电气工程网络与通信第七章 计算机网络基础知识教案.docx
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电气工程网络与通信第七章计算机网络基础知识教案
第七章计算机网络基础知识
主要内容：
计算机网络的基本概念
计算机网络的参考模型和协议体系
局域网的组成
局域网的介质访问控制
常用的网络设备
重点内容：
第一节计算机网络的基本概念
一、什么是计算机网络
把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的软件和协议的管理下实现网络中资源共享的系统。
由定义可知：
（1）计算机网络是“通信技术”与“计算机技术”的结合产物
（2）以数据交换为基础，以共享资源为目的
二、计算机网络的结构
计算机网络由计算机系统、通信链路（指通信线路和通信设备）和网络节点组成。
以资源共享为主要目的地计算机网络从功能上可分为通信子网和资源子网两大部分
1、通信子网
通信子网提供网络通信功能，完成主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。
通信子网由传输和交换两部分组成。
传输部分是指高速传输线路，负责信息的传输；
交换部分指节点处理机或分组交换机，负责数据的发送、接收与转发，它涉及到路由选择、避免堵塞及有效地使用资源等问题。
例如：
路由器、交换机、HUB
2、资源子网
资源子网主要由拥有资源的计算机系统（服务器）和请求资源的用户终端（计算机）、通信子网接口和软件组成，它提供访问网络和处理数据的能力。
三、计算机网络的功能
Ø数据通信，该功能是计算机网络的基本功能。
它实现计算机与计算机、计算机与终端的数据传输。
Ø资源共享，网络上的计算机用户彼此之间可以实现资源共享，包括硬件、软件和数据等。
Ø远程传输，分布在较远距离的计算机系统和用户终端可以互相传输数据、互相交流、协调工作。
Ø集中管理，计算机网络技术的发展和应用，已使得现代办公手段、经营管理方式等发生了重大变革。
如MIS系统、OA系统和电子商务等，通过这些系统可以实现日常工作的集中管理，提高工作效率，增加经济效益。
Ø实现分布式处理计算机网络的发展使得分布式计算成为可能，对于需要巨型机、大型机才能解决的大型课题，可以分解成许许多多的小课题，分发给计算机网络上的不同的计算机完成，然后集中起来，解决问题。
四、计算机网络的分类
1、根据地域覆盖范围分类
●局域网络（LocalAreaNetworks）
是一种在小范围内实现的计算机网络。
一般在一栋建筑物内或一个事业单位等内部。
局域网距离可在十几千米范围内，信道传输速率可达1～100Mbit/s，结构简单，组网容易
●广域网络（WideAreaNetworks）
范围很广，可以分布在一个省、一个国家或几个国家。
广域网的信道传输速率较低，一般只有0.1Mbit/s以下。
●城域网络（MetropolitanAreaNetworks）
是在一个城市内部组建的计算机信息网络
2、按照交换方式来分类
●电路交换网络
电路交换是利用模拟信号来传输数据，通常数字信号需要变换成模拟信号才能在线路中传输，电路交换方式类似传统的电话交换方式
●报文交换网络
报文交换是一种数字网络，作为源的计算机发出一条报文被存储在交换设备中，而报文是不定长的，交换设备根据报文中的目的地址选择合适的路径转发报文，又称存储――转发方式
●分组交换网络
分组交换是将不定长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位，再将这些分组逐个由各中间节点采用存储――转发的方式进行传输，到达目的终端。
3、按照网络拓扑结构分类
●星型网络
节点通过点到点通信线路与中心节点连接，中心节点控制全网的通信，任何两节点间的通信都要通过中心节点。
该结构简单，易于实现，便于管理，但网络的中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。
●树型网络
树型拓扑结构可以看做是星型拓扑结构的扩展。
在该结构中，节点按层次进行连接，信息交换主要在上下节点之间进行，相邻及同层节点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。
●环型网络
节点通过点到点通信线路连接成闭合环路，环中数据将沿一个方向逐站传送。
该拓扑结构简单，传输延时确定，但环中相邻节点间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。
环节点的加入和撤出过程比较复杂。
●网状网络
在该拓扑结构中，两两节点之间进行连接。
