网络基础教程 （选修）

课程简介 本课程的内容可以分为如下几个部分： 　1. 数据通信基础，主要讲述了数据通信的若干基本概念。 　2. ISO/OSI体系结构，讲述了参考模型的7层协议，每一层的作用和功能，可以分低3层，高3层和中间的运输层来学习。 　

课程简介 3. TCP/IP和Internet应用，包括网络管理和网络安全，讲述了TCP/IP 的基本原理和Internet的应用技术。 　4. 局域网与广域技术，讲述了常用的几种局域网络协议和广域网络及用户接入技术，包括FR、ISDN、ATM和无线网等。

学习目标 　　了解有关计算机网络的基本概念，掌握计算机网络的基本工作原理和主要技术，领会计算机网络体系结构的分层模型，以TCP/IP和Internet为重点了解网络的应用技术，并对不断发展的现代网络技术的基本原理能基本掌握和了解。

第一章 概论 · 课前索引 · 第一节　计算机网络发展过程 · 第二节　计算机网络定义和功能 · 第三节　计算机网络组成和结构 · 第四节　计算机网络类型 · 第五节　计算机网络协议标准化 · 本章小结/课后习题

课前索引 [课前思考] 　　 1. 什么是计算机网络？它有哪些功能？ 　　2. 计算机网络经历了怎样的发展历程

课前索引 [学习目标] 　　了解计算机网络的发展过程，发展过程中所涉到的技术和这些技术的特点，掌握计算机网络的不同角度的分类，计算机网络的功能划分和影响因素。

课前索引 [学习指南] 　　联系日常生活中的所接触的网络，了解网络的分类，并弄清楚所接触的网络有何功能。

课前索引 [难重点] 　　1. 几代网络的不同技术 　　2. 网络的不同分类 　

第一节 计算机网络发展过程 计算机网络的发展过程是计算机与通信（C&C, Computer and Communication）的融合过程。计算机网络的发展过程经历了60年代萌芽，70年代兴起，70年代中期到80年代发展和网络互连，90年代网络计算和国际互连网等几个过程。

第二节 计算机网络的基本概念 不同的计算机网络是为不同的目的需求而设计和组建的，它们所提供的服务和功能也有所不同。下面列举了计算机网络可能提供的一些功能：

1、数据通信 终端与计算机、计算机与计算机之间能够进行通信，相互传送数据，从而方便地进行信息收集、处理、交换。　

2 、资源共享： 　　用户可以共享计算机网络范围内的系统硬件、软件、数据、信息等各种资源。 3 、网络计算： 　　提供分布处理和均衡计算机负荷的功能，降低软件设计复杂性，提高系统效率。

4 、集中控制： 　　通过计算机网络可对地理上分布的系统进行集中控制，对网络资源进行集中的分配和管理。 5 、提高系统的可靠性： 　　藉助冗余和备份的手段提高系统可靠性。

6 、网络新服务： 　　 开辟大量新的应用服务项目。

第三节 计算机网络组成和结构 计算机网络从其构成的软硬件可以分为传输/交换设备、用户设备和网络软件。

传输/交换设备：线路设备、互连设备。 　　传输设备一般包括双绞线、同轴电缆和光纤等。交换设备一般包括网桥、中继器、网关、交换机和路由器等。 　·用户设备：主机、终端、服务器。 　·网络软件：网络操作系统、网络协议软件、用户程序。

第四节 计算机网络类型 一个计算机网络可以从地域范围、拓扑结构、信息传输交换方式或协议、网络组建属性或用途等不同角度加以分类。

局域网LAN，约1千米； 城域网MAN，约10千米； 广域网WAN，约100千米以上。 1、按地域范围分类 　　从计算机系统之间互连距离和网络分布地域范围角度来看，分为三类。 局域网LAN，约1千米； 城域网MAN，约10千米； 广域网WAN，约100千米以上。

2.按拓扑结构分类 　　网络拓扑结构是从网络拓扑的观点来讨论和设计网络的特性。也就是讨论网络中的通信节点和通信线路或信道的连接所构成的各种网络几何构形，用以反映出网络各组成成分之间的结构关系，从而反映了整个网络的整体结构外貌。实际上，这儿考虑的得更多的是通信子网的拓扑结构问题。

一般地讲，通信子网可以设计成两种通信（信道）类型： 点对点通信（Point-to-Point）广播通信（Broadcast）。

点对点信道： 　　其特点是一条线路连接一对节点。两台主机常常经过几个节点相连接。信息的传输采用存贮转发方式。这种信道成的通信子网常见的拓扑结构有：①星形，②树形，③回路形，④相交回路形，⑤全连接形，⑥不规则形式分布式。如下图所示，图中圆点表示主机或交换设备。

广播信道： 　　其特点是只有一条供诸结点共享的通信信道。由这种信道构成的通信子网的拓扑结构可有三种形式：①总线性，②环形，③卫星或无线广播通信方式。如下图所示。

3、按信息传输交换方式分类 　　根据信息在网内传输交换方式，可分为：电路交换和存储转发交换。而存储转发又可以分为 报文交换和分组交换。分组交换包括数据报交换和虚电路交换。

