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第 1 章 计算机网络概论
根据考试大纲，本章要求考生掌握以下知识点：
（1）计算机网络的定义及其应用。
（2）计算机网络的组成，包括物理组成和功能组成。
（3）计算机网络的分类，包括根据网络覆盖范围分类、根据拓扑结构分类、根据交换技术分类、根据应用协议分类、根据所采用的传输介质分类等。
（4）计算机网络的体系结构，包括分层的意义、协议/接口与服务、OSI/RM模型和TCP/IP参考模型等。
1.1 计算机网络的概念
在现代社会中，人们越来越习惯于连接各个部门、地区、国家，甚至于全世界的计算机网络来获取、存储、传输和处理信息。
计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合而发展起来的一门学科，它的理论发展和应用水平直接反映了一个国家高新技术的发展水平，且是其现代化程度和综合国力的重要标志。
在以信息化带动工业化和工业化促进信息化的进程中，计算机网络扮演了越来越重要的角色。
计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，其通常的定义为：
将分布在不同地理位置的具有独立工作能力的多个计算机系统，用通信设备和通信线路相互连接起来，并配置一定的网络软件，以实现数据通信和资源共享的系统。
（1）所谓“具有独立工作能力”是指入网的每一台计算机系统都有自己的软件系统和硬件系统，能够独立完成特定的工作任务，各个计算机系统之间没有控制与被控制的关系，网络中的任一计算机系统可以在需要使用网络通信和服务平台的时候再自主登录到计算机网络中。
（2）“通信设备”是指计算机系统在实现相互连接时所使用的一些与传输介质类型相关的接口设备和信号转换及数据转发设备；“通信线路”是指通信过程中所应用的传输介质，这些传输介质可以是同轴电缆、光纤、双绞线、微波等。
（3）这里的“网络软件”包括网络操作系统、网络应用服务软件系统、网络通信和资源管理系统等专业的系统软件和应用软件。
（4）网络资源包括三种资源类型：
服务器、打印机、存储设备等硬件资源；
操作系统和应用软件等软件资源；
数据资源。
（5）数据通信即实现计算机与终端、计算机与计算机间的数据传输，是计算机网络最基本的功能，也是实现其他功能的基础。
资源共享是计算机网络的主要目的。
在现代信息社会中，计算机网络的应用涉及社会生活的方方面面。
当前计算机网络的主要应用包括办公自动化、远程教育、电子数据交换、电子银行、证券和期货交易、网络娱乐等方面。
（1）办公自动化。
办公自动化（OfficeAutomation，OA）是将现代办公和计算机网络功能相结合的一种新型办公方式，是现代公司提高工作效率和经济效益的重要手段。
OA系统的主要功能包括领导办公、电子签名、日程安排、会议管理、公文处理、档案管理、财务报销、信息发布和信息检索等。
目前，大批的政府电子政务工程和企业网络化工程使得OA系统具有广阔的市场。
因此，这类系统应当具备简单可靠、安全易用、易于安装、适用性强等特点。
但是现在的OA系统由于缺乏统一的行业标准和规范，普遍存在着功能不全、集成性差、产品之间无法兼容的问题，难以形成整体的产业优势。
OA业界已经认识到了这一问题并正在迅速着手制定相关的标准和规程，引导办公自动化企业走上健康有序的发展之路。
（2）远程教育。
远程教育是利用计算机网络和教育资源，通过网络通信软硬件平台实施教学的一种现代化、信息化的教育模式。
远程教育的显著特征是不受学习者、学习时间、学习地点和学习内容的限制，直接体现了主动学习的特点，充分体现了发展中的现代教育和终身教育的基本要求。
网络中的信息（内容）源与用户、用户与用户之间可以进行全方位的、能动式的实时互动，这就使网络教育成为唯一的、真正的在教师与学生、同学与同学之间实现双向互动、实时全交互的远程教育方式。
网络远程教育将多媒体信息表现和处理技术运用于网络课程讲解和知识学习各个环节，使网络教学具有信息容量大、资料更新快和多向演示、模拟生动的显著特征，这一点是有限空间、有限时间的其他传统教学方式所无法比拟的。
网络远程教育还能够对每个网络学员的个性资料、学习过程和阶段情况等实现完整的系统跟踪记录、存储，针对不同学员的个别式个性化学习建议、指导教学和应试辅导，从而为个性化教学提供了现实有效的实现途径和条件。
远程学生（用户）的咨询、报名、交费、选课、查询、学籍（历）管理、作业与考试管理等还可以通过网络远程交互通信的方式完成。
因此，网络教育是最为完整、高效的现代远程教育方式。
（3）电子数据交换。
电子数据交换（ElectronicDataInterchange，EDI）是一种利用计算机进行商务处理的新方法。
EDI是将贸易、运输、保险、银行和海关等行业的信息，用一种国际公认的标准格式，通过计算机通信网络，使各有关部门、公司与企业之间进行数据交换与处理，并完成以贸易为中心的全部业务过程。
