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1 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

2 普 通 高 等 教 育 十 二 五 重 点 规 划 教 材 计 算 机 系 列 中 国 科 学 院 教 材 建 设 专 家 委 员 会 十 二 五 规 划 教 材 计 算 机 网 络 许 勇 方 厚 加 主 编 江 家 宝 李 焕 副 主 编 李 元 振 李 俊 青 参 编 程 军 赵 传 申 北 京

3 内 容 简 介 本 书 由 浅 入 深 系 统 全 面 地 介 绍 了 计 算 机 网 络 的 内 容 全 书 共 分 9 章, 内 容 包 括 计 算 机 网 络 概 述 数 据 通 信 基 础 数 据 链 路 层 局 域 网 和 城 域 网 广 域 网 网 络 互 连 运 输 层 应 用 层 和 网 络 安 全 等 本 书 以 基 础 理 论 - 案 例 实 验 - 学 习 加 油 站 为 主 线 进 行 编 写, 并 提 供 了 考 研 真 题 解 析 及 大 量 的 习 题, 以 便 于 读 者 掌 握 重 点, 提 高 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力 本 书 结 构 清 晰 易 教 易 学 实 例 丰 富 可 操 作 性 强, 对 在 学 习 计 算 机 网 络 过 程 中 常 见 的 重 点 和 难 点 进 行 立 体 详 细 的 讲 解, 以 帮 助 读 者 更 好 地 掌 握 计 算 机 网 络 的 基 本 知 识 本 书 既 可 作 为 高 等 院 校 的 教 材, 也 可 作 为 各 类 培 训 班 的 培 训 教 程, 还 非 常 适 合 考 研 学 生 广 大 计 算 机 专 业 人 员 以 及 自 学 人 员 参 考 图 书 在 版 编 目 CIP 数 据 计 算 机 网 络 / 许 勇, 方 厚 加 主 编. 北 京 : 科 学 出 版 社,2011 ISBN Ⅰ.1 计 Ⅱ. 1 许 2 方 Ⅲ. 1 计 算 机 网 络 高 等 学 校 教 材 Ⅳ. 1TP393 中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2011) 第 号 责 任 编 辑 : 赵 丽 欣 郭 丽 娜 / 责 任 校 对 : 马 英 菊 责 任 印 制 : 吕 春 珉 / 封 面 设 计 : 子 时 文 化 科 学 出 版 社 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 * 2011 年 4 月 第 一 版 开 本 : / 年 4 月 第 一 次 印 刷 印 张 :21 1/2 印 数 : 字 数 : 定 价 :36.00 元 ( 如 有 印 装 质 量 问 题, 我 社 负 责 调 换 ) 销 售 部 电 话 编 辑 部 电 话 版 权 所 有, 侵 权 必 究 举 报 电 话 : ; ; 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

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5 前 言 计 算 机 网 络 既 是 高 等 学 校 计 算 机 科 学 与 技 术 专 业 及 其 他 相 关 专 业 的 一 门 核 心 专 业 基 础 课 程, 也 是 非 计 算 机 专 业 的 学 生 学 习 和 掌 握 计 算 机 应 用 技 术 的 一 门 专 业 基 础 课 程, 同 时 也 是 计 算 机 类 专 业 研 究 生 入 学 考 试 全 国 统 考 课 程 为 了 适 应 人 才 培 养 和 研 究 生 入 学 考 试 发 展 的 需 求, 作 者 特 编 写 了 此 书 本 书 由 浅 入 深 系 统 全 面 地 介 绍 了 计 算 机 网 络 的 内 容 全 书 共 分 9 章 第 1 章 主 要 介 绍 了 计 算 机 网 络 的 基 本 知 识, 包 括 计 算 机 网 络 的 发 展 和 演 变 计 算 机 网 络 的 功 能 和 应 用 等 第 2 章 主 要 介 绍 数 据 通 信 的 一 些 基 本 概 念 通 信 过 程 常 见 的 几 种 数 据 传 输 介 质 和 一 般 的 数 据 通 信 模 型 第 3 章 重 点 介 绍 两 种 常 用 的 差 错 控 制 编 码, 即 海 明 码 与 CRC 码, 还 介 绍 了 数 据 链 路 层 的 定 界 与 同 步 功 能, 并 进 一 步 介 绍 了 数 据 链 路 层 用 于 实 现 差 错 控 制 和 流 量 控 制 的 协 议 第 4 章 介 绍 了 局 域 网 的 相 关 知 识, 包 括 局 域 网 知 识 传 统 局 域 网 高 速 局 域 网 无 线 局 域 网 等 第 5 章 简 要 介 绍 了 各 种 广 域 网 技 术, 包 括 早 期 广 域 网 技 术 (X.25 和 帧 中 继 ) 点 到 点 数 据 链 路 层 协 议 ATM 基 础 知 识, 使 读 者 对 广 域 网 的 基 本 概 念 和 相 关 技 术 有 所 了 解 第 6 章 介 绍 了 网 络 互 连 问 题, 也 就 是 讨 论 多 个 网 络 通 过 路 由 器 互 连 成 为 一 个 互 联 网 介 绍 了 因 特 网 的 路 由 选 择 协 议, 互 联 网 的 核 心 内 容 网 际 协 议 IP, 以 及 与 IP 协 议 相 关 的 其 他 层 协 议 第 7 章 介 绍 了 运 输 层 的 两 个 主 要 协 议 TCP 协 议 与 UDP 协 议, 以 及 无 连 接 服 务 与 面 向 连 接 服 务 这 两 种 服 务 的 区 别 第 8 章 介 绍 了 应 用 层 几 种 常 见 的 服 务, 包 括 DNS 服 务 WWW 服 务 FTP 服 务 Telnet 服 务 电 子 邮 件 服 务 等 第 9 章 主 要 介 绍 了 计 算 机 网 络 安 全 的 基 本 概 念 基 本 原 理 和 相 关 技 术, 包 括 : 数 据 加 密 防 火 墙 入 侵 检 测 认 证 等 本 书 根 据 相 关 课 程 的 教 学 要 求 和 特 点, 从 实 际 出 发, 力 求 做 到 : (1) 内 容 全 面, 层 次 分 明, 结 构 合 理 (2) 突 出 重 点 难 点 并 全 面 解 读, 力 求 解 决 实 践 性 问 题 (3) 以 基 础 理 论 - 案 例 实 验 - 学 习 加 油 站 为 主 线 编 写, 每 一 章 都 设 置 了 案 例 实 验 和 考 研 真 题 解 析, 以 便 于 读 者 掌 握 其 重 点, 提 高 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力 (4) 示 例 丰 富, 实 用 性 强, 并 配 备 大 量 习 题 以 加 强 读 者 的 掌 握 力 度 本 书 由 许 勇 方 厚 加 主 编, 江 家 宝 李 焕 副 主 编 参 加 编 写 的 人 员 还 有 李 元 振 李 俊 青 程 军 赵 传 申, 全 书 框 架 由 何 光 明 拟 定 另 外, 感 谢 江 梅 王 珊 珊 云 邈 王 程 凌 戴 仕 明 姚 昌 顺 史 春 联 等 同 志 的 关 心 和 帮 助 限 于 作 者 水 平, 书 中 难 免 存 在 不 当 之 处, 恳 请 广 大 读 者 批 评 指 正 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

6 目 录 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 计 算 机 网 络 的 演 变 与 发 展 面 向 终 端 的 计 算 机 网 络 计 算 机 - 计 算 机 网 络 开 放 式 标 准 化 网 络 网 络 的 新 发 展 计 算 机 网 络 的 功 能 和 应 用 计 算 机 网 络 的 定 义 网 络 的 功 能 网 络 的 应 用 计 算 机 网 络 的 层 次 体 系 结 构 分 层 模 型 开 放 系 统 互 连 基 本 参 考 模 型 Internet 参 考 模 型 网 络 通 信 标 准 化 组 织 国 际 标 准 化 组 织 和 国 际 电 信 联 盟 因 特 网 有 关 的 标 准 化 组 织 其 他 组 织 计 算 机 网 络 分 类 按 地 理 范 围 分 类 其 他 分 类 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 19 第 2 章 数 据 通 信 基 础 数 据 通 信 的 基 础 理 论 通 信 系 统 模 型 带 宽 与 傅 里 叶 分 析 信 道 容 量 物 理 传 输 媒 体 25

7 iv 计 算 机 网 络 双 绞 线 同 轴 电 缆 光 纤 无 线 传 输 媒 体 卫 星 通 信 传 输 技 术 模 拟 传 输 与 数 字 传 输 数 字 调 制 技 术 模 拟 信 号 的 脉 冲 编 码 调 制 多 路 复 用 数 字 信 号 的 编 码 技 术 物 理 层 设 备 中 继 器 集 线 器 物 理 层 接 口 标 准 举 例 EIA-RS-232C RS-422 RS-423 和 RS 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 50 第 3 章 数 据 链 路 层 差 错 检 测 与 校 正 传 输 差 错 的 特 性 常 用 的 简 单 差 错 控 制 编 码 53 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 数 据 链 路 层 的 功 能 帧 同 步 差 错 控 制 流 量 控 制 数 据 链 路 管 理 数 据 链 路 协 议 及 性 能 分 析 停 等 协 议 连 续 ARQ 协 议 选 择 重 传 ARQ 协 议 数 据 链 路 控 制 规 程 63

8 目 录 v HDLC 协 议 原 理 及 特 点 HDLC 协 议 的 操 作 过 程 HDLC 的 帧 结 构 HDLC 的 帧 类 型 数 据 链 路 层 协 议 PPP PPP 的 特 点 PPP 的 帧 格 式 PPP 的 工 作 状 态 数 据 链 路 层 设 备 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 76 第 4 章 局 域 网 和 城 域 网 局 域 网 概 述 局 域 网 参 考 模 型 局 域 网 体 系 结 构 拓 扑 结 构 IEEE 802 标 准 逻 辑 链 路 控 制 LLC 子 层 媒 体 访 问 控 制 MAC 子 层 CSMA/CD 和 IEEE 标 准 载 波 监 听 多 路 访 问 载 波 监 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 二 进 制 指 数 退 避 算 法 IEEE 标 准 令 牌 总 线 访 问 控 制 和 IEEE 标 准 令 牌 总 线 局 域 网 的 组 成 令 牌 总 线 访 问 控 制 IEEE 标 准 令 牌 环 访 问 控 制 和 IEEE 标 准 令 牌 环 局 域 网 的 组 成 令 牌 环 访 问 控 制 IEEE 标 准 三 种 局 域 网 性 能 的 比 较 无 线 局 域 网 95

9 vi 计 算 机 网 络 无 线 局 域 网 的 组 成 局 域 网 的 物 理 层 局 域 网 的 MAC 层 协 议 局 域 网 的 MAC 帧 无 线 个 人 区 域 网 无 线 城 域 网 快 速 千 兆 位 及 万 兆 位 以 太 网 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 交 换 局 域 网 共 享 与 交 换 网 络 直 通 和 存 储 转 发 虚 拟 局 域 网 选 择 交 换 机 的 标 准 局 域 网 网 络 操 作 系 统 Novell 网 络 操 作 系 统 NetWare Microsoft 网 络 操 作 系 统 简 介 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 123 第 5 章 广 域 网 广 域 网 概 述 电 路 交 换 和 分 组 交 换 电 路 交 换 分 组 交 换 128 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 虚 电 路 和 数 据 报 通 信 子 网 的 内 部 操 作 网 络 层 提 供 的 服 务 路 由 选 择 理 想 路 由 算 法 的 基 本 特 性 静 态 路 由 选 择 策 略 动 态 路 由 选 择 策 略 拥 塞 控 制 流 量 控 制 和 拥 塞 控 制 影 响 拥 塞 控 制 的 策 略 137

10 目 录 vii 5.6 X.25 网 帧 中 继 异 步 传 输 模 式 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 154 第 6 章 网 络 互 连 网 络 层 提 供 的 两 种 服 务 网 际 协 议 虚 拟 互 联 网 络 分 类 的 IP 地 址 IP 地 址 与 硬 件 地 址 地 址 解 析 协 议 和 逆 地 址 解 析 协 议 IP 数 据 报 的 格 式 IP 层 转 发 分 组 的 流 程 划 分 子 网 和 构 造 超 网 划 分 子 网 使 用 子 网 时 分 组 的 转 发 无 分 类 编 址 ( 构 造 超 网 ) 下 一 代 网 际 协 议 网 际 控 制 报 文 协 议 ICMP 报 文 的 种 类 ICMP 的 应 用 举 例 因 特 网 的 路 由 选 择 协 议 有 关 路 由 选 择 协 议 的 几 个 基 本 概 念 内 部 网 关 协 议 内 部 网 关 协 议 外 部 网 关 协 议 路 由 器 的 构 成 IP 组 播 IP 组 播 的 基 本 概 念 在 局 域 网 上 进 行 硬 件 组 播 网 际 组 管 理 协 议 和 组 播 路 由 选 择 协 议 移 动 IP 192

11 viii 计 算 机 网 络 移 动 IP 的 概 念 移 动 IP 的 通 信 过 程 虚 拟 专 用 网 和 网 络 地 址 转 换 虚 拟 专 用 网 网 络 地 址 转 换 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 重 点 提 示 习 题 208 第 7 章 运 输 层 运 输 层 协 议 概 述 进 程 之 间 的 通 信 运 输 层 的 两 个 主 要 协 议 运 输 层 的 端 口 用 户 数 据 报 协 议 UDP 概 述 UDP 的 首 部 格 式 传 输 控 制 协 议 概 述 TCP 最 主 要 的 特 点 TCP 的 连 接 TCP 报 文 段 的 首 部 格 式 TCP 可 靠 传 输 的 实 现 以 字 节 为 单 位 的 滑 动 窗 口 超 时 重 传 时 间 的 选 择 选 择 确 认 SACK 222 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 TCP 的 流 量 控 制 利 用 滑 动 窗 口 实 现 流 量 控 制 传 输 效 率 TCP 的 拥 塞 控 制 拥 塞 控 制 的 一 般 原 理 几 种 拥 塞 控 制 方 法 随 机 早 期 检 测 TCP 的 运 输 连 接 管 理 TCP 的 连 接 建 立 TCP 的 连 接 释 放 229

