部的通信任务，而让主机专门进行数据的处理。这样就大大地提高了主机进行数据处理的效率。图1-2表示用一个前端处理机与多个远程终端相连的情况。由于可采用较便宜的小型计算机充当大型计算机的前端处理机，因此这种面向终端的计算机通信网就获得了很大的发展。一直到现在，大型计算机组成的网络仍使用前端处理机，而对于目前接入局域网的个人计算机，其使用的接口网卡在原理上就相当于这种前端处理机。图1-2用前端处理机实现的联机系统

2．基于交换的计算机通信网

电路交换技术本来是为电话通信而设计的，对于计算机网络来说，建立通路的呼叫过程太长，必须寻找新的适合于计算机通信的交换技术。1964年8月，Baran(巴兰)在美国Rand(兰德)公司的《论分布式通信》的研究报告中提出了存储转发思想。1962～1965年，美国国防部的高级研究计划ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency)和英国的国家物理实验室NPL

(NationalPhysicsLaboratory)都对新型的计算机通信网进行了研究。

ARPANET的成功运行使计算机网络的概念发生了根本变化。早期的面向终端的计算机网络是以单台主机为中心的星形网(见图1-3(a))，各终端通过电话网共享主机的硬件和软件资源。而分组交换网则实际以网络(通信子网)为中心，主机和终端都处在网络的边缘(见图1-3(b))。主机和终端构成了用户资源子网(以区别于通信子网)，用户不仅共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网丰富的硬件和软件资源。这种以通信子网为中心的计算机通信网被称为第二代计算机网络，它比第一代网络在功能上扩大了很多，成为20世纪七八十年代计算机网络的主要形式。图1-3从以单个主机为中心演变到以通信子网为中心在以分组交换为核心的第二代通信网络中，多台计算机通过通信子网构成一个有机的整体，既分散又统一，从而使整个系统性能大大提高；原来单一主机的负载可以分散到全网的各个机器上，使得网络系统的响应速度加快；而且在这种系统中，单机故障也不会导致整个网络系统的全面瘫痪。

3．计算机网络体系结构的形成

有了网络体系结构，使得一个公司所生产的各种机器和网络设备可以非常容易地被连接起来，这种情况显然有利于一个公司垄断自己的产品。用户一旦购买了某个公司的网络，当需要扩展时，就只能再购买原公司的产品。由于各个公司的网络体系结构各不相同，所以不同公司之间的网络不能互联互通。全球经济的发展使得不同网络体系结构的用户迫切要求能够互相交换信息。为了使不同体系结构的计算机网络都能互联，国际标准化组织(ISO)于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出了一个使各种计算机能够互联的标准框架，即著名的开放系统互联参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，简称为OSI。它将网络划分为七层，并规定了每层的功能(详见1.4节)。OSI/RM参考模型的提出，意味着计算机网络发展到了第三代。

4．局域网的形成

由于微型计算机(微机)的出现和应用的普及，人们迫切需要将众多的微机组成网络，局域网就是在一个有限区域范围内将众多微机连接在一起实现信息交换和信息共享。作为网络的一个重要分支，局域网联网简单，只要在微机中插入一个接口板就能实现联网。由于局域网价格便宜，传输速率高，使用方便，因此在20世纪80年代开始得到了快速发展，特别是微机的大量推广和普及，对局域网的应用起到了极大的推动作用，对当今计算机网络技术的发展产生了重要影响。

5．Internet时代的到来

Internet已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出Internet究竟有多大。特别是21世纪，Internet得到了迅猛发展，成指数级增长趋势。由于Internet存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的Internet不堪重负。美国率先宣布实施“下一代Internet计划”，即“NGI(NextGenerationInternet)”计划。

NGI计划要实现的一个目标是：开发下一代网络结构，以比现在的Internet高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现在的Internet高1000倍的速率连接10个类似的网点。其端到端的传输速率要超过100Mb/s至10Gb/s。另一个目标是使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用，如远程医疗、远程教育、有关能源和地球系统的研究、高性能的全球通信、环境监测和预报、紧急情况处理等。NGI计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时应用保留带宽的能力。1.1.2计算机网络各个发展阶段的特点

