大學計算機基礎：第4章計算機網絡

第4章計算機網絡

計算機網絡是知識經濟時代的重要工具和載體，成為信息化的平臺。計算機網絡使人們的生產和生活

發生了重大變化。隨著計算機技術和通信技術的發展，計算機網絡技術也在不斷的發展。本章介紹計算機

網絡的發展、計算機網絡體系結構、計算機局域網、Internet接入的方法以及Internet服務。

4.1計算機網絡概述

4.1.1計算機網絡的發展

1946年，世界第一臺電子計算機ENIAC在美國誕生時，計算機和通信之間并沒有什么關系。早期的

計算機系統是高度集中的，所有的設備都安裝在單獨的大房間中。最初，一臺計算機只能提供一個用戶使

用。后來發展了批處理和分時系統，一臺計算機雖然可同時為多個用戶服務，但若不與數據通信相結合，

分時系統所連接的多個終端都必須緊挨著計算機，用戶都必須到計算中心的終端上使用，顯然是不夠方便

的。

20世紀50年代中期，計算機技術開始與通信技術相結合，從此計算機網絡經歷了一個從簡單到復雜

的演變過程。大體可分為面向終端的計算機網絡、分組交換網、計算機網絡體系結構的形成。

1、面向終端的計算機網絡

計算機終端系統是計算機技術與通信技術結合的前驅，把多臺遠程終端設備通過公用電話網連接到一

臺中央計算機構成所謂的面向終端的分布式計算機系統?解決遠程信息的收集、計算和處理。計算機終端

系統雖然不能稱為計算機網絡（按計算機網絡的定義）,但它提出并使用了計算機通信的許多基礎技術，

而這種系統本身也成為后來發展起來的計算機網絡的一個組成部分。

面向終端的計算機網絡是以公用電話網為數據通信的基礎構成的數據通信網絡，公用電話網傳輸的是

模擬信號，而計算機處理的是由“0”和“1”組成的離散的數字信號。因此需要通過一個稱為調制解調器

的設備，完成模擬數據與數字數據之間的轉換，實現數據通信，面向終端的計算機網絡系統的結構如圖4-1

所示。

圖4-1面向終端的計算機網絡系統

遠程終端與中央計算機在進行數據傳輸期間以獨占的方式占用了公用電話網資源。公用電話網系統的

設計是以電話業務服務要求為背景，即在每次通話期間以獨占的方式占用?條話路，進行不間斷的傳輸語

言信號。而遠程終端與中央計算機之間的數據傳輸是間斷的、數據傳輸突發性的。這樣一來，公用電話網

的資源不能充分利用，數據傳輸的費用高。此外，一旦中央計算機出現故障將造成整個系統的數據通信中

斷。

2、分組交換網

20世紀70年代，以美國國防部高級研究計劃局DARPA的ARPANET網絡為代表的，數據傳輸采用

?種嶄新的“存儲轉發——分組交換”技術實現數據通信，它的產生標志著計算機網絡的興起。最初的

.1.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

ARPA網連接4臺計算機。到1972年，有50多家大學、研究所與ARPA網連接。1983年，已有100多臺

不同體系結構的計算機連接到ARAP網上。ARPA網在網絡的概念、結構、實現和設計方面奠定了計算機

網絡的基礎，它標志著計算機網絡的發展進入到了新的階段。

計算機網絡是以分組交換網為中心的計算機網絡，各用戶之間的連接必須經過交換機。交換機采用“存

儲——轉發”交換方式，它將到達交換機的數據先存儲在交換機的緩存中，等到相應的輸出電路空閑時，

再轉發出去。分組交換網的結構如圖4-2所示。

圖4-2分組交換網的結構

交換機也就是一臺計算機，但其主要任務是實現數據通信的計算、數據的轉發的功能。交換機可有多

個端口，用于與其它的交換機和計算機連接。

存儲——轉發的交換方式是交換機以分組的目的地址為依據確定轉發的輸出端口，進行分組轉發。

分組交換：是將要傳輸的整個報文劃分為若干個小的報文，這些小的報文稱為報文分組，在進行傳輸

時，以這些報文分組為單位傳輸，即在交換機中每次進行交換的是一個報文分組。

以交換機為主體構建的分組交換網與面向終端的計算機網絡主要區別是：

(1)分組交換網是以交換機為中心構建的交換網絡，而面向終端的計算機網絡是以中央計算機為中

心。即網絡的中心是以交換機構建的分組交換網，而不是計算機。

(2)分組交換網中通信的雙方都是具有自主處理能力的計算機，而不是終端到計算機。

(3)分組交換網采用“存儲——轉發”技術，每條通信線路可供多個自主計算機之間同時通信，以

非獨占的方式利用通信線路資源。而面向終端的計算機網絡是以獨占的方式利用通信線路資源。

3、計算機網絡體系標準化

由于ARPA網的成功，到了20世紀70年代，不少的公司推出了自己的網絡體系結構。其中著名的有

IBM公司的SNA(SystemNetworkArchitecture)和DEC公司的DNA(DigitalNetworkArchitecture)o不

久，各種不同的網絡體系結構相繼出現。體系結構出現后，對同一體系結構下的網絡設備互連非常容易，

但不同體系結構下的網絡之間的互聯卜分困難。

為了解決不同網絡之間的互聯問題，國際化標準組織(InternationalStandardsOrganization,IOS)以及

下屬的計算機與信息處理標準化技術委員會TC97,經過多年卓有成效的努力，于1984年正式頒布了一個

成為"開放式系統互連基本參考模型"(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel,OSI)的國際