12 目 录 ix TCP 的 有 限 状 态 机 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 答 疑 解 惑 重 点 提 示 习 题 237 第 8 章 应 用 层 域 名 系 统 域 名 系 统 概 述 因 特 网 的 域 名 结 构 域 名 服 务 器 文 件 传 送 协 议 FTP 概 述 FTP 的 基 本 工 作 原 理 简 单 文 件 传 送 协 议 远 程 终 端 协 议 万 维 网 万 维 网 概 述 统 一 资 源 定 位 符 超 文 本 传 送 协 议 万 维 网 的 文 档 万 维 网 的 信 息 检 索 系 统 电 子 邮 件 电 子 邮 件 概 述 简 单 邮 件 传 送 协 议 电 子 邮 件 的 信 息 格 式 邮 件 读 取 协 议 和 交 互 式 邮 件 存 取 协 议 基 于 万 维 网 的 电 子 邮 件 通 用 因 特 网 邮 件 扩 充 动 态 主 机 配 置 协 议 简 单 网 络 管 理 协 议 网 络 管 理 的 基 本 概 念 管 理 信 息 结 构 管 理 信 息 库 SNMP 的 协 议 数 据 单 元 和 报 文 269

13 x 计 算 机 网 络 8.8 应 用 进 程 跨 越 网 络 的 通 信 系 统 调 用 和 应 用 编 程 接 口 几 种 常 用 的 系 统 调 用 案 例 实 验 小 结 学 习 加 油 站 典 型 例 题 考 研 真 题 解 析 答 疑 解 惑 重 点 提 示 习 题 281 第 9 章 网 络 安 全 网 络 安 全 基 础 网 络 安 全 性 网 络 安 全 被 攻 击 的 方 法 和 安 全 性 对 策 Web 的 安 全 性 技 术 数 据 加 密 数 据 加 密 一 般 原 理 数 据 加 密 标 准 公 开 密 钥 体 制 身 份 鉴 别 数 字 签 名 防 火 墙 技 术 数 字 证 书 无 线 网 络 安 全 案 例 实 验 小 结 习 题 306 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 部 分 习 题 参 考 答 案 308 参 考 文 献 325

14 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 计 算 机 网 络 源 于 计 算 机 与 通 信 技 术 的 结 合, 始 于 20 世 纪 50 年 代, 是 20 世 纪 最 伟 大 的 科 学 成 就 之 一, 特 别 是 近 50 年 来 得 到 迅 猛 发 展 本 章 将 介 绍 与 计 算 机 网 络 相 关 的 一 些 基 本 概 念, 包 括 计 算 机 网 络 的 演 变 与 发 展 计 算 机 网 络 的 功 能 和 应 用 计 算 机 网 络 的 层 次 体 系 结 构 和 网 络 通 信 标 准 化 组 织 等 考 研 大 纲 要 求 ( 一 ) 计 算 机 网 络 概 述 1. 计 算 机 网 络 的 概 念 组 成 与 功 能 2. 计 算 机 网 络 的 分 类 3. 计 算 机 网 络 和 互 联 网 的 发 展 过 程 4. 计 算 机 网 络 的 标 准 化 工 作 和 标 准 化 组 织 ( 二 ) 计 算 机 网 络 体 系 结 构 与 参 考 模 型 1. 计 算 机 网 络 分 层 模 型 2. 计 算 机 网 络 协 议 接 口 服 务 等 概 念 3. ISO/OSI 参 考 模 型 和 TCP/IP 模 型 1.1 计 算 机 网 络 的 演 变 与 发 展 20 世 纪 人 类 最 伟 大 的 发 明 是 计 算 机, 计 算 机 与 通 信 技 术 相 结 合 产 生 的 网 络 为 信 息 交 流 与 资 源 共 享 带 来 了 前 所 未 有 的 巨 大 变 化, 计 算 机 网 络 的 应 用 改 变 了 人 们 的 工 作 方 式 和 生 活 方 式, 促 进 了 全 球 信 息 产 业 的 发 展 计 算 机 网 络 的 发 展 经 历 了 从 简 单 到 复 杂 从 单 机 到 多 机 从 终 端 与 计 算 机 间 的 通 信 再 到 计 算 机 与 计 算 机 之 间 直 接 通 信 的 演 变 过 程 以 单 个 中 央 计 算 机 为 中 心 连 接 大 量 在 地 理 上 分 散 的 终 端, 由 中 央 计 算 机 专 门 进 行 数 据 处 理, 用 一 个 通 信 处 理 机 或 前 端 处 理 机 通 过 调 制 解 调 器 与 远 端 终 端 相 连 ( 如 图 1-1 所 示 ), 这 种 联 机 系 统 称 为 面 向 终 端 的 计 算 机 通 信 网, 有 人 将 这 种 最 简 单 的 通 信 网 称 为 第 一 代 计 算 机 网 络 这 种 网 络 本 质 上 是 以 单 个 主 机 为 网 络 的 控 制 中 心 的 星 状 网, 各 终 端 通 过 通 信 线 路 围 绕 主 机 中 心, 共 享 主 机 的 软 件 和 硬 件 资 源 20 世 纪 60 年 代, 面 向 终 端 的 计 算 机 通 信 网 得 到 了 很 大 的 发 展, 最 具 代 表 性 的 是 美 国 半 自 动 地 面 防 空 系 统 (SAGE) 随 着 计 算 机 用 户 数 量 的 迅 速 增 加, 面 向 终 端 的 计 算 机 网 络 系 统 的 缺 点 也 越 来 越 明

15 2 计 算 机 网 络 显 : 如 果 中 央 计 算 机 的 负 荷 较 重, 会 导 致 系 统 响 应 时 间 过 长, 这 将 使 终 端 用 户 等 待 时 间 延 长, 且 单 机 系 统 可 靠 性 低, 一 旦 控 制 中 心 发 生 故 障, 将 导 致 整 个 系 统 瘫 痪 图 1-1 以 单 个 主 机 为 中 心 的 网 络 由 于 面 向 终 端 的 网 络 缺 陷, 人 们 开 始 研 究 多 台 计 算 机 之 间 相 互 连 接 和 通 信 的 方 法 分 组 交 换 技 术 的 出 现 使 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 发 生 了 根 本 的 变 化 1964 年 8 月, 巴 兰 (Baran) 在 美 国 兰 德 (Rand) 公 司 论 分 布 式 通 信 的 研 究 报 告 中 首 次 提 出 存 储 转 发 的 概 念 英 国 戴 维 斯 (Davies) 于 1966 年 首 次 提 出 了 分 组 的 概 念 在 这 些 研 究 基 础 上,1969 年 12 月, 美 国 国 防 部 高 级 研 究 计 划 署 (Defense Advanced Research Agency, DARPA) 将 建 成 的 分 组 交 换 网 ARPANET 投 入 运 行, 这 是 计 算 机 网 络 发 展 历 史 上 的 里 程 碑, 由 此 计 算 机 网 络 进 入 了 一 个 崭 新 的 阶 段 分 组 交 换 网 由 通 信 子 网 组 成, 如 图 1-2 所 示, 其 中 黑 色 节 点 上 的 计 算 机 称 为 节 点 交 换 机, 在 ARPANET 中 被 称 为 接 口 报 文 处 理 机 (Interface Message Processor,IMP), 负 责 网 上 各 主 机 间 的 通 信 控 制 和 通 信 处 理 由 IMP 和 通 信 线 路 组 成 的 网 络 称 为 通 信 子 网, 图 1-2 中 标 写 的 主 机 均 是 一 些 独 立 并 且 可 以 进 行 相 互 通 信 的 计 算 机 当 某 个 主 机 A 要 向 另 外 一 个 主 机 B 发 送 数 据 时, 首 先 将 数 据 划 分 为 一 系 列 等 长 的 分 组, 同 时 附 上 目 的 地 址 等 消 息, 然 后 将 这 些 分 组 发 往 与 A 相 连 的 IMP 节 点 C, 节 点 C 收 到 分 组 后, 先 将 分 组 存 入 缓 冲 区, 再 根 据 分 组 的 地 址 信 息 按 一 定 的 算 法, 确 定 将 该 分 组 再 发 往 哪 个 节 点 由 上 述 内 容 可 知, 存 储 转 发 技 术 和 分 组 交 换 技 术 实 质 上 采 用 的 策 略 是 断 续 分 配 传 输 通 道 分 组 交 换 网 使 得 原 来 单 一 主 机 的 负 载 可 以 分 散 到 全 网 的 各 个 主 机 上, 加 快 网 络 系 统 的 响 应 速 度, 单 个 主 机 的 故 障 不 会 导 致 整 个 网 络 系 统 的 全 面 瘫 痪, 但 也 存 在 一 些 问 题 例 如, 通 过 网 络 交 换 时, 必 须 向 每 个 数 据 包 增 加 控 制 信 息, 这 就 造 成 了 额 外 开 销, 并 且 每 通 过 一 个 IMP 节 点 时, 都 会 带 来 延 迟 另 外 分 组 交 换 网 的 管 理 和 控 制 也 比 较 复 杂 继 ARPANET 之 后, 一 些 发 达 国 家 陆 续 建 成 了 许 多 全 国 性 的 计 算 机 网 络, 都 采 用 报 文 分 组 交 换 的 方 式 这 种 以 通 信 子 网 为 中 心 的 计 算 机 网 络 常 称 为 第 二 代 计 算 机 网 络, 它 的 功 能 比 面 向 终 端 的 第 一 代 计 算 机 网 络 强 大 很 多, 对 后 来 计 算 机 网 络 的 发 展 产 生 了 深 远 的 影 响 今 天 的 全 球 性 网 络 因 特 网 (Internet) 就 是 在 此 基 础 上 建 设 而 成 的 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

16 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 3 图 1-2 分 组 交 换 网 示 意 图 为 了 降 低 网 络 设 计 的 复 杂 性, 科 学 家 早 在 设 计 ARPANET 时 就 提 出 了 分 层 的 概 念, 就 是 将 庞 大 复 杂 的 问 题 转 化 为 若 干 较 小 易 于 处 理 的 子 问 题 20 世 纪 70 年 代 中 期, 计 算 机 网 络 开 始 向 体 系 结 构 标 准 化 的 方 向 发 展, 即 正 式 进 入 标 准 化 网 络 时 代 20 世 纪 70 年 代 中 期 ARPANET 兴 起 之 后, 随 着 计 算 机 网 络 的 快 速 发 展, 各 大 计 算 机 生 产 商 纷 纷 发 展 各 自 的 计 算 机 网 络, 随 之 而 来 的 问 题 是 由 于 各 自 的 网 络 体 系 结 构 各 不 相 同, 不 同 公 司 网 络 之 间 不 能 实 现 互 连 互 通 为 了 解 决 这 个 问 题, 国 际 化 标 准 化 组 织 (International Standard Organization,ISO) 于 1978 年 提 出 了 开 发 系 统 互 连 参 考 模 型 (Open Systems Interconnection Reference Model,OSI/RM), 简 称 OSI OSI 模 型 是 一 个 开 放 的 体 系 结 构, 它 将 网 络 分 成 7 层, 并 规 定 每 层 的 功 能, 最 终 的 ISO 标 准 (ISO 7498) 到 1984 年 才 正 式 颁 布 OSI 参 考 模 型 推 出 后, 得 到 了 国 际 上 的 认 可, 成 为 其 他 各 种 计 算 机 网 络 体 系 结 构 靠 拢 的 标 准, 以 后 的 发 展 一 直 走 标 准 化 的 道 路, 从 这 以 后, 开 始 了 所 谓 的 第 三 代 计 算 机 网 络 但 是 OSI 模 型 并 没 有 商 品 化, 它 面 临 着 后 来 因 特 网 使 用 的 TCP/IP 体 系 的 严 峻 挑 战 具 体 原 因 如 下 (1)OSI 标 准 的 制 定 周 期 太 长, 使 得 厂 家 不 能 及 时 按 标 准 生 产 设 备 并 占 领 市 场 (2)OSI 的 协 议 过 于 复 杂, 实 现 起 来 比 较 困 难, 而 且 OSI 的 划 分 不 太 合 理, 有 些 功 能 在 多 个 层 次 中 重 复 出 现, 运 行 效 率 低, 影 响 了 OSI 产 品 的 发 展 世 纪 90 年 代 以 后, 全 球 进 入 因 特 网 时 代 因 特 网 发 展 的 过 程 如 下 :1969 年 12 月,DARPA 建 成 的 分 组 交 换 网 ARPANET 投 入 运 行 ;20 世 纪 70 年 代 中 期,DARPA 为 了 实 现 异 种 网 之 间 的 互 联 互 通, 于 1977 年 到 1979 年 间 推 出 了 TCP/IP 体 系 结 构 和 协 议 规 范 1980 年 前 后,ARPANET 开 始 采 用 TCP/IP 协 议,1986 年 美 国 国 家 科 学 基 金 会 建 立 基 于 TCP/IP 的 国 家 科 学 网 (NSFNET) 与 ARPANET 相 连,1990 年 合 并 后 改 名 为 Internet 后 来 随 着 使 用 范 围 不 断 扩 大, 速 率 提 高, 因 特 网 成 为 世 界 上 规 模 最 大 和 增 长 速 率 最 快 的 计 算 机 网 络 20 世 纪 90 年 代, 欧 洲 原 子 核 研 究 组 织 开 发 的 万 维 网 (World Wide Wed, WWW) 被 广 泛 使 用 在 因 特 网 上, 方 便 了 非 网 络 专 业 人 员 对 网 络 的 使 用, 使 用 户 按 指 数

