计算机网络与通信(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：申普兵 主编

出版社：人民邮电出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

计算机网络与通信(第2版)试读：

图书在版编目（CIP）数据

计算机网络与通信/申普兵主编；刘红燕等编著.--2版.--北京：人民邮电出版社，2012.9

21世纪高等院校信息与通信工程规划教材

ISBN　978-7-115-28841-7

Ⅰ.①计…　Ⅱ.①申…②刘…　Ⅲ.①计算机网络—高等学校—教材②计算机通信—高等学校—教材　Ⅳ.①TP393②TN91

中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第172723号内容提要

本书共分12章，主要内容包括计算机网络基础知识、网络体系结构与参考模型、物理层、数据链路层、局域网、网络层、广域网、传输层、应用层、网络安全、网络管理和网络设计基础等知识，反映了计算机网络与通信技术的发展进程和最新进展。

本书内容翔实，概念清楚，在叙述时力求深入浅出，并在每章前有重点、难点提示，每章后有小结和习题。

本书是高等院校通信工程和计算机网络等专业的教材，也适合从事通信、计算机网络工作的专业技术人员阅读参考。21世纪高等院校信息与通信工程规划教材计算机网络与通信（第2版）

◆主编　申普兵

编著　刘红燕　梁璟　赵卫伟　行明顺

责任编辑　滑玉

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市崇文区夕照寺街14号

邮编　100061　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

北京艺辉印刷有限公司印刷

◆开本：787×1092　1/16

印张：21　　2012年9月第2版

字数：489千字　　2012年9月北京第1次印刷ISBN　978-7-115-28841-7定价：42.00元读者服务热线：（010）67170985　印装质量热线：（010）67129223反盗版热线：（010）67171154第2版前言

进入21世纪，世界各国均把建立以计算机网络为基础的信息系统，作为重大战略决策来对待。计算机网络技术和通信技术已密不可分，并且渗透到人们生产和生活的每个角落，特别是多媒体技术的出现以及个人计算机进入家庭，计算机的用户已经从专业技术人员扩展到社会各个阶层的人士，人们对计算机网络与通信有了新的认识和新的需求，希望了解计算机网络与通信有关知识的人员正在迅速增加。

本书第2版在保留第1版基本框架的基础上，结合作者多年来从事计算机网络教学和科研的心得体会，以及计算机网络技术的最新发展，在内容上进行了较大的更新，在结构上进行了必要的调整，使其更加适合当前教学使用。

内容上更新了无线局域网、IPv6、IP 多播和常用网络安全系统等新的、热点的技术知识，对局域网、广域网和传输层等部分内容进行了调整。结构上将原书第4章物理层与数据链路层拆分为物理层和数据链路层两章分别进行介绍，将原书第2章数据通信基础的内容纳入物理层介绍，将原书第8章高层协议调整为传输层和应用层两章进行介绍。调整后的结构更符合人们对计算机网络体系结构的认知。

本书主要内容包括：第1章讨论了计算机通信网的产生与发展、概念与功能、分类与应用；第2章介绍了网络体系结构与参考模型，对 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型进行了讨论比较，提出了一种5层的混合模型结构。第3章讨论了物理层概念、接口特性以及数据通信传输方式和交换方式、传输介质和信道容量、信道复用技术、差错控制技术等与物理层相关的数据通信基础知识。第4章讨论了数据链路层的概念、功能、ARQ 协议、HDLC 协议和 PPP（协议）。第5章讨论了局域网的概念、媒体访问控制技术、以太网、无线局域网、令牌环局域网和局域网互连设备等内容，给出了一个局域网组网方案。第6章讨论了网络层的概念、IP（协议）、路由选择协议、ICMP（协议）、IGMP（协议）和 IPv6等内容。第7章讨论了广域网的概念和路由技术以及 DDN、FR、ISDN、ATM 等几种广域网实现。第8章讨论了 TCP 和 UDP 两个传输层协议。第9章讨论了 DNS、FTP、Telnet、Email、WWW、DHCP 等几种常见的应用层服务。第10章讨论了网络安全问题、密码技术和常用的网络安全系统。第11章讨论了网络管理系统的概念和 SNMP，给出了两个局域网管理实例。第12章讨论了排队论、图论、网络拓扑设计等网络设计基础知识。

本书的特点如下。（1）系统性强，知识面广。本书按照第2章提出的一种5层混合模型结构，从最低层物理层到最高层应用层进行内容的组织，中间辅以局域网、广域网、网络安全、网络管理和网络设计等内容，符合人们对计算机网络体系结构的认知和知识面的需求。（2）内容适当，条理清晰。本书充分体现了高等教育理论知识的系统性和技术实用性。各章开头有学习本章的重点和难点说明，结尾有对本章学习内容的小结和习题。内容安排科学，符合网络知识学习的规律，可以帮助读者循序渐进地系统掌握计算机网络与通信的知识。（3）内容图文并茂，语言简明流畅，避免了抽象晦涩的理论陈述，可读性强。

本书在编写过程中充分考虑到该课程的教学特点，力求使本书既可作为计算机、通信、电子、信息管理等相关专业本科生学习使用的教材，也可作为相关领域研究人员和专业技术人员的参考书。本书作为高等院校教材使用时，授课时间约60学时。

全书由申普兵负责统稿和审校工作。刘红燕、梁璟、赵卫伟和行明顺参加了编写工作。

由于作者水平有限，加之计算机网络与通信技术发展非常迅速，虽然经过艰苦努力，但书中疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编者2012年7月第1章　计算机网络概论【本章内容简介】21世纪人类已进入信息化时代，人们的生活、工作、学习和交往都已离不开计算机网络，计算机网络已经成为当今社会发展最迅速、应用最广泛的网络。本章主要介绍计算机网络的产生与发展、计算机网络的概念与功能，以及计算机网络的分类与应用。【本章重点难点】重点掌握计算机网络的概念、功能和分类。1.1　计算机网络的产生与发展