该拓扑结构的系统可靠性高，缺点是结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制。
一般在广域网中采用该类型的拓扑结构。
4、按照网络计算模式分类
●基于服务器的网络
主要由服务器和客户工作站组成，前者提供网络资源与服务，后者共享服务器的资源与服务
●对等网络
在该网络中，各台计算机都是平等的。
任何一台计算机既是服务器又是客户机，在各自管理自己的资源和用户的同时，又可以作为客户机访问其他计算机的资源，被它访问的计算机此时便以服务器的身份出现。
●混合网络
混合网络是基于服务器和网络和对等网络相结合的产物。
服务器负责管理网络用户及重要的网络资源，工作站既可以作为客户访问服务器的资源，又可以组成对等网络，实现资源的共享。
5、按照使用介质来分类
根据是否使用有线传输介质，计算机网络可以分为有线网与无线网。
有线网一般指其通信介质采用的是有线介质，如双绞线、同轴电缆、光纤。
在这类网络中，工作站的位置一般是固定的。
为了满足人们移动上网的要求，产生了无线局域网、移动Internet、移动IP网等移动网络技术。
6、根据组建网络的组织分类
根绝组建网络的组织，计算机网络可以分为有线网与无线网。
有线网一般由政府部门、大型企事业单位或公司组建，并由他们运营和管理。
公用网内的传输和交换装置，提供给其他单位和部门租用。
专用网络是由某个单位组建的网络，所有权为该单位，由该单位独立进行运营、管理和维护。
专用网往往通过租用公用网的传输线路来实现远程组网。
第二节计算机网络的参考模型和协议体系
一、计算机网络的参考模型
1、ISO/OSI参考模型
开放系统互联参考模型（OSI/RM，OpenSystemInterconnectionReferenceModel）是国际标准化组织ISO为解决异种机互联而制定的开放式计算机网络层次结构模型。
它的最大优点是将服务、接口和协议三个概念明确区别开来。
服务是说明某一层提供什么功能，接口是说明上一层如何使用下一层的功能，而协议涉及如何实现该层的服务。
各层采用什么协议是没有限制的。
（1）OSI参考模型的分层结构
（2）OSI参考模型各层的主要功能
Ø物理层：
物理层是建立在传输介质上，实现设备之间的物理接口。
物理层提供的服务包括定义通信设备与传输线接口硬件的机械、电气、功能和规模特性；定义电位的高低、变化的间隔、电缆的类型、连接器的特性等。
物理层的主要功能是实现实体之间的按比特位传输，并保证按位传输的正确性，同时向数据链路层提供一个透明的位流传输。
Ø数据链路层：
数据链路层是实现实体间数据的可靠传输。
数据链路层的功能是实现网络体系实体间信息块的正确传输，为网络层提供可靠无错误的数据信息。
数据链路层主要解决的问题有信息模式、操作模式、传输差错恢复、流量控制、信息交换过程控制和通信控制规程等。
Ø网络层：
网络层又称通信子网层，是高层协议与低层协议之间的界面，用于控制通信子网的操作，是通信子网与资源子网的接口。
网络层的功能是向传输层提供服务，同时接收来自数据链路层的服务。
其主要功能是实现整个网络系统内的连接，为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输通路。
网络层的主要功能是提供建立、保持和释放通信连接手段，包括交换方式、路径选择、流量控制、阻塞和死锁等。
Ø传输层：
传输层是建立在网络层和会话层中间，它是计算机网络体系中高低层的接口，是整个分层体系协议的核心。
传输层获得下层提供的服务有发送和接收顺序正确的数据包分组序列，并用其构成传输层数据；获得网络层地址，包括虚拟信道号和逻辑信道号。
传输层向上层提供的服务包括无差错的有序的报文收发，提供传输连接，进行流量控制。
传输层的功能是从会话层接收数据，如果需要就把数据分成较小的数据块，并将数据传送给网络层。
Ø会话层：
所谓会话层是用于建立、管理和终止两个应用系统之间的对话，它是用户连接到网络的接口。
会话层的功能包括会话连接到传输连接的映射、会话连接的流量控制、会话连接恢复与释放、会话连接管理和差错控制。
会话层提供的服务有数据交换、隔离服务、交互管理、会话连接同步和异常报告
Ø表示层：
建立表示层的目的是处理有关被传送数据的表示问题，由于不同的计算机产品可能使用不同的信息表示标准，如在字符编码、数字表示等方面存在地差异。
通过在保持数据含义的前提下进行信息格式的转换；对数据格式的转换，一是转换成网络传输需要的格式；二是转换成计算机进行信息处理所需要的格式。
表示层的主要功能有数据语法转换、数据语法的表示、对数据进行压缩和加密、字符集转换以及图形命令的解释等。
Ø应用层：
网络应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件服务、事务处理等。
