计算机网络基础(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：薛涛,加云岗,等

出版社：电子工业出版社

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计算机网络基础试读：

前言

计算机网络技术是20世纪对人类社会影响最深远的科技成就之一。当前，随着计算机技术和通信技术的迅速发展和相互渗透，随着因特网技术的发展和信息基础设施的完善，计算机网络已进入了社会的每一个领域，进而推动着社会的信息化步伐。在这种形势下，要想在网络技术飞速发展的今天有所作为，必须学习、理解、掌握计算机网络技术的基本知识，了解网络技术发展的最新动态。计算机网络技术不仅是从事计算机专业的人员必须掌握的知识，也是广大读者特别是青年学生应该了解和掌握的知识。系统地学习、理解和把握计算机网络技术及其未来发展并应用于社会生活的每一个领域，已成为社会普遍的需求。

本教材由“工业和信息产业科技与教育专著出版资金”支持，旨在推动以大学生计算思维能力培养为重点的大学计算机课程改革，着力提升大学生信息素养和应用能力。在知识面要宽，基本理论和原理知识要适度，加强技术技能培养等要求的前提下，本教材编写时，对于网络技术的理论知识和工作原理介绍得相对浅一些；理论联系实际多一些，加重网络的应用技术和网络应用方面的知识，体现出注重培养学生掌握网络实际应用技术能力的特点。在内容上，全面讲解了计算机网络的基本概念和基本原理，采用最新的自顶向下的方法来组织，以常用Internet应用为起点，自顶向下，逐步分析支撑计算机网络应用的网络技术，使读者能比较全面、深入地认识计算机网络。本书还精心设计了16个实验，包括网络协议、网站制作、组网实验、交换机和路由器的配置实验、双绞线制作等内容，进一步提高学生掌握网络实际应用的能力。本书在编写过程中，力求体现教材的系统性、先进性和实用性。

全书共13章，第1章～第7章

理论篇

全书内容安排合理，逻辑性强，文字简明，循序渐进，通俗易懂，可作为高等院校非计算机专业的计算机网络课程教材，同时也可作为计算机网络培训或技术人员自学的参考资料。

本书由薛涛、加云岗、赵旭主编，参加编写的人员还有薛文生、薛纪文、陈慧娟、石洋同志。薛涛编写了第6章和第7章，加云岗编写了第3章，赵旭编写了第5、8、9、10、12章，薛文生编写了第1章和第2章，石洋编写了第4章，陈慧娟编写了第11章，薛纪文编写了第13章。全书由王会燃教授和石美红教授审校。本书在编写过程中，参阅并借鉴了国内外同类的优秀教材和专著及大量的网络资料，在书中无法一一列出，在此一并表示感谢！

在本书的立项、编写大纲和内容的确定及编写过程中得到了电子工业出版社领导和编辑的大力支持和帮助，在此编者表示衷心的感谢。

由于时间仓促和作者水平有限，书中难免存在缺点和不足之处，恳请各位学者、专家、老师和同学提出宝贵意见。编 者于西安理论篇

第1章 计算机网络概述

近年来，现代计算机网络作为信息社会的基础设施已经渗透到社会的各个方面。本章从计算机网络的基本概念入手，主要介绍计算机网络的发展、组成、分类，以及计算机网络的协议分层、OSI参考模型、TCP/IP参考模型，并简要介绍计算机网络的主要性能指标和主要应用。

1.1 计算机网络的概念

计算机网络：是指将多台地理位置上分散、互相连接，并且具有独立功能的计算机，用通信设备和通信线路相互连接起来，按照统一网络协议进行通信，以实现信息传输和资源共享的一种计算机系统。

一个计算机网络系统一般有以下三个主要组成部分。

第一个部分是有若干台主机，这些主机可以向各个用户提供各种网络服务。

第二个部分是有一个通信子网，通信子网由一些专用的节点交换设备和连接这些节点交换设备的通信链路所组成，通信子网是各主机之间进行通信和数据传输的物质保证。

第三个部分是有一套协议，这些协议是为主机之间或者主机和子网之间通信而用的，协议是各主机之间进行数据交换的重要保障。

计算机网络具有以下三个基本特征。

第一个特征是，互连的计算机之间相互独立。首先，从数据处理能力方面来看，计算机既可以单机工作，也可以连网工作，并且计算机在连网工作时，网内的一台计算机不能强制性地控制另一台计算机；其次，从计算机分布的地理位置来看，计算机是独立的个体，可以“远在天边”，也可以“近在眼前”。

第二个特征是，连网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。要保证网络中计算机能有条不紊地交换数据，就必须要求网络中的每台计算机在交换数据的过程中都要遵守事先约定好的通信规则，即网络协议。

第三个特征是，计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。处于计算机网络中的任何一台计算机，都可以将计算机本身的资源共享给其他处于该网络中的计算机使用，这些被共享的资源可以是硬件，也可以是软件和信息资源等。

1.2 计算机网络的发展

计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。计算机与通信的相互结合主要有两个方面。一方面，通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，数字计算技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。当然，这两个方面的发展都离不开人们在半导体技术，尤其是超大规模集成电路技术上取得的辉煌成就。