电路交换是通信双方建立一条物理连接后，数据沿着该连接到达目的地，数据传送时独享该连接；存储转发指数据被分成若干段，每段按照交换设备选定的路由独立地从源到目的地。

4、按网络组建属性分类 　　一个计算机网络，根据其组建、经营和用户，特别是它的数据传输和交换系统的拥有性，可以分为公用网和专用网两类。

·公用网是由国家电信部门组建、经营管理、提供公众服务。任何单位部门，甚至个人的计算机和终端都可以接入公用网，利用公用网提供的数据通信服务设施来实现本行业的业务。 　·专用网往往是由一个政府部门或一个公司等组建经营，未经许可，其他部门和单位不得使用。其组网方式可以利用公用网提供的"虚拟网"功能或自行架设的通信线路。 　　如163、169都属于公用网；各个公司、学校所建的局域网属于专用网。

第五节 计算机网络协议标准化 标准可分为两类： 　事实标准（from the fact） 　　由厂家制定的，未经有关标准化组织审定通过，但由于广泛使用形成了事实标准。 　法定标准（by law） 　　经有关标准化组织审定通过的标准。

相关标准化组织： ·国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union） ·国际标准化组织（ISO，International Standards Organization） ·Internet体系结构委员会（IAB，Internet Architecture Board）

[章节小结] 　本章主要介绍了不同类型的网络及其特点，重点是按拓扑结构和信息传输方式的分类方法。其中按信息传输方式分成的电路交换和存储转发交换概念是今后理解计算机网络信息传输原理的基础，望大家好好体会它们的区别。

[课后习题] 1、计算机网络按信息传输方式分为哪几种？ 2、简述计算机网络的特征。 3、简述计算机网络的功能。

第二章 计算机网络体系结构 · 课前索引 · 第一节　网络的层次体系结构 · 第二节　ISO/OSI基本参考模型 · 第三节　网络体系结构的基本特性 · 第四节　IEEE 802局域网协议 · 第五节　TCP/IP协议族 · 本章小结/课后习题

课前索引 [课前思考] 　　1. 通信子网、资源子网与网络体系结构的关系是什么？ 　　2. TCP/IP协议簇包括那些部分？

课前索引 [学习目标] 　　掌握OSI的层次体系结构，了解7层协议的各个功能，掌握OSI中的常用术语，并对局域网和TCP/IP结构与OSI的关系有比较清楚的了解。

课前索引 [学习指南] 　　本章主要学习OSI的体系结构，概念比较抽象，建议能通过联系日常的一个例子如邮政通信来理解各层，抽象的一些概念可以在学完整个课程之后再回来温习一遍，加强其理解。

课前索引 [重点难点] 　　1. 几个概念：系统、层、服务访问点、协议数据单元、连接 　　2. 服务与功能的关系 　　3. 原语与协议数据单元的关系

第一节 网络的层次体系结构 1、计算机网络面临的问题和分层的好处 　　用户的资源和信息存储在采用不同操作系统的主机中，这些主机分布在网络的不同地方，需要在不同的传输介质上实现采用不同操作系统的主机之间的通信，解决异种机和异种网络互连问题的方法。

分层的好处在于：容易解决通信的异质性（heterogeneity）问题；上层解决不同种语言的相互翻译（数据的不同表示）；下层解决信息传递；使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题；每层只关心本层的内容，不用知道其他层如何实现；使设计容易实现，每个层次向上一层提供服务，向下一层请求服务。

2、分层的原则 　　当需要由一个不同等级的抽象时就应当有一个相应的层次； 　　每一层的功能应当时非常明确的； 　　层与层的边界应选择的使通过这些边界的信息量尽量少些，否则不方便； 　　层数太少，会使每一层的协议太复杂，但层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

第二节 ISO/OSI基本参考模型 （ISO 7498，Information Processing Systems--Open Systems Interconnection--Basic references model） ISO模型共有七层，如下图（ISO/OSI 基本参考模型）所示：

各层功能简介： 　 第一层： 物理层PH　（Physical） 　 第二层： 数据链路层DL（Data-link） 　 第三层： 网络层N　（Network） 　 第四层： 运输层T　（Transport） 　 第五层： 会话层S　（Session） 　 第六层： 表示层P　（Presentation） 　 第七层： 应用层A　（Application） 低三层 高四层

物理层： 　　提供相邻设备间的比特流传输。它是利用物理通信介质，为上一层（数据链路层）提供一个物理连接,通过物理连接透明地传输比特流。 　　所谓透明传输指经实际电路后传送的比特流没有变化，任意组合的比特流都可以在这个电路上传输，物理层并不知道比特的含义。 物理层要考虑的是如何发送"0"和"1"，以及接收端如何识别。

·数据链路层： 　　负责在两个相邻的节点间的线路上无差错的传送以帧为单位的数据，每一帧包括一定的数据和必要的控制信息，在接收点接收到数据出错时要通知发送方重发，直到这一帧无误得到达接收节点。数据链路层就是把一条有可能出错的实际链路变成让网络层看来好像不出错的链路。

·网络层： 　　网络中通信的两个计算机之间可能要经过许多个节点和链路，还可能经过几个通信子网。网络层数据的传送单位是分组(packet)，网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层发下来的分组能够正确无误的按照地址找到目的站并交付目的站的运输层，这就是网络层的寻址功能。

运输层： 　　任务是根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式为两个端系统的会话层之间建立一条运输连接，透明的传输报文。 　　运输层向上一层提供一个可靠的端到端的服务，使会话层不知道运输层以下的数据通信的细节。运输层只存在在端系统（主机）中，运输层以上层就不再管信息传输问题了。