標準ISO/OSI7498。自此，計算機網絡開始走向國際標準化的時代。

.2.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

4、網絡互聯與Internet網

進入20世紀80年代，Internet的建立，把分散在各地的網絡互聯起來，形成一個跨國界范圍、覆蓋全

球的計算機網絡。特別是到了20世紀90年代以來，Internet開始高速發展。到1996年，全球的上網用戶

超過7000萬，并且以每月100萬用戶新用戶的速度快速發展。共有186個國家和地區加入Internet,連接

主機1600萬臺。截止2006年，全球上網用戶數接近10億。Internet已成為人類最主要、最大的知識寶庫。

當今世界已進入一個以計算機網絡為中心的時代，網上傳輸的信息不僅僅是文字、數字等文本信息，月來

越多的包括聲音、圖形圖像、視頻在內的多媒體信息在網上交流。以計算機網絡為平臺的電子商務、電子

政務、視頻點播、電視直播等系統得到了廣泛地應用，使計算機網絡已經滲入到社會生活的每一個角落，

改變著人們傳統的生活方式和工作方式。

4.1.2計算機網絡的基本概念

1、計算機網絡的定義

隨著計算機網絡技術的發展，可按照計算機網絡所具有的特性對其定義：計算機網絡是由不同傳輸媒

體構成的通信子網，與通信子網連接的多臺地理上分散的具有唯?地址的計算機，將數據劃分為不同長度

的數據分組，進行傳輸和處理的協議軟件以及應用系統所組成的傳輸和共享的系統。

此定義具有以下特征：

(1)計算機網絡是一個互聯的計算機系統的集合。這些計算機系統在地理位置上不均勻地分布。可

能在一個房間，在一個單位的樓群里，在一個或幾個城市里，甚至在全國獲全球范圍；

(2)這些計算機是自治的，即每臺計算機是獨立工作的，實在網絡協議控制下協同工作；

(3)系統互聯要通過通信設施(通信子網)來實現。通信設施一般由通信線路、傳輸設備和交換設

備等組成；

(4)系統通過通信設施執行信息的交換、資源的共享和協作處理，實現各種應用要求。它需要有一

種機制能支持互聯網絡環境下的異構計算機系統之間的通信、互操作、實現協同工作和應用集成。

計算機網絡的精確定義并沒有統一，關于計算機網絡的最簡單的定義［TANE96］：一些相互連接的，自

治的計算機的集合。如果按此定義，則面向終端的計算機網絡不能算是計算機網絡，而只能稱為聯機系統

(因為當時的許多終端不能算是自治的計算機)。一般情況下重要的是一個網絡的結構、用途和性能，而

不是其名稱，因此可以將“計算機網絡”和“計算機通信網”視為同義詞。

2、計算機網絡的功能

計算機網絡的功能主要體現在以下幾個方面：

(1)數據通信

數據通信是計算機網絡最基本的功能，主要完成交換機和計算機之間的相互數據通信。從而方便地進

行信息收集、處理與交換。

(2)資源共享

資源是指網絡中所有的軟件、硬件和數據。共享是指網絡中的用戶都能夠部分或全部地使用這些資源。

硬件共享是指計算機網絡中的各種輸入/輸出設備、大容量的存儲設備、高性能能的計算機都是可以共享的

硬件資源，對于一些價格高又不經常使用的設備，可通過計算機網絡共享提高設備的利用率，節省重復投

資。軟件共享是指網絡用戶對網絡系統中的各種軟件資源的共享。如計算機中的各種軟件、工具軟件、語

言處理程序等。數據共享是指網絡用戶對網絡中的各種數據資源的共享。網絡中的數據庫和各種信息資源

是共享的一個主要內容。

(3)分布式處理

當某臺計算機負載過重，或該計算機正在處理某項工作，網絡可將任務轉交給空閑的計算機來完成，

這樣處理能均衡計算機的負載，提高處理問題的實時性；對大型綜合性問題，可將問題分解成若干個部分，

并分別交給不同的計算機分頭處理，充分利用網絡資源，擴大計算機的處理能力。

.3.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

3、計算機網絡的組成

計算機網絡根據其構成的軟件、硬件系統可以分為傳輸/交換設備、用戶設備和網絡軟件3個部分。

傳輸設備（傳輸媒體）一般包括雙絞線、同軸電纜和光纖等。交換設備一般包括網橋、中繼器、網關、

交換機和路由器等。用戶設備一般包括計算機、服務器、終端等。網絡軟件：網絡操作系統、網絡協議軟

件和用戶程序等。

其中傳輸/交換設備是計算機網絡實現數據通信的功能，用戶設備具有數據資源和計算資源。用戶設備

通過傳輸/交換設備連接在一起構成了計算機的互聯。由于用戶設備存在著差異，僅僅將用戶計算機連接在

一起還不夠，需要網絡協議軟件和網絡操作系統等軟件來協調用戶設備之間的通信規則，實現數據交換。

因此，計算機網絡是由傳輸/交換設備構成的通信子網，用戶設備中的資源構成的資源子網以及網絡中

的各個實體（軟件、硬件）實現通信所要遵循的一序列通信規程所組成的。簡單說，計算機網絡是由資源

子網、通信子網和一序列協議所組成的。如圖4-3所示，虛線框內的是通信子網，虛線框外部的是資源子

網，通信協議軟件存在于通信子網和資源子網的主機設備中。

按照文獻［LAND86］給出的關于計算機網絡的定義，即一個計算機網絡應當有三個主要部分組成：（1）

若干個主機，它們向各用戶提供服務；（2）一個通信子網，它由一些專用的結點交換機和連接這些結點交

換機的通信鏈路所組成；（3）一些列協議，這些協議是為主機之間或主機與子網之間的通信而用的。

圖4-3計算機網絡的組成

4,計算機網絡的分類

計算機網絡可以從不同的角度進行分類，常見的幾種分類方法如下

（1）按照網絡的覆蓋地理范圍分類

按照網絡覆蓋地理范圍可分為局域網、城域網、廣域網。

