计算机网路

第一章 计算机网络体系结构

1.1计算机网络概述

1.计算机网络的概念

计算机网路的定义可分为三类：广义观点、资源共享观点、用户透明观点。

*广义观点：只要是能实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源共享的系统，都可以认为是计算机网络。

*资源共享观点：计算机网络必须是具有独立功能的计算机组成的、能够实现资源共享的系统。

*用户透明观点：计算机网络就像是一台超级计算机，资源丰富、功能强大，其使用方式对用户透明，用户使用网络就像使用单一计算机一样，无需了解网络的存在、资源的位置等信息。这是最高标准，目前还未实现，是未来计算机网络发展的追求目标。

2．计算机网络的组成

（1）物理组成：硬件、软件、协议三部分。

A．硬件：*两台以上的计算机及终端：统称为主机（Host）,其中部分host充当服务器，部分充当客户机，也称为终端系统。

*前端处理机（FEP）或通信处理机也称为通信控制处理机（CCP）：

负责发送、接收数据，最简单的CCP是网卡。

*路由器、交换机等连接设备：交换机将计算机连成网络，路由器将计算机互联成更大的网络。

*通信线路：具体功能是将一个信号从一个地方传到另一个地方，包括：有限线路和无线线路。连接两个设备之间的线路称为链路。

B.软件：软件主要有实现资源共享的软件、方便用户使用的各种工具软件，如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等。

C.协议：协议由语法、语义和时序三部分构成。其中语法规定数据的格式，语义部分规定所要完成的功能，时序规定执行各种操作的条件、顺序关系等，协议是计算机网络的核心。一个完整的协议应完成线路管理、寻址、差错控制、流量控制、路由选择、同步控制、数据分段与装配、排序、数据转换、安全管理、计费管理等功能。

各种物理设备解释：

计算机包括客户机和服务器。

客户机：是连接用户和网络的设备，用户借助客户机使用网络。

服务器：是存储信息并未用户提供信息的设备。

网卡：负责与通信线路相连，完成从计算机到通信线路的并串数据转换、信号变换、接收、发送等工作。

交换机：用于把小范围内的计算机连成网络。

路由器：用于互联网多个网络，组成更大的网路。

调制解调器：作用是将孤立的计算机连接到网络上。调制解调器有音频调制解调器、ADSL调制解调器、卫星调制解调器等多种。调制解调器并不是任何网络中都需要。

通信线路：作用是将信号从一个地方传送到另一个地方，包括有线线路和无线线路。

（2）.功能组成

从功能上看，计算机网络有资源子网和通信子网组成。其中资源子网有主机、终端以及各种软件资源、信息资源组成，完成数据的处理、存储等功能；通信子网由各种传输介质、通信设备和响应的网络协议组成，完成数据的传输功能。资源子网相当于计算机系统，通信子网是为了连网而附加上去的通信设备、通信线路等。

3.计算机网络的功能

数据通信：它是计算机网络的基本功能，包括：连接控制、传输控制、差错控制、路由选择、多路复用等子功能。

信息处理：对分散在各地的计算机中的数据资源进行集中处理、实时处理。

共享资源：实现对各种资源的共享，包括信息资源、硬件资源、软件资源。网络是计算机的高级形态，将使资源共享变得更加方便、透明。

电子化办公与服务：借助计算机网络，得以实现电子政务、电子商务、电子银行等一系列现代化办公。

负载均衡：将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

远程教育：利用网络可以提供远程教育平台，借助丰富的知识管理系统，学生可以更加方便的自学、提高学习效率。

娱乐：对于大多数人来说，工作之余都需要娱乐，利用网络可以提供各种娱乐。

4.计算机网络的分类

（1）按分布范围分类：

*广域网（WAN）：一般分布在数十千米以上的区域。

*城域网（MAN）：一般分布在一个城区，一般使用广域网的技术，可以看成是一个较小的广域网。

*局域网（LAN）：一般分布在几十米到几千米范围，传统上局域网与广域网使用不同大的技术，广域网使用交换技术，局域网使用广播技术，而这才使两者的根本区别，但从万兆以太网开始，这种区别已将消除了。

*个域网（PAN）：一般指家庭内甚至个人随身携带的网络，一般分布在几米范围内，用于家用电器、消费电子设备，以无线通信方式为主。

（2）按拓扑结构分类：

*总线型：用单总线把各计算机连接起来。优点是：建网容易、增减节点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高。

