第1章網絡基礎知識

1.1網絡的概念

1.1.1網絡的定義

計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通

信線路連接起來，在網絡操作系統，網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資

源共享和信息傳遞的計算機系統。如下圖1-1計算機網絡的組成所示，一個個節點通過線路

連接，形成小范圍的網絡，一個個小范圍的網絡再連接，最終形成全球互聯的網絡。

1.1.2LAN和WAN

按照網絡的作用范圍進行分類主要有：

(1)廣域網WAN(WideAreaNetwork)

廣域網的作用范圍通常為幾十到幾千公里，是互聯網的核心部分，其任務是通過長距離

運送主機所發送的數據。

(2)局域網LAN(LocalAreaNetwork)

局域網一般用微型計算機或工作站，地理上局限在較小的范圍(如1km左右)。

1.1.3網絡傳輸設備

(1)網橋

工作于數據鏈路層，是一個局域網與另一個局域網之間建立連接的橋梁，依賴于MAC地

址。網橋沒有連接網段個數的限制，基本上只用于連接相同網絡類型的網絡，但有時也可以

連接傳輸速率不同的網絡。

(2)集線器(Hub)

工作于物理層，主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，

同時把所有節點集中在以它為中心的節點上。集線器實物圖如下圖b2所示

圖1-2集線器

(3)路由器

工作于網絡層設備，主要用于尋址和轉發數據包，是三層設備。路由器實物圖如下圖1

-3所示。

圖1-3路由器

(4)交換機

工作于數據鏈路層設備，可以通過檢查收到的數據包的目的地址，并從MAC地址表中查

得目的設備所在的端口，將數據包傳送到目的端口。

Hub和交換機的區別：

Hub本身不能識別數據包的目的地址，當集線器接收到數據包時，它以廣播的方式播送

到各個端口，由每一臺主機通過驗證數據包的目的地址來決定是否接收。

交換機本身就有MAC地址表，收到數據包時查看Mac地址表，選擇轉發端口。

(5)網關

工作于網絡層，一個網絡連接到另一個網絡的“關口”，對于處于不同網段的兩個地址

在通信時，用以標識所處網段，在數據轉發時起到協調的作用。A為：192.168.L2,B為:

