第三计算机通信网-

第三章计算机通信网

13.1概述

3.1.1计算机网络的定义1.广义的观点计算机技术与通信技术相结合，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统2.资源共享的观点以能够相互共享资源的方式连接起来，并且各自具有独立功能的计算机系统的集合3.对用户透明的观点存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它来调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个在原计算机系统一样对用户是透明的23.1.2计算机网络的组成

计算机网络的基本功能是数据处理与数据传输（包括交换）。因此，在结构上形成了与之相应的两部分。计算机和终端负责数据处理，通信控制处理机CCP和通信线路负责数据传输和交换。在逻辑功能上，由两个子网构成，即资源子网和通信子网，如下图所示。3计算机网络结构

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资源子网主要由计算机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源和数据资源等组成。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。主计算机（Host）终端设备通信子网主要由网络通信控制处理机、通信线路及其它通信设备组成。其功能是进行全网的数据传输、交换及通信控制等通信处理工作。通信子网有三种组织形式：（1）结合型、（2）专用型、（3）公用型。通信控制处理机通信线路5

3.2计算机网络体系结构与协议

3.2.1基本概念

计算机网络的功能是为实体提供通信联系。实体可以是客观存在的物体，也可以是通信联系所涉及到的内容。例如应用进程、文件传送模块、用户应用程序等。一个计算机网络由多个实体构成，它包括有多个连接节点，节点之间要不断地交换数据和各种控制信息。为了使网络有条不紊地工作，每个节点都必须遵守一些事先约定好的规则，规定交换数据的格式、时序等。这些为网络进行数据交换而建立的规则、约定或标准称为计算机网络协议。6

一个功能完备的计算机网络系统需要制定一套复杂的协议集，组织复杂的计算机网络协议的最好方式是层资结构模型。我们将计算机网络的层次结构模型和分层协议的集合定义为计算机网络体系结构。对于网络体系结构，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型(OSIRM)，它是一个分层结构模型。所谓分层就是从物理连接到具体应用时，将全部问题分成许多小的模块来解决，自下而上分成若干层，每层都使用由较低层提供的有意义的服务，同时该层又为较高层提供所定义的服务，高层依靠低层交换数据。73.2.2OSI参考模型各种网络服务功能是十分复杂的。为使设计简单化，可将它们划分成较为简单的功能逐步完成，这就是分层的概念。划分层次的原则是：（1）网中各节点相同的层次具有相同的功能。（2）同一节点内部相邻层之间通过接口通信。（3）每层使用下一层提供的服务并向其上层提供服务。（4）不同节点的对等层按照协议实现的通信。ISO将全部通信功能划分为七个层次。该模型中，低三层属于通信子网的功能范畴。高三层属于资源子网的功能范畴，传输层起着衔接高层和低层的作用。8

OSI参考模型结构

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分层结构具有如下特点：（1）一个节点的各层只能与相邻上下层通信，不能跨层通信。（2）物理层是网络中各节点的直接接口。（3）节点中各层都有自己的协议，而且这些协议是互相独立的，各层的功能任务也是十分明确的。10

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物理层是设备之间的物理接口，该层规定了标准的机械、电气、功能和规程的特性，以便在数据链路层实体之间建立、保持和拆除物理连接。数据链路层实体通过接口将信息传递给物理层，在物理层提供的协议、介质接口和功能的共同作用下，将接收的比特流按位串行传输的顺序通过物理介质传送到另一个数据链路层实体。数据链路层为网络层实体之间建立、保持和拆除一条或多条数据链路提供功能性和规程性的手段。它把数据按帧的格式组织起来，把物理层传输比特流的功能加强，使之对网络层提供一条无差错的线路。为了可靠的进行传输帧，按顺序送达目的地址，它在链路上要进行差错控制、流量控制和顺序控制13

