作者：朱迅副,杨丽波,贾建强
出版社：机械工业出版社
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计算机网络基础——基于案例与实训 第2版试读：
前言
计算机网络行业目前处于快速发展之中，人才需求量不断增加。“计算机网络基础”是该行业相关专业的一门专业基础课程，对于后续课程及知识的学习有重要作用。它是一门理论性和实践性兼具的课程，不仅包括网络协议等抽象的理论性知识，也包括局域网组建和管理、Internet接入、网络服务配置等具体的实践性环节，对教材要求较高。
具有丰富案例和实训的本书第1版出版已有6年时间，虽然TCP/IP还是计算机网络的运行基础，但变化总是存在，特别是在物理层和应用层，因此笔者认为有必要编写本书的第2版，以使本书更加贴近实际应用。以下是本书的一些主要变化：将第1版中计算机网络概述和网络体系结构两章的内容合并为第1章；第2章物理层中修改完善了光纤介质的相关知识，删减了部分数据通信的内容；第5章传输层中增加了NAT技术，特别是端口NAT的相关知识；第6章应用层中修改了Internet接入方式，删除了几种渐被淘汰的接入方式，增加了PON和LAN接入；第8章无线网和物联网中修改完善了无线局域网特别是AP和AC的相关知识；第9章实训中删除了调制解调器等实训，增加了NAT、远程桌面、动态域名等实用性较强的实训内容。
本书参考学时建议为90学时（含实训）：其中第1章4学时，第2章10学时，第3章12学时，第4章16学时，第5章10学时，第6章18学时，第7章10学时，第8章6学时，复习及习题4学时。各院校选用本书作为教材时，也可以视具体情况适当增减。
本书由朱迅任主编，杨丽波、贾建强任副主编。编写分工为：朱迅编写第1～7章，贾建强、朱重龙编写第8章，朱迅、杨丽波编写第9章。全书由朱迅统稿，淮安信息职业技术学院丁勤副教授担任主审。
为便于教师授课和学生学习，本书免费提供电子课件等资源，下载地址为http://www.cmpedu.com。
由于编者水平所限，加之时间仓促，书中会有不少缺点或错误，欢迎读者批评指正。编者第1章 计算机网络概述
学习目标
1.了解计算机网络的产生和发展历史；
2.理解计算机网络的组成、分类；
3.掌握常见网络通信介质的特点；
4.掌握常见网络拓扑结构的特点。1.1 计算机网络的发展历史1.1.1 计算机网络的产生
计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过网络设备和通信线路相互连接在一起，由协议规定其工作方式和工作过程的系统。组建计算机网络的根本目的是为了实现数据传输和资源共享。
早在20世纪50年代初，美国建立的半自动地面防空系统就是将地面的雷达和其他测量控制设备的信息通过通信线路汇集到一台中心计算机进行处理，开创了把计算机技术和通信技术结合的尝试。这类简单的“终端—通信线路—计算机”系统，成为计算机网络的雏形。20世纪60年代中后期，美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Project Agency， ARPA）建成了著名的远程分组交换式网络—ARPA网。该项目由计算机公司和大学共同研制开发，主要目标是借助于通信系统，使网内各计算机系统间能够共享资源，最终，一个实验性的4个节点（UCLA、UCSB、SRI和Utah共4所大学）网络开始运行并投入使用。ARPA网采用了当时先进的分组交换技术，由主机和子网组成，由协议和软件支持其工作，在概念、结构和网络设计方面都为后续的计算机网络打下了基础，以ARPA网使用的协议为模型产生了今天使用最广泛的TCP/IP。1969年初步建成的ARPA网，开创了“计算机—计算机”通信的时代，并呈现出多处理中心的特点，标志着计算机网络的产生。1.1.2 计算机网络的发展
1.以单主机为中心的网络
在计算机网络发展的初期，由于处理器相当昂贵，常将若干终端通过线路连接到主机，终端负责接收和发送数据，主机负责处理数据，这种结构是计算机网络的雏形，被称为第一代计算机网络，如图1-1所示。
2.以分组交换为中心的多主机网络
随着主机数量的增多，需要将远距离的若干主机连接起来协同完成任务，由此产生了分组交换网，如图1-2所示。图1-1 以单主机为中心的网络图1-2 以分组交换为中心的多主机网络
分组交换网由资源子网和通信子网组成。资源子网指所有的边缘主机，通信子网主要指分组交换设备和通信线路。有了分组交换网以后，主机之间不需要直接相连，而只需要接入通信子网。分组交换网被称为第二代计算机网络，如ARPA网就是典型的分组交换网。
3.标准化的开放性网络
为了使不同设计标准的网络能够互联互通，国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）于1983年提出了一个使各种计算机能够互连的标准框架—开放式系统互连参考模型（Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM），简称OSI。OSI模型是一个开放体系结构，它将网络分为7层，并规定每层的功能，从而使网络的发展走向标准化道路，其最大体现就是Internet的产生。Internet是一个标准化的开放性广域网，符合其标准的网络都可以接入，从而极大地促进了网络的发展。1.1.3 计算机网络的现状