,A在向B發送數據時，A要先發送到自己的網關，再由A的網關轉發給B的網

關，再由B的網關轉發給B。

1.1.4網絡傳輸介質

(1)同軸電纜

由內導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層所組成。由于

外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數據。

同軸電纜實物圖如下圖b4所示。

圖14同軸電纜

(2)雙絞線

一種綜合布線工程中最常用的傳輸介質，由兩根具有絕緣保護層的銅導線組成的。雙絞

線實物圖如下圖15所示。

圖1-5雙絞線

(3)單模光纖

中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10um),只能傳一種模式的光纖。因此，其模間色散

很小，適用于遠程通訊。光纖示意圖如下圖『6所示。

圖1-6光纖

(4)多模光纖

多模光纖中傳輸的模式多達數百個，各個模式的傳播常數和群速率不同，使光纖的帶寬

窄，色散大，損耗也大，只適于中短距離和小容量的光纖通信系統。

1.1.5網絡類型

網絡拓撲包括物理拓撲和邏輯拓撲。

邏輯拓撲描述的是設備是如何通過物理拓撲進行通信，注重的是應用系統的運行狀況

物理拓撲是指物理結構上各種設備和傳輸介質的布局。物理拓撲通常有總線型、星型、

環型、樹型、網狀型等兒種。

(1)總線型

將所有的節點都連接到一條電纜上，把這條電纜成為總線。它的連接形式簡單、易于安

裝、成本低，增加和撤銷網絡設備都比較靈活。但由于總線型的拓撲結構中，任意的節點發

生故障，都會導致網絡的阻塞。同時，這種拓撲結構還難以查找故障。總線型拓撲圖如下圖

1-7所示。

n

(2)星型

網絡中的各節點通過點到點的方式連接到一個中央節點，由該中央節點向目的節點傳送

信息。中央節點執行集中式通信控制策略，因此中央節點相當復雜，負擔比各節點重得多。

在星型網中任何兩個節點要進行通信都必須經過中央節點控制。星型拓撲圖如下圖『8所

/JiQ

圖1-8星型拓撲圖

(3)環型

入網設備通過轉發器接入網絡，一個轉發器發出的數據只能被另一個轉發器接收并轉

發，所有的轉發器及其物理線路構成的環狀網絡系統。節點的故障會引起全網故障，故障

檢測困難。環型拓撲圖如下圖19所示。

圖1-9環型拓撲圖

(4)樹型

樹形網絡可以包含分支，每個分支又可包含多個結點。樹形拓撲是總線拓撲的擴充形

式，傳輸介質是不封閉的分支電纜，樹形拓撲和總線拓撲一樣，一個站點發送數據，其他

站點都能接收。樹型拓撲圖如下圖110所示。

圖1-10樹型拓撲圖

(5)網狀型

各節點通過傳輸線互聯連接起來，并且每一個節點至少與其他兩個節點相連網狀拓撲

結構具有較高的可靠性，但其結構復雜，實現起來費用較高，不易管理和維護，不常用于

局域網。網狀型拓撲圖如下圖1-11所示。

圖in網狀型拓撲圖

1.1.6傳輸模式

信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一

條發送信道和一條接收信道。

從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：

(1)單向通信

又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電

廣播以及電視廣播就屬于這種類型。

(2)雙向交替通信

又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不

能同時接收)。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間后可以再反過來。

(3)雙向通信

又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。

單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道(每個方

向各一條)。顯然，雙向同時通信的傳輸效率最高。

1.1.7通信類型

對于使用IPv4地址進行通信時，通信類型有單播，組播和廣播三種

1.單播

主機之間一對一的通訊模式，如果10個客戶機需要相同的數據，則服務器需要逐一傳

送，重復10次相同的工作。但由于其能夠針對每個客戶的及時響應，所以現在的網頁瀏覽

全部都是采用單播模式。

單播的優點：

(1)服務器及時響應客戶機的請求

(2)服務器針對每個客戶不通的請求發送不通的數據，容易實現個性化服務。

單播的缺點：

服務器針對每個客戶機發送數據流，服務器流量=客戶機數量X客戶機流量；在客戶數

量大、每個客戶機流量大的流媒體應用中服務器不堪重負。

2.廣播

主機之間一對所有的通訊模式，網絡對其中每一臺主機發出的信號都進行無條件復制并