随着计算机的广泛应用，计算机网络的影响也越来越大，计算机网络从形成、发展到广泛应用，大致经历了以下几个阶段。

第一阶段：（20世纪60年代）以单个计算机为中心的面向终端的计算机网络系统。这种网络系统是以批处理信息为主要目的。

第二阶段：（20世纪70年代）以分组交换网为中心的多主机互连的计算机网络系统。为了克服第一代计算机网络的缺点，提高网络的可靠性和可用性，人们开始研究如何将多台计算机相互连接。

第三阶段：（20世纪80年代）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。随着计算机网络的普及和应用推广，越来越多的用户都希望将自己的计算机连网。然而要实现不同系列、不同品牌的计算机互连，相互通信的计算机必须高度协调工作，为此国际标准化组织提出了OSI参考模型；同时，工业界也提出了TCP/IP参考模型。

第四阶段：（20世纪90年代）网络互连与高速网络。自OSI参考模型推出后，计算机网络一直沿着标准化的方向在发展，而网络标准化的最大体现是Internet的飞速发展。1.2.1 联机系统

所谓联机系统，即以一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端，如图1-1所示。所谓终端通常指一台计算机的外部设备，包括显示器、键盘等。图1-1 单计算机为中心的远程联机系统结构示意图

早在20世纪50年代，人们利用通信线路，将多台终端设备连到一台计算机上，构成“主机—终端”系统。这种面向终端的计算机网络雏形，称之为第一代计算机网络。

第一代计算机网络——“主机-终端”系统，由于终端没有独立处理数据的能力，因此并不是真正意义上的计算机网络。但在这个阶段，人们逐步开始了计算机技术与通信技术相结合的研究，这是当代计算机网络发展的基础。

面向终端的计算机网络在其应用与发展的过程中，通信问题表现得越来越突出和重要。存在的主要问题是：（1）通信资源主要来源于租用电话、电报网线路，传输质量和速率等方面不能满足数据通信的要求；（2）传统电话网的线路交换和电报网的交换方式不能在线路利用率和传输迟延两方面获得很好的折中；（3）没有统一的数据通信体制和网络体系结构，各家网络各行其是，搞重复建设，又互不兼容，网络间无法互通。因此，在60年代中期面向终端网络蓬勃发展的同时，一场新的通信体制的革命悄然进行，最终导致“分组交换网”的出现。1.2.2 计算机互连网络

计算机互连网络如图1-2所示。这一阶段计算机网络的主要特点是：资源的多向共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议，这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征。图1-2 以多计算机为中心的计算机互连网络结构示意图

在20世纪60年代，计算机应用普及范围逐渐增大，许多行业都开始配置大、中型计算机系统。正因为如此，地理位置分散的各个部门间的信息交换量也越来越大，使得多个计算机系统通过通信线路连接成为一个计算机通信网络，以方便信息交换。在这种计算机网络中，各个计算机都具有独立处理数据的能力，并且不存在主从关系。通常情况下，称这种计算机网络为第二代计算机网络，它实现了计算机之间的通信。

第二代计算机网络，主要特征在于用了分组交换技术。所谓分组，就是将一个报文（Message）划分成若干个较小的数据段，并给每个数据段添加控制信息，封装成一个分组（Packet）。在第二代计算机网络中，面向无连接的分组交换方式诞生了。

1964年，巴兰（Baran）在美国兰德（Rand）公司“论分布式通信”的研究报告中提出了存储转发（store and forward）的概念。1962—1965年，美国国防部的高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）和英国的国家物理实验室（National Physics Laboratory，NPL）都在对新型的计算机通信技术进行研究。英国NPL的戴维德（David）于1966年首次提出了“分组”（Packet）这一概念。1969年12月，美国的分组交换网中传送的信息被划分成分组，该网络称为分组交换网，即ARPANET（当时仅有4个交换点投入运行）。

ARPANET的成功，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元。现在大家都公认ARPANET为分组交换网之父，并将分组交换网的出现作为现代电信时代的开始。

分组交换网是由若干节点交换机和连接这些交换机的链路组成，每一个节点就是一个小型计算机。它的工作机理是：首先将待发的数据报文划分成若干个大小有限的短数据块，在每个数据块前面加上一些控制信息（即首部），包括诸如数据收发的目的地址、源地址，数据块的序号等，形成一个个分组，然后各分组在交换网内采用“存储转发”机制将数据从源端发送到目的端。

由于节点交换机暂时存储的是一个个短的分组，而不是整个长报文，且每一分组都暂存在交换机的内存中并可进行相应的处理，这就使得分组的转发速度非常快。通信与计算机的相互结合，不仅为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段，而且也大大提高了通信网络的各种性能。

采用存储转发的分组交换技术，实质上是在计算机网络的通信过程中动态分配传输线路或信道带宽的一种策略。值得说明的是，分组交换技术所采用的存储转发原理并不是一个全新的概念，它是借鉴了电报通信中基于存储转发原理的报文交换的思想。它们的关键区别在于通信对象发生了变化。基于分组交换的数据通信实现了计算机与计算机之间或计算机与人之间的通信，其通信过程需要定义严格的协议。而基于报文交换的电信通信则是完成人与人之间的通信，因此双方之间的通信规则不必如此严格定义。所以，分组交换尽管采用了古老的交换思想，但实际上已变成了一种崭新的交换技术。1.2.3 标准化网络

20世纪70年代中期，计算机网络开始向体系结构标准化的方向迈进，即正式步入网络标准化时代。1983年ISO正式颁布了一个开放系统互连参考模型的国际标准ISO 7498。模型分为七个层次，也被称为 ISO七层模型。标准化网络结构如图1-3所示。图1-3 标准化网络结构示意图