·会话层： 　　会话层虽然不参与具体的数据传输，但它对数据进行管理，它向互相合作的表示进程之间提供一套会话设施，组织和同步它们的会话活动，并管理它们的数据交换过程。 　　这里，“会话”的意思是指两个应用进程之间为交换面向进程的信息而按一定规则建立起来的一个暂时联系。

·表示层： 提供端到端的信息传输。处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题。在OSI中，端用户（应用进程）之间传送的信息数据包含语义和语法两个方面。语义是信息数据的内容及其含义，它由应用层负责处理。语法是与信息数据表示形式有关方面，例如信息的格式、编码、数据压缩等。表示层主要用于处理应用实体面向交换的信息的表示方法。

·应用层： 　　是OSI参考模型的最高层,应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要；负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配。 　　就是说应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理（user agent），来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必需的功能。

第三节 网络体系结构的基本特性 所谓网络体系结构（architecture），是指计算机网络的分层、各层协议和层间接口的集合，也就是网络及其部件所应完成的功能的精确定义。因此体系结构是计算机网络的一种抽象的、层次化的功能模型。 　　下面我们以OSI/RM为主，介绍网络体系结构的一些基本概念。

1、基本概念 　(1) （N）层、（N）实体 　

OSI参考模型的基本构造技术是分层。它将开放系统的全部功能划分为七个层次，每个划分称为一个子系统。处于参考模型（N）层的子系统记为（N）子系统，同一开放系统的相邻层及其子系统分别用（N+1），（N）、（N-1）层子系统来表示。（N）层表示某一特定的层，那么（N+1）表示相邻高层，（N－1）表示相邻低层。

由此我们看到，对等（N+1）实体间的通信只能通过相邻的对等（N）实体完成。（N）实体向（N+1）实体提供它们间的通信能力的一组业务（facilities）称为（N）服务。因此，（N+1）实体必须请求（N）实体的服务才能完成通信。而（N）实体提供给（N+1）实体的服务则是通过调用（N-1）实体提供的服务和执行（N）层内的功能来实现。

（N）实体在执行（N）层功能时，确定（N）对等实体间通信行为的一组规则（语义）和格式（语法）称为（N）协议。 　　因此，（N）层、（N-1）、（N+1）之间协议和服务的关系是：（N）层实体利用（N-1）层提供的服务和执行（N）层协议来对（N+1）提供服务。

第四节 IEEE 802局域网协议 局域网的体系结构以IEEE 802委员会定义的标准为主，对应的ISO标准是ISO 8802，局域网标准只定义了相当于ISO模型中的低两层，即物理层和数据链路层的规范，下图是OSI模型与LAN层次结构的关系。

·物理层： 　　信号的编码/译码、前导码的生成/除去、比特的发送/接收。 　·MAC层： 　　访问控制方式。 LAN的拓扑结构和媒体可以有多种，不同的拓扑结构和媒体，其访问控制不同，如总线型，各站点采用的是竞争方式。环形结构采用令牌环控制等，所以说局域网的差别主要体现在物理层和MAC层。

·LLC层： 　　提供对高层的支持，它屏蔽了具体的媒体和访问控制方法，为连到局域网上的端系统提供端到端的差错控制和流量控制。由于在局域网中，不存在网络层的路由问题，但为了对高层提供服务，LLC层要提供属于3层的功能。

第五节 TCP / IP协议簇 Internet网络体系结构是以TCP/IP协议为核心的。TCP/IP协议簇也是一种层次体系结构，共分为4层，其中的底层物理层和数据链路层只要能够支持IP层的分组传送即可，因此我们做为网络接口层来对待。

·网络接口层： 提供IP数据报的发送和接收。 该层使用协议为各通信子网本身固有的协议。例如以太网的802. 3协议、令牌环网的802 ·网络接口层： 　　提供IP数据报的发送和接收。 　　该层使用协议为各通信子网本身固有的协议。例如以太网的802.3协议、令牌环网的802.5协议以及分组交互网的X.25协议等。

·网络层： 　　提供计算机间的分组传输。(1)高层数据的分组生成；(2)底层数据报的分组组装；(3)处理路由、流控、拥塞等问题。 　　IP协议提供统一的地址格式和IP数据包格式，以消除各通信子网的差异，从而为信息发送方和接受方提供透明通道。

·传输层： 　　提供应用程序间的通信。(1)格式化信息流；(2)提供可靠传输。 　　TCP协议提供面向连接的可靠的字节流传输；UDP协议提供无连接的不可靠的数据包传输。 　·应用层： 　　提供常用的应用程序。 　　例如：WWW服务、ftp、email、telnet等。

[章节小结] 　本章介绍了OSI/RM的七层模型。分层思想是为了分解复杂系统，使得能够"分而治之"，达到简化的目的。各层完成一定的功能，合在一起实现完整的网络通信功能。其中数据链路层和网络层是重点也是难点，这两层实现了网络通信的大部分功能。

[课后习题] 1、在计算机网络结构中采用分层结构有什么好处？ 2、分层的好处是什么？网络层完成什么功能？ 3、简述TCP/IP体系结构模型。 2、分层的好处是什么？网络层完成什么功能？     3、简述TCP/IP体系结构模型。 4、请简述OSI/RM与IEEE 802协议的层次对应关系。