17 4 计 算 机 网 络 增 长, 直 至 今 天 成 为 覆 盖 全 球 的 信 息 基 础 设 施 之 一 微 电 子 技 术 大 规 模 集 成 电 路 技 术 计 算 机 技 术 和 光 通 信 技 术 的 发 展 为 网 络 发 展 提 供 了 有 力 的 支 持, 网 络 迅 速 朝 着 高 速 化 综 合 化 智 能 化 和 高 性 能 方 向 发 展 高 速 化 是 指 网 络 具 有 宽 频 带 和 低 时 延, 采 用 光 缆 作 为 传 输 介 质, 可 实 现 高 传 输 速 率, 低 时 延 则 要 求 用 快 速 交 换 技 术 作 为 保 证 目 前, 高 速 网 络 的 传 输 速 率 可 超 过 1000Mb/s 综 合 化 将 语 音 视 频 图 像 数 据 等 多 种 业 务 综 合 到 一 个 网 络 中 去, 其 中 多 媒 体 化 技 术 是 指 能 够 综 合 处 理 两 种 以 上 的 数 字 声 音 图 形 和 图 像 等 信 息 媒 体 的 技 术, 是 实 现 综 合 化 信 息 处 理 技 术 的 基 础 智 能 化 是 指 多 方 面 提 高 网 络 的 性 能 和 综 合 的 多 功 能 服 务, 并 更 加 合 理 地 进 行 网 络 各 种 业 务 的 管 理, 真 正 以 分 布 和 开 放 的 形 式 向 用 户 提 供 服 务 1.2 计 算 机 网 络 的 功 能 和 应 用 计 算 机 网 络 是 指 地 理 位 置 不 同, 并 具 有 独 立 功 能 的 多 台 计 算 机 系 统 由 通 信 设 备 和 线 路 连 接 起 来, 通 过 网 络 软 件 进 行 数 据 通 信, 实 现 资 源 共 享 的 信 息 系 统 独 立 功 能 是 指 每 台 计 算 机 的 工 作 是 独 立 的, 任 何 一 台 计 算 机 都 不 能 干 预 其 他 计 算 机 的 工 作, 任 意 两 台 计 算 机 之 间 都 没 有 主 从 关 系 通 信 设 备 是 指 完 成 网 络 连 续 所 需 要 的 交 换 设 备, 如 交 换 机 路 由 器 等, 线 路 连 接 包 括 双 绞 线 同 轴 电 缆 光 纤 通 信 卫 星 红 外 线 等 不 同 传 输 介 质 其 中 网 络 软 件 是 指 网 络 通 信 协 议 和 实 现 协 议 的 网 络 操 作 系 统 等, 网 络 协 议 是 区 别 计 算 机 网 络 与 一 般 计 算 机 互 联 系 统 的 标 志 数 据 交 换 和 通 信 这 是 计 算 机 网 络 最 基 础 的 功 能, 快 速 的 计 算 机 之 间 或 计 算 机 与 终 端 之 间 相 互 传 递 信 息 如 数 据 程 序 或 文 件 等 利 用 这 一 特 点, 可 将 分 散 在 各 个 地 区 的 单 位 或 部 门 用 计 算 机 网 络 联 系 起 来, 进 行 统 一 的 调 配 控 制 和 管 理 2. 资 源 共 享 共 享 计 算 机 网 络 中 提 供 的 资 源 ( 包 括 硬 件 软 件 和 数 据 ) 是 计 算 机 网 络 组 网 的 目 标 之 一 计 算 机 的 许 多 资 源 是 十 分 昂 贵 的, 不 可 能 为 每 个 用 户 所 拥 有 例 如, 进 行 复 杂 运 算 的 巨 型 计 算 机 海 量 存 储 器 高 速 激 光 打 印 机 大 型 绘 图 仪 和 一 些 特 殊 的 外 部 设 备, 另 外 还 有 大 型 数 据 库 和 大 型 软 件 等 然 而 这 些 昂 贵 的 资 源 都 可 以 为 计 算 机 网 络 上 的 用 户 所 共 享, 既 可 以 使 用 户 减 少 投 资, 又 可 以 提 高 这 些 昂 贵 资 源 的 使 用 效 率 3. 提 高 系 统 的 可 靠 性 和 可 用 性 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 可 靠 性 的 提 高 体 现 在 网 络 中 计 算 机 彼 此 互 为 备 用, 在 单 机 使 用 的 情 况 下, 如 没 有 备 用 机, 则 计 算 机 一 有 故 障 便 会 导 致 停 机 如 果 增 加 备 用 机, 则 费 用 也 会 极 大 增 加 当 计

18 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 5 算 机 连 成 网 络 后, 各 计 算 机 可 以 通 过 网 络 互 为 后 备, 当 某 一 处 计 算 机 发 生 故 障 时, 可 由 别 处 的 计 算 机 代 为 处 理 还 可 以 在 网 络 的 一 些 节 点 上 设 置 一 定 的 备 用 设 备, 起 到 全 网 络 公 用 后 备 的 作 用 这 样 计 算 机 网 络 就 能 起 到 提 高 系 统 可 靠 性 及 可 用 性 的 作 用 特 别 是 在 地 理 位 置 分 布 很 广 且 具 有 实 时 性 管 理 和 不 间 断 运 行 要 求 的 系 统 中, 建 立 计 算 机 网 络 便 可 保 证 系 统 更 高 的 可 靠 性 和 可 用 性 4. 分 布 式 网 络 处 理 一 般 在 计 算 机 网 络 中, 用 户 可 根 据 问 题 的 实 质 和 要 求 选 择 网 内 最 合 适 的 资 源 来 处 理, 以 便 使 问 题 能 迅 速 而 经 济 地 得 以 解 决, 对 于 综 合 性 大 型 问 题 可 以 采 用 合 适 的 算 法 将 任 务 分 散 到 不 同 的 计 算 机 上 进 行 处 理 各 计 算 机 连 成 网 络 也 有 利 于 共 同 协 作 进 行 重 大 科 研 课 题 的 开 发 和 研 究 利 用 网 络 技 术 还 可 以 将 许 多 小 型 机 或 微 型 机 连 成 具 有 高 性 能 的 分 布 式 计 算 机 系 统, 使 它 具 有 解 决 复 杂 问 题 的 能 力, 从 而 使 费 用 极 大 降 低 5. 提 高 系 统 性 能 价 格 比, 易 于 扩 充, 便 于 维 护 计 算 机 组 成 网 络 后, 虽 然 增 加 了 通 信 费 用, 但 由 于 资 源 共 享, 明 显 提 高 了 整 个 系 统 的 性 能 价 格 比, 降 低 了 系 统 的 维 护 费 用, 且 易 于 扩 充, 方 便 系 统 维 护, 扩 大 了 应 用 范 围, 提 高 了 系 统 性 价 比 在 科 研 教 育 中 的 应 用 通 过 计 算 机 网 络, 科 技 人 员 可 以 在 网 上 查 询 各 种 文 字 和 资 料, 可 以 互 相 交 流, 甚 至 可 以 在 计 算 机 网 络 上 进 行 国 际 合 作 研 究 项 目 在 教 育 方 面, 一 方 面 可 以 开 设 网 上 学 校, 实 现 远 程 授 课, 学 生 在 家 中 或 者 其 他 任 何 方 便 的 地 方 随 时 学 习, 而 且 利 用 多 媒 体 技 术, 可 以 使 枯 燥 的 教 学 更 为 生 动 ; 另 一 方 面, 学 生 可 以 随 时 提 问 和 讨 论, 实 现 面 对 面 交 流 2. 在 企 业 网 络 中 的 应 用 计 算 机 网 络 可 以 使 企 事 业 单 位 和 公 司 内 部 实 现 办 公 自 动 化, 做 到 各 种 软 硬 件 资 源 共 享, 如 果 将 内 部 网 络 联 入 因 特 网 还 可 以 实 现 异 地 办 公 企 业 可 以 通 过 国 际 互 联 网, 搜 索 市 场 信 息 并 发 布 企 业 产 品 信 息, 取 得 良 好 的 经 济 效 益 3. 校 园 网 络 的 应 用 校 园 网 是 将 校 园 的 计 算 机 工 作 站 和 终 端, 通 过 高 性 能 网 络 连 接 到 各 种 服 务 器 上, 组 成 分 布 式 的 网 络 系 统, 是 将 大 中 型 计 算 机 资 源 和 其 他 网 内 资 源 共 享 的 通 信 网 络 校 园 网 是 提 高 教 学 科 研 水 平 不 可 或 缺 的 支 撑 环 节 共 享 资 源 是 校 园 网 最 基 础 的 应 用, 人 们 通 过 网 络 更 有 效 地 共 享 信 息 资 源, 并 提 供 合 作 环 境 4. 在 通 信 与 娱 乐 中 的 应 用 目 前, 计 算 机 网 络 所 提 供 的 通 信 服 务 包 括 了 广 泛 应 用 的 电 子 邮 件 网 络 寻 呼 BBS

19 6 计 算 机 网 络 网 络 新 闻 和 IP 电 话 等 另 外 家 庭 娱 乐 正 对 信 息 服 务 业 产 生 着 巨 大 的 影 响, 它 可 以 让 人 们 在 家 里 点 播 电 视 和 电 影 节 目 还 有, 游 戏 的 应 用 也 越 来 越 多 计 算 机 网 络 应 用 的 范 围 在 不 断 扩 大, 应 用 领 域 越 来 越 宽, 越 来 越 深 入, 许 多 新 的 计 算 机 网 络 应 用 系 统 被 不 断 开 发 出 来, 如 远 程 教 学 电 视 会 议 电 子 商 务 管 理 信 息 系 统 数 字 图 书 馆 视 频 点 播 等 1.3 计 算 机 网 络 的 层 次 体 系 结 构 计 算 机 网 络 是 相 当 复 杂 的 系 统, 之 间 需 要 不 断 地 交 换 数 据, 且 相 互 通 信 的 两 个 计 算 机 网 络 必 须 高 度 协 调 才 能 正 常 工 作 为 了 设 计 这 样 复 杂 的 计 算 机 网 络, 人 们 提 出 了 将 网 络 分 层 的 方 法 分 层 可 以 将 庞 大 而 复 杂 的 问 题 转 化 为 若 干 小 的 局 部 问 题 来 解 决, 从 而 简 单 化 网 络 体 系 结 构 (Network Architecture) 是 计 算 机 网 络 的 分 层 各 层 协 议 功 能 和 层 间 接 口 的 集 合 不 同 的 计 算 机 网 络 具 有 不 同 的 体 系 结 构, 层 的 数 量 各 层 的 名 称 内 容 和 功 能 以 及 各 相 邻 层 之 间 的 接 口 都 不 一 样 然 而, 在 任 何 网 络 中, 每 一 层 都 是 为 了 向 它 相 邻 的 上 层 提 供 一 定 的 服 务 而 设 置 的, 而 且 每 一 层 都 对 上 层 屏 蔽 实 现 协 议 的 具 体 细 节 这 样, 网 络 体 系 结 构 就 能 做 到 与 具 体 的 物 理 实 现 无 关, 哪 怕 连 接 到 网 络 中 的 主 机 和 终 端 的 型 号 及 性 能 各 不 相 同, 只 要 它 们 共 同 遵 守 相 同 的 协 议 就 可 以 实 现 互 通 信 和 互 操 作 由 此 可 见, 计 算 机 网 络 体 系 结 构 实 际 上 是 一 组 设 计 原 则, 它 包 括 功 能 组 织 数 据 结 构 和 过 程 的 说 明 以 及 用 户 应 用 网 络 的 设 计 和 实 现 基 础 网 络 体 系 结 构 是 一 个 抽 象 的 概 念, 因 为 它 不 涉 及 具 体 的 实 现 细 节, 只 是 说 明 网 络 体 系 结 构 必 须 包 括 的 信 息, 以 便 网 络 设 计 者 能 为 每 一 层 编 写 符 合 相 应 协 议 的 程 序, 它 解 决 的 是 做 什 么 的 问 题 1. 采 用 分 层 结 构 的 好 处 计 算 机 网 络 协 议 采 用 分 层 结 构, 有 以 下 几 个 好 处 (1) 各 层 之 间 相 互 独 立 这 样, 某 一 层 只 要 知 道 下 一 层 通 过 界 面 ( 接 口 ) 所 提 供 的 服 务, 不 需 了 解 其 实 现 的 细 节 (2) 灵 活 性 好 若 某 层 发 生 变 化, 只 要 接 口 关 系 不 变, 则 上 下 层 均 不 会 受 到 影 响 这 样, 便 于 修 改 取 消 某 层 提 供 的 服 务 (3) 结 构 上 可 以 分 隔 开, 各 层 都 可 以 选 择 最 合 适 的 实 现 技 术 (4) 整 个 系 统 被 分 解 为 若 干 个 范 围 较 小 的 部 分, 便 于 实 现 调 试 和 维 护 (5) 每 一 层 的 功 能 和 所 提 供 的 服 务 都 有 详 细 的 说 明, 有 助 于 标 准 化 2. 分 层 结 构 实 现 的 功 能 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 (1) 差 错 检 测 这 样, 使 得 和 网 络 对 端 的 相 应 层 次 的 通 信 更 可 靠 (2) 流 量 控 制 控 制 好 发 送 端 的 速 度, 使 得 接 收 端 不 会 很 闲 或 者 来 不 及 接 收 (3) 分 段 和 重 装 在 发 送 端 将 数 据 分 成 一 部 分 的 小 单 位, 然 后 在 接 收 端 进 行 重 装