随着ARPANET的建立，一些大公司都建立了自己的网络体系结构，如IBM公司研制的分层网络体系结构SNA（System Network Architecture），DEC公司开发的网络体系结构DNS（Digital Network Architecture）。这些网络体系结构的出现，使得一个公司生产的各种类型的计算机和网络设备可以非常方便地进行互连。但是，由于各个网络体系结构都不相同，协议也不一致，使得不同系列、不同公司的计算机网络难以实现互连。这为全球网络的互连、互通带来了困难。

20世纪80年代开始，人们着手研究统一的网络体系结构和协议。国际标准化组织ISO（International Standard Organization）于1977年成立了专门机构研究该问题，并于1984年正式颁布了开放系统互连参考模型OSI-RM（Open Systems Interconnection Reference Model，OSI）。所谓“开放”，就是指只要遵循OSI标准模型的任何系统，不论位于何地，都可以进行互连、互通。这一点非常像世界范围的电话和邮政系统。这里的“开放系统”，是指在实际网络系统中与互连有关的各个部分，它也是对当时各个封闭的网络系统而言的。OSI-RM的产生，标志着第三代计算机网络的诞生，它对网络技术的发展产生了极其重要的影响。

在计算机网络发展的进程中，另一个重要的里程碑就是出现了局域网络LAN（Local Area Network）。局域网可使得一个单位或一个校园的微型计算机互连在一起，互相交换信息和共享资源。由于局域网的覆盖范围有限、连网的拓扑结构规范、协议简单，使得局域网连网容易、传输速率高、使用方便、价格也便宜，很受广大用户的青睐。因此，局域网在20世纪80年代得到了很大的发展，尤其是1980年2月份美国电气和电子工程师学会组织颁布的IEEE802系列标准，对局域网的发展和普及起到了巨大的推动作用。1.2.4 网络互连与高速网络

1993年美国宣布建立国家信息基础设施后，全世界许多国家都纷纷制定和建立本国的国家信息基础设施NII（National Information Infrastructure），从而极大地推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络的发展进入一个崭新的阶段，这就是计算机网络互连与高速网络阶段，如图1-4所示。网络互连和高速计算机网络被称为第四代计算机网络。图1-4 网络互连与高速网络结构示意图

从20世纪90年代开始，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，为计算机网络技术的发展提供了有力的支持。而在Internet中实现了全球范围的电子邮件、WWW、文件传输、图像通信等数据服务，这些都对计算机网络的传输速度提出了更高的要求。由此可见，信息综合化和传输高速化是第四代计算机网络的特点。

Internet是计算机网络最辉煌的成就，它已成为世界上最大的国际性计算机互联网，并已影响着人们生活的各个方面。由于Internet也使用分层次的体系结构，即TCP/IP网络体系结构，使得凡遵循TCP/IP的各种计算机网络都能相互通信。进入20世纪90年代后，网络进一步向着开放、高速、高性能方向发展。

由于Internet还存在着技术和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的Internet不堪重负。1993年美国政府提出了NGII（Next Generation Internet Initiative）行动计划，该计划的目标是：开发规模更大、速度更快的下一代网络结构，使端到端的数据传输速率超过100 Mb/s甚至10 Gb/s；提供更为先进、实时性更高的网络应用服务，如远程教育、远程医疗、高性能的全球通信、环境监测和预报等。NGII计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路径选择；保证网络信息的可靠性和安全性。

计算机网络技术正逐步走向系统化、科学化和工程化，它将进一步朝着开放、综合、高速、智能的方向发展，从而应用到更广泛的领域、满足用户更多的需求。

1.3 计算机网络的组成

不同的计算机网络在网络规模、网络结构、通信协议和通信系统、计算机硬件及软件配置方面都有着很大的差异。无论网络的复杂程度如何，根据网络的定义，从系统组成上来说，一个计算机网络主要分为计算机系统、数据通信系统、网络软件及协议三大部分。

从计算机网络的功能来讲，计算机网络主要具有完成网络通信和资源共享两大功能。为了实现这两个功能，计算机网络必须具有数据通信和数据处理两种能力。从这个前提出发，计算机网络可以从逻辑上被划分成两个子网：通信子网和资源子网，计算机网络的典型结构如图1-5所示。图1-5 计算机网络的典型结构1.3.1 通信子网

通信子网也叫网络核心，主要负责网络的数据通信，为网络用户提供数据传输、转发、加工和变换等数据信息处理工作。

通信子网由通信控制处理机、通信线路、网络通信协议及通信控制软件等组成。

通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。1.3.2 资源子网

资源子网也叫网络边缘，主要用于网络的数据处理功能，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。

资源子网实现全网的面向应用的数据处理和网络资源共享，它由各种硬件和软件组成。主要包括主机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源等。

1.4 计算机网络的分类

计算机网络的分类目的，应是能体现出不同类网络之间在更多的特性方面有较大的差别。

最普遍且最能为大众接受的分类，就是按网络规模或者地理范围来区分的分类方法。按这种分法可以把计算机网络分为：局域网LAN（Local Area Network）、城域网MAN（Metropolitan Area Network）和广域网WAN（Wide Area Network）。

