第一章计算机网络基础知识.docx
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第一章计算机网络基础知识
第一章计算机网络基础知识
以网络为核心的信息时代，要实现信息化就必须依靠完善的网络，因为网络可以非常迅速地传递信息。
因此网络现在已经称为现代社会发展的一个重要基础，对社会生活的很多方面以及对社会经济的发展已经产生了不可估量的影响。
1.1网络的类别
为了更好的学习计算机网络，下面把网络进行分类以便学习：
1.1.1计算机网络的定义
计算机网络：
就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。
这个简单的定义可以看出，计算机网络涉及到四个方面的问题。
（1）计算机网络中包含两台以上的地理位置不同具有“自主”功能的计算机。
所谓“自主”的含义，是指这些计算机不依赖于网络也能独立工作。
通常，将具有“自主”功能的计算机称为主机（Host），在网络中也称为结点（Node）。
网络中的结点不仅仅是计算机，还可以是其他通信设备，如，HUB、路由器等。
（2）网络中各结点之间的连接需要有一条通道，即，由传输介质实现物理互联。
这条物理通道可以是双绞线、同轴电缆或光纤等“有线”传输介质；也可以是激光、微波或卫星等“无线”传输介质。
（3）网络中各结点之间互相通信或交换信息，需要有某些约定和规则，这些约定和规则的集合就是协议，其功能是实现各结点的逻辑互联。
例如，Internet上使用的通信协议是TCP/IP协议簇。
（4）计算机网络是以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源）共享为目的。
要实现这一目的，网络中需配备功能完善的网络软件，包括网络通信协议（如，TCP/IP、IPX/SPX）和网络操作系统（如，Netware、Windows2000Server、Linux）。
1.1.2计算机网络的分类
计算机网络的分类可按多种方法进行，一般有下面几种：
⑴按分布地理范围的大小分为局域网、城域网、和广域网3类。
⑵按拓扑结构可分为总线型、星状、环状、网状等。
⑶按交换方式可分为电路交换网、分组交换网、帧中继交换网、信元交换网等。
⑷按网络协议可分为采用TCP/IP、SNA、SPX/IPX、AppleTALK等协议的网络。
⑸按应用规模可以分为Intranet、Extranet、Intenet。
虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。
按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。
局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。
下面简要介绍这几种计算机网络。
⑴局域网（LocalAreaNetwork；LAN）
常见的“LAN”就是指局域网，这是最常见、应用最广的一种网络。
现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。
很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。
局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。
一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。
在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。
局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。
这种网络的特点就是：
连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。
目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网了。
IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：
以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。
⑵城域网（MetropolitanAreaNetwork；MAN）
这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。
这种网络的连接距离可以在10—100公里，它采用的是IEEE802.6标准。
MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。
在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。
如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。