它包括若干个独立的、用户通用的服务协议模块。
它是OSI的最高层，也是功能最丰富、实现最复杂的一层。
OSI参考模型各层功能小结
名称
功能
应用层
与用户应用进程接口，提供分布式信息服务
表示层
数据格式的转换，以便为应用程序提供通用接口，提供加密、解密服务
会话层
提供在应用程序之间通信的控制结构，在协同工作的应用程序之间建立、
管理和释放连接，即会话的管理和数据传输的同步
传输层
端到端经网络透明地传输报文，提供端到端的差错恢复和流量控制
网络层
分组传输和路由选择，使高层与数据传输和用来连接系统的交换技术无关
数据链路层
在链路上无差错地传送一帧一帧的信息，在此层将数据分帧，并处理流控制，
本层指定拓扑结构并提供硬件寻址。
物理层
将比特流送到物理介质上传送，关心在物理媒介上非结构的比特流的传
输；考虑接入物理媒质的机械、电气、功能和过程特性
（3）OSI模型中系统互联中的数据流动过程
发送端的应用进程PA将用户数据先送到应用层；应用层加上若干比特的协议控制信息（PCI，ProtocolControlInformation）后，作为应用层的协议数据单元（ProtocolDataUnit）传送到表示层；表示层接收到这个数据单元后，成为表示层的服务数据单元SDU，再加上表示层的协议控制信息PCI，成为表示层的协议数据单元，再交给会话层、成为会话层的服务数据单元，依次类推。
（1）计算机A的应用进程事先将数据交给应用层，接下来的过程如下：
◆数据为应用层信元，应用层报头添加到数据；
◆数据为表示层信元，表示层报头添加到数据；
◆数据为会话层信元，会话层报头添加到数据；
◆数据为数据报，传输层报头添加到数据；
◆数据为数据包，网络层报头添加到数据；
◆数据为帧，数据链路层报头添加到数据；
◆数据为比特流，添加物理控制报头。
（2）当这一串比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从第1层依次上升到第7层，每一层根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将该层剩下的数据单元上交给更高层。
过程如下：
◆来自比特流的数据装配为帧，去掉控制数据；
◆数据装配为数据包，去掉数据链路层报头；
◆数据装配为数据报，去掉网络层报头；
◆数据装配为会话层信元，去掉传输层报头；
◆数据装配为表示层信元，去掉会话层报头；
◆数据装配为应用层信元，去掉表示层报头；
◆装配最终数据，去掉应用层报头。
2、TCP/IP参考模型
（1）参考模型的结构
（2）TCP/IP参考模型各层的功能
●网络接口层
该层主要负责把IP分组发送到网络传输介质上以及从网络传输介质上接收IP分组。
TCP/IP协议的设计独立于网络访问方法、帧格式和传输介质。
因此，TCP/IP协议可以用来连接不同类型的网络，包括局域网（如以太网、令牌环网等）和广域网（如X.25、帧中继等），并独立于任何特定的物理网络，使得TCP/IP协议能运行在原有的和新型的物理网络之上。
实际上，TCP/IP协议并没有为网络接口层定义任何协议，它仅定义了与不同的网络进行连接的接口，所以这一层被称为网络接口层。
Internet层（IP层）
互联网层的主要功能是寻址、打包和路由选择。
该层的核心协议是IP（InternetProtocol，网际协议），另外还有ARP、RARP、ICMP以及IGMP等。
IP协议负责将数据分组从源主机传输到目的主机，无论中间经过什么样的网络或经过多少网络。
主要功能有IP寻址、路由选择、分段及重组。
IP提供无连接服务，因此任何数据在传输之前，不需要首先建立一条穿过网络到达目的地的通路或路由。
此外，IP既不能保证传输的可靠性，也不保证分组按正确的顺序到达目的地，甚至不能保证分组能够到达目的地。
互联网层使用Internet控制报文协议（InternetControlMessageProtocol，ICMP）为路由器提供机制，以便向请求传输路由信息或路由可达性状态信息的其他路由器或主机提供这些信息。
还包括为其他节点通告当前时间等功能。
ICMP报文封装在IP分组中进行传输
地址解析协议（AddressResolutionProtocol，ARP）负责将IP地址解析为主机的物理地址，以便于物理设备（如网卡）按该地址发送和接收数据。
逆向地址解析协议（ReverseAddressResolutionProtocol，RARP）负责将物理地址解析成IP地址。
●传输层（TCP层）
传输层协议负责为在源节点和目的节点的两个进程实体之间提供端到端的数据传输。