使用EDI可以减少甚至消除贸易过程中所产生的纸质文件，因此电子数据交换系统又被称为“无纸贸易”。
电子数据交换过程中所传输的文件具有跟踪、确认、防篡改和防冒领等一系列安全保密功能，具备法律效力。
目前，中国公共电子数据交换业务网（CHINAElectronicDataInterchange，CHINAEDI）是面向社会各行业开放的公用EDI网络。
（4）电子银行。
传统银行柜台业务和计算机网络技术结合，使银行不再受营业地点、营业时间的限制，随时为您提供所需的金融服务，这就是电子银行（ElectronicBank，E-Bank）。
电子银行以互联网为媒介，能够为用户提供银行账号信息查询、转账付款、在线支付、业务代理等自助金融服务。
为了避免客户资料和信用卡信息被外界窃取，电子银行系统必须采用高强度的安全加密算法模块。
电子银行的出现标志着人类的交换方式由货币交换阶段进入了信息交换的新时代。
（5）证券和期货交易。
从事证券和期货交易的投资者必须及时准确地了解交易信息，并获取行情分析与预测、资金管理和投资计划等服务。
计算机网络通信平台可以解决这一问题。
证券和期货交易系统还可以通过无线网络将各交易机构相连，利用手持通信设备输入交易信息，从而避免由于送话器、手势和人工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所造成的损失。
（6）网络娱乐。
网络娱乐主要包括网络小说、图像、音频、视频、网络游戏、网络空间等。
据统计，我国已经成为世界上网民数量最多的国家。
网民数量不断增长的同时也带来了更大的网络市场。
专家认为，网络娱乐业是我国互联网发展的主要动力之一，市场需求也带动了互联网娱乐服务行业的大踏步发展。
1.2 计算机网络的组成
根据计算机网络的定义，一个典型的计算机网络必须具备三个组成部分：
计算机系统、网络通信系统、网络软件。
1.2.1 计算机系统
计算机系统是网络的基本模块，主要负责数据信息的收集、存储、处理和输出功能，并为网络中的其他计算机提供资源。
根据在网络中用途的不同，计算机系统可以分为两类：
主计算机和终端。
主计算机负责数据处理和网络控制，并构成网络的主要资源。
主计算机又称主机，它主要有大型机、中小型机和高档微机几种，网络软件和网络的应用服务程序主要安装在主机中。
而终端用户是进行网络操作、实现人机对话的工具。
一台典型的终端看起来很像一台PC，有显示器、键盘和一个串行接口。
与PC不同的是终端没有CPU和主存储器。
在局域网中，以PC代替了终端，既能作为终端使用，又可作为独立的计算机使用，被称为工作站。
1.2.2 网络通信系统
网络通信系统主要由通信处理机、通信传输介质和网络连接设备等部分组成。
1．通信处理机
通信处理机也称通信控制器，在计算机网络中负责完成对各主计算机之间、主计算机与远程数据终端之间，以及各远程数据终端之间的数据传输和交换进行控制的任务。
不同功能的通信处理机能把多台主计算机、通信线路和用户终端连接起来组成计算机通信网络，使这些用户能同时使用网络中计算机的共享资源。
通信处理机实施通信处理和通信控制，包括信号的编码、编址、分组封装和解封装、发送和接收信息、通信过程控制等具体功能。
这些工作对网络用户而言是完全透明的，因此，计算机系统无须关心数据通信问题而集中进行数据处理工作。
2．通信传输介质
通信传输介质将网络中的各种设备连接起来，是传输数据信号的实际物理通道。
常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。
有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方，有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。
而无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。
无线传输介质主要有微波、红外线和激光等。
3．网络连接设备
网络连接设备用来实现网络中各计算机之间的连接、网络与网络之间的互连、数据信号的变换以及路由选择等功能，常用的网络连接设备有中继器（Repeater）、集线器（Hub）、调制解调器（Modem）、网桥（Bridge）、路由器（Router）、网关（Gateway）和交换机（Switch）等。
1.2.3 网络软件
网络软件一般包括网络操作系统、网络通信协议、网络管理和应用软件等。
（1）网络操作系统（NetOperatingSystem，NOS）
任何一个计算机网络在完成了硬件连接之后，都必须安装NOS才能形成一个有效的计算机网络系统。
网络操作系统是在单机操作系统的基础上，加上网络操作所需要的功能模块组成的软件系统。
NOS负责网络资源管理，从而实现网络资源共享。
常见的网络操作系统有UNIX、WindowsNT/2000/2003/2008、Netware和Linux。
（2）网络通信协议
协议是用来描述进程之间信息交换数据时的规则术语。