轉發，所有主機都可以接收到所有信息(不管你是否需要)，由于其不用路徑選擇，所以其

網絡成本可以很低廉。有線電視網就是廣播型網絡?在數據網絡中也允許廣播的存在，但其

被限制在二層交換機的局域網范圍內，禁止廣播數據穿過路由器，防止廣播數據影響大面積

的主機。

廣播的優點：

(1)網絡設備簡單，維護簡單，布網成本低廉

(2)由于服務器不用向每個客戶機單獨發送數據，所以服務器流量負載極低

廣播的缺點：

(1)無法針對每個客戶的要求和時間及時提供個性化服務

(2)廣播禁止允許在Internet寬帶網上傳輸

3.組播

主機之間一對一組的通訊模式,也就是加入了同一個組的主機可以接受到此組內的所有

數據，網絡中的交換機和路由器只向有需求者復制并轉發其所需數據。主機可以向路由器請

求加入或退出某個組，網絡中的路由器和交換機有選擇的復制并傳輸數據，即只將組內數據

傳輸給那些加入組的主機。這樣既能一次將數據傳輸給多個有需要(加入組)的主機，又能

保證不影響其他不需要(未加入組)的主機的其他通訊。

組播的優點：

(1)需要相同數據流的客戶端加入相同的組共享一條數據流，節省了服務器的負載。

具備廣播所具備的優點。

(2)由于組播協議是根據接受者的需要對數據流進行復制轉發，所以服務端的服務總

帶寬不受客戶接入端帶寬的限制，其提供的服務可以非常豐富。

(3)此協議和單播協議一樣允許在Internet寬帶網上傳輸。

組播的缺點：

(1)與單播協議相比沒有糾錯機制，發生丟包錯包后難以彌補，但可以通過一定的容

錯機制和Q0S加以彌補。

（2）現行網絡雖然都支持組播的傳輸，但在客戶認證、QOS等方面還需要完善，這些缺

點在理論上都有成熟的解決方案，只是需要逐步推廣應用到現存網絡當中

1.2OSI七層模型

OSI參考模型（OSI/RM）的全稱是開放系統互連參考模型（OpenSystemInterconnect

ionReferenceModel,OSI/RM）,它是由國際標準化組織ISO提出的一個網絡系統互連模

型。它是網絡技術的基礎，也是分析、評判各種網絡技術的依據。

0SI模型的設計目的是成為一個所有銷售商都能實現的開放網絡模型，來克服使用眾多

私有網絡模型所帶來的困難和低效性。0SI模型共分為七層，每一層功能不同，包含的協議

也不同。下表1T對0SI七層模型按照自上到下的順序對名稱、功能和對應的協議做了詳細

介紹。

表LlOSI七層模型詳解

名稱主要功能相關協議

這一層為用戶的應用程序（例如電子郵件、文件傳輸和終端仿真）提供DHCP、DNS、Telnet.HTTP、FTP、

應用層

網絡服務SNMP

表示層信息的語法語義以及它們的關聯，如加密解密、轉換翻譯、壓縮解壓縮

會話層對通信的雙方用戶建立會話并管理會話PAP、SSH

接收上一層數據，在必要的時候把數據進行分割，并把這些數據交給網

傳輸層TCP、UDP、RSVP、

絡層,且保證這些數據段能有效的到達對端

IP(IPv4、IPv6)、RIP、ICMP、

封裝源IP和目的IP,根據路由表對收到的數據包進行選路并轉發，對

網絡層1GMP、ARP、IS-JS、IPsecBGP、

無法查找到路由的數據包進行丟棄，完成不同網段之間通信的任務。

OSPF、RARP

定義了如何讓格式化數據以進行傳輸，以及如何控制對物理介質的訪

數據鏈路層STP、幀中繼、PPP

問，這一層通常還提供錯誤檢測和糾正，以確保數據的可靠傳輸。

確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，如機械特性、電氣特性、功能

物理層IEEE802.2、Ethernetv2

特性和過程特性

1.2.1數據在七層的稱呼

通信雙方在互相發送數據，如發送一段文字時，計算機需要對這段文字進行處理，最終轉換

成機器能夠識別的語言甚至轉換成信號以便完成在物理鏈路上的傳輸。在七層模型的每一

層，對這段文字處理后的稱呼都各不相同，表示方式也不同，具體對應關系參見下表『2。

表1-2數據在七層的稱呼

模型層數名稱英文表示中文表示

上層（應用層、表示層、會話層）message信息、數據

傳輸層(transportlayer)Segment段、網段

網絡層(Networklayer)packet數據包、數據分組

數據鏈路層(Data-linklayer)frame幀

物理層(Physicallayer)bit比特（8個比特組成1個字節、字

節合成frame）

1.2.2數據的封裝和解封裝

發送方發送數據給接受方時，會按照七層模型的順序從上至下層層封裝，每一層根據需

要選擇對應的協議，然后通過物理鏈路傳輸到接收方；接收方收到之后，會按照七層模型從

下至上的順序層層解封裝，從每一層獲取到不同的內容，獲知是誰發送給自己的，通過什么

樣的協議進行傳輸的，最終在應用層看到對方發送的文字、圖片或視頻等消息。OSI數據封

裝與解封裝過程見下圖「12。

數據接收端數據發送端

應用層