另外一种常见的分类方法，就是按网络的拓朴结构来区分的分类方法。按这种分法可以把计算机网络分为：总线型、星型、环型和树型等。1.4.1 按照地理范围分类

按照地理范围可以把计算机网络分为：局域网、城域网和广域网三类。

1.局域网

局域网是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互连起来的计算机网络。局域网具有如下特点。（1）共享传输信道。在局域网中，多个系统一般是连接到一个共享的介质（如总线）或者共享的设备（如集线器）上。（2）覆盖范围有限。通常局域网仅为一个单位所拥有，为一个单位服务，只在一个相对独立的有限局部范围内连网，如一座大楼或一个建筑群内。（3）用户数有限。局域网的用户通常是一个单位的员工，用户仅限于单位内部员工，数量有限。（4）传输速率高。局域网的传输速率相对较高，低的10Mb/s，高的1000Mb/s，有的高达10Gb/s，能支持计算机之间的高速数据通信，而且传输时延较低。（5）误码率低。因为局域网是近距离传输，而且一般是专用线-8-11路传输，所以误码率很低，一般在10～10之间，因而可靠性比较高。（6）拓扑结构简单。局域网常用的拓扑结构有总线型、星型、环型等基本的拓扑结构类型。

2.城域网

城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络，城域网的作用范围是覆盖一个大城市的区域。城域网具有如下特点。（1）网络的覆盖范围取决于城市的大小。（2）城域网设计的目标是要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连的需求。（3）城域网具有多功能、多用途的综合服务能力，可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。（4）城域网多采用共享信道的无竞争的信道资源分配。（5）城域网在技术上与局域网类似。

3.广域网

广域网也称为远程网，它能跨越任意远的距离，连接任意多台计算机的网络，并且是可扩展的，其作用范围是覆盖一个比较广阔的区域。广域网具有如下特点。（1）广域网的覆盖范围很宽广，覆盖的地理范围从几十千米到几千千米。（2）广域网可以覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。（3）广域网的通信子网主要使用分组交换技术。（4）广域网的网络组织结构形式复杂，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。（5）广域网多采用转接信道的交换型传输机制。

4.局域网与广域网的对比（1）作用范围的比较

局域网的网络分布通常在一座办公大楼或集中的楼群内，为一个单位或一个部门所有，覆盖范围一般只有几百米到几千米；广域网的网络分布通常是一个地区、一个国家乃至全球范围，覆盖范围从几十千米到几十万千米。（2）通信介质的比较

局域网通信所选用的通信介质通常是专用的同轴电缆、双绞线、光纤等专用线缆，若使用无线介质，通常选用红外线；广域网通信所选用的通信介质通常是公用线路，如电话线、光纤等，若使用无线介质，通常选用微波。（3）通信方式的比较

局域网通信使用的通信介质通常是用来对数字信号直接进行传输的专用线路，所以局域网通信通常采用的是数字通信方式；广域网通信通常是利用公用线路，如公用电话线等，所以广域网通信通常采用是借助电话线传输的模拟通信方式，借助卫星进行通信的微波通信方式和借助于光纤通信系统实施的光波远程高速信息通信方式。（4）通信管理的比较

局域网信息传输延时小、信息响应快，所以局域网的通信管理相对简单；广域网信息传输延时大，远程通信要配置较强功能的计算机，配置各种通信软件和通信设备，通信管理复杂。（5）通信效率的比较-8-11

局域网信息传输效率高、误码率低，误码率一般在10到10之-4-6间；广域网信息传输误码率要比局域网高得多，一般在10到10之间。（6）服务范围的比较

局域网的服务对象是一个或几个拥有网络管理或使用权限的特定用户，它不是一种公用或商用的设施，通常局域网是为某个部门或单位的特殊业务工作的需要而构建的网络，所以它是具有专用性质的专用网络；广域网不仅具有专用服务特性，它还具有公用服务特性，所以在数据信息的安全保密性、防止非法用户使用、防止网络犯罪方面，对广域网络要求更高。（7）网络性能的比较

局域网和广域网具有共同的网络功能特性，但从整体上分析，局域网与广域网侧重点是完全不一样的。局域网侧重信息的处理，而广域网侧重的却是信息准确无误、安全的传输。（8）投资费用的比较

局域网建设投资少，运行费用低；广域网不仅建设投资大，而且需要高额的运行费用及系统维护费用。1.4.2 按照拓扑结构分类

拓扑学首先把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。

拓扑是一种研究与大小和形状无关的点、线、面特点的方法。我们可以把工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信媒体抽象为“线”，从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了点和线组成的平面几何图型，从而抽象出网络系统的具体结构。

计算机网络拓扑是通过网络中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。

拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用等都有重大影响。拓扑结构和传输介质决定了各种计算机网络的特点，决定了它们的数据速率和通信效率，也决定了适合于传输的数据类型，甚至决定了网络的应用领域。计算机网络的常用拓扑结构有：总线型、环型、星型、树型等。

1.总线型拓扑结构

总线型拓扑结构是使用同一媒体或电缆连接所有终端用户的一种网络连接方式，也就是说，连接终端用户的物理媒体由所有设备共享，总线结构通常用同轴电缆相连接。同轴电缆有两种，粗同轴电缆和细同轴电缆，分别用以组建粗缆网络和细缆网络。

总线型结构采用一条单根的总线为公共的传输通道，所有节点都通过相应的硬件接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。任何一个站点发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被所有其他站点所接收。总线拓扑结构如图1-6所示。图1-6 总线型网络拓扑结构（1）总线型拓扑的结构特点

