2022年2022年计算机网络基础知识大全 .pdf

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1、下载网络互联是指将各种不同的物理网络（如不同的局域网或广域网）连接在一起构成统一的网络，它是计算机网络中是一个非常重要的概念和技术。T CP/IP技术是实现网络互联的重要手段，该部分将要讨论的内容包括：T CP/IP参考模型、I P、A RP和I CMP、I P路由协议以及 T CP和U DP。第7章网络互连与 T CP/IP到目前为止，我们已经讨论了各种底层网络技术，如局域网、高速局域网和广域网。从本章开始，我们将讨论如何将上述各种物理网络连接成一个无缝的整体，以隐藏所有底层网络的技术，为用户提供一个统一、通用的服务界面，这就是网络互联技术，而I P协议就是这一技术的体现。本章我们将讨论网络

2、互联及I P。7.1 网络互联层次大家知道，网络互联要解决的是异构网的通信问题，目的是向高层隐藏底层物理网络技术的细节，为用户提供统一的通信服务。为了完成网络互联以屏蔽底层网络的细节，我们可以在不同的层次上完成异构网络的互联。总体来说，有两种方式可实现网络互联：一种是利用应用程序，即应用级互联；另一种是利用操作系统，即网络级互联。7.1.1 应用级互联早期的异构网络互联是通过应用程序完成的。用协议转换的观点来说，在这种互联网中，除了应用层协议外，其他各层协议都不相同。应用程序必须了解本机与网络连接的所有内部细节，并直接通过网络与其他应用程序通信，换句话说，应用程序直接建立在物理网络上，无中间协

3、议。例如， O SI电子邮件系统中的每台机器都必须运行一个称为消息传输代理M TA的应用程序，由它负责邮件的收发，而且每台中转邮件的机器也必须完整接收邮件，然后根据邮件地址将其转发到下一站。这就是一个典型的应用级互联的例子。应用级互联是最容易想到也是最笨的办法。其缺点是：首先，在网络系统中增加新的功能意味着要为网络中的每台机器编写新的应用程序；第二，增加新的硬件意味着要修改旧的应用程序；第三，每个应用程序都必须处理本机与网络连接的细节，导致代码重复。上述这些问题的根源在于应用程序必须直接面对物理网络硬件。第三部分网 络 互 连名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

4、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 应用级互联还有以下弊端：第一，当互联网络达到一定规模时，要为所有机器编写应用程序几乎是不可能的；第二，由于采用点到点的存储转发通信方式，当网络中的某个中间结点的应用程序出错时，发送方和接收方既无法不知道也无法控制。随着网络互联技术的发展，应用级互联技术已很少使用。7.1.2 网络级互联网络级互联提供一种机制，实时地把用户数据分组从源端发送到目的端。在网络级互联中，用户（应用程序）直接感受到的是互联网所提供的分组交换服务，而不是网络连接。也就是说，网

5、络级互联通过分组交换机制将底层物理网络硬件细节隐藏起来，避免了应用级互联的种种弊端。与应用级互联相比，网络级互联必须在系统中增加某些中间层次（主要是网络层），使应用程序不直接处理物理网络连接，这样物理网络技术的特性及其变化就不会影响到应用程序，并且不同的应用程序还可以共享网络级互联所提供的分组交换服务，而不再产生重复代码。网络级互联的优点在于：首先，这种互联技术直接映射到底层网络硬件，因此十分高效。第二，网络级互联把数据包传递功能从应用程序中分离出来，允许网络中的每台机器只需要处理与数据包传递有关的操作即可；第三，网络级互联使得整个互联网络的系统更加灵活；第四，网络互联模式允许网络管理人员通过

6、修改或增加某些网络软件就能在互联网中加入新的网络技术，而对应用程序而言并不需要做任何改变。网络级互联的关键思想归纳起来就形成T CP/IP网络的基本概念。它是对各种不同的物理网络的一种高度抽象，它将通信问题从网络细节中解放出来，通过提供通用网络服务，使底层网络技术对用户或应用程序透明。网络级互联的目标是建立一个统一、协作、提供统一服务的通信系统。具体方法就是在底层网络技术与应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽底层物理网络的硬件细节，向用户提供通用的网络服务。7.2 TCP/IP 参考模型T CP/IP是2 0世纪 7 0年代中期美国国防部为其研究性网络A RPA NET开发的网络体系