由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。
城域网多采用ATM技术做骨干网。
ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。
ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。
ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。
ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。
ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。
⑶广域网（WideAreaNetwork；WAN）
这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。
因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决循径问题。
这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps￣45Mbps如：
邮电部的CHINANET，CHINAPAC，和CHINADDN网。
⑷互联网（Internet）
互联网又因其英文单词“Internet”的谐音，又称为“英特网”。
在互联网应用如此发展的今天，无论从地理范围，还是从网络规模来讲它都是最大的一种网络，就是我们常说的“Web”、“WWW”和“万维网”等多种叫法。
从地理范围来说，它可以是全球计算机的互联，这种网络的最大的特点就是不定性，整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。
当您连在互联网上的时候，您的计算机可以算是互联网的一部分，但一旦当您断开互联网的连接时，您的计算机就不属于互联网了。
但它的优点也是非常明显的，就是信息量大，传播广，无论你身处何地，只要联上互联网你就可以对任何可以联网用户发出你的信函和广告。
因为这种网络的复杂性，所以这种网络实现的技术也是非常复杂的，这一点我们可以通过后面要讲的几种互联网接入设备详细地了解到。
1.2OSI参考模型
国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization）简称ISO，在1978年提出了开放系统互连模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel,OSI）,该模型是设计和描述网络通信的基本框架。
生产厂商根据OSI模型的标准设计自己的产品。
OSI描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作进行网络通信。
OSI采用了7层的结构化技术，这7层的分层原则如下：
⑴．当需要一个不同抽象体的时候，应该创建一层。
⑵．每一层都应该执行一个明确定义的功能。
⑶．选择每一层功能的时候，应该考虑到定义国际标准化的协议。
⑷．选择层边界的时候，应该使“跨接口所需要的信息流”尽可能小。
⑸．层数应该足够多，以保证不同的功能不会被混杂在同一层中，同时层数也不能够太多，以至于整个体系结构变得过于强大。
下面将从底层开始，依次讨论该模型中的每一层。
需要注意的是OSI参考模型本身并不是一个网络体系结构，只是指明了每一层上应该做些什么事情。
然而，ISO也已经为每一层制定了相应的标准，但这些标准并不属于参考模型本身。
1.2.1物理层
物理层（physicallayer）涉及到在通信信道上传输的原始数据位。
在设计的时候必须要保证，当一方发送了“1”时，在另一方的也是“1”，而不是“0”。
这里的典型问题是：
应该用多少伏的电压来表示“1”；多少伏的电压表示“0”，每一位持续多少纳秒（ns）;传输过程是否在两个方向上同时进行；初始连接如何建立；当双方结束之后如何撤销连接；网络连接器有多少针以及每一针的用途是什么。
这里的设计问题主要涉及到机械、电子和定时接口，以及位于物理层之下的物理传输介质等。
1.2.2数据链路层
数据链路层是OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。
它的主要功能是将从网络层收到的数据分割成特定的可被物理层传输的帧。
帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，或称“有效荷载”，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。
其中的地址确定了帧将发送到何处，二纠错和控制信息则确保帧无差错到达。
可以把数据帧想象为一列有许多车厢的火车。
其中一些车厢可能不是必需的，每列火车在的货物量也是不同的，但每列火车都需要一个火车头和一个守车。
数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型，它也不关心是否正在
运行WordPerfect、Excel或使用Internet。