?局域網（LocalAreaNetwork,LAN）：LAN是在一個較小地理范圍內，如一家公司、一所學校或

?個辦公室內，將計算機、外部設備通過傳輸媒體連接起來，以實現區域信息資源共享的目標，

其傳輸速度較高。一般在數據傳輸率在l~100Mb/s,傳輸可靠，誤碼率低、結構簡單、易于實現。

?城域網（MetropolitanAreaNetwork,MAN）：MAN是在一個城市范圍內建立的計算機網絡。覆

蓋范圍一般在10km左右。通常采用與局域網相似的技術，傳輸主要采用光纖，傳輸速率在100Mb/s

以上。當前城域網的主要是用作骨干網，通過它將位于同一城市內不同地點的主機、數據庫、以

及局域網等相互連接起來。

?廣域網（WideAreaNetwork,WAN）：WAN其覆蓋范圍可以從幾百公里到上萬公里，可以是一個

.4.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

地區、也可以是一個國家，甚至是全球。廣域網是將不同的城域網和局域網互聯起來。它的通信

傳輸裝置和傳輸媒體?般山電信部分提供。廣域網的通信子網主要是使用分組交換技術，它可以

使用公用分組交換網、衛星通信網和無線分組交換網。

（2）按照網絡的拓撲結構分類

網絡的拓撲結構是從網絡拓撲的觀點來討論和設計網絡系統，也就是討論網絡中通信結點和通信線路

（或信道）的連接所構成的各種網絡的幾何構形。用來反映網絡各組成部分之間的結構關系，從而反映整

個網絡的整體結構的外貌。拓撲結構的設計是網絡建設的第一步，它對整個網絡的功能、可靠性與費用等

方面都有重大影響。常見的網絡拓撲結構有總線結構、星形結構、環形結構、樹形結構等。在實際構造網

絡系統時，大量的網絡是以這些拓撲形式為基礎，并相互結合構成的。

?總線拓撲結構：總線結構采用一條稱為總線的共享傳輸媒體，將各工作站連接起來。如圖4-4所

示，站點之間的數據沿著這條總線進行廣播，并發送到網絡中的其它所有的站點。總線型拓撲結

構的網絡的優點是易于安裝，實現成本低，可靠性較高。缺點是不易管理，?旦共享傳輸媒體出

現故障將影響到整個網絡，故障也難以定位和監控。

圖44總線形拓撲結構

?星形拓撲結構：星形拓撲結構是以中央結點為中心，并且各個結點與中央結點連接。如圖4-5所

示，這種結構的網絡可以很容易實現在網絡中增加新的站點，它便于管理，結構清晰，容易實現

故障檢測。缺點是各個結點與中央結點通過點到點的方式連接，中央結點執行集中式的通信控制

策略。因此中央結點復雜，負載也重，網絡的穩定性依賴中心結點，如果中心結點失效，則整個

網絡就不能工作。

圖4-5星形拓撲結構

環形拓撲結構：把總線的兩端相連就可形成環形拓撲結構。如圖4*6所示，環形拓撲結構中的各

個結點通過干線耦合器（中繼器）連接到封閉的環上。任意兩個結點之間的通信必須通過環路，

數據在環路上傳輸是沿著一個方向傳輸，并且通過閉環中每個站點，單條環路只能進行單向通信。

環形拓撲結構的特點是傳輸速率高，傳輸距離遠。環路中各結點的地位和作用是相同的，因此容

易實現分布式控制。缺點是一個站點的故障會引起整個網絡的崩潰，為了提高系統的可靠性，-

般采用雙向環路的方式。

圖4-6環形拓撲結構

.5.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

?樹形拓撲結構：樹形結構是一種分級結構，如圖4-7所示，結點按層次進行連接。在樹形拓撲結

構中，信息交換主要在上下結點之間進行，相鄰或同層之間的結點一般不進行數據交換。樹形結

構的優點是通信線路連接簡單，網絡管理軟件也不復雜，維護方便。缺點是資源共享能力差，可

靠性低，任何一個結點或鏈路的故障都會影響整個網絡的運行。

圖4-7樹形拓撲結構

計算機網絡的分類除了以上方式外，計算機網絡還可按照組建網絡的屬性分為公用網和專用網；按照

通信的方式分為電路交換網、報文交換網和分組交換網；按照傳輸介質分為有線網絡和無線網絡等。

工作站簡稱為站點，一般是指具有通信功能的計算機。結點是指網絡中數據通信的匯集點，在此統一

用“結點”這一詞，而不用“節點”。如路由器、交換機等。傳輸線路、傳輸媒體、傳輸鏈路和信道，在

一般情況下不作區分，可以理解為連接網絡中任意兩個結點（或站點）之間的連接，只是在討論具體的通

信協議的時候嚴格區分。

5、計算機網絡的性能

評價一個計算機網絡性能的好壞，通常有如下幾個指標：數據傳輸率、延遲、吞吐量和丟失率等。

?數據傳輸率：即通常所說的“網絡速度”。其單位一般采用每秒比特（bps或b/s）表示。目前的

網絡傳輸速率可達到100Mb/s（每秒100兆比特）、lOOOOMb/s（IGb/s）。

?發送延遲：表示將一個數據包從發送方開始發送到發送完畢所用的時間。與數據包的大小和數據

的發送率有關（即每秒發送的比特數）。

?傳播延遲：表示將一個比特位從發送方傳輸到接收方所需的時間。與站點之間的距離和電磁信號

的傳播速度有關。

?處理延遲：表示某個站點接收完數據包開始到這個站點將該數據包轉發出去所需的時間。與網絡

的狀態、站點的運算速度等有關。

?吞吐量：指單位時間內網絡傳輸的數據量，一般用每秒比特表示。

?丟失率：指數據在網絡傳輸過程中，單位時間內所丟失的數據與所要傳輸數據的比率，丟失率經

常用來描述網絡傳輸線路質量好壞。

?誤碼率：表示數據傳輸過程中出錯的概率，是出錯的比特數與傳輸的比特總數之比。

4.1.3計算機網絡的體系結構

1、協議

在計算機網絡中，可利用通信設備將分布在各地的計算機連接起來，由于不同的計算機系統其采用的