7、结构。A RPA NET最初是通过租用的电话线将美国的几百所大学和研究所连接起来。随着卫星通信技术和无线电技术的发展，这些技术也被应用到A RPA NET网络中，而已有的协议已不能解决这些通信网络的互联问题，于是就提出了新的网络体系结构，用于将不同的通信网络无缝连接。这种网络体系结构后来被称为T CP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ）参考模型。图 7 -1给出了 T CP/IP参考模型。T CP/IP参考模型是 4层结构，下面我们分别讨论这4层的功能：1. 网络接口层这是 T CP/IP模型的最低层，负责接收从I P层交来

8、的 I P数据报并将 I P数据报通过低层物理网络发送出去，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出I P数据报，交给 I P层。网络接口有两种类型。第一种是设备驱动程序，如局域网的网络接口；第二种是含自身数104第第第三部分 第网 络 互 连下载图7-1 TCP/IP 参考模型应用层传输层互连网层网络接口层名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 据链路协议的复杂子系统，如X .25中的网络接口。2. 互联网层互联网层的主要

9、功能是负责相邻结点之间的数据传送。它的主要功能包括三个方面。第一，处理来自传输层的分组发送请求：将分组装入I P数据报，填充报头，选择去往目的结点的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。第二，处理输入数据报：首先检查数据报的合法性，然后进行路由选择，假如该数据报已到达目的结点（本机），则去掉报头，将I P报文的数据部分交给相应的传输层协议；假如该数据报尚未到达目的结点，则转发该数据报。第三，处理I CMP报文：即处理网络的路由选择、流量控制和拥塞控制等问题。T CP/IP网络模型的互联网层在功能上非常类似于 O SI参考模型中的网络层。3. 传输层T CP/IP参考模型中传输层的作用与O SI

10、参考模型中传输层的作用是一样的，即在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。为保证数据传输的可靠性，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假定分组丢失，必须重新发送。传输层还要解决不同应用程序的标识问题，因为在一般的通用计算机中，常常是多个应用程序同时访问互联网。为区别各个应用程序，传输层在每一个分组中增加识别信源和信宿应用程序的标记。另外，传输层的每一个分组均附带校验和，以便接收结点检查接收到的分组的正确性。T CP/IP模型提供了两个传输层协议：传输控制协议T CP和用户数据报协议 U DP。T CP协议是一个可靠的面向连接的传输层协议，它将某结点的数据以字节流形式无

11、差错投递到互联网的任何一台机器上。发送方的T CP将用户交来的字节流划分成独立的报文并交给互联网层进行发送，而接收方的 T CP将接收的报文重新装配交给接收用户。T CP同时处理有关流量控制的问题，以防止快速的发送方淹没慢速的接收方。用户数据报协议U DP是一个不可靠的、无连接的传输层协议， U DP协议将可靠性问题交给应用程序解决。U DP协议主要面向请求/应答式的交易型应用，一次交易往往只有一来一回两次报文交换，假如为此而建立连接和撤销连接，开销是相当大的。这种情况下使用U DP就非常有效。另外，U DP协议也应用于那些对可靠性要求不高，但要求网络的延迟较小的场合，如话音和视频数据的传送。

12、I P、T CP和U DP的关系如图 7 -2所示。图 7-2 TCP/IP 模型各层使用的协议第 7章第网络互连与 T CP/IP第第1 05下载TELNETFTPSMTPWWWUDPTCPIPFDDIX.25ATM以太网应用层传输层互连网层网络接口层名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4. 应用层传输层的上一层是应用层，应用层包括所有的高层协议。早期的应用层有远程登录协议（Te lnet） 、文件传输协议（Fil

13、e Transfer Protocol，F TP）和简单邮件传输协议（Simple MailTransfer Protocol ，S MTP）等协议。远程登录协议允许用户登录到远程系统并访问远程系统的资源，而且像远程机器的本地用户一样访问远程系统。文件传输协议提供在两台机器之间进行有效的数据传送的手段。简单邮件传输协议最初只是文件传输的一种类型，后来慢慢发展成为一种特定的应用协议。最近几年出现了一些新的应用层协议：如用于将网络中的主机的名字地址映射成网络地址的域名服务（Domain Name Service， D N S ） ；用 于传 输 网 络 新 闻 的（Network News Tra

14、nsfer Protocol，N NTP）和用于从 W WW网上读取页面信息的超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol ，H TTP）协议。7.3 TCP/IP 参考模型的特点T CP/IP是目前最成功、使用最频繁的互联协议。虽然现在已有许多协议都适用于互联网，但只有 T CP/IP最突出，因为它在网络互联中用得最为广泛。下面我们介绍一下T CP/IP的特点。7.3.1 TCP/IP模型的两大边界T CP/IP分层模型中有两大重要边界：一个是地址边界，它将I P逻辑地址与底层网络的硬件地址分开；一个是操作系统边界，它将网络应用与协议软件分开，如图7 -3所示。T