计算机网络是计算机及其应用技术与通信技术逐步发展、日益密切结合的产物，它的形成过程是从简单的为解决远程计算、信息收集和处理而构成的远程联机系统开始的。随着技术的发展和服务的需要，又在联机系统的基础上发展到将多台中心计算机相互连接起来，从实现计算机之间相互传输数据的通信网络，到实现以资源共享为目的计算机网络，这标志着网络技术达到了成熟的高级阶段。概括地说，计算机网络发展过程可划分为4个阶段，即面向终端的计算机网络阶段、面向通信的计算机网络阶段、标准化的计算机网络阶段与下一代计算机网络阶段。

1.1.1　面向终端的计算机网络

1946年世界上第一台计算机问世之初，计算机与通信并没有什么联系。早期的计算机数量很少，价格昂贵。由于设置高度集中，给用户使用计算机带来很大的不便。使用计算机的（本地的或远地的）用户只能亲自携带程序和数据，到机房用手工方式上机，或者委托机房工作人员代劳。这种工作方式，用户（尤其是远地用户）需在时间、精力和经济上付出较大的代价。到了20世纪60年代初期，由于计算机软件方面的发展，也由于计算机越来越广泛地在各个部门中应用，迫切需要对分散在各地的数据进行集中处理，从而促使批量处理系统采用通信技术，产生了具有通信功能的单机系统。其基本思想就是在计算机上设置一个通信装置使其增加通信功能，将远地用户的输入输出装置通过通信线路（模拟的或数字的）直接与计算机的通信控制装置相连。这样，计算机一边接收从远地站点发来的输入信息，一边处理信息。最后的处理结果也经过通信线路直接送回到远地站点的用户终端设备上。从通信的角度，当时称这种远程联机系统为“数据通信系统”。数据通信系统较之原先的本地系统不仅提高了计算机系统的工作效率和服务能力，而且大大促进了计算机技术与通信技术的发展和密切结合。为了提高资源利用率，采用批处理的工作方式。将终端与计算机通过多重线路控制器进行连接，出现了多重线路控制器（Multiline Controller），它使得一台计算机可以和许多台远程终端相互通信，如图1.1所示，这就是计算机与通信相结合的开始。图1.1　面向终端的计算机网络

这种以单个计算机为中心的远程联机系统也称为面向终端的计算机通信网，或称它为第一代计算机网络。

1.1.2　面向通信的计算机网络

20世纪60年代后期，开始出现将多台计算机通过通信线路互连构成的计算机网络。这种系统已由第一阶段利用一台中心计算机为所有用户服务的模式发展到了由多台分散又互连的主机共同提供服务的模式。为了提高主计算机数据处理的效率，网络上的通信处理任务由通信控制处理机（Communication Control Processor，CCP）来承担。这样，CCP 负责网上各主机之间的通信控制和通信处理，各 CCP 之间构成的通信子网成为整个网络内层，而网络上的主机专门负责数据处理，这些主机和终端构成了资源子网，成为整个网络的外层。通信子网为资源子网提供信息传输服务。没有通信子网，整个网络无法工作，而没有资源子网，通信子网也将失去存在的意义，两者结合构成了资源共享的层次式网络。用户不仅共享通信子网的资源，还可共享资源子网的软件和硬件资源。图1.2给出了这种以通信子网为中心的计算机网络，通常称其为第二代计算机网络。图1.2　面向通信的计算机网络

第二代计算机网络的典型代表是 ARPA 网。20世纪60年代后期，美国国防部高级研究计划局为促进对新型计算机网络的研究，提供经费资助美国的许多大学和公司，于1969年2月建成了一个连接美国加州大学洛杉矶分校、加州大学圣芭芭拉分校、斯坦福研究院和犹他大学的具有4个节点的实验性网络，即 ARPANET。ARPANET 的主要特点是以通信子网为中心，多台计算机通过通信子网构成一个有机的整体，原来单一计算机的负载可以分散到全网的各个计算机上，单机或部分通信设备及通信线路故障，不会导致整个网络系统的全面瘫痪。通信子网采用了先进的分组交换技术。

1.1.3　标准化的计算机网络

20世纪70年代，计算机网络开始向着体系结构标准化的方向迈进，即进入标准化计算机网络阶段。第二代计算机网络存在的根本性不足是没有统一的网络体系结构，如：1974年 IBM 公司提出了系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）标准，1975年 DEC 推出了数字网络体系结构（Digital Network Architecture，DNA）标准等。众多不同的专用网络体系结构标准，造成了不同制造厂家生产的计算机及网络设备互连起来十分困难。由此可见，计算机要想互连在一起，要求计算机网络体系结构必须标准化。

1977年国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）为适应计算机网络向标准化发展的形势，其下属的计算机与信息处理标准化技术委员会 TC97成立了一个新的分委员会 SC16（由于技术分工问题，SC16已于1984年撤销，其原有工作由 SC6和SC21接替），该委员会在研究和吸收已有网络体系结构经验的基础上，专门从事研究“开放系统互连”的问题。经过若干年的努力，ISO 在1984年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型”的正式文件，即著名的 ISO7498国际标准，通常人们将它称为 OSI 参考模型，（Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM）。

与此同时，由 ARPANET 中计算机网络设备互连而演变来的体系结构，即 TCP/IP 参考模型于1980年正式推出，在 OSI 参考模型1984年正式颁布之前，TCP/IP 参考模已经被广泛地应用于大学、科研机构和计算机网络设备生产厂商。这些生产厂商不想再投资支持第二个体系结构，所以 OSI 没有被真正实现过，TCP/IP 成了事实上的国际标准。

从此，计算机网络的发展步入了标准化的道路。人们将符合国际标准化的计算机网络称为第三代计算机网络。

1.1.4　下一代的计算机网络

下一代的计算机网络也称下一代互联网（Next-Generation Internet，NGI）。NGI 最初是由美国克林顿政府支持开发的项目，目标是将连接速率提高至当时 Internet 速率的100倍到1000倍。突破网络瓶颈的限制，解决交换机、路由器和局域网络之间的兼容问题。

