计算机网络概述

计算机网络概述



一、计算机网络概述

计算机网络主要解决资源最大限度地共享和防止不良用户对网络资源的破坏，对未授权用户的资源共享的限制，以保证网络安全。

二、计算机网络的产生和发展



三、计算机网络的功能

1、 资源共享：资源包括（1）数据（2）信息（3）软件（4）硬件设备

2、 数据通信：信息查询与检索、文件传输与交换、电子数据交换、电子邮件、远程登录、信息点播、远程教学、可视会议、虚拟现实、办公自动化、电子公告牌BBS、QQ聊天、交互式网络游戏

3、 集中管理：

4、 增加可靠性

5、 提高系统的处理能力

6、 安全功能

四、计算机网络的组成

计算机网络系统由通信子网和资源子网组成的，一个计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网，而把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。

资源子网主要负责全网的信息处理，为网络用户提供网络服务和资源共享功能等。通信子网主要负责全网的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和转换等通信处理能力。

通信子网又可分为“点－点通信线路通信子网”与“广播信道通信子网”，广域网采用点对点通信线路，局域网与城域网采用广播信息。

1、 网络软件

为了协调系统资源，系统需要通过软件工具对网络资源进行全面的管理、调度和分配，并采取一系列的安全保密措施，防止用户对数据和信息进行不合理的访问，以防数据和信息的破坏与丢失。网络软件包括以下4个方面

网络协议和协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理及网络应用软件

网络软件的特点：

网络管理软件所研究的重点不是网络中互连的各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网络特有的功能

2、 网络硬件

网络硬件是计算机网络系统的物理基础。

线路控制器LC、通信控制器CC、通信处理机CP、前端处理机FEP、集中器C、多路选择器MUX、主机Host、终端T

五、计算机网络的定义

计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个系统互连起来。以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。

涉及4个方面

（1） 至少两台计算机以及其他设备互连

（2） 通信设备和线路介质

（3） 网络软件、通信协议和NOS

（4） 联网计算机的“独立自治”性，主要是为了将计算机网络与主机加终端构成的分时系统以及与主机加从属计算机构成的主从式系统区分开

六、计算机网络的分类

根据地理范围分类：

局域网、城域网、广域网

根据网络传输介质分类：有线网（双绞线、同轴电缆、光纤）和无线网（微波线道：移动电话网、无线电视网、卫星通信网；红外线通信）

根据拓扑结构分类：星型网络、总线型网络、树型网络、环型网络、网状型网络）

根据网络的通信方式分类：点对点传输网络和广播式传输网络

按网络的使用目的分类：共享资源网、数据处理网、数据传输网

按网络的服务方式分类：C/S模式、B/S模式、对等网

面授辅导二计算机网络体系结构

计算机网络体系结构采用分层结构，定义和描述了用于计算机及其通信设备之间互连的标准和规则的集合。按照这组规则可以方便地实现计算机设备之间的数据通信。

一、网络体系结构及协议的概念

计算机网络的层次结构：

为降低系统的设计和实现难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化设计，将整体功能分为几个相对独立的子功能层次，各个功能层次间进行有机地连接，下层为其上一层提供必要的功能服务。每一个层次功能中，通信双方共同遵守该层次的约定和规程，这些约定和规程称为同层协议。层次之间逐层过渡，上一层向下一层提出服务要求，下一层完成上一层提出的要求。这种两个相邻层次之间要完成的过渡条件，叫做接口协议。

原则：

（1） 根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定

（2） 每层功能的选择应有利于标准化；

（3） 不同的系统分成相同的层次，对等层次的实现是不可见的

（4） 高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的

（5） 层的数目要适当，层次太少功能则不明确，层次太多体系结构则过于庞大。

网络协议：

实体是层次模型中每一层用于实现该层功能的活动元素，包括该层上实际存在的所有硬件与软件

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实体

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，为进行网络中信息交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议