15、 CP/IP分层模型中，存在一个地址上的边界，它将底层网络的物理地址与互联网层的I P地址分开。该边界出现在互联网层与网络接口层之间。互联网层和其上的各层均使用 I P地址，网络接口层则使用各种物理网络的物理地址，即底层网络的硬件地址。T CP/IP提供在两种地址之间进行映射的功能。划分地址边界的目的也是为了屏蔽底层物理网络的地址细节，以便使互联网软件在地址问题上显得简单而清晰，易于实现和理解。T CP/IP的不同实现，可能会导致T CP/IP软件在操作系统内的位置有所不同，但大部分T CP/IP的实现都类似于图7 -3所示的情况。影响操作系统边界划分的最重要因素是协议的效率问题，在操作系统内

16、部实现的协议软件，其数据传递的效率明显要高。7.3.2 IP 层的地位首先， I P层作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制，但I P协议并不能保证 I P报文传递的可靠性。其次， I P是点到点的。用I P进行通信的主机或路由器位于同一物理网络，对等机器（主机-路由器、路由器- 路由器以及主机- 主机）之间拥有直接的物理连接。T CP/IP是为包容各种物理网络技术而设计的，这种包容性主要体现在I P层中。通过前面的介绍，我们看到，各种物理网络技术（如各种局域网和广域网）在帧或报文格式、地址格式等106第第第三部分 第网 络 互 连下载图7-3 TCP/IP模型的两大边界应用层传输层

17、互连网层网络接口层OS外部空间OS内部空间使用IP地址使用物理地址名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 方面差别很大。 T CP/IP的重要思想之一就是通过I P将各种底层网络技术统一起来，达到屏蔽底层细节，提供统一界面的目的，即统一的虚拟网。I P向上层（主要是 T CP层）提供统一的 I P报文，使得各种网络帧或报文格式的差异性对高层协议不复存在。这种统一的意义不容小视，因为这是T CP/IP互联网首先希望实现的目

18、标。I P层是T CP/IP实现异构网互联最关键的一层。7.3.3 TCP/IP的可靠性思想在T CP/IP网络中， I P采用无连接的数据报机制，对数据进行“尽力传递”，即只管将报文尽力传送到目的主机，无论传输正确与否，不做验证，不发确认，也不保证报文的顺序。T CP/IP的可靠性体现在传输层，传输层协议之一的T CP协议提供面向连接的服务（传输层的另一个协议 U DP是无连接的）。因为传输层是端到端的，所以T CP/IP的可靠性被称为端到端可靠性。端到端可靠性思想有两个优点。第一，T CP/IP跟I SO/OSI协议相比，显得简洁清晰。面向连接协议的复杂性比无连接协议要高出许多。而T CP

19、/IP只在 T CP层提供面向连接的服务，比若干层同时的用户提供连接服务的协议族要显得简单。第二，T CP/IP的效率相当高。T CP/IP的 I P协议是“尽力传递”方式，只有T CP层为保证传输可靠性而做必要的工作，不像I SO/OSI几乎每一层都要保证可靠传输。实践证明，T CP/IP的效率比 I SO/OSI要高，尤其是当低层物理网络很可靠时，T CP/IP的效率更加可观。7.3.4 TCP/IP模型的特点T CP/IP将不同的底层物理网络、拓扑结构隐藏起来，向用户和应用程序提供通用的、统一的网络服务。这样，从用户的角度看，整个T CP/IP互联网就是一个统一的整体，它独立于具体的各种

20、物理网络技术，能够向用户提供一个通用的网络服务，如图7 -4所示。图7-4 TCP/IP 互联网用户视图和内部结果第 7章第网络互连与 T CP/IP第第1 07下载互联网主机主机路由器a) TCP/IP互联网用户视图b) TCP/IP互联网用户视图物理网名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 在某种意义上，可以把这个单一的网络看作一个虚拟网：在逻辑上它是独立的、统一的，在物理上它则是由不同的网络互联而成。将T CP/I

21、P互联网看作单一网络的观点，极大地简化了细节，使用户极容易建立起T CP/IP互联网的概念。T CP/IP互联网还有一个基本思想：即任何一个能传输数据分组的通信系统，均可被看作是一个独立的物理网络，这些通信系统均受到互连网协议的平等对待。大到广域网、小到L AN，甚至两台机器之间的点到点专线以及拨号电话线路都被当做网络，这就是互连网的网络对等性。网络对等性为协议设计者提供了极大的方便，大大简化了对异构网的处理。可见， T CP/IP网络完全撇开了底层物理网络的特性，是一个高度抽象的概念，正是这一抽象的概念，为 T CP/IP网络赋予了巨大的灵活性和通用性。7.4 TCP/IP 与I SO/OS

