計算機技術與應用（第4版）Catalogue第1章計算機網絡概述目錄第2章數據通信基礎第3章計算機網絡體系結構第4章局域網技術第5章網絡管理與安全第6章交換與路由技術第1章計算機網絡概述1.1計算機網絡的產生與發展計算機網絡是隨著社會對信息資源的共享和信息傳遞的要求發展起來的。在計算機網絡出現之前，早期的每一臺計算機都是獨立于其他計算機的，它們自主工作，擁有的資源也只能自己享用。在20世紀50年代中期，美國的半自動地面防空系統（SAGE）把雷達和其他測控設備的信息通過通信線路傳輸到一臺IBM計算機上，首次實現了計算機和通信設備與線路的結合，揭開了計算機技術與通信技術結合的序幕。如圖所示為計算機網絡系統。1.1計算機網絡的產生與發展隨著計算機技術和通信技術的不斷發展，計算機網絡也隨之經歷了不同的發展時期。其發展歷史包括從簡單到復雜、從單機到多機的過程，一般可以分為以下4個階段。1．具有通信功能的終端系統—第一代計算機網絡2．發展完善階段—第二代計算機網絡3．互聯互通階段—第三代計算機網絡4．飛速發展階段—第四代計算機網絡第一代計算機網絡

第二代計算機網絡

第三代計算機網絡

第四代計算機網絡

1.1計算機網絡的產生與發展計算機網絡正在向綜合化、智能化、高速化發展，從計算機網絡應用來看，網絡應用系統將向更深和更寬的方向發展。首先，Internet信息服務將會得到更大的發展，網上信息瀏覽、信息交換、資源共享等技術將進一步提高速度、容量及信息的安全性。其次，遠程會議、遠程教學、遠程醫療、遠程購物等應用已逐漸成為現實，物聯網、云計算、虛擬現實技術的應用也成為網絡發展的熱門技術。美國政府于1993年提出的“信息高速公路”計劃不僅推動了互聯網本身的發展，也促進了對下一代互聯網的研究。2002年，各國發起“全球高速互聯網GTRN”計劃，積極推動下一代互聯網技術的研究和開發。與現在使用的互聯網相比，下一代互聯網有以下特點。（1）更大

（2）更快

（3）更安全進入21世紀，云技術、人工智能、虛擬現實技術、物聯網、量子通信技術的廣泛應用，對人們的生產、生活產生了深遠的影響。計算機網絡在這些新技術的推動下也進入了一個新的高速發展階段，同時呈現出一些新的特點。（1）計算機網絡的移動化（2）計算機網絡的智能化（3）計算機網絡空間的資源化計算機網絡的發展趨勢1.1計算機網絡的產生與發展1987年9月20日，北京市計算機應用技術研究所錢天白教授向世界發出我國第一封電子郵件：“AcrosstheGreatWallwecanreacheverycornerintheworld”（越過長城，走向世界）。該郵件經意大利到達德國卡爾斯魯厄大學，揭開了中國人使用互聯網的序幕。1994年4月20日，NCFC（中國國家計算機與網絡設施）工程通過美國Sprint公司連入Internet的64Kbit/s國際專線，實現了與Internet的全功能連接。從此我國正式被國際承認真正擁有全功能Internet。20世紀90年代初，我國形成了四大主流網絡體系：中國科學院的中國科學技術網（CSTNET）、國家教育部的中國教育和科研網（CERNET）、原郵電部的中國公用計算機互聯網（CHINANET）和原電子部的金橋信息網（CHINAGBN）。1997年10月，我國實現了四大網絡的互聯互通，從此我國互聯網進入了一個飛速發展的階段。我國互聯網不僅在商業模式上不斷創新，而且公共服務的信息化水平也在顯著提升，讓人們在共享互聯網發展成果上擁有了更多獲得感。從2013年起，我國網絡零售規模已連續多年位居全球第一，成為全球最大的網絡零售市場，有力推動了消費“雙循環”。截至2021年12月，在線辦公、在線醫療用戶規模分別達4.69億人和2.98億人，成為用戶規模增長最快的兩類應用。這些新業態持續發展，有效緩解了區域發展的鴻溝問題，讓更多的人不斷從網絡經濟、社會和文化中獲得利益和滿足。我國在互聯網領域的不斷創新，但是在網絡發展過程中的短板也使我國網絡技術的發展面臨嚴峻的挑戰，其中網絡核心技術的缺乏一直是我國網絡技術發展面臨的重要難題。網絡的核心技術，比如芯片、操作系統等，一直掌握在國外發達國家手中，我國不能在這些方面秉承“拿來主義”的宗旨，否則我國的互聯網發展無法從量變到質變。所以，在網絡核心技術上要盡快走出困境，我國才能占領未來網絡發展的制高點，最終從網絡大國走向網絡強國。我國計算機網絡的發展1.2計算機網絡的定義和功能計算機網絡是利用通信設備和線路，將處在不同地理位置、操作相對獨立的多臺計算機系統連接起來，在功能完善的網絡軟件（網絡操作系統、網絡協議和網絡應用軟件等）的協調下，實現網絡資源共享的系統。計算機網絡具有如下特征。（1）計算機設備之間需要用通信設備和傳輸介質互聯。（2）計算機設備之間使用統一的規則即網絡協議來交換信息。（3）以實現資源共享和數據通信為主要目的。計算機網絡的定義1.2計算機網絡的定義和功能從系統功能角度來看，計算機網絡由通信子網和資源子網兩部分組成。通信子網一般由通信設備、網絡介質等物理設備及其軟件構成，提供網絡通信功能。資源子網是網絡中實現資源共享的設備和軟件的集合，主要負責全網的信息處理，為用戶提供各種網絡資源及網絡服務。對于局域網來說，通信子網由網卡、線纜、中繼器、網橋、集線器、交換機、路由器等設備和相關軟件（如協議）組成。資源子網由聯網的服務器、工作站、共享打印機等相關設備，以及網絡操作系統、網絡應用軟件等組成，如圖所示。計算機網絡的組成對于局域網來說，通信子網由網卡、線纜、中繼器、網橋、集線器、交換機、路由器等設備和相關軟件（如協議）組成。資源子網由聯網的服務器、工作站、共享打印機等相關設備，以及網絡操作系統、網絡應用軟件等組成。1.2計算機網絡的定義和功能（1）資源共享“資源”是指計算機網絡中所有的軟件、硬件和數據。“共享”是指計算機網絡中的用戶能夠部分或全部共享這些資源。資源共享使得普通用戶能夠共享網絡中分散在不同地理范圍內的各種資源，極大地提高了系統資源的利用率，不僅方便了網絡用戶，而且節約了資金。硬件資源共享最典型的例子就是打印機共享，網絡中的用戶共同使用一臺打印機進行文件打印。軟件資源共享常見的例子是用戶可以通過網絡登錄遠程計算機并運行該計算機上的軟件，之后返回結果，如在線翻譯等。