20 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 7 (4) 复 用 和 分 用 发 送 端 几 个 高 层 会 话 复 用 一 条 低 层 的 连 接, 在 接 收 端 再 进 行 分 用 (5) 连 接 建 立 和 释 放 交 换 在 传 输 数 据 前 先 建 立 一 条 逻 辑 连 接, 传 输 数 据 结 束 后 释 放 系 统 的 顶 层 执 行 用 户 的 请 求, 直 接 与 用 户 接 触, 可 以 是 用 户 编 写 的 程 序 或 发 出 的 命 令 除 顶 层 外, 各 层 都 能 支 持 其 上 一 层 的 实 体 进 行 工 作, 这 就 是 服 务 系 统 的 底 层 直 接 与 物 理 介 质 相 接 触, 通 过 物 理 介 质 使 不 同 的 系 统 不 同 的 进 程 沟 通 3. 分 层 模 型 中 的 术 语 1) 实 体 与 对 等 实 体 每 一 层 中, 用 于 实 现 该 层 功 能 的 活 动 元 素 被 称 为 实 体 (Entity), 包 括 该 层 上 实 际 存 在 的 所 有 硬 件 与 软 件, 如 终 端 电 子 邮 件 系 统 应 用 程 序 进 程 等 不 同 机 器 上 位 于 同 一 层 次 完 成 相 同 功 能 的 实 体 被 称 为 对 等 (Peer to Peer) 实 体 2) 协 议 为 了 使 两 个 对 等 实 体 之 间 能 够 有 效 地 通 信, 对 等 实 体 需 要 就 交 换 什 么 信 息 如 何 交 换 信 息 等 问 题 制 定 相 应 的 规 则 或 进 行 某 种 约 定 这 种 对 等 实 体 之 间 交 换 数 据 或 通 信 时 所 必 须 遵 守 的 规 则 或 标 准 的 集 合 称 为 协 议 (Protocol) 协 议 由 语 义 语 法 和 时 序 三 大 要 素 构 成 (1) 语 义 协 议 的 语 义 是 指 对 构 成 协 议 的 协 议 元 素 含 义 的 解 释, 也 即 讲 什 么 不 同 类 型 的 协 议 元 素 规 定 了 通 信 双 方 所 要 表 达 的 不 同 内 容, 它 涉 及 用 于 协 调 与 差 错 处 理 的 控 制 信 息 (2) 语 法 语 法 是 用 于 规 定 将 若 干 个 协 议 元 素 和 数 据 组 合 在 一 起 来 表 达 一 个 更 完 整 的 内 容 时 所 应 遵 循 的 格 式, 即 对 所 表 达 的 内 容 的 数 据 结 构 形 式 的 一 种 规 定 它 涉 及 数 据 及 控 制 信 息 的 格 式 编 码 及 信 号 电 平 等 (3) 时 序 定 时 规 定 了 事 件 的 执 行 顺 序, 即 通 信 过 程 中 的 应 答 关 系 和 状 态 变 化 关 系 它 涉 及 速 度 匹 配 与 排 序 等 3) 服 务 在 网 络 分 层 结 构 模 型 中, 每 一 层 为 相 邻 的 上 一 层 所 提 供 的 功 能 称 为 服 务 N 层 使 用 (N-1) 层 所 提 供 的 服 务, 向 (N+1) 层 提 供 功 能 更 强 大 的 服 务 4) 服 务 类 型 服 务 类 型 包 括 面 向 连 接 服 务 和 无 连 接 服 务 面 向 连 接 服 务 以 电 话 系 统 为 模 式 要 和 某 个 人 通 话, 先 拿 起 电 话, 拨 号 码, 通 话, 然 后 挂 断 同 样 在 使 用 面 向 连 接 的 服 务 时, 用 户 首 先 要 建 立 连 接, 使 用 连 接, 然 后 释 放 连 接 连 接 本 质 上 像 个 管 道, 即 发 送 者 在 管 道 的 一 端 放 入 物 体, 接 收 者 在 另 一 端 按 同 样 的 次 序 取 出 物 体 其 特 点 是 收 发 的 数 据 不 仅 顺 序 一 致, 而 且 内 容 也 相 同 无 连 接 服 务 以 邮 政 系 统 为 模 式 每 个 报 文 ( 信 件 ) 带 有 完 整 的 目 的 地 址, 并 且 每 一 个 报 文 都 独 立 于 其 他 报 文, 由 系 统 选 定 的 路 线 传 递 在 正 常 情 况 下, 当 两 个 报 文 发 往 同 一 目 的 地 时, 先 发 的 先 到 但 是, 也 有 可 能 先 发 的 报 文 在 途 中 延 误 了, 后 发 的 报 文 反 而 先 收 到 而 这 种 情 况 在 面 向 连 接 的 服 务 中 是 绝 对 不 可 能 发 生 的 5) 服 务 原 语 相 邻 层 之 间 通 过 一 组 服 务 原 语 (Service Primitive) 建 立 相 互 作 用, 完 成 服 务 与 被 服

21 8 计 算 机 网 络 务 的 过 程 这 些 原 语 供 用 户 和 其 他 实 体 访 问 该 服 务 这 些 原 语 通 知 服 务 提 供 者 采 取 某 些 行 动 或 报 告 某 个 对 等 实 体 的 活 动 服 务 原 语 可 被 划 分 为 四 类, 分 别 是 请 求 (Request) 指 示 (Indication) 响 应 (Response) 和 确 认 (Confirm) 在 各 种 类 型 的 计 算 机 之 间 进 行 信 息 传 递 是 一 件 比 较 困 难 和 麻 烦 的 工 作 20 世 纪 80 年 代 初 期, 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 认 识 到, 需 要 一 个 网 络 模 型 来 帮 助 厂 商 实 现 网 络 间 的 相 互 操 作, 于 是 ISO 研 究 了 各 类 计 算 机 网 络 体 系 结 构, 并 于 1984 年 正 式 公 布 了 一 个 网 络 体 系 结 构 模 型 作 为 国 际 标 准, 称 为 开 放 系 统 互 连 参 考 模 型 (OSI/RM) 这 里 的 开 放 是 指 任 何 两 个 具 有 OSI/RM 的 系 统 都 可 以 进 行 互 连, 当 一 个 系 统 能 按 OSI/RM 与 另 一 个 系 统 进 行 通 信 时, 就 称 该 系 统 为 开 放 系 统 在 OSI 参 考 模 型 中, 将 整 个 通 信 功 能 划 分 为 七 个 层 次, 如 图 1-3 所 示 每 一 层 的 目 的 是 向 相 邻 的 上 一 层 提 供 服 务, 并 且 屏 蔽 服 务 实 现 的 细 节 模 型 设 计 成 多 层, 像 是 在 与 图 1-3 OSI 参 考 模 型 另 一 台 计 算 机 对 等 层 通 信 实 际 上, 通 信 是 在 同 一 计 算 机 的 相 邻 层 之 间 进 行 的 每 一 层 都 按 照 一 组 协 议 来 实 现 某 些 网 络 的 功 能 七 个 层 次 之 间 的 问 题 相 对 独 立, 而 且 易 于 分 开 解 决, 也 无 需 过 多 依 赖 于 外 部 信 息 七 个 层 次 自 下 而 上 分 布, 并 具 有 不 同 的 功 能 OSI 参 考 模 型 的 分 层 原 则 如 下 (1) 按 照 不 同 层 次 的 抽 象 分 层 (2) 每 层 应 当 有 明 确 的 功 能 (3) 层 次 数 不 能 太 多, 否 则 过 于 庞 大, 也 不 能 过 少, 以 避 免 不 同 的 功 能 混 杂 其 中 (4) 各 层 边 界 的 选 择 应 尽 量 减 少 跨 过 接 口 的 通 信 量 1. 物 理 层 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 物 理 层 (Physical Layer) 是 OSI 的 最 底 层, 它 建 立 在 物 理 通 信 介 质 的 基 础 上, 作 为 通 信 系 统 和 通 信 介 质 的 接 口, 用 来 实 现 数 据 链 路 实 体 间 透 明 的 比 特 (bit) 流 传 输 物 理

22 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 9 层 规 定 了 传 输 介 质 的 机 械 特 性 电 气 特 性 功 能 特 性 和 规 程 特 性 但 是 物 理 媒 体 ( 或 传 输 媒 体 ) 不 属 于 物 理 层 2. 数 据 链 路 层 数 据 链 路 层 (Data Link Layer) 的 主 要 功 能 是 在 物 理 层 提 供 比 特 流 传 输 服 务 的 基 础 上, 从 网 络 层 接 收 数 据, 并 加 上 有 意 义 的 比 特 位 形 成 报 文 头 部 和 尾 部 ( 用 来 携 带 地 址 和 其 他 控 制 信 息 ), 负 责 在 通 信 的 实 体 之 间 建 立 维 持 和 拆 除 数 据 链 路 的 连 接, 在 两 个 相 邻 节 点 间 的 线 路 上, 无 差 错 地 传 送 以 帧 为 单 位 的 数 据 因 此, 每 一 帧 必 须 带 有 同 步 地 址 差 错 控 制 以 及 流 量 控 制 等 控 制 信 息, 负 责 将 数 据 帧 无 差 错 地 从 一 个 站 点 送 达 下 一 个 相 邻 的 站 点, 即 通 过 一 些 数 据 链 帧 路 层 协 议 完 成 在 不 太 可 靠 的 物 理 链 路 上 实 现 可 靠 的 数 据 传 输 3. 网 络 层 网 络 层 (Network Layer) 关 心 的 是 通 信 子 网 的 运 行 控 制, 主 要 解 决 如 何 使 数 据 分 组 跨 越 通 信 子 网 从 源 传 送 到 目 的 地 的 问 题, 这 就 需 要 在 通 信 子 网 中 进 行 路 由 选 择 在 网 络 层, 数 据 的 传 送 单 位 是 分 组 或 包, 网 络 层 的 任 务 就 是 要 选 择 合 适 的 路 由, 使 发 送 端 的 传 输 层 所 传 下 来 的 分 组 能 够 正 确 无 误 地 按 照 地 址 找 到 目 的 端, 并 交 付 给 目 的 端 传 输 层, 这 就 是 网 络 层 的 寻 址 功 能 如 果 在 子 网 中 同 时 出 现 过 多 的 分 组, 它 们 将 相 互 阻 塞 通 路, 形 成 瓶 颈, 所 以 网 络 层 还 需 要 提 供 拥 塞 控 制 机 制 以 避 免 此 类 现 象 的 出 现 分 组 在 网 络 传 输 中, 必 须 进 行 路 由 选 择 差 错 检 测 顺 序 和 流 量 控 制 另 外, 当 分 组 要 跨 越 多 个 通 信 子 网 才 能 到 达 目 的 地 时, 不 同 网 络 间 的 寻 址 方 式 可 以 完 全 不 相 同, 但 要 解 决 网 际 互 连 的 问 题 4. 传 输 层 传 输 层 (Transport Layer) 是 OSI 参 考 模 型 中 唯 一 负 责 到 端 节 点 间 数 据 传 输 和 控 制 功 能 的 层, 其 主 要 任 务 是 向 会 话 层 提 供 服 务, 服 务 内 容 包 括 传 输 连 接 服 务 和 数 据 传 输 服 务 前 者 是 指 在 两 个 传 输 层 用 户 之 间 负 责 建 立 维 持 和 在 传 输 结 束 后 拆 除 传 输 连 接 ; 后 者 则 是 要 求 在 一 对 用 户 之 间 提 供 互 相 交 换 数 据 的 方 法 传 输 层 的 服 务 使 高 层 的 用 户 可 以 完 全 不 考 虑 信 息 在 物 理 层 数 据 链 路 层 和 网 络 层 通 信 的 详 细 情 况, 方 便 用 户 使 用 在 传 输 层, 信 息 的 传 送 单 位 是 报 文 当 报 文 较 长 时, 先 把 它 分 成 几 个 分 组, 然 后 再 交 给 下 一 层 网 络 层 进 行 传 输 5. 会 话 层 会 话 层 (Session Layer) 是 网 络 对 话 控 制 器, 虽 然 不 参 与 具 体 的 数 据 传 输, 但 对 数 据 传 输 的 同 步 进 行 管 理, 主 要 功 能 是 在 两 个 节 点 之 间 建 立 维 护 和 释 放 面 对 用 户 的 连 接, 保 证 每 次 会 话 都 正 常 关 闭 而 不 会 突 然 中 断, 从 而 使 用 户 被 挂 起 会 话 层 建 立 和 验 证 用 户 之 间 的 连 接, 包 括 口 令 和 登 录 确 认 它 也 控 制 数 据 交 换, 决 定 以 何 种 顺 序 将 对 话 单 元 传 送 到 传 输 层, 以 及 在 传 输 过 程 的 哪 一 点 需 要 接 收 端 的 确 认

23 10 计 算 机 网 络 6. 表 示 层 表 示 层 (Presentation Layer) 保 证 了 通 信 设 备 之 间 的 互 操 作 性 负 责 处 理 在 两 个 通 信 系 统 间 交 换 信 息 的 表 示 格 式, 该 层 的 功 能 使 得 两 台 内 部 数 据 表 示 结 构 不 同 的 计 算 机 能 实 现 通 信 它 提 供 了 一 种 对 不 同 控 制 码 字 符 集 和 图 形 字 符 等 的 解 释, 而 这 种 解 释 是 使 两 台 设 备 都 能 以 相 同 方 式 理 解 相 同 的 传 输 内 容 所 必 需 的 表 示 层 以 下 的 各 层 只 关 心 可 靠 地 传 输 比 特 流, 而 表 示 层 关 心 的 是 所 传 输 内 容 的 语 法 和 语 义 表 示 层 还 负 责 为 引 入 的 数 据 加 密 和 解 密, 以 及 为 提 高 传 输 效 率 提 供 必 需 的 数 据 压 缩 及 解 压 等 功 能 7. 应 用 层 应 用 层 (Application Layer) 是 OSI 参 考 模 型 的 最 高 层, 它 是 应 用 进 程 访 问 网 络 服 务 的 窗 口, 运 用 于 网 络 上 的 应 用 程 序 可 以 直 接 与 较 低 层 的 组 件 通 信, 或 者 在 请 求 时 进 行 间 接 通 信, 这 一 层 直 接 为 网 络 用 户 或 应 用 程 序 提 供 各 种 各 样 的 网 络 服 务, 它 是 计 算 机 网 络 与 最 终 用 户 之 间 的 界 面 应 用 层 提 供 的 网 络 服 务 包 括 文 件 服 务 打 印 服 务 报 文 服 务 目 录 服 务 网 络 管 理 以 及 数 据 库 服 务 等 上 述 七 层 中 的 上 五 层 一 般 由 软 件 实 现, 而 下 面 的 两 层 由 硬 件 和 软 件 实 现 Internet Internet 使 用 的 TCP/IP 体 系 在 计 算 机 网 络 领 域 中 占 有 十 分 重 要 的 地 位, 传 输 控 制 协 议 (Transmission Control Protocal,TCP) 和 网 际 协 议 (Internet Protocal,IP) 是 因 特 网 所 使 用 的 各 种 协 议 中 最 重 要 的 两 个 协 议 TCP/IP 是 一 组 通 信 协 议 的 代 名 词, 利 用 TCP/IP 可 以 很 方 便 地 实 现 多 个 网 络 的 无 缝 连 接, 通 常 所 谓 的 某 台 机 器 在 因 特 网 上, 就 是 指 该 主 机 具 有 一 个 因 特 网 地 址 ( 也 称 IP 地 址 ), 使 用 TCP/IP, 便 可 向 因 特 网 上 所 有 其 他 主 机 发 送 IP 数 据 报 1. TCP/IP 的 层 次 TCP/IP 分 为 四 个 层 次, 分 别 是 网 络 接 口 层 网 际 层 传 输 层 和 应 用 层 1) 网 络 接 口 层 网 络 接 口 层 (Host to NetWork Layer), 也 翻 译 成 主 机 - 网 络 层 或 网 络 存 取 层, 是 TCP/IP 的 最 低 层, 负 责 接 收 IP 数 据 包 并 通 过 网 络 发 送 IP 数 据 包, 或 者 从 网 络 上 接 收 物 理 帧, 取 出 IP 数 据 包, 并 把 它 交 给 IP 层 网 络 接 口 一 般 是 设 备 驱 动 程 序, 如 以 太 网 的 网 卡 驱 动 程 序 在 TCP/IP 参 考 模 型 中 并 没 有 详 细 定 义 这 一 层 的 功 能, 只 是 指 出 通 信 主 机 必 须 采 用 某 种 协 议 连 接 到 网 络 上, 并 且 能 够 传 输 网 络 数 据 分 组 具 体 使 用 哪 种 协 议, 在 本 层 里 并 没 有 规 定 实 际 上 根 据 主 机 与 网 络 拓 扑 结 构 的 不 同, 局 域 网 基 本 上 采 用 了 802 系 列 的 协 议, 如 以 太 网 协 议 令 牌 环 网 协 议, 广 域 网 较 常 采 用 的 协 议 有 帧 中 继 X.25 等 2) 网 际 层 网 络 互 联 层 (Internet Layer) 也 称 IP 层 网 络 层 或 网 际 层, 它 的 主 要 功 能 是 负 责 在 互 联 网 上 传 输 数 据 分 组 网 络 互 联 层 相 当 于 OSI 参 考 模 型 中 的 网 络 层 无 连 接 网 络 服 务 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