有一些连接设备，如网桥或交换机，由于它们要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方，所以它们是工作在数据链路层的。
Ethernet是应用数据链路层技术的一个实例。
1.2.3网络层
网络层，即OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。
例如，一个计算机有一个网络地址10.34.99.12（若它使用的是TCP/IP协议）和一个物理地址0060973E97F3。
以教室为例，这种编址方案就好像说“丽丽女士”和“具有身份证号是123-45-6789的中国公民”是一个人一样。
即使在中国还有其他许多人也叫“丽丽女士”，但只有一人其身份证号是123-45-6789。
在你的教室范围内，只有一个丽丽女士，因此当叫“丽丽女士”时，回答的人一定不会搞错。
网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点Ａ到另一个网络中节点Ｂ的最佳路径。
由于网络层处理路由，而路由器因为即连接网络各段，并智能指导数据传送，属于网络层。
在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。
网络层协议还能补偿数据发送、传输以及接收的设备能力的不平衡性。
为完成这一任务，网络层对数据包进行分段和重组。
分段即是指当数据从一个能处理较大数据单元的网络段传送到仅能处理较小数据单元的网络段时，网络层减小数据单元的大小的过程。
这个过程就如同将单词分割成若干可识别的音节，给正学习阅读的儿童使用一样。
重组过程即是重构被分段的数据单元。
类似地，当一个孩子理解了分开的音节时，他会将所有音节组成一个单词，也就是将部分重组成一个整体。
注意：
OSI模型中网络层所进行的分段过程与网络分段无关。
网络层的分段是指数据帧大小的减小，而网络分段是指一个网络分割成更小的逻辑片或物理片。
1.2.4传输层
传输层主要负责确保数据可靠、顺序、无差错地从Ａ点到传输到Ｂ点（Ａ、Ｂ点可能在也可能不在相同的网络段上）。
因为如果没有传输层，数据将不能被接受方验证或解释，所以，传输层常被认为是OSI模型中最重要的一层。
传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。
除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。
例如，以太网无法接收大于1500字节的数据包。
发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。
该过程即被称为排序。
再以教室为例来理解排序的过程。
假设你提问题，“丽丽女士，低级的农业耕作技术是如何影响DustBowl的？
”但是，丽丽女士接收到信息则是“低级农业耕作技术丽丽女士？
如何作用于DustBowl？
影响。
”在网络中，传输层发送一个ACK（应答）信号以通知发送方数据已被正确接收。
如果数据有错，传输层将请求发送方重新发送数据。
同样，假如数据在一给定时间段未被应答，发送方的传输层也将认为发生了数据丢失从而重新发送它们。
工作在传输层的一种服务是TCP/IP协议套中的TCP（传输控制协议），另一项传输层服务是IPX/SPX协议集的SPX（序列包交换）。
在本书后面将对上述服务及其他传输层服务作详细描述。
1.2.5上三层
会话层负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。
术语“会话”指在两个实体之间建立数据交换的连接；常用于表示终端与主机之间的通信。
所谓终端是指几乎不具有（如果有的话）自己的处理能力或硬盘容量，而只依靠主机提供应用程序和数据处理服务的一种设备。
会话层的功能包括：
建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。
你可能常常听到有人把会话称作网络通信的“交通警察”。
当通过拨号向你的ISP（因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP服务器上的会话层向你与你的PC客户机上的会话层进行协商连接。
若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时，你终端机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。
会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限。
就此而论，会话层如同一场辩竞赛中的评判员。
例如，如果你是一个辩论队的成员，有2分钟的时间阐述你公开的观点，在1分30秒后，评判员将通知你还剩下30秒钟。
假如你试图打断对方辩论成员的发言时，评判员将要求你等待，直到轮到你为止。
最后，会话层监测会话参与者的身份以确保只有授权节点才可加入会话。