网络协议由语法、语义、语序3大要素构成

语法包括数据与控制信息的结构格式和信号电平等

语义是指协议语法成分的含义，包括协调用的控制信息和差错管理用的控制信息

语序包括时序控制和速度匹配关系

注：协议与服务的区别：

（1） 协议的实现保证了能够向上一层提供的服务，本层服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的服务用户是透明的

（2） 协议是水平的，而服务

是垂直的。协议是对等实体之间进行通信的控制规则；服务是由下层通过层接口提供的

SAP：服务访问点，同一系统中相邻的两层实体进行信息交换的地方称为服务访问点。

各层提供的服务分为面向连接的和无连接服务两大类。

面向连接的服务具有连接建立、数据传输和连接释放3个阶段。

网络体系结构

网络体系结构是从层次结构及功能的角度来研究和设计计算机网络体系的，并不涉及每一层的硬件和软件的组成，更不涉及这些硬件和软件本身的实现问题。核发是网络系统的逻辑结构和功能分配定义，即描述实现不同计算机系统之间互连和通信的方法和结构，是层和协议的集合，通常采用结构化设计方法，将计算机网络系统划分成若干个功能模块，形成层次分明的网络体系结构。

二、开放系统互连参考模型

简称OSI

开放指只要遵循OSI标准，就能使任何两个系统进行连接

系统是指在现实的系统中与互连有关的各部分

互连是指将不同的系统互相连接起来，以达到相互交换信息、共享资源、分布应用和分布处理的目的

网络体系结构得到广泛应用的是TCP/IP体系结构

1、 OSI参考模型划分原则

网络中所有节点都划分为相同的层次结构，每个相同的层次都有相同的功能

同一节点内各相邻层次间可通过接口协议进行通信

每一层使用下一层提供的服务，并向它的上层提供服务

不同节点的同等层次按照协议实现同等层之间的通信

2、 OSI七层结构参考模型

由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

3、 OSI参考模型各层的功能

每一层都有它自己必须实现的一系列功能，以保证数据报能从信源传输到目的地

① 物理层

直接面向比特流的传输

物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题；物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气功能和规程特性

② 数据链路层

负责建立相邻节点之间的数据链路，提供节点间可靠的数据传输。数据链路层在数据传输过程中提供了CRC校验、差错控制、流量控制等机制

③ 网络层

数据在网络层被转换成数据分组，然后在通信子网中选择一条合适的路径、使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。网络层的控制有路径选择、流量、差错、顺序、进/出路由等控制，通过路由算法，为分组选择最佳路径，还要执行阻塞控制与网络互连等功能。

④传输层

负责端到端节点间数据传输和控制功能的层，它下面3层主要面向网络通

信，与数据传输问题相关，上面3层面向用户主机，与应用问题无关

为会话层提供端到端的可靠数据传输服务，为会话层屏蔽传输层以下的数据通信细节，依靠下面3个层次控制实际的网络通信操作来完成数据从信源到目标的传输。传输层执行端到端的差错、顺序和流量控制等机制，并管理多路复用等。

⑤会话层

负责在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，以保证会话数据可靠传输。

⑥表示层

功能是使在不同系统间传输的不同信息能够相互理解对方数据的含义，以实现不同计算机系统间的信息交换。负责将数据转换为发送方和接收方都能识别的格式，表示层还负责数据的加密和解密、数据压缩和恢复

⑦应用层

是靠近用户的一层，负责为用户的应用程序提供网络服务，应用层只为OSI模型以外的应用程序提供服务。应用层包含大量的协议如telnet、smtp、snmp、http等

（1） 从功能角度看，物理层、数据链路层、网络层和传输层主要提供数据传输功能，以通信为主；会话层、表示层和应用层以提供使用者与应用程序间的处理功能为主

（2） 从网络产品角度看，物理层、数据链路层和网络层直接制作在网卡上，其余四层则由网络操作系统来控制

4、 开放系统互连环境

（1） 在一个计算机中和互连有关的部分处于开放系统互连环境中，计算机中应用进程等与互连无关的部分不属于开放系统互连环境

（2） 数据通信网中的交换节点只包含下面3个层次，又称为中继开放系统

（3） 开放系统互连环境不包括数据通信网的物理媒体

（4） 信息传递的路线是应用进程PA从发送端的第7层向下依次传递到第1层然后通过网络的物理媒体传到第1个节点。从节点的第1层上升到第3层，完成路由选择后，再下到第1层，然后通过网络传到第2个节点。最后传到接收端，从第1层上升到第7层后到达应用进行pB