22、I通过前面的讨论，大家已经看到TCP/IP 模型和 I SO/OSI模型有许多相似之处。例如，两种模型中都包含能提供可靠的进程之间端到端传输服务的传输层，而在传输层之上是面向用户应用的传输服务。尽管 I SO/OSI模型和 T CP/IP模型基本类似，但是它们还是有许多不同之处。在这一节里，我们将讨论两种模型的不同之处。有一点需要特别指出：我们是比较两种参考模型的差异，并不对两个模型中所使用的协议进行比较。在I SO/OSI参考模型中，有 3个基本概念：服务、接口和协议。也许I SO/OSI模型的最重要的贡献是将这 3个概念区分清楚了。每一层都为其上层提供服务，服务的概念描述了该层所做的工作，

23、并不涉及服务的实现以及上层实体如何访问的问题。层间接口描述了高层实体如何访问低层实体提供的服务。接口定义了服务访问所需的参数和期望的结果。接口仍然不涉及到某层实体的内部机制，而只有不同机器同层实体使用的对等进程才涉及层实体的实现问题。只要能够完成它必须提供的功能，对等层之间可以采用任何协议。如果愿意，对等层实体可以任意更换协议而不影响高层软件。上述思想也非常符合现代的面向对象的程序设计思想。一个对象（如模型中的某一层），有一组它的外部进程可以使用的操作。这些操作的语义定义了对象所能提供的服务的集合。对象的内部编码和协议对外是不可见的，也与对象的外部世界无关。T CP/IP模型并不十分清晰地区分

24、服务、接口和协议这些概念。相比T CP/IP模型， I SO/OSI模型中的协议具有更好的隐蔽性并更容易被替换。I SO/OSI参考模型是在其协议被开发之前设计出来的。这意味着I SO/OSI模型并不是基于某个特定的协议集而设计的，因而它更具有通用性。但另一方面，也意味着I SO/OSI模型在协议实现方面存在某些不足。而T CP/IP模型正好相反。先有协议，模型只是现有协议的描述，因而协议与模型非常吻合。问题在于 T CP/IP模型不适合其他协议栈。因此，它在描述其他非T CP/IP网络时用处不大。下面我们来看看两种模型的具体差异。其中显而易见的差异是两种模型的层数不一样：I SO/OSI模型

25、有 7层，而 T CP/IP模型只有 4层。两者都有网络层、传输层和应用层，但其他层是不同的。108第第第三部分 第网 络 互 连下载名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 两者的另外一个差别是有关服务类型方面。I SO/OSI模型的网络层提供面向连接和无连接两种服务，而传输层只提供面向连接服务。T CP/IP模型在网络层只提供无连接服务，但在传输层却提供两种服务。综上所述，使用I SO/OSI模型（去掉会话层和表示层）

26、可以很好地讨论计算机网络，但是O SI协议并未流行。 T CP/IP模型正好相反，其模型本身实际上并不存在，只是对现存协议的一个归纳和总结，但 T CP/IP协议却被广泛使用。在后面的章节中，我们主要讨论T CP/IP协议。7.5 小结网络互连的目是为了屏蔽底层物理网络的技术细节。网络互连可以在应用级完成，也可以在网络级完成。T CP/IP参考模型将互连网分为4层，分别为网络接口层、互联网层、传输层以及应用层，而且它有两大边界。I P层在 T CP/IP参考模型中占有非常重要的地位。I P层作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制，但它不能保证I P报文传递的可靠性，数据的可靠传输是由

27、T CP完成的。T CP/IP参考模型和 I SO/OSI参考模型既有相同点，又有许多不同之处。I SO/OSI模型是在其协议被开发之前设计出来的，因此它更具有通用性。但另一方面，I SO/OSI模型在协议实现方面存在某些不足。而T CP/IP模型正好相反，先有协议，模型只是现有协议的描述，因而协议与模型非常吻合。问题在于T CP/IP模型不适合其他协议栈。因此，它在描述其他非T CP/IP网络时用处不大。习题1. 比较应用级互连与网络级互连的异同点。2. TCP/IP参考模型包含几层，每一层主要完成的功能是什么？3. TCP/IP参考模型的两大边界是什么？有何意义？4. IP层的地位和特点是什么？5. TCP/IP技术是如何对待互连网中的各个物理网络的？6. 比较 T CP/IP参考模型和 I SO/OSI参考模型的异同点。第 7章第网络互连与 T CP/IP第第1 09下载名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -