(精品)第1章计算机网络技术基础.ppt

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1、第1章计算机网络技术基础1.1计算机网络拓扑结构拓扑结构是指网络中计算机及其它设备的连接关系。拓扑结构隐去了网络的具体物理特性（如距离、位置等）而抽象出节点之间的关系加以研究。典型的拓扑结构有以下4种：（1）星型（2）环型（3）总线型（4）树型1.1.1星型星型结构以中央节点为中心，用单独的线路使中央节点与其它站点相连，各站点间的通信都要通过中央节点。如图1-1(a)所示。星型结构的优点是增加站点容易，成本低；缺点是中央节点出故障时会导致整个系统瘫痪，故可靠性较差。1.1.2环型环型拓扑结构的特点是计算机相互联接而形成一个环。实际上，参与连接的不是计算机本身而是环接口（一种数据收发设备，如图1

2、-1(b)中的干线耦合器），计算机连接环接口，环接口又逐段连接起来而形成环。如图1-1（b）所示。1.1.3总线型总线结构就是将各个节点（服务器、工作站等）用一根总线（如同轴缆、双绞线、光纤等）连接起来。总线型拓扑结构的特点是计算机都连接到同一条公共传输介质（总线）上，计算机相对于总线的位置关系是平等的，如图1-1（c）所示。1.1.4树型树型拓扑结构的特点是计算机都连接它的父节点（除根节点外）又都连接它的子节点（除叶节点外），连接关系呈树状，如图1-1（d）所示。图1-1计算机网络拓扑结构图1-2混合拓扑1.2计算机网络分类计算机网络的分类标准很多，能够反映网络技术本质的分类标准是计算机网络

3、的分布距离。按分布距离的长短，我们将计算机网络分为局域网（LAN），城域网（MAN），广域网（WAN）和互联网（Internet），网络类型的比较如表1-1所示。表1-1计算机网络类型比较表分布距离覆盖范围网络分类速度10米房间局域网4Mbps10Gbps100米建筑物1公里校园10公里城市城域网50Kbps100Mbps100公里国家广域网9.6Kbps45Mbps1000公里洲或洲际网间网9.6Kbps45Mbps1.2.1局域网局域网（LAN，LocalAreaNetwork）分布距离最短，是最常见的计算机网络。由于局域网分布范围极小，一方面容易管理与配置，另一方面容易构成简洁规整的拓扑

4、结构，加上速度快，延迟小的优点，使之得到广泛应用，成为了实现有限区域内信息交换与共享的典型有效的途径。局域网典型的应用如教学科研单位的内部LAN、办公室自动化OA网、校园网等。1.2.2广域网广域网（WAN，WideAreaNetwork）分布距离远，网络本身往往不具备规则的拓扑结构。由于速度慢，延迟大，入网站点无法参与网络管理，所以，它要包含复杂的互联设备（如交换机、路由器），互联设备通过通信线路连接，构成网状结构（通信子网）。广域网中互联设备负责路由等重要的管理工作，入网站点只管收发数据。1.2.3城域网城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）的指标介于局域网和广域

5、网之间，它是一种新型的物理网络技术，覆盖范围为中等规模区域（相当于一座大城市）。城域网中包含有负责路由的交换单元。随着城市信息化的发展，以及电子政府等新应用的推动，呈现出前所未有的发展势头。计算机城域网已经成为了实现城市信息交换与共享的典型有效的途径。城域网典型的应用城市电子政府、园区网、Intranet等。1.2.4互联网互联网（Internet）不是一种具体的物理网络技术，它是将不同的物理网络技术及其子技术统一起来的一种高层技术。国际互联网典型的应用如国际电子邮件E-mail、WWW、国际语音/数据网集成、电子商务、远程教育等。1.3网络体系结构1.3.1体系结构的含义计算机网络体系结构是

6、指网络的层次结构和协议。层次结构就是按一定层次组合起来的某种结构。层次结构包含两方面的含义：第一方面的含义是结构的层次性，第二方面的含义是层次的结构性。典型的层次结构如图1-3。图1-3计算机单机系统层次结构层次结构具有如下特点结构是严格单向依赖的，由外向里。外层的结构便于理解操作，但抽象、脱离细节；里层的结构原始、不易操作，但比较具体。1.3.2协议的含义协议（Protocol）是计算机网络协议的简称，它是指网络中计算机与计算机之间、网络设备与网络设备之间、计算机与网络设备之间进行信息交换的规则。1.3.3OSI/RM协议参考模型1.3.3.1OSI/RM的层次结构计算机网络层次结构的国际标

7、准是ISO制定的“开放系统互联参考模型”（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）。该模型将两台计算机通过网络进行信息交换的问题细分成七个更小、更易于设计实现的子问题，每个子问题对应一个特定层次的结构。如图1-4所示。图1-4开放系统互联参考模型1.3.3.2OSI/RM模型的特点上层隐藏紧下层的细节；上层统一下层的差异；上层弥补紧下层的缺陷和不足，为高层提供更完善的服务；信宿第n层结构接收的内容与信源第n层（对等层）发出的内容完全相同；这四个特点已经成为网络体系结构设计和实现的原则。1.3.3.3OSI/RM中的数据通信不同主机系统的对