（5） 网络环境包含了第1层到第4层，包括了中继开放系统和整个网络的物理媒体

（6） 在互连过程中，应用进程或本地用户能看见自己本地系统的管理模块、还可以通过第7层看到对方用户的映像

三、TCP/IP体系结构

1、TCP/IP概述

即传输控制协议/网际协议，它源于ARPANET网。TCP/IP是一组通信协议的代名词，这组协议使任何具有网络设备的用户都能访问和共享Internet上的信息，其中最重要的协议族是传输控制协议（TCP）和网际协议（IP）。TCP和IP是两个独立且紧密结合的协议，负责管理和引导数据报文在internet上的传输。TCP负责和远程主机的连接，IP负责寻址，

使报文被送到该去地方。

2、TCP/IP层次结构

由下到上分别为网络接口层、网络层、传输层、应用层，每一层负责不同的通信功能。

① 网络接口层

负责网络层与硬件设备间的联系，接收从网络层交来的IP数据报并将IP数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧、抽出IP数据报，交给网络层。网络接口层使采用不同技术和网络硬件的网络之间能够互连，它包括属于操作系统的设备驱动器和计算机网络接口卡，以处理具体的硬件物理接口。

② 网络层

是整个体系结构的关键部分，负责独立地将分组从源主机送往目的主机，涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关

③ 传输层

解决计算机程序到程序之间的通信问题，是在源节点和目的节点两个对等实体间提供可靠的“端到端”的数据通信。传输层协议还提供了确认、差错控制和流量控制等机制。传输层从应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误

④ 应用层

为用户提供网络应用，并为它些应用提供网络支撑服务，把用户的数据发送到低层，为应用程序提供网络接口，应用程序和传输层协议相配合，完成发送或接收数据。应用层中要处理高层协议、数据表达和对话控制等任务。

四、TCP/IP体系结构各层协议

1、网络接口层协议

包括各种物理网协议

2、网络层协议

主要协议有4个：IP、ARP、RARP和ICMP

网际协议：

规定了网络层数据分组的格式，IP协议主要用来在内部网中交换数据，并负责路由选择，又称为互联网协议，是支持网间互连的数据报协议，可提供网间连接的完善功能，包括IP数据报规定互联网范围内的IP地址格式

IPV4：32位，分为四段，中间用小数点隔开

（1） A类:网络号占1字节,以0开头(1~127),主机号占3个字节,A类允许有126个网段,

（2） B类:网络号占2字节,以10开头(128~191),主机号占2个字节,B类允许有16384个网段,每个网络允许有65533台主机

（3） C类:网络号占3字节,以110开头(192~223),C类网络号允许有254台主机

Internet控制消息协议

主要提供网络控制和消息传递协议,ICMP是一个支持性协议,它能利用IP数据报在传输时控制信息和错误信息的传输.

地址解析协议:

ARP主要用于将逻辑地址解析成物理地址,ARP协议主要用于将网络中的IP地址解析成硬件地址(MAC地址),以保证通信的顺利进行.

工作原理

(1) 首先,每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表,以表示IP地址和MAC地址的对应

关系

(2) 当源主机需要将一个数据包发送到目的地址时,会首先检查自己的ARP列表中是否存在IP地址所对应的MAC地址.如果有,就直接将数据包发送到这个MAC地址,如果没有,就向本地网段发起一个ARP请求广播包,查询此目的主机对应的MAC地址.ARP请求数据包包括源主机的IP地址、MAC地址和目的主机的IP地址

(3) 网络中所有的主机收到这个ARP请求后，都会检查数据包中的目的IP地址是否和自己的IP地址一致，如果不相同，该主机就忽略此数据包，如果相同，该主机就首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP地址信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找MAC地址。