第一阶段：计算机网络技术与理论的准备

第一阶段可以追溯到20世纪50年代。这个阶段的特点与标志性成果主要表现在：

(1)数据通信的研究与技术的日趋成熟，为计算机网络的形成奠定了技术基础。

(2)分组交换概念的提出为计算机网络的研究奠定了理论基础。

第二阶段：计算机网络的形成

(1) ARPANET的成功运行证明了分组交换理论的正确性。

(2) TCP/IP协议的广泛应用为更大规模的网络互联奠定了坚实的基础。

(3) DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等应用展现了网络技术广阔的应用前景。

第三阶段：网络体系结构的研究

(1) OSI参考模型的研究对网络理论体系的形成与发展以及在推进网络协议标准化方面起到了重要的推动作用。

(2) TCP/IP协议经受了市场和用户的检验，吸引了大量的投资，推动了互联网应用的发展，成为业界事实上的标准。

第四阶段：互联网应用、无线网络与网络安全技术研究的发展

(1) Internet作为全球性的网际网与信息系统，在当今政治、经济、文化、科研、教育与社会生活等方面发挥了越来越重要的作用。

(2)计算机网络与电信网络、有线电视网络“三网融合”，促进了宽带城域网概念、技术的演变。宽带城域网已经成为现代化城市的重要基础设施之一。接入技术的发展扩大了终端用户设备的接入范围，进一步促进了互联网应用的发展。

(3)无线局域网与无线城域网技术日益成熟，已经进入应用阶段。无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视。

(4) 对等(Peer-to-Peer，P2P)网络的研究使新的网络应用不断涌现，成为现代信息服务业新的产业增长点。

(5)随着网络应用的快速增长，新的网络安全问题不断出现，促使网络安全技术的研究与应用进入高速发展阶段。网络安全的研究成果为互联网应用提供了安全保障。1.1.3互联网应用的高速发展

1993年9月，美国公布了国家信息基础设施(NationalInformationInfrastructure，NII)建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。美国建设信息高速公路的计划触动了世界各国，各国认识到信息产业发展对经济发展的重要作用，很多国家开始制定自己的信息高速公路建设计划。1995年2月，全球信息基础设施委员会(GlobalInformationInfrastructureCommittee，GIIC)成立，目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用。

1.2现代网络技术发展的三大趋势

从技术角度来看，现代网络技术正向着三个趋势发展。第一个发展趋势是从ARPANET向互联网方向发展；第二个发展趋势是无线网络技术，即从无线分组网向无线自组网和无

线传感器网的方向发展；伴随着前两条主线发展的第三个发

展趋势是网络安全技术。图1-4给出了现代网络技术发展趋势示意图。图1-4现代网络技术发展趋势1.2.1从ARPANET到互联网

从ARPANET到互联网这一发展趋势中呈现出以下重要

特点：

(1) ARPANET的研究奠定了互联网发展的基础，而联系二者的是TCP/IP协议。

(2)在从ARPANET演变到互联网的过程中，强烈的社会需求促进了广域网、城域网和局域网技术的研究与应用的发展，而广域网、城域网和局域网技术的成熟与标准化，又加速了互联网的发展进程。

(3) TCP/IP协议的研究与设计的成功，对互联网的快速发展起到了重要的推动作用。从发展趋势来看，今后除计算机和个人手持设备(PDA)之外，手机、固定电话、相机、摄像机以及各种家用电器都会连接到互联网中。

(4)与传统的客户/服务器(Client/Server，C/S)工作模式不同，对等(P2P)工作模式淡化了服务提供者与服务使用者的界限，以“非中心化”的方式使更多的用户身兼服务提供者与服务使用者的双重身份，从而达到进一步扩大网络资源共享范围和深度，提高网络资源利用率，使信息共享最大化的目的，因此受到了学术界与产业界的高度重视，被评价为“改变互联网的新一代网络技术”。新的基于P2P的网络应用不断出现，成为21世纪网络应用重要的研究方向之一。1.2.2从无线分组网到无线自组网和无线传感器网

(1)从是否需要基础设施的角度来看，无线网络可以分为需要基础设施与不需要基础设施两类。802.11无线局域网(WirelessLAN，WLAN)与802.16无线城域网(WirelessMAN，WMAN)属于需要基础设施的无线网络，而无线自组网、无线传感器网属于不需要基础设施的无线网络。