在计算机网络中，两个相互通信的实体处在不同的地理位置而要实现相互通信，需要通过交换信息来协调它们的动作并达到同步，而信息的交换必须按照预先共同约定好的规则来进行，这个事先约定的规则就是网络通信协议。
一个网络协议至少要包括以下三个要素：
语法：
即数据与控制信息的结构或格式；
语义：
指对构成协议的元素含义的解释，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。
时序：
也称同步，用来详细说明事件的先后顺序、速度匹配和排序等。
（3）网络管理和应用软件
网络管理软件能够为计算机网络提供监控功能并管理网络的具体工作情况，而网络应用软件是指能够为网络用户提供各种服务的软件，如：
网页浏览软件、文件传输软件、远程登录软件、即时通信软件、电子邮件系统等。
1.2.4 通信子网和资源子网
按照不同的标准，计算机网络有多种类型，但从宏观的角度来看，任何一种计算机网络都由两个部分组成，即通信子网和资源子网（如图1-1所示）。
图1-1 资源子网与通信子网
通信子网位于网络的中心，由网络中的通信控制处理机、其他通信设备、通信线路和只用作信息交换的计算机组成，负责完成网络数据传输和转发等通信处理任务。
互联网的通信子网一般由路由器、交换机和通信线路组成。
资源子网处于通信子网的外围，由主机系统、外设、各种软件资源和信息资源等组成，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。
主机系统是资源子网的主要组成部分，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。
普通用户计算机可通过主机系统连接入网。
1.3 计算机网络的分类
在实际应用中，计算机网络的表现形式是多种多样的。
由于人们对网络的认识角度不同，即使对于同一个网络，也会出现各种各样的网络类型名称。
比如：
某一个网络，有人把它称为局域网，有人称之为以太网，还有人把它叫做校园网。
计算机网络的分类方法众多，常用的主要有三种：
根据网络的覆盖范围分类，根据网络传输技术分类，根据网络拓扑结构分类。
1．根据网络的覆盖范围分类
按照计算机网络覆盖的地理范围对其进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。
按照覆盖范围的大小，可以把计算机网络分为局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和广域网（WideAreaNetwork，WAN）。
（1）局域网。
局域网的分布范围一般在几公里以内，最大不超过10公里，它是由一个部门或单位组建的网络。
局域网是在微型计算机大量应用以后才逐渐发展起来的计算机网络。
一方面，局域网容易配置与管理；另一方面，局域网容易构成简洁整齐的拓扑结构。
局域网速率高，延迟时间短，另外局域网还具有成本低廉、应用广泛、组网方便、使用灵活等特点，因此深受广大用户的欢迎。
局域网是目前计算机网络发展最快，也是最为活跃的一个分支。
（2）城域网。
城域网MAN是适用于一个城市的信息通信基础设施，是国家信息高速公路与城市广大用户之间的中间环节。
建造城域网的目的是，提供通用和公共的网络架构，借以高速有效地传输数据、声音、图像和视频等信息，满足用户日新月异的互联网应用需求。
由于各种原因，城域网的特有技术没能得到广泛的应用和普及。
在实际应用中，使用广域网技术构建与城域网目标范围相当的网络，反而显得更加便捷实用。
（3）广域网。
广域网也叫远程网，其范围跨越城市、地区、国家甚至全球。
它往往连接不同地域的大型主机系统或局域网。
在广域网中，网络之间的连接大多采用租用，或者自行铺设的专线。
所谓“专线”是指某条线路专门用于某一用户，而其他用户不能使用。
广域网中物理设备分布的范围一般在10公里以上。
许多知名品牌和跨国大公司如Sun、DEC、IBM等都通过通信公司的通信网络，将分布在世界各地的子公司连接起来，建立自己的企业网。
早期广域网的典型代表是美国国防部的ARPANET。
中国公网（CHINANET）、国家公用信息通信网（CHINAGBN，又称金桥网）、中国教育科研网（CERNET）等均属于广域网的范畴。
2．根据网络传输技术分类
在通信技术中，通信信道分为广播通信信道与点到点通信信道。
在广播通信信道中，多个节点共享一个物理通信信道，一个节点广播信息，其他节点都能够接收到这个广播信息。
而在点到点通信信道中，一条通信信道只能连接一对节点，如果两个节点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间节点转接。
显然，网络要通过通信信道完成数据传输任务，因此网络所采用的传输技术也只可能有两类，即广播（Broadcast）方式和点到点（Point-to-Point）方式。
这样，相应的计算机网络也可以分为两类：
点到点式网络（Point-to-PointNetwork）和广播式网络（BroadNetwork）。
（1）点到点式网络。