操作系統，計算機性能以及接入網絡的方式各不相同，要使它們之間能夠實現信息交換和資源共享，首先

面臨的問題是它們之間的交流內容是什么、怎樣交流、何時交流？即要解決異種計算機和異構網絡互聯的

問題。例如，一個中國人要與法國人交流，雖然他們彼此都不懂對方的語言，但他們都會英語。那么，他

們可以約定用英語來進行交流，則英語成為雙方交流所要遵循的規則。

其實，在人們的日常生活中處處存在“協議”，人們之間的交往是一種信息的交互過程，每做一件事

情都必須遵循?種事先規定好的規則或約定。例如，在日常生活中的書信的往來是通過郵局來傳遞地，信

封按照郵政的規定來填寫發信人和收信人的郵政編碼和通信地址，如果填寫的地址不對（或收信與發信地

址位置顛倒），則這封信將不會發送到收信人手上。

同樣計算機網絡要做到有條不紊地交換數據，每個結點和站點都必須遵守一些事先約定好的規則，這

.6.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

些規則精確地定義了信息傳輸順序、信息的格式和信息的內容等約定，這些規則、標準或約定稱為網絡協

議（Protocol）0一個網絡協議主要有以下3個要素組成：

?語法：即用戶數據與控制信息的結構和格式；

?語義：即要發出何種控制信息，以及完成的動作和做出的響應；

?時序：即事件實現順序的詳細說明。

例如，兩個人的電話通信過程。首先是撥電話號碼，電話號碼包含區號和座機號，格式是區號在前，

座機號在后，這就是語法。撥號后，用戶將等待對方電話的響應（響應有接通、正忙或不存在等幾種），

根據對方電話的響應做出不響應。如接通，則可以與對方通話。對方電話的響應就是語義。在進行通話時

需要遵循的先后次序即為時序。時于電話通信，必須按照撥號一等待接通信號指示一開始通話一通話完畢

一掛斷電話的次序進行，事件的次序不能顛倒，否則通話將會失敗，

協議只確定計算機各種規定的外部特點，不對內部的具體實現做任何規定，這同人們日常生活中的一

些規定類似。攸收口，要求有良好的衛生習慣，對具體怎樣做一般不作描述。計算機網絡的軟件、硬件的廠

商在生產網絡產品時，必須按照協議規定的規則生產產品，但生產商選擇什么元器件、采用什么樣的工藝、

元器件的布局與內部結構不受約束。

2、層次劃分

協議是計算機網絡不可缺少的部分。為了減少網絡結構設計的復雜性，通常采用分層次的結構來設計，

也就是將它們分解成若干個層次，分層帶來的好處是將一個難以處理的復雜問題分解為若干個較容易處理

的更小一些的問題。每一層的功能都是向它的上層提供服務，而把本層具體的實現的細節屏蔽起來。每層

只關心本層的內容，并通過獲得下層提供的服務來實現本層的功能。

3、層次、協議之間的關系

在分層次的計算機網絡體系結構中，每個層次均向上提供了服務訪問點（ServiceAccessPoint,SAP）

的服務接口。下層為上層提供服務，匕層通過訪問服務點獲取下層的服務，并以此為基礎實現本層的功能。

所以服務（層間接口）是垂直（縱向）的。協議的實現保證能夠向上一層提供服務，本層的用戶只能看到

服務，而無法看見下面的協議，下面的協議對上層用戶來講是透明地。協議是水平的（橫向），協議是控

制對等層對等實體之間的通信規則。即協議是指同的層次中，相同實體之間的通信規則。如圖所示。N層

的協議只是與相同的N層協議進行通信，N層協議不可能與N-1層（或N+1層）之間進行通信。

圖4-8體系結構的分層示意圖

在構建計算機網絡系統中，不同的需求、不同的設計目標使得網絡體系結構的層次的劃分各不相同。

層次劃分一旦確定，則每個層次要實現的主要功能、提供的主要服務也就確定下來。在某一層次為了便于

本層功能的實現可能需要再進一步的分解問題，這就使得某一層上可能有多個協議，所謂對等層的對等實

體，也就是指相同的協議。

4、計算機網絡體系結構

所謂計算機網絡的體系結構是指構建計算機網絡系統的層次的劃分和以及各層協議的集合。也就是網

絡及其部件所應完成的功能的精確定義。因此，體系結構是計算機網絡的一種抽象的，層次化的功能模型。

5、計算機網絡協議的標準化

計算機網絡在70年代迅速發展，特別在ARPA網建立以后，世界上許多計算機大公司先后推出了各

自的計算機網絡體系結構。如IBM公司的SNA,DEC公司的分布式網絡結構DNA等。但這些網絡體系

結構具有封閉的特點，它們只適應本公司的產品聯網，其它公司的計算機網絡產品很難接入，這就妨礙了

.7.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

實現異構計算機互聯，以達到信息交換和共享的需求。國際標準化組織ISO經過多年的努力于1984年提

出了開放系統互聯參考模型(ISO/OSLRM),從此開始了有組織有計劃地制定一序列網絡國際標準。

目前，網絡協議相關的標準的制定可分為兩類：

?事實標準：由廠家制定的，未經有關標準化組織審定通過，但由于廣泛使用形成了事實標準：

?法定標準：經有關標準化組織審定通過的標準。

制定這些標準的國際標準化組織主要有：

?國際電信聯盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)：它的任務是為國際電信進行標準化。

它的前身為CCITT,成員主要是政府部門和電信廠商；

?國際標準化組織(InternationalStandardsOrganization)：它的主要成員為國家標準化組織。

?Internet體系結構委員會(InternetArchitectureBoard,IAB)：是—個非正式的標準化組織。分為