數據資源共享的典型例子就是數據庫共享，如打開QQ軟件時自動從服務器獲取好友名單、視頻點播等。（2）數據通信計算機網絡的基本功能之一就是計算機之間能夠快速、可靠地傳遞信息。數據通信不局限于一個小的網絡，而是一個覆蓋范圍很大的網絡，即使相隔很遠，甚至不同國家的計算機用戶之間也能夠交換信息。例如，通過Internet世界各地的用戶都能夠實現彼此通信。（3）負載均衡負載均衡是指工作被均勻地分配給網絡中的各臺計算機進行處理，這樣就減輕了單臺計算機的工作負荷，提高了工作效率。負載均衡主要應用于服務器集群系統中，網絡控制中心負責分配和檢測，當某臺計算機的任務過重時，系統會通過網絡將部分工作轉交給較“空閑”的計算機去處理，使資源得到合理調整。（4）分布式處理分布式處理也可以認為是一種并行處理形式。分布式處理系統將不同地點的，或者具有不同功能的，或者擁有不同數據的多臺計算機用通信網絡連接起來，在控制系統的統一管理下，協調地完成信息處理任務。例如，一個綜合性的大型課題，可以采用合適的算法將課題分為許多小課題，分散到網絡中不同的計算機上進行處理，之后集中起來，使問題得到快速解決。（5）提高計算機的可靠性在計算機網絡中，當某個設備（通信線路或計算機等）發生故障時，可利用其他設備來完成數據的傳輸或將數據復制到其他系統內代為處理，以保證用戶的正常操作。例如，當數據庫中的信息丟失或遭到破壞時，可調用另一臺計算機中備份的數據庫來完成數據處理工作，并恢復遭到破壞的數據庫，從而提高系統的可靠性和可用性。計算機網絡的功能1.3計算機網絡的分類雖然計算機網絡類型的劃分標準各種各樣，但按地理覆蓋范圍分類是一種人們都認可的通用網絡劃分標準，它可以很好地反映不同類型網絡的技術特征。按地理覆蓋范圍的不同，可以將計算機網絡分為局域網、城域網和廣域網3種類型。按網絡的地理覆蓋范圍分類1．局域網局域網（LocalAreaNetwork，LAN）是限定在一定地理區域內（如一幢大樓、一所學校、一個小區）的網絡，其覆蓋范圍一般在幾十千米以內，由互相連接的計算機、打印機、網絡連接設備和其他在短距離間共享硬件、軟件資源的設備組成。局域網數據傳輸速度快、可靠性高、誤碼率低，通常屬于某個單一組織，并由該組織維護和管理。2．城域網城域網（MetropolitanAreaNetwork，MAN）的規模介于局域網與廣域網之間，地理范圍從幾十千米到上百千米，一般指覆蓋一座城市的網絡，主要用于政府機構和商業網絡。城域網的連接距離比局域網的連接距離更遠，連接的計算機數量更多，從某種程度上可以認為是局域網在地理范圍上的延伸。城域網的設計目的是滿足幾十千米范圍內的大量企業、機關與社會服務部門的計算機聯網需求。它是以光纜通信設施為基礎，實現語音、數據、圖像和視頻等多種信息高速傳輸的綜合信息網絡。例如，大型企業（集團）、電信部門、有線電視臺和政府構建的專用網絡和公用網絡。3．廣域網廣域網（WideAreaNetwork，WAN）也稱遠程網，覆蓋范圍通常為數百千米到數千千米，甚至數萬千米，可以是一個地區或一個國家，甚至是世界幾大洲或整個地球。目前，應用和連接范圍最廣的因特網（Internet）從網絡技術角度來看就屬于廣域網的范疇。當然，廣域網不僅限于因特網，分布在不同城市，甚至不同國家的公司網絡互聯后形成的網絡也屬于廣域網。廣域網地理位置分布廣，使得單獨建設一個廣域網的成本非常高，因此通常使用電信部門或其他提供通信服務的經營部門建設的傳統公共傳輸網絡來實現數據傳輸，并由其管理和控制。由于廣域網傳輸介質復雜（如衛星、電話線等）、傳輸距離遠，因此數據的傳輸速率較低且誤碼率較高。廣域網的主要作用是提供公共服務，不過也有提供專用服務的，如由某大型企業分布在各地的多家分支機構、合作伙伴和供應商網絡互聯后形成的大型網絡。1.3計算機網絡的分類按網絡的管理方式分類，可以將計算機網絡分為對等網和客戶機/服務器網絡2種類型按網絡的管理方式分類1．對等網對等網通常是由很少幾臺計算機組成的網絡。對等網采用分散管理的方式，網絡中的每臺計算機既作為客戶機，又作為服務器，每個用戶都要管理自己計算機上的資源，所有的主機在網絡中處于一種對等的地位。2．客戶機/服務器網絡客戶機/服務器網絡，常被稱為C/S網絡。它的管理工作集中在運行特殊網絡操作系統與服務器軟件的計算機上，這臺計算機被稱為服務器。服務器可以驗證登錄網絡用戶的用戶名和密碼的相關信息，處理客戶機的請求，為客戶機執行數據處理任務并提供信息服務。1.3計算機網絡的分類按網絡傳輸介質的不同，可以將網絡分為有線網絡和無線網絡。按網絡的傳輸介質分類1．有線網絡有線網絡是采用看得見、摸得著的線纜（同軸電纜、雙絞線、光纖等）作為傳輸介質，將計算機及相關設備進行連接，以實現計算機之間數據通信的網絡。目前，大多數計算機網絡都以有線網絡為主。有線網絡具有以下優點。（1）工程造價低：實現方法較為簡單，網絡設備價格相對較低。（2）傳輸速率高：超五類雙絞線可以提供1000Mbit/s的傳輸速率，光纖的傳輸速率可以達到10Gbit/s。而目前無線網絡的傳輸速率理論上雖然也可達到1000Mbit/s以上，但在實際使用中，多種因素會使傳輸速率受到很大的影響。（3）傳輸距離遠：雙絞線的有效傳輸距離通常為100m，而單模光纖的傳輸距離可達到100km。（4）受外界干擾小：隨著外界干擾強度的增大和傳輸距離的增加，無線網絡提供的通信速率會越來越低，直至無法通信。光纖則不受外界電磁信號的影響，傳輸速率和傳輸距離都不會因此而改變。2．無線網絡無線網絡采用無線通信技術實現數據傳輸，與有線網絡最大的區別是傳輸介質不同。無線網絡用無線電磁波代替有線電纜，提供傳統有線網絡的功能。無線網絡作為一種簡單、便捷的接入方式，隨著其成本的不斷下降，越來越受到人們的青睞。無線網絡具有以下優點。（1）部署靈活：無線網絡的組建、配置和維護都較為容易，可以免去或最大限度地減少有線網絡布線的難度和工作量，一般只要安裝一個或多個接入點設備，就可以建立覆蓋整個區域的局域網絡。利用網絡設備還可以將無線網絡與有線網絡無縫集成。（2）建設速度快：無線網絡安裝的主要工作是架設天線和安裝聯網設備，由于無線設備集成化程度高，因此安裝工程量較小，建設周期短。（3）網絡擴展性能相對較強：無線網絡突破了有線網絡的限制，用戶可以隨時隨地通過無線信號接入網絡，在訪問信息時會變得更加高效和便捷，而且提升了網絡的使用效率。