● 所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；

● 各个节点地位平等，无中心节点控制；

● 总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；

● 所有节点可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突”不可避免；

● 总线型拓扑的介质访问控制采用“共享介质”的方式，所以，必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题。（2）总线型拓扑的优点

● 结构简单，实现容易；

● 网络易于扩展，增加或减少用户比较方便；

● 使用的电缆少，且容易安装；

● 使用的设备相对简单，成本低；

● 总线是无源工作的，有较高的可靠性。（3）总线型拓扑的缺点

● 总线的传输距离有限，通信范围受到限制；

● 介质（总线）的故障会导致网络瘫痪；

● 维护难，故障诊断和隔离较困难；

● 总线型网络安全性低，监控比较困难。

2.环型拓扑结构

环型拓扑结构，是使用一个连续的环将每台计算机设备连接在一起，实质上，环型拓扑结构是在粗同轴电缆总线结构的基础上，去掉线缆两端的终结器后，将线缆两头连接起来而形成的一个封闭的环。环型拓扑结构如图1-7所示。图1-7 环型网络拓扑结构

环型结构是各个网络节点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，每个节点设备只能与它相邻的一个或两个节点设备直接通信。（1）环型拓扑的结构特点

● 环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环；

● 数据在环路中沿着一个方向在各个节点传输，信息从一个节点传到另一个节点；

● 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；

● 多个节点共享一条环通路；

● 在实际应用中一般是双环结构，主环和备环。（2）环型拓扑的优点

● 环形网控制简单；

● 重负载下信道利用率高；

● 通信电缆长度短；

● 不存在数据冲突问题。（3）环型拓扑的缺点

● 环中节点过多时，影响信息传输速率，网络响应时间延长；

● 环路是封闭的，不便于扩充；

● 环的维护比较困难；

● 节点的故障会引起全网故障，因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点，一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障；

● 故障检测困难，这与总线型拓扑相似，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，因此不容易进行故障检测和隔离；

● 信道利用率低，环型拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。

3.星型拓扑结构

星型拓扑结构是，各站点通过点到点的链路与中心站相连。如果一个工作站需要传输数据，它首先必须通过中心节点。

星型结构网络上的每一台终端计算机都各自使用一条线缆连接到网络中心设备上。用于构建星型网络的主要网络设备称为集线器（Hub）。网络服务器及所有上网的终端计算机都连接在这一台集线器上。星型拓扑结构如图1-8所示。图1-8 星型网络拓扑结构

星型拓扑结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。这一特点带来了易于维护和安全等优点。某个端用户设备因为故障而停机时也不会影响其他端用户的通信。这种结构网络最大的弊病在于，中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。为此，中心系统通常采用高性能计算机或双机热备份，以提高系统的可靠性。（1）星型拓扑的结构特点

● 星型拓扑采用网络节点由一个中心向周围发散的连接方式；

● 网络有中央节点，其他节点都与中央节点直接相连，具有隔离故障的特性；

● 星型拓扑属于集中式管理方式；

● 每个节点都有独立线路，传输数据能力强，具备同时传送数据和接收数据的能力。（2）星型拓扑的优点

● 结构简单，易于安装与管理；

● 容易在网络中增加新的站点；

● 数据的安全性和优先级容易控制；

● 通过中心节点容易实现网络监控；

● 故障诊断和隔离容易，在星型网络中，中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位，单个节点的故障只影响一台设备，不会影响全网，从而方便故障诊断和隔离；

● 维护成本较低。（3）星型拓扑的缺点

● 所有站点都需专线连接至中心设备，线缆耗量大，建设成本较高；

● 在中心节点集线器上共享带宽，随着用户终端数量的增加，传输速率不断下降；

● 中心节点的负担较重，形成瓶颈。一旦中心节点发生故障，则全网受影响，因而对中心节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。

4.树型拓扑结构

树型结构是从总线型和星型结构演变来的。网络中的节点设备都连接到一个中央设备如集线器上，但并不是所有的节点都直接连接到中央集线器，大多数的节点首先连接到一个次级集线器，次级集线器再与中央集线器连接。

树型结构有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成；另一种是星型结构的演变，各节点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型结构。树型拓扑结构如图1-9所示。（1）树型拓扑的结构特点

树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到整个网络。树型拓扑的特点大多与总线型拓扑的特点相同，但也有一些特殊之处。（2）树型拓扑的优点图1-9 树型网络拓扑结构

● 易于扩展；

● 树型结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能很容易地加入网络；

● 故障隔离较容易；

● 如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。（3）树型拓扑的缺点

各个节点对根的依赖性太大，如果根节点发生故障，则整个网络都不能正常工作。从这一点来看，树型拓扑结构的可靠性有点类似于星型拓扑结构。

1.5 计算机网络的层次结构

人类的思维能力是有限的，如果同时面临的因素太多，就不容易做出精确的思维和判断。处理复杂问题的一个有效方法，就是用抽象和划分层次的方式来构造系统和分析问题。

对于计算机网络这样一个复杂的大型系统，就可以这样来处理。如图1-10所示，可将一个计算机网络抽象为若干层次。其中，第n层是由分布在不同系统中，同样处于第n层的全体子系统构成。

计算机网络的所有层次及其协议的集合，就构成了网络的体系结构。具体而言，计算机网络的体系结构就是关于计算机网络应该设置哪几层，每层应该提供哪些功能的精确定义。至于这些功能应该如何实现，则不属于网络体系结构要考虑的范围。1.5.1 分层的体系结构