点到点传播是指网络中每两台主机、两台节点交换机之间或主机与节点交换机之间都存在一条物理信道，即每条物理线路连接一对计算机。
机器（包括主机和节点交换机）沿某信道发送的数据确定无疑地只有信道另一端的唯一一台机器收到。
假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储、转发直至目的节点。
由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在多条路由，决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。
采用分组存储转发是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。
在这种点到点的拓扑结构中，没有信道竞争，几乎不存在介质访问控制问题。
点到点信道无疑会浪费一些带宽，因为在长距离信道上一旦发生信道访问冲突，控制起来是相当困难的，所以广域网都采用点到点信道，而用带宽来换取信道访问控制的简化。
（2）广播式网络。
广播式网络中的广播是指网络中所有联网计算机都共享一个公共通信信道，当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都将会接收并处理这个分组。
由于发送的分组中带有目的地址与源地址，网络中所有计算机接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点的地址相同。
如果被接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接受该分组，否则将收到的分组丢弃。
在广播式网络中，若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为多点播送或组播；若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播。
在广播式网络中，由于信道共享可能引起信道访问错误，因此信道访问控制是要解决的关键问题。
3．根据网络拓扑结构分类
计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信线路和节点的几何排列或物理布局，主要反映网络中各实体之间的结构关系。
显然，网络拓扑结构是针对通信子网而言的一个概念。
计算机网络的拓扑结构主要可以分为总线型、环型、星型、树型、网型和复合型。
按照网络的拓扑结构，可以把网络分成总线型网络、星型网络、环型网络、树型网络、网状网络和复合型网络等。
具体如图1-2所示。
图1-2 不同网络拓扑的网络类型
4．其他网络分类方法
根据网络环境划分，计算机网络可以分为企业网、部门网和校园网。
根据网络控制方式的不同，可以把计算机网络分为分布式网络和集中式网络。
按照信息交换方式来区分，计算机网络分为分组交换网、报文交换网、线路交换网和综合业务数字网等。
根据网络连接的传输介质分类，计算机网络可以划分为有线网和无线网。
传输介质采用双绞线、同轴电缆和光纤等有线介质连接的网络称为有线网；采用微波通信、红外线通信和激光通信等无线介质连接的网络称为无线网。
如果按网络的通信速率来划分，计算机网络可以分为低速网、中速网和高速网。
传输速率的单位是b/s（每秒比特数，英文缩写为bps）。
计算机网络按照信号频带占用的方式可分为基带网和宽带网。
信源（信息源）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽）称为基本频带，简称基带。
这种原始的数字信号称为基带信号。
数字信号直接用基带信号在信道中传输就是基带传输，使用这种传输方式的网络称为基带网络。
基带信号占用的频带宽，往往独占整个通信线路，不利于信道的复用，抗干扰能力也较差，不利于远距离传输。
把调制的不同频率的多种信号在同一传输线路中传输称为宽带传输。
采用这种传输方式的网络就是宽带网。
根据计算机网络所使用的网络操作系统的不同，计算机网络可以分为Netware网络、UNIX网络、Linux网络、WindowsNT/2000/2003网络、VINES网络等。
计算机网络还可以按照所应用的网络协议分类，比如：
Ethernet（以太）网、TokenRing（令牌环）网、FDDI（光纤分布式数据接口）网络、X.25分组交换网络、TCP/IP网络、ATM（异步传输模式）网络、系统网络架构（SystemNetworkArchitecture，SNA）网络等。
1.4 网络参考模型
计算机网络的根本任务是要完成自治计算机之间的通信，这是一个相当复杂的任务。
为了简化计算机网络系统的工作模型，人们在计算机网络体系结构中采取了分层的办法。
分层的基本原则是：
（1）网络体系结构按照层次进行划分，一个层次完成一项相对独立的功能；
（2）在层次之间设置了通信接口，依据一定的规则完成上层和下层之间的信息通信任务。
网络分层的设计优点是非常明显的。