與有線網絡相比，無線網絡還有很多不足之處。比如，無線通信受外界環境影響較大、傳輸速率不高，并且在通信安全方面也劣于有線網絡。所以，在大部分局域網建設中還是以有線通信方式為主，無線通信作為有線通信的補充，而不是替代。1.3計算機網絡的分類網絡所采用的傳輸技術決定了網絡的主要技術特點，可以將網絡分為廣播式傳輸網絡和點對點傳輸網絡。按網絡的傳輸技術分類1．廣播式傳輸網絡網絡中的所有節點通過一條共享的通信介質連接起來，當任意一個節點發送信息時，網絡中的所有節點都會接收并處理這個信息。由于發送的信息中帶有目的地址與源地址，因此接收到該信息的節點將檢查目的地址是否與本節點的地址相同。如果相同，則接收該信息；否則，將丟棄。如果一個廣播域中的節點數量過多，任何主機發送的廣播都會擴散到整個區域，就會引起廣播泛濫，影響正常網絡通信。廣播技術很好地解決了傳輸介質共享的問題，降低了組網的成本和難度，總線型網絡就是典型的廣播式網絡。2．點對點傳輸網絡點對點傳輸網絡由許多互相連接的節點構成，節點之間有一條通信信道，數據以點到點的方式在網絡中傳輸，可獨占通信信道，能夠獲得高速率、高可靠性和穩定的延遲。當一臺計算機發送數據分組后，數據將根據目的地址，經過一系列中間設備的轉發，到達目的節點。星型網絡和網狀型網絡采用的就是點對點傳輸形式。1.4計算機網絡拓撲結構在研究計算機網絡組成結構時，可以采用拓撲學中的一種研究與大小形狀無關的點、線特性的方法，即把工作站、服務器等網絡設備抽象為“節點”，把網絡中的電纜等通信介質抽象為“線”，這樣隱藏了網絡的具體物理特性（如距離、位置等）而抽象出節點之間的關系，方便研究。從拓撲學的觀點來看，計算機網絡的拓撲結構是指網絡中的計算機或設備與傳輸介質形成的節點與線間的幾何排序，用以表示網絡的整體結構形狀，反映同一個網絡中各實體之間的結構關系。網絡的節點有兩類：一類是轉換和交換信息的轉接節點，包括交換機、集線器和路由器等；另一類是訪問節點，包括各類計算機設備，它們是信息交換的源節點和目標節點。網絡拓撲結構的類型主要有以下5種：總線型、星型、環型、樹型和網狀型，如圖所示。總線型星型環型樹型網狀型1.4計算機網絡拓撲結構1．總線型總線型網絡拓撲結構是各個節點和一根總線相連，總線兩端需要連接終結器匹配線路阻抗，防止信號反射回總線產生干擾，如圖所示。網絡中所有的節點都通過總線進行信息傳輸，任意時刻只能有一個節點發送數據，否則會產生沖突，任意一個節點的信息都可以沿著總線向兩個方向傳輸，并被總線中任意一個節點接收。總線型網絡拓撲結構（1）總線型網絡拓撲結構的主要優點：網絡結構簡單靈活，節點設備的安裝、拆卸方便，可擴充性好；所需的電纜數量少，價格相比其他布線方式便宜；網絡節點響應速度快，共享資源能力強，設備投入量少。（2）總線型網絡拓撲結構的主要缺點：對通信線路（總線）的故障敏感，任何通信線路的故障都會使整個網絡不能正常運行，而且故障的隔離及診斷困難；由于公用一個總線，因此站點間為了協調通信，需要具備復雜的介質訪問控制機制；如果網絡內連接的計算機數量較多，則會導致網絡效率和傳輸性能降低。1.4計算機網絡拓撲結構2．星型星型網絡拓撲結構以中央節點為中心，用單獨的線路將中央節點與各個節點連接起來，各節點之間的通信必須通過中央節點，中央節點接收信息后再轉發給相應節點，如圖所示。目前中央節點主要采用交換機。（1）星型網絡拓撲結構的主要優點：網絡結構簡單，便于控制和管理，易擴展；單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網；每個節點直接連到中央節點，故障容易檢測和隔離。（2）星型網絡拓撲結構的主要缺點：由于每個節點與中央節點都需要一條線纜連接，因此線纜使用量大，布線施工成本高，并且通信線路的利用率不高；中央節點負擔重，容易成為網絡的瓶頸，一旦出現故障會導致整個網絡癱瘓，對中央節點的可靠性和冗余度要求高。星型網絡拓撲結構1.4計算機網絡拓撲結構3．環型環型網絡拓撲結構中的各節點連接在一條首尾相連的閉合環狀線路中，如圖所示。環型網絡中的信息傳輸是單向的，即沿一個方向從一個節點傳到另一個節點，當信息流中的目標地址與環上的某個節點的地址相同時，信息就被該節點接收，之后信息繼續流向下一個節點，直到流回發送該信息的節點。環型網絡拓撲結構（1）環型網絡拓撲結構的主要優點：信息流在網絡中是沿著固定方向流動的，并且兩個節點之間僅有一條路徑，結構簡單，由此使得路徑選擇、通信接口管理、軟件管理都比較簡單，實現起來也比較容易。（2）環型網絡拓撲結構的主要缺點：任何節點的故障均會導致環路不能正常工作，造成整個網絡的中斷與癱瘓，因此可靠性較差；與總線型網絡拓撲結構相似，故障的隔離及診斷困難，目前已有許多方法如建立雙環結構等來解決此問題；當節點過多時，會影響傳輸效率，使網絡響應時間變長；在加入新的工作站時必須使環路暫時中斷，不利于系統擴充。1.4計算機網絡拓撲結構4．樹型樹型網絡拓撲結構是總線型網絡拓撲結構的擴展，是在總線型網絡上加上分支形成的，其傳輸介質有多條分支，但不形成閉合回路，也可以把它看成是星型網絡拓撲結構的疊加，如圖所示。樹型網絡是分級的集中控制式網絡，節點按層次進行連接，最上面的根節點通過各級中心節點對網絡進行分級管理，信息交換主要在上下節點之間進行。樹型結構雖然有多個中心節點，但是各中心節點之間很少有信息流通。樹型網絡拓撲結構（1）樹型網絡拓撲結構的主要優點：通信線路連接簡單，易于擴展，增加新節點和新分支很容易；維護方便，故障易被隔離，某一條分支的節點或線路發生故障，很容易將故障分支或線路與整個系統隔離開來。（2）樹型網絡拓撲結構的主要缺點：對根節點的依賴性太強，如果根節點發生故障，則全網不能正常工作。1.4計算機網絡拓撲結構5．網狀型網狀型網絡拓撲結構是指網絡中各節點與通信線路連接成不規則形狀，任意一個節點至少與其他兩個節點相連，如圖所示。廣域網一般采用網狀型結構，而局域網不常用。網狀型網絡拓撲結構（1）網狀型網絡拓撲結構的主要優點：由于節點間存在多條傳輸路徑，因此傳輸效率高，冗余性能好；當某條線路或某個節點出現故障時，不會影響整個網絡的正常工作，具有較高的可靠性。（2）網狀型網絡拓撲結構的主要缺點：網絡結構復雜，在多條傳輸路徑中，必須采用合適的路由算法，選擇最佳路徑傳輸；布線難度大，建設成本高，不易管理和維護。