(2)在无线分组网的基础上发展起来的无线自组网(Adhoc)是一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络，它在军事和特殊应用领域有着重要的应用前景。

(3)当无线自组网技术日趋成熟的时候，无线通信、微电子、传感器技术得到快速发展。在军事领域中，人们提出将无线自组网与传感器技术相结合的无线传感器网络技术。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)用于对敌方兵力和装备的监控、战场的实时监视与目标的定位、战场评估、对核攻击和生化攻击的监测，并且在安全、应急、医疗与环境保护等特殊领域有着重要的应用前景。这项研究一出现，立即引起政府、军队和研究部门的高度关注，被评价为“21世纪最有影响的21项技术”之一和“改变世界的十大技术”

之首。

(4)无线网状网(WirelessMeshNetwork，WMN)是无线自组网在接入领域的一种应用。WMN又称为无线网格网。作为对无线局域网、无线城域网技术的补充，WMN将成为解决无线接入“最后一公里”问题的重要技术手段之一。

(5)如果说广域网的作用是扩大信息社会中资源共享的范围，局域网是进一步增强信息社会中资源共享的深度，无线网络是增强人类共享信息资源的灵活性，那么无线传感器网将会改变人类与自然界的交互方式，它将极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。1.2.3网络安全技术

(1)人类创造了网络虚拟社会的繁荣，也制造了网络虚拟社会的问题。网络安全是现实社会的安全问题在网络虚拟社会中的反映。现实世界中真善美的东西，网络虚拟社会中都会有。同样，现实世界中丑陋的东西，网络虚拟社会中也会出现，只是在什么时间点，以什么形式表现的问题，可能表现形式不一样。网络安全技术是伴随着网络技术的发展而发展的，永远不会停止。

(2)现实社会对网络技术依赖的程度越高，网络安全技术就越显得重要。网络安全是网络技术研究中一个永恒的主题。

(3)网络安全技术的发展验证着“魔高一尺，道高一丈”的古老哲理。在“攻击—防御—新攻击—新防御”的循环中，网络攻击技术与网络反攻击技术相互影响、相互制约，共同发展，这个过程将一直延续下去。目前，网络攻击已从当初的显示才能、玩世不恭，逐步发展到经济利益驱动的有组织犯罪，甚至是恐怖活动。

(4)正如现实世界危害人类健康的各种病毒(它只会随着时间演变，不可能灭绝)一样，计算机病毒也会伴随着计算机与网络技术的发展而演变，不可能停止和消失。网络是传播计算机病毒的重要渠道，只要人类存在，就一定存在危害人类健康的病毒。只要计算机和网络存在，计算机病毒就一定会存在。

(5)网络安全是一个系统的社会工程。网络安全研究涉及技术、管理、道德与法制环境等多个方面。网络的安全性是一个链条，它的可靠程度取决于链条中最薄弱的环节。实现网络安全是一个过程，而不是任何一个产品可以替代的。人们在加强网络安全技术研究的同时，必须加快网络法制建设，加强网络法制观念与道德的教育。

1.3计算机网络基础知识

1.3.1计算机网络的定义和功能

1．建立数据通信

利用计算机网络进行数据信息的传递是一种全新的电子传递方式，比现有的其他通信工具有更多的优点，比如它不像电话需要通话者同时在场，也不像广播系统只能是单方向传递信息。在速度上也比其他方式快得多，通过网络还可以传递声音、图像和视频等多媒体信息。

2．实现资源共享

在计算机网络中，有许多昂贵的资源，例如大型数据库、巨型计算机等，要使这些资源为每一用户所拥有，即用户可以共享使用这些资源。共享资源包括硬件资源的共享，如打印机、大容量磁盘等；也包括软件资源的共享，如程序、数据等。资源共享的结果是避免重复投资和劳动，从而提高资源的利用率，使系统的整体性价比得到改善。

3．增加可靠性

在单个系统内，某个资源或计算机的暂时失效将导致系统瘫痪，或者通过替换资源的办法来维持系统的继续运行。但在计算机网络中，每种资源(尤其是程序和数据)可以存放在多个地点，而用户可以通过多种途径来访问网内的某个资源，从而避免了单点失效对用户产生的影响。