第三章 数据通信基础

第四章 OSI下三层 [课前思考] 　　1. 物理层要解决哪些问题？ 　　2. 传输介质有哪几种？ 　　3. 链路控制包含哪些功能？ 　　4. 网络层提供哪些服务？ 　　5. 理想路由算法应具有哪些特点？

[学习目标] 　　掌握OSI/RM中下三层的基本概念和功能。理解物理层的四个特性、链路层的流量控制协议和网络层的虚电路和数据报概念。了解各种路由算法原理。

[难重点] 　　物理层的四个特性；链路层的滑动窗口协议和差错校验；网络层的两类服务以及路由算法。

第一节 物理层 一、传输介质 数据传输介质是数据传输的物质基础，它是两节点间传输数据的“道路”。 第一节 物理层 一、传输介质 　　数据传输介质是数据传输的物质基础，它是两节点间传输数据的“道路”。 1、双绞线 　　双纹线（twisted pair）是一种最普通、使用最为广泛的传输介质。

双绞线的基本组成是：由两根22-26号的绝缘芯线按一定密度（绞距）的螺旋结构相互绞绕组成，每根绝缘芯线由各种颜色塑料绝缘层的多芯或单芯金属导线（通常为铜导线）构成。这也是双绞线名称的由来。许多电话线就是采用双绞线。

将两根导线绞在一起是为了减少在一根导线中电流发射的能量对另一根导线的干扰，而且绞在一起有助于减少其他导线中的信号对这两根导线的干扰。

双绞线有非屏蔽和屏蔽两种。普通电话线采用非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）。

2、同轴电缆 　　同轴电缆（coaxial cable）也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按同轴的形式组成的。最里面是内导体，外包一层绝缘材料，外面再套一层空心的圆柱形外导体，最外面是起保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对，如图示。

与双绞线相比，同轴电缆价格贵，但带宽大，传输距离长，抗干扰能力强。

3、光缆 　　光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲信号来进行通信，由于可见光的频率非常高（108MHz），因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其它传输介质的带宽。光缆由许多很细的光纤组成，每根光纤的半径仅几微米至一、二百微米。

光纤是光纤通信的传输介质，在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲；在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲，如图所示。

4、无线传输介质 　　在信号的传输中，若使用的介质不是人为架设的介质，而是自然界所存在的介质，那么这种介质就是广义的无线介质（电磁波）。根据所利用的电磁波的频率又可将无线通信分为无线电通信、微波通信、红外通信和激光通信。

二、物理层功能 1、物理层的基本功能 　　物理层是OSI模型最低层，它向下直接与传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层。它的作用是在数据链路层实体之间提供必需的物理连接，按顺序传输数据比特，并进行差错检查。

DTE与DCE DTE（Data Terminal Equipment）又称数据终端设备，指数据输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。DCE（Data Circuit-Terminating Equipment）又称数据电路端接设备，指自动呼叫设备、调制解调器（Modem）以及其它一些中间装置的集合。

2、物理层的4个基本特性 有四个特性来说明DTE与DCE之间的接口： ·机械特性－规定了DTE与DCE实际的物理连接 ·电气特性－规定了数据交换信号以及有关电路的特性 ·功能特性－说明某条线上出现的某一电平的电压 表示何种意义 ·规程特性－通信协议，说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

三、物理层协议 1、物理层的标准 　　DTE与DCE之间要互连，需遵循共同的接口标准。这就是通常所说的物理层标准。 　2、EIA RS232-C接口标准 　　RS-232C为终端DTE与Modem（DCE）间的物理层接口。

3、EIA RS449接口标准 　　为了能在更大距离和更高速率上直接互联，EIA又制定了RS449接口标准。

第二层数据链路层 一、定义，功能 1.链路与数据链路 一、定义，功能 　1.链路与数据链路 链路就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点。　数据链路则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传输数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。　

2、数据链路层的功能 　　数据链路层提供相邻设备间的无差错数据传输。它要完成如下功能： 　　·成帧 　　·差错检测和纠错 　　·流量控制 　　·介质访问控制

成帧： 物理层以比特为单位进行数据传输，数据链路层以帧为单位进行数据传输。 成帧： 　　物理层以比特为单位进行数据传输，数据链路层以帧为单位进行数据传输。 把比特流分成帧，标定帧的起始和结束，以利于进行差错控制。在数据链路层，数据的传送单位是帧。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧重传一次，而避免将所有数据重传，从而实现差错控制。

差错检测和纠错： 为保证发方发出的所有帧都正确、有序地交付给目标机网络层，需要启动确认重传机制，由收方向发方提供有关接收情况的反馈信息。 差错检测和纠错： 　　为保证发方发出的所有帧都正确、有序地交付给目标机网络层，需要启动确认重传机制，由收方向发方提供有关接收情况的反馈信息。 在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错率，因此，广泛地采用了编码技术。有两类编码，一类是检错码，即收方可以检测出收到的帧中有差错，但不知道错在哪；一类是纠错码，即收方收到有差错的数据帧时，能够自动将差错改正过来 。

流量控制： 数据链路层必须控制链路上的数据流量，保证发送与接收速度匹配，防止出现发送速度超过接收能力的现象，以免丢失数据。 流量控制： 　　数据链路层必须控制链路上的数据流量，保证发送与接收速度匹配，防止出现发送速度超过接收能力的现象，以免丢失数据。 发方的发送速率必须小于等于收方的接收速率，否则会浪费网络资源，增加网络负担。流量控制就是对发方的发送速率进行控制。