1.5計算機網絡的標準及標準化組織1．國際標準化組織（ISO）ISO成立于1946年，是一個全球性的非政府組織，也是目前世界上最大、最有權威性的國際標準化的專門機構。ISO與600多個國際組織保持著協作關系，其主要活動是制定國際標準，協調世界范圍的標準化工作，組織各成員國和技術委員會進行情報交流，以及與其他國際組織進行合作，共同研究有關標準化問題。截至2021年12月底，ISO已制定24121份國際標準和文件。例如，著名的具有7層協議結構的開放系統互連（OSI）參考模型、ISO9000系列質量管理和品質保證標準等。2．美國國家標準協會（ANSI）ANSI（AmericanNationalStandardsInstitute）是成立于1918年的非營利性質的民間組織，同時也是一些國際標準化組織的主要成員，如國際標準化委員會和國際電工委員會（IEC）。ANSI標準廣泛應用于各個領域，典型應用有美國標準信息交換碼（ASCII）和光纖分布式數據接口（FDDI）等。3．電氣電子工程師學會（IEEE）IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）成立于1963年，由從事電氣工程、電子和計算機等有關領域的專業人員組成，是世界上最大的專業技術團體。IEEE是一個跨國的學術組織，目前其會員人數超過40萬人，遍布160多個國家。IEEE下設許多專業委員會，其定義或開發的標準在工業界有極大的影響和作用。例如，1980年成立的IEEE802委員會負責有關局域網標準的制定事宜，制定了著名的IEEE802系列標準，如IEEE802.3以太網標準、IEEE802.4令牌總線網標準和IEEE802.5令牌環網標準等。4．國際電信聯盟（ITU）ITU（InternationalTelecommunicationUnion）是在世界各國政府的電信主管部門之間協調電信事務的一個國際組織，它研究和制定有關電信業務的規章制度，通過決議提出推薦標準，收集相關信息和情報，其目的和任務是實現國際電信的標準化。由于ITU-T標準可保證各國電信網的互聯和運轉，因此越來越廣泛地被世界各國所采用。1.5計算機網絡的標準及標準化組織5．國際電工委員會（IEC）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）成立于1906年，至今已有一百多年的歷史，它是世界上成立最早的國際性電工標準化機構，負責有關電氣工程和電子工程領域中的國際標準化工作。6．電子工業協會（EIA）EIA（ElectronicIndustriesAssociation）是美國的一個電子工業制造商組織，成立于1924年。EIA頒布了許多與電信和計算機通信有關的標準。例如，眾所周知的RS-232標準，定義了數據終端設備和數據通信設備之間的串行連接。這個標準在如今的數據通信設備中被廣泛采用。在結構化網絡布線領域，EIA與美國通信工業協會（TIA）聯合制定了商用建筑電信布線標準（如EIA/TIA568標準），提供了統一的布線標準并支持多廠商產品和環境。7．美國通信工業協會（TIA）TIA成立于1988年，是一個全方位的服務性國家貿易組織。其成員包括美國和世界各地提供通信和信息技術產品、系統和專業技術服務的900余家大小公司。TIA是經過美國國家標準協會認可的，可制定各類通信產品標準的組織。TIA的標準制定部門由5個分會組成，它們是用戶室內設備分會、網絡設備分會、無線設備分會、光纖通信分會和衛星通信分會。第2章數據通信基礎2.1數據通信概述1．數據數據是用來記錄客觀事物的性質、形態和特征的符號，可以多種形式存在，數值、文字、圖形、聲音、圖像、視頻及動畫等都被稱為數據。數據可分為模擬數據和數字數據。模擬數據是指在一定時間間隔內連續變化的值，因為具有連續性，所以可以取無限多個值，如聲音、電視圖像信號、溫度變化等都是連續變化的，均屬于模擬數據，其中溫度變化如圖（a）所示。數字數據是表現為離散量的數據，只能取有限個數值，如在計算機中用二進制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數據，其中用二進制代碼表示的字符如圖（b）所示。2．信息信息是按照一定要求以某種格式組織起來的數據。通信的目的就是傳輸、交換信息，信息要通過某種數據的形式傳輸到接收端。數據和信息的區別是，數據是傳輸信息的載體，是信息的數字化形式，所表示的內容就是信息；信息則是對數據的解釋，即對數據蘊含內容的說明。數據通信的基本概念(a)(b)2.1數據通信概述3．信號信號是數據在傳輸過程中的電磁波的表示形式，或者稱數據的電編碼或電磁編碼。在數據通信系統中，數據需要轉換為信號才可以從一個點傳輸到另一個點。根據電信號的不同形式，信號可分為模擬信號和數字信號。模擬信號是在一定范圍內可以連續取值的信號，是一種連續變化的電信號（如語音信號），它可以不同頻率在介質上傳輸，如圖（a）所示。數字信號是一種離散的脈沖序列，其取值是有限個數的。它以恒定的正電壓/負電壓或正電壓/零電壓表示“1”和“0”，可以不同的位速率在介質上傳輸，如圖（b）所示。在數據通信系統中，信息、數據和信號相互依存又相互獨立，通過下面的示例，我們可以深入了解三者之間的關系。例如，某同學各科平均考試成績為99分，這是一個數據，它蘊含著該同學成績優秀的信息，如果用高電平表示“1”，低電平表示“0”，則該數據的電編碼表示如圖2-3所示。成績數據在二進制下表示為1100011，盡管其形式與99（十進制數）不同，但它表示該同學“成績優秀”的信息沒有變化。從上面的表述中可以得出如下結論：數據是信息的載體，信息是數據的內容和解釋，而信號是數據的編碼。數據通信的基本概念(a)(b)(c)2.1數據通信概述4．信道要在兩個實體間傳輸信息必須通過傳輸信道將數據終端與計算機連接起來，從而使不同地點的數據終端實現軟件、硬件和數據資源的共享。信道是指兩地間傳輸數據信號的通道，即信號的傳輸通道，包括通信設備和傳輸介質。不同的信道用來傳輸不同的信號，信道不同，信道的物理特性就不同，通信的速率和通信的質量也不同。信道可以按不同的方法分類。按傳輸介質可以分為有線信道和無線信道。