4．提高系统处理能力

单机系统的处理能力是有限的，且由于种种原因，各计算机的忙闲程度也不均匀。从理论上讲，在同一个网络系统的多台计算机通过协同操作和并行处理来提高整个系统的处理能力，并使各计算机负载均衡。由于计算机网络具备上述功能，因此得到了广泛的应用。在计算机网络的支持下，银行系统实现异地通存通兑，而且加快资金的流转速度；医疗专家系统的各科医生可以联合为一个病人诊断、治疗；由科学家们组成的各个领域的研究圈通过网络来进行学术交流和研究，及时发表最新的思想和研究成果。1.3.2计算机网络的分类

1.计算机网络分类的基本方法

1)按网络采用的传输技术分类

(1)广播式网络。在广播式网络中，所有联网计算机共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送分组时，其他计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到分组的计算机将检查目的地址是否与本结点地址相同。如果接收分组的目的地址与本结点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。

(2)点对点式网络。在点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过多个中间结点转发。由于连接多台计算机之间的网络结构可能是复杂的，因此从源结点到目的结点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源结点到达目的结点的路由需要用路由选择算法。因此，分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络最主要的区别。

2)按网络覆盖的范围分类

由于网络覆盖的地理范围不同，它们采用的传输技术也就不同，因而形成了不同的网络技术特点和网络服务功能。将计算机网络按照覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同网络类型的技术特征。按照覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为局域网、城域网与广域网。

2.局域网的基本特征

局域网(LocalAreaNetwork，LAN)用于将有限范围内(例如一个实验室、一幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端与外部设备互联成网。按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同，局域网又可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域

之一。

3.城域网的基本特征

城域网(MetropolitanAreaNetwork，MAN)的设计目标是满足几十千米范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输。互联网接入的需求使城域网在概念、涵盖的技术类型与网络层次结构上都发生了重要变化，宽带城域网的概念逐渐取代了传统意义上的城域网。宽带城域网已经成为目前研究、应用与产业发展的一个重要领域。

4.广域网的基本特征

广域网(WideAreaNetwork，WAN)又称为远程网，它所覆盖的地理范围从几十千米到几千千米。广域网可以覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲。广域网将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互联起来，提供各种网络服务，实现信息资源共享。

5.计算机网络的特征

(1)从网络技术发展历史的角度来看，最先出现的是广域网，然后是局域网，有关城域网的研究最初融于局域网的研究范围中。在互联网大规模接入需求的推动下，接入技术的发展导致宽带城域网的概念、技术、结构的演变与发展。

(2)广域网、城域网与局域网的区别主要表现在：设计的目标不同，覆盖的地理范围不同，核心技术与标准不同，组建与管理方式不同。由于局域网、城域网与广域网出现的年代、发展背景以及各自的设计目标不同，因此它们形成了各自鲜明的技术特点。

(3)广域网的作用是扩大信息资源共享的范围，局域网的作用是增加资源共享的深度，城域网的作用是方便地将大量用户计算机接入互联网。1.3.3计算机网络的结构和组成

1.通信子网与资源子网

联网主机主要有两个功能：一是为本地的终端用户提供服务，二是通过通信线路与路由器连接，完成网络通信功能。由通信线路与路由器组成的网络通信系统完成广域网中不同主机之间的数据传输任务。从逻辑功能上来看，计算机网络可以分成两个部分：资源子网与通信子网，如图1-5所示。图1-5通信子网与资源子网

2.互联网的结构与组成

随着互联网的广泛应用，简单的两级结构的网络模型已很难描述现代网络的结构。互联网是一个由大量的路由器将广域网、城域网和局域网互联起来，形成层次复杂、结构在不断变化的网际网。图1-6给出了简化的互联网的网络结构示意图。国际或国家级主干网组成互联网的主干网。图1-6互联网的结构示意图大量的用户计算机通过符合802.3标准的局域网、802.11标准的无线局域网、802.16标准的无线城域网、无线自组网(Adhoc)、无线传感器网络(WSN)、电话交换网(PSTN)或有线电视网(CATV)接入本地的企业网或校园网。企业网或校园网通过路由器与光纤汇聚到作为地区主干网的宽带城域网。宽带城域网通过城市宽带出口连接到国际或国家级主干网。由国际或国家级主干网、地区主干网和大量的企业网或校园网就组成了互联网。国际或国家级主干网与地区主干网连接有很多服务器集群(ServerFarm)，为接入的用户提供各种互联网服务。1.3.4计算机网络分组交换技术