24 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 11 网 际 层 是 整 个 TCP/IP 体 系 结 构 的 关 键 部 分, 最 常 用 的 协 议 是 网 际 协 议 IP, 用 来 协 助 IP 报 文 操 作 的 因 特 网 控 制 报 文 协 议 ICMP 因 特 网 组 管 理 协 议 IGMP 地 址 解 析 协 议 ARP 和 逆 地 址 解 析 协 议 RARP 网 际 层 负 责 主 机 之 间 的 通 信, 传 输 的 数 据 单 位 是 IP 数 据 报, 最 终 将 数 据 报 从 源 主 机 发 送 到 目 的 主 机 主 要 功 能 :1 将 传 输 层 送 来 的 报 文 段 或 用 户 数 据 报 装 入 IP 数 据 报, 填 完 报 头, 选 择 去 往 目 的 主 机 的 路 由, 将 IP 数 据 报 发 往 适 当 的 网 络 接 口 2 对 从 网 络 接 口 收 到 的 IP 数 据 报, 首 先 检 查 其 合 理 性, 然 后 寻 址 3 处 理 网 际 层 差 错 与 控 制 报 文, 处 理 路 径 流 控 拥 塞 等 问 题 另 外, 本 层 还 定 义 了 地 址 解 析 协 议 ( Address Resolution Protocol,ARP) 反 向 地 址 解 析 协 议 (Reverse Address Resolution Protocol,RARP) 网 际 控 制 报 文 协 议 (Internet Control Message Protocol,ICMP) 和 Internet 组 管 理 协 议 (Internet Group Management Protocol,IGMP) 等 3) 传 输 层 传 输 层 提 供 端 到 端 即 应 用 程 序 间 的 通 信, 有 TCP 和 UDP 两 个 协 议,TCP 提 供 了 可 靠 的 传 输 (UDP 提 供 不 可 靠 的 传 输 ) 它 与 OSI 参 考 模 型 的 传 输 层 功 能 类 似, 也 对 高 层 屏 蔽 了 底 层 网 络 的 实 现 细 节, 同 时 它 真 正 实 现 了 源 主 机 到 目 的 主 机 的 端 到 端 的 通 信 TCP/IP 参 考 模 型 的 传 输 层 完 全 建 立 在 包 交 换 通 信 子 网 基 础 上 传 输 层 传 送 的 数 据 单 位 是 报 文 段 或 用 户 数 据 报, 为 了 实 现 可 靠 性, 传 输 层 要 进 行 收 发 确 认 信 息 校 验, 若 数 据 包 丢 失 则 进 行 重 传 等 4) 应 用 层 在 TCP/IP 模 型 中, 应 用 层 (Application Layer) 是 TCP/IP 协 议 族 的 最 高 层, 它 与 OSI 模 型 中 的 高 三 层 的 任 务 相 同, 包 含 了 OSI 参 考 模 型 中 会 话 层 表 示 层 和 应 用 层 这 些 高 层 的 协 议 的 功 能 涉 及 为 用 户 提 供 网 络 应 用, 并 为 这 些 应 用 提 供 网 络 支 撑 服 务, 把 用 户 的 数 据 发 送 到 底 层, 为 应 用 程 序 提 供 网 络 接 口, 应 用 比 如 Telnet( 远 程 登 录 ) FTP( 文 件 传 输 协 议 ) SMTP( 简 单 邮 件 传 输 协 议 ) HTTP( 超 文 本 传 输 协 议 ) 和 Gopher 等 几 乎 所 有 的 应 用 程 序 都 有 自 己 的 协 议 TCP/IP 的 层 次 结 构 与 OSI 层 次 结 构 的 对 照 关 系 如 图 1-4 所 示 TCP/IP 体 系 结 构 中 没 有 单 独 独 立 的 物 理 层, 网 络 接 口 层 相 对 于 OSI 中 的 物 理 层 和 数 据 链 路 层, 网 络 层 和 传 输 层 分 别 对 应 于 OSI 参 考 模 型 中 的 网 络 层 和 传 输 层, 应 用 层 对 应 于 OSI 模 型 中 的 会 话 层 表 示 层 对 应 于 OSI 参 考 模 型 中 的 应 用 层 图 1-4 TCP/IP 与 OSI 层 次 结 构 的 对 照

25 12 计 算 机 网 络 2. TCP/IP 的 层 次 结 构 与 OSI/RM 层 次 结 构 的 关 系 1)TCP/IP 的 层 次 结 构 与 OSI/RM 层 次 结 构 的 相 同 点 它 们 都 是 基 于 独 立 的 协 议 栈 的 概 念, 均 采 用 了 层 次 结 构, 并 存 在 相 似 的 传 输 层 和 网 络 层, 两 者 都 有 应 用 层, 虽 然 所 提 供 的 服 务 不 同, 但 都 是 一 种 基 于 协 议 数 据 单 元 的 包 交 换 网, 而 且 分 别 作 为 概 念 上 的 模 型 和 事 实 上 的 标 准, 具 有 同 等 的 重 要 性 2)TCP/IP 的 层 次 结 构 与 OSI/RM 层 次 结 构 不 同 点 出 发 点 不 一 样,OSI/RM 是 作 为 国 际 标 准 而 制 定 的, 不 得 不 兼 顾 各 方 面, 考 虑 各 种 情 况, 协 议 的 数 量 和 复 杂 性 都 远 高 于 TCP/IP, 以 致 标 准 协 议 推 出 迟 缓, 影 响 市 场 占 有 率 和 发 展, 而 TCP/IP 作 为 军 用 ARPANET 设 计 的 体 系 结 构, 一 开 始 就 考 虑 异 种 网 络 互 联 的 问 题, 兼 顾 实 用 性 安 全 性 预 存 性 等 能 力, 又 与 流 行 的 UNIX 操 作 系 统 结 合, 顺 应 市 场 需 要, 实 践 中 不 断 改 进 和 完 善 OSI/RM 严 格 按 照 层 次 来 处 理, 两 个 实 体 间 通 信 必 须 通 过 下 一 层 的 所 有 实 体, 不 能 越 层, 而 TCP/IP 则 允 许 越 层 直 接 使 用 低 层 次 所 提 供 的 服 务, 这 样 就 减 少 了 不 必 要 的 开 销, 提 高 了 协 议 的 运 行 效 率 OSI/RM 一 开 始 就 只 提 供 面 向 连 接 的 服 务, 而 TCP/IP 一 开 始 就 提 供 面 向 连 接 和 无 连 接 两 种 服 务, 无 连 接 的 数 据 服 务 对 互 联 网 中 的 数 据 传 送 和 分 组 化 通 信 是 很 方 便 的 很 久 之 后 OSI 才 制 定 这 样 的 服 务 标 准 另 外 TCP/IP 具 有 很 好 的 网 络 管 理 功 能 TCP/IP 也 有 不 足 之 处, 例 如,TCP/IP 模 型 没 有 严 格 区 分 服 务 协 议 接 口 的 概 念, 这 些 概 念 在 网 络 新 技 术 的 发 展 中 需 要 用 到, 因 此 模 型 会 遇 到 一 些 麻 烦 此 外,TCP/IP 的 通 用 性 差, 很 难 用 它 来 描 述 其 他 种 类 的 协 议 栈, 还 有 TCP/IP 的 网 络 接 口 层 严 格 说 来 不 是 一 个 层 次, 仅 仅 是 一 个 接 口, 因 此 没 有 自 己 的 数 据 链 路 层 和 物 理 层 网 络 通 信 标 准 化 组 织 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 是 一 个 全 球 性 的 非 政 府 组 织, 是 国 际 标 准 化 领 域 中 一 个 十 分 重 要 的 组 织, 它 的 任 务 是 促 进 全 球 范 围 内 的 标 准 化 及 其 有 关 活 动, 以 利 于 国 际 间 产 品 与 服 务 的 交 流, 在 知 识 科 学 技 术 和 经 济 活 动 中 发 展 国 际 间 的 相 互 合 作 它 于 1947 年 2 月 23 日 正 式 成 立, 总 部 设 在 瑞 士 的 日 内 瓦, 目 标 是 制 定 国 际 技 术 标 准, 以 促 进 全 球 信 息 交 换 和 无 障 碍 贸 易 ISO 最 有 意 义 的 工 作 就 是 它 对 开 放 系 统 的 研 究 国 际 电 信 联 盟 (International Telecommunication Union,ITU) 是 联 合 国 特 有 的 管 理 国 际 电 信 的 机 构, 管 理 无 线 电 和 电 视 频 率 卫 星 和 电 话 的 规 范 与 标 准 网 络 基 础 设 施 以 及 全 球 通 信 所 使 用 的 关 税 率, 也 为 发 展 中 国 家 提 供 技 术 专 家 和 设 备 以 提 高 其 技 术 基 础 1993 年 3 月 1 号 ITU 第 一 次 世 界 电 信 标 准 大 会 (WTSC-93) 在 芬 兰 召 开, 将 原 来 的 三 个 机 构 ( 国 际 电 报 电 话 咨 询 委 员 会 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 国 际 频 率 登 记 咨 询 委 员 会 ) 进 行 了 改 组, 取 而 代 之 的 是 电 信 标 准 部 门 (TSS, 即 ITU-T) 无 线 电 通 信 部 门 (RS, 即 ITU-R) 和 电 信 发 展 部 门 (TDS, 即 ITU-D) ITU 已 经 制 定 了 许 多 网 络 和 电 话 通 信 方 面 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

26 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 13 的 标 准,ITU-T 的 标 准 还 包 括 了 电 子 邮 件 目 录 服 务 综 合 业 务 数 字 网 ISDM 以 及 宽 带 ISDN 等 方 面 的 内 容 Internet 工 程 任 务 组 (Internet Engineering Task Force,IETF) 成 立 于 1986 年, 是 制 定 互 联 网 技 术 标 准 的 世 界 性 组 织 IETF 当 前 的 主 要 任 务 有 两 个 : 一 是 解 决 Internet 发 展 中 遇 到 的 技 术 问 题, 二 是 推 动 Internet 的 进 一 步 普 及 和 发 展 目 前,IETF 已 经 发 展 为 一 个 庞 大 的 国 际 性 标 准 化 组 织, 是 推 动 Internet 标 准 规 范 制 定 的 最 主 要 的 组 织 对 于 虚 拟 网 络 的 形 成,IETF 起 到 了 非 常 主 要 的 作 用 IETF 的 大 量 技 术 性 工 作 均 由 内 部 的 各 类 工 作 组 协 作 而 成, 这 些 工 作 组 按 不 同 类 别 的 专 项 课 题 而 分 别 组 建 除 了 TCP/IP 外, 所 有 互 联 网 的 基 本 技 术 都 是 由 IETF 开 发 或 改 进 的 IETF 工 作 组 创 建 了 网 络 路 由 管 理 传 输 和 网 络 安 全 标 准, 这 些 正 是 互 联 网 赖 以 生 存 的 基 础 Internet 架 构 委 员 会 (Internet Architecture Board,IAB) 是 由 讨 论 关 于 Internet 结 构 问 题 的 研 究 人 员 组 成 的 委 员 会, 并 为 IETF 提 供 指 导 其 主 要 功 能 是 监 督 Internet 工 程 任 务 组, 管 理 Internet 标 准 制 定 和 管 理 发 行 RFC 文 件 RFC 是 在 线 存 放 的, 任 何 感 兴 趣 的 人 都 可 以 得 到 它 RFC 按 照 编 写 的 时 间 顺 序 编 号, 现 在 已 有 2000 多 个 电 气 与 电 子 工 程 师 协 会 (Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE) 于 1963 年 由 美 国 电 气 工 程 师 学 会 (American Institute of Electrical Engineers,AIEE) 和 美 国 无 线 电 工 程 师 学 会 (Institute of Radio Engineers,IRE) 合 并 而 成, 是 一 个 由 工 程 专 业 人 士 组 成 的 国 际 团 体, 是 世 界 上 最 大 的 专 业 组 织, 其 目 的 在 于 促 进 电 气 工 程 和 计 算 机 科 学 领 域 的 发 展 和 教 育 IEEE 最 大 的 成 果 是 定 义 了 局 域 网 和 城 域 网 的 标 准, 这 个 标 准 被 称 为 802 项 目 或 802 系 统 标 准, 后 来 ISO 以 它 为 基 础 制 定 了 ISO8002 另 外,IEEE 技 术 论 文 和 标 准 在 网 络 专 业 受 到 高 度 重 视 美 国 国 家 标 准 协 会 (American National Standards Institute,ANSI) 是 一 个 非 营 利 性 的 民 间 标 准 化 团 体, 但 它 实 际 上 已 成 为 美 国 国 家 标 准 化 中 心, 成 为 美 国 在 ISO 中 的 代 表, 美 国 各 界 标 准 化 活 动 都 围 绕 ANSI 进 行 ANSI 协 调 并 指 导 美 国 全 国 的 标 准 化 活 动, 给 标 准 制 定 研 究 和 使 用 单 位 提 供 帮 助, 提 供 国 内 外 标 准 化 情 报 1.5 计 算 机 网 络 分 类 按 网 络 覆 盖 的 地 理 范 围 分 类 是 最 常 用 的 分 类 方 法, 可 以 把 计 算 机 网 络 划 分 为 局 域 网 (Local Area Network,LAN) 城 域 网 (Metropolitan Area Network,MAN) 广 域 网 (Wide Area Network,WAN) 和 接 入 网 (Access Netework,AN) 四 种 类 型