8、等层是通过各自系统的较低层发生联系的，对等层之间并不存在直接的物理通路实现两者的通信，通信的实现是依赖上下层次间的服务传递完成的。这种关系如图1-5所示。图1-5OSI七层模型中各层数据单元的形成及流动1.3.3.4高层网络与低层网络OSI/RM中，通常将七层结构分成高层网络和低层网络。应用层、表示层、对话层和传输层构成高层网络，网络层、数据链路层和物理层构成低层网络。1.3.3.5OSI/RM与其它标准的层次结构的关系在计算机网络的发展历程中，先后出现了各种不同的网络系统。它们按照各自的应用需要提出了不同的层次结构，如X.25标准、IEEE802标准等。OSI/RM在制定时，参考了这些网络结

9、构，所以OSI/RM低层结构的标准与各种典型的网络系统比较接近。同时OSI/RM又考虑到计算机网络发展的需要，在其它标准没能涉及的高层结构方面制定了较详细的规范。1.3.3.6OSI/RM各层的含义及功能概述1.应用层(Application)2.表示层（Presentation）3.对话层（Session）4.传输层（Transport）5.网络层（Network）6.数据链路层（DataLink）7.物理层（Physical）1.3.4TCP/IP模型TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是70年代中期美国国防部(DOD)为

10、ARPANET广域网制定的网络体系结构和体系标准。以TCP/IP为基础的Internet成为了目前国际上规模最大的互联网。TCP/IP已经成为目前最重要的互联网络协议。TCP/IP是一族通信协议的代名词，其中重要的协议族是传送控制协议(TCP)和网际协议(IP)。1.3.4.1TCP/IP的层次结构TCP/IP的层次结构如图1-6所示。图1-6TCP/IP层次结构1.应用层应用层向用户提供一组应用程序，比如文件传输、电子邮件等。2.传输层传输层提供应用程序间（即端到端）的通信。其功能包括：（1）格式化信息流；（2）提供可靠传输。传输层协议规定接收端必须发回确认，假如分组丢失，必须重新发送；（3

11、）解决不同应用程序的识别问题。因为互联网常常同时被多个应用程序访问，为区别它们，传输层在每一分组中增加识别信源和信宿应用程序的信息。3.网际层该层是网络互联层，负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三个方面：（1）处理来自传输层的分组发送请求。收到请求后，将分组装入IP数据报，填充的报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据发往适当的网络接口。（2）处理输入数据报。首先检查其合法性，然后进行路由。假如该数据报到达的就是信宿（本机），则去掉报头，将剩下部分（传输层报文）交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿机，则转发该数据报。（3）处理ICMP(InternetControlMessagePro

12、tocol)报文、路由、流控、阻塞等问题。4.网络接口层该层是TCP/IP的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽取IP数据报，提交给IP层。1.3.4.2TCP/IP的重要协议TCP/IP是一个协议族，由多个子协议分层组成，下面我们介绍几个主要的协议。1.差错与控制报文协议（ICMP）在IP数据报传输系统中，IP网关（IP子网之间的互联设备）完成路由和报文传输工作，无需信源机的参与。系统一旦发生传输错误，IP协议本身并没有一种内在的机制获取差错信息并进行相应控制，为此，TCP/IP专门设计了ICMP（InternetControlMessageProtocol

13、）协议。当中间网关发现传输错误时，立即向信源机发送ICMP报文，报告出错情况，以便信源机采取相应纠正措施。2.地址解析协议（ARP）/逆向地址解析协议（RARP，ReverseAddressResolutionProtocol）它们负责实现从网际地址（如IP地址）到物理地址（如以太网网卡MAC地址）和从物理地址到网际地址的映射。ARP实现从网际地址到物理地址的映射，RARP实现从物理地址到网际地的映射。上述三个协议属于IP协议子协议。3.用户数据报协议（UDP）UDP（UserDatagramProtocol）是与TCP协议并列于传输层的协议。一般情况下，UDP与TCP共存在一个互联网中，TC

14、P提供高可靠性服务，UDP提供高效率服务。UDP直接建立在IP协议之上，比TCP相对简单些，UDP的特点是效率高，通信子网相当可靠时，UDP将提供高可靠性低成本的服务。TCP/IP子协议如图1-7所示。图1-7TCP/IP子协议1.3.4.3TCP/IP的特点TCP/IP模型通过IP层可以把众多低层网络的差异统一起来，屏蔽了低层细节，向传输层提供统一的IP数据报（如图1-8所示），进而向上层网络提供多种服务，使得TCP/IP具有很好的灵活性和健壮性，这是TCP/IP之所以成为国际互联网主流协议的根本原因。IP层的这一特性可以将TCP/IP模型表示为“中间小两头大”的沙漏模型，如图1-9所示。图