按使用權限可以分為專用信道和公用信道，其中，專用信道是一種用于連接用戶設備的固定電路，由用戶自己架設或向電信部門租用，一般應用在短距離和數據傳輸量比較大的網絡中；公用信道也被稱為公共交換信道，是通過交換技術為大量用戶提供服務的信道，如公共電話交換網。按傳輸信號的形式可以分為模擬信道和數字信道，模擬信道用于傳輸模擬信號，數字信道用于傳輸數字信號。數據通信的基本概念2.1數據通信概述數據通信系統的基本組成一般包括發送端、接收端及收發兩端之間的信道三部分，數據通信系統的模型如圖所示。數據通信系統的模型信源是信息或信息序列的產生源，泛指一切發信者，可以是人，也可以是機器設備，能夠產生諸如聲音、數據、文字、圖像、代碼等電信號。信源發出信息的形式可以是連續的，也可以是離散的。發送設備把信源發出的信息轉換成便于傳輸的形式，使之符合信道傳輸特性的要求并送入信道的各種設備。發送設備是一個整體概念，可能包括許多電路、器件與系統，如把聲音轉換為電信號的傳聲器、把基帶信號轉換成頻帶信號的調制器等。信道是指傳輸數據信號的通道，包括通信設備和傳輸介質。接收設備接收從信道傳輸過來的信息，并轉換成信宿便于接收的形式，其功能與發送設備的功能相反。接收設備也是一個整體概念，可能包括許多電路、器件與系統，如將模擬信號轉換為數字信號的解調器等。信宿是接收發送端信息的對象，可以是人，也可以是機器設備。信號在信道中傳輸可能會受到其他信號的干擾，這種干擾被稱為噪聲。噪聲會影響正常信號的傳輸，對通信系統而言是有害的。噪聲既可以來自內部，也可以來自外部，將產生干擾的設備稱為噪聲源。2.1數據通信概述通信系統的基本作用是在發送端（信源）和接收端（信宿）之間傳遞和交換信息。根據通信系統是利用模擬信號還是數字信號來傳遞消息的，可以將通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統。模擬通信系統利用模擬信號來傳遞信息，如普通的電話、廣播和電視。模擬通信系統通常由信源、調制器、信道、解調器、信宿及噪聲源組成。信源所產生的原始模擬信號一般都在經過調制器后通過信道傳輸，解調器則將信道上的信號實施逆變換后送達信宿。人們日常使用的撥號上網就是一個模擬通信系統的示例，發送端工作站發送的數據經調制解調器轉換為模擬信號后，送到公共電話網上傳輸，到接收端經調制解調器變換為數字信號后，與服務器通信。模擬通信系統的模型如圖所示。模擬通信和數字通信2.1數據通信概述數字通信系統利用數字信號來傳遞信息，如計算機通信、數字電話、數字電視等。數字通信系統由信源、信源編碼器、信道編碼器、調制器、信道、解調器、信道譯碼器、信源譯碼器、信宿和噪聲源10個部分組成。在數字通信系統中，如果信源發出的信號是模擬信號，則要經過信源編碼器轉換為數字信號；信道編碼器對信號進行檢錯、糾錯、編碼以實現差錯控制；信道譯碼器實現編碼器的逆變換；調制器將信道編碼器輸出的基帶信號調制成頻帶信號并在信道上傳輸；解調器的功能正好與調制器的功能相反。數字通信系統的模型如圖所示。模擬通信和數字通信2.1數據通信概述兩種通信系統在遠程傳輸時都會面臨信號衰減的問題。模擬傳輸系統為了實現長距離傳輸，要用放大器來增強信號中的能量，但同時會使噪聲增強，以至于引起信號畸變。數字傳輸系統的衰減也會影響數據的完整性，數字信號只能在一個有限距離內傳輸，為了獲得更大的傳輸距離，可以使用中繼器。中繼器接收衰減了的數字信號，把數字信號恢復為“0”“1”的標準水平，之后重新傳輸新的信號，這樣就有效地克服了衰減。模擬通信在通信系統中曾經占據著主導地位，但隨著大規模集成電路技術、計算機技術，以及數字信號處理技術的發展，大多數的模擬通信系統被數字通信系統所取代。究其原因，模擬通信存在保密性差、抗干擾能力弱等缺點，而數字通信有著抗干擾能力強、可以實現信號的差錯控制、易加密和解密、傳輸可靠性高等諸多優點。盡管數字通信也存在著頻帶利用率低、技術要求復雜等缺點，但由于數字通信的性能遠遠超越了模擬通信的性能，所以在現在的通信系統中，數字通信系統已經逐步取代了模擬通信系統，成為數據通信的主要發展方向。模擬通信和數字通信2.1數據通信概述1．碼元碼元是對網絡中傳輸的二進制數字每一位的通稱，也常稱為“位”或bit。例如，字母A的ASCII碼是1000001，可認為由7個碼元組成，共有7位。2．噪聲源一個通信系統不可避免地存在噪聲干擾，為了方便研究問題，可以把它們等效于一個作用于信道上的噪聲源。3．信道容量信道容量是指信道能傳輸信息的最大能力，一般以單位時間內最大可傳輸信息的位數表示。在使用中，信道容量應大于傳輸速率，否則高的傳輸速率得不到充分利用。4．響應時間響應時間是指從發送一條信息到收到回答的時間。5．數據傳輸速率數據傳輸速率是指通信線上傳輸信息的速度。有兩種表示方法，即信號速率和調制速率。信號速率S是指單位時間內所傳輸的二進制代碼的有效位數，以每秒多少比特數來計算，即bit/s。調制速率B是脈沖信號經過調制后的傳輸速率，以波特（Baud）為單位，通常用于表示調制器之間傳輸信號的速率。6．差錯控制字符代碼在傳輸、接收過程中難免會發生錯誤，如何及時自動檢測差錯并進一步自動校正，是數字通信系統研究的重要課題，通常的解決辦法是采用檢錯碼和糾錯碼。數據通信的常用術語數據傳輸介質的基本概念2.2數據傳輸介質數據傳輸介質是指傳送信息的載體，是通信網絡中發送端和接收端之間的物理通路。因此，數據傳輸介質也被稱為數據傳輸媒體、數據傳輸媒介或數據傳輸線路。不同的數據傳輸介質對網絡的傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性、成本、可連接的節點數目及傳輸的可靠性等方面都有很大的影響，必須根據不同的通信要求，合理地選擇數據傳輸介質。1．數據傳輸介質的分類數據傳輸介質分為有線介質和無線介質兩大類。網絡中常用的有線介質是雙絞線、同軸電纜和光纖，常用的無線介質是無線電波、微波和紅外線等。2．數據傳輸介質的特性數據傳輸的質量除與傳送的數據信號及收發兩端的設備特性有關外，還直接與通信線路本身的機械和電氣特性有關，這些特性主要包括以下5個方面。（1）物理特性（2）傳輸特性（3）覆蓋地理范圍（4）抗干擾特性（5）價格2.2數據傳輸介質雙絞線雙絞線（TwistedPair）是最常見的網絡傳輸介質之一，如

所示，被廣泛應用于電話通信網絡和數據通信網絡。雙絞線的核心是相互絕緣并纏繞在一起的不同顏色的細芯銅導線對，通常由兩對或更多對這樣纏繞在一起的導線組成，依靠相互纏繞（雙絞）作用來消除或減少外界及導線之間產生的電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）。雙絞線是一種柔性的通信電纜，非常適合在墻內、轉角等位置布線。雙絞線與適合的網絡設備相連，可以實現100Mbit/s或更快速度的網絡通信。在大多數應用下，雙絞線的最大布線長度為100m，但按通常的經驗，考慮網絡設備和配線架要額外布線，所以雙絞線的布線長度最好控制在90m以內。根據是否有屏蔽層，雙絞線可分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。2.2數據傳輸介質1．屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair，STP）由成對的絕緣實心電纜組成，在實心電纜上包圍著一層用金屬絲編織的屏蔽層，如圖所示。屏蔽層減少了由RFI和EMI引起的對通信信號的干擾。雖然將一對電線纏繞在一起也有助于減少RFI和EMI，但在一定程度上不如屏蔽層的效果好。要更有效地減少RFI和EMI，每一對電線交織的距離必須是不同的。2．非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPair，UTP）也就是人們平時所用的網線，其價格相對低廉且易于安裝，是人們在局域網組網布線時使用最多的網絡電纜。UTP由位于絕緣保護層內的成對的電纜線組成，纏繞在一起的絕緣電線和電纜外部的套之間并沒有屏蔽層，如圖所示。因為沒有屏蔽層，所以非屏蔽雙絞線的抗干擾性比屏蔽雙絞線的抗干擾性差，但是非屏蔽雙絞線直徑小、重量輕、易彎曲、易安裝、成本低，因此網絡中大量使用非屏蔽雙絞線作為傳輸介質。2.3數據傳輸技術數據在傳輸信道上的傳輸方式，按被傳輸數據信號的特點，可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸；按傳輸信道數，可分為并行通信與串行通信；按數據傳輸的方向，可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。當直接使用數字信號傳輸數據時，數字信號幾乎占用整個頻帶。當終端設備把數字信號轉換成脈沖電信號時，這個原始的電信號所固有的頻帶被稱為基本頻帶，簡稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號被稱為基帶傳輸。基帶傳輸不需要調制、解調，設備花費少，適用于較小范圍的數據傳輸。目前，大多數的局域網使用基帶傳輸，如以太網、令牌環網。基帶傳輸頻帶傳輸就是發送端利用調制器將數字信號調制成音頻信號（模擬信號），在公共電話線上傳輸，到達接收端后，經過解調器的解調，將音頻信號還原為原來的數字信號。頻帶傳輸不僅克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信號的缺點，而且能實現多路復用的目的，從而提高了通信線路的利用率。通常我們用調制解調器撥號上網就是利用電話交換網實現計算機之間數字信號傳輸的，其中調制解調器是一種能夠在數字信號與模擬信號之間進行轉換的設備。頻帶傳輸寬帶是指比音頻帶寬（4kHz）更寬的頻帶，包括大部分的電磁波頻譜。使用這種寬頻帶進行傳輸的系統被稱為寬帶傳輸系統。它可以容納所有的廣播，并且可以進行高速率的數據傳輸。寬帶傳輸允許在同一個信道上進行數字信息和模擬信息服務。一個寬帶信道可以被劃分為多個邏輯信道，這樣就能把聲音、圖像和數據信息綜合在一個物理信道中同時進行傳輸，相互之間不會產生沖突。常見的應用如有線電視系統（CATV）、ISDN等。寬帶傳輸2.3數據傳輸技術并行通信串行通信并行（Parallel）通信。

數據以成組的方式在多個并行信道上同時傳輸，如圖所示。例如，將構成1個字符代碼的二進制比特位分別在多條并行線路上同時傳輸，每個比特使用一條單獨的線路。并行通信非常普遍，特別是兩個短距離的設備之間進行通信。計算機內部CPU和存儲器模塊之間的數據傳輸采用的就是并行通信。并行通信在應用到長距離的連接時就無優點可言了。首先，在長距離上使用多條線路要比使用一條線路昂貴。其次，涉及比特傳輸所需要的時間。當短距離傳輸時，多個信道上同時傳輸的比特幾乎總是能夠同時到達。但當長距離傳輸時，導線上的電阻會或多或少地阻礙比特的傳輸，從而使它們的到達時間不同，這將給接收端帶來麻煩。串行（Serial）通信。

數據流以串行方式在一條信道上傳輸，即在一條線路上逐個傳送所有的比特，如圖所示。這種傳輸方式給發送設備和接收設備增加了額外的復雜性。發送端必須明確比特發送的順序。例如，在發送一字節的8個比特位時，發送端必須確定是先發送高位比特還是先發送低位比特。同樣，接收端必須知道一個目標字節中收到的第一個比特位應該放在什么位置。如果串行通信的雙方在比特的順序上無法取得一致，則數據的傳輸將出現錯誤2.3數據傳輸技術（1）單工（Simplex）通信。數據信號只能沿著一個方向傳輸，發送端只能發送、不能接收，接收端只能接收、不能發送，任何時候都不能改變信號傳輸的方向，如圖（a）所示。例如，無線電廣播和電視廣播。（2）半雙工（Half-Duplex）通信。數據信號可以沿兩個方向傳輸，但同一時間只允許信號在一個信道上單向傳輸。因此，半雙工通信實際上是一種可切換方向的單工通信，如圖（b）所示。傳統的對講機使用的就是半雙工通信方式。（3）全雙工（Full-Duplex）通信。數據信號可以同時沿兩個方向傳輸，在發送數據的同時也可以接收數據，如圖（c）所示。例如，我們常用的電話系統就是全雙工通信，這種通信方式也適用于計算機之間的通信。2.4多路復用技術常用的多路復用技術有頻分多路復用技術、時分多路復用技術和波分多路復用技術。頻分多路復用技術是將各路信號分別調制到不同的頻段進行傳輸，多用于模擬通信。時分多路復用技術利用時間上離散的脈沖組成相互不重疊的多路信號，廣泛應用于數字通信。頻分多路復用技術和時分多路復用技術的基本原理分別如圖（a）和圖（b）所示。