第一章 網絡基礎知識

1.1 計算機網絡及其體系結構

1．計算機網絡的定義

關于計算機網絡這一概念的描述，從不同的角度出發可以給出不同的定義。簡單來說，計算機網絡就是由通信線路互相連接的許多獨立工作的計算機構成的集合體。這里強調構成網絡的計算機是獨立工作的，這是為了和多終端分時系統相區別。

從應用的角度來講，只要將具有獨立功能的多臺計算機連接起來，能夠實現各計算機之間信息的互相交換，并可以共享計算機資源的系統就是計算機網絡。

從資源共享的角度來講，計算機網絡就是一組具有獨立功能的計算機和其他設備，以允許用戶相互通信和共享計算機資源的方式互聯在一起的系統。

從技術角度來講，計算機網絡就是由特定類型的傳輸介質（如雙絞線、同軸電纜和光纖等）和網絡適配器互聯在一起的計算機，并受網絡操作系統監控的網絡系統。

綜上所述，可以將計算機網絡這一概念系統地定義為：計算機網絡就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的多臺計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，并配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。為了能使得計算機資源共享，計算機網絡必須實現數據通信功能。

計算機網絡技術的應用對當今社會的經濟、文化生活都產生著重要影響。當前，計算機網絡的功能主要有以下幾個方面。

（1）資源共享

計算機網絡最具吸引力的功能是進入計算機網絡的用戶可以共享網絡中各種硬件和軟件資源，使網絡中各部分的資源互通、分工協作，從而提高系統資源的利用率。

（2）數據傳輸

數據傳輸是計算機網絡的基本功能之一，用以實現計算機與終端或計算機與計算機之間傳送各種信息，從而提高了計算機系統的整體性能，也大大方便了人們的工作和生活。

（3）集中管理

計算機網絡技術的發展和應用，已使得現代辦公、經營管理等發生了很大的變化。目前，已經有了許多MIS系統、OA系統等，通過這些系統可以將地理位置分散的生產單位或業務部門連接起來進行集中控制和管理，提高工作效率，增加經濟效益。

（4）分布處理

對于綜合性的大型問題可以采用合適的算法，將任務分散到網絡中不同的計算機上進行分布式處理，以達到均衡使用網絡資源、實現分布處理的目的。

（5）負載平衡

負載平衡是指任務被均勻地分配給網絡上的各臺計算機。網絡控制中心負責分配和檢測，當某臺計算機負載過重時，系統會自動轉移部分工作到負載較輕的計算機中去處理。

（6）提高安全與可靠性

建立計算機網絡后，還可減少計算機系統出現故障的概率，提高系統的可靠性。另外對于重要的資源可將它們分布在不同地方的計算機上。這樣，即使某臺計算機出現故障，用戶在網絡上可通過其他路徑來訪問這些資源，不影響用戶對同類資源的訪問。

2．計算機網絡的分類

計算機網絡的分類標準有很多，可以從覆蓋范圍、拓撲結構、交換方式、傳輸介質、通信方式等方面進行分類。根據網絡的覆蓋范圍進行分類，計算機網絡可以簡單地分為：局域網（Local Area Network，LAN）和廣域網（Wide Area Network，WAN）。這種分類方法也是目前網絡工程實施過程中運用最多的一種方法。

（1）局域網

局域網也稱為局部網，是指在有限的地理范圍內構成的規模相對較小的計算機網絡。它具有很高的傳輸速率（1～20Mb/s），其覆蓋范圍一般不超過幾十千米，通常將一座大樓或一個校園內分散的計算機連接起來構成局域網。它的特點是：分布距離近（通常在1000～2000m范圍內）；傳輸速度高；連接費用低；數據傳輸可靠；誤碼率低。

（2）廣域網

廣域網也稱為遠程網，它的聯網設備分布范圍很廣，一般從幾十千米到幾千千米。它所涉及的地理范圍可以是市、地區、省、國家，乃至世界范圍。廣域網是通過衛星、微波、無線電、電話線、光纖等傳輸介質連接的國家網絡和國際網絡，它是全球計算機網絡的主干網絡。廣域網一般具有以下幾個特點：地理范圍沒有限制；傳輸介質復雜；由于長距離的傳輸，數據的傳輸速率較低，且容易出現錯誤，采用的技術比較復雜；是一個公共的網絡，不屬于任何一個機構或國家。如果從功能上對廣域網加以描述，大家會對廣域網這個概念有更深刻的理解，思科將廣域網定義為連接各個局域網之間的網絡。