数据链路层协议主要有二种：一种是面向字符型协议，它主要用于早期主机与终端之间的通信，传输时以字符为单位，采用异步方式。另一种是面向位（bit）协议，主要以帧为单位进行传送，以HDLC（High-levelDataLinkControl）协议用得最为广泛。HDLC是一个面向位的通信规程，它比面向字符的协议可靠性高，传输速率快。所有帧采用循环冗余校验和信息帧顺序编号，可防止漏收和重复收。传输控制功能和处理分开，具有较大灵活性。14

网络层为两个传输层实体之间提供建立、保持和拆除网络连接的手段，提供透明的数据传送。网络层也是通信子网的最高层，它可以控制通信子网的运行，从发送节点的传输层发出的报文，在网络层转换成报文分组，通过通信子网的传送，到达目的节点后再装配还原成报文，并传送到目的节点的传输层。所有的路由选择、数据分组、寻址方法以及计费功能等均由本层完成。传输层及其以上各层协议一般统称为高层协议，它为用户提供了端到端分组交换所需的全部服务，主要有传输连接管理服务和数据传输服务，传输连接管理是在两个用户之间建立和保持一条畅通的传输通道；数据传输服务是指在两个用户之间提供相互交换数据的方法15

会话层是OSI参考模型的第五层，它接受从传输层送来的任务，又为表示层提供服务。“会话”的意思是指在两个不同系统的端机上运行的应用进程之间通过连接进行的对话。所以会话层的主要任务是建立和保持两个表示层实体进程之间对话的连接，并管理它们之间的数据交换。会话层还提供一种同步服务，当经常出现故障的网络上，在端机之间进行长时间的长批量文传输就会产生困难，为解决此问题，会话层提供一种方法即在数据中插入若干检验点。每次网络出现故障后，只要重发最后一个检验点的数据，而不是从头开始。16

表示层接受来自会话层的服务，并向应用层提供通用功能服务，以简化应用层实体之间的通信。它对应用层送来的命令和数据内容行解释，并对各种语法给以应有的含义，使应用层送入的信息有明确的表示意义。而它又可提供一组让应用层可以选择的服务，如实现不同信息格式和编码之间的转换、文本压缩与恢复、数据加密与解密、代码转换、数据的格式化、语法的选择等。应用层直接为用户提供服务。它作为两个应用进程之间进行通信的窗口，通过应用层协议和表示层服务来完成信息的交换。其它各层都是支持应用层，而应用层的服务是直接提供给应用进程能使用和接受的服务。173.3网络互连技术

3.3.1网络互连的基本概念网络互连是指将分布在不同地理位置的网络、设备相互连接，以形成更大规模的网络系统，实现各网络资源的共享。互连网络和设备可以是同种类型的。也可以是异种类型的，还可以是运行不同协议的设备和系统。在互连网络中，每个互连的网络资源都应成为互连网络中的资源。互连网络的资源共享服务与物理网络结构是分离的。互连网络的结构对用户是透明的18网络互连应具备的条件在互连的网络之间要有链路。在不同的网络节点的进程之间要有合适的路由以交换数据。应有网络的记帐服务，以记录网络资源。具有各种互连服务，应尽量不改变互连网络的结构。19

网络互连类型分为：LAN-LAN互连；LAN-WAN互连；LAN-WAN-LAN互连；WAN-WAN互连。203.3.2网络互连设备

网络互连的设备主要有三类：网桥、路由器和网关。网桥在数据链路层上实现两个网络的互连，主要用于连接两个同类型的LAN。网桥必须有宽的频带和低的延迟特性，以获得快速响应。应具有大的吞吐能力，接入网桥后不应影响网络本身的性能，网桥外特性呈双向性。21网桥的基本特征网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议，不同传输介质和不同传输速率的网络。网桥以接收、存储、地址过滤和转发方式实现两个互连网络之间的通信。网桥要求两个互连的网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。网桥可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。22网桥的工作原理说明

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路由器是在网络层上实现多个网络互连的。其基本特征是：（1）为两个或两个以上的网络之间的数据传输提供最佳的路径选择。（2）路由器要求节点网络层以上各层使用相同或兼容的协议。路由器与网桥的主要区别是：网桥独立于高层协议，向用户提供一个大的逻辑网络。路由器则是从路径选择的角度为不同的逻辑上独立的子网用户之间的数据传输提供传输线路。24路由器工作原理说明