NGI 主要特点如下所述。（1）更大。这一代以 IPv4为基础的互联网地址将在2015年左右彻底耗尽，下一代互联网将采用 IPv6，IPv6在地址空间设计上采用38128位长度，其地址容量约为3.4×10，可充分解决地址空间不够的问题，地址规模上无后顾之忧。（2）更快。下一代互联网与传统的宽带概念不同，它强调端到端的高速，而不是目前的接入概念，伴随着传输技术的发展，下一代互联网的速率在任何一个端与端之间有可能达到100Mbit/s 以上。（3）更安全。目前的互联网因为种种原因，有严重的安全隐患。比如现在的互联网只管到哪里去，而不问从哪里来，从而造成了很多安全隐患。但下一代互联网不仅要管到哪里去，而且要管从哪里来，这些都将从根本的体系上解决安全问题。（4）更便捷。下一代互联网将突出地以人的便捷使用为原则，因此一切便捷的服务将完全渗透到下一代互联网中，如无线网络必将会成为下一代互联网的主要网络，而不会像现在是补充地位。

时至今日，NGI 在诸多方面都取得了长足进展，例如无损失及低损失数据压缩技术降低了音、视频信息转输对带宽的需求，速度更快、成本更低的接入技术也大量涌现，从而使 Web 视频已成为各类新型应用系统及操作系统的常备应用组件之一。下一代 Internet协议 IPv6等也为 NGI 的发展奠定了坚实的基础。IPv6是由 Internet 工程工作小组研发的最新 IP 技术，旨在取代已沿用了20年之久的 IPv4，它可以大大增加 IP 地址的数量和安全性能。

在上述需求推动下，57位院士曾写信建议建设我国下一代互联网试验平台，发起了中国下一代互联网示范工程（CNGI）项目，其后国家计委组织专家组研究并起草“下一代互联网发展战略报告”和“中国下一代互联网示范工程（CNGI）项目实施方案建议”。该项目建议被列为国家重大高科技工程项目。经过几年的建设，CNGI 现已建成包括6个核心网络、22个城市59个节点、2个交换中心、273个驻地网的 IPv6示范网络，均远远超过了项目当初的设计及要求。依托 CNGI，已开展了大规模的基于下一代互联网的应用研究，如视频监控、环境监测等，并成功服务于北京奥运，开通了基于 IPv6的奥运官方网站。依托6大核心网，先后布置了与产业化相关的项目103项，参与企业多达数十家。华为公司的 IPv6核心路由器等产品均在 CNGI 的核心网上担当了主力，改变了以往我国网络关键设备几乎全是国外产品的局面，打破了国外产品与技术的垄断，并形成了系列的产业化格局。其中 CNGI 最大的核心网 CERNET2在“建设纯 IPv6大型互联网核心网”、“基于真实IPv6源地址的网络寻址体系结构”和“IPv4over IPv6网状体系结构过渡技术”等方面均属国际首创，目前已向国际互联网标准化组织 IETF 提交标准草案9项，其中 RFC4925和RFC5210已获批准，这也是我国第一次进入国际互联网核心标准。1.2　计算机网络的定义与功能

1.2.1　计算机网络的定义

计算机网络的确切定义至今尚未统一，其原因是处于不同阶段或从不同角度往往可能做出不尽相同的定义。

计算机网络最初的定义是：以实现远程通信为目的的、一些互连的、独立自治的计算机的集合。这里，所谓“互连”是指各计算机之间通过有线通信信道或无线通信信道彼此交换信息，而“独立自治”则强调它们之间没有明显的主从关系。按此定义，早期的面向终端的计算机系统只能称为联机系统，因为当时的许多终端并不具有智能特性。后来随着硬件价格的下降，“终端”和“自治的计算机”之间的严格界限逐渐模糊，尤其是实现了终端智能化之后，无论是面向终端的计算机系统，还是面向计算机的计算机系统，以及以后发展起来的以共享通信子网为特征的公用数据网系统均可视为计算机网络。当计算机网络发展处于第二阶段时，计算机网络被定义为：以相互共享资源（硬件、软件和数据）方式而连接起来、且各自具有独立功能的计算机系统之集合。这一定义是由美国信息学会联合会于1970年提出来的。此定义的含义有3个：第一，计算机之间相互通信的目的是为了共享计算机网络中硬件、软件和数据等资源；第二，计算机网络中的各个计算机系统不仅在地域上是分散的 , 而且各自具有独立的功能；第三，计算机网络应有一个全网性的网络操作系统，用户只需向网络操作系统提出使用资源的要求，而不必指出资源的具体归属，由网络操作系统自动地分配给该用户所需的资源。按照此定义的含义，当时真正称得上计算机网络的寥寥无几，而绝大多数的计算机网络（包括美国的分组交换网APRANET 在内）都只能算作是计算机通信网络，因为它们都没有全网性的网络操作系统。显然，这个定义侧重于应用目的，忽视了物理结构，没有充分反映计算机网络的内涵。

随着计算机网络技术的发展，特别是当计算机网络发展进入到第三阶段。一般认为计算机网络应当具有3个主要的组成部分（或3大组成要素）。（1）向用户提供服务的若干主机。（2）由一些专用的通信处理机（即通信子网中的节点交换机）和连接这些节点的通信链路所组成的一个通信子网。（3）为主机与主机，主机与通信子网，或者通信子网中各个节点之间通信而建立的一系列协议，即通信双方事先约定的，共同遵守的一组规则。

本书对计算机网络的定义是：计算机网络是将地理位置不同，且有独立功能的多个计算机（主机）系统利用通信设备和线路（通信子网）互相连接起来，辅以功能完善的网络软件（协议）实现网络资源共享和信息传递的系统。

从逻辑功能上看，一个计算机网络可分成两个子网：资源子网和通信子网。

资源子网由主机、终端及软件等组成。提供访问网络和处理及存储数据的能力。主机负责数据处理，运行各种应用程序，它通过通信子网的接口与其他主机相连接。终端是网络中用量最大、分布最广的设备，直接面对用户，为用户提供访问网络资源的接口。软件是网络中极为重要的一部分，负责管理、控制整个网络系统正常运行，为用户提供各种实际服务。