(4) 源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，则表示ARP查询失败。

反向地址解析协议

通过RARP广播将物理地址解析成逻辑地址

3、传输层协议

传输控制协议（TCP）：

是面向连接的协议，它用三次握手和滑动窗口机制来保证传输的可靠性和进行流量控制。TCP将数据流分成小段叫做TCP数据段，并利用IP协议进行传输，TCP将数据段装在一个IP数据报或多个数据报进行发送，IP数据报则与同一网络不同主机间传输位流和字节流的物理数据帧相容。TCP会在接收端装配TCP数据段，并形成一个不间断的数据流，以保证接收的数据报的顺序一致。TCP是一个可靠的协议，它通过错误检查和握手确认来保证数据完整地到达目的地；UDP是一个不可靠的协议，它不能保证数据报的接收顺序和发送顺序相同，甚至不能保证它们是否全部到达。

序号用来标识从TCP发送端向TCP接收端的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。

URG：紧急指针有效

ACK：确认序号有效

PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层

RST：重建连接

SYN：同步序号用来发起一个连接

FIN：发送端完成发送任务

6个标志比特，设置为1表示有效

TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供，窗口大小为16位的字段，大小最大为65535字节

检验和覆盖了整个的TCP报文段，包括TCP首部和TCP数据

紧急指针只有当URG为1时才有效

用户数据报协议（UDP）

是面向无连接的不可靠的传输层协议，UDP协议主要用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用，属于传输层协议

UDP协议主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式，每一个数据报的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用

来包含具体的传输数据。UDP报头由源端口号、目标端口号、数据报长度、检验值；TCP/UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道，利用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送方将UDP数据报通过源商品发送出去，而数据接收方通过目标端口接收数据，UDP端口范围是0到65535，数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数，UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全

4、应用层协议

文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、远程登录（TELNET）、应用支撑协议：域名服务DNS、简单网络管理协议（SNMP）

五、OSI/RM与TCP/IP参考模型的比较

1、相似点：

两者均采用了层次结构，存在相类似的传输层和网络层；两者都有应用层，虽然所提供的服务有所不同，两者均是一种基于协议数据单元的包交换网络，作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性

2、不同点

（1）层次不同

（2）OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务，而在传输层仅支持面向连接服务。TCP/IP模型在网络层只支持无连接一种服务，但在传输层支持面向连接和无边两种服务

（3）TCP/IP由于有较少的层次，因而更简单

六、TCP/IP基本工作原理综述

1、TCP三次握手

TCP在传输数据时是分段进行的，主机交换数据必须建立一个会话，在会话初期，一次正常的TCP传输需要通过在TCP客户端和TCP服务端建立特定的虚电路连接来完成，该过程被称为“三次握手”通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。TCP是使用IP的网间互联功能而提供可靠的数据传输，IP不停地把报文放到网络上，而TCP是负责确信报文到达。在协同IP的操作中，TCP负责握手过程、报文管理、流量控制、错误检测和处理，可以根据一定的编号顺序对非正常顺序的报文给予重新排列顺序。TCP通过数据分段中的序列号保证所有传输的数据可以在远端按照正常的次序进行重组，而且通过确认保证数据传输的完整性。

第一步：客户端向服务端提出连接请求，这时TCP SYN（同步标志）置位，客户端告诉服务端序号区域合法，需要检查

第二步：服务端收到该TCP分段后，以自己的ISN回应（SYN标志置位），同时确认收到客户端的第一个TCP分段

第三步：客户端确认收到服务端的ISN（ACK标志置位），到此为止，即建立了完整的TCP连接，开始全双工模式的数据传输过程



2、TCP标志

（1）SYN 同步标志
（2）ACK 确认标志

（3）RST 复位标志

（4）URG 紧急标志

（5）PSH：推标志

（6）FIN：结束标

志

3、TCP端口

任一时刻的互联网连接可以由4个数字进行描述，来源IP地址和来源端口、目的IP地址和目的端口，它们位于不同的系统平台，用来提供服务的一端通过标准端口提供相应的服务。