IRTF(InternetResearchTaskForce)和IETF(InternetEngineeringTaskForce)兩個工作組，主要

關注互聯網的研究工作以及具體的工程實施問題。

4.1.4OSI基本參考模型

國際標準化組織(ISO)制定的開放系統互聯參考模型，簡稱為OSL這是一個計算機互聯的國際標

準。所謂開放是指任何計算機系系統，只要遵循OSI標準，就可以與同樣遵循這一標準的任何計算機系統

通信。OSI中的系統指計算機、外部設備、終端、傳輸設備以及相應的軟件和硬件的集合。

OSI從邏輯上，把一個網絡系統分為功能上相對獨立的7個有序的子系統，這樣OSI體系結構就山功

能上相對獨立的7個層次組成。

開放式系統互聯模型的最大優點是將服務、接口和協議3個概念明確地區分開來。服務說明某?層為

上層提供一些什么功能；接口說明上一層如何使用下層的服務；而協議涉及如何實現本層的服務。這樣各

層之間具有很強的獨立性，互聯網絡中的各個實體采用什么樣的協議沒有限制，只要向上提供相同的服務，

并且不改變相鄰層的接口就可以了。

1、各層協議數據單元

OSI參考模型中的各層的數據格式(協議數據單元)是不同的，傳輸協議數據單元計量單位也不同。

?物理層：傳輸單位是比特，即二進制位，的數據格式是二進制的比特流；

?數據鏈路層：傳輸的數據的單位是幀(Frame),比特序列組合；

?網絡層：傳輸的數據為包或分組(Packet)；

?傳輸層傳輸的數據稱為報文(Message)；

?傳輸層以上傳輸的數據稱為消息(Message)?

2、協議的封裝和拆裝

數據單元在層與層之間進行傳輸的時候，就存在一個封裝和拆裝的過程，當將數據單元傳遞給下層發

送時要進行封裝，即加上本層協議的首部。當將協議數據單元傳遞給上層接收時要進行拆裝，即去掉本層

協議的首部。

協議的首部為本層協議的控制信息，協議的控制信息對上層和下層是透明的。協議首部一般包括同步、

地址信息、差錯控制、流量控制等。

如圖4-9所示，解釋發送進程A發送數據與接收進程B接收數據的過程。發送進程A要發送數據給

接收進程B,發送進程A首先將數據交給應用層，由應用層一層一層的往下傳遞，每通過一層都需要加上

本層相應的協議首部，最后到達物理層。以比特流的方式通過傳輸媒體送達接收方的物理層。

接收方物理層接收到比特流后，再將收到的數據傳遞給相鄰的數據鏈路層，每向上傳遞一層時去掉相

應的協議首部，最終將發送進程A的要發送的數據傳送給接收進程Bo

在圖4-9中AH表示應用層協議首部，如此類推，PH、SH、TH、NH、DH、PH表示各層的協議首部。

.8.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

報文

Message

Message

Message

分組

幀

比特

圖4-9體系結構的分層示意圖

3、OSI參考模型各層功能

?物理層(Physical,PH)

要傳遞信息需要利用一些物理傳輸媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纖等。物理層的任務就是為上層提

供個物理的連接，以及該物理連接表現出來的機械、電氣、功能和過程特性，實現透明的比特流傳輸。

在這一層，數據還沒有組織，僅作為原始的比特流提交給上層——數據鏈路層。

?數據鏈路層(Data-link,D)

數據鏈路層負責在兩個相鄰的結點之間的鏈路上實現無差錯的數據幀的傳輸。每一幀包括一定的數據

和必要的控制信息，在接收方接收到數據出錯時要通知發送方重發，直到這一幀無差錯的到達接收結點，

數據鏈路層就是把一條有可能出錯的實際鏈路變成讓網絡層看起來像不會出錯的數據鏈路。實現的主要功

能有：幀的同步、差錯控制、流量控制、尋址、幀內定界、透明比特組合傳輸等。

?網絡層(Network,N)

網絡中通信的兩個計算機之間可能要經過許多結點和鏈路，還可能經過幾個通信子網。網絡層數據傳

輸的單位是分組(Packet)。網絡層的主要任務是為要傳輸的分組選擇一條合適的路徑，使發送分組能夠正

確無誤的按照給定的目的地址找到目的主機，交付給目的主機的傳輸層。

?傳輸層(Transport,T)

傳輸層的主要任務是通過通信子網的特性，最佳的利用網絡資源，并以可靠和經濟的方式為兩個端系

統的會話層之間建立一條連接通道，以透明的傳輸報文。傳輸層向上一層提供一個可靠的端到端的服務，

使會話層不知道傳輸層以下的數據通信的細節。傳輸層只存在端系統中，傳輸層以上層就不再考慮信息傳

輸的問題了。

?會話層(Session,S)

在會話層以及以上各層中，數據的傳輸都以報文為單位，會話層不參入具體的傳輸，它提供包括訪問

驗證和會話管理在內的建立和維護應用之間的通信機制。如服務器驗證用戶登錄便是由會話層完成的。

?表示層(Presentation,P)

這一層主要解決用戶信息的語法表示問題。它將要交換的數據從適合某一用戶的抽象語法，轉換為適

合OSI內部表示使用的傳送語法。即提供格式化的表示和轉換數據服務。數據的壓縮和解壓縮，加密和解

密等工作都由表示層負責。

?應用層(Application,A)

這是OSI參考模型的最高層。應用層確定進程之間通信的性質以滿足用戶的需求，以及提供網絡與用

戶軟件之間的接口服務。

4.1.5面向連接服務和無連接服務

從通信的角度看，各層所提供的服務可分為兩大類：即面向連接的服務(connection-oriented)和無連

.9.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

接的服務（connectionless）（.