*星型网络：每个终端或计算机都以单独（专用）的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器。优点：结构简单、建网容易、延迟小、便于管理。缺点是：成本高，中央设备对故障敏感。

*环形网络：所有计算机结构设备连接成一个环。环中信号是单向传输的。

*树形网络：节点组织成树状结构，具有层次性。

*网状网络：每个节点至少有两条路径与其他节点相连。类型分为规则型和非规则型。优点：可靠性高，缺点：控制复杂、线路成本高。

（3）按交换技术分类：

*电路交换网络：在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于数据传送，包括建立连接，传输数据、断开连接三个阶段。最典型的电路交换网就是电话网络。优点：数据直接传送、延迟小。缺点：线路利用率低，不便于进行差错控制。

*报文交换网络：将用户数据加上源地址、目的地址、铲毒、校验码扥辅助信息分装成报文，发送给下一个结点。下一个结点收到报文后暂存报文，传输线路空闲时在转发个下一个结点。这种网络叫存储转发网络。优点：可以充分利用线路容量；可以实现不同链路之间不同数据的转换；可以实现一对多、多对一的访问；可以实现差错控制；可以实现格式转换。缺点是：增加资源开销；增加缓冲延迟。

*分组交换网络：也称包交换网咯，其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块上加上原地址、目的地址等辅助信息分成组。

*信元交换网络：是一种特殊的分组交换网络，与一般分组交换网络的区别是：传输的单位为信元，比分组更小；可采用不完全存储转发方式，即当输出线路为空时，信元可暂不存储，直接转发出去。

*广播网络：给结点发送信息时采用广播方式，一个节点发送的信息，其他所有节点都能收到。

（4）按协议分类

每层的协议都不同，因此按协议分类应指明协议的区分方式，如按网络层的协议来分类，可以分为IP网、IPX网等；无线网络可分为Wifi网络、蓝牙网络。

（5）按传输介质分类

按传输介质分，可分为有线网络和无线网络。有线网络可分为双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络、光线同轴混合网络等。无线电网络可分为无线电、微波、红外等。

按使用介质的方式，计算机网络经历了三代。

*第一代：使用电信号

*第二代：混用光、电信号。在骨干网使用光信号，在连接处(如交换机、路由器等)要进行光电转换。

*第三代：全光信号。在传输的全程使用光信号，不需要进行光电转换。

目前处在第二代，正向第三代迈进。

（6）按用途分类

可分为公共网络和专用网络，也可分为骨干网、接入网和驻地网。

公共网络是指该网络能为所有用户服务，犹如使用公共铁路、公共公路等。

专用网络是指专门为特定的对象建设的网络，其他人不能算便用，如军事网络。

骨干网是指一个网络的核心部分，负责将其他部分连接组合在一起组成完整的网络，其上承载了主要的通信量，要求最好性能和可靠性。

接入网络是指将用户设备或用户驻地网络接入骨干网之间的网络。

驻地网是指用户端将用户设备连接到接入网络之间的小型网络，一般是小型局域网。

（7）按信息的共享方式分类

可分为C/S网络、B/S网络和P2P网络。

C/S（Client/Server）模式即客户机/服务器模式，是一种分布式的工作方式。这种网络将需要共享的信息存放在服务器上，客户机向服务器发出命令或请求，服务器收到请求后，对其进行分析、处理，然后把处理结果送给客户机。

B/S(Brower/Server)模式是一种特殊形式的C/S模式。客户端运行浏览器软件，浏览器以超文本形式向Web服务器提出访问请求，Web服务器收到请求后，将文件发送给客户机。

P2P(Peerto Peer) 即对等网络，其没有特定的服务器，信息分散存储在所有的计算机上，计算机需要共享其他计算机上的信息时，就向其他计算机提出请求，其他计算机将请求的信息发送给请求者。每台这样的计算机既是客户机，又是服务器，他们的地位是对等的。P2p的缺点是每个人都要把自己计算机上的信息拿出来共享，当然也会带来一些问题，如安全问题。

