计算机网络实用教程

1. 计算机网络实用教程 主编：肖盛文 2010年

2. 主讲：聂新礼 • 吉林大学通信工程学院

3. 目录 1 计算机网络概论 2 计算机网络通信原理 3 局域网工作原理 4 TCP/IP工作原理 5 网络互连技术 6 网络操作系统配置和应用 7 网络安全与管理 8 网络系统集成、规划与设计

4. 计算机网络在信息时代的作用 • 21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。 • 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。 • 网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。 • 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

5. 第1章 计算机网络概论 学习要求 1．了解计算机网络的发展 ２．掌握计算机网络的定义、分类 ３．了解计算机网络的组成和功能 ４．熟悉计算机网络体系结构、OSI/RM参考模型和TCP/IP体系结构

6. 1.1 计算机网络的形成与发展 • 计算机网络的产生和发展与计算机技术、通信技术密不可分，是计算机技术和通信技术高度结合的产物。当计算机数量和计算机应用普及到一定程度，社会就会出现计算机联网的需求，希望通过计算机之间的互联互通共享计算机资源，计算机网络也应运而生 。

7. 1.1.1计算机网络的发展历史 1．面向终端的计算机网络

8. 线路控制器：其主要功能是串/并转换及简单的差错控制。线路控制器：其主要功能是串/并转换及简单的差错控制。 • 集中器：一种通信处理机，是一种智能复用器，它可以利用一些终端的空闲时间来传送其它处于工作状态的终端的数据，因此，所用线路容量可以小于各低速线路容量之和，从而降低通信费用。 • 第一代计算机网络就是面向终端的计算机网络。

9. 2．计算机通信网络

10. CCP：通信控制处理机，也称为前端处理机。其主要目的是将主机从通信功能中分离出来，以减轻主机的负担。让主机专门进行数据处理，从而提高主机进行数据处理的效率。CCP：通信控制处理机，也称为前端处理机。其主要目的是将主机从通信功能中分离出来，以减轻主机的负担。让主机专门进行数据处理，从而提高主机进行数据处理的效率。 • 第二代计算机网络是以通信子网为中心的计算机网络。通信子网是指分组交换网。 • 分组交换与电路交换 • 网络可划分成通信子网与用户资源子网。 • 一般将分组交换网节点上的计算机称为节点交换机，将通信子网以处的计算机称为主机。

11. 20世纪60年代中期，由美国国防部高级研究计划暑（ARPA）所研制的ARPANET对现代计算机网络技术影响最大。20世纪60年代中期，由美国国防部高级研究计划暑（ARPA）所研制的ARPANET对现代计算机网络技术影响最大。 • 1、完成了对计算机网络的定义、分类等。 • 2、提出了资源子网、通信子网的概念。 • 3、采用了层次结构的网络体系模型与协议体系。 • 4、促进了TCP/IP协议的发展。 • 5、为Internet的形成与发展奠定基础。

12. 3．开放式标准化网络体系结构的网络

13. 第三代计算机通信网是体系结构标准化的计算机通信网。第三代计算机通信网是体系结构标准化的计算机通信网。 • 分层：将完成计算机通信全过程的所有功能划分成若干层，每一层对应一些独立的功能。 • 最初的ARPA网设计时就提出了分层的方法。 • 1974年，IBM的系统网络体系结构SNA就是按照分层的方法制订的。 • 其它公司相继推出本公司的体系结构，其特点是局限于解决其各自产品间互连的问题。 • 1977年，ISO提出了著名的开放系统互连参考模型OSI/RM，为第三代计算机网络的标志。

14. 4．计算机网络的互连、高速化阶段

15. Internet是目前世界上发展最快、最热门、最大的互连网。Internet是目前世界上发展最快、最热门、最大的互连网。 • 网络将采用Internet的网际协议IP，以实现各种各样的通信子网的互连。也即统一的IP网。

16. 1.1.2 计算机网络的现状与发展趋势 1．三网合一 三网：通信网络、计算机网络、有线电视网络。向单一统一的IP网络发展，即三网全一。 IP网络中，数据、语音、图像、视频均归结致电IP数据报中。