波分多路復用技術用于光纖通信，在光波頻率范圍內，把不同波長的光波按一定間隔排列在一根光纖中傳送。(b)(a)2.5數據交換技術電路交換（CircuitSwitching）是在兩個站點之間通過通信子網的節點建立一條專用的通信線路，這些節點通常是一臺采用機電與電子技術的交換設備（如程控交換機）。也就是說，在兩個通信站點之間需要建立實際的物理連接，其典型示例是兩臺電話通過公共電話網絡的互聯實現通話，如圖所示。電路交換實現數據通信需要經過三個步驟：首先建立連接，即建立端到端（站點到站點）的線路連接；其次是數據傳輸，所傳輸的數據可以是數字數據，也可以是模擬數據；最后是拆除連接，通常在數據傳輸完畢后由兩個站點之一終止連接。電路交換的優點是實時性好，但將電話采用的電路交換技術用于傳輸計算機或遠程終端的數據時，會出現下列問題：①用于建立連接的呼叫時間大大長于數據傳輸時間，這是因為在建立連接的過程中，會涉及一系列硬件開關動作，時間延遲較長，如某段線路被其他站點占用或物理斷路，將導致連接失敗，需要重新呼叫；②通信帶寬不能充分利用，效率低，這是因為兩個站點一旦建立連接，就獨自占用實際連通的通信線路，而計算機通信時真正用來傳輸數據的時間一般不到10%，甚至可低至1%；③由于不同計算機和遠程終端的傳輸速率不同，因此必須采取一些措施才能實現通信，如不直接連通終端和計算機，而設置數據緩存器等。電路交換2.5數據交換技術報文交換（MessageSwitching）是通過通信子網上的節點采用存儲轉發的方式來傳輸數據的，不需要在兩個站點之間建立一條專用的通信線路。報文交換中傳輸數據的邏輯單元被稱為報文，其長度一般不受限制，可隨數據不同而改變。報文一般將接收報文站點的地址附加于報文一起發出，每個中間節點接收報文后暫存報文，之后根據其中的地址選擇線路，再把它傳到下一個節點，直至目的站點。實現報文交換的節點通常是一臺計算機，它具有足夠的存儲容量來緩存所接收的報文。一個報文在每個節點的延遲時間等于接收報文的全部位碼所需的時間和等待的時間，以及傳到下一個節點的排隊延遲時間之和。報文交換的主要優點是線路利用率較高，多個報文可以分時共享節點間的同一條通道；此外，該系統很容易把一個報文送到多個目的站點。報文交換的主要缺點是報文傳輸延遲較長，而且隨報文長度變化，不能滿足實時或交互式通信的要求，不能用于聲音連接，也不適合遠程終端與計算機之間的交互通信。報文交換2.5數據交換技術分組交換（PacketSwitching）的基本思想包括數據分組、路由選擇與存儲轉發。分組交換類似報文交換，但它限制每次所傳輸數據單位的長度（典型的最大長度為數千位），對于超過規定長度的數據必須分成若干個等長的小單位，被稱為分組（Packets）。從通信站點的角度來看，每次只能發送其中一個分組。各站點將要傳送的大塊數據信號分成若干等長且較小的數據分組，之后順序發送；通信子網中的各個節點按照一定的算法建立路由表，即各目標站點各自對應下一個應發往的節點，同時負責將收到的分組存儲于緩存區，再根據路由表確定各分組下一步應發向哪個節點，在線路空閑時轉發。以此類推，直到各分組傳到目的站點，如圖所示。由于分組交換在各個通信路段上傳送的分組不大，故只需很短的傳輸時間（通常僅為毫秒數量級），傳輸延遲小，非常適合遠程終端與計算機之間的交互通信，也有利于多對時分復用通信線路工作。此外，由于采取了錯誤檢測措施，因此可以保證非常高的可靠性；而在線路誤碼率一定的情況下，小的分組還可減少重新傳輸出錯分組的開銷；與電路交換相比，分組交換帶給用戶的優點是費用低。分組交換2.6差錯控制技術理想的計算機網絡可以高速且不出錯地傳輸數據，但這種情況基本上不可能實現。計算機網絡是一個非常復雜的系統，它的諸多組成部分及網絡在運行時所面臨的各種問題都會導致數據傳輸出現錯誤。例如，在數字數據通信中，由發送端發送的數據信號幀（Frame）在經由網絡傳到接收端后，可能由于信號在通信線路上的衰減、相鄰通信線路的干擾、各類自然現象的影響等多種原因導致出現錯誤位（BitErrors）。因此，能夠發現并糾正傳輸過程中出現的差錯就成為必須解決的問題。差錯控制技術就是采取適合的技術手段對傳輸中出現的錯誤進行控制，盡可能提高傳輸的可靠性。差錯控制方式基本上分為兩類：一類為反饋糾錯，另一類為前向糾錯。在這兩類的基礎上還派生出一類，稱為混合糾錯。1．反饋糾錯這種方式是指發送端采用某種能發現一定程度傳輸差錯的簡單編碼方法對所傳信息進行編碼，加入少量監督碼元，接收端根據編碼規則對接收到的編碼信號進行檢查，一旦檢測出錯碼，即向發送端發出詢問信號，要求重發。發送端接收到詢問信號后，立即重發已經發生傳輸差錯的那部分信息，直到接收端正確收到。所謂發現差錯，是指在若干接收碼元中知道有一個或一些是錯的，但不一定知道錯誤的準確位置。該技術的原理和設備都比較簡單，但數據的通信效率低。計算機網絡通信中一般采用該方式進行差錯控制。2．前向糾錯這種方式是指發送端采用某種在解碼時能糾正一定程度傳輸差錯的較復雜的編碼方法，使接收端在收到的信元中不僅能發現錯碼，還能夠糾正錯碼。在采用前向糾錯方式時，不需要反饋信道，也不需要反復重發而延誤傳輸時間，對實時傳輸有利，但糾錯設備比較復雜。前向糾錯已被廣泛用于衛星通信網絡、移動通信網絡中。3．混合糾錯混合糾錯是指少量錯誤在接收端被自動糾正，當錯誤較嚴重、超出自行糾正能力范圍時，就向發送端發出詢問信號，要求重發。因此，混合糾錯方式是前向糾錯和反饋糾錯兩種方式的混合。2.6差錯控制技術目前，常用的檢錯碼主要有兩種：奇偶（Parity）校驗和CRC循環冗余校驗。1．奇偶校驗在差錯檢測中，奇偶校驗是一種最基本的方法，其工作原理是在原始數據字節的最高位或最低位增加一個附加位，使結果中1的個數為奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗），當接收端收到數據后，重新計算數據位中包含“1”的個數，再通過奇偶校驗位就可以判斷出數據是否出錯。例如，字符M的ASCII二進制代碼為1001101，如果采用奇校驗方法，在1001101后面加校驗位“1”，即10011011，其中“1”的個數為奇數；如果采用偶校驗方法，則在1001101后面加校驗位“0”，即10011010，其中“1”的個數為偶數。