通信子网由网络节点、通信链路及信号变换器等组成，负责数据在网络中的传输与通信控制。网络节点负责信息的发送和接收及信息的转发等功能，它可以连接几个主机，也可以通过它将终端直接接入网内。网络节点根据其作用不同，又可分为接口节点和转发节点。接口节点是资源子网和通信子网相连接的必经之路，负责管理和收发本地主机的信息；转发节点则为远程节点送来的信息选择一条合适的链路，并转发出去。通常网络节点本身就是一台计算机，设置在主机与通信链路之间，以减轻主机的负担，提高主机的效率。通信链路是两个节点之间的一条通信通道，常被称为信道。信号变换器提供信号之间的变换。不同的传输介质采用不同类型的信号变换器，如普通电话线只能传输模拟信号。而计算机输出信号为数字信号，若用电话线作为通信线路，必须在中间加上一种叫做调制解调器的信号变换器。

1.2.2　计算机网络的功能

计算机网络的主要目的是共享资源，它的功能随应用环境和现实条件的不同大体如下。

1．可实现资源共享

资源共享包括共享软件、硬件和数据资源，是计算机网络最具吸引力的功能。计算机的许多资源成本是非常昂贵的，例如，大容量存储器、特殊的外部设备、大型数据库等。资源共享指的是网上用户能部分或全部地享受这些资源，使网络中各地区的资源互通有无，分工协作，从而大大提高系统资源的利用率。在第一代计算机网络中，多个终端的用户通过通信线路或通信网共享中心计算机的资源。而在第二代计算机网络中，网络用户可以共享位于资源子网中所有主机的资源。通过资源共享，消除了用户使用计算机资源受地理位置的限制，也避免了资源的重复设置所造成的浪费。

计算机网络的主要特点之一是它具有资源共享的功能，什么是资源？为什么要实现资源共享？在计算机网络中，“资源”就是网络中所包含的硬件、软件和数据。硬件资源有：处理器、内（外）存储器和输入输出设备等，它是共享其他资源的基础。软件资源是指各种语言处理程序、服务应用程序等。数据则包括各种数据文件和数据库中的数据等。资源共享就是指网内所有用户都能够享受上述资源中的一部分或者全部资源，不受其地理位置差异的限制。换句话说，同一份资源可以给多个用户使用。例如，上海有一个科学技术情报所，其情报检索系统是与国际有关系统联网的，于是，在上海就可以按一定的规定，经过网络系统索取国外的某些资料，从而大大地节约了用户的时间和费用。同样，上海以外的用户也可以通过网络系统调取存放在上海的资料，这就是一个共享数据资源的例子。

为什么要实现资源共享？通常，建立一个通信网络总是有一定的目的。比如，建立电话网的目的很明确，就是缩短人与人之间的空间距离，从而使人与人之间、单位与单位之间加强联系，更广泛地解决问题。那么，在计算机通信网中，实现资源共享的具体目的大致可以归纳为如下几项。（1）可将地理位置上分散的多台计算机集中地处理数据等信息。（2）共享硬件资源。只有小型计算机，甚至微型计算机的用户，可通过网络分享大型计算机或特殊的外围设备，这样就可节省大量设备投资。（3）共享软件资源。众所周知，研制一套完善的软件系统需要花费大量的人力、财力和时间，一个好的软件是非常昂贵的。若能做到把一个现成的软件，通过通信网络提供给大家使用，将大大降低使用成本。（4）共享数据资源。从某种意义上讲，数据是一个部门的命脉，比一个应用软件更重要，将同一类型的文件、数据等集中存储，供大家使用，不但可提高利用率，节约开支，更重要的是保证了数据的一致性。（5）可选择与需要解决的问题相适应的系统。在通信网中可设有解决各种专题的系统和设备，把一些专业性强的问题送至与其相关的系统和设备进行计算。例如，大型工程项目的 CAD（计算机辅助设计），可以把总体、土建、管道、设备、甚至装潢设计，分别送到相应的子系统设计处理，最后综合起来。这样，既充分发挥了设备专业子系统的特长，又避免了传统设计中经常发生的因各部分设计数据修改产生的数据不一致。（6）易于扩展。当需要扩大该通信网或增加用户时，能方便地将不同类型的计算机或终端接入通信网。

2．提高了系统的可靠性

一般来说，计算机网络中的资源是重复设置的，它们被分布在不同的位置上。这样即使发生少量资源失效的现象，用户仍可以通过网络中的不同路由访问到所需的同类资源，这样只会导致系统的降级使用，不会引起系统的瘫痪。计算机网络中这种替代资源的存在，大大地提高了系统的可靠性。

3．有利于均衡负荷

计算机网络还具有均衡网络负荷的功能。通过合理的网络管理，将某时刻处于超负荷计算机上的任务分送给别的轻负荷的计算机去处理，可达到均衡负荷的目的。这对地域跨度大的远程网络来说，充分利用时差因素来达到均衡负荷尤为重要。

4．提供了非常灵活的工作环境

用户通过网络把终端连接到家中的计算机上，就可以在家里工作。商业经营人员带着终端或便携式计算机外出进行商务活动，在各经营点利用电话与它们自己的网络连接，这样就可以与主管部门及时交换销售、管理等方面的重要数据，确定对策。

除此之外，计算机网络还具有性能价格比高、扩充方便、通信手段多等功能。1.3　计算机网络的分类与应用

1.3.1　计算机网络的分类

对计算机网络进行分类可以从不同的角度去分，主要有以下几种分类方法。（1）按网络的覆盖范围进行分类：可分为局域网、城域网和广域网。局域网指传输距离有限，传输速率较高，以共享网络资源为目的的网络系统。城域网指规模介于局域网和广域网之间的一种较大范围的高速网络。广域网指覆盖范围广、传输速率相对低，以数据通信为主要目的的数据通信网。（2）按网络的拓扑结构进行分类：可分为星型、树型、环型、总线型和网型。