17. 2、光通信技术 一、光传输容量大幅提高。 得益于光器件、光复用技术与光网络协议，光传输容量已从Mbit/s发展到Tbit/s。 二、光通信技术发展主要方向 1、主干传输向高速率、大容量的OTN光传送网发展，最终实现全光网络。 2、接入向低成本、综合接入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到户和到桌面。

18. 3、IPv6协议 一、地址容量巨大 IPv4的地址位数为32位，而IPv6的地址位数为128位，理论上可在地球表面每平方厘米面积上分配数亿个IP地址。 二、功能上的改进 解决了IPv4中的一些缺陷，如端到端的IP连接、服务质量、安全性等。

19. 4、宽带接入技术 主要有两种新技术： 基于以太网的无源光网络（EPON）的光纤到户技术与自由空间光系统。

20. 5、移动通信系统技术 3G以及后3G、4G等系统以宽带多媒体业务为基础，传输容量更大。是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统。

21. 1.2 计算机网络的定义和分类 1.2.1 计算机网络的定义 • 我们把计算机网络定义为：凡是将分布在不同地理位置并具有独立功能的多台计算机，通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件（网络协议及网络操作系统等）支持下，以实现网络资源共享和数据传输为目的的系统，称为计算机网络 。

22. 我们可以从以下三个方面理解计算机网络的概念我们可以从以下三个方面理解计算机网络的概念 1．计算机网络是一个多机系统 2．计算机网络是一个互连系统 3．计算机网络是一个资源共享系统

23. 计算机网络与多用户系统和分布式系统的区别 多用户系统的终端一般是非智能的，不具有独立的计算能力。 分布式系统是建立在网络之上的软件系统，强调的是多台计算机在分布式操作系统支持下的协作。

24. 1.2.2 计算机网络的分类 1．依据网络的覆盖范围可以分为局域网（LAN）、城域网(MAN)和广域网(WAN) 2．依据网络传输技术可以分为广播式网络和点到点网络 3．依据拓扑结构可以分为总线型、环型、星型、树型、网状型等 4．依据网络的协议可以分为以太网、令牌环网、令牌总线网、FDDI网、ATM网等 5．依据传输介质可以分为有线网（双绞线网、光纤网）、无线网、卫星网等

25. 计算机网络拓扑结构

26. 局域网 广域网 城域网

27. 1.3 计算机网络的组成和功能 1.3.1 计算机网络的组成 • 可以从两个方面描述计算机网络的组成 1．从计算机网络的逻辑结构看计算机网络由通信子网、资源子网和用户子网组成。 2．从计算机网络的物理构成看计算机网络由硬件和软件两大部分组成。

28. 计算机网络的四大要素 1．计算机系统 2．通信线路和通信设备 3．网络协议 4．网络软件

29. 1.3.2 计算机网络的功能 1．软、硬件共享 2．信息共享 3．通信 4．负荷均衡与分布处理 5．系统的安全与可靠性

30. 1.4 计算机网络体系结构 • 随着计算机技术和通信技术的发展，计算机网络通信需要解决许多问题，如通信介质差异、硬件接口差异、主机系统差异、通信协议差异、数据表示差异等。对于这么多复杂的问题，很难采用一种简单的方式来完成网络通信。正如在程序设计中对复杂的问题进行模块化处理，在处理计算机网络通信时，也采用了一种模块化处理方式----分层结构，每层完成一个相对简单的特定功能，通过各层协调来实现整个网络通信功能，这就是网络的体系结构。

31. 网络体系结构的几个重要概念： • 协议（Protocol）: 语义 语法 时序 • 层次（Layer） • 接口（Interface） • 体系结构（Architecture）