27 14 计 算 机 网 络 1. 局 域 网 LAN 是 指 在 一 个 有 限 的 地 理 范 围 内 ( 几 十 米 到 几 十 公 里 以 内 ) 将 计 算 机 外 围 设 备 和 网 络 互 联 设 备 连 接 在 一 起 的 网 络 系 统, 常 应 用 于 一 幢 大 楼 一 个 学 校 或 一 个 企 业 内 例 如, 在 一 个 教 学 楼 里, 将 分 布 在 不 同 教 室 或 办 公 室 里 的 计 算 机 连 接 在 一 起 组 成 局 域 网 LAN 技 术 是 专 为 短 距 离 通 信 而 设 计 的, 优 点 是 距 离 短 延 迟 小 数 据 传 输 速 率 高 和 传 输 可 靠 目 前 常 见 的 局 域 网 类 型 有 以 太 网 (Ethernet) 令 牌 环 网 (Token Ring) 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 (FDDI) 和 异 步 传 输 模 式 (ATM) 等, 它 们 在 拓 扑 结 构 传 输 介 质 传 输 速 率 数 据 格 式 等 方 面 都 有 许 多 不 同, 发 展 最 迅 速 的 是 以 太 网 2. 城 域 网 MAN 基 本 上 是 一 种 大 型 的 LAN, 一 般 使 用 与 LAN 相 似 的 技 术, 它 的 覆 盖 范 围 介 于 局 域 网 和 广 域 网 之 间 ( 如 图 1-5 所 示 ) 接 入 MAN 的 计 算 机 通 常 分 布 在 一 些 较 小 的 行 政 辖 区 内, 这 种 范 围 较 局 域 网 要 大 许 多 在 城 域 网 中 的 许 多 局 域 网 借 助 一 些 专 用 网 络 互 联 设 备 连 接 到 一 起, 即 使 没 有 连 入 某 局 域 网 的 计 算 机 也 可 以 直 接 接 入 城 域 网, 从 而 访 问 网 络 中 的 资 源 3. 广 域 网 广 域 网 是 将 分 布 在 各 地 的 局 域 网 连 接 起 来 的 网 络, 地 理 范 围 非 常 大 其 目 的 是 让 分 布 较 远 的 不 同 网 络 进 行 互 联, 因 特 网 便 是 广 域 网 中 的 一 种 广 域 网 的 组 成 已 非 个 人 或 某 个 团 体 的 单 独 行 为, 而 是 一 种 跨 地 区 跨 部 门 跨 行 业 跨 国 的 社 会 行 为 4. 接 入 网 接 入 网 又 称 本 地 接 入 网 或 居 民 接 入 网, 它 也 是 近 几 年 由 于 用 户 高 速 上 网 的 需 求 而 出 现 的 一 种 网 络 技 术, 从 图 1-5 可 以 看 出, 接 入 网 是 局 域 网 和 城 域 网 的 桥 接 网 它 提 供 许 多 高 速 接 入 技 术, 使 用 户 接 入 因 特 网 的 瓶 颈 得 到 一 定 的 解 决 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 图 1-5 广 域 网 城 域 网 和 局 域 网 的 联 系

28 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 计 算 机 网 络 的 分 类 方 法 很 多, 可 以 从 不 同 的 角 度 对 计 算 机 网 络 进 行 分 类 通 常 有 按 网 络 的 拓 扑 结 构 分 类 按 传 输 技 术 分 类 按 网 络 的 应 用 领 域 分 类 等 1. 按 网 络 的 拓 扑 结 构 分 类 抛 开 网 络 中 的 具 体 网 络 设 备, 把 交 换 机 路 由 器 和 计 算 机 等 设 备 抽 象 为 点, 把 网 络 中 的 传 输 介 质 抽 象 为 线, 这 样 看 计 算 机 网 络, 就 形 成 了 由 点 和 线 组 成 的 几 何 图 形, 从 而 抽 象 出 了 网 络 系 统 的 具 体 结 构, 这 种 采 用 拓 扑 学 方 法 抽 象 出 的 网 络 结 构 为 计 算 机 网 络 的 拓 扑 结 构 常 见 的 拓 扑 结 构 有 星 型 总 线 型 环 型 树 型 等 2. 按 传 输 技 术 分 类 根 据 所 使 用 的 传 输 技 术 不 同, 可 以 将 网 络 分 为 广 播 式 网 络 和 点 到 点 网 络 1) 广 播 式 网 络 在 广 播 式 网 络 中 仅 有 一 条 通 信 信 道, 该 信 道 由 网 络 上 的 所 有 站 点 共 享 在 传 输 信 息 时, 任 何 一 个 站 点 都 可 以 发 送 数 据 分 组, 传 到 每 台 机 器 上, 被 其 他 所 有 站 点 接 收 这 些 机 器 根 据 数 据 包 中 的 目 的 地 址 进 行 判 断, 如 果 是 发 给 自 己 的 则 接 收, 否 则, 丢 弃 总 线 型 以 太 网 就 是 典 型 的 广 播 式 网 络 2) 点 到 点 网 络 与 广 播 式 网 络 相 反, 点 到 点 网 络 由 一 对 机 器 之 间 的 多 条 连 接 构 成, 在 每 对 机 器 之 间 都 有 一 条 专 用 的 通 信 信 道, 因 此 在 点 到 点 网 络 中, 不 存 在 信 道 共 享 与 复 用 的 情 况 当 一 台 计 算 机 发 送 数 据 分 组 后, 它 会 根 据 目 的 地 址, 经 过 一 系 列 中 间 设 备 的 转 发, 直 接 到 达 目 的 站 点, 这 种 传 输 技 术 称 为 点 到 点, 采 用 点 到 点 传 输 技 术 的 网 络 称 为 点 到 点 网 络 3. 按 网 络 的 应 用 领 域 分 类 根 据 网 络 应 用 领 域 的 不 同 可 将 网 络 分 为 专 用 网 和 公 共 网 两 大 类 1) 专 用 网 这 类 网 络 可 以 只 是 一 个 局 域 网 的 规 模, 也 可 以 是 一 个 城 域 网 乃 至 广 域 网 的 规 模 然 而 这 类 网 络 通 常 不 对 社 会 公 众 开 放, 即 使 开 放 也 有 很 大 的 限 度, 它 仅 仅 是 一 个 企 业 或 企 业 集 团 或 一 个 行 业 内 部 应 用 的 网 络 系 统 因 此 这 类 网 络 又 有 很 多 其 他 称 呼, 如 企 业 网 银 行 网 校 园 网 等 现 在 的 计 算 机 网 络 中, 专 用 网 也 往 往 是 互 联 网 中 的 一 个 组 成 部 分 2) 公 用 网 由 电 信 部 门 组 建, 公 用 网 的 应 用 领 域 是 对 全 社 会 公 众 开 放 的, 由 政 府 电 信 部 门 管 理 和 控 制 如 商 业 广 告 列 车 / 航 班 时 刻 查 询 等 各 种 公 开 信 息 便 是 通 过 这 类 网 络 发 布 的 4. 按 传 输 介 质 分 类 根 据 所 使 用 的 传 输 介 质 不 同, 可 以 将 网 络 分 为 有 线 网 络 和 无 线 网 络 1) 有 线 网 络 有 线 网 络 是 指 采 用 同 轴 电 缆 双 绞 线 光 纤 等 有 线 介 质 连 接 的 计 算 机 网 络 双 绞 线

29 16 计 算 机 网 络 联 网 因 价 格 便 宜 安 装 方 便 而 成 为 目 前 最 常 见 的 联 网 方 式, 但 易 受 干 扰, 传 输 速 率 低 光 纤 网 采 用 光 导 纤 维 为 传 输 介 质, 传 输 距 离 长, 速 率 高, 抗 干 扰 性 强, 现 正 迅 速 发 展 2) 无 线 网 络 无 线 网 络 采 用 微 波 红 外 线 无 线 电 等 电 磁 波 作 为 传 输 介 质, 由 于 无 线 网 络 的 联 网 方 式 灵 活 方 便, 因 此 是 一 种 很 有 前 途 的 组 网 方 式 1.6 小 结 本 章 介 绍 了 计 算 机 网 络 的 基 本 知 识, 包 括 计 算 机 网 络 的 发 展 和 演 变 计 算 机 网 络 的 功 能 和 应 用 等 在 这 章 中 最 主 要 的 是 要 掌 握 计 算 机 网 络 层 次 体 系 结 构 的 划 分 在 ISO-OSI/RMI 参 考 模 型 中, 将 整 个 通 信 功 能 划 分 为 七 个 层 次, 自 下 而 上 分 布, 并 具 有 不 同 的 功 能 而 TCP/IP 是 Internet 的 基 础 和 核 心 要 求 读 者 明 白 ISO-OSI/RMI 参 考 模 型 与 TCP/IP 模 型 的 联 系 与 区 别, 以 及 从 不 同 角 度 对 计 算 机 网 络 进 行 的 分 类 1.7 学 习 加 油 站 典 型 题 1 以 下 关 于 计 算 机 网 络 特 征 的 描 述 中, 是 错 误 的 A. 计 算 机 网 络 建 立 的 主 要 目 的 是 实 现 计 算 机 资 源 的 共 享 B. 网 络 用 户 可 以 调 用 网 中 多 台 计 算 机 共 同 完 成 某 项 任 务 C. 联 网 计 算 机 既 可 以 联 网 工 作 也 可 以 脱 网 工 作 D. 联 网 计 算 机 必 须 用 统 一 的 操 作 系 统 分 析 : 该 题 主 要 考 查 计 算 机 网 络 的 基 本 特 征 计 算 机 网 络 建 立 的 主 要 目 的 是 实 现 计 算 机 资 源 的 共 享, 选 项 A 描 述 正 确 ; 网 络 用 户 可 以 使 用 本 地 计 算 机 资 源, 还 可 以 通 过 网 络 访 问 联 网 的 远 程 计 算 机 资 源, 甚 至 可 以 调 用 网 中 几 台 不 同 的 计 算 机 共 同 完 成 某 项 任 务, 选 项 B 描 述 正 确 ; 联 网 计 算 机 是 分 布 在 不 同 地 理 位 置 的 多 台 独 立 的 自 治 计 算 机, 它 们 之 间 可 以 没 有 明 确 的 主 从 关 系, 可 以 联 网 工 作, 也 可 以 脱 网 独 立 工 作, 选 项 C 描 述 正 确 ; 联 网 计 算 机 之 间 要 进 行 通 信 时, 只 需 要 遵 循 共 同 的 网 络 协 议 即 可, 不 必 用 统 一 的 操 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 作 系 统, 选 项 D 描 述 错 误, 是 答 案 解 答 :D 典 型 题 2 常 用 的 数 据 传 输 速 率 单 位 有 Kb/s Mb/s Gb/s 与 Tb/s,1Mb/s 等 于 A b/s B b/s C b/s D b/s 分 析 : 常 用 的 数 据 传 输 速 率 的 单 位 之 间 的 换 算 关 系 如 下 :1Kb/s= b/s,1mb/s= b/s,1gb/s= b/s,1tb/s= b/s 解 答 :B 典 型 题 3 以 下 关 于 网 络 体 系 结 构 的 描 述 中, 错 误 的 是

30 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 17 A. 网 络 体 系 结 构 是 抽 象 的, 而 实 现 是 具 体 的 B. 层 次 结 构 的 各 层 之 间 相 对 独 立 C. 网 络 体 系 结 构 对 实 现 所 规 定 功 能 的 硬 件 和 软 件 有 明 确 的 定 义 D. 当 任 何 一 层 发 生 变 化 时, 只 要 接 口 保 持 不 变, 其 他 各 层 均 不 受 影 响 分 析 : 网 络 体 系 结 构 是 对 计 算 机 网 络 应 完 成 的 功 能 的 精 确 定 义, 而 这 些 功 能 是 用 什 么 样 的 硬 件 和 软 件 实 现 的, 即 具 体 实 现 问 题, 网 络 体 系 结 构 没 有 明 确 的 定 义 解 答 :C 典 型 题 4 在 ISO/OSI 参 考 模 型 中, 同 层 对 等 实 体 间 进 行 信 息 交 换 时 必 须 遵 守 的 规 则 称 为 A. 接 口 B. 协 议 C. 服 务 D. 服 务 访 问 点 分 析 : 在 网 络 体 系 结 构 中, 实 体 协 议 服 务 接 口 和 服 务 访 问 点 (SAP) 都 是 几 个 重 要 的 概 念 其 中, 同 层 对 等 实 体 间 进 行 信 息 交 换 时 必 须 遵 守 的 规 则 称 为 协 议 ; 相 邻 层 进 行 信 息 交 换 时 必 须 遵 守 的 规 则 称 为 接 口 ; 相 邻 层 进 行 信 息 交 换 时 使 用 的 一 组 操 作 原 语 称 为 服 务 解 答 :B 典 型 题 5 在 OSI 参 考 模 型 中, 对 等 实 体 在 一 次 交 互 作 用 中 传 送 的 信 息 单 位 称 为 A. 接 口 数 据 单 元 B. 服 务 数 据 单 元 C. 协 议 数 据 单 元 D. 交 互 数 据 单 元 分 析 : 同 一 层 对 等 实 体 间 交 换 信 息 的 单 元 称 为 协 议 数 据 单 元, 每 一 个 PDU 由 协 议 控 制 信 息 PCI 和 用 户 数 据 UD 两 个 部 分 组 成 其 中, 用 户 数 据 UD 是 从 上 层 用 户 ( 即 N+1 实 体 ) 接 收 到 的 内 容, 而 协 议 控 制 信 息 PCI 是 本 层 的 控 制 信 息, 包 括 协 议 标 识 符 PDU 类 型 地 址 信 息 等 解 答 :C 典 型 题 6 按 照 国 际 标 准 化 组 织 制 定 的 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型, 实 现 端 用 户 之 间 可 靠 通 信 的 协 议 层 是 A. 应 用 层 B. 会 话 层 C. 传 输 层 D. 网 络 层 分 析 : 在 OSI/RM 中, 实 现 端 用 户 之 间 可 靠 通 信 是 由 传 输 层 来 完 成 的, 答 案 选 C 解 答 :C 一 选 择 题 试 题 1 ( 北 京 理 工 大 学 ) 网 络 协 议 主 要 由 三 个 要 素 构 成 A. 语 义 语 法 与 体 系 结 构 B. 软 件 硬 件 和 数 据 C. 语 法 语 义 和 时 序 D. 体 系 结 构 层 次 和 语 法 分 析 : 网 络 协 议 精 确 地 规 定 了 交 换 数 据 的 格 式 和 时 序, 它 由 语 法 语 义 与 时 序 ( 也 称 同 步 ) 三 个 要 素 组 成