星型结构：如图1.3（a）所示，每个节点都有一条单独的线路与中心节点相连。除中心节点外的任何两个节点之间的通信都要经过中心节点，采用集中控制，中心节点就是控制节点。这种结构简单，容易建网，便于管理。但对中心节点的可靠性要求高，中心节点出故障将会引起整个网络瘫痪。

环型结构：如图1.3（b）所示，各网络节点连成环状。数据信息沿一个方向传送，通过各中间节点存储转发，最后到达目的节点。这种结构没有路径选择问题，网络管理软件实现简单。但信息在传输过程中要经过环路上的许多节点，容易因某个节点发生故障而破坏整个网络的通信。环型结构的网络一般用于局域网。

网型结构：如图1.3（c）所示，这种结构无严格的布局规定和构型，这种结构中一个节点可取道若干路径到达另一个节点，故其最大优点是可靠性强，但所需通信线路总长度长，投资成本高，路径选择技术较复杂，网络管理软件也比较复杂。在局城网中较少采用。

树型结构：如图1.3（d）所示，网络中各节点按层次进行连接，是一个在分级管理基础上集中式的网络，适合于各种统计管理系统。但任一节点的故障均会影响它所在支路网络的正常工作，故节点可靠性要求较高，而且处于越高层次的节点，其可靠性要求越高。

总线型结构：如图1.3（e）所示，在此结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。网中各节点连在一条总线（电缆）上。任一时刻，只允许一个节点占用总线，且只能由该节点发送信息，其他节点处于封锁发送状态，但允许接收。网络中任何一节点的故障都不会使整个网络发生故障，相对而言容易扩展。图1.3　网络拓扑结构（3）按网络所属性质进行分类：可分为公用网和专用网。

公用网是国家信息化部门建造的网络，所有的人只要按规定交纳费用都可以使用。例如，中国电信、中国联通、中国移动等公司的网络。

专用网是某个部门或单位自己建造的网络，这种网络不向本部门或单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路等部门的网络。（4）按网络的交换功能进行分类：可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。这3种网络分别采用的电路交换技术、报文交换技术和分组交换技术将在第3章第6节介绍。

1.3.2　计算机网络的应用

计算机网络的潜在功能使得它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、金融贸易以及国防建设等领域中获得越来越广泛的应用。工矿企业借助计算机网络进行生产过程的检测和控制，实现管理和辅助决策；交通运输部门利用网络进行交通运输信息的收集、分析，实现运行管理和车船调度；邮电部门则利用遍及全国乃至全球的计算机通信网为用户提供快速而廉价的电子邮件服务；文化教育部门可运用计算机网络进行情报资料检索和计算机辅助教育；金融贸易部门利用计算机网络实现范围广泛的经贸服务；科学研究部门利用它进行大型的科学计算；国防部门则利用计算机网络进行情报收集、跟踪、指挥与控制。目前，计算机应用领域已逐渐深入到人们日常生活当中，而人们对计算机网络的广泛应用和依赖，使得网络管理、服务质量、访问控制、安全与保密问题显得日益重要，如何解决应用中出现的问题，并进一步开发新的应用，成为当前的热门研究领域。

下面是利用计算机网络访问远地数据库的一个例子。普通人坐在家里就可以预订世界任何地方的飞机票、火车票、公共汽车票、轮船票、旅馆、饭店、剧院演出票等，并立即得到答复。这种情况在计算机网络广泛应用的今天是很容易的事。

计算机网络广泛应用的另一个领域是发送电子邮件。计算机网络使得人们能从他们的终端向世界各地的任何人发送与接收电子邮件。而且这种电子邮件还可包括数字化语音、静止画片，甚至有移动电视和可视图像。小结

计算机网络是计算机及其应用技术与通信技术逐步发展而产生的，它经历了面向终端的数据通信阶段、面向通信的分组交换网阶段、网络标准化阶段和下一代计算机网络发展阶段。

计算机网络的定义在不同发展阶段含义不同。一般认为计算机网络应当具有3个主要的组成部分（或3大组成要素）。①能向用户提供服务的若干主机。②由一些专用的通信处理机（即通信子网中的节点交换机）和连接这些节点的通信链路所组成的一个通信子网。③为主机与主机，主机与通信子网，或者通信子网中各个节点之间通信而建立的一系列协议，即通信双方事先约定的共同遵守的一组规则。

从逻辑功能上看，一个计算机网络可分成两个子网：资源子网和通信子网。资源子网由主机、终端及软件等组成，提供访问网络和处理及存储数据的能力。通信子网由网络节点、通信链路及信号变换器等组成，负责数据在网络中的传输与通信控制。

计算机网络的功能：可实现资源共享，提高了系统的可靠性，有利于均衡负荷，提供了非常灵活的工作环境。

计算机网络的分类：按网络的覆盖范围可分为广域网、局域网和城域网；按网络的拓扑结构可分为星型、树型、环型、总线型和网型等；按网络的交换功能可分为电路交换、报文交换和分组交换3种；按网络所属性质可分为公用网和专用网两种。习题

一、填空题

1．从逻辑功能上看，一个计算机网络可分成______子网和______子网。

2．按网络的覆盖范围，计算机网络可分为______、______和______。

二、简答题

1．计算机网络的发展过程可划分为哪几个阶段？各有何特点？

2．什么是计算机网络？它有哪些主要功能？

3．什么是通信子网和资源子网？

4．为什么要资源共享？有哪几种共享方式？

5．按网络的交换功能进行分类，计算机网络可分成哪几种类型？

6．按网络的拓扑结构进行分类，计算机网络可分成哪几种类型？

7．结合个人周围的实际情况，列举3个计算机网络应用的例子。第2章　网络体系结构与参考模型【本章内容简介】计算机网络体系结构是现代计算机网络的核心。本章系统介绍计算机网络体系结构的概念和内容，包括分层原理和网络协议、ISO 的开放式系统互连参考模型（OSI/RM）以及各层的功能。同时，在介绍 TCP/IP 的基本概念和分层模型的基础上，对OSI 与 TCP/IP 进行比较。【本章重点难点】重点是计算机网络体系结构的概念、OSI/RM 各层的功能以及 TCP/IP 体系结构；难点是 OSI 与 TCP/IP 的不同点。2.1　网络体系结构与网络协议