介质访问控制（MAC, Medium Access Control）： 广播信道中的信道分配控制。

第三节 网络协议层 一、网络层基本功能 　1.网络层概述 　　网络层是OSI参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端。

2、网络层提供的服务 　　网络层为运输层提供服务，它通常是通信子网的边界。网络层向运输层提供的服务应具有以下特点： 　·服务与通信子网的技术无关。 　·通信子网的数量、类型和拓扑结构对运输层透明。 　·运输层得到的网络地址应该采用同一编址的方式。即使跨越了多个局域网和广域网也应如此。

3、路由选择 　　路由选择是网络层功能的一部分，负责确定所收到的分组应传送的外出路线。即在具有许多节点的广域网里，应通过哪条通路才能将数据从源主机传到所要通信的目的主机。

所以控制流量、避免拥塞、解除死锁是计算机通信子网的又一重要任务。 4、拥塞控制 　　计算机通信子网的基本任务是要保证网内分组自由无阻地畅通传送。 所以控制流量、避免拥塞、解除死锁是计算机通信子网的又一重要任务。 拥塞控制算法主要分为两大类：开环（open-loop）和闭环（closed-loop）。

章节小节 本章讲述了7层网络体系的低3层， 物理层的理解主要从4个特性去理解，即机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。 数据链路层的功能是保证链路的点对点传输 。 网络层的主要功能是数据分组的路由选择和流控 。

课后习题 1、常用的传输介质有哪些？ 2、比较双绞线和同轴电缆各有何优缺 点？ 3、物理层主要解决什么问题？ 4、物理层接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？ 5、数据链路与链路有何区别？

第五章 运输层

第六层 OSI高三层协议

第七章 TCP/IP和INTERNET [课前思考] 　　1. 如何使数据跨越不同种类的网络？ 　　2. 用光纤将两个局域网连接起来，在协议上要完成哪些工作？ 　　3. 如何保证数据可靠地从发送方到达目的方？ 　　4. 电子邮件是怎么工作的？ 　　5. Internet是什么？

6. Internet如何将世界各地的计算机联结在一起？ 7. 我们平时上网时使用了Internet提供的哪些服务？ 8

第一节 INTERNET概述 Internet是一个建立在TCP/IP协议族上的国际互连网络，它是各个子网以网状结构互连而成，在每个子网中存在着数量不等的主机，子网及其主机均以IP协议统一编址。子网可以是LAN，也可以是WAN。主机可以是网上的客户机、服务器或者路由器等设备。如图所示。

Internet的主要信息服务分为以下几类： 　　·电子邮件 E-Mail 　　·文件传输 FTP 　　·远程登录 Telnet 　　·电子公告板 BBS 　　·信息浏览 Gopher 　　·高级超文本浏览 WWW 　　·自动标题搜索 Archie 　　·自动搜索 WAIS 　　·域名系统 DNS

第二节 TCP/IP协议族 一、TCP/IP的结构 　　TCP/IP以其两个主要协议：传输控制协议（TCP）和网络互联协议（IP）而得名，实际上是一组协议，包括多个具有不同功能且互为关联的协议。TCP/IP是多个独立定义的协议集合，因此也被称为TCP/IP协议族。

TCP/IP协议模型从更实用的角度出发，形成了高效的四层体系结构，即网络接口层、IP层、传输层和应用层。下图表示了TCP/IP的分层结构和与OSI参考模型的对应关系。如图所示：

下图给出了TCP/IP模型中各层应用的主要协议，其中部分协议将在有关章节中作进一步的介绍。

IP的编址 IP地址是一个分配给一台主机，并用于该主机所有通信的唯一的32位二进制数。在IPv4中IP地址由4个字节组成，被表示成用"."隔开的4组10进制数，每个数最大为255。

这种表示方法被称为点分十进制表示法，即将每个字节值用十进制数表示。例如IP地址11001000. 01100100. 00110010 再比如： 11111111 11111111 11111111 00000000 255 255 255 0

IP地址被分成两部分，按层次结构组成：第一部分是网络号,第二部分是主机号。分组从一个路由器传到另一个路由器就是一跳（hop），它就是这样经过若干跳，最后到达目的网络。在那里，路由器将它送到目的主机。

IP地址分类 　　IP地址的最初编码是分类的。尽管目前的用法是无类的（是基于子网）,这里，还是按照分类的编址方式来讨论目前的地址结构，而且这种结构偶尔还在用。如图：

子网划分 　　子网划分简化了地址管理，它是一种划分地址空间的方法。可以定义一个包含有许多不同物理网段的网络。 　　子网划分就是将前N位比特相同的IP地址划分成一个网络，每个网络地址对应有一个32位的子网掩码。

子网掩码一般被指定为前面有n个1， 后面跟有32-n 个0，子网掩码的写法也使用点分十进制表示法，例如，255. 255. 255 子网掩码的使用方法是：用掩码中的1所对应的bit位来表示网络号，其中的0对应的bit位来表示主机号。

无类域间路由 　　无类域间路由CIDR（classless interdomain routing）将子网掩码的思想扩展成可变长的子网掩码。CDIR只保留一个子网所需要（大约）的地址数，这样更有效的利用了地址空间。

