通信-互联网技术-第一章计算机网络与协议
通信-互联网技术
一、计算机网路与协议
1.1计算机网络的功能
1.1.1计算机网络的定义
计算机网络：将若干台具有独立功能的计算机，通过通信设备及传输介质互连起来，在操作系统 和网络协议等软件的支持下，实现计算机之间信息传输与交换的系统。
1.1.2计算机网络的基本功能
计算机网络的主要功能是：资源共享和数据传输。资源共享包括硬件共享、软件和信息共享。
| 功能 | 内容 |
|---|---|
| 硬件共享 | 提供对处理设备、存储设备和输入输出设备等的共享。既为用户降低投资，又便 于硬件资源的集中管理和负载均衡。例如，同一网络中的用户共享打印机、共享 硬盘空间等。 |
| 软件和信息共享 | 用户使用远程主机的软件(系统软件和用户软件)，既可以将相应软件调入本地计 算机执行，也可以将数据送至对方主机，运行软件，并返回结果，从而避免软件 研制上的重复劳动及数据资源的重复存储，也便于集中管理。 |
| 数据传输 | 计算机网络提供网络用户之间、各个处理器之间，以及用户与处理器之间的数据 传输，这是资源共享的基础。用户可以通过网络传送电子邮件，发布新闻消息， 进行文件传输、语音通信、视频会议等，极大地方便了用户，提高了工作效率 |
除了上述主要功能之外，计算机网络还可以实现集中管理、分布式处理和负载均衡等其他功能
1.2计算机网络的组成和分类
1.2.1计算机网络的组成
计算机网络的3各组成部分：【口诀：两子协议】
| 功能 | 内容 |
|---|---|
| 资源子网 | 负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网由用户的 主机和终端组成，主机通过高速通信线路与通信子网的路由器相连接。 |
| 通信子网 | 完成网络数据传输、转发等通信处理任务。通信子网包含传输线路、网络设备和网络 控制中心等硬软件设施，通信部门提供的网络一般都属于通信子网，通信子网与具体 的网络应用无关。 |
| 网络协议 | 在网络中不同设备之间进行数据传输而预先制定的一整套通信双方需共同遵守的格式 和约定。它的存在与否是计算机网络与一般计算机互连系统的根本区别。 |
1.2.2计算机网络的分类
计算机网络的划分方法和分类：
| 划分方法 | 种类 |
|---|---|
| 覆盖范围 | 广域网(Wide Area Network, WAN)、局域网(Local Area Network，LAN)、城域网 (Metropolitan Area Network,MAN) 和个人区域网(Personal Area Network, PAN)。 |
| 交换方式 | 电路交换网络和分组交换网络 |
| 拓扑结构 | 星形网、总线型网、环形网、树形网和网状网。 |
| 传输介质 | 双绞线、同轴电缆、光纤和无线网络 |
| 信道带宽 | 窄带和宽带网络 |
| 传输技术 | 点对点式网络和广播式网络 |
| 用途 | 教育网络、科研网络、商业网络及企业网络等 |
按照网络的覆盖范围可以分为：：广域网、局域网、城域网、个人区域网。
| 分类 | 覆盖范围及特点 |
|---|---|
| 广域网 | 覆盖范围可从几百千米到几千千米，可以覆盖一个地区或一个国家，甚至整个世界。 由于其规模较大，传输延迟也较大。又称远程网。 |
| 局域网 | 覆盖范围在几十米或数千米，限定在较小的区域内。通常安装在一个建筑物或校园(园 区)中，常由一个单位投资组建。特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速 率高。 |
| 城域网 | 覆盖范围介于局域网和广域网之间，能覆盖几十千米至数百千米，一般能覆盖一个城 市。与局域网相比，城域网的扩展距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上 可以说是局域网的延伸 |
| 个人区域网 | 在一定范围内，把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络称为个人区域 网，也称为无线个人区域网，其范围在 10m 左右。 |
按照网络交换划分：电路交换网络和分组交换网络
| 分类 | 内容 | 特点 |
|---|---|---|
| 电路交换网络 | 在通信开始之前要先建立链路，在通信结束之后还要 释放链路。在整个通信进行的过程中，通信信道由参 与通信的用户独享，即使某个时刻没有信息在信道上 传递，其他用户也不能使用此信道。 | 时延较短，但线路的利用率 不高。数据传输快速、按序 到达目的地且到达速率恒 定。 |
| 分组交换网络 | 分组是指包含用户数据和协议头的块，每个分组通过 网络交换机或路由器被传送到正确目的地。一条信息 可能被划分为多个分组，每个分组在网络中独立传输， 并且可能沿不同路由到达目的地。分组交换有虚电路 交换和数据报交换两种方式。 ①虚电路交换：虚电路分组交换技术是一种面向连接 的交换技术。虚电路完全不同于物理电路的连接，虽 然它也是独占使用，但它却采用了一种类似信道复用 的技术，通过分组存储与转发的原理，使得一个节点 可以同时建立多条虚电路，同时为多个通信过程服务。 ②数据报交换：采用数据报方式时，每个分组头部都 包含了分组目的地信息。中间节点通过检查分组头部， 为分组确定路由。每个分组通过网络时的路由可能是 不同的。因此，分组抵达目的节点时的顺序与其发送 顺序可能不同。 | 与电路交换相比，通信线路 不是独占的。 |