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网关也叫网络协议变换器，比网桥和路由器更为复杂。网关可以实现不同协议的网络之间的互连，包括不同网络操作系统的网络之间的互连，也可实现局域网与主机、局域网与远程网之间的互连。为了实现不同协议的网络之间的互连，网关应能实现不同网络协议的转换。这在具体实现技术上与它具体连接的两个网络有关，所以，支持不同网络协议转换的网关是不相同的。具有介质转换功能的网关把不同链路级与物理级协议间连接起来，而具有协议转换功能的网关则把不同网络级与更高级协议间连接起来。263.3.2IP协议——网络互连协议IP是互连网协议，处于OSI模型的第3层和第4层之间，又称为3.5层。网络层互连的关键是在各子网上提供统一的网络层服务，为此，把网络层也看作一种多层结构，下层为被连子网固有的网络层服务，最顶层为网间互连协议。IP对所有被连网是相同的，提供了主机之间的数据报服务。27

28IP工作原理说明寻址。为了将数据从源主机发送到目的主机，需要指明目的主机的名字、位置（地址）和到达目的的主机的路径。在网络中，主机需将名字翻译成能被网络识别的地址。而网络根据地址，并选择合适的路径把数据送往访问对象。在互连网络中，数据要经过网关传输，为此，需要标识目的网络和目的的主机。网络要完成数据的传输，就必须知道目的网络的地址。整个系统需要一台或多台目录服务器，存有部分或全部连网主机的名字/地址目录。29

路由选择为了进行路由选择，一般在每台主机和网关上要保存一张路由表，对每个可能的目的网络，路由表给出IP数据应送往的下一网关。路由表中每个可能的目的网络应包括三项内容：网络名、网络地址、路径。路径指明目的网络和主机或网关是直接相连还是间接相连。若间接相连，须指明数据报文还应经过的网关和下一个网关的标识。路由表可以是静态的，也可以是动态的。静态路由表中还应包括下一网关失效时的选择路径。动态路由表中当一网关出现故障，与之相邻的所有网关或主机将会发了状态报告，允许其它网关和主要修改它们的路由表。30

分段与重装。因为互连网络中的各个网络一般都不相同，允许传送的报文大小也不一样，所以网关需将传送的数据报文分段，以适应互连网络对报文的要求。IP提供了有效的分段技术。该技术要求数据报文标头须设以下几个字段：①ID。②Length（长度）。③Offset（位移）。④Moreflag（后续段标）。31

ID是源主机发出的数据报的唯一标识。在IP中，它由源和目的地址、产生数据报文的通信协议层的标识符以及该协议层提供的顺序号组成。Length，8比特，表示数据的字节数。Offset是段在原始数据报文中的位置，它以64bit的整数倍表示。源主机的IP层建立一个数据报，其长度等于整个数据字段的字节数，并具有后续段标。后续段标为0，表明无后续数报段；后续段标为1，表明有后续数据报段。32

将一个报文分组分成两段，要完成以下几项任务：①生成两个新的数据报，并复制原数据报的标头。②以64bit为单位把数据分成近似相等的两部分，形成两个新的数据报，但第一部分必须是64bit的整数倍。③将第一个数据报的Length赋值为分配的数值字节值，置Moreflag=1，Offset不变。④将第二个数据报的Length赋值为所分配的数据字节值，Offset为第一个数据报的长度除以8的商值，Moreflag复位为0。333.3.3互连网与TCP/IP一、互连网(Internet)1.Internet所提供的服务Internet所提供的服务大致可分为三类：基本服务、信息服务及公告类服务。（1）Internet的基本服务。电子邮件、远程登录和文件传输是Internet的三大基本服务。①电子邮件（E-mail）服务。实现Internet用户之间快速、简便、廉价的现代化通信手段。用户要在一个Internet电子邮件服务器上建立一个电子邮箱，有一个全球唯一的邮箱地址。34