現今的因特網（Internet）是世界上最大的計算機網絡，它是由無數的局域網通過廣域網聯接而成的，是跨越了無數的局域網與廣域網的綜合型網絡。

3．計算機網絡的體系結構

計算機網絡實現數據通信功能是一個復雜的過程。為了減少協議設計和調試過程的復雜性，國際標準化組織（ISO）制定了一個層次化的網絡通信模型，稱為開放系統互聯（Open System Interconnection，OSI）參考模型。OSI參考模型是一個邏輯結構，并非一個具體的計算機設備或網絡，但是任何兩個遵守協議的標準的系統都可以互聯通信，這正是“開放”的實際意義。

OSI參考模型采用了分層的方法。所謂分層是一種構造技術，允許開放系統網絡用分層次的方式進行邏輯組合。整個通信子系統劃分為若干層，每層執行一種明確定義的功能，并由較低層執行附加的功能，為較高層提供服務。

計算機網絡執行數據通信的功能就如同我們在生活中寄信一樣，寄信這個任務的執行可以看做是在實際生活中的一種典型的層次化結構執行的例子，如圖1-1所示。

OSI參考模型的七層由下往上分別是：第一層物理層（Physical Layer），第二層數據鏈路層（Data Link Layer），第三層網絡層（Network Layer），第四層傳輸層（Transport Layer），第五層會話層（Session Layer），第六層表示層（Presentation Layer）和第七層應用層（Application Layer）。

OSI參考模型的每一層都定義了所實現的功能，完成某特定的通信任務，并只與緊鄰的上層和下層進行數據的交換。圖1-2簡單示意了兩個實現了OSI七層功能的網絡設備之間是如何進行通信的。任務從主機A的應用層開始，按規定的格式逐層封裝數據，直至數據包到達物理層，然后通過網絡傳輸線路以及中間結點（通常包括交換機，路由器，防火墻等網絡互聯設備）到達主機B。主機B的物理層獲取數據，向上層發送數據，直到到達主機B的應用層。本書隨后將通過校園網的實例著重介紹如何配置交換機、路由器等網絡互聯設備，以實現校園網的數據通信，下面簡單描述OSI參考模型各層的功能。

4．OSI每層功能

（1）應用層

應用層是OSI七層模型的第七層也是最高層，它是計算機網絡與最終用戶間的接口，包含了系統管理員管理網絡服務所涉及的所有問題和基本功能。它在第六層提供的數據傳輸和數據表示等各種服務的基礎上，為網絡用戶或應用程序提供完成特定網絡服務功能所需的各種應用層協議。可以簡單描述為：應用層應該是用戶通過應用層的協議去完成用戶想要完成的任務。

例子：如果你想上網，那么你會首先打開瀏覽器輸入網址http://www.cisco.com，如果可以上網的話自動會出現網頁畫面，網頁本身沒有在本地，那怎么可以瀏覽網頁呢？這是因為有了應用層的超文本傳輸協議（HTTP）來幫助用戶與遠端的Web服務器進行連接且請求傳輸文件，這樣用戶就可以通過應用層的協議來完成用戶要瀏覽網頁的任務了。

常用的網絡服務包括文件服務、電子郵件服務、打印服務、集成通信服務、目錄服務、域名解析服務、網絡管理、安全和路由互聯服務等，如果想要完成類似這樣的網絡服務都必須通過應用層的協議來完成。