表示层如同应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。
表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理如果在Internet上查询你银行账户，使用的即是一种安全连接。
你的账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。
除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。
OSI模型的顶端也即第七层是应用层。
应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。
术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序，如MicrosoftWord，应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。
例如，如果在网络上运行MicrosoftWord。
并选择打开一个文件，你的请求将由应用层传输到网络。
1.3TCP/IP协议
1.3.1TCP/IP核心协议
TCP/IP不是一个简单的协议，而是一组小的、专业化协议，包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP以及其他的一些被称为子协议的协议。
大部分网络管理员将整组协议称为TCP/IP，有时简称为IP。
TCP/IP的前身是由美国国防部在20世纪60年代末期为其远景研究规划署网络（ARPANET）而开发的。
由于低成本以及在多个不同平台间通信的可靠性，TCP/IP迅速发展并开始流行。
它实际上是一个关于因特网的标准，迅速成为局域网的首选协议。
一些发行的网络操作系统（NOS）（如NetWare5.0）使用TCP/IP为缺省协议。
TCP/IP最大的优势之一是其可路由性，也就意味着它可以携带被路由器解释的网络编址信息。
TCP/IP还具有灵活性，可在多个网络操作系统（NOS）或网络介质的联合系统中运行。
然而由于它的灵活性，TCP/IP需要更多的配置。
TCP/IP协议群中的子协议或TCP/IP核心协议，被设计成运行在OSI模型的传输层或网络层的协议，它们为网络中的各主机提供通信服务。
它们也对四层模型的最高层—应用层中的协议提供服务。
你可能会猜测到，TCP和IP是TCP/IP协议群中最重要的核心协议。
除了下面将讨论的子协议，TCP/IPP协议群中还有一组路由协议作为其特色协议，这些协议有助于路由器更有效地管理信息流。
网际协议（IP）属于TCP/IP模型和互连网层，提供关于数据应如何传输以及传输到何处的信息。
IP是一种使TCP/IP可用于网络连接的子协议，即TCP/IP可跨越多个局域网段或通过路由器跨越多种类型的网络。
在一个网际环境中，被连接在一起的单个网络被称为子网。
使用子网是TCP/IP连网的一个重要部分。
数据帧的IP部分被称为一个IP数据报，IP数据报如同数据的封面，包含了路由器在子网中传输数据所必需的信息。
IP数据报包括报头和数据，总长度不能超过65535字节。
下面描述了IP数据报头的各部分，并描绘在图1-1中。
图1-1一个IP数据报的各组件
•版本：
标识协议的版本号。
接收方工作站首先查看该域以决定它是否能够读取该输入数据。
若不能，它将拒绝该数据包。
然而，由于大多数TCP/IP网络使用IP版本4（IPv4），很少发生拒绝事件。
一个更高级的IP版本，即IP版本6（IPv6）已经开发出来并将在不久使用。
IPv6将具有向后兼容性以便能够接收IPv4的数据。
•网际报头长度（IHL）：
用32位编组形式标识IP报头的长度。
最常用的IP报头由四个编组，或20个8位字节组成。
该域的重要性在于它向接收点指示了数据从何处开始（在报头结束之后立即开始）
•服务类型（ToS）：
通过指定数据的速度、优先权或可靠性，通知IP如何处理输入的数据报。
•总长度：
用字节标识数据报的总长度，其包括报头和数据。
•标识符：
标识一个数据报所属的消息，以使得接收节点可以重组被分断或分段的消息。
该域和下面两个域，即标识符和段偏移量，在数据报的分段和重组过程中起作用。
•标志：
无分段（DF）或多个分段（MF）：
标识一个消息是否被分段，如果是，则表示数据报是否是最后一个段。
•分段偏移量：
标识数据报段属于输入段集的哪一段。
•生存期（TTL）：
标识一个数据报在它被抛弃前在网络中存在的最大时间，单位为秒。
TTL对应于一个数据报通过路由器的数目；一个数据报每次通过一个路由器，TTL将减去一秒，不论路由器是否花费一整秒进行数据处理。
•协议：
标识将接收数据报的传输层协议类型（如TCP或UDP）。
•报头校验和：
决定IP报头是否已被破坏。
•源地址：
标识源节点的完整的IP地址。
•目标地址：
标识目标节点的完整的IP地址。
•可选项：
可以包含可选的路由和实时信息。
•填充位：
包含填充信息以确保报头是32位的倍数，该域的大小可变。
•数据：
包括了由源节点发送的原始数据,外加TCP信息