32. 1.4.2 ISO／OSI参考模型

33. OSI/RM七层协议的主要功能 • 物理层：规定通信设备的机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立、维持和释放数据链路实体间的连接。具体地说，这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关，它涉及到什么信号代表“1”，什么信号代表“0”；一个比特持续多少时间；传输是双向还是单向的；一次通信中发送方和接收方如何应答；设备间连接件的尺寸和接头数，以及每根连线的用途等。

34. 数据链路层: • 数据链路层：这一层的功能是建立、维持和释放网络实体之间的数据链路，这种数据链路对网络层表现为一条无差错的信道。相邻结点之间的数据交换是分帧进行的，各帧按顺序传送，并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输。数据链路层对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理，这种处理过程对网络层是透明的。相邻结点之间的数据传输也有流量控制的问题，数据链路层把流量控制和差错控制合在一起进行。两个结点之间传输数据帧和发回应答帧的双向通信问题要与有特殊的解决办法。有时由反向传输的数据帧：“捎带”应答信息，这是一种极巧妙而高效的控制机制。

35. 网络层： • 网络层：这一层的功能属于通信子网，它通过网络连接交换传输层实体发出的数据。网络层把上层来的数据组织成分组在通信子网的结点之间交换传送。交换过程中要解决的关键问题是选择路径，路径即可以是固定不变的，也可以是根据网络的负载情况动态变化的。另外一个要解决的问题是防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。此外网络层还应有记账功能，以根据通信过程中交换的分组数（或字符数、比特数）收费。当传送的分组跨越一个网络的边界时，网络层应该对不同网络中分组的长度、寻址方式、通信协议进行交换，使得异构型网络能够互联。

36. 传输层： • 传输层：这一层在低层服务的基础上提供一种通用的传服务。会话实体利用这种透明的数据传输服务而不必考虑下层通信网络的工作细节，并使数据传输能高效进行。传输层用多路复用或分流的方式优化网络的传输效率。当会话实体要求建立一条传输连接时，传输层 为其建一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐率，传输层可能为其建立多个网络连接。如果要求的传输速率不是很高，单独创建和维持一个网络连接不合算，则传输层就可以考虑把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。这样的多路复用和分流对传输层以上是透明的。传输层的服务可能是提供一条无差错按顺序的端到端的连接，也可能是提供不保证顺序的独立报文传输或多目标报文广播。这些服务可由会话实体根据具体情况选用。传输连接在其两端进行流量控制，以免高速主机发送的信息流淹没低速主机。传输层协议是真正的源端到目标端的协议，它由传输连接两端的实体处理。传输层下面的功能层协议都是通信子网中的协议。

37. 会话层： • 会话层：会话层支持两个表示层实体之间的交互作用。它提供的会话服务可分为两类：一是把两个表示实体结合在一起，或者把它们分开。这叫会话管理；二是控制两个表示实体间的数据交换过程。例如，分段、同步等，这一类叫对话服务。通过计算机网络的对话和人们打电话不一样，更和人们当面谈话的情况不一样。对话的管理包括决定该谁说，该谁听。长的对话（例如传输一个文件）需要分段，一段一段地进行，如果一段传错了，可以回到分界限的地方重新传输。所有这些功能都需要专门的协议支持。

38. 表示层： • 表示层：表示层的用途是提供一个可供应用层选择的服务集合，使得应用层可以根据这些服务功能解释数据涵义。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据，而表示层关心的是所传输的数据的表现方式、它的语法和语义。表示服务的例子有：统一的数据编码、数据压缩格式、加密技术等。

39. 应用层： • 应用层：这是OSI的最高层。这一层的协议直接为客户端服务，提供分布式处理环境。应用层管理开放系统的互联，包括系统启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录，其他层都是为支持这一层的功能而存在的。一个应用层是由一些合作的应用进程组成的，这些应用进程根据应用层协议互相通信。应用进程是数据交换的源和宿，也可以被看做是应用层的实体。应用进程可以是任何形式的操作过程，例如，手工的，计算机化的或工业和物理过程等。这一层协议的例子有：在不同系统间传输文件的协议、电子邮件协议、远程作业录入协议等。