常用的應用層協議有以下幾種。

HTTP：超文本傳輸協議。

FTP：文件傳輸協議。

TELNET：遠程登錄。

SNMP：簡單網絡管理協議。

SMTP：簡單郵件傳輸協議。

NNTP：網絡新聞組傳輸協議

DNS：域名解析協議

（2）表示層

表示層如同應用程序和網絡之間的翻譯官，在表示層，數據將按照網絡能理解的方案進行格式化，這種格式化也因所使用網絡的類型不同而不同。表示層管理數據的解密與加密，如系統口令的處理。如果在Internet上查詢你的銀行賬戶，使用的即是一種安全連接。你的賬戶數據在發送前被加密，在網絡的另一端，表示層將對接收到的數據解密。除此之外，表示層協議還對圖片和文件格式信息進行解碼和編碼。

（3）會話層

會話層負責在網絡中的兩結點之間建立、維持、終止端與端之間的通信。術語“會話”，指在兩個實體之間建立數據交換的連接，常用于表示終端與主機之間的通信。所謂終端是指幾乎不具有（如果有的話）自己的處理能力或硬盤容量，而只依靠主機提供應用程序和數據處理服務的一種設備。會話層的功能包括：建立通信鏈接，保持會話過程通信鏈接的暢通，同步兩個結點之間的對話，決定通信是否被中斷以及通信中斷時決定從何處重新發送。你可能常常聽到有人把會話層稱作網絡通信的“交通警察”。

當通過撥號向你的ISP（因特網服務提供商）請求連接到因特網時，ISP服務器上的會話層向你的PC客戶機上的會話層進行協商連接。若你的電話線偶然從墻上插孔脫落時，你終端機上的會話層將檢測到連接中斷并重新發起連接。會話層通過決定結點通信的優先級和通信時間的長短來設置通信期限。就此而論，會話層如同一場辯論競賽中的評判員。例如，如果你是一個辯論隊的成員，有2分鐘的時間闡述你公開的觀點，在1分3 0秒后，評判員將通知你還剩下30秒。假如你試圖打斷對方辯論成員的發言時，評判員將要求你等待，直到輪到你為止。最后，會話層監測會話參與者的身份以確保只有授權結點才可加入會話。

（4）傳輸層

傳輸層主要負責確保數據可靠、順序、無差錯地從A點到傳輸到B點（A、B點可能在也可能不在相同的網絡段上）。因為如果沒有傳輸層，數據將不能被接受方驗證或解釋，所以，傳輸層常被認為是OSI模型中最重要的一層。傳輸協議同時進行流量控制或是基于接收方可接收數據的快慢程度規定適當的發送速率。除此之外，傳輸層按照網絡能處理的最大尺寸將較長的數據包進行強制分割。例如，以太網無法接收大于1500字節的數據包。發送方結點的傳輸層將數據分割成較小的數據片，同時對每一數據片安排一序列號，以便數據到達接收方結點的傳輸層時，能以正確的順序重組。該過程即被稱為排序。

我們再以教室為例來理解排序的過程。假設你提問題，“Jones女士，低級的農業耕作技術是如何影響Dust Bowl的？”，但是，Jones女士接收到信息則是“低級農業耕作技術Jones女士？如何作用于Dust Bowl？影響”。在網絡中，傳輸層發送一個（應答）信號以通知發送方數據已被正確接收。如果數據有錯，傳輸層將請求發送方重新發送數據。同樣，假如數據在一給定時間段未被應答，發送方的傳輸層也將認為發生了數據丟失從而重新發送它們。

（5）網絡層

網絡層，即OSI模型的第三層，其主要功能是將網絡地址翻譯成對應的物理地址，并決定如何將數據從發送方路由到接收方。

網絡層通過綜合考慮發送優先權、網絡擁塞程度、服務質量以及可選路由的花費來決定從一個網絡中結點A到另一個網絡中結點B的最佳路徑。在網絡中，“路由”是基于編址方案、使用模式以及可達性來指引數據的發送。后續章節將詳細解釋路由器及其功能。網絡層協議還能補償數據發送、傳輸以及接收的設備能力的不平衡性。為完成這一任務，網絡層對數據包進行分段和重組。分段即是指當數據從一個能處理較大數據單元的網絡段傳送到僅能處理較小數據單元的網絡段時，網絡層減小數據單元的大小的過程。這個過程就如同將單詞分割成若干可識別的音節，給正學習閱讀的兒童使用一樣。重組過程即是重構被分段的數據單元。類似地，當一個孩子理解了分開的音節時，他會將所有音節組成一個單詞，也就是將部分重組成一個整體。