31 18 计 算 机 网 络 解 答 :C 试 题 2 ( 重 庆 大 学 ) 如 果 定 义 某 协 议 报 文 第 一 个 字 节 取 值 为 4 时 表 示 第 4 版 本, 则 该 定 义 属 于 协 议 规 范 的 范 畴 A. 语 法 B. 语 义 C. 同 步 D. 编 码 分 析 : 网 络 协 议 由 语 法 语 义 与 时 序 三 个 要 素 组 成 其 中, 语 法 规 定 了 用 户 数 据 与 控 制 信 息 的 结 构 和 格 式, 以 及 数 据 出 现 的 顺 序 的 意 义 ; 语 义 用 于 解 释 比 特 流 的 每 一 部 分 的 意 义 ; 时 序 是 指 对 事 件 实 现 顺 序 的 详 细 说 明 解 答 :B 试 题 3 ( 中 南 大 学 ) 下 面 关 于 TCP/IP 参 考 模 型 的 说 法 正 确 的 是 A. 明 显 地 区 分 服 务 接 口 和 协 议 的 概 念 B. 完 全 是 通 用 的 C. 不 区 分 物 理 层 和 数 据 链 路 层 D. 可 以 描 述 系 统 网 络 体 系 结 构 SNA 分 析 :TCP/IP 参 考 模 型 对 服 务 接 口 和 协 议 的 概 念 并 没 有 很 清 楚 地 区 分 开,A 错 误 ; 在 有 的 网 络 系 统 中 并 不 使 用 TCP/IP 协 议,B 错 误 ; 只 有 OSI 参 考 模 式 可 以 描 述 系 统 网 络 体 系 结 构 SNA,TCP/IP 参 考 模 型 不 能,D 错 误 在 TCP/IP 参 考 模 型 中, 并 没 有 详 细 定 义 物 理 层 和 数 据 链 路 层, 而 简 单 地 将 它 们 归 结 为 网 络 接 口 层 解 答 :C 试 题 4 ( 南 京 师 范 大 学 )TCP/IP 网 络 类 型 中, 提 供 端 到 端 的 通 信 的 是 A. 应 用 层 B. 传 输 层 C. 网 络 层 D. 网 络 接 口 层 分 析 :TCP/IP 网 络 类 型 中, 传 输 层 的 任 务 是 负 责 主 机 中 两 个 进 程 之 间 的 通 信, 它 提 供 的 是 端 到 端 的 通 信 解 答 :B 试 题 5 (2010 考 研 真 题 ) 下 列 选 项 中, 不 属 于 网 络 体 系 结 构 中 所 描 述 的 内 容 是 A. 网 络 的 层 次 B. 每 一 层 使 用 的 协 议 C. 协 议 的 内 部 实 现 细 节 D. 每 一 层 必 须 完 成 的 功 能 分 析 : 网 络 体 系 结 构 是 计 算 机 网 络 的 分 层 各 层 协 议 功 能 和 层 间 接 口 的 集 合 不 同 的 计 算 机 网 络 具 有 不 同 的 体 系 结 构, 层 的 数 量 各 层 的 名 称 内 容 和 功 能 以 及 各 相 邻 层 之 间 的 接 口 都 不 一 样 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 解 答 :C 二 问 答 题 试 题 1 ( 中 南 大 学 ) 什 么 是 计 算 机 网 络 协 议? 从 语 义 语 法 时 序 三 个 方 面 说 明 计 算 机 网 络 协 议 在 数 据 交 换 过 程 中 的 作 用 解 答 : 网 络 协 议 即 网 络 中 ( 包 括 互 联 网 ) 传 递 管 理 信 息 的 一 些 规 范 如 同 人 与 人

32 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 19 之 间 相 互 交 流 需 要 遵 循 一 定 的 规 矩, 计 算 机 之 间 的 相 互 通 信 需 要 共 同 遵 守 一 定 的 规 则, 这 些 规 则 就 称 为 网 络 协 议 网 络 协 议 主 要 由 以 下 三 个 要 素 组 成 :1 语 法, 即 用 户 数 据 与 控 制 信 息 的 结 构 和 格 式 ;2 语 义, 即 需 要 发 出 何 种 控 制 信 息, 以 及 完 成 的 动 作 与 做 出 的 响 应 ;3 时 序, 即 对 事 件 实 现 顺 序 的 详 细 说 明 试 题 2 ( 华 东 理 工 大 学 ) 一 个 网 络 系 统 的 协 议 结 构 有 N 层, 应 用 程 序 产 生 M 字 节 长 的 报 文, 网 络 软 件 在 每 层 都 加 上 h 字 节 长 的 协 议 头, 那 么 信 息 传 输 时, 协 议 头 信 息 在 网 络 带 宽 中 所 占 的 比 率 是 多 少? 分 析 : 一 个 网 络 系 统 的 协 议 结 构 有 N 层, 每 层 都 加 上 h 字 节 长 的 协 议 头, 共 加 入 协 议 头 长 度 为 h N, 因 此 实 际 信 息 传 输 量 为 M+h N 解 答 : N h M+N h 试 题 3 ( 北 京 科 技 大 学 ) 什 么 叫 发 送 时 延? 什 么 叫 传 播 时 延? 如 果 收 发 两 端 之 间 的 传 输 距 离 为 10km, 信 号 在 媒 体 上 的 传 输 速 率 为 km/s, 数 据 长 度 为 1000B, 数 据 发 送 速 率 为 100Kb/s, 试 计 算 它 的 发 送 时 延 和 传 播 时 延 解 答 : 发 送 时 延 是 指 节 点 在 发 送 数 据 时 使 数 据 块 从 节 点 进 入 到 传 输 媒 体 所 需 要 的 时 间 在 本 题 中 发 送 时 延 为 数 据 块 长 度 ts= = s= 0.08s 3 信 道 带 宽 传 播 时 延 是 指 电 磁 波 在 信 道 中 传 播 一 定 的 距 离 时 而 需 要 花 费 的 时 间 在 本 题 中 传 播 时 延 为 信 道 长 度 10 tp= = s= s 5 信 号 在 媒 体 上 的 传 输 速 率 网 络 体 系 就 是 为 了 完 成 计 算 机 之 间 的 通 信 合 作, 把 每 台 计 算 机 的 功 能 划 分 成 有 明 确 定 义 的 层 次, 并 固 定 了 同 层 次 的 进 程 通 信 的 协 议 及 相 邻 之 间 的 接 口 及 服 务 这 个 知 识 点 要 求 我 们 对 网 络 的 概 念 组 成 分 类 发 展 过 程 等 内 容 要 有 所 了 解, 同 时 还 要 理 解 网 络 分 层 结 构 网 络 层 协 议 接 口 服 务 等 概 念 TCP/IP 协 议 是 Internet 的 基 础 和 核 心, 和 ISO-OSI/RM 参 考 模 型 一 样, 也 采 用 层 次 体 系 结 构, 从 上 而 下 分 为 应 用 层 传 输 层 网 络 互 联 层 和 网 络 接 口 层, 每 一 层 都 实 现 特 定 的 网 络 功 能 要 求 我 们 了 解 TCP/IP 协 议 的 分 层 模 型 及 与 ISO-OSI/RM 参 考 模 型 的 对 应 关 系, 掌 握 ISO/OSI 参 考 模 型 和 TCP/IP 模 型 的 区 别 与 联 系 这 部 分 知 识 理 论 性 强, 主 要 以 选 择 题 的 形 式 出 现 1.8 习 题 一 选 择 题 1. 下 面 不 是 按 照 网 络 的 覆 盖 范 围 来 分 类 的

33 20 计 算 机 网 络 A. 局 域 网 B. 环 型 网 C. 广 域 网 D. 城 域 网 2. 世 界 上 第 一 个 计 算 机 网 络 是 A. ARPANET B. CHINANET C. 因 特 网 D. CERNET 3. 一 个 校 园 内 的 网 络 属 于 A. LAN B. WAN C. MAN D. 因 特 网 4. 不 同 计 算 机 系 统 之 间 的 进 程 是 通 信 的 A. 通 过 共 享 区 B. 通 过 网 络 C. 通 过 缓 冲 区 D. 通 过 文 件 5. 通 常 情 况 下, 广 域 网 的 拓 扑 结 构 是 A. 不 规 则 型 B. 星 型 C. 环 型 D. 总 线 型 6. 城 域 网 被 列 为 单 独 一 类 的 主 要 原 因 是 A. 网 络 规 模 在 一 个 城 市 的 范 围 内 B. 与 局 域 网 有 相 同 的 技 术 C. 覆 盖 范 围 从 几 十 公 里 到 数 百 公 里 D. 有 独 立 的 可 实 施 标 准 7. 下 列 网 络 拓 扑 建 立 之 后, 增 加 新 站 点 较 难 的 是 A. 星 型 网 络 B. 总 线 型 网 络 C. 树 型 网 络 D. 环 型 网 络 8. 计 算 机 网 络 可 以 分 为 三 类, 它 们 是 A. Internet Intranet Extranet B. 广 播 式 网 络 移 动 网 络 点 - 点 式 网 络 C. X.25 ATM B-ISDN D. LAN MAN WAN 二 简 答 题 1. 什 么 是 计 算 机 网 络? 它 有 哪 些 功 能? 2. 计 算 机 网 络 的 发 展 可 分 为 几 个 阶 段, 每 个 阶 段 各 有 什 么 特 点? 3. 通 信 子 网 和 资 源 子 网 的 组 成 和 作 用 有 哪 些? 4. 计 算 机 网 络 可 以 从 哪 些 角 度 进 行 分 类, 可 分 为 哪 些 类 型? 5. 常 用 的 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 有 哪 几 种, 各 有 什 么 特 点? 6. 简 述 局 域 网 城 域 网 和 广 域 网 的 特 点 7. 计 算 机 网 络 中 为 什 么 要 引 入 分 层 的 思 想? 8. 什 么 是 网 络 协 议? 它 由 哪 三 个 要 素 组 成? 9.OSI/RM 中 设 置 了 哪 些 层 次? 各 层 的 作 用 和 功 能 是 什 么? 把 每 一 层 次 的 最 主 要 的 功 能 归 纳 成 一 两 句 话 10. 简 述 TCP/IP 的 体 系 结 构, 各 层 的 主 要 协 议 有 哪 些? 对 比 ISO/OSI 七 层 模 型 与 TCP/IP 模 型, 分 析 各 自 的 优 缺 点 11. 画 图 说 明 在 网 络 通 信 过 程 中, 信 息 通 过 各 层 的 流 动 情 况 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

34 第 2 章 数 据 通 信 基 础 数 据 通 信 技 术 是 计 算 机 网 络 的 数 据 交 换 基 础 为 了 更 深 入 地 了 解 计 算 机 网 络, 对 于 数 据 通 信 的 基 本 概 念 和 基 本 理 论 的 学 习 是 十 分 必 要 的 本 章 介 绍 了 数 据 通 信 的 基 础 理 论 物 理 传 输 媒 体 传 输 技 术 和 物 理 层 设 备, 最 后 简 单 介 绍 了 常 用 的 物 理 层 标 准 考 研 大 纲 要 求 ( 一 ) 通 信 基 础 1. 信 号 信 道 码 元 带 宽 波 特 速 率 等 基 本 概 念 2. 奈 奎 斯 定 理 和 香 农 定 理 3. 信 源 与 信 宿 4. 编 码 与 调 制 ( 二 ) 传 输 介 质 1. 双 绞 线 同 轴 电 缆 光 纤 和 无 线 传 输 介 质 2. 物 理 层 接 口 的 特 性 ( 三 ) 信 道 划 分 介 质 访 问 控 制 频 分 多 路 复 用 时 分 多 路 复 用 波 分 多 路 复 用 码 分 多 路 复 用 的 概 念 和 基 本 原 理 ( 四 ) 物 理 层 设 备 1. 中 继 器 2. 集 线 器 2.1 数 据 通 信 的 基 础 理 论 数 据 通 信 就 是 指 通 信 系 统 中 传 输 数 据 信 息 的 通 信, 过 程 就 是 数 据 从 一 个 地 方 传 送 到 另 一 个 地 方 的 过 程, 但 传 送 数 据 的 方 式 是 多 种 多 样 的 广 泛 的 通 信 系 统 由 数 据 终 端 设 备 和 数 据 传 输 系 统 组 成, 如 图 2-1 所 示 在 数 据 通 信 系 统 中, 我 们 将 计 算 机 和 其 他 生 成 数 据 的 设 备 称 为 数 据 终 端 设 备 (Data Terminal Equipment,DTE), 它 是 数 据 的 出 发 点 和 目 的 地, 可 分 别 称 为 源 点 和 终 点 源 点 是 产 生 和 发 送 信 息 的 一 端, 终 点 是 接 受 信 息 的 一 端 发 送 器 将 数 据 信 息 转 换 成 适 合 于 在 信 道 上 传 输 的 信 号, 通 过 信 道 传 输 到 远 地 的 电 信 号 先 由 接 收 端 的 反 变 换 器 转 换 复 原 成 原 始 的 信 号, 再 送 给 接 收 者 信 宿, 而 后 由 信 宿 将 其 转 换 成 各 种 信 息