具体表现为：
（1）每个网络层次的功能是相对独立的，这就为各层次的功能软件提供了独立设计的可能，从而保证了软件设计的质量，降低了软件维护的复杂度；
（2）各个层次通过一定的通信接口进行通信，这样如果某个层次的功能发生变化，或者某个层次的功能软件要进行新技术更新，就不会影响其他层次的软件运行，从而实现了网络层次软件的标准化。
1.4.1 开放系统互联参考模型
计算机网络推出之后，许多大型公司都拥有了自己的网络技术，并实现了公司内部计算机的相互通信。
但由于缺乏一个国际统一的网络规范，计算机之间相互传输的信息对方不能理解，公司和其他公司的计算机网络之间无法实现连接。
为了解决这一问题，1977年国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）制定并颁布了开放系统互联参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）。
OSI/RM模型采用了七层协议体系结构。
具体内容如下文所述。
1．重要概念
（1）协议和服务
在开放系统互联参考模型OSI/RM的七层协议体系中，除了顶层和底层以外的任何一层，均可记为N，表示“第N层”。
在N层的上层是（N＋1）层，下层是（N-1）层，如图1-3所示。
开放系统的每一层由一些实体组成。
实体是软件元素（比如进程等）或硬件元素（如智能I/O芯片等）的抽象。
处于同一层中的实体叫做对等实体，一个层次由多个实体组成。
处于同一开放系统各个层次中的实体代表了系统的协议处理能力，也就是其他开放系统所看到的外部功能特性。
图1-3 计算机网络的层次模型
在OSI/RM模型中，协议和服务是两个十分重要的概念。
控制两个N层对等实体进行通信规则的集合称为N协议，两个N层实体间的通信在N协议的控制下能够实现N层向（N＋1）层提供服务，这种服务被称为N服务，而接收N服务的就是（N＋1）层的实体。
N协议保证了N服务得以向（N＋1）层实现，但N层用户只能看见N服务而无法看到N协议，也就是说，N协议对于N层用户是透明的。
（2）服务访问点
服务访问点简称SAP，是系统中相邻两层实体之间进行交换信息的逻辑接口，即N层实体和（N＋1）层实体之间的插口。
一个N服务由一个N层实体作用在一个N层服务访问点（SAP）上完成。
两个层次之间可以有多个SAP存在，但一个N层SAP却只能被一个N层实体所使用，并且只能为一个（N＋1）层实体所使用，而一个N层实体却可以向多个N层SAP提供服务（这种现象就是连接复用）。
一个（N＋1）层实体也可以使用多个N层SAP为它提供服务（这种现象被称为连接分裂）。
（3）数据单元
数据单元（DataUnit，DU）是数据传输的单位、它可以分为三种，即协议数据单元（ProtocalDataUnit，PDU）、接口数据单元（InterfaceDataUnit，IDU）和服务数据单元（ServiceDataUnit，SDU）。
协议数据单元
协议数据单元是指在不同站点的各层对等实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元。
N层协议数据单元一般由两个部分组成：
本层的用户数据和本层的协议控制消息。
接口数据单元
接口数据单元是指在系统相邻两层实体的一次信息交互中，经过层间接口的数据信息单元。
PDU在经过层间接口时还需要加上接口控制消息，用来说明通过的总字节数和加速传递控制信息等。
一个PDU加上适当的接口控制消息就成为IDU，而IDU通过层间接口后，会将加上的接口控制消息去除。
服务数据单元
服务数据单元是N层实体为了完成N层服务用户请求的功能所使用的数据单元。
它实际上是一个提供给接口所使用的用户数据。
一个N层SDU往往就是N层服务所需要传送的逻辑数据单元。
（4）服务原语
服务原语是指（N＋1）层实体向（N＋1）层实体请求服务时，服务用户与服务提供者之间进行交互的必要信息，服务原语中一般都携带了参数。
OSI规定了每一层均可使用的四种服务原语类型，即Request、Indication、Response和Confirm。
具体含义如表1-1所示。
表1-1 服务原语类型
根据所包含服务原语的不同，服务可以分为证实型（confirmed）和非证实型（unconfirmed）两种。
证实型服务包含所有4种服务原语，而非证实型服务只包含请求和指示两种服务原语，如图1-4所示。
图1-4 服务原语的使用示意图
一个完整的服务原语一般包括三大部分：
原语名称、原语类型和原语参数，原语名称和原语类型一般都用英文表示，两者之间用圆点或空格隔开；原语参数可以用中文表示，用括号与前面两部分隔开。
下面是一些服务原语工作实例：
COENNCT.request（source_address,flag,data）：
呼叫方请求建立连接，包含source_address、flag、data三个参数；
C
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