IP协议是一种不可靠的、无连接的协议，即意味着它不保证数据的可靠传输。
然而，
TCP/IP协议群中更高层协议可使用IP信息确保数据包按正确的地址进行传输。
注意到IP数据报并不包含一个校验和部件，报头校验和仅仅验证IP报头中路由信息的完整性。
如果当数据包被接收时伴随信息的校验和值不正确，则数据包将被认为已破坏并被抛弃，同时，一个新的数据包被发送。
传输控制协议（TCP）协议属于TCP/IP协议群中的传输层，提供可靠的数据传输服务。
TCP是一种面向连接的子协议，意味着在该协议准备发送数据时，通信节点之间必须建立起一个连接。
TCP协议位于IP子协议的上层，通过提供校验和、流控制及序列信息弥补IP送数据，如不检测目标节点是否脱机，或数据是否在发送过程中已被破坏。
另一方面，TCP包括了可保证数据可靠性的几个组件。
TCP协议段的各个域描述如下，图1-2描述了一个TCP协议段和它的各个域。
图1-2一个TCP协议段
源端口：
指示源节点的端口号。
一个端口是位于主机上的一个地址。
在端口处，一个应用程序可以获得输入数据。
端口的一个例子如端口80，该端口一般用于接收Web页请求。
目标端口：
指示目标节点的端口号。
序列号：
标识了数据段在已发送的数据流中的位置。
应答号（ACK）：
发送方通过返回一条消息来验证数据已被接收。
TCP报头长度：
指示了TCP报头的长度。
代码：
包括了标识特殊条件的标识符，例如，一个消息是紧迫的，或源节点希望请求一个连接或结束一个连接。
滑动窗口尺寸：
指示了接收方机器可接收的数据块个数。
校验和：
允许接收节点判定TCP段是否在发送过程中被破坏。
紧迫指示器：
能够指示出紧迫数据驻留在数据中的位置。
可选项：
用于具体指定一些特殊选项。
填充：
包含了确保TCP报头大小是32位整数倍的填充信息。
数据：
包含了由源节点发送的原始数据。
用户数据报协议，如同TCP，位于TCP/IP模型中互连网层和应用层之间的传输层中。
不同于TCP的是，UDP是一种无连接的传输服务，它不保证数据包以正确的序列被接收。
事实上，该协议根本不保证数据包的接收，而且，它不提供错误校验或序列编号。
然而通过Internet进行实况录音或电视转播，要求迅速发送数据时，UDP的不精确性使得它比TCP协议更加有效、更有用。
在这些情况下，具有验证、校验和以及流控制机制的TCP协议将增加太多的报头，使得其难以发送。
与TCP协议的10各域相对照，UDP报头仅包含了四个域：
源端口、目标端口、长度和校验和。
虽然IP能确保数据包到达正确的目标点，但当发送过程出了某些问题时，网际控制报文协议（ICMP）将通知发送方且数据不再被传送。
ICMP位于TCP/IP模型互连网层的IP协议和TCP协议之间，它不提供错误控制服务，而是仅仅报告哪一个网络是不可到达的，哪一个数据包因分配的生存时间（它们的TTL）过期而被抛弃。
ICMP常用于诊断实用程序中。
地址解析协议（ARP）是一个互连网层协议，它获取主机或节点的MAC地址（物理地址）并创建一个本地数据库以将MAC地址映射到主机IP（逻辑）地址上。
ARP协议与IP协议紧密协作，因为IP再指导发送数据到目标主机之前必须具有目标主机的地址。
如果一个主机需要知道在同一子网的另一主机的MAC地址，第一个主机将向网络发送一条广播消息，“IP地址为AA.BB.CC.DD的计算机请发送给我你的MAC地址”。
在本地子网中具有IP地址AA.BB.CC.CC的主机将广播一条包括目标主机物理地址的ARP响应。
为使ARP更加有效，计算机在一个缓冲区保存已经知道的IP-MAC地址映射表，这样就无需广播冗余请求。
1.3.2IP编址
计算机接入TCP/IP网络后，每台计算机将分配到一个IP地址，该地址用来在网络上标识这台计算机。
事实上，每个网络适配器（网卡）在出厂时都有一个唯一的媒体访问控制（MAC）地址，MAC地址常用6对十六进制数来表示，如00-80-C8-EA-AA-7E。
于MAC地址相比，为网络中的计算机再分配一个唯一的IP地址，主要目的是方便网络管理员更好的组织网络上的服务器和工作站，在网络传输时，路由器和其它设备能决定采用何种路径传输数据分组。
IP地址由4个字节（32bit）的信息组成，例如：
1000,1100,1011,0000,1101,1001,0100。
为便于书写，常通一写作：
“140.176.217.148”这种形式。
根据IP地址的前几个bit即可确定该地址的网络类型：
A类网址的第一个bit位为0，B类网络前两个bit位为10，C类网络前3个bit为110所示（如表1-1所示。
换算成十进制，则A类网络地址可以为0.0.0.0-127.255.255.255，B类网络地址可以为128.0.0.0-191.255.255.255，C类网络地址为192.0.0.0-223.255.255.255。
每个A类网络最多可以有上百万个节点，A类地址用于超大型网络；每个B类网络最多可以有上网各节点，B类地址用于中等规模的网络；每个C类网络最多只能有几百个节
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