为了保证数据传输的可靠性，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假定报文丢失，必须重新发送。
传输层还要解决不同应用进程的标识问题，因为在计算机中，常常是多个应用进程同时访问网络，为了区别各个应用进程，传输层在每一个报文中增加了用于识别信源和信宿应用进程的标记。
该层的传输协议包括：
传输控制协议（TransmissionControlProtocol，TCP）和用户数据报协议（UserDatagramProtocol，UDP）。
TCP协议是一个可靠的、面向连接的传输层协议。
在发送方，TCP将用户提交的字节流分割成若干个独立的报文并传递给互联网层进行发送；在接收方，TCP将所接收的报文重新装配并交付给接收用户。
TCP还要进行流量控制，以防止由于来不及处理发送方发来的数据而造成缓冲区溢出。
UDP协议是一个不可靠、无连接的传输层协议。
UDP协议将可靠性问题交给应用程序解决。
UDP协议主要面向请求/应答式的事务型应用。
应用层
应用层为用户的应用程序提供了访问网络服务的能力并定义了不同主机上的应用程序之间交换用户数据的一系列协议。
TCP/IP中常用的应用层协议：
●超文本传输协议（HTTP）
●文件传输协议（FTP）
●简单邮件传输协议（SMTP）
●邮局协议（POP）
●终端仿真（或虚拟终端）协议（TELNET）
●域名系统（DNS）
（3）TCP/IP参考模型的工作过程
TCP/IP的工作是“自上而下，自下而上”的过程。
1应用层将数据流传递给发送方的传输层。
2传输层将接收的数据流分解成以若干字节为一组的TCP段，并在每一段增加一个带序号的控制头，然后传递给网际IP层。
3IP层在TCP段的基础上，再增加一个含有发送方和接收方IP地址的包头，同时还要明确接收方的物理地址及到达目的的主机路径，然后将此数据包和物理地址传递给网络接口层。
4在网络接口层接收IP数据包并通过特定的网络传输到接收方计算机。
5接收方计算机先把接收到的IP数据包的协议控制信息丢掉，再把它传送给IP层。
6在IP层先检查IP包头的校验和，如果IP包头的校验和与IP层算出的校验和相匹配，那么取消IP包头，再把余下的TCP段传递给TCP层，否则舍弃此包。
7在TCP层，先检查TCP包头和数据的校验和，如果与TCP层算出的校验和相匹配，丢掉TCP包头，将真正的数据传递给应用层，否则舍弃此包。
二、计算机网络系统协议
（一）协议的基本概念
协议是一组规则的集合，是进行交互的双方必须遵守的约定。
协议由语义、语法和规则三要素组成。
语义用于协议元素含义的说明；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遵循的格式；规则就是规定了事件的执行顺序。
●协议堆栈
OSI模型的不同层包含了各种各样的协议，OSI模型中的某一层的功能正是由该层内的协议提供的。
不同层的各种协议在一起协同工作，构成了“协议堆栈”或“协议套件”。
●网络数据包
网络的主要任务是发送和接收数据包。
数据包在发送方堆栈依次向下移动时，网络协议对这些数据包进行构造、修改及分解处理，然后在网络里传输，最后在接收方堆栈里向上沿反方向移动。
●数据包的结构
由信息头、数据和信息尾三个区域组成，它由一个标识发送方计算机的源地址、一个标识接收方计算机的目标地址、特殊指令、装配信息、数据和出错检查信息组成。
●数据包的装配
对于每一层添加的信息来说，其具体的含义将由目标计算机的OSI同层级来读解。
●路由选择
路由选择是通信子网中的中继节点在收到一个报文分组后，决定下一个转发的中继节点通过哪一条输出链路传送所使用的方法。
●无连接和面向连接的服务
面向连接的服务又称虚电路服务，它具有网络连接建立、数据传输和网络连接释放三个阶段，是可靠的报文分组按顺序传输的方式，适用于定对象、长报文、会话型传输要求。
无连接服务是指两实体间通信不需要事先建立好一个连接。
它由数据报（Datagram）、确认交付（Confined）与请求回答（RequestReply）三种类型。
（二）OSI模型的协议堆栈
●物理层协议
●数据链路层协议
1、高层数据链路控制规程HDLC
HDLC的功能：
发生器可以发送连续的数据帧，直到接收端发出再传送请求时才中断原来的发送；它既可以全双工发送，也可以半双工发送；同时采取“0”插入法来实现信息的透明性传输。
HDLC的内容分为三个主要部分：
帧结构、操作要素和规程类型
HDLC的适用范围
计算机——计算机
计算机——终端
终端——终端
数据站（简称站station），由计算机和终端组成，负责发送和接收帧。
HDLC涉及三种类型的站：
主站（primarystation）：
主要功能是发送命令（包括数据），接收响应，负责整个链路的控制（如系统的初始、流控、差错恢复等）；