我国最早着手建设计算机广域网的是铁路部门，铁道部在1980年即开始进行联网实验。1989年2月我国第一个公用分组交换网CHINAPAC通过试运行并开通业务。它由3个分组交换机、8个集中器和1个网络管理中心组成。这3个分组结点交换机分别设在北京、上海和广州，而8个集中器分别设在沈阳、天津、南京、西安、成都、武汉、深圳和北京的原邮电部数据所，网络管理中心设在北京电报局。此外，还开通了北京至巴黎和北京至纽约的两条国际电路。1994年3月，中国获准加入互联网。
2017年8月，中国互联网络信息中心（CNNIC）在京发布《第40次中国互联网络发展状况统计报告》（以下简称《报告》）。《报告》显示，截至2017年6月，互联网普及率为54.3%，超过全球平均水平4.6个百分点。我国IPv4地址数量达到3.38亿个、IPv6地址数量达到21283块/32地址，二者总量均居世界第二；中国网站数量为506万个，半年增长4.8%；国际出口带宽达到7,974,779Mbit/s，较2016年底增长20.1%。《报告》显示，截至2017年6月，我国网民规模达到7.51亿，其中手机网民规模达7.24亿，网民中使用手机上网的比例由2016年底的95.1%提升至96.3%，手机上网比例持续提升。2017年上半年，各类手机应用的用户规模不断上升，场景更加丰富。其中，手机外卖应用增长最为迅速，用户规模达到2.74亿，较2016年底增长41.4%；移动支付用户规模达5.02亿，线下场景使用特点突出，4.63亿网民在线下消费时使用手机进行支付。《报告》显示，2017年上半年，在线教育、网约出租车、网约专车或快车的用户规模分别达到1.44亿、2.78亿和2.17亿。共享单车用户规模达到1.06亿，丰富了市民出行方式。商务交易类应用持续高速增长，网络购物、网上外卖和在线旅行预订用户规模分别增长10.2%、41.6%和11.5%。网络购物市场消费升级特征进一步显现，用户偏好逐步向品质、智能、新品类消费转移。同时，线上线下融合向数据、技术、场景等领域深入扩展，各平台积累的庞大用户数据资源进一步得到重视。1.1.4 计算机网络的未来
未来的计算机网络将更关注于带宽、应用、安全、QoS（服务质量）、终端多样性、智能化等，并且与软件技术和人工智能技术会进行更加深度的融合。下面的一些例子读者可能都有体会：
1）带宽。有线通信网中光纤到户的线缆敷设方式得到广泛应用，十万兆级数据中心交换技术的发展使得云计算和虚拟化成为可能，通过4G无线通信技术可以观看在线高清视频，而5G无线通信技术也将在2020年左右普及应用。
2）应用。越来越多的设备可以通过网络进行管理和控制，例如小米公司的电饭煲、摄像头甚至电器插座都可以通过手机进行远程控制。而越来越多的应用会通过无线技术实现，例如共享单车、无线充电、网上购物等。
3）终端。物联网技术使得装有传感器的设备都可以与互联网连接，Wi-Fi技术使得越来越多的智能家居设备出现，全球定位系统的发展使得交通出行更加便利。
4）智能化。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术与网络技术不断融合，扫地机器人已经走进千家万户，无人驾驶技术已进入实车测试阶段，
5）SDN。软件定义网络（Software Defined Network, SDN）是一种新型网络架构，是网络虚拟化的一种实现方式，通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。1.2 计算机网络的组成
计算机网络主要由网络终端、网络设备、通信介质等组成。1.2.1 网络终端
网络终端指位于网络拓扑结构末端的设备，可以接收和发送数据，一般提供人机接口。常见的网络终端设备包括计算机、手机、打印机、IP电话、智能家电、监控设备、读卡器等。1.2.2 网络设备
网络设备指位于网络拓扑中间节点的设备，主要功能是数据转发。网络设备在数据转发过程中所起的作用如下。
1）数据形式转换。例如调制解调器用于数字信号和模拟信号的转换，光纤收发器用于光信号和电信号的转换。
2）数据信号整形放大。信号在传输的过程中会产生衰减和干扰，为避免信号传输超过一定距离后失真，需要及时地将信号整形放大，如放大器、中继器等。
3）数据广播。在多端口节点中，把从一个端口接收的数据广播发送到多个端口，如集线器等。
4）数据寻址。在多端口节点中，根据数据中提供的地址，把从一个端口接收的数据转发到目的地址所在的端口，如交换机、路由器等。1.2.3 通信介质
通信介质是网络中信息传输的载体，其性能特点对传输速率、传输距离、传输可靠性、可连接的网络节点数目等都有很大的影响，必须根据不同的通信要求，合理地选择通信介质。常用的有线通信介质包括双绞线、光缆和同轴电缆等，常用的无线通信介质包括微波、红外线和无线电等。关于各种通信介质的特点和用途将在第2章中作详细介绍。1.3 计算机网络的分类
在计算机网络的研究中，常见的分类方法有以下几种：按地理覆盖范围，将网络划分为局域网、广域网和城域网；按拓扑结构，将网络划分为总线型网络、环形网络、星形网络、树形网络、网状网络；按传输介质工作方式，将网络划分为共享介质的网络和交换式网络等。1.3.1 按地理覆盖范围分类
1.局域网
局域网（Local Area Network，LAN）是分布在较小地理范围内的网络，通常用专用通信线路连接，因而数据传输速率较高。局域网的本质特征是覆盖范围小、数据传输速度快。
局域网的主要特点如下：
● 地理范围一般不超过几千米，通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为单个组织所有，一般由具体单位进行管理；