计算机通信最简单的形式是在两个用某种传输介质直接连接的设备之间进行通信，但这是不现实的，通常是要经过有中间结点的网络来把数据从源地发往目的地，以此实现通信。这些中间结点并不关心数据内容，其目的是提供一个交换设备，用它把数据从一个结点传到另一个结点直至到达目的地。如图1-7所示为一个计算机通信的交换网络。图1-7计算机通信的交换网络

1．电话交换

电话交换的通信包括三个阶段，结合图1-7解释如下：

(1)线路建立：通过源站点连接请求完成交换网中对应的所需逐个结点的接续(连接)过程，以建立起一条由源站到目的站的传输链路。例如，A、D间要完成通信，其过程为A向结点4申请，通常从A到4的链路是专用线，结点4在4—1、4—5、4—7三条传输路径中选择一条作为通路，如选择4—5，并在结点4内部建立A—4路径与4—5路径间的连接，依次类推，之后结点5内部建立4—5和5—3路径之间的连接，最后结点3内部建立5—3路径和3—D路径之间的连接，最终完成A—D之间的传输链路为A—4—5—3—D。

(2)数据传输：信号可以从A经建立的链路传送到D，通常为全双工传输。

(3)电路拆除：在完成数据传输后，由源站或目的站提出终止通信，各结点相应拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的结点和信道资源。电路交换具有下列特点：

(1)呼叫建立时间长且存在呼损。在电路建立阶段，在两站间建立一条专用链路需要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中由于交换网繁忙等原因而使建立失败，对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨，这称为呼损。

(2)电路连通后提供给用户的是“透明通路”，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等一致才能完成通信。

(3)一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传播延迟以外，没有别的延迟，在每个结点的延迟是可以忽略的，适用于实时大批量连续的数据传输。

(4)线路利用率低。电路建立、数据传输，直至通信链路拆除为止，链路是专用的，再加上通信建立时间、拆除时间和呼损，其利用率较低。

2．报文交换

在报文交换网中，交换结点通常为一台专用计算机，它有足够的存储，以便在报文进入时进行缓冲存储。结点接收一个报文之后，报文暂时存放在结点的存储设备之中，等输出线路空闲时，再根据报文中所附的目的地址转发到下一个合适的结点，如此往复，直到报文到达目的站。所以报文交换也称为存储转发(StoreandForward)。在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。结点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理，如差错检查和纠错、调节输入/输出速度进行数据速率转换、进行流量控制，甚至可以进行编码方式的转换等，所以报文交换是在两个结点间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机间建立多个结点组成的电路通道。与电话交换相比，报文交换方式不要求交换网为通信双方预先建立一条专用的数据通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程，如图l-7所示。如果主机A要求发送一个报文给主机E，主机A首先将报文发送到结点4；结点4根据报文附加的目标地址选择结点5(或7)为转发这个报文的下一个结点；结点5(或7)接收并存储所收到的报文，当输出线路有空时，把该报文转发到它所选择的下一个结点6；结点6收到报文后交给主机E，完成报文传输。报文交换具有下列特点：

(1)源站A和目标站E在通信时不需要建立一条专用的通路，因此就不需要结点4、5、6或4、7、6同时空闲。

(2)与电话交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延。

(3)线路利用率高，结点间可根据线路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据。

(4)要求结点具备足够的报文数据存放能力，一般结点由微机或小型机担当。

(5)数据传输的可靠性高，每个结点在存储转发中，都进行检错、纠错等差错控制。

(6)由于采用了对完整报文的存储/转发，结点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信(如电话通信)。由于每个结点都要把报文完整地接收、存储、检错、纠错、转发，因此产生了结点延迟，并且报文交换对报文长度没有限制，报文内容过长就有可能使报文长时间占用某两结点之间的链路，不利于实时交互通信。