奇偶校驗的優點是簡單、易于實現，但奇偶校驗碼只能檢測單個比特出錯的情況，當兩個或兩個以上的比特出錯時，用該方法就無能為力了。2．CRC循環冗余校驗在數據通信中，循環冗余校驗方法是一種較為復雜的校驗方法，由于其功能強，因此得到了廣泛的應用。循環冗余校驗是將所傳輸的數據除以一個預先設定的除數，并根據余數得到一個校驗碼，附加在要發送數據的末尾，被稱為循環冗余校驗碼（CRC碼）。這樣，實際傳輸的數據就能夠被預先設定的除數整除。當整個數據傳送到接收端后，接收端就利用同一個除數去除接收到的數據，如果余數為0，就表示數據傳輸正確，否則意味著數據傳輸出現了差錯。第3章計算機網絡體系結構3.1網絡體系結構概述計算機網絡是一個復雜的系統，通信控制也涉及很多復雜的技術性問題，為了簡化計算機網絡的研究、設計和分析工作，同時也為了使不同的計算機系統能夠互聯互通，提出了網絡體系結構的概念。網絡體系結構是指為了能完成計算機之間的通信合作，把每個計算機互聯的功能劃分為有明確定義的層次，并規定同層次進程通信的協議及相鄰層之間的接口服務；也指用分層研究方法定義的網絡各層的功能、各層協議和接口的集合。網絡協議網絡協議是通信雙方共同遵守的約定，是用來描述進程之間信息交換過程的一組術語。在計算機網絡中包含多種類型的計算機系統，它們的硬件系統和軟件系統有著很大的差異，要使它們之間能夠相互通信、進行數據交換、解決通信過程中出現的各種問題，就必須有一套通信管理機制使通信雙方能正確地接收信息，并能理解對方信息的含義，這套規則就是網絡協議。網絡協議的特點（1）層次性。由于網絡體系結構是有層次的，因此協議也被分為多個層次，在每個層次內又可以被分成若干子層，協議各層次有高低之分。在計算機網絡術語中，層就是一個或一系列程序，能為相鄰的更高層提供服務，同時使用相鄰低層提供的服務。位于最高層的程序為用戶提供高級的服務，它要依靠低層為其提供信息和傳送消息。（2）可靠性和有效性。如果協議不可靠就會造成通信混亂和中斷，只有協議有效，才能實現系統內的各種資源共享。3.1網絡體系結構概述網絡的分層結構計算機網絡系統的功能強、規模龐大，通常采用高度結構化的分層設計方法，將網絡劃分為一組功能分明、相對獨立和易于操作的層次，依靠各層之間的功能組合提供網絡的通信服務，從而減少網絡系統設計、修改和更新的復雜性。在現實社會中，有時會遇到很多復雜、龐大的問題或任務。通常會將任務分解為一個個小的任務，降低統一處理的難度。以日常生活中的郵政系統業務流程為例說明任務的分解情況，如圖所示。從圖中所示的郵政系統業務流程圖可以看到，一個人給另一個人寄信的過程是一個很繁雜的過程，但如果把這個過程分為很多的層次，把任務分配出去，每個層次只需要負責自己的任務，大家協作就可以按部就班地完成這個任務。3.1網絡體系結構概述計算機網絡是一個涉及通信系統和計算機系統的復雜系統。為了降低系統設計和實現的難度，把計算機網絡要實現的功能進行結構化和模塊化的設計，將整體功能分為幾個相對獨立的子功能層次，各個功能層次間進行有機的連接，下層為其上層提供必要的功能服務。分層可將龐大而復雜的問題轉化為若干較小的局部問題，這些較小的局部問題就比較容易研究和處理了。這種層次結構的設計被稱為網絡層次結構模型，如圖所示。在網絡層次結構模型中，N層是N1層的用戶，同時又是N＋1層的服務提供者。對于N層而言，N＋1層用戶直接獲得了N層提供的服務，而N層的服務是建立在N1層所提供的服務基礎之上的。3.1網絡體系結構概述一臺計算機上的第N層與另一臺計算機上對應的第N層進行對話，通話的規則就是第N層協議。實際上，數據并不是從一臺計算機上的第N層直接傳送到另一臺計算機上的第N層的，而是每一層都把數據和控制信息交給它的下一層，直到最下層，最后由物理層完成實際的數據通信。網絡體系結構中采用層次化結構的優點如下。（1）各層之間相互獨立，高層不必關心低層的實現細節，只要知道低層所提供的服務，以及本層向上層所提供的服務即可，能真正做到各司其職。（2）有利于實現和維護，某個層實現細節的變化不會對其他層產生影響。（3）易于實現標準化。分層時每一層的功能應非常明確，層數不宜太多，否則會給描述和綜合實現各層功能和系統工程任務帶來較多的困難，但層數也不能太少，不然會使每一層的協議太過復雜。3.2OSI參考模型OSI并不是一個具體的網絡，它只給出一些原則性的說明，規定了開放系統的層次結構和各層所提供的服務。它將整個網絡的功能劃分為7層，在兩個通信實體之間進行通信必須遵循7層協議，如圖所示。OSI參考模型從下向上的7層分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。最高層為應用層，面向用戶提供服務；最低層為物理層，連接通信媒體以實現數據傳輸。層與層之間的聯系是通過各層之間的接口來進行的，上層通過接口向下層提出服務請求，而下層通過接口向上層提供服務。當兩個用戶計算機通過網絡進行通信時，除物理層外，其余各對等層之間不存在直接的通信關系，而是通過各對等層的協議來進行通信的。只有兩個物理層之間通過媒體進行真正的數據通信。在實際應用中，兩個通信實體是通過一個通信子網進行通信的。一般來說，通信子網中的節點只涉及低3層的結構。3.2OSI參考模型OSI參考模型簡介OSI參考模型將網絡分為7層，其中第1～3層屬于通信子網的功能范疇，第5～7層屬于資源子網的功能范疇，第4層起著銜接上下各3層的作用。各層在網絡中發揮著各自的作用。OSI參考模型的成功之處在于，它清晰地區分了服務、接口和協議這3個容易混淆的概念，服務描述每層的功能，接口定義某層提供的服務和如何被高層訪問，而協議是每層功能的實現方法。綜上所述，可以分析出OSI參考模型具有以下特點。（1）每層的對應實體之間都通過各自的協議進行通信。（2）各個計算機系統都有相同的層次結構。（3）不同系統的相應層次具有相同的功能。（4）同一個系統的各層次之間通過接口聯系。（5）相鄰的兩層之間，下層為上層提供服務，上層使用下層提供的服務。3.2OSI參考模型物理層物理層處于OSI參考模型的最低層，直接面向網絡傳輸介質。物理層負責將二進制數據位（bit）流通過傳輸介質，從一臺計算機發送給另一臺計算機。物理層不關心數據位流的具體含義。物理層完全面向硬件，定義了物理結構和傳輸介