第三章計算機通信網

13.1概述

3.1.1計算機網絡的定義1.廣義的觀點計算機技術與通信技術相結合，實現遠程信息處理或進一步達到資源共享的系統2.資源共享的觀點以能夠相互共享資源的方式連接起來，并且各自具有獨立功能的計算機系統的集合3.對用戶透明的觀點存在一個能為用戶自動管理資源的網絡操作系統，由它來調用完成用戶任務所需要的資源，而整個網絡像一個在原計算機系統一樣對用戶是透明的23.1.2計算機網絡的組成

計算機網絡的基本功能是數據處理與數據傳輸（包括交換）。因此，在結構上形成了與之相應的兩部分。計算機和終端負責數據處理，通信控制處理機CCP和通信線路負責數據傳輸和交換。在邏輯功能上，由兩個子網構成，即資源子網和通信子網，如下圖所示。3計算機網絡結構

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資源子網主要由計算機系統、終端、終端控制器、連網外設、各種軟件資源和數據資源等組成。資源子網負責全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種網絡資源和網絡服務。主計算機（Host）終端設備通信子網主要由網絡通信控制處理機、通信線路及其它通信設備組成。其功能是進行全網的數據傳輸、交換及通信控制等通信處理工作。通信子網有三種組織形式：（1）結合型、（2）專用型、（3）公用型。通信控制處理機通信線路5

3.2計算機網絡體系結構與協議

3.2.1基本概念

計算機網絡的功能是為實體提供通信聯系。實體可以是客觀存在的物體，也可以是通信聯系所涉及到的內容。例如應用進程、文件傳送模塊、用戶應用程序等。一個計算機網絡由多個實體構成，它包括有多個連接節點，節點之間要不斷地交換數據和各種控制信息。為了使網絡有條不紊地工作，每個節點都必須遵守一些事先約定好的規則，規定交換數據的格式、時序等。這些為網絡進行數據交換而建立的規則、約定或標準稱為計算機網絡協議。6

一個功能完備的計算機網絡系統需要制定一套復雜的協議集，組織復雜的計算機網絡協議的最好方式是層資結構模型。我們將計算機網絡的層次結構模型和分層協議的集合定義為計算機網絡體系結構。對于網絡體系結構，國際標準化組織ISO提出了開放系統互連參考模型(OSIRM)，它是一個分層結構模型。所謂分層就是從物理連接到具體應用時，將全部問題分成許多小的模塊來解決，自下而上分成若干層，每層都使用由較低層提供的有意義的服務，同時該層又為較高層提供所定義的服務，高層依靠低層交換數據。73.2.2OSI參考模型各種網絡服務功能是十分復雜的。為使設計簡單化，可將它們劃分成較為簡單的功能逐步完成，這就是分層的概念。劃分層次的原則是：（1）網中各節點相同的層次具有相同的功能。（2）同一節點內部相鄰層之間通過接口通信。（3）每層使用下一層提供的服務并向其上層提供服務。（4）不同節點的對等層按照協議實現的通信。ISO將全部通信功能劃分為七個層次。該模型中，低三層屬于通信子網的功能范疇。高三層屬于資源子網的功能范疇，傳輸層起著銜接高層和低層的作用。8

OSI參考模型結構

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分層結構具有如下特點：（1）一個節點的各層只能與相鄰上下層通信，不能跨層通信。（2）物理層是網絡中各節點的直接接口。（3）節點中各層都有自己的協議，而且這些協議是互相獨立的，各層的功能任務也是十分明確的。10

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物理層是設備之間的物理接口，該層規定了標準的機械、電氣、功能和規程的特性，以便在數據鏈路層實體之間建立、保持和拆除物理連接。數據鏈路層實體通過接口將信息傳遞給物理層，在物理層提供的協議、介質接口和功能的共同作用下，將接收的比特流按位串行傳輸的順序通過物理介質傳送到另一個數據鏈路層實體。數據鏈路層為網絡層實體之間建立、保持和拆除一條或多條數據鏈路提供功能性和規程性的手段。它把數據按幀的格式組織起來，把物理層傳輸比特流的功能加強，使之對網絡層提供一條無差錯的線路。為了可靠的進行傳輸幀，按順序送達目的地址，它在鏈路上要進行差錯控制、流量控制和順序控制13