40. OSI/RM七层功能层次的各种协议 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

41. 1.4.3 TCP／IP体系结构 OSI 参考模型试图达到一种理想境界，即全世界的计算机网络都遵循这统一的标准，因而所有的计算机都能方便的互连和交换数据，然而由于 OSI 标准制定周期太长、协议实现过分复杂及 OSI 的层次划分不太合理等原因。当到了 20 世纪 90 年代初期，虽然整套的 OSI 标准都已制定出来，但当时的 Internet 已抢先在全世界覆盖了相当大的范围，因此网络体系结构得到广泛应用的并不是国际标准的 OSI，而是应用在 Internet 上的非国际标准的 TCP/IP体系结构。这样，TCP/IP 就称为事实上的国际标准。 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网际协议，它源于 ARPANET 网，现在已成为 Internet 互联网的通信协议。TCP/IP 成功地解决了不同网络之间难以互连的问题，实现了异构网的互连。我们提到的 TCP/IP 并不一定是指 TCP和 IP 这两个具体的协议，而是表示 Internet 所使用的体系结构或是指整个 TCP/IP 协议族。TCP/IP 参考模型分为 4 层：应用层、传输层、网际层和主机至网络层。

42. TCP/IP 分层结构与 OSI 的对照关系

43. 1．网络接口层： 网络接口层（主机至网络层）是 TCP/IP 模型的最低层，它对应 OSI 的物理层和数据链路层。TCP/IP 并没有定义具体的该层协议。它负责网际层与硬件设备间的联系，指出主机必须使用某种协议与网络相连。

44. 2．网际层： • 它是整个体系结构的关键部分，其功能是使主机可以将分组发往任何网络并使分组独立地传向目的主机（可能经由不同的网络）。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果要求按顺序发送和接收时，高层必须对分组排序。网际层定义的正式分组格式和协议是 IP 协议（Internet Protocol）。网际层的功能就是把 IP 分组发送到应该去的地方。分组路由和避免拥塞是网际层主要解决的问题，所以，TCP/IP 的网际层和 OSI 的网络层在功能上非常相似。

45. 3．传输层： • 传输层解决的是计算机程序到程序之间的通信问题，即通常所说的“端到端”的通信。它的功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话，和 OSI 的传输层一样，传输层定义了两个端到端的协议。第一个是传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol），它是一个面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。它把输入的字节流分成报文段并传给网际层。在接收端，TCP 接收进程把收到的报文再组装成字节流传送给应用层。TCP 同时要完成流量控制功能，以避免快速发送方向低速接收方发送过多报文而使接收方无法处理。第二个协议是用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol），它是一个不可靠的、无连接协议。一些只包含简单查询和应答的应用适合使用 UDP 数据报服务，因为数据报服务不用建立和结束虚拟通道，因而不会有额外的建立和终止虚拟通道的花销。UDP 是一种简单的协议机制，通信开销小，效率高，比较适用于快速递交比准确递交更重要的应用程序，如传输语音或影像。TCP 是一个可靠的协议，因为它有差错检查和握手确认来保证数据完整地到达目的地。UDP 则不能保证数据报的接收。

46. 4．应用层： 应用层提供一组常用的应用程序给用户，应用程序和传输层协议相配合，完成发送或接收数据。每个应用程序都有自己的数据格式，它可以是一系列报文或字节流，但不管采用哪种格式，都要将数据传送给传输层以便交换。应用层包含所有的高层协议，如文件传输协议 FTP、电子邮件协议 SMTP、超文本传输协议 HTTP 等。

47. 附：计算机网络的体系结构1 计算机网络体系结构的形成 • 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 • “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

48. 关于开放系统互连参考模型OSI/RM • 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 • 在市场化方面 OSI 却失败了。 • OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； • OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； • OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； • OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

49. 两种国际标准 • 法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 • 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 • TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。

50. 2 划分层次的必要性 • 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 • 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。 • 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。