在给一个部门分配一组IP地址时，若部门内的每个主机都分配一个不同的IP，也许一组IP地址是不够的。但是，可能会出现这样的情况，同时连到Internet 上机器只有很少的几台，因此可以采用临时分配IP地址的方法来共享一组IP地址 （这样的一个例子是ISP，它有许多用户，但每次只有几个登录使用Internet） 。

动态主机配置协议DHCP就是为了这个目的而出台的（RFC2131）。在DHCP协议中，需要IP地址的主机用它的MAC地址广播一个DHCP discover分组，DHCP服务器用一个DHCP offer 分组进行应答，应答分组中包括没被使用的IP，主机在得到的IP地址中选择一个，并用DHCP request分组广播它的选择，被选定的服务器用DHCP ack进行确认。分配出的IP地址有生命期，必须定期刷新以保持它的有效性。当主机完成任务后，发送一个DHCP release 分组释放占用的IP地址，否则当超过生命期后，地址自动被释放。

第八章 局域网 [课前思考] 1、局域网的主要特点是什么？ 2、局域网的拓扑结构主要有哪些？各有什么特点？各自的适用场合？ 3、局域网的介质访问控制方法主要有哪些？各自的工作机制是怎样的？ 4、局域网互联的概念 5、局域网互联设备有哪些？各自在哪个层次？　

[学习目标] 　　掌握局域网的基本特点和原理，IEEE802局域网体系结构以及几种具体的局域网技术，同时对高速局域网的原理技术作一些了解。 [学习指南] 　　对照OSI七层模型，比较局域网与OSI七层模型相关层的异同，分析局域网协议中各层各自的功能，及相互的关系。结合具体各层协议，真正掌握局域网的原理。

第一节 局域网的基本概念和特点 一、局域网概述 　　局域网的应用范围极广，主要用于办公自动化、生产自动化、企业事业单位的管理、银行业务处理、军事指挥控制、商业管理、校园网等方面。

二、局域网的体系结构-IEEE802参考模型 IEEE 802的LAN标准遵循OSI参考模型的分层原则，描述最低两层--物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务，其中数据链路层又分成两个子层：介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。

由于局域网只是一个短距离内的计算机通信网，它并不存在路由选择问题，因而它不涉及网络层，只需考虑最低的两层。 然而由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方式各不相同，为了使局域网的数据链路层不致于过分复杂，有必要将数据链路层分成两个子层，介质访问控制子层MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control）。

由此来使得数据链路层更容易实现向上提供的服务与介质、拓扑等因素无关的统一特性。 　　IEEE802参考模型及其与OSI参考模型对比关系如图所示：

IEEE802.1标准规定局域网的低三层的功能如下： 　·物理层： 　　与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。 　·介质访问控制（MAC）层： 　　具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。

逻辑链路控制（LLC）层： 　　提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点--多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。此外，在LLC层还提供本属于OSI/RM中网络层提供的两项服务，即无连接的数据报服务和面向连接的虚电路服务。

目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下： ·IEEE 802. 1A：局域网体系结构，并定义接口原语； ·IEEE 802 目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下： 　·IEEE 802.1A：局域网体系结构，并定义接口原语； 　·IEEE 802.1B：寻址、网间互连和网络管理； 　·IEEE 802.2：描述逻辑链路控制（LLC）协议，提供OSI数据链路层的上部子层功能，以及介质接入控制（MAC）子层与LLC子层协议间的一致接口 等等

第二节 局域网 就通信网而言，“拓扑结构”是指连到网络的末端点或站实现互连的方式。局域网的常见的拓扑结构有星型、环型、总线型和树型等。 第二节 局域网 就通信网而言，“拓扑结构”是指连到网络的末端点或站实现互连的方式。局域网的常见的拓扑结构有星型、环型、总线型和树型等。 如图所示：

1、星型拓扑结构 　　在星型拓扑结构中，每个站由点到点链路连接到公共中心，任意两个站之间的通信均要通过公共中心，星型拓扑结构不允许两个站直接通信。因为所有通信都要通过中央节点，所以中心结点一般都比较复杂，各个站的通信处理负担比较小。中心节点可以是一个中继器，也可以是一个局域网交换器，发送数据的站以帧的形式进人中心节点，以帧中所包含的目的地址到达目的站点，实现了站间链路的简单通信。目前局域网系统中大部分采用星形拓扑结构，几乎取代了环形和总线结构。

2、环型拓扑结构： 　　在环型拓扑结构中，局域网是由一组转发器（repeater，又称中继器）通过点到点链路连接成封闭的环所构成的。因此，每个转发器连通两条链路。转发器是较简单的设备。它能接一条链路上的数据，并以相同的速度（转发器中无需缓冲）将数据逐比特地发送到另一条链路上去，各条链路都是单向的，即数据仅沿一个方向传送，并且所有链路都顺次向一个方向传送。因此，数据是沿一个方向（顺时针或逆时针）绕环运行的。　

每个站在转发器处与网络连接。数据以帧来传送。每一帧包含被发送的数据和一些控制信息，包括所希望到达的目的站地址。对大的数据块，发送站将其分成若干较小的块，并将每一小块用一帧来发送。一个站每当要发送下一帧时，它都要等待到下一个轮次，然后才可发送。由于发送的帧要通过所有其他的站，当此帧经过目的站时，该站就可识别其地址，并在本地缓冲器中复制该帧。此帧将继续环行，直至回到源发站，并在那里被除去。 　　