數據鏈路層協議主要有二種：一種是面向字符型協議，它主要用于早期主機與終端之間的通信，傳輸時以字符為單位，采用異步方式。另一種是面向位（bit）協議，主要以幀為單位進行傳送，以HDLC（High-levelDataLinkControl）協議用得最為廣泛。HDLC是一個面向位的通信規程，它比面向字符的協議可靠性高，傳輸速率快。所有幀采用循環冗余校驗和信息幀順序編號，可防止漏收和重復收。傳輸控制功能和處理分開，具有較大靈活性。14

網絡層為兩個傳輸層實體之間提供建立、保持和拆除網絡連接的手段，提供透明的數據傳送。網絡層也是通信子網的最高層，它可以控制通信子網的運行，從發送節點的傳輸層發出的報文，在網絡層轉換成報文分組，通過通信子網的傳送，到達目的節點后再裝配還原成報文，并傳送到目的節點的傳輸層。所有的路由選擇、數據分組、尋址方法以及計費功能等均由本層完成。傳輸層及其以上各層協議一般統稱為高層協議，它為用戶提供了端到端分組交換所需的全部服務，主要有傳輸連接管理服務和數據傳輸服務，傳輸連接管理是在兩個用戶之間建立和保持一條暢通的傳輸通道；數據傳輸服務是指在兩個用戶之間提供相互交換數據的方法15

會話層是OSI參考模型的第五層，它接受從傳輸層送來的任務，又為表示層提供服務。“會話”的意思是指在兩個不同系統的端機上運行的應用進程之間通過連接進行的對話。所以會話層的主要任務是建立和保持兩個表示層實體進程之間對話的連接，并管理它們之間的數據交換。會話層還提供一種同步服務，當經常出現故障的網絡上，在端機之間進行長時間的長批量文傳輸就會產生困難，為解決此問題，會話層提供一種方法即在數據中插入若干檢驗點。每次網絡出現故障后，只要重發最后一個檢驗點的數據，而不是從頭開始。16

表示層接受來自會話層的服務，并向應用層提供通用功能服務，以簡化應用層實體之間的通信。它對應用層送來的命令和數據內容行解釋，并對各種語法給以應有的含義，使應用層送入的信息有明確的表示意義。而它又可提供一組讓應用層可以選擇的服務，如實現不同信息格式和編碼之間的轉換、文本壓縮與恢復、數據加密與解密、代碼轉換、數據的格式化、語法的選擇等。應用層直接為用戶提供服務。它作為兩個應用進程之間進行通信的窗口，通過應用層協議和表示層服務來完成信息的交換。其它各層都是支持應用層，而應用層的服務是直接提供給應用進程能使用和接受的服務。173.3網絡互連技術

3.3.1網絡互連的基本概念網絡互連是指將分布在不同地理位置的網絡、設備相互連接，以形成更大規模的網絡系統，實現各網絡資源的共享。互連網絡和設備可以是同種類型的。也可以是異種類型的，還可以是運行不同協議的設備和系統。在互連網絡中，每個互連的網絡資源都應成為互連網絡中的資源。互連網絡的資源共享服務與物理網絡結構是分離的。互連網絡的結構對用戶是透明的18網絡互連應具備的條件在互連的網絡之間要有鏈路。在不同的網絡節點的進程之間要有合適的路由以交換數據。應有網絡的記帳服務，以記錄網絡資源。具有各種互連服務，應盡量不改變互連網絡的結構。19

網絡互連類型分為：LAN-LAN互連；LAN-WAN互連；LAN-WAN-LAN互連；WAN-WAN互連。203.3.2網絡互連設備

網絡互連的設備主要有三類：網橋、路由器和網關。網橋在數據鏈路層上實現兩個網絡的互連，主要用于連接兩個同類型的LAN。網橋必須有寬的頻帶和低的延遲特性，以獲得快速響應。應具有大的吞吐能力，接入網橋后不應影響網絡本身的性能，網橋外特性呈雙向性。21網橋的基本特征網橋能夠互連兩個采用不同數據鏈路層協議，不同傳輸介質和不同傳輸速率的網絡。網橋以接收、存儲、地址過濾和轉發方式實現兩個互連網絡之間的通信。網橋要求兩個互連的網絡在數據鏈路層以上采用相同或兼容的協議。網橋可以分隔兩個網絡之間的通信量，有利于改善互連網絡的性能與安全性。22網橋的工作原理說明