15、1-8IP数据报对物理网络帧的统一图1-9TCP/IP的沙漏模型1.4TCP/IP协议1.4.1IP协议1.4.1.1IP地址及其表示方法1.IP地址的含义所谓IP地址就是IP协议为标识主机所使用的地址，它是32位的无符号二进制数。2.IP地址分类IP地址分成为五类，即A类到E类，如图1-10所示。图1-10IP地址的五种类型3.IP地址的记法我们常常将32bit的IP地址中的每8个比特用其等效十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。这就是点分十进制记法（dotteddecimalnotation）。例如：146.130.30.14.IP地址的范围一般不使用的特殊地址如教材中表1-2所示

16、。IP地址的可用范围如教材中表1-3所示。1.4.1.2划分IP子网1.为什么要划分子网2.子网掩码划分子网要用到子网掩码，子网掩码(subnetmask)的含义如图1-11所示。图1-11子网掩码的意义3.IP地址丢失多划分出一个子网号字段是要付出代价的。例如，对于图1-11的例子，本来一个B类IP地址可容纳65534个主机号。但划分出6bit长的子网号字段后，最多可有62个子网（去掉全1和全0的子网号）。每个子网有10bit的主机号，即每个子网最多可有1022个主机号。因此主机号的总数是621022=63364个，比不划分子网时要少了一些（65534633642170）。1.4.1.3IP

17、数据报的格式IP数据报的格式能够说明IP协议都具有什么功能（这个说法对其他协议也适用）。在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32bit（即4字节）为单位为描述。IP数据报的格式如图1-12所示。图1-12IP数据报的格式1.4.1.4IP层处理数据报的流程1.IP路由表见图1-14。图1-14路由器中的路由表举例2.IP路由过程在Internet中一个路由器的IP层所执行的路由过程如图1-15所示。图1-15IP路由过程1.4.2TCP协议1.4.2.1TCP报文TCP报文分为首部和数据区两大部分。其详细格式如图1-17所示。图1-17TCP报文格式1.4.2.2TCP连接1.连接的含义

18、连接是指两个传送层用户（进程）之间的一种逻辑关系。TCP连接是一个全双工的数据通道。2.连接的建立TCP连接的建立采用“三次握手（three-wayhandshaking）”方法。三次握手法如图1-18所示。图1-18三次握手示意图 3.连接的撤除使用变形三次握手法。1.4.2.3TCP的可靠性TCP采用的最基本的可靠性技术是：确认与超时重传。该技术带来的一个副作用是导致重复报文的出现，为消除重传报文的影响，TCP还要做许多工作。流量控制也是保证可靠性的一个重要措施。假如无流控，可能因接收缓冲区溢出而丢失大量数据，导致许多重传。TCP采用可变窗口进行流控。此外，TCP还要进行阻塞控制，目的也不

19、外乎提供可靠性。1.5网络技术分类1.5.1计算机网络技术的含义通常意义上的网络技术是指物理网络技术，对应网络体系结构中的下层网络，它们负责将网络数据在物理设备之间进行传输。基于上述观点，物理网络技术主要包括的种类是两大类，即局域网技术和广域网技术。局域网技术解决的问题是如何在联网计算机之间交换数据，广域网技术解决的问题是如何在局域网之间交换数据。1.5.2计算机网络技术分类1.5.2.1局域网技术局域网技术主要包括以太网系列技术、令牌网络技术、无线网络技术。1.5.2.2广域网技术广域网技术主要是指将计算机网络数据进行大范围长距离传输的技术。分布在异地的计算机局域网使用网络互联设备（通常是路

20、由器）通过广域网技术连接起来，实现数据通信和信息共享。广域网技术主要包括综合业务数字网ISDN（IntegratedServiceDataNetwork）、帧中继FR（FrameRelay）、异步传输模式ATM（AsynchronousTransferMode）及其相关技术。1.6小结本章我们介绍了以下重点内容：（1）计算机网络拓扑结构：包括星型、环型、总线型、树型（2）计算机网络分类：包括局域网、广域网、城域网、互联网（3）网络体系结构：包括体系结构的含义、协议的概念、OSI/RM协议参考模型、TCP/IP模型（4）TCP/IP协议：包括IP协议、TCP协议（5）网络技术分类：包括计算机网络

21、技术的含义、计算机网络技术分类1.7思考题（1）计算机网络拓扑结构包括哪些类型？各自的特点是什么？（2）计算机网络分类的原则是什么？（3）计算机网络包括哪些类型？各自的特点是什么？（4）计算机网络体系结构的含义是什么？（5）简述协议的概念。（6）简述OSI/RM协议参考模型的层次结构。（7）简述TCP/IP模型的层次结构。（8）简述OIS/RM与TCP/IP结构的异同点。（9）IP地址是怎样分类的？（10）IPv4地址记法的名称与特点？（11）子网掩码的含义是什么？（12）什么是三次握手法？（13）TCP协议的可靠性是怎样保证的？（14）简述IP协议路由的过程。（15）简述计算机网络技术的含义。（16）简述计算机网络技术分类。