● 通信速率高，传输速率一般为10～100Mbit/s，甚至1000Mbit/s以上；
● 易于安装、组建与维护，节点的增删容易，具有较好的灵活性。
2.广域网
广域网（Wide Area Network，WAN）通常是指分布范围较大，覆盖一个地区、国家甚至全球范围内的互联通信网络。广域网的本质特征是覆盖范围大、采用的协议和网络拓扑结构多样化。如Internet就是广域网的一种。
广域网的主要特点如下：
● 通常采用公共通信网作为通信子网，整个网络一般由一个或多个电信运营商管理；
● 数据在传输过程中要经过多个网络设备，数据传输速率较低、传输延时较大。
3.城域网
城域网（Metropolitan Area Network，MAN）是一种介于广域网和局域网之间的网络，覆盖范围通常是一个城市的规模，从几千米到几十千米甚至几百千米。城域网设计的目标是满足一个地区内的计算机互联的要求，以实现大量用户、多种信息传输为目标的综合信息传输网络。1.3.2 按拓扑结构分类
网络中各个节点相互连接的方法和形式称网络拓扑，主要有总线型拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑、网状拓扑和混合型拓扑等，如图1-3所示。拓扑结构的选择往往和多种因素紧密相关，如网络节点的数量和位置、传输介质的选择、介质访问控制方式、要求达到的服务质量或网络性能等。选择拓扑结构时，考虑的主要因素通常是费用、可靠性和灵活性，目前使用较多的拓扑结构有星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑和混合型拓扑。图1-3 网络拓扑结构a) 总线型b) 环形c) 星形d) 树形e) 网状
1.总线型拓扑
总线型拓扑结构采用单个总线进行通信，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输总线上，一个网段内的所有节点共享总线资源。因为所有的节点共享一条公用传输链路，所以一次只能由一个设备传输，不允许有两个或以上的节点同时使用总线，总线的带宽成为网络的瓶颈，网络的性能和效率随着网络负载的增加而下降，并且需要采用某种形式的访问控制策略来决定下一次哪一个站可以发送。
总线拓扑的优点：
● 结构简单、易于扩充。增加新的站点，可在任一点将其接入；
● 电缆长度短、布线容易。所有的站点接到一个公共数据通路，因此只需很短的电缆长度，从而减少了安装费用，易于布线和维护。
总线拓扑的缺点：
● 故障诊断困难。由于不是集中控制，故障检测需在网上各个站点上进行；
● 网络性能较差。共享总线的带宽成为网络的瓶颈。
基于以上特点，总线型网络较适用于单向广播型网络，如有线电视网、语音广播网等，在计算机网络中目前使用较少。
2.环形拓扑
在环形拓扑结构中，各个网络节点连接成环。在环路上信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择的问题。由于多个设备共享一个环，因此需要对此进行控制，以便决定每个站在什么时候可以发送数据。这种功能是用分布控制的形式完成的，每个站都有控制发送和接收的访问逻辑。
环形拓扑的优点如下：
● 结构简单、容易实现、无路径选择；
● 所需电缆长度和总线拓扑相似，但比星形拓扑要短得多。
环形拓扑的缺点如下：
● 可靠性较差。在环上的数据传输要通过接在环上的每一个站点，环中某一个节点出故障就会引起全网故障；
● 故障诊断困难。因为某一个节点故障都会使全网不工作，因此难于诊断故障，需要对每个节点进行检测。
3.星形拓扑
星形拓扑是由中央节点和通过点到点链路接到中央节点的各站点组成。中央节点执行集中式通信控制策略，而各个站点的通信处理负担都很小，一旦建立了通道连接，能以较高速率在连通的两个站之间传送数据。星形拓扑结构广泛应用于网络中智能控制集中于中央节点的场合。
星形拓扑的优点如下：
● 便于管理、结构简单、扩展网络容易，增删节点不影响网络的其余部分，易于更改，也易于检测和隔离故障；
● 网络性能较高。各条线路可以同时进行数据传输。
星形拓扑的缺点如下：
● 依赖于中央节点。中央节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高；
● 电缆长度长。每个站点直接和中央节点相连，这种拓扑结构需要大量电缆，安装、维护等费用相当可观。
4.树形拓扑
树形拓扑可以认为是分层的星形拓扑，其特点和星形拓扑类似，与星形拓扑相比更适合分层管理。如图1-4所示的局域网拓扑是一个典型的树形拓扑。图1-4 典型树形拓扑结构
5.网状拓扑
网状拓扑节点之间的连接是任意的、无规律的，即任两个节点之间可以没有、有一条或有多条线路。网状拓扑的优点是系统可靠性高，如果有一条链路发生故障，则网络的其他部分仍可正常运行。网状拓扑的缺点是结构复杂、建设费用高、布线困难。通常网状拓扑用于大型网络系统和公共通信骨干网，在局域网和城域网中很少使用。
6.混合型拓扑
混合型拓扑由以上两种或多种拓扑结构混合而成。它可以综合多种拓扑结构的优点，使用较多。如图1-5所示的拓扑就是由环形拓扑和星形拓扑混合而成的。图1-5 混合型拓扑结构1.3.3 按传输介质工作方式分类
1.共享介质网络
共享介质访问技术意味着有多个设备或终端连接在同一段通信介质上且均有使用权限，需要共享该通信介质资源。如果多个设备同时使用共享介质会发生冲突，此时需要通过协议来协调各设备使用共享介质的时间段。例如校园或楼宇内的语音广播系统就是典型的共享介质网络。