因为多个站共享一个环，为了确定每个站在什么时候可以插入数据包，就要进行控制。通常采用的是某种分布式控制方式，每个站都包含一定的控制发送和接收用的访问逻辑。

3、总线和树型拓扑结构 　　就总线拓扑结构来说，通信网络只是传输介质，没有交换机，也没有转发器。所有站通过合适的硬件直接接到一条线状传输介质（即总线）上，任何一个站的发送都在介质上传播并能被所有其他站所接收。　　

树型拓扑结构是总线拓扑结构的一般化。传输介质是不构成闭合环路的分支电缆。同样，来自任何站的发送也都在介质上传播，并能被所有其他站接收。通常把总线和树形拓扑结构的介质称之为多点式或广播式介质因为所有站共享一条公共传输链路，所以在某一时刻只有一个设备能够发送。为了确定下一次哪个站可以发送（即占有传输介质），需要某种访问控制。通常采用某种由所有被连接的站共享的协议来进行这种控制（分布式控制）。有时，也采用集中式控制。

当采用总线或树型拓扑结构时，此种网络免除了全部的通信处理负荷，从通信角度来看，只是一简单的无源传输介质。被连接的站所处理负荷在数量级上差不多与环形连接的相同。

二、局域网的逻辑链路控制LLC 1、逻辑链路控制子层的服务访问点LLC SAP 一个主机中可能有多个进程在运行，它们可能同时与其他一些进程进行通信，因而一个主机的LLC层应设有多个服务访问点（L-SAP），即在网络层与LLC子层的界面上提供多个逻辑接口。来自多个L-SAP的服务在LLC子层中进行复用。

所谓复用是指利用L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。所以，MAC子层向上只需提供一个服务访问点M-SAP，也即单一的逻辑接口。MAC子层与物理层之间也只需提供单一的服务访问点（P-SAP）。 如图所示：

在上图中所示的局域网上共有三个站，站A的一个进程x欲向站C中的某个进程发送文件，它必须通过站A的LLC层的一个服务访问点SAP1请求与站C的服务访问点SAP1建立连接，在此过程中，需要有以下两种地址： 　·MAC地址 　·SAP地址

·MAC地址： 　　即某站在网络中的物理地址，它由MAC帧进行传送。IEEE为每个站都规定了一个48位的全局地址，当一个站搬移到另一个局域网时，并不改变其全局地址。在48位的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这相应的高24位地址。

低24位用于不同厂商或网络管理员对不同的网卡进行配置。这样，对于共享同一传输介质的局域网来说，物理地址不仅指明了数据发送和接收的网卡，还可以过滤那些不属于本主机接收但又必须处理的数据帧信息，并且能有效地处理广播方式的数据传输。

SAP地址： 　　即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。 　　由此可见，局域网中的寻址要分两步走，第一步是用MAC帧的地址信息找到网络中的某一个站，第二步是用LLC帧的地址信息找到该站中的某个SAP。这样，从站A发出的连接请求帧的源地址和目的地址分别表示为A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括号中的数字则是相应站中LLC层上的SAP地址。　

当站C同意建立连接时，就向站A返回一个接受连接的帧，从此以后，所有由站A的进程x发往站C的帧，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡是发给地址C(1)的帧，若其源地址不是A(1)，都将被过滤掉（拒收）。同样，凡不是由地址C(1)发给A(1)的帧也被过滤掉。。 　　现在如果站A上还有一个进程y和SAP2连接上，并且要和站B的SAP1交换数据。这时，从A(2)到B(1)也可以建立一条连接。同理，进程z还可以从地址B(2)与A(3)建立连接。可见，多个SAP是可以复用一条数据链路的。

正是因为有了SAP的概念，才使得LLC层具有复用功能。当一个LLC层有很多的服务访问点时，不同的用户使用不同的SAP就可以请求不同的服务。例如，某些用户通过某些SAP使用互联网协议IP，另外一些用户使用IPX协议，还有的可以使用CLNS，这些不同类型的用户同时使用同一站的LLC服务，在一个局域网上互不干扰地同时工作着。

2、LLC所提供的服务 　　LLC子层向上可提供以下四种操作类型（Operation Type），实际上就是四种不同类别的服务： 操作类型1--即LLC1，不确认的无连接服务； 操作类型2--即LLC2，面向连接服务； 操作类型3--即LLC3，带确认的无连接服务； 操作类型4--即LLC4，高速传送服务。

3、LLC的PDU结构 LLC PDU的结构和HDLC非常像。由于它还要封装在MAC帧中，所以LLC PDU没有标志字段和帧校验序列字段。这样，LLC PDU共有4个字段，即目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP字段、控制字段和数据字段。下图是LLC PDU前三个字段的具体结构。

三、局域网的介质访问控制方法 　　介质访问控制方式指如何控制信号在介质上传输,常用的有CSMA/CD，Token Bus，Token Ring等。

四、IEEE 802.3，Ethernet 1、以太网的特点： 以太网是目前使用最为广泛的局域网，从70年代末期就有了正式的网络产品。以太网主要技术及其标准发展见下图

四种10BASE以太网物理性能比较 　　四种10BASE常用的以太网，它们的MAC子层和物理层中的编码/译码模块均是相同的，而不同的是物理层中的收发器及介质连接方式。下图比较了四种10BASE以太网的物理性能。