（6）數據鏈路層

數據鏈路層在物理層和網絡層之間提供通信，建立相鄰結點之間的數據鏈路，傳送按一定格式組織起來的位組合，即數據幀。幀的格式如圖1-3 所示（以以太網幀結構為例）。本層為網絡層提供可靠的信息傳送機制，將數據組成適合于正確傳輸的幀形式。加在幀中包含應答、流控制和差錯控制等信息，以實現應答、差錯控制、數據流控制和發送順序控制，確保接收數據的順序與原發送順序相同。

（7）物理層

物理層是OSI模型的底層或第一層，主要完成相鄰結節之間的比特流的傳輸。同時本層還定義了一些有關網絡的物理特性，包括物理連網媒介，如：電纜連線和連接器。物理層的協議產生并檢測電壓以便發送和接收攜帶數據的信號。在你的桌面PC上插入網絡接口卡，你就建立了計算機連網的基礎。換言之，你提供了一個物理層。盡管物理層不提供糾錯服務，但它能夠設定數據傳輸速率并監測數據出錯率。網絡物理問題，如電線斷開，將影響物理層。同樣，如果你沒有將網絡接口卡在計算機的電路板中正確安裝，計算機也將在物理層出現網絡問題。IEEE已制定了物理層協議的標準，特別IEEE 802規定了以太網和令牌環網應如何處理數據。術語“第一層協議”和“物理層協議”，均是指描述電信號如何被放大及通過電線傳輸的標準。除了不同的傳輸介質自身的物理特性外，物理層還對通信設備和傳輸媒體之間使用的接口作了詳細的規定，物理層涉及的內容還包括以下幾個部分。

① 機械特性。機械特性規定了物理連接所需接插件的規格尺寸、針腳數量和排列情況等。如：EIA RS-232C標準規定的D型25針接口，ITU-T X.21標準規定的15針接口等，以太網接口用RJ-45水晶頭等。

② 電氣特性。電氣特性規定了在物理信道上傳輸比特流時信號電平的大小、數據的編碼方式、阻抗大小、傳輸速率和距離限制等，比如：雙絞線長度不能大于100m，RS-232接口傳輸距離不大于15m，最大速率為19.2kbps。

③ 功能特性。功能特性定義了各個信號線的確切含義，即各個信號線的功能。比如：雙絞線每根都有自己的作用。

④ 規程特性。規程特性定義利用信號線進行比特流傳輸的一組操作規程，是指在物理連接的建立、維護和交換信息時數據通過集線器交換數據順序。

前面已講述了七層協議OSI參考模型，但是在實際中完全遵從OSI參考模型的協議幾乎沒有。盡管如此，OSI模型為人們考查其他協議各部分間的工作方式提供了框架和評估基礎。下面講述TCP/IP網絡協議體系也將以OSI參考模型為框架對其作進一步解釋。TCP/IP出現于20世紀70年代，80年代被確定為因特網的通信協議。

TCP/IP體系結構是將多個網絡進行無縫連接的體系結構，其結構如圖1-4 所示，其中加入了與OSI模型的對照。

TCP/IP是一組通信協議的代名詞，是由一系列協議組成的協議簇。它本身指兩個協議集：TCP（傳輸控制協議）和IP（互聯網絡協議）結合而成的。TCP/IP最早由美國國防高級研究計劃局（DARPM）在其ARPANET上實現，已有二十幾年的運行經驗。由于TCP/IP一開始用來連接異種機環境，再加上工業界很多公司都支持它，特別是在UNIX環境，TCP/IP已成了其實現的一部分；由于UNIX用戶的增長，推進了TCP/IP的普及。Internet的迅速發展，使TCP/IP已成了事實上的網絡互聯標準。協議隱藏了通信底層的細節，有利于提高效率。首先程序員與高級協議抽象打交道，不必把精力放在諸如硬件配置等細節問題上；使用高層抽象編制的程序獨立于機器結構或網絡硬件，可以使任意一對機器進行通信。