共享介质网络的特点是：结构简单、易于扩充、线缆总长度较短、造价较低，但随着网络设备的增加，每个设备占用传输介质的时间将越来越少，网络通信的延时也将越来越大，网络的性能将越来越差。
2.交换式网络
交换技术是将传统共享介质分成一系列独立的网段，每一段上仅连接两台网络设备或终端，从而将大的通信流量分成许多小的通信支流，从根本上消除了共享介质造成的拥塞和瓶颈。通过分段，还可以对特定的网段隔离通信或进行控制，从而使网络配置和管理更加方便灵活。交换式网络类似于电话网，电话网通过各电话交换机连接起来，每个电话交换机又连接若干个电话机，即使在同一地区的两个电话用户之间通话也要通过电话交换机。在交换式网络中，需要设置网络交换机，与网络交换机相连的计算机之间通过交换机进行通信。
交换式网络的特点是：便于管理、容易扩展，增删节点不影响网络的其余部分，也易于检测和隔离故障，网络性能较高，各条线路可以同时进行数据传输，但线缆总长度较长，且需要增加交换设备，造价较高。
共享介质网络和交换式网络的区别如图1-6所示。图1-6 共享介质网络和交换式网络示意图a) 共享介质网络b) 交换式网络1.4 网络体系结构1.4.1 层的概念及作用
在计算机网络中，各个节点之间需要不断地交换数据与控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个节点都要遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（protocol）。
协议是一种通信规约。从广义上说，人们之间的交往就是一种信息交换的过程，人们每做一件事都必须遵循一种事先约好的规定。那么为了保证计算机网络中大量计算机之间正常的数据交换，就必须制定一系列的通信协议。
为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层（layer）或级（level）的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同。然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。
如何理解分层的作用和必要性，举例来说，通过邮局寄信时，用户将信给邮局，邮局将信交给运输部门，最终由运输部门负责运输，如图1-7所示。这个过程中存在着同层之间的约定和上下层之间的约定。例如，用户之间的约定体现在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；寄信人和邮局之间也要有约定，即规定信封写法并贴邮票；邮局和运输部门也有约定，如到站地点、时间、包裹形式等。图1-7 邮政系统分层模型
由此例可以看出，系统分层后，每一层都有自己的功能，同层之间有约定，上下层之间有接口。下层是对上一层服务的，相同层之间（在下层的帮助下）就好像直接进行对话。分层的最大好处在于把复杂的事情分解成一个个小问题，使复杂问题简单化。1.4.2 OSI七层模型
国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）于1977年成立了专门机构，研究不同网络体系结构互连问题。提出了开放系统互联参考模型（Open Systems Interconnection Reference Mode，OSI/RM），简称为OSI模型，“开放”在这里表示能使任何两个遵守OSI模型和有关标准的系统实现互连。分层的原则如下：
1）每一层应当实现一个定义明确的功能。
2）每一层都为它上面一层提供一些服务，并将该层无法完成的细节交由下一层处理。
3）每层功能的选择应该有助于网络协议的标准化。
4）各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。
5）层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则结构就会过于庞大。
OSI参考模型共划分为7层，从下到上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。如图1-8所示，图中虚线连接表示同层之间的协议，实线表示数据流。在发送方数据由应用层逐层传递到物理层，在接收端数据由物理层传递到应用层。图1-8 OSI七层模型
下面简要介绍各层的功能。
1.物理层（Physical Layer）
为在物理媒体上建立、维持和终止数据比特流的物理连接提供机械、电气、功能和过程的手段。物理层是OSI模型的最底层，也是唯一的实通信层，其他各层的通信都是虚通信。物理层负责在网络上传输数据比特流，即按位进行传输，而不去理会数据的含义或格式。
2.数据链路层（Data Link Layer）
通过校验、确认和反馈重发等手段将原始的物理连接改造成可靠的数据链路。数据链路层负责相邻节点间的数据传输，要解决将比特组合成帧（Frame）和差错控制等问题。帧是数据链路层的数据单元，即在数据链路层按帧进行传输。
3.网络层（Network Layer）
网络层是通信子网的最高层次，解决路由选择、拥塞控制和网络互连等问题。网络层控制着通信子网，所谓通信子网就是实现路由和数据传输所必需的传输介质和交换组件的集合。网络层传输的数据单元称为分组或包（Packet）。典型的网络层协议是网络互连协议（Internet Protocol，IP）。
4.传输层（Transport Layer）