?面向連接的服務

所謂連接是兩個對等實體為了進行數據通信而進行的一種結合。面向連接的服務是在數據交換之間，

必須先建立連接。當數據交換結束后，則應終止這個連接。

面向連接的服務具有連接的建立、連接的維持和連接的釋放三個階段。在傳輸數據時是按序傳輸的。

如人們打電話采用的電路交換方式，就是面向連接服務。每次通話的過程為：【撥號（連接的建立）】一【通

話（連接的維持）】一【掛機（連接的釋放）】。

?無連接的服務

在無連接的服務的情況下，兩個實體之間的通信不需要先建立好一個連接，因此其下層的有關資源不

需要事先預定保留。這些資源將在數據傳輸時動態地進行分配。

無連接服務的另一特征就是它不需要通信的兩個實體同時活躍的（即處于激活狀態）。當發送端的實

體正在發送時，它才必須是活躍地。這是接收端的實體并不一定必須是活躍地。只有當接收端的實體正在

進行接收時，才必須是活躍地。

無連接服務的優點是靈活、方便、迅速，占用系統資源少。但無連接服務不能防止報文的丟失、重復

和失序。無連接服務特別適合傳輸數少量的零星報文。

4.2局域網

局域網LAN（LocalAreaNetwork）是?,種在有限的地理范圍內將大量的PC（PersonalComputer）機

以及各種設備互聯實現數據傳輸和資源共享的計算機網絡。局域網技術是當前計算機網絡研究和應用的一

個熱點，也是目前技術發展最快的領域之，局域網作為一種重要的基礎網絡，在企業、機關、學校等單

位得到廣泛的應用。局域網也是建立互聯網的基礎網絡。

4.2.1局域網概述

1、局域網的定義

要給局域網一個完整的定義，需要從功能和技術兩個方面去描述。從功能上講，局域網是一組計算機

和其它的設備在物理上彼此連接，相隔不遠，允許用戶相互通信和共享資源的方式的互聯系統。從技術角

度講，局域網是由特定類型的傳輸媒體和網絡適配器互聯的計算機，并受網絡操作系統監控的網絡系統。

功能性強調的是外部行為和服務，技術性強調的是構成局域網所需的物質基礎和構成的方法。

2、局域網的特點

局域網是將小范圍的通信設備將計算機連接在一起的通信網，一般來講，局域網有以下特點：

?為一個組織所擁有，地理范圍和站點數目均有限；

?較高的數據傳輸率。局域網的傳輸速率在每秒10Mb/s以上，可達Gb/s：

?較低的延遲和誤碼率，一般為10-8~10-11；

?各個站點在網絡中為平等的關系，而不是主從關系；

?能支持簡單的點對點或點對多點的通信

?支持多種傳輸媒體；

?協議簡單，一般包含OSI參考模型中的最低3層，即只涉及通信子網的內容；

?結構靈活、建網成本低，周期短，且便于管理和擴充。

3、局域網分類

通常局域網按網絡的拓撲結構進行分類。局域網的網絡拓撲結構主要分為總線拓撲結構、星形拓撲結

構與環形拓撲結構三種，并可以綜合各類拓撲結構的優點構成新的拓撲結構，如令牌總線網。

4.2.2局域網體系結構

自1980年以來，許多國家和國際標準化組織都積極進行局域網的標準化工作，其中最有影響力的是

IEEE制定的局域網802標準，包括CSMA/CD,令牌總線和令牌環網等。它被ANSI接受為美國國家標準，

.10.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

被ISO作為國際標準(稱為ISO8802標準)。

1、IEEE802體系結構

IEEE802的LAN標準遵循OSI參考模型的分層原則，描述最低兩層，即物理層和數據鏈路層的功能，

以及與網絡層的接口服務。IEEE802參考模型如圖所示。

由于局域網只是一個短距離內的計算機通信網，并不存在路由選擇問題，因而它不涉及網絡層，只需

考慮最低兩層。然而，由于局域網的種類繁多，其媒體訪問控制方式各不相同，因此，為了使局域網的數

據鏈路層不至于過分復雜，有必要將數據鏈路層分成兩個子層，即媒體訪問控制子層MAC(MediumAccess

Control)和邏輯鏈路控制子層LLC(LogicalLinkControl),使得數據鏈路層更容易實現向上層提供服務。

應用層

表示層

會話層

傳輸層

網絡層邏輯鏈路控制

數據鏈路層媒體訪問控制

物理層物理層

OSI參考模型IEEE802模型

圖4-10局域網參考模型與OSI參考模型的比較

2、局域網功能定義

IEEE802.1標準規定局域網的最低3層的功能如下：

?物理層：與OSI/RM的物理層相對應，但采用的具體協議標準的內容直接與傳輸媒體有關；

?媒體訪問控制子層：具體管理通信實體接入鏈路，建立數據鏈路的控制過程：

?邏輯鏈路控制子層：提供一個或多個服務訪問點，以復用的形式建立多點——多點之間的數據通

信連接，并包括尋址、差錯控制、流量控制、順序控制等功能，LLC子層與局域網的拓撲結構以

及傳輸媒體無關，它適合任何類型的局域網。此外，LLC層還提供本屬OSI/RM中網絡層提供的

兩項服務，即無連接服務和面向連接的服務。

目前IEEE已經制定局域網標準有10多個，主要的標準及各個標準之間的關系如圖4-11所示。

802.10可操作的局域網的安全

802.1B網際互連

802.14B802.14A802.2邏輯鏈路控制LLC

網絡體系

802.3802.4802.5802.11

?管理結構

CSMA/CD-…T—G網