电子邮件采用简单报文传输协议SMTP，以存储转发的方式传送。②远程登录服务。远程登录是指在TCP/IP协议集中的远程终端协议Telnet的支持下，用户用仿真终端方式远程登录到Internet主机，使自己的计算机暂时成为远程计算机的一个终端。一旦用户成功地实现了远程登录，用户就可以像远程计算机的本地终端一样进行工作，使用远程计算机对外开放的全部资源。35

③文件传送服务（FTP）。文件传送服务FTP允许用户将一台计算机上的文件送到另一台计算机上。文件传送服务是由TCP/IP协议集中的文件传送协议FTP支持的。工作时先要登录到对方的计算机上，登录后仅可进行文件查询、文件传送操作。普通FTP服务要求用户在登录时提供用户名和口令，否则不能使用FTP服务。为了方便用户访问，Internet中的很多数据服务中心提供一种匿名FTP服务。36

（2）信息服务。除上述三种基本服务外，Internet还能提供其它一些服务，其中最重要的是信息查询服务。常用的信息查询工具有：Gopher、WAIS、WWW等。全球信息服务系统WWW（World、Wide、Web）是一种信息查询工具。WWW的文件是以超文件格式编写的，具有与许多文件的接口。利用WWW可以查询网上几乎所有的信息资源，不但可以浏览文件信息，还可以为通过相应软件显示与文本内容相配合的图像、影视、声音等。37

（3）公告类服务。Internet还可为分布在世界各地的广大用户提供通信、网络新闻服务与电子公告牌服务。网络新闻Usenet是一种利用网络进行讨论的国际论坛。在Usenet的主机上存储的用户各种信息，周期性地转发给其它Usenet主机，最终传遍世界各地。Usenet的基本通信手段是电子邮件，它采用的不是点对点的通信方式，而是多对多的通信方式，用户须采用专门的新闻阅读程序访问Usenet主机。382.用户接入Internet方式

（1）通过拨号电话线接入。这种方式简单、造价低，只需要增加一台MODEM，并装入标准的通信软件（2）使用SLIP/PPP协议接入。SLIP（串行线Internet协议）使用户计算机能直接接收和发送TCP/IP数据包，成为Internet的一个独立节点，有自己的IP地址和主机名。点对点协议PPP对SLIP的进一步扩展，适用于不同网络用户环境的要求。（3）通过与Internet主机连接的局域网接入。39二、Internet使用的协议

1.TCP/IP协议层次结构：四层协议，网络接口协议、网间协议、传送协议和应用协议40

网络接口协议为IP协议提供与物理网的接口，它从IP层接收数据后封装成适合物理的数据帧，或者从物理网接收数据帧后去掉控制字段变成数据报交上层处理。TCP/IP协议对物理网本身不做任何规定。网间协议对应于OSIRM中的网络层协议，该层主要使用IP、RIP、ICMP和IGMP等协议，这些协议规定了Internet网上传送的数据的路由控制和管理。IP把来自上层的数据封装成数据报，按照IP地址进行路由处理，然后将其送往目的节点。41

传送协议实现OSIRM中的传送层和会话层的部分功能，使用的协议是TCP和UDP。该层协议为应用层的应用层的应用进程或应用程序提供端到端的通信功能。TCP是连接型通信协议，它要求通信的双方在通信前要建立连接；UDP是非连接型通信协议，不要求通信双方在通信前建立连接。TCP利用其下层低可靠的IP数据报服务为应用层提供可靠的面向连接的端到端的通信服务，包括数据报的顺序控制和流量控制，而UDP则直接为应用层提供低可靠的无连接服务。应用层实现OSIRM中会话层和应用层的功能，该层使用的典型协议有Telnet、FTP、SMTP等。Internet的应用程序必须遵从相应的应用协议。422.网间协议IP

（1）功能。A.把来自传送层的数据单元（TPDU）封装成IP数据报并送至网络接口。B.把来自网络层的IP数据报进行校验，路由选择等处理，然后送往上层或转发给下一个路由器。（2）路由处理。IP