传输层提供可靠有效的端到端的网络连接。传输层能根据上层用户提出的传输连接请求，为其建立具有数据分流或线路复用功能的一条或多条网络连接。传输层使会话层不受通信子网更替和技术变化的影响，为双方主机间通信提供了透明的数据通道。因此，传输层是第一个端对端，也就是主机到主机的层次，从该层起向上各层都称为“高层”，高层协议都是端对端的协议。典型的传输层协议有传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。
5.会话层（Session Layer）
允许不同主机上各种进程之间进行会话，并提供会话管理的功能，其数据流方向控制模式有3种，即单工、半双工和全双工。会话层是发送端进程到接收端进程的层次。
6.表示层（Presentation Layer）
为上层用户提供共同需要的数据语法表示变换，完成数据转换、压缩与解压缩、加密与解密等基本操作。
7.应用层（Application Layer）
应用层是OSI模型的最高层，直接为最终用户服务，能提供包括事务处理、文件传输、电子邮件、远程登录和资源定位等服务在内的各种网络用户服务。1.4.3 分层数据传输机制
正如寄信时要在信纸外面套上信封并填写地址、邮编等信息后收件人才能收到信一样，数据在发送时必须按照一定的格式在数据前面加上头部，仅有数据本身是无法在复杂的网络中通行的。数据头部一般包括发送方和接收方信息、数据包长度、数据校验码等信息，并且由于应用层的数据量往往较大（如一个文件或一个视频），如果将其整体作为一个数据包传递的话，一旦网络出现拥挤或堵塞的情况，接收方将无法正确接收，因此往往将要发送的数据分割为若干数据块，再加上头部生成若干个数据包发送，这样生成的数据包大小便于在网络中传输，即使出现个别数据包丢失或接收不正确的情况也不需要将所有的数据重传。
发送方数据包生成过程如图1-9所示，首先将要发送的数据按指定大小分割成若干数据块，然后分别添加头部生成若干数据包并发送。这个过程被称为封装或打包。图1-9 封装（打包）
接收方的过程正好相反，即去掉接收到的数据包的头部信息，并将数据块拼接在一起。如图1-10所示。图1-10 解封装（解包）
在OSI模型中，由于整个网络被分成7层，数据在发送方从上一层到下一层的每一次传递都需要按照该层的功能及协议的格式要求进行封装，因此一共需要添加6个头部信息即经过6次封装才到物理层。在物理层将所有数据作为比特流按位发送到接收方，接收方经6次解封装才能到达最上层，如图1-11所示。
通过上述分析，可以总结分层数据传输过程如下：
1）数据在发送方从最上层（应用层）到最下层（物理层）需经多次封装，最终由物理层传输比特流。接收方从接收到数据后从最下层（物理层）到最上层（应用层）需经多次解封装。图1-11 OSI分层数据传输
2）数据包封装过程是：先将接收到的上层数据分割成一定长度的数据块，再分别添加本层的头部。其中添加头部数据的目的是为了完成该层的功能。
3）物理层最终传输的数据除了应用层要传输的数据外还有各层的头部数据，因此网络实际流量要大于应用层需要传输的数据量。例如要传输一个1MB的文件可能引起3MB的网络流量。
思考：在网络中间节点的网络设备上，数据是从下（底层）往上（高层）传输还是从上（高层）往下（底层）传输？1.4.4 TCP/IP
OSI模型是一种理论化的标准，标准的实现被称为协议。目前使用最广泛的协议是TCP/IP，TCP/IP实际上是一个协议系列，或称为协议簇，而TCP和IP是其中的两个最基本、最重要的子协议，因此，通常用TCP/IP来代表整个协议系列。对应OSI模型的层次结构，并且为了实现的简单性，TCP/IP将OSI部分层次的功能合并，合并后共有4层：网络接口层、网络层、传输层和应用层，如图1-12所示。图1-12 TCP/IP协议簇及其与OSI模型的层次对应关系
TCP/IP各层简要说明如下：
1.网络接口层（Network Interface Layer）
对应OSI模型的物理层和数据链路层，主要实现物理寻址与比特流传输。目前使用较多的协议是Ethernet（以太网）协议。
2.网络层（Internet Layer）
对应OSI模型的网络层，主要实现路由选择、拥塞控制等。目前使用较多的协议是IP。
3.传输层（Transport Layer）
对应OSI模型的传输层，主要实现端到端的连接。目前使用较多的协议是TCP和UDP。
4.应用层（Application Layer）
对应OSI模型的上3层（应用层、会话层、表示层），主要实现各种网络服务。根据不同的应用功能有不同的应用层协议，目前使用较多的协议包括HTTP、FTP、Telnet协议、DHCP等。
TCP/IP协议簇中的主要协议如表1-1所示。表1-1 TCP/IP协议簇主要协议1.5 应用案例
案例描述：
公司在工业园区盖了两栋楼（A楼和B楼），即将搬迁，公司领导交给小朱一项任务：设计合理的网络拓扑。已知A楼中有行政部（50台计算机）、销售部（50台计算机）、研发部（100台计算机）以及一台服务器，B楼中有生产部（500台计算机）。
案例分析：
拓扑结构选择方面，如采用总线型结构，则数百台计算机使用同一总线，网络性能较差；如果采用环形拓扑，则安全性不高，任何一台主机发生故障都可能使一个网段出现故障；如果使用星形拓扑，则中心节点负担过重，且需要一个数百端口的交换机，而一般交换机上只用几十个端口；如果采用网状结构，又不便于管理且容易产生环路。
经过以上分析，应选择树形拓扑，其优点主要包括：
● 组网方便，可以分层组网；
● 中心交换设备可提高网络性能；
● 便于管理和维护。
解决方案：