网络的发展离不开体系结构和协议，为了解决不同系统、不同网络的互连问题，网络体系结构和协议必须走国际标准化的道路。

2.1.1　网络体系结构

计算机网络是一个复杂的系统。为了将众多的网络设备组织成一个有机的整体，使之高效、安全、可靠地交换数据，必须有一个很好的模型及正确的通信协议和接口规范，必须定义明确的数据交换格式。也就是说，在建立一个实际的计算机网络之前，必须有完整且正确无误的逻辑设计，这些工作统属网络体系结构（Network Architecture）的范畴。

网络体系结构通常应包括以下内容：网络功能部件的定义及相互关系的描述、网络与用户之间的接口定义。换句话说，网络体系结构是指为了完成计算机之间的通信，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次进程通信的协议和相邻层之间的接口及服务。

网络的体系结构相当于网络的类型，而具体的网络结构则相当于网络的一个实例。

历史上出现过很多种网络体系结构，如 DEC 公司的 DNA、IBM 公司的 SNA、Internet的 TCP/IP、国际标准化组织 ISO 的 OSI 等。

SNA 为集中式网络，是 IBM 公司1974年公布的网络体系结构，以后的版本不断变更，1985年的版本可支持主机和局域网组成的任意拓扑结构。SNA 比 OSI 模型大约早10年，是 OSI 模型的主要基础。SNA 将网络的体系结构分成7个层次，即物理层、数据链路控制层、路径控制层、传输控制层、数据流控制层、表示服务层和事务服务层。

DNA 是美国 DEC 公司1975年提出的网络体系结构。DNA 将网络的体系结构分成8个层次，即物理链路层、数据链路层、路由层、端通信层、会晤层、网络应用层、网络管理层和用户层。

ARPANET 是美国国防部高级研究计划署提出的网络体系结构，ARPANET 参考模型简称为 ARPA，其核心内容为 TCP/IP。

各计算机公司的网络体系结构是为了发展它们自己的计算机网络提出的，并且有些公司网络产品的名称和网络体系结构的名称相同，如 IBM 公司的 SNA 网，其体系结构也叫SNA。有些公司的网络产品名和网络体系结构的名称不同，如 DEC 公司的 DECnet 网，其体系结构叫 DNA。

2.1.2　分层原理

计算机网络是一个十分复杂的系统。将一个复杂的系统分解为若干容易处理的子系统，然后“分而治之”逐个解决，这种结构化设计方法是工程设计的常用手段。分层是系统分解的最好方法之一。

在图2.1所示的分层结构中，N 层是 N－1层的用户，又是 N+1层的服务提供者。N+1层虽然只直接使用了 N 层提供的服务，实际上它通过 N 层间接使用了 N －1层以及以下所有各层的服务。图2.1　分层模型

分层的基本思想就是每一层都在它的下层服务的基础上提供更高级的增值服务，而最高层提供能运行应用程序的服务。

分层结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。每一层不必知道下面一层是如何实现的，只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么及本层向上层提供什么样的服务，就能独立地设计。系统经分层后，每一层的功能相对简单，且易于实现和维护。此外，若某一层需要做改动或被替换时，只要不去改变它和上下层之间的接口服务关系，则其他层都不会受到影响。因此，分层结构有利于交流、理解和标准化。

那么，如何合理地对网络结构进行分层呢？1980年，H.Zimmerman 提出了网络层次划分的如下原则。（1）层次适中。当必须需要一个不同抽象体时，应该单独设立一个层。（2）界面清晰。当下层向上层提供服务描述时，应使通过界面的信息量最少。（3）当某些功能的实现和所用技术明显地与别的层不同时，应该单独设立一层。（4）功能相似的放在同一层。（5）根据过去成功的经验分层。（6）功能具有独立性并能局部化时，单设一层。（7）只与其上下相邻层具有接口关系，而与其他层无联系时设立一层。（8）对数据做不同处理时可分层。（9）在现有的标准接口可用处分层，每层的功能选择应着眼于有利于制定国际标准。

2.1.3　网络协议

通过通信信道和设备互连起来的各个不同地理位置的计算机系统，要使其能协同工作以实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这些为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议（Protocol）。

也就是说，网络协议是指通信双方在通信时所应遵循的一组规则、标准或约定。协议由语义、语法、定时3部分组成。

语义（Semantics）：规定通信双方准备“讲什么”，涉及用于协调与差错处理的控制信息。

语法（Syntax）：规定通信双方“如何讲”，涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。

定时（Timing）：涉及速率匹配和排序等。2.2　OSI 参考模型

计算机网络的标准化，前提就是网络体系结构的标准化。为了建立一个国际范围的、标准的网络体系结构，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）在1977年成立了一个专门分技术委员会 SC16，着手研究开放系统互连的网络体系结构。经过两年多的讨论后，ISO 的数据处理委员会 TC97（SC16的上级组织）公布了开放式系统互连参考模型（Reference Model of Open System Interconnection，OSI/RM）。这里的“开放”是指按 OSI 标准建立的系统可以和世界上任意一个也按 OSI 标准建立起来的系统相互进行通信。

2.2.1　OSI 参考模型的基本概念

1．计算机网络的分层模型

计算机网络体系结构分层模型如图2.2所示。图2.2　计算机网络的层次模型

图2.2中每一个层次，都是由一些实体组成。实体是软件元素（如进程）或硬件元素（智能 I/O 芯片等）的抽象。处于同一层中的实体称为对等实体。任何层都可以称为（N）层，它的上下临层则分别称为（N+1）层和（N-1）层。（N）层的实体称为（N）实体。