寬帶技術光纖技術

圖4-11IEEE802標準序列之間的關系

4.2.3以太網(Ethernet)的標準

以太網是目前使用最廣發的局域網，從70年代末期就有正式的網絡產品，在整個80年代中，以太網

與PC機同步發展，其傳輸速率自80年代的初的10Mb/s發展到90年代的100Mb/s,而目前出現了IGb/s

的以太網產品。以太網支持的傳輸媒體從最初的同軸電纜發展到雙絞線和光纖，星形拓撲結構的出現使以

太網技術上了一個新的臺階，獲得了迅速發展。從共享型以太網到交換型以太網，并出現了全雙工以太網

11.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

技術，致使整個以太網系統的帶寬成十倍、百倍地增長，并保持足夠的系統覆蓋范圍。

?以太網的標準

CSMA/CD局域網標準描述的就是以太網的局域網系統，以太網是應用最為廣泛的局域網，包括以太

網標準（10Mb/s）、快速以太網（lOOMb/s）、千兆以太網（lOOOMb/s）和10G以太網，它們都符合CSMA/CD

規范。

?標準以太網

最早開始以太網只有10Mb/s的吞吐量，使用CSMA/CD訪問控制規程，通常把這種最早期的10Mb/s

以太網稱為標準以太網。標準的以太網主要采用的傳輸媒體有雙絞線和同軸電纜。如10Base-2,表示傳輸

速率為10Mb/s,傳輸方式是基帶傳輸，最大網段長度為200米。

?快速以太網

隨著網絡技術的發展，傳統標準的以太網技術難以滿足日益增長的網絡數據流量的需求。1995年3月

IEEE發布了IEEE802.3u100Base-T快速以太網標準，開始了快速以太網的時代。快速以太網支持雙絞線

和光纖傳輸媒體，并能有效地利用現有的設備，采用的還是CSMA/CD規程，兼容標準的以太網。為了提

高網絡傳輸的效率，引入了交換機，并以星形拓撲結構來構建局域網。進一步提高了網絡可維護性和擴展

性。

從10Mb/s標準以太網發展到100Mb/s、1000Mb/s快速以太網，遵循CSMA/CD規程，保持數據幀的

最小長度為64個字節，在物理層采用全雙工技術、減少最大傳輸距離、填充比特序列等技術。以保證在

發送完一個數據幀之前能夠判斷是否出現沖突，即是否爭用到信道。在標準的以太網中規定的最小數據幀

的長度為64字節，是依據爭用期的時間，爭用期為不小于2個站點之間數據幀的2倍傳播延遲時間。

100Mb/s快速以太網標準又分為100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4三個子類，常用的以太網標

準和快速以太網的標準的特點如表4-1所示。

表4-1常用的IEEE802.3以太網標準

常用的IEEE802.3以太網標準

特性

10Base-510Base-2100Base-T100Base-F100Base-TX100Base-FX

數據傳輸率

10101010100100

（Mb/s）

信號傳輸

基帶基帶基帶基帶基帶基帶

方式

最大網段長2000(MMF)

500200100500或2000100

度（米）20km(SMF)

50c粗同軸50。細同軸2X寸UTP/STP1對多模光纖或1

傳輸媒體UTP（3類以上）光纖

電纜電纜(5類以上)對單模光纖

拓撲結構總線型總線型總線型點對點星型星型

4.2.4局域網的組成

局域網技術的迅速發展，應用越來越廣泛。特別是以太網，由于具有網絡建設成本低，擴展性和維護

性好，數據傳輸率高等優點，使得以太網成為當今構建局域網首選的網絡結構模型。以太網的主要包含網

絡適配器（網卡）、工作站（接入網絡的計算機）、網絡服務器、傳輸媒體（雙絞線、光纖）、網絡連接設

備（集線器、交換機、中繼器）等。

1、網卡（網絡適配器）

網絡適配器（NetworkInterfaceCard,NIC）,簡稱網卡。是接入到網絡的最基本的部件之一，是計算

機與網絡之間的硬件連接設備，無論是采用雙絞線、光纖還是同軸電纜，都需要通過網卡連接到網絡實現

數據通信.。網卡可集成在計算機的主板上，也可用獨立的網卡插入計算機的擴展槽。一臺主機一般裝有一

.12.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

個網卡，如果需要，也可裝多個網卡，并同時工作。

網卡的主要功能包括以下三項：

?數據的封裝與拆裝:發送時將LLC子層交下來的數據單元加上媒體訪問控制子層的協議首部和尾

部，構成MAC（媒體訪問控制）幀。接收時，將MAC幀的首部和尾部去掉，然后送交LLC層；

?鏈路的管理：主要實現CSMA/CD協議；

?編碼與譯碼：即曼徹斯特編碼與譯碼。

網卡的地址（MAC地址）

類似郵件的通信地址，也包含發件人地址，接收人地址。局域網中的數據通信也需要標識發送和接收

數據的站點地址，而且應該是唯一的標識。網卡地址就是計算機網絡通信中標識某一個接入到網絡中的設

備地址。

MAC地址即網絡的物理地址。IEEE為每個周域網中的站點都規定了一個48比特的全局地址，如用

16進制表示的444&58-54-00-00。在48比特的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生產以太網網