3．分组交换

分组交换属于“存储/转发”交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”(Packet)为单位进行交换传输。每个分组包含数据和呼叫控制信号，把它作为一个整体加以转接。这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息是按规定的格式排列的分组格式。图1-8给出了报文与分组的结构关系。图1-8报文与分组的结构关系

1)数据报传输分组交换

交换网把进网的任一个分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。如A站将报文分成3个分组(P1，P2，P3)，按序连串地发送给结点4，结点4每接收一个分组都先存储下来，并分别对它们进行单独的路径选择和其他处理过程。例如，它可能将P1报文发送给结点5，P2发送给结点1，P3发往结点7，这种选择主要取决于结点4在处理每一个分组时各链路的负荷情况以及路径选择的原则和策略。由于每个分组都带有地址和分组序列，虽然它们不一定经过同一条路径，但最终都能到达同一目的结点2。这些分组到达目的结点2的顺序也可能被打乱，目的结点2可以负责对分组进行排序和重装，目的站C也可以完成这些排序和组装工作。

2)虚电路传输分组交换

虚电路传输分组交换的主要特点是：所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，存在一个虚呼叫建立阶段和拆除阶段。与电路交换相比，分组交换并不意味着实体间存在像电路交换方式那样的专用线路，而是选定了特定路径进行传输，分组所途经的所有结点都对这些分组进行存储/转发，这是与电路交换的实质上的区别。分组交换方法的优点是对于数据量较大的通信传输率高，分组传输时延短，且不容易产生数据分组丢失；缺点是对网络依赖性大。数据报方式是将一个数据分组当作一份独立的报文看待，每一个数据分组都含有源地址和目标地址信息，交换结点须为每一个数据分组独立地寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，而在网络终点需要重新排序。数据报分组交换的优点是对于短报文数据通信传输效率比较高，对网络故障的适应能力强；缺点是时延大。

图1-9对电话交换、报文交换、分组交换的存储/转发过程进行了比较。图1-9三种交换方式的存储/转发过程比较1.3.5计算机网络的拓扑结构与特点

1．计算机网络拓扑的定义

拓扑学是几何学的一个分支，它是从图论演变过来的。拓扑学是将实体抽象成与其大小、形状无关的“点”，将连接实体的线路抽象成“线”，进而研究“点”、“线”、“面”之间的关系。计算机网络拓扑是通过网络中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络各实体之间的结构关系。拓扑设计是计算机网络设计的第一步，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

2.计算机网络拓扑的分类与特点

基本的网络拓扑有五种：星型、环型、总线型、树型与网状结构。图1-10给出了基本的网络拓扑构型的结构示意图。图1-10基本的网络拓扑构型的结构示意图

1)星型拓扑

图1-10(a)给出了星型拓扑的结构示意图。在星型拓扑结构中，结点通过点对点通信线路与中心结点连接。中心结点控制全网的通信，任何两个结点之间的通信都要通过中心结点。星型拓扑构型的优点是结构简单、易于实现、便于管理；缺点是，由于网络的中心结点是全网性能与可靠性的瓶颈，因此中心结点的故障可能造成全网瘫痪。

2)环型拓扑

图1-10(b)给出了环型拓扑的结构示意图。在环型拓扑结构中，结点通过点—点通信线路连接成闭合环路，环中的数据将沿一个方向逐站传送。环型拓扑结构简单，传输延时确定，但是环中的每个结点与连接结点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中的任何一个结点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。为了方便结点加入和撤出环，控制结点的数据传输顺序，保证环的正常工作，需要设计复杂的环维护协议。

3)总线型拓扑

图1-10(c)给出了总线型拓扑的结构示意图。在总线型拓扑结构中，所有结点连接在一条作为公共传输介质的总线上，通过总线以广播方式发送和接收数据。当一个结点利用总线发送数据时，其他结点只能接收数据。如果有两个或两个以上的结点同时利用公共总线发送数据，就会出现冲突，造成传输失败。总线型拓扑结构的优点是结构简单，缺点是必须解决多结点访问总线的介质访问控制策略问题。