除最高层外，所有的（N）实体协同工作为（N+1）实体服务。也就是说，所有（N）实体在（N-1）层提供的（N-1）服务的基础上向（N+1）层提供增值服务，即（N）服务。（N）实体之间的通信只使用（N-1）服务。最低一层实体之间通过 OSI 的物理介质通信，物理介质形成了 OSI 体系结构中的（0）层。（N）实体之间的合作关系由（N）协议来规范。（N）协议是公式和规则组成的集合，它精确地定义（N）实体如何协同工作，利用（N-1）服务去完成（N）功能，以便向（N+1）实体提供（N）服务。

2．实体、服务访问点和协议之间的关系

对于实体、服务访问点和协议之间的关系，可以用图2.3来描述。（N+1）实体从（N）服务访问点（Service Access Point，SAP）获取（N）服务，（N）服务访问点表示（N）实体和（N+1）实体之间的逻辑接口。一个（N）SAP 只能由一个实体提供，也只能为一个（N+1）实体所利用。一个（N）实体可以提供几个（N+1）SAP，同时一个（N+1）实体可以利用多个（N）SAP 为其服务。图2.3　实体、服务访问点和协议

2.2.2　OSI 参考模型的分层结构

在OSI 标准制定过程中，采用的是前面提到的分层体系结构。问题的处理采用自上而下、逐步求精的方法。OSI/RM 把整个网络通信功能划分为7层，各层之间既相互独立地实现各自的功能，又彼此联系组成层间通信。7层协议模型的示意图如图2.4所示。

OSI 参考模型对人们研究网络起了重要的指导作用。OSI 的分层思想使得复杂的网络系统变得层次分明，结构清晰，使整个网络的设计变成了对各层及层间接口的设计，因此容易设计和实现。

OSI 模型所包括7个层次，从底层到高层分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第1层到第3层（下3层）主要负责通信功能，一般称为通信子网层。第5层到第7层属于资源子网的功能范畴，称为资源子网层。传输层起着衔接上下3层的作用。图2.4　OSI 参考模型

下面介绍各层的主要功能。

1．物理层

物理层（Physical Layer）是 OSI 参考模型的最底层。物理层为通信提供物理链路，实现比特流（bit）的透明传输。物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体传输介质。目前网络中的物理设备和传输介质种类很多，通信手段也有许多，物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需考虑如何完成本层的功能，而不必关心具体的传输介质。

物理层定义了4个重要特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性，以便建立、维护和拆除物理链接。它定义了接口的大小、形状，信号线的种类、功能，信号电压的大小和宽度以及它们之间的关系等。如规定“1”和“0”的电平值、一个比特的时间宽度、连接器的插脚个数、每个插脚所代表的信号意义等。

2．数据链路层

数据链路层（Data Link Layer）是在物理层提供的比特流服务基础上，建立相邻节点间的数据链路，传输按一定格式组织起来的位组合，即数据帧。

数据链路层最重要的作用是，通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传送。具体地说，主要功能是：链路管理、帧的装配与分解、帧同步、流量控制、差错控制、将数据和控制信息区分开、透明传输以及寻址等。

数据链路层提供了网络中相邻节点间透明的、可靠的信息传输。透明表示它对要传送的信息内容和格式不做限制；可靠表示在该层进行的是无差错传输，无差错不是指传输中不出差错，而是指在数据链路层必须提供对数据传输中的差错进行有效的检测和控制。

3．网络层

数据链路层（Network Layer）只能解决相邻节点间的数据传输问题，不能解决两台主机之间的数据传输问题，因为两台主机之间的通信通常要经过许多段链路，涉及到链路选择、流量控制等问题。当通信的双方经过两个或更多的网络时，还存在网络互连问题。

网络层的功能是：提供源站到目的站的信息传输服务，负责由一个节点到另一个节点的路径选择。网络层在通信子网中传输信息包或报文分组（具有地址标识和网络层协议信息的格式化信息组），它向传输层提供信息包传输服务，使传输实体不必知道任何数据传输技术和用于连接系统的交换技术。

网络层为了向传输层提供整个网络上任意两个节点之间数据传输通路，需要解决包括建立、维护以及结束两个节点之间的联系和由此而引起的路径选择、流量控制、阻塞和死锁等问题。

4．传输层

传输层（Transport Layer）的作用是，为不同系统内的会话实体（用户进程）建立端－端的连接，执行端－端的差错、顺序和流量控制，数据传输的基本单位是报文。

传输层将源主机与目标主机直接以点对点方式连接起来，把源主机接收来的报文正确地传送到目的主机。传输层协议是真正的源端到目的端协议。传输层是计算机网络体系结构中最为关键的一层，是资源子网与通信子网的接口层。

传输层提供在不同系统的进程间数据交换的可靠服务，在网内两实体间建立端到端通信信道，用以传输信息或报文分组。

传输层弥补、加强了网络层所提供的服务，使得对两端的网络用户来说，各通信子网变得透明。传输层为会话层提供与网络类型无关的可靠信息传递机制，对会话层屏蔽了下层网络的细节操作。

传输层的服务可以是提供一条无差错按顺序的端到端连接，也可以是提供不保证顺序的独立报文传输，或多目标报文广播。这些服务由会话实体根据具体情况选用。不同的网络类型，传输层提供不同的服务质量。

5．会话层

会话层（Session Layer）也称为会晤层或对话层。该层主要功能是在两个表示实体之间建立起通信伙伴关系，向表示层提供对话服务，并对通信的过程进行管理和协调，使其有条不紊地交换数据。

该层虽然不参与具体的数据传输，但它对数据传输进行管理。在两个互相通信的应用进程之间，建立、组织和协调其交互。比如，确定双方是双工工作（两方可以同时发送和接收），还是半双工工作（双方交替发送和接收）。允许暂时中断会话，并能从断点开始建立新的连接。会话双方的资格审查和验证、会话方向的交替管理、故障点的定位及恢复等服务。