小朱设计的拓扑图如图1-13所示。整个网络采用树形结构连接各网络设备和主机。图1-13 公司网络拓扑1.6 本章小结
计算机网络主要由网络终端、网络设备、通信介质等组成。一般将计算机网络按照覆盖范围可分为局域网、城域网和广域网；按拓扑结构分为总线型拓扑、环形拓扑、星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑、混合型拓扑等；按传输介质工作方式可分为共享介质网络和交换式网络。
计算机网络由于其功能的复杂性，需要按照其功能进行层次化的结构设计，不同层的功能相对独立，上下层之间留有接口。国际标准化组织为了将网络结构标准化以便于网络互连，定义了OSI七层模型。OSI模型仅仅定义了模型和标准，并没有涉及具体的实现方式。而TCP/IP参考OSI模型，实现了各层的功能，并得到了广泛的应用，成为实际的工业标准。习题
一、选择题
1.所有终端共享传输链路和带宽的拓扑结构是（ ）。
A.总线型拓扑
B.环形拓扑
C.星形拓扑
D.网状拓扑
2.树形拓扑结构是一种分层的（ ）。
A.总线型拓扑
B.环形拓扑
C.星形拓扑
D.网状拓扑
3.Internet属于（ ）。
A.总线型拓扑
B.环形拓扑
C.星形拓扑
D.网状拓扑
4.关于层的描述错误的是（ ）。
A.同层间有接口
B.上下层间有接口
C.每一层有相对独立的功能
D.下层为上层提供服务
5.下列关于OSI模型和TCP/IP说法错误的是（ ）。
A.定义OSI模型和TCP/IP的目的都是为了实现网络的正常工作以及不同网络的互联
B.OSI模型定义了每一层应完成功能，TCP/IP定义了每一层功能的实现方法
C.OSI模型相对抽象，TCP/IP相对具体
D.OSI模型分成4层，TCP/IP分成7层
6.关于OSI分层数据传送机制说法错误的是（ ）。
A.发送方数据从顶层到底层，接收方数据从底层到顶层
B.发送方应用层发送的数据量和发送方物理层传输的数据量一致
C.发送方应用层发送的数据量和接收方应用层接收的数据量一致
D.只有物理层向接收方传输了数据，其余各层仅完成上下层之间的封装和解封装
7.下列关于数据封装和解封装说法错误的是（ ）。
A.发送方按照一定格式封装数据，接收方按照一定格式解封数据
B.在分层体系中，数据从顶层到底层的过程中要被封装多次
C.封装时，上层的数据成为下层的头部
D.上层的一个数据包有可能被封装成下层的多个数据包
8.数据包的头部中一般不包括（ ）。
A.地址信息
B.校验码
C.数据包长度信息
D.上层数据
9.TCP/IP的应用层不包括OSI模型的（ ）。
A.网络层
B. 会话层
C.表示层
D.应用层
10.选择OSI模型各层的主要功能：
物理层（ ）、数据链路层（ ）、网络层（ ）、传输层（ ）、会话层（ ）、表示层（ ）、应用层（ ）。
A.提供端到端的可靠或不可靠传输
B.实现人机接口，提供用户服务
C.提供物理地址寻址、差错控制等功能，实现点到点的成帧传输
D.定义信道的机械、电气、功能等特性，传输比特流
E.数据表示，压缩与解压缩，加密与解密等
F.路由选择，拥塞控制，网络互连
G.管理进程间的会话
二、简答题
1.计算机网络的组成包括哪几个部分？
2.什么是网络协议？为什么设计网络协议时要进行分层设计？
3.简述OSI模型和TCP/IP的联系和区别。第2章 物理层
学习目标
1.了解物理层的作用和数据通信模型；
2.掌握常见网络通信介质及其特点；
3.理解数字信号和模拟信号的区别，理解数据编码技术；
4.了解数据传输相关技术。
建议实训
实训1：双绞线制作
实训2：串行通信技术2.1 物理层概述2.1.1 物理层的作用
物理层是计算机网络OSI模型中最低的一层，物理层的目的是为了在物理介质上传输信号，并尽可能使对方能够正确地接收信号。因此，物理层规定了为传输数据所需要的物理链路的创建、维持、拆除等规程，并提供具有相关介质和设备的机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
简单地说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。为数据传输提供可靠的环境。物理层并不仅仅指物理介质，而是包括了介质、信号以及传输技术（即如何在介质上传输信号）。2.1.2 数据通信基本模型
数据通信系统的基本结构可以用一个简单的通信模型来表示。产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信。在数据通信系统中，也将通信线路称为信道，如图2-1所示。图2-1 理想状态的通信模型
在理想状态下，数据从信源发出到信宿接收，不会出现问题，但实际的情况并非如此。由于实际数据通信系统的信道中存在干扰噪声，传送到信道上的信号在到达信宿之前可能会受干扰而出错，如图2-2所示。因此，为了保证在信源和信宿之间能够实现正确的信息传输与交换，除了使用一些克服干扰以及差错的检测和控制方法外，还要借助于其他各种通信技术来解决这个问题，如调制、编码、复用等，而对于不同的通信系统，所涉及的技术也有所不同。图2-2 实际状态的通信模型2.2 通信介质
通信介质是网络中信息传输的载体，其性能特点对传输速率、传输距离、传输可靠性、可连接的网络节点数目等都有很大的影响，必须根据不同的通信要求，合理地选择通信介质。2.2.1 有线介质
1.双绞线
由若干对双绞线缆（一般为4对）及外包保护套组成。两根绝缘的金属导线扭在一起而成双绞线，线对扭在一起可减少相互间的电磁干扰，如图2-3所示。图2-3 双绞线