卡的廠家都必須向IEEE購買相應的高24位的地址，低24位用于廠商或網絡管理人員對不同的網卡進行

配置。網卡上的MAC地址由生產廠商在生產時寫入網卡的ROM中。

2、中繼器

中繼器（RPrepeater）是連接網絡線路的一種裝置，常用于兩個網絡節點之間物理信號的雙向轉發工

作。中繼器是最簡單的網絡互聯設備，主要完成物理層的功能，負責在兩個節點的物理層上按位傳遞信息，

完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網絡的長度。由于存在損耗，在線路上傳輸的信號功率會

逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。中繼器就是為解決這?問題而設計

的。它完成物理線路的連接，對衰減的信號進行放大，保持與原數據相同。一般情況下，中繼器的兩端連

接的是相同的媒體，但有的中繼器也可以完成不同媒體的轉接工作。從理論上講中繼器的使用是無限的，

網絡也因此可以無限延長。事實上這是不可能的，因為網絡標準中都對信號的延遲范圍作了具體的規定，

中繼器只能在此規定范圍內進行有效的工作，否則會引起網絡故障。

3、集線器（HUB）

集線器（HUB）屬于數據通信系統中的基礎設備，它和雙絞線等傳輸介質一樣，是一種不需任何軟件

支持或只需很少管理軟件管理的硬件設備。它被廣泛應用到各種場合。集線器工作在局域網（LAN）環境，

像網卡一樣，應用于OSI參考模型第一層，因此又被稱為物理層設備。集線器內部采用了電器互聯，當維

護LAN的環境是邏輯總線或環型結構時、完全可以用集線器建立一個物理上的星型或樹型網絡結構。在

這方面，集線器所起的作用相當于多端口的中繼器。其實，集線器實際上就是中繼器的一種，其區別僅在

于集線器能夠提供更多的端口服務，所以集線器又叫多口中繼器。

依據IEEE802.3協議，集線器功能是隨機選出某一端口的設備，并讓它獨占全部帶寬，與集線器的

上聯設備（交換機、路由器或服務器等）進行通信。由此可以看出，集線器在工作時具有以下兩個特點。

首先是Hub只是一個多端口的信號放大設備，工作中當一個端口接收到數據信號時，由于信號在從源

端口到Hub的傳輸過程中已有了衰減，所以Hub便將該信號進行整形放大，使被衰減的信號再生（恢復）

到發送時的狀態，緊接著轉發到其他所有處于工作狀態的端口上。從Hub的工作方式可以看出，它在網絡

中只起到信號放大和重發作用，其目的是擴大網絡的傳輸范圍，而不具備信號的定向傳送能力，是一個標

準的共享式設備。

其次是Hub只與它的上聯設備（如上層Hub、交換機或服務器）進行通信，同層的各端口之間不會直

接進行通信，而是通過上聯設備再將信息廣播到所有端口匕由此可見，即使是在同一Hub的不同兩個端

口之間進行通信，都必須要經過兩步操作：第一步是將信息上傳到上聯設備；第二步是上聯設備再將該信

息廣播到所有端口上。

集線器屬于純硬件網絡底層設備，基本上不具有類似于交換機的“智能記憶”能力和“學習”能力。

它也不具備交換機所具有的MAC地址表，所以它發送數據時都是沒有針對性的，而是采用廣播方式發送。

也就是說當它要向某節點發送數據時，不是直接把數據發送到目的節點，而是把數據包發送到與集線器相

.13.

大學計算機基礎：第4章計算機網絡

連的所有節點。

這種廣播發送數據方式有以下幾個方面不足：

?用戶數據包向所有節點發送，很可能帶來數據通信的不安全因素，一些別有用心的人很容易就能

非法截獲他人的數據包；

?由于所有數據包都是向所有節點同時發送，加上以上所介紹的共享帶寬方式，就更加可能造成網

絡塞車現象，更加降低了網絡執行效率。

?非雙工傳輸，網絡通信效率低。集線器的同一時刻每一個端口只能進行一個方向的數據通信，而

不能像交換機那樣進行雙向雙工傳輸，網絡執行效率低，不能滿足較大型網絡通信需求。

4、交換機（Switch）

以太網交換機，也稱為交換式集線器，是筒化（典型）的網橋，一般用于互連相同類型的LAN（例如：

以太網/以太網的互連）。交換機和網橋的不同在于：交換機端口數較多；交換機的數據傳輸效較高。以太

網交換機采用存儲轉發（Store-Forward）技術或直通（Cut-Through）技術來實現信息幀的轉發。

?直通交換：當接收到一個幀的目的地址（MAC地址）后馬上決定轉發的目的端口，并開始轉發，

而不必等待接收到一個幀的全部字節后再進行轉發。相對存儲轉發技術而言，降低了傳輸延遲，

但在傳輸過程中不能進行校驗，同時也可能傳遞廣播風暴。

?存儲轉發交換：從功能上講，就是網橋所使用的技術，等到全部數據都接收后再進行處理，包

括校驗、轉發等。相對■于直通技術而言，傳輸延遲較大。

一些交換機可以同時使用上述兩種技術。當網絡誤碼率較低時采用直通技術，當網絡誤碼率較高時則

采用存儲轉發技術。這種交換機被稱為自適應交換機。交換機的特點

?支持少量的存儲能力（緩沖）；

?少量的地址表（提高查表速度）；

?處理相同的幀格式（相同類型的網絡互連）；

?具有分割子網的功能每個端口獨享指定的帶寬；

?支持多個獨立的數據流，具有較多的吞吐量硬件交換，交換速度快。

5、服務器

服務器是為整個網絡提供服務并管理整個網絡，運行網絡操作系統。服務器是向用戶提供硬盤、文件

數據以及打印機共享等共享信息資源和各種服務的一種高性能計算機，英文名稱叫做SERVER。

服務器既然是一種高性能的計算機，它的構成與平常所用的電腦（PC）有很多相似之處,諸如有CPU（中

央處理器）、內存、硬盤、各種總線等等，只不過它是能夠提供各種共享服務（網絡、Web應用、數據庫、

文件、打印等）以及其它方面的高性能應用，它的高性能主要體現在高速度的運算能力、長時間的可