6．表示层

表示层（Presentation Layer）的功能是在两个通信应用实体之间的传送过程中，负责数据的表示方式（包括语法和语义），其目的在于解决格式和数据表示问题。表示层执行通用数据交换功能、提供标准应用接口、公共通信服务。如：字符的转换、各类数据转换、数据的压缩与恢复、数据的加密与解密等。

总之，表示层是将不同系统的不同表示方法转换成标准形式，使采用不同表示方法的各开放系统之间能够互相通信。

7．应用层

应用层（Application Layer）是 OSI 的最高层，也是用户访问网络的接口层，是直接面向用户的。在 OSI 环境下，应用层为用户提供各种网络服务。例如电子邮件、文件传输、远程登录及终端仿真等。

这一层包含了若干个独立的、用户通用的服务协议模块，其主要目的是为用户提供一个窗口，用户通过这个窗口互相交换信息。应用层的内容完全取决于用户，各用户可以自己决定要完成什么功能和使用什么协议，该层包括的网络应用程序有的由生产网络的公司提供，有的是用户自己开发的。然而，某些应用由于使用非常广泛，为了避免每个公司都去单独研究自己的应用程序，人们为一些常用的功能制定了标准（称之为协议）。同时，应用层还为所有应用程序提供了一些基本模块，这一层解决的主要问题有：分布式数据库、分布式计算技术、分布式操作系统、远程文件传输、电子邮件、远程登录以及终端电话等。

在 OSI 的7个层次中，应用层是最复杂的，应用层所包含的协议也是最多的。相信随着计算机网络的进一步发展，网络所能提供的服务也将越来越多。

2.2.3　OSI 协议集

国际标准化组织除了定义 OSI 参考模型以外，还开发了实现7个功能层次的各种协议和服务标准，这些协议和服务统称为“OSI 协议”。产生 OSI 协议的目的是提出能够满足所有组网需求的国际标准，但这一目标需在标准化组织和商业企业中取得一致意见。

OSI 协议标准化过程是一个漫长的过程。首先由一个标准化组织提出工作文件（Working Document，WD）供分技术委员会讨论，然后发布正式的建议草案（Draft Proposal， DP）。一般在建议草案公布6个月后进行投票，获通过后才能成为国际标准草案（Draft International Standard，DIS）。经过一段时间的讨论和评价，还要对国际标准草案进行第二次投票，通过后才能成为正式的国际标准（International Standard，IS）。如果在 DIS或IS 投票中未获通过，还可以进行第二次投票，若在第二次投票还不能通过，则文件要进行大的修改，并退回到前两步重新做起，一般这个过程要持续4年 ～5年的时间。

OSI 协议是实现某些功能的过程描述和说明。每一个 OSI 协议都详细地规定了特定层次的功能特性。OSI 协议集如图2.5所示。图2.5　OSI 协议集

下面分别对 OSI 各层协议进行简要说明。

1．物理层协议

在物理层，OSI 采纳了各种现成的协议，其中包括 RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN 及其 FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4和 IEEE802.5物理层协议。

2．数据链路层协议

在数据链路层，OSI 采纳了当前流行的协议，其中包括 HDLC、LAPB 以及 IEEE802的数据链路层协议。

3．网络层协议

网络层提供两种服务：面向连接的服务和无连接的服务。面向连接服务的协议是 X.25 PLP，面向无连接服务的协议是 CLNP。另外，还有关于网络互连的两个协议：描述端系统和中间系统之间的通信协议 ES-IS、描述中间系统和中间系统之间的通信协议 IS-IS。

4．传输层协议

传输层的功能是提供面向连接的服务，无连接的服务是以后增加的。无连接的传输远没有面向连接的传输应用广泛，在传输层包含了面向连接的传输协议：TP0、TP1、TP2、TP3及 TP4。它们可以在不同的通信子网服务的基础上提供完整的数据传输。

5．会话层协议

OSI 会话层协议是在 ECMA（European Computer Manufacturers Association）提供的会话协议和原 CCITT 的 T.62（Teletex）建议的基础上制定的，它既包含了面向计算机应用的功能，也包含了与智能用户电报（Teletex）兼容的功能。

6．表示层协议

OSI 表示层协议的基本思想是用一种抽象语法来表示用户的数据。应用层的协议数据单元（APDU）向下送到表示层时，表示层用抽象语法表示它的结构，传送到对方表示层时，再应用同样的抽象语法解释它。OSI 提供的表示层协议有：记录在 ISO8824（原 CCITTX.208）文件中的抽象语法 ASN.1、记录在 ISO8825（原 CCITT X.209）文件中的传输语法、描述一种具体的编码规则、服务定义文件 ISO8822（原 CCITT X.216）、协议规范文件 ISO8823（原 CCITT X.226）。

7．应用层协议

针对各种应用，在应用层已经定义了大量的协议，还有很多协议正在制定之中。OSI 提出了应用服务元素（Application Service Element，ASE）的概念。所谓 ASE 是指建立应用程序和通信网络联系的构件，这些构件对大部分应用程序都是通用的。最主要的 ASE有以下4种。（1）联系控制服务元素（Association Control Service Element，ACSE）：提供建立和释放应用层连接的基本功能。（2） 可靠传输服务元素（Reliable Transfer Service Element，RTSE）：提供用户数据的可靠传输。（3） 远程操作服务元素（Remote Operations Service Element，ROSE）：提供一个远程过程调用。（4）提交、并发和恢复（Commitment Concurrency and Recovery，CCR）：提供保证分布式操作准确、完整性实现的机制。

已经定义的 OSI 应用层协议主要有：文件传输协议（File Transfer Access and Management，FTAM）、目录服务协议（Directory Service，DS）、虚拟终端协议（Virtual Terminal， VT）、公共管理信息协议和公共管理信息服务（Common Management Information Protocol/ Common Mangement Information Service，CMIP/CMIS）、电子邮件标准（Message Handling System，MHS）等。2.3　TCP/IP 参考模型

1969年，隶属于美国国防部的高级研究计划署（ARPA）投资开发 Internet 研究项目，建立了分组交换计算机网络，这就是著名的

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书