双绞线分为STP（Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）和UTP（UnShielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）。非屏蔽双绞线易弯曲易安装，价格较低，使用较为广泛，但非屏蔽双绞线中的传输信号可以被特殊设备截获；屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层，屏蔽层可减少辐射，也可阻止外部电磁干扰的进入，因此在安全性要求更高的场合会使用屏蔽双绞线。
非屏蔽双绞线的有效传输距离一般为100m。EIA（Electronic Industries Association，电子工业协会）为双绞电缆定义了多种质量级别，目前常用的是超5类（CAT-5e）和6类（CAT-6）双绞线。其中超5类线传输速率为100Mbit/s，常用于百兆位以太网；6类线传输速率为1000Mbit/s（4对线中每对线可传输250Mbit/s），常用于千兆位以太网。
思考：双绞线适用于楼宇内部的布线还是楼宇间的布线，为什么？
2.光纤
光纤使用光脉冲形成的数字信号进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率极高，因此其传输速率高，抗干扰能力强，信号衰减小，传输距离远。
根据光源不同，可将光纤分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。单模光纤中光线只沿光纤的内芯进行传输，如图2-4a所示，完全避免了模式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量、长距离的光纤通信，其传输距离可达100km。多模光纤中光线有多个模式在光纤中传输，如图2-4b所示，由于色散或像差，传输性能较差，频带较窄，传输距离一般小于5km。图2-4 单模光纤和多模光纤a) 单模光纤b) 多模光纤
由于光纤细微且易折断，一般放置在光缆中使用。光缆由光纤芯、包层和护套层组成，如图2-5所示。根据光缆中光纤芯的数量分为单芯光缆和多芯光缆，图2-5所示的是多芯光缆。由于单芯光缆不能实现全双工（同时双向）传输，因此计算机网络中大多采用多芯光缆。
光缆终端一般使用光缆终端盒熔接并固定，如图2-6所示，将光缆固定，光缆终端盒的作用和我们日常生活中的墙壁电源插座类似，是一个固定装置并留有接口。在光缆终端盒中将光缆里的每一根光纤芯分别熔接和光纤尾纤（又称光纤跳线）相连。图2-5 光缆图2-6 光缆终端盒
光纤一般用于数字信号的长距离传输，但由于计算机、交换机、路由器等设备和终端最终处理的是电信号，因此光纤接入电子设备时还需要进行光电转换，常见的光电转换设备包括光纤收发器、光模块、光纤网卡等。（1）光纤收发器
光纤收发器价格便宜，使用方便，一般有一对光口和一个电口，可以实现光信号和电信号的相互转换，连接方式如图2-7所示。图2-7 光纤收发器连接示意图
图2-8所示的是一台常见的千兆位以太网光纤收发器，其左侧为光口，可插入光纤尾纤；右侧为电口，可插入双绞线；光口和电口之间的指示灯可以指示连接状态和传输速率。（2）光模块
光模块（图2-9）也可以实现光电转换，但光模块不能单独使用，必须插入支持光模块的设备，例如带光口的交换机，如图2-10所示。和光纤收发器相比，光模块+光交换的方案价格较高，但可以实现多路光电信号的转换和交换。图2-8 光纤收发器图2-9 光模块图2-10 带光口的交换机（3）光纤网卡
随着光纤入户接入方式的推广，越来越多的光纤进入家庭和办公室。如需将光纤直接接入计算机终端，可以在计算机上安装光纤网卡取代双绞线网卡，如图2-11所示。图2-11 光纤网卡
3.同轴电缆
同轴电缆由铜质导体、绝缘层、屏蔽层和保护塑料外层组成，如图2-12所示。这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而具有很好的抗干扰特性。图2-12 同轴电缆
同轴电缆按带宽分为两类：基带同轴电缆，用于直接传输离散变化的数字信号，阻抗为50Ω；宽带同轴电缆，用于传输连续变化的模拟信号，阻抗为75Ω。
早期同轴电缆曾广泛用于总线型局域网，但由于目前计算机网络多为星形结构，且相对于双绞线来说同轴电缆造价较高、安装较复杂，因此在计算机网络中已很少使用。目前同轴电缆主要用于有线电视、语音广播等单向总线型网络。2.2.2 无线介质
无线介质包括微波、红外线、无线电和激光等，它们无需架设或铺埋通信介质，且允许终端设备在一定范围内移动。
1.无线电波
大气中的电离层是具有离子和自由电子的导电层。无线电波通信就是利用地面的无线电波通过电离层的一次或多次反射，而到达接收端的一种远距离通信方式。无线电波广泛用于室内通信和室外通信。由于无线电波传播距离很远，并很容易穿过建筑物，而且可以全方向传播，使得无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。例如常见的Wi-Fi、蓝牙、GPS等都使用无线电波进行通信。
2.红外线
红外线通信在发送端设有红外线发送器，接收端要有红外线接收器。红外线的频率在300G～200 000GHz。使用红外线进行通信具有以下优点：收发信机体积小、重量轻、价格低，红外线的频率范围比较灵活，不受各个国家和地区输出的限制。缺点是距离较短且不允许有障碍物。例如遥控器一般都使用红外线进行传输。