35 22 计 算 机 网 络 图 2-1 数 据 通 信 系 统 的 模 型 从 通 信 双 方 信 息 交 互 的 方 式 来 看, 可 以 有 以 下 两 种 基 本 方 式 (1) 单 工 (simplex) 通 信 : 一 端 只 发 送, 而 另 一 端 只 接 收, 图 2-1 中 给 出 的 是 一 个 单 向 通 信 系 统 的 模 型 (2) 双 工 (duplex) 通 信 : 此 时 信 源 与 信 宿 合 为 一 体, 变 换 器 与 反 变 换 器 也 合 为 一 体 又 分 为 全 双 工 (full duplex) 和 半 双 工 (half duplex), 全 双 工 是 指 通 信 的 双 方 可 以 同 时 发 送 和 接 收 信 息, 半 双 工 是 指 双 方 都 可 以 发 送 信 息, 但 是 不 能 同 时 发 送 和 接 收 数 据 是 运 送 信 息 的 实 体, 可 分 为 模 拟 数 据 和 数 字 数 据 信 号 (Signal) 是 数 据 的 电 磁 波 表 示 形 式, 可 分 为 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 模 拟 数 据 和 数 字 数 据 都 可 用 这 两 种 信 号 来 表 示 模 拟 信 号 是 随 时 间 连 续 变 化 的 信 号, 信 号 的 取 值 是 连 续 的, 这 种 信 号 的 某 些 参 量, 如 幅 度 频 率 或 相 位 等 都 可 以 表 示 要 传 送 的 信 息, 如 传 统 的 电 话 机 送 话 器 输 出 的 语 音 信 号, 电 视 摄 像 机 产 生 的 图 像 信 号 以 及 广 播 电 视 信 号 等 都 是 模 拟 信 号 数 字 信 号 的 取 值 都 是 离 散 的, 如 计 算 机 通 信 所 用 的 二 进 制 代 码 0 和 1 组 成 的 信 号 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 的 波 形 如 图 2-2 所 示 图 2-2 模 拟 信 号 与 数 字 信 号 下 面 先 介 绍 信 道 的 概 念 信 道 一 般 用 来 表 示 向 某 一 个 方 向 传 送 信 息 的 媒 体 因 此, 一 条 通 信 线 路 往 往 包 含 一 条 发 送 信 道 和 一 条 接 收 信 道 一 个 信 道 可 以 看 成 是 一 条 线 路 信 道 是 传 输 信 号 的 通 道, 可 以 是 有 线 的 传 输 介 质, 也 可 以 是 无 线 的 传 输 介 质, 可 以 是 简 单 的 传 输 线, 也 可 以 是 连 接 在 源 系 统 和 目 的 系 统 之 间 的 复 杂 网 络 系 统 无 论 信 源 产 生 的 是 模 拟 信 号 还 是 数 字 信 号, 在 传 输 过 程 中 都 要 变 成 适 合 信 道 传 输 的 信 号 形 式 在 模 拟 信 道 中 传 输 的 是 模 拟 信 号, 在 数 字 信 道 中 传 输 的 是 数 字 信 号 和 信 号 的 分 类 相 似, 信 道 也 可 以 分 成 传 送 模 拟 信 号 的 模 拟 信 道 和 传 送 数 字 信 号 的 数 字 信 道 两 大 类 但 是 应 注 意, 数 字 信 号 在 经 过 数 模 变 换 后 就 可 以 在 模 拟 信 道 上 传 送, 而 模 拟 信 号 在 经 过 模 数 转 换 后 也 可 以 在 数 字 信 道 上 传 送 发 送 器 和 接 收 器 均 是 进 行 信 号 变 换 的 设 备, 在 实 际 的 通 信 系 统 中 有 各 种 具 体 的 设 备 名 称 如 信 源 发 出 的 是 数 字 信 号, 当 要 采 用 模 拟 信 号 传 输 时, 要 将 数 字 信 号 变 成 模 拟 信 号, 则 用 所 谓 的 调 制 器 来 实 现, 而 接 收 端 要 将 模 拟 信 号 反 变 换 为 数 字 信 号, 则 用 解 调 器 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

36 第 2 章 数 据 通 信 基 础 23 来 实 现 在 通 信 中 常 要 进 行 两 个 方 向 的 通 信, 故 将 调 制 器 与 解 调 器 做 成 一 个 设 备, 称 为 调 制 解 调 器 它 具 有 将 数 字 信 号 变 换 为 模 拟 信 号 以 及 将 模 拟 信 号 恢 复 为 数 字 信 号 两 种 功 能 当 信 源 发 出 模 拟 信 号, 而 要 以 数 字 信 号 的 形 式 传 输 时, 则 要 将 模 拟 信 号 变 换 为 数 字 信 号, 通 常 是 通 过 所 谓 的 编 码 器 来 实 现, 到 达 接 收 端 后 再 经 过 解 码 器 将 数 字 信 号 恢 复 为 原 来 的 模 拟 信 号 实 际 上, 也 是 考 虑 到 一 般 为 双 向 通 信, 故 将 编 码 器 与 解 码 器 做 成 一 个 设 备, 称 为 编 码 解 码 器 此 外, 信 息 在 信 道 中 传 输 时, 可 能 会 受 到 外 界 的 干 扰, 我 们 称 之 为 噪 声 如 信 号 在 无 屏 蔽 双 绞 线 中 传 输 时 会 受 到 电 磁 场 的 干 扰 通 信 系 统 中 传 输 信 息 的 信 道 具 有 一 定 的 频 率 范 围 ( 即 频 带 宽 度 ), 称 为 信 道 带 宽, 信 道 的 带 宽 是 由 传 输 媒 体 和 有 关 的 附 加 设 备 与 电 路 的 频 率 特 性 综 合 决 定 的 对 于 模 拟 信 道 来 说, 信 道 带 宽 W = f1 f2, 其 中 f 1 是 信 道 能 通 过 的 最 低 频 率, 而 f 2 是 信 道 能 通 过 的 最 高 频 率, 两 者 都 是 由 信 道 的 物 理 特 征 决 定 的 而 对 于 数 字 信 道, 因 为 是 一 种 离 散 信 道, 所 以 只 能 传 输 取 离 散 值 的 数 字 信 号, 数 字 信 道 的 带 宽 决 定 了 信 道 中 不 失 真 传 输 脉 冲 序 列 时 的 最 高 速 率 数 据 传 输 速 率 是 指 通 信 系 统 单 位 时 间 内 传 输 的 二 进 制 代 码 的 位 ( 比 特 ) 数, 通 常 使 用 位 / 秒 (b/s) 千 位 / 秒 (Kb/s) 兆 位 / 秒 (Mb/s) 千 兆 位 / 秒 (Gb/s) 作 为 计 量 单 位 一 个 简 单 的 模 拟 信 号 有 三 个 特 征 : 频 率 振 幅 和 相 位 频 率 是 单 位 时 间 内 信 号 的 振 荡 次 数, 其 单 位 是 Hz( 赫 兹 ), 频 率 与 周 期 成 反 比 关 系 振 幅 表 示 信 号 的 振 荡 峰 值 改 变 一 个 信 号 的 最 后 一 个 方 式 是 改 变 它 的 相 位, 相 位 描 述 的 是 信 号 在 一 个 周 期 中 所 处 的 不 同 阶 段, 在 图 像 上 相 位 表 示 了 函 数 图 形 的 水 平 移 动 距 离 而 实 际 上 的 模 拟 信 号 要 比 简 单 的 正 弦 图 形 复 杂 得 多 为 了 描 述 信 号 的 共 同 特 征, 吉 傅 里 叶 提 出 了 傅 里 叶 分 析 由 傅 里 叶 分 析 可 知, 一 个 周 期 性 变 化 的 非 正 弦 信 号, 可 以 分 解 为 一 系 列 不 同 振 幅 不 同 频 率 和 不 同 初 相 的 正 弦 信 号 下 面 是 傅 里 叶 级 数 的 一 种 表 达 形 式 : 1 f()= t c+ [ansin( 2πnft)+ bncos( 2πnft )] 2 n=1 这 里,f=1/T, 是 基 波 频 率 ; α i, b i 分 别 是 n 次 谐 波 的 正 弦 和 余 弦 振 幅 值 谐 波 次 数 越 高, 则 其 频 率 也 越 高 2 T an f t sin 2πnft dt T 2 T = ( ) ( ), b 0 n= f t cos 2πnft dt T ( ) ( ) 0 2 c= f t dt T ( ) 是 直 流 分 量 0 根 据 傅 里 叶 积 分, 任 何 一 个 可 用 周 期 函 数 表 示 的 信 号 都 可 以 分 解 为 许 多 不 同 频 率 正 弦 信 号 的 叠 加 换 句 话 说, 不 论 模 拟 信 号 或 数 字 信 号, 只 要 它 是 非 正 弦 信 号, 其 主 要 成 分 都 要 占 据 一 定 的 频 率 范 围, 将 信 号 所 占 据 的 频 率 范 围 叫 做 信 号 的 带 宽 信 道 因 受 电 器 特 性 的 限 制, 也 有 通 频 带 宽 所 谓 通 频 带 宽 是 指 信 道 能 够 通 过 的 频 率 范 围 也 就 是 说, 如 果 通 过 的 正 弦 信 号 的 频 率 在 这 个 范 围 内, 就 能 顺 利 通 过, 否 则 信 号 将 极 大 衰 减, 信 道 所 能 够 传 送 的 频 率 范 围 称 为 信 道 的 带 宽 显 然, 只 有 当 信 道 的 带 宽 大 于 被 传 送 信 号 的 带

37 24 计 算 机 网 络 宽 时, 信 号 才 能 顺 利 通 过 信 道 傅 里 叶 分 析 是 学 习 通 信 原 理 的 基 础, 在 一 个 带 宽 有 限 的 介 质 上 传 输 一 个 复 杂 的 模 拟 信 号 的 过 程, 就 如 同 利 用 傅 里 叶 分 析 去 逼 近 一 个 函 数 值 一 样, 传 输 介 质 上 实 际 传 输 的 信 号 其 实 是 所 有 频 道 各 自 信 号 的 叠 加 这 种 通 信 方 式 其 实 就 是 多 路 复 用 技 术, 这 在 后 面 会 单 独 进 行 介 绍 信 道 的 主 要 技 术 指 标 是 用 数 据 传 输 的 数 量 和 质 量 来 衡 量 的, 数 量 主 要 指 传 输 的 速 度, 包 括 数 据 传 输 速 率 信 道 容 量 等, 质 量 指 标 指 数 据 传 输 的 可 靠 性, 一 般 用 数 据 传 输 的 出 错 率 来 衡 量 信 道 上 传 送 的 信 号 有 基 带 (baseband) 信 号 和 宽 带 (broadband) 信 号 之 分 基 带 信 号 就 是 将 数 字 信 号 1 或 0 直 接 用 两 种 不 同 的 电 压 来 表 示, 然 后 送 到 线 路 上 去 传 输 宽 带 信 号 则 是 将 基 带 信 号 进 行 调 制 后 形 成 的 频 分 复 用 模 拟 信 号 这 样 做 可 以 在 一 条 电 缆 中 同 时 传 送 许 多 路 的 数 字 信 号, 因 而 提 高 了 线 路 的 利 用 率 信 道 容 量 是 指 信 道 能 够 传 送 的 最 大 的 数 据 率, 它 与 采 用 的 传 输 介 质 信 号 的 调 制 解 调 方 法 交 换 器 的 性 能 等 密 切 相 关, 是 描 述 信 道 的 主 要 指 标 之 一 当 信 道 上 传 送 的 数 据 率 大 于 信 道 允 许 的 数 据 率 时, 信 道 根 本 就 不 能 传 送 信 号, 所 以, 信 道 容 量 是 信 道 的 一 个 极 限 参 数 传 输 速 率 受 限 的 原 因 是 任 何 实 际 的 信 道 都 不 是 理 想 的, 在 传 输 信 号 时 会 产 生 各 种 失 真 以 及 带 来 多 种 干 扰 码 元 传 输 的 速 率 越 高, 或 信 号 传 输 的 距 离 越 远, 在 信 道 的 输 出 端 的 波 形 的 失 真 就 越 严 重 奈 式 准 则 内 容 如 下 : 理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 C=2W Baud 其 中,W 是 理 想 低 通 信 道 的 带 宽, 单 位 为 赫 (Hz), 每 赫 带 宽 的 理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 是 每 秒 2 个 码 元 Baud 是 波 特, 是 码 元 传 输 速 率 的 单 位,1 波 特 为 每 秒 传 送 1 个 码 元 实 际 的 信 道 所 能 传 输 的 最 高 码 元 速 率 要 明 显 地 低 于 奈 氏 准 则 给 出 的 上 限 数 值 其 中 波 特 (Baud) 和 比 特 (bit) 是 两 个 不 同 的 概 念 波 特 是 码 元 传 输 的 速 率 单 位 ( 每 秒 传 多 少 个 码 元 ) 码 元 传 输 速 率 也 称 为 调 制 速 率 波 形 速 率 或 符 号 速 率, 而 比 特 是 信 息 量 的 单 位 如 果 1 个 码 元 取 4 个 离 散 值, 则 1 个 码 元 便 携 带 2 比 特 信 息 转 化 为 以 比 特 为 单 位, 奈 式 准 则 公 式 为 C= 2Wlog L 其 中,L 为 码 元 所 取 得 离 散 值, 单 位 为 b/s 例 如, 若 某 信 道 带 宽 为 4 k Hz, 任 何 时 刻 数 字 信 号 可 取 和 3 四 种 电 平 之 一 ( 即 L=4), 则 最 大 数 据 速 率 为 C=2 4k log2 4=16k b/s 1948 年, 香 农 (Shannon) 用 信 息 论 的 理 论 推 导 出 了 带 宽 受 限 且 有 高 斯 白 噪 声 干 扰 的 信 道 的 极 限 无 差 错 的 信 息 传 输 速 率 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 C 可 表 达 为 2 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 C=Wlog2 1+ S N 其 中,W 为 信 道 的 带 宽 ( 以 Hz 为 单 位 );S 为 信 道 内 所 传 信 号 的 平 均 功 率 ;N 为 信 道 内 部 的 高 斯 噪 声 功 率 例 如, 信 噪 比 为 30dB 带 宽 为 4000Hz 的 信 道 最 大 的 数 据 速 率 为