次站（secondarystation）：
主要功能是接收命令，发送响应，配合主站完成链路的控制；
组合站（combinedstation）：
同时具有主、次站功能，既发送又接收命令和响应，并负责整个链路的控制。
HDLC的帧结构
定界符：
01111110，空闲的点到点线路上连续传定界符
地址域（Address）：
多终端线路，用来区分终端；点到点线路，有时用来区分命令和响应。
若帧中的地址是接收该帧的站的地址，则该帧是命令帧；若帧中的地址是发送该帧的站的地址，则该帧是响应帧。
控制域（Control）：
用来表示各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制，是HDLC规程的关键。
数据域（Data）
任意信息，任意长度（上层协议SDU有上限）
帧校验序列（FCS）：
采用16位CRC检验码进行差错控制
HDLC的基本操作模式
Ø 正规响应模式NRM（NormalResponseMode）
适用于点－点式和多点式两种非平衡构型。
只有当主站向次站发出探询后，次站才能获得传输帧的许可。
Ø 异步响应模式ARM（AsynchronousResponseMode）
适用于点－点式非平衡构型和主站－次站式平衡构型。
次站可以随时传输帧，不必等待主站的探询。
Ø 异步平衡模式ABM（AsynchronousBalancedMode）
适用于通信双方都是组合站的平衡构型，也采用异步响应，双方具有同等能力。
2、串行线路因特网协议
点到点通信的两种主要情形
路由器到路由器（router-routerleasedlineconnection）
通过modem拨号上网，连到路由器或接入服务器（dial-uphost-routerconnection）
点对点的数据链路协议
主要有SLIP和PPP两种协议，由于SLIP存在许多问题，所以目前广泛使用PPP协议。
PPP协议提供了串行点对点链路上传输数据报的方法。
SLIP——SerialLineIP
1984年，RickAdams提出，SLIP只是一个包组帧协议，仅仅定义了在串行线路上将将数据报封装成帧的一系列字符。
不提供寻址、包类型标识、错误检查/修正或者压缩机制。
存在的问题
⏹不提供差错校验
⏹只支持IP
⏹IP地址不能动态分配
⏹不提供认证
⏹多种版本并存，互连困难
点到点协议PPP（Point-to-PointProtocol）
与SLIP相比，PPP有很大的提高，提供差错校验、支持多种协议、允许动态分配IP地址、支持认证等。
以帧为单位发送，而不是原始IP包；
包括两部分
链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）
可使用多种物理层服务：
modem，HDLC串线，SDH/SONET等
网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）
可支持多种网络层协议
帧格式与HDLC相似，区别在于PPP是面向字符的，采用字符填充技术
PPP协议提供了串行点对点链路上传输数据报的方法。
标记域：
01111110，字符填充；
地址域：
11111111
控制域：
缺省值为00000011，表示无序号帧，不提供使用序号和确认的可靠传输；不可靠线路上，也可使用有序号的可靠传输。
协议域：
指示净负荷中是何种包，缺省大小为2个字节。
净负荷域：
变长，缺省为1500字节；
校验和域：
2或4个字节
●网络层协议
网络层是OSI七层协议模型中的第三层，它是主机与通信子网的接口。
其主要目的是提供逻辑信道，复用物理链路、建立点到点间的网络连接、进行用户数据的传输、实现网络连接的重置、通知不可恢复的错误，实施流量控制和路径等。
网络层有代表性的标志协议是CCITT的X.25协议。
它用于分组交换通信，是网络层的主要标志。
X.25由三级组成，第一级为物理级，提供同步的、全双工、点对点的串行比特流传输；第二级为链路级，它描述了DTE与DCE之间链路存取规程，采用平衡链路接入规程（LAPB）定义帧结构；第三级为分组级，它描述DTE与DCE之间分组级接口控制规程。
●传输层协议
传输层协议是端－端协议
传输地址：
传输层提供通信用的全部地址细节。
例如，CCITT建议X.21规定了14位十进制数字的地址。
其中1、2、3为是国家编号，4为是网络号，它们组成数据网的识别码；5～14为是国内网编号。
作用：
进行传输连接，实现传输层的正常传送，处理下层不可恢复的错误和实施流量控制等。
●会话层协议
会话层的任务是提供一种有效方法，以组
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