计算机网络体系结构是为了完成连网计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各层及其协议的集合，网络体系结构主要研究网络层次结构及其通信规则的约定和标准。

为了便于理解网络体系结构的概念，我们以如图1-11所示的邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。图1-11 邮政系统信件发送、接收过程示意图

层次结构方法要解决的问题主要有以下3个方面：（1）网络应该设置哪些层次?每一层的功能是什么?即分层与功能问题。（2）各层之间的关系是怎样的?它们如何进行交互?即服务与接口问题。（3）通信双方的数据传输要遵循哪些规则?即协议设计问题。

总而言之，网络的层次结构方法主要包括三个方面的内容：分层及每层功能，服务与层间接口和协议。具体内容描述如下：（1）层次是人们对复杂问题处理的基本方法；（2）层次结构将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；（3）对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；（4）不同的系统分成相同的层次；（5）不同系统的最低层之间存在着物理通信；（6）不同系统的对等层次之间存在着虚拟通信；（7）对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；（8）高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。

网络体系结构中协议的概念可以说是最重要的。网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。网络协议包括三个要素：语义、语法和时序。其中，语义用于解释比特流每一部分的意义。语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义。时序即为事件实现顺序的详细说明。1.5.2 OSI参考模型

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织信息处理系统技术委员会（ISO TC97）于1978年为开放系统互连建立了分委员会SC16，并于1980 年12月发表了第一个开放系统互连参考模型（OSI/RM：Open System Interconnection/Reference Model）的建议书，1983年它被正式批准为国际标准，即著名的ISO 7498国际标准。通常人们也将它称为OSI参考模型，并记为OSI/RM，有时简称为OSI。

OSI参考模型将整个网络通信过程划分为七个层次，由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

ISO划分七层网络体系结构的基本原则如下：（1）根据功能需要划分层次，每层应当实现定义明确的功能。（2）网络中各节点都具有相同的层次，每一层功能的选择应当有助于制定国际标准化协议。（3）不同节点的同等层具有相同的功能；同一节点内相邻层之间通过接口通信。（4）层次界面，即相邻层接口的选择应尽量减少通过接口的信息量。（5）层次功能的定义和接口的划分应使得各层彼此独立，从而在接口保持不变的条件下，某一层的改变不会影响其他层。（6）每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。（7）不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。（8）层次的数量应适当，过少会使过多功能集中在同一层，使协议变得复杂；但过多又会使整个网络体系结构过于庞大，通信处理速度下降。

1.OSI分层结构的相关概念（1）实体与对等实体

每一层中用于实现该层功能的活动元素被称为实体（Entity），实体既可以是软件实体（如一个进程、电子邮件系统、应用程序等），也可以是硬件实体（如终端、智能输入/输出芯片等）。软件实体可以嵌入在本地操作系统中，或者用户应用程序中。不同主机上位于同一层次、完成相同功能的实体称为对等实体（Peer Entity）。（2）对等层和对等协议

不同主机之间的相同层次被称为对等层（Peer）。对等层之间存在协议关系，即对等实体之间互相通信需要遵循一定的规则，如通信的内容、通信的方式等。这种对等实体之间交换数据或通信时必须遵守的规则称为对等层协议（Peer Protocol）。（3）服务与接口

在OSI分层结构模型中，每一层实体为相邻的上一层实体提供的通信功能称为服务。在OSI模型中，相邻的下层为上层提供服务的界面都有统一的规则，这个服务界面就叫接口。（4）数据单元

在OSI分层结构模型中有三种不同类型的数据单元，分别是：①服务数据单元——SDU（Service Data Unit）；②协议数据单元——PDU（Protocol Data Unit）；③接口数据单元——IDU（Interface Data Unit）。（5）服务类型

在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。因此可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务用户。下层为上层提供的服务可分为两类，分别是：面向连接服务（Connection Oriented Service）和无连接服务（Connectionless Service）。（6）服务原语

服务是通过一组服务原语（Primitive）来描述的，这些原语供用户和其他实体访问服务，通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动。服务原语可以分为如下4类：

● 请求（Request）：由用户发往服务提供者，请求它完成某项工作。

● 指示（Indication）：由服务提供者发往用户，指示发生了某些事件。

● 响应（Response）：由用户发往服务提供者，是对前面发生的指示的响应。

● 确认（Confirmation）：由服务提供者发往用户，是对前面发生的请求的证实。

2.物理层的主要功能

物理层（Physical Layer）位于OSI参考模型的最低层，是构成计算机网络体系结构的基础。所有通信设备、主机都需要用物理线路相互连接。物理层建立在物理通信介质的基础之上，是网络通信系统与通信介质的物理接口。因此，物理层是整个开放系统的基础。

物理层的主要功能在于提供数据终端设备（简称DTE，如计算机）和数据通信设备（简称DCE，如Modem）之间的二进制数据传输的物理连接，将数据信息以二进制比特串的形式从一个实体经物理信道传输到另一实体，从而向数据链路层提供透明的比特流传输服务。物理层的数据传输单位称为比特（bit）。为建立、维持和拆除物理连接，物理层规定了传输介质的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性等四大特性。四大特性的具体内容如下所述。（1）机械特性

机械特性指数据终端设备和数据通信设备之间接口互连时的连接方式，包括可插接连接器的尺寸，插头的针和孔的数量与排列状况，信号线数目和排列方式、连接器的形状等。（2）电气特性