5计算机网络的发展

计算机网络是计算机技术和通信技术结合的产物。

（1）    面向终端的计算机网络

在用户所在地安装终端，通过远程线路将终端接入到计算机中心的计算机上，使用不必到计算机中心就可以使用该计算机。这样就诞生了第一代计算机网络。按照今天的标准，这种网络只能称为联机系统。

这种联机系统有两个严重的缺点：一是线路利用率低。二是主机负担重。

（2）    计算机通信网络

到了20世纪60年代，人们对计算机之间的通信有了更高的要求，主要有

*以信息传输为主要目的

*以计算机为信源和信宿

*采用标准的体系结构

*采用分组交换技术

1969年美国国防部高级研究计划局（ARPA），研制了第一个计算机网络ARPANET.这个网络最初只连接了4所大学的四台计算机。ARPANET 就是今天Internet的前身。

（3）    共享资源的计算机网络

随着微机的普及，人们对资源共享的要求越来越高，因此推动计算机网络发展到以资源共享为特征的第三阶段。

早期的共享资源网络主要是共享硬件资源。1990年欧洲核子研究组织（CERN）的物理学家蒂姆*伯纳斯*李（Tim Berners-Lee）开发了超文本文件系统和世界上第一个Web服务器；1993年第一个浏览器Mosaic诞生，使得计算机网络进入Web时代。共享的资源变成以数据和信息为主。

（4）    计算机网络

计算机网路，简称网格（Grid），以Internet为基础，将所有资源相互连通，可实现大规模、大范围、跨管理域的资源一体化和服务一体化，给用户提供透明的共享资源和服务。也就是用户把整个Internet当成是一台计算能力巨大、存储能力无限、信息资源丰富的单一计算机使用。

6 互联网的发展史

（1）第一阶段：起步阶段（1969-1983）

1969年的ARPANET网络成为计算机网络诞生的标志，其有5大特点：

*支持资源共享

*采用分布式控制技术

*采用分组交换技术

*采用通信控制处理机

*采用分层的网络协议

其使用了NCP协议。

1980年，ARPA将TCP/IP加进UNIX内核中，之后TCP/IP协议成为UNIX操作系统的标准通信模块。

（2）第二阶段：发展阶段（1983-1993）

1986年，美国国家科学基金会NSF建立了NFSnet.

1990年6月，ARPANET关闭，NSFnet彻底取代了ARPANET成为Internet的骨干网，并向全社会开放。

1990年9月，Merit、IBM和MCI公司建立了一个非营利组织-先进网络和科学公司ANS.

1991年，Internet向用户收费，1992年，联网计算机超过100万台。1993年，NFSnet骨干网升级到T3线路，速率达到45Mbps。至此，Internet形成了由国家骨干网、地区网、园区网组成的三级结构。