4)树型拓扑

图1-10(d)给出了树型拓扑的结构示意图。在树型拓扑结构中，结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小。树型拓扑可以看成是星型拓扑的一种扩展，树型拓扑网络适用于汇集信息的应用要求。

5)网状拓扑

图1-10(e)给出了网状拓扑的结构示意图。网状拓扑又称为无规则型拓扑。在网状拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律。网状拓扑结构的优点是系统可靠性高。但是，网状拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。广域网一般都采用网状拓扑。

1.4网络体系结构的基本概念

1.4.1网络协议与网络体系结构

1.网络协议

一个网络协议主要由以下三个要素组成：

语法，即数据与控制信息的结构、格式和编码。

语义，即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，即事件实现顺序的详细说明。

由此可见，网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。

2．协议分层

狭义地说，协议分层就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，每个功能层用对应的协议规定其功能，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行数据传递。为了便于理解协议分层的概念，在现实生活中可以找到许多协议分层的思想，这里以邮政送递系统为例进行说明。人们平常写信时，实际上都有信件的格式和内容约定。首先，写信时必须采用双方都懂的语言文字和文体，开头是对方称谓，最后是落款等。这样，对方收到信后，才可以看懂信中的内容，知道是谁写的，什么时候写的等。当然还可以有其他的一些特殊约定，如书信的编号、密写手段等。信写好之后，必须用信封将信件进行封装并交由邮局寄发。寄信人和邮局之间也要有约定，即规定信封写法并贴上邮票。在中国寄信必须先写收信人的地址、姓名和邮编，然后才写寄信人的地址、姓名和邮编。邮局收到信后，要按邮寄地点和信件种类进行分拣和分类，打包并附上标签后，交付有关运输部门进行运输，如航空信交民航，平信交铁路、公路或水路等运输部门。同样，邮局和运输部门之间也有约定，要规定打包标签上的格式，如到站地点、时间、包裹形式等。信件运送到目的地后进行相反的过程，最终将信件送到收信人手中，收信人依照约定的格式才能读懂信件。如图1-11所示，整个过程被划分成三个子系统，即用户子系统、邮政子系统和运输子系统。图1-11邮政系统分层模型为了减少网络设计的复杂性，人们往往按功能将计算机网络划分为多个不同的功能层。网络中同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议。而同一计算机的不同功能层之间的通信规则称为接口，在第N层和第N +

l层之间的接口称为N/(N + l)层接口。协议分层方法将整个网络通信功能划分为垂直的层次后，在通信过程中下层将向上层隐蔽其实现细节。层次的划分应首先确定分层数以及每层应完成的任务，原则上划分时应按逻辑组合功能，既要有足够的层次，以使每层易于处理，但层次也不能过多，以免产生难以负担的处理开销。

3．网络体系结构

为了加深对网络体系结构概念的理解，暂时回避OSI/RM和TCP/IP这些具体协议体系，这里先构造一个原理性的网络体系结构(如图1-12所示)，虽然是原理性的(只有5层)，但它综合了OSI和TCP/IP协议分层的优点，既简明又能将概念阐述清楚。各层的主要功能简述如下。图1-12一个原理性的网络体系结构

1)物理层

物理层的任务就是透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特，它关心的问题是：使用什么样的物理信号来表示数据“0”和“1”；“0”和“1”持续的时间为多长；数据传输是否可同时在两个方向上进行；最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；物理接口(插头和插座)有多少针以及各针的功能。

该层还规定设计物理层接口的机械、电气、功能和过程特性等通信工程领域的一些问题。

2)数据链路层

数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(Frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传送数据时，若接收结点检测到所收到的数据中有差错，就要通知发方重发这一帧，直到这一帧正确无误地到达接收结点为止。在每一帧所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差错控制以及流量控制信息等。

这样，数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路转变成为让网络层向下看起来好像是一条可靠的链路。

3)网络层

在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能要经过许多个结点和链路，也可能还要经过好几个不同的通过路由器互联的通信子网。在网络层，数据的传送单位是分组(或包)，因此要将发送方主机送来的报文分割成若干个分组。网络层的任务就是完成主机间的报文传输；选择合适的路由，使发送方报文能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站。这就是网络层的寻址功能。如果在子网中出现过多的报文，子网可能形成拥塞，因此网络层还要避免拥塞。