电气特性指数据终端设备和数据通信设备接口线的电气连接方式，即规定了导线的电气连接方式、信号电平（如规定了多大电压表示0，多大电压表示1）、信号波形和参数、同步方式等。（3）功能特性

功能特性指数据终端设备和数据通信设备之间每一条接口线的功能分配和确切定义。包括每条信号线的用途，如发送数据线、接收数据线、信号地线和时钟线等。（4）规程特性

规程特性定义了如何使用这些接口线。即完成物理连接的建立、维护、信息交换和拆除连接时，数据终端设备和数据通信设备在各条线路上的动作规则和动作序列。规程特性与信息的传输方式（如单工、半双工和全双工）有关，不同的传输方式其规程特性也有所不同。

3.数据链路层的主要功能

数据链路层（Data Link Layer）从网络层接收数据，并加上有意义的比特位形成报文头部和尾部（用来携带地址和其他控制信息）。这些附加了信息的数据单元称为数据帧（Frame）。数据链路层负责将数据帧无差错地从一个站点送达下一个相邻的站点，即通过一些数据链路层协议完成在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。

数据链路层的目的就是屏蔽传输媒体的不可靠因素，使高层协议不必考虑物理介质的可靠性；加强物理层传输原始的二进制数据流的功能，使之对网络层呈现一条无差错的通信链路。

数据链路层的最基本功能就是组装成帧。由于物理层不保证所传输的原始比特流的正确性，原始比特流正确性的检测就由数据链路层来处理。为了使传输中发生差错后只将包含错误的有限数据进行重发，数据链路层将比特流进行组合，以数据帧为单位进行传输。每个数据帧除要传输的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中出现的差错。发送方以帧为单位发送比特流，接收方按帧检验并接收比特流，将检验正确的数据部分交给网络层处理。

帧的组织结构必须设计成满足这样的功能：接收方能够准确地从物理层收到的比特流中，区分出帧的起始与终止处，即帧的定界。帧定界方法一般有如下几种。（1）字符计数法

在数据帧的头部使用一个字段来标明帧内字符数。如第一个字段为5时，则表示本帧有5个字符。这种成帧法可能因计数字段的差错（如5变成7）造成无法纠正的错误，目前已经很少采用。（2）带字符填充的首尾标志法

每一帧以ASCII字符序列DLE STX开头，以DLE ETX结束。报文中若遇到DLE，在其后再加一个DLE；接收端在接收数据帧时，删除多余的DLE。（3）带位填充的首尾标志法

每个帧使用一个特殊的二进制串01111110作为开始和结束标志。报文中若遇到连续的5个1，在后面添加1个0，这种方法也称为“0比特填充法”；接收端在接收数据帧时，删除连续5个1后面多余的0。（4）物理层编码违例法

在物理层采用特定的比特编码方法时选用这种方法，它适用于物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。局域网IEEE 802标准中就采用了这种方法。

4.网络层的主要功能

网络层（Network Layer）关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源站点传送到目的站点，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。

网络层是在利用数据链路层提供的两个相邻节点间传输数据帧的基础上，将高层用户的数据报文组装成数据分组（Packet）。分组中封装了网络层的头部，分组头部中含有源站点和目的站点的网络地址，确保数据链路层能将源端发出的报文送到目的端节点上。网络层的数据分组从源端点到目的端点可能要经过多个链路层相邻节点，因此，可以说网络层提供端到端传输的最低层。

网络层的主要功能包括：（1）寻址：即为了把分组传送到目的地，对目标站点进行标识。（2）路由选择：即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。（3）拥塞控制：即解决分组在传输过程中出现的阻塞、丢包等问题。

5.传输层的主要功能

传输层（Transport Layer）的主要任务是向会话层提供服务，服务内容包括传输连接服务和数据传输服务。前者是指在两个传输层实体之间负责建立、维持传输连接，以及在传输结束后拆除传输连接；后者则是要求在传输层对等实体之间提供互相交换数据的方法。传输层的服务，使高层的用户可以完全不考虑信息在物理层、数据链路层和网络层通信的详细情况，方便用户使用。

传输层位于OSI模型的第4层，负责端到端的通信，既是7层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低3层和面向信息处理的高3层之间的中间层。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最重要、最关键的一层，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。

传输层要达到两个主要目的：提供可靠的端到端的通信和向会话层提供独立于网络的传输服务。

传输层的基本功能是从会话层接收数据。如果接收的报文过大，则需将报文划分成较小的报文段（Segment），再传送给网络层，同时要保证各段信息的正确性。在接收端需要将接收到的报文段按照发送顺序拼接成报文，正确地交给接收端的会话层。

6.会话层的主要功能

会话层（Session Layer）是网络对话控制器，它建立、维护和同步通信设备之间的交互操作，保证每次会话都正常关闭，而不会突然中断使用户被挂在一旁。会话层建立和验证用户之间的连接，包括口令和登录确认；它也控制数据交换，决定以何种顺序将会话单元传送到传输层，以及在传输过程的哪一点需要接收端的确认。

会话层的主要功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传输。

会话是指提供建立连接并有序传输数据的一种方法。会话可以使一个远程终端登录到远程计算机、进行文件传输或进行其他的应用。但会话层的会话连接和传输层的传输连接是有区别的。会话连接和传输连接之间有以下3种关系：（1）一对一关系，即一个会话连接对应一个传输连接。（2）一对多关系，一个会话连接对应多个传输连接。（3）多对一关系，多个会话连接对应一个传输连接。