1993年，第一个浏览器Mosaic诞生，使得计算机网路进入Web时代，为Internet的普及奠定了基础。

（3）第三阶段：飞跃阶段（1993-现在）

1995年4月30日，NFSnet正式宣布停止运作，替代它的是美国政府指定的上述三家私营企业。至此，Internet完成了商业化。

1999年开始流行PPP（Point-to-PointProtocol），使得TCP/IP可通过电话线实现，这样家庭访问Internet就变得简单了。

Internet已经深入地影响着经济、社会、文化、科技等。成为人们工作和生活的最重要的工具之一。

7．计算机网络的相关标准化工作及其组织

不同类型的网络都有自己的标准和规范。

局域网：以太网、无线局域网等

广域网：X.25网络标准、DDN网路标准、ATM网络标准、SDH网络标准。

接入网：ADSL标准、V.90/92标准等。

Internet更有自己的标准。Internet的所有标准都以RFC（Request For Comments）的形式在Internet上发布。

国际组织：ISO（国际标准化组织）：

ITU（国际电信联盟）：

例题解析：

一、单选

1.    计算机网络中可以没有的是（）

A．客户机   B.服务器   C.操作系统    D.数据库管理系统

2下列说法正确的是（）

A 在较小的范围内布置的一定是局域网，而在较大的范围内布置的一定是广域网

B 城域网是连接广域网而覆盖园区的网络

C 城域网是一种为淘汰局域网和广域网而提出的技术

D 局域网是基于广播技术发展起来的网络，广域网是一种基于交换技术发展起来的

3 计算机网络最重要的功能是（）

A 数据通信   B 资源共享   C 节省费用   D 提高可靠性

4 局域网和广域网之间的差异不仅仅在与他们之间所覆盖的范围不同，而且还在于他们（）的不同

A 所使用的介质不同  B所使用的协议  C所能支持的通信量  D 所提供的服务

5 下面选项中，网格行网络的特点是（）

A不容易配置  B不太稳定   C 扩展性不太好   D 容易发生故障

答案：DDABA

二、综合

6.计算机网络可以从那几个方面来分类？

*按交换技术：电路交换、报文交换、分组交换、信元交换、广播等

*按拓扑结构：总线型、星型、环形、树形和网络型。

*按分布范围：广域网、城域网、局域网和个域网。

*按使用范围：公共网络和专用网络。

7 无线网络有许多优点，也存在缺点，试写出其中两个缺点

五次安网络采用的是非导向介质作为传输介质的计算机网络。无线网络具有容易安装、使用方便等优点，但有一些自身的缺点。首先，由于无线通信信道是广播的开方信道，通信内容容易被窃取、篡改和伪造，因此无线网络的安全性较差。其次，由于数据在无线信道中传输时容易产生差错，无线网络的可靠性较差。另外，对于无线网络中的移动设备，电池的寿命是一个需要解决的问题。

8 从一个普通的RFC文档上升到Internet的正式要标准经过那4个阶段？

（1）草案（Internet Draft）

（2）建议标准（Proposed Standard）

（3）草案标准（Draft Standard）

（4）正式标准（Internet Standard）

1.2计算机网络体系结构与参考模型

1.计算机网络分层结构

网络体系结构：是指构成计算机网络的各组成部分及计算机网络本身所必须实现的功能的精确定义。更直接的说，是计算机网络中的层次、各层次的协议及层间的接口的集合。

分层的原则：

*各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能的少。

*各层功能的定义独立于具体的实现方法。

*保持下层对上层的独立性，单项使用下层的协议。

分层的优点：

*易于理解、易于交流、易于标准化

*易于实现、易于调试、易于维护

*易于更新、易于抽象

2.计算机网络的协议、接口、服务概念

（1）协议

协议是指通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则，由语法、语义和时序3部分构成。语法部分规定传输数据的格式。语义部分规定所要完成的功能。时序部分规定执行各种操作的条件、顺序关系等。

一个完整的协议通常应具有如下功能：

*线路管理：

*寻址：

*差错控制：

*流量控制：

*路由选择：

*同步控制：

*数据分段与装配：

*排序

*数据转换

*安全管理、计费管理

（2）接口

接口是指同一系统内部两个相邻层次之间的交往规则。

（3）服务

服务是指相邻的上层提供的功能调用，每层只能调用相邻的下层提供的服务。

1）面向练级的服务和无连接的服务

2)有应答服务与无应答服务

3）可靠服务于不可靠服务

3.ISO/OSI参考模型

（1）OSI参考模型

国际标准化组织（ISO）于1978年提出了一个网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI）。OSI有7层，从低到高依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

OSI参考模型各层的功能如下：

*物理层：在链路上透明地传输位。为此定义了建立、维护和拆除物理链路锁具备的机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性。