3.微波
微波是一种具有极高频率（通常为300M～300GHz）、波长很短的电磁波。在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以微波的信号传输一般限定在视线距离内的直线传播。微波具有传播较稳定，受外界干扰小等优点。但在传播过程中，难免受到影响而引起反射、折射、散射和吸收现象，产生传播衰减和传播失真。例如无线广播电视、军事雷达、卫星系统一般都使用微波进行通信。
4.激光
激光通信是利用激光束调制成光脉冲来传输数据。激光通信只能传输数字信号，不能传输模拟信号。激光通信必须配置一对激光收发器，而且要安装在可视范围内。激光的频率比微波高，可以获得较高带宽，激光具有高度的方向性，因而难以窃听和被干扰。缺点在于激光源会发出少量射线污染环境，所以只有通过特许后才能安装。2.3 信号及其编码2.3.1 信息、数据和信号
信息（Information）是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的表示形式多种多样，可以是数值、文字、图形、声音、图像和动画等，这些信息的表现形式通常被称为数据。所以数据可以定义为是把事物的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述，如十进制数、二进制数、字符、图像等。
数据（Data）的概念包括两个方面：其一，数据内容是事物特性的反映或描述；其二，数据以某种介质作为载体，即数据是存储在介质上的。显然，数据和信息的概念是相对的，甚至有时可以将两者等同起来。数据可以分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据取连续值，如表示声音、图像、电压、电流等数据；数字数据取离散值，如自然数、字符文本的取值都是离散的。例如字母A的ASCII码是01000001，这类文字编码属于数字数据。
信号（Signal）是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。信号可以是模拟的，也可以是数字的。
1）模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，其取值可以是无限多的，如语音信号；这种信号可以按照不同频率在各种不同的介质上传输。模拟信号的特点是直观、容易实现，但保密性和抗干扰能力差。
2）数字信号是一种离散的脉冲序列，它取几个不连续的物理状态来代表数字，其取值是有限的。最简单的离散数字是二进制数字0和1，它们分别由信号的两个物理状态（如低电平和高电平）来表示。利用数字信号传输的数据，在受到一定限度内的干扰后是可以被恢复的。
模拟信号和数字信号的波形图如图2-13所示。图2-13 模拟信号和数字信号的波形图a) 模拟信号（连续） b) 数字信号（离散）
由于在计算机网络中传输的基本都是数字信号，因此本章主要介绍数字信号相关的编码技术和传输技术。模拟信号和数字信号的转换可以参考第2.4.4节。2.3.2 数据编码技术
数据编码分为数字数据编码和模拟数据编码。其中使用较多的是数字数据编码。数字数据编码是指将不同数字信号（二进制中为0和1）转换为不同的电信号的过程。
数字数据在传输之前需要进行数字编码。编码技术要考虑到编码的抗干扰性、易同步性、易纠错性等。常用的数字数据编码方式主要有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。数字数据011101001采用这3种编码方式后，它的编码波形如图2-14所示。图2-14 常见数字数据编码波形
1.不归零编码
不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）可以用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。NRZ编码的缺点是发送方和接收方不能保持同步，需采用其他方法才能保持收发同步。
2.曼彻斯特编码
曼彻斯特（Manchester）编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”；若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”。
曼彻斯特编码的优点是每一比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步。
3.差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特（Difference Manchester）编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收、发端之间的同步，但每位二进制数据的取值根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。2.4 数据传输技术2.4.1 信道通信方式
1.单工通信
单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图2-15所示。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。图2-15 单工通信
2.半双工通信
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