7.表示层的主要功能

表示层（Presentation Layer）保证了通信设备之间的互操作性。该层的功能使得两台内部数据表示结构不同的计算机能实现通信。它提供了一种对不同控制码、字符集和图形字符等的解释，而这种解释是使两台设备都能以相同方式理解相同的传输内容所必需的。表示层还负责为安全性引入的数据加密和解密，以及为提高传输效率提供必需的数据压缩及解压等功能。

表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是传输信息的语法和语义。表示层专门负责有关网络中计算机信息表示方式的问题。包括转换、加密和压缩等。

表示层的功能主要有以下几点：（1）语法转换：将抽象语法转换成传送语法，并在对方实现相反的转换。涉及的内容有代码转换、字符转换、数据格式的修改，以及对数据结构操作的适应、数据压缩、加密等。（2）语法协商：根据应用层的要求协商选用合适的上下文，即确定传送语法并进行实际的传送任务。（3）连接管理：包括利用会话层服务建立表示层连接，管理在这个连接之上的数据传输和同步控制，以及正常地或异常地终止这个连接。

8.应用层的主要功能

应用层（Application Layer）是OSI参考模型的最高层，它是应用进程访问网络服务的窗口。这一层直接为网络用户或应用程序提供各种各样的网络服务，它是计算机网络与最终用户之间的接口。

应用层的主要功能包括：（1）为应用程序提供网络服务，例如文件服务、打印服务、报文服务、目录服务、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务等。（2）应用层需要识别并保证通信对方的可靠性，使得协同工作的应用程序之间保持同步。（3）应用层要负责建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。

应用层提供的主要协议有：文件传输协议、电子邮件协议、作业传输协议、多媒体协议等。1.5.3 TCP/IP参考模型

TCP/IP是一组通信协议的统一称谓，它是因特网的核心，利用TCP/IP协议可以很方便地实现多个不同网络的互连。

TCP/IP参考模型，是在TCP/IP协议出现之后提出的。在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型，1974年定义了最早的TCP/IP参考模型，20世纪80年代对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。

TCP/IP分参考模型共分为四个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。

1.TCP/IP参考模型的特点

TCP/IP参考模型有如下几方面的特点：（1）开放的协议标准，可以免费使用；（2）独立于特定的计算机硬件与操作系统；（3）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中；（4）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的地址；（5）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

2.TCP/IP参考模型各层的功能

TCP/IP参考模型的四个层次的功能分别描述如下。（1）网络接口层

● 网络接口层是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；

● 网络接口层允许主机连入网络时使用多种现有的或主流的协议，例如局域网Ethernet、令牌网、分组交换网X.25、帧中继、ATM协议等；

● 当一种物理网络被作为通道用于传送IP数据包时，就可以认为网络接口层的内容；

● 网络接口层充分体现出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。（2）网际层

● 网际层相当OSI参考模型网络层的无连接网络服务；

● 网际层主要处理网络互连过程中的寻址、路由选择、流量控制与拥塞控制等问题；

● 网际层的IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。（3）传输层

● 传输层的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到端连接；

● 传输层提供的传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；

● 传输层的用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。（4）应用层

应用层主要提供丰富的互联网应用协议，如：

● 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。

3.TCP/IP的各层协议结构

TCP/IP参考模型提供的四个层次的协议分别如下。（1）网络接口层协议

网络接口层上的TCP/IP协议用于使用串行线路连接主机与网络，或连接网络与网络的场合，这就是SLIP协议和PPP协议。使用串行线路进行连接的例子，如家庭用户使用电话线和调制解调器接入网络，或两个相距较远的网络利用数据专线进行互连等。（2）网际层协议

网际层主要包含五个协议：IP、ARP、RARP、ICMP和IGMP。IP是用于传输IP数据报的协议，ARP实现IP地址到物理地址的映射，RARP实现物理地址到IP地址的映射，ICMP主要用于在网际层上控制信息的产生、发送、接收和分析处理，IGMP是实现组播管理功能的协议。（3）传输层协议

传输层有两个主要的协议：TCP协议和UDP协议。UDP协议是一种简单的面向数据报的传输协议，它提供的是无连接的、不可靠的数据报服务，通常用于不要求可靠传输的场合；TCP协议用于在一个不可靠的网络中，为应用程序提供可靠的端系统间的字节流服务。（4）应用层

应用层包含了许多使用广泛的网络应用协议，主要的应用层协议有提供远程登录的Telnet、提供文件传输的FTP、提供域名服务的DNS、提供邮件传输的SMTP、网络新闻NTTP、超文本传输协议HTTP协议等等。1.5.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

比较OSI参考模型与TCP/IP参考模型这两种分层网络体系结构，它们有共同点，也有不同点。（1）OSI参考模型与TCP/IP参考模型的相同点有：

● 它们都是层次结构的模型。

● 其最低层都是面向通信子网的；它们都有传输层，且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次，都能提供面向连接或无连接的传输服务。

● 其最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层。（2）OSI参考模型与TCP/IP参考模型的不同点有：

● 两者所划分的层次数不同，OSI划分为7层，TCP/IP划分为4层；TCP/IP中没有表示层和会话层；TCP/IP不区分物理层和数据链路层。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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