1.3计算机网络的体系结构
1.3.1计算机网络体系结构的分层原理
在分层结构中，一个层次完成一项相对独立的功能，在层次之间设置通信接口。在一个 N 层结构 中，第 N 层是第 N-1 层的用户，又是第 N+1 层的服务提供者。第 N+1 层直接使用了第 N 层提供 的服务，但实际上它通过第 N 层还间接地使用了第 N-1 层以及以下所有各层提供的服务。
| 概念 | 解释 |
|---|---|
| 服务访问点（SAP) | 两个层次之间通过 SAP 进行通信。低层功能的实现对高层来说是透明的。 |
| 服务原语（Primitive） | 服务的请求与提供是通过在 SAP 上发送或接收服务原语来实现的。 |
| 协议（Protocol） | 不同系统的对等层之间为了完成本层的功能而必须遵循的通信规则和约定。 |
采用层次结构的优点在于每层实现的功能是相对独立的。
计算机网络中的层次结构一般都是以垂直分层模型来表示的。
层次划分原则：
各层功能明确；
层间界面接口清晰；
层数适中
1.3.2计算机网络协议的概念
网络协议是为同等层实体之间的通信制定的有关通信规则的集合，包括以下 3 个要素：
| 概念 | 解释 |
|---|---|
| 语义（semantics） | 涉及用于协调和差错处理等功能的控制信息，即需要发出何种控制信息， 以及完成的动作和做出的响应。 |
| 语法（syntax ） | 涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等，即用户数据的控制信 息结构及格式 |
| 同步（synchronization） | 涉及速度匹配和排序等，即对事件实现顺序的详细说明。 |
1.4计算机网络分层模型
1.4.1OSI/RM(开放系统互连参考模型)
OSI/RM 对系统体系结构、服务定义和协议规范 3 个方面进行了定义。
系统体系结构：它定义了一个 7 层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架协调各层 标准的制定。
服务定义：描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语。 OSI 各层的协议规范：精确地定义了应当发送何种控制信息，以及应该通过何种过程对此控制 信息进行解释。
OSI/RM 将系统分成 7 层，从下到上分别为：
| 分层 | 概念及作用 |
|---|---|
| 物理层 | 1、在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。物理层 定义了建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。其目的是 在物理介质上传输原始的数据比特流。 2、无法解决数据传输过程中发生的异常情况、差错控制和恢复，以及信息格式等问题 |
| 数据链路层 | 1、建立在物理层基础上。 2、 帧中除了包含上层传输来的数据之外，还包括一些地址、控制，以及校验码信息。 两个系统中的数据链路层通过这些控制信息，实现流量控制机制和差错处理机制， 对物理设备的传输速率进行匹配(解决收发双方速度不一样的问题)。 3、 IEEE 将数据链路层划分为:介质访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。 ① LLC 子层：与网络层相邻，是 MAC 子层的上一层，具有差错控制、流量控制等功 能，负责实现数据帧的可靠传输。 ② MAC 子层主要负责实现共享信道的动态分配(针对广播式网络)，控制和管理信道 的使用，保证多个用户能向共享信道发送数据，并能从共享信道中识别并正确接收 到发送给自己的数据。 |
| 网络层 | 1、功能：使用适当的路由选择算法为数据选路，建立逻辑链路进行分组传输，以实现 网络互连。 2、路由选择算法的基本要求是正确、简单、健壮、稳定和公平。 3、 可能产生整包的数据差错 |
| 传输层 | 1、通过对数据单元错误、数据单元次序，以及流量控制等问题的处理为用户提供可靠 的端到端服务。传输层处于分层结构体系高低层之间，是高低层之间的接口，是非 常关键的一层。 2、为了实现可靠的端到端数据传输，传输层主要采用了以下技术手段： ① 分流技术。 ② 复用技术。 ③ 差错检测与恢复。 ④ 流量控制。 |
| 会话层 | 1、是进程与进程间的通信协议，主要功能是组织和同步不同主机上各种进程间的通信。 2、负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。 3、 为了建立会话，该层执行了名称及用户权限识别功能。 |