2、10BASE-T以太网系统简介 　　在LAN发展过程中，10BASE-T技术占着重要的地位，有必要对之做一下介绍。整个10BASET以大网系统由集线器、网卡（包括在地点上）以及双绞线组成。网卡与集线器之间通过RJ-45连接器连接双绞线，RJ-45接线示意图如图所示：

一个RJ-45连接器最多可连接四对双绞线，1-2，3-6，4-5，7-8分别连接一根双绞线。在10BASET上仅用了两根双绞线，即1-2及3-6。网卡与集线器双绞线连接如下图(a)所示，集线器之间的双绞线连接如下图(b)所示。在网卡上1-2双绞线作为发送用，而3-6作为接收用，而集线器却与之相反。因而集线器之间连接则可采用以下两种办法，即双绞线电缆两端RJ-45交叉连接或集线器中用开关控制。

第三节 网络互连及其设备 所谓LAN互连就是LAN之间、LAN和WAN之间、LAN和大型的主机之间设备彼此连接起来，以实现用户对所互连的网络的资源共享及通信。网络互连时，一般要通过中间设备相连，这些设备概括起来主要有：中继器（又称转发器，在物理层实现互连）、网桥（又称桥接器，在数据链路层实现互连）、路由器（在网络层实现互连）、网关（又称网间连接器或连网机，在传输层及以上的层次实现互连）等。

一、中继器 　　中继器（Repeater）又译成重发器，是最简单的连接设备，工作于网络的物理层。它的作用是对网络电缆上传输的数据信号经过放大和整形后再发送到其他电缆段上。因此，中继器实际上只能算是数字信号的再生放大器。

经过中继器连接的两段电缆上的工作站就像是在一条加长了的电缆上工作一样，在一段电缆上的冲突也将被中继器件传到另一段电缆上。用中继器扩展的网络，不管增加多大的距离范围，该网络在逻辑上和物理上都是同一个网络整体。

使用中继器注意两点：① 不能形成环路；② 考虑到网络的传输延迟和负载情况，不能无限制的连接中继器。例如：以太网用粗同轴电缆连网，电缆段最大距离为500m，细同轴电缆最大距离为185m，采用中继器扩展网络，Ethernet最多可用四个中继器。　

中继器按其接口个数可分为：双口中继器和多口中继器。前者有两个接口，一个用于输入，另一个用于输出；后者接口数大于两个，又称为集线器（Hub）。按连接的传输介质可分为：电缆中继器（用于双绞线、同轴电缆）和光缆中继器（用于连接光缆）。

二、集线器 　　集线器（Hub）又称集中器，是多口的中继器。把它作为一个中心节点，可用它连接多条传输介质。其优点是当某条传输介质发生故障，不会影响到其他的节点。集线器分为有源集线器（Active Hub）、无源集线器（Passive Hub）和智能集线器。

三、网桥 　　网桥，是用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网间的互连设备，它工作于网络的数据链路层。网桥具有寻址和路径选择功能，它能对进入网桥数据的源/目的地址进行检测。

网桥对广播信息不能识别，也不能过滤。 网桥分为本地网桥和远程网桥。本地网桥指所连接的两个LAN间的距离在LAN所允许的最大传输介质长度之内的网桥。远程网桥反之。远程网桥连接两个LAN时，必须使用调制解调器，所以在连接两个远距离的LAN时，需要两个网桥。而本地网桥只需用-个网桥去连接两个LAN或远程工作站。

四、路由器 　　按连接网络的网络层协议，路由器分为：单协议路由器（只能对具有相同网络层协议的网络互连）和多协议路由器（包括多种网络层协议）。按网络互连距离可分为远程路由器和本地路由器等等。

路由器工作于网络层，路由器的主要功能有： 　① 选择最佳的转发数据的路径，建立非常灵活的连接，均衡网络负载； 　② 利用通信协议本身的流量控制功能来控制数据传输，有效地解决拥挤问题； 　③ 具有判断需要转发的数据分组的功能，不仅可根据LAN网络地址和协议类型，而且可根据网间地址、主机地址、数据类型（如文件传输、远程登陆或电子邮件）等，判断分组是否应该转发。对于不该转发的信息（包括错误信息），都过滤掉，从而可避免广播风暴，比网桥外有更强的隔离作用，提高安全保密性能； 　④ 把一个大的网络划分为若干个子网。

五、网关 　　网关（Gateway），又称高层协议转发器。一般用于不同类型且差别较大的网络系统间的互连。又可用于同一个物理网而在逻辑上不同的网络间互连。

[章节小结] 局域网是指小范围内的计算机连网，局域网的特点是出错率低、传输速率高。根据网络的拓扑结构和传输介质，局域网有不同的访问控制方法。局域网只相当于OSI参考模型的最低2层。

[课后习题] 1、简述局域网的基本特点。 2、描述局域网IEEE802参考模型。 3、列出局域网的几种拓扑结构，并说明各自特点。 4、列举局域网的互联设备。并说明各自的功能。

网络基础课堂测试一 1、描述计算机网络的基本特征和功能 2、计算机网络为什么分层？分层的好处？ 3、分别描述OSI和TCP/IP模型？ 4、至少列举三种网络拓扑结构图？ 5、物理层的主要功能是什么？解决了什么问题？ 论述：检测网络故障的基本思路！