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路由器是在網絡層上實現多個網絡互連的。其基本特征是：（1）為兩個或兩個以上的網絡之間的數據傳輸提供最佳的路徑選擇。（2）路由器要求節點網絡層以上各層使用相同或兼容的協議。路由器與網橋的主要區別是：網橋獨立于高層協議，向用戶提供一個大的邏輯網絡。路由器則是從路徑選擇的角度為不同的邏輯上獨立的子網用戶之間的數據傳輸提供傳輸線路。24路由器工作原理說明

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網關也叫網絡協議變換器，比網橋和路由器更為復雜。網關可以實現不同協議的網絡之間的互連，包括不同網絡操作系統的網絡之間的互連，也可實現局域網與主機、局域網與遠程網之間的互連。為了實現不同協議的網絡之間的互連，網關應能實現不同網絡協議的轉換。這在具體實現技術上與它具體連接的兩個網絡有關，所以，支持不同網絡協議轉換的網關是不相同的。具有介質轉換功能的網關把不同鏈路級與物理級協議間連接起來，而具有協議轉換功能的網關則把不同網絡級與更高級協議間連接起來。263.3.2IP協議——網絡互連協議IP是互連網協議，處于OSI模型的第3層和第4層之間，又稱為3.5層。網絡層互連的關鍵是在各子網上提供統一的網絡層服務，為此，把網絡層也看作一種多層結構，下層為被連子網固有的網絡層服務，最頂層為網間互連協議。IP對所有被連網是相同的，提供了主機之間的數據報服務。27

28IP工作原理說明尋址。為了將數據從源主機發送到目的主機，需要指明目的主機的名字、位置（地址）和到達目的的主機的路徑。在網絡中，主機需將名字翻譯成能被網絡識別的地址。而網絡根據地址，并選擇合適的路徑把數據送往訪問對象。在互連網絡中，數據要經過網關傳輸，為此，需要標識目的網絡和目的的主機。網絡要完成數據的傳輸，就必須知道目的網絡的地址。整個系統需要一臺或多臺目錄服務器，存有部分或全部連網主機的名字/地址目錄。29

路由選擇為了進行路由選擇，一般在每臺主機和網關上要保存一張路由表，對每個可能的目的網絡，路由表給出IP數據應送往的下一網關。路由表中每個可能的目的網絡應包括三項內容：網絡名、網絡地址、路徑。路徑指明目的網絡和主機或網關是直接相連還是間接相連。若間接相連，須指明數據報文還應經過的網關和下一個網關的標識。路由表可以是靜態的，也可以是動態的。靜態路由表中還應包括下一網關失效時的選擇路徑。動態路由表中當一網關出現故障，與之相鄰的所有網關或主機將會發了狀態報告，允許其它網關和主要修改它們的路由表。30

分段與重裝。因為互連網絡中的各個網絡一般都不相同，允許傳送的報文大小也不一樣，所以網關需將傳送的數據報文分段，以適應互連網絡對報文的要求。IP提供了有效的分段技術。該技術要求數據報文標頭須設以下幾個字段：①ID。②Length（長度）。③Offset（位移）。④Moreflag（后續段標）。31

ID是源主機發出的數據報的唯一標識。在IP中，它由源和目的地址、產生數據報文的通信協議層的標識符以及該協議層提供的順序號組成。Length，8比特，表示數據的字節數。Offset是段在原始數據報文中的位置，它以64bit的整數倍表示。源主機的IP層建立一個數據報，其長度等于整個數據字段的字節數，并具有后續段標。后續段標為0，表明無后續數報段；后續段標為1，表明有后續數據報段。32

將一個報文分組分成兩段，要完成以下幾項任務：①生成兩個新的數據報，并復制原數據報的標頭。②以64bit為單位把數據分成近似相等的兩部分，形成兩個新的數據報，但第一部分必須是64bit的整數倍。③將第一個數據報的Length賦值為分配的數值字節值，置Moreflag=1，Offset不變。④將第二個數據報的Length賦值為所分配的數據字節值，Offset為第一個數據報的長度除以8的商值，Moreflag復位為0。333.3.3互連網與TCP/IP一、互連網(Internet)1.Internet所提供的服務Internet所提供的服務大致可分為三類：基本服務、信息服務及公告類服務。（1）Internet的基本服務。電子郵件、遠程登錄和文件傳輸是Internet的三大基本服務。①電子郵件（E-mail）服務。實現Internet用戶之間快速、簡便、廉價的現代化通信手段。用戶要在一個Internet電子郵件服務器上建立一個電子郵箱，有一個全球唯一的郵箱地址。34