*数据链路层：把不可靠的信道变为可靠地信道。为此将位组成帧，在链路上提供点到点的帧传输，并进行差错控制、流量控制等。

*网络层：在源结点-目的结点之间进行路由选择、用赛控制、顺序控制、传送包、保证报文的正确性。因而它又称为通信子网。

*传输层：提供端-端的可靠性，透明的数据传输，保证报文顺序的正确性，数据的完整性。

*会话层：建立通信进程的逻辑名字与物理名字之间的联系。提供进程之间建立、管理和终止会话的方法、处理同步与恢复问题。

*表示层：实现数据转换（包括格式转换、压缩、加密等）。提供标准的应用接口、共用的通信服务、公共数据表示方法。

*应用层：对用户不透明的各种服务。

在上述的7层模型中，1-3层为底层，4-7为高层，第4层起到承上启下的作用。各层的作用范围是：

*物理层：物理链路

*数据链路层：链路

*网络层：源结点-目的结点

*传输层：端-端

*会话层：表示层、应用层

（2）TCP/IP模型

ARPA在1969年研究ARPANET时，提出了TCP/IP模型，从底到高层依次为网络接口层、互联网曾、传输层、应用层。

*应用层的主要协议有：DNS HTTP SMTP POP3 FTP TELNET SNMP

*传输层的主要协议有：TCP UDP

*互联网层的主要协议有：IP ICMP ARP RARP

*网络接口层：没有特定的定义。

1.2例题

一、单选

1 相对于OSI的7层参考模型的第4层，TCP/IP模型内对应的层次是（）

A 传输层、互联网层、网络接口层、物理层

2 下属说法中正确的是（）

A 网络层的协议是网络层内部处理数据的规定

B 接口实现的是人与计算机之间的交互

C 在应用层与网络层之间的接口上交换的是包

D 上一层的协议数据单元就是下一层的服务数据单元

3 一下说法正确的是（）

A PDU的长度越大越好

B PDU的长度越小越好

C PDU的长度不要太大，但也不能太小

D PDU的长度没有规定，可随便定

4 在OSI参考模型中，表示曾提供的功能是（）

A 交互管理   B 透明传输   C 死锁管理   D 文本压缩

5 在OSI参考模型中，第n层与它之上的第n+1层的关系是（）

A 第n层为第n+1层提供服务

B 第n+1层为从第n层接收的报文添加一个报头

C 第n层使用第n+1提供的服务

D 第n层和第n+1层相互没有影响

6 在OSI参考模型中，自上而下提供端到端服务的层次是（）

A 数据链路层  B 传输层 C 会话层   D 应用层

7 下列选项中，不属于网络体系结构所描述的内容是（）

A 网络层次   B 每一层使用的协议   C 协议汇总的内容   D 每一层必须完成的功能

8 TCP/IP参考模型的网络层次提供的是（）

A 无连接不可靠的服务 B无连接可靠地服务 C 有链接不可靠的服务 D有链接可靠地服务

答案：BDCDA  BCA

二 综合

1 分析将网络分解为层次结构的利弊

分层的优点：

*易于理解、易于交流、易于标准化

*易于实现、易于调试、易于维护

*易于更新、易于抽象

分层的缺点：

降低了运行效率

2 有人认为，既然某种网络技术提供的是不可靠的服务，那就说明在网络上所做的操作及其结果都是不可靠的、不可信的，因此网络应取消不可靠的服务模式，请加以评述。

不可靠的服务是指网络不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，网络只是尽量正确、可靠，是一种尽力而为的服务。与之相对应的是可靠服务，指网络具有检错、纠错、应答机制，能保证数据的正确、可靠地传送达到目的地。

因网络本身的各种原因，在传输过程中出错总是在所难免的，因此对于提不可靠服务的网络，其网络的可靠性、正确性就要由应用或用户来保障。实现可靠服务是要付出代价的，所以对于那些可靠性很高的网络，可把差错控制交给高层应用或用户负责，可以以较小的代价和较高的效率实现可靠服务。

3 协议与服务有何区别？有何关系？

网络协议是指：通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则。有以下3部分组成

*语法：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，完成和中动作及作出何种相应。

*同步：即事件实现顺序的详细说明。

协议是实现连个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等的实体间的通信使得本层能能够项上层提供服务，而要实现本层协议，需要使用下面一层提供的服务。

协议和服务的概念区分：

（1）协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的

（2）协议是“水平的”，即协议是控制两个对等实体进行通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是有下层通过层间接口向上层提供的。上层使用下层提供的服务，必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。

4 试论述在广播式网络中对网络层的处理方法，并说明是否需要这一层。

对于有广播信道构成的分组网，路由选择很简单，例如，传统的局域网用带地址的帧在广播介质上传输数据，不存在中间交换，也就没有路由选择。而网络层的其他功能，如寻址、排序、流量控制等，也可以由数据链路层来完成，因此这种网络的网络层往往非常简单。

5 计算机网络体系结构包括哪些内容？

计算机网络体系结构包括两方面的内容：一是值所有计算机网络都遵照的抽象的协议参考模型，另一方面是指一个具体计算机网络所使用的协议栈。

6请解释协议的主要功能

*线路管理：建立、释放连接

*寻址：标识主题

*差错控制：

*流量控制：

*路由选择：

*同步控制：

*数据分段与装配。

*排序：

*数据转换：

*安全管理、计费管理等。