| 表示层 | 1、在网络需要的格式和计算机可处理的格式之间进行数据翻译。 2、 执行协议转换、数据翻译、压缩与加密、字符转换，以及图形命令的解释功能 |
| 应用层 | 1、包含利用网络服务的应用程序进程及应用程序接口。 2、提供的服务包括文件服务、数据库服务、电子邮件及其他网络软件服务 |
1.4.2TCP/IP参考模型
TCP/IP参考模型的基本概念
TCP/IP 又称为网络通信协议，是国际互联网的基础。
TCP/IP 是网络中使用的基本协议，是一组协议的集合，它包括上百个各种功能的协议，如 TCP 、 IP 、UDP、ICMP 、RIP 、Telnet、FTP、 SMTP、 ARP 及 TFTP 等。而 TCP 和 IP 是保证数据 完整传输的两个基本的重要协议。
通常所说的 TCP/IP 是指 Internet 协议簇，以此为基础组建的 Internet 是目前国际上规模最 大的计算机网络。
与 OSI/RM 的比较
TCP/IP 与 OSI/RM 对应层关系如下图所示:
TCP/IP 协议采用了 4 层结构，从下往上依次是网络接口层、网络层、传输层和应用层。 （1）网络接口层：这是 TCP/IP 参考模型的最低层，负责对实际的网络媒体进行管理。
（2）网络层(因特网层)：负责数据的转发和路由选择，保证数据报到达目的主机。
（3）传输层：负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。
（4）应用层：向用户提供一组常用的应用程
1.4.3各层常用协议简介
| 层别 | 常用协议 |
|---|---|
| 物理层 | 使用的有 RS-232C、RS-499、V.35、X.21 和 X.21bis，以及各种局域网的物理层标准等。 |
| 数据链路层 | ① 局域网数据链路协议。 ② 面向字符的数据链路控制规程。 ③ 面向比特型的数据链路控制规程。 从另外一个角度来看，TCP/IP 协议簇中对应于数据链路层功能的协议还包括: （1）串行线路因特网协议(SLIP): 面向低速串行线路的协议，被功能更好的 PPP 所取代。 （2）PPP: 是国际互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF) 推出的在 点到点类型线路上使用的数据链路层协议。 （3）ARP: 为已知的 IP 地址确定相应的 MAC 地址。 注：一般 OSI 模型把 ARP 归类到数据链路层，TCP/IP 模型把 ARP 归类到网络层
（4）RARP: 根据 MAC 地址确定相应的 IP 地址。
|
| 网络层 | ① X.25: X.25 的分组层协议定义了通过分组交换网络的可靠虚电路传输。 ② 互联网分组交换/顺序分组交换(IPX/SPX): 通过 IPX/SPX 可以跨过路由器访问其他网 络。 ③IP: 是网络层中最重要的协议，它负责在网络内的寻址和数据报的路由。 ④网际控制消息协议(ICMP): 提供控制和传输消息的功能。 ⑤因特网组管理协议(IGMP): 运行于主机和与主机直接相连的多播路由器之间，是 IP 主机 用来报告多址广播组成员身份的协议。 ⑥路由信息协议(RIP): 最早的路由协议之一，现在仍在广泛使用。它是一种距离向量式路 由协议，是内部网关协议的一种。 ⑦ 开放最短路径优先协议(OSPF): 由 IETF 开发的一种内部网关协议，是一种链路状态协 议。 ⑧边界网关协议(BGP): 不同自治系统路由器之间进行通信的外部网关协议 |
| 传输层 | 传输层协议可以分为 3 类： ①A 类：网络连接具有可接受的差错率和故障通知率，A 类服务是可靠的网络服务，一般指 虚电路服务。 ②B 类：网络连接具有可接受的差错率和不可接受的故障通知率，B 类服务介于前二者之间， 广域网多提供 B 类服务。 ③ C 类：网络连接具有不可接受的差错率。C 类的服务质量最差，提供数据报服务或无线 分组交换的网络均属此类。 常用的传输层协议有传输控制协议(TCP) 和用户数据报协议(UDP)。 （1）TCP: 为应用程序提供可靠的通信连接，适合于一次传输大批数据的情况，并适 用于要求得到响应的应用程序。 （2）UDP: 提供了无连接通信，不对传送的数据报提供可靠性保证，适合于一次传输 少量数据的情况，传输的可靠性由应用层负责 |
| 应用层 | ①Telnet: 提供远程登录(终端仿真)服务，运行在 TCP 上。 ② 文件传输协议(FTP): 提供应用级的文件传输服务，即远程文件访问等，运行在 TCP 上。 ③ 简单邮件传输协议(SMTP): 用来发送电子邮件的协议，运行在 TCP 上。 ④简单网络管理协议(SNMP)：用于网络信息的收集和网络管理。 ⑤域名服务(DNS): 提供域名和 IP 地址间的转换，用于完成地址查找、邮件转发等工作， 运行在 TCP 和 UDP 上。 ⑥超文本传输协议(HTTP): 传输用超文本标记语言(HTML) 编写的文件，通过此协议，可以 浏览网络上的各种信息，在浏览器上看到丰富多彩的文字与图片。 ⑦ 安全超文本传输协议(HTTPS): 对网络中传输的数据进行加密，可以有效地防止用户的 重要信息被非法窃取。 ⑧ 网络时间协议(NTP): 用于网络同步，运行在 UDP 上 |