4)传输层

传输层的任务是根据下面通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式在两端主机(也就是源站和目的站)的进程之间建立一条传输连接，以透明地传送报文。或者说，传输层为进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端的服务，使它们看不见传输层以下的数据通信的细节。

在通信子网内的各个交换结点以及连接各通信子网的路由器都没有传输层。传输层只能存在于通信子网外面的主机之中。

5)应用层

应用层在体系结构中是最高层。它的任务是确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必需的功能。应用层直接为用户的应用进程提供服务。需要注意的是，应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协议。

图1-13说明了一个应用进程的数据在各层之间的传递过程中所经历的变化。图1-13数据在各层之间的传递过程

假定计算机A的应用进程AP1向计算机B的应用进程AP2传送数据。AP1先将其数据交给第5层，第5层加上必要的控制信息H5就变成了下一层的数据单元。第4层收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H4，再交给第3层，成为第3层的数据单元。依次类推，不过到了第2层(数据链路层)后，控制信息分成两部分，分别加到本层数据单元的首部(H2)和尾部(T2)，而第1层(物理层)由于是比特流的传送，所以不再加控制信息。在OSI参考模型中，在对等层次上传送的数据，其单位都称为该层的协议数据单元(ProtocolDataUnit，PDU)。这个名词现已被许多非OSI标准采用。

当这一串的比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从第1层依次上升到第5层。每一层根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将该层剩下的数据单元上交给更高的一层。最后，把应用进程AP1发送的数据交给目的站的应用进程AP2。可以用一个简单的例子来比喻上述过程。有一封信从最高层向下传。每经过一层就包上一个新的信封。包有多个信封的信传送到目的站后，从第1层起，每层拆开一个信封后就交给它的上一层。传到最高层后，取出发信人所发的信交给收信

用户。

虽然应用进程数据要经过图1-13所示的复杂过程才能送到对方的应用进程，但这些复杂过程对用户来说，却都被屏蔽掉了，以致应用进程AP1觉得好像是直接把数据交给了应用进程AP2。同理，任何两个同样的层次(例如在两个系统的第4层)之间，也好像如同图中的水平虚线所示的那样，将数据(即数据单元加上控制信息)通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(PeerLayers)之间的通信。我们以前经常提到的各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项

规定。

人们将实现网络系统所需的一组协议称为协议栈(ProtocolStack)或协议族(ProtocolSuite)。这是因为几个层次画在一起与堆栈的形式非常相似。1.4.2ISO-OSI参考模型

许多标准化组织积极开展了网络体系结构标准化方面的工作，其中最有权威的就是国际标准化组织ISO提出的开放系统互联参考模型OSI/RM。它的目标是将各种开放式系统连接在一起。

OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构(如图1-14所示)，也就是将前面所讲的原理性体系结构中的应用层再划分为三个层次。这三个层次从上到下的名称是：应用层、表示层和会话层。图1-14TCP/IP与ISO-OSI体系结构的对比

会话层不参与具体的数据传输，但它却对数据传输进行管理。它在两个互相通信的进程之间建立、组织和协调其交互，例如确定是双工工作(每一方同时发送和接收)还是半双工工作(每一方交替发送和接收)。

表示层主要解决用户信息的语法表示。表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法(AbstractSyntax)变换为适合于OSI系统内部使用的传送语法(TransferSyntax)。应用层对应用进程进行了抽象，它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。1.4.3

TCP/IP参考模型

TCP/IP协议体系分为四个层次(如图1-14所示)。由于TCP/IP协议集中没有考虑具体的物理传输介质，因此在TCP/IP的标准中并没有对数据链路层和物理层做出规定，而只是将最低的一层取名为网络接口层，规定了与物理网络的接口。这样，如果不考虑网络接口层，那么TCP/IP体系实际上就只有三个层次：应用层、传输控制层和网络互联层。

TCP/IP的最高层是应用层。在这层中有许多著名协议，如远程登录协议TELNET、文件传送协议FTP、简单邮件传送协议SMTP等。

再往下的一层是TCP/IP的传输层，也叫做主机到主机层。这一层可使用两种不同的协议：一种是面向连接的传输控制协