電子郵件采用簡單報文傳輸協議SMTP，以存儲轉發的方式傳送。②遠程登錄服務。遠程登錄是指在TCP/IP協議集中的遠程終端協議Telnet的支持下，用戶用仿真終端方式遠程登錄到Internet主機，使自己的計算機暫時成為遠程計算機的一個終端。一旦用戶成功地實現了遠程登錄，用戶就可以像遠程計算機的本地終端一樣進行工作，使用遠程計算機對外開放的全部資源。35

③文件傳送服務（FTP）。文件傳送服務FTP允許用戶將一臺計算機上的文件送到另一臺計算機上。文件傳送服務是由TCP/IP協議集中的文件傳送協議FTP支持的。工作時先要登錄到對方的計算機上，登錄后僅可進行文件查詢、文件傳送操作。普通FTP服務要求用戶在登錄時提供用戶名和口令，否則不能使用FTP服務。為了方便用戶訪問，Internet中的很多數據服務中心提供一種匿名FTP服務。36

（2）信息服務。除上述三種基本服務外，Internet還能提供其它一些服務，其中最重要的是信息查詢服務。常用的信息查詢工具有：Gopher、WAIS、WWW等。全球信息服務系統WWW（World、Wide、Web）是一種信息查詢工具。WWW的文件是以超文件格式編寫的，具有與許多文件的接口。利用WWW可以查詢網上幾乎所有的信息資源，不但可以瀏覽文件信息，還可以為通過相應軟件顯示與文本內容相配合的圖像、影視、聲音等。37

（3）公告類服務。Internet還可為分布在世界各地的廣大用戶提供通信、網絡新聞服務與電子公告牌服務。網絡新聞Usenet是一種利用網絡進行討論的國際論壇。在Usenet的主機上存儲的用戶各種信息，周期性地轉發給其它Usenet主機，最終傳遍世界各地。Usenet的基本通信手段是電子郵件，它采用的不是點對點的通信方式，而是多對多的通信方式，用戶須采用專門的新聞閱讀程序訪問Usenet主機。382.用戶接入Internet方式

（1）通過撥號電話線接入。這種方式簡單、造價低，只需要增加一臺MODEM，并裝入標準的通信軟件（2）使用SLIP/PPP協議接入。SLIP（串行線Internet協議）使用戶計算機能直接接收和發送TCP/IP數據包，成為Internet的一個獨立節點，有自己的IP地址和主機名。點對點協議PPP對SLIP的進一步擴展，適用于不同網絡用戶環境的要求。（3）通過與Internet主機連接的局域網接入。39二、Internet使用的協議

1.TCP/IP協議層次結構：四層協議，網絡接口協議、網間協議、傳送協議和應用協議40

網絡接口協議為IP協議提供與物理網的接口，它從IP層接收數據后封裝成適合物理的數據幀，或者從物理網接收數據幀后去掉控制字段變成數據報交上層處理。TCP/IP協議對物理網本身不做任何規定。網間協議對應于OSIRM中的網絡層協議，該層主要使用IP、RIP、ICMP和IGMP等協議，這些協議規定了Internet網上傳送的數據的路由控制和管理。IP把來自上層的數據封裝成數據報，按照IP地址進行路由處理，然后將其送往目的節點。41

傳送協議實現OSIRM中的傳送層和會話層的部分功能，使用的協議是TCP和UDP。該層協議為應用層的應用層的應用進程或應用程序提供端到端的通信功能。TCP是連接型通信協議，它要求通信的雙方在通信前要建立連接；UDP是非連接型通信協議，不要求通信雙方在通信前建立連接。TCP利用其下層低可靠的IP數據報服務為應用層提供可靠的面向連接的端到端的通信服務，包括數據報的順序控制和流量控制，而UDP則直接為應用層提供低可靠的無連接服務。應用層實現OSIRM中會話層和應用層的功能，該層使用的典型協議有Telnet、FTP、SMTP等。Internet的應用程序必須遵從相應的應用協議。422.網間協議IP

（1）功能。A.把來自傳送層的數據單元（TPDU）封裝成IP數據報并送至網絡接口。B.把來自網絡層的IP數據報進行校驗，路由選擇等處理，然后送往上層或轉發給下一個路由器。（2）路由處理。IP