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1、第2章 计算机网络与因特网体系结构,2.1 计算机网络概念 2.2 因特网体系结构 2.3 OSI-RM与TCP/IP的关系2.4 TCP/IP协议簇,2.1 计算机网络概念 2.1.1 计算机网络的产生和发展,计算机技术和通信技术的发展和结合，形成了计算机网络。计算机网络是利用通信线路连接起来的，通过通信协议实现资源共享的独立的计算机的集合。20世纪50年代，为了共享远地的计算资源，将终端通过通信线路与远地的计算机相连，构成了面向终端的计算机网络。20世纪60年代末，ARPANET的出现真正标志着计算机网络的形成。,20世纪70年代，计算机网络体系结构得到了逐步完善和规范化。国际标准化组织I
2、SO推出了开放系统互连的7层参考模型。20世纪80年代，微型计算机系统的发展和普及促进了局域网的迅速崛起，形成了网络互联的格局。20世纪90年代，WWW的出现和因特网的商业化使得因特网以极其迅猛的速度向全球蔓延。局域网逐渐成了以太网的一统天下。TCP/IP也成为了进行网络互联的必选协议。进入21世纪后，无线网络的发展非常迅速，下一代网络技术的研究如火如荼。,2.1.2 计算机网络的分类,网络的拓扑图是一种抽象，主机和连网设备被抽象为点，通信线路被抽象为线。拓扑图中的点通常称为结点，结点分为：交换结点一般指进行信息转发的连网设备，访问结点一般是指使用或提供服务的主机。网络拓扑图中的线通常称为链路
3、。需要注意的是逻辑结构和物理结构的概念。按照网络的覆盖范围，网络可以划分为：广域网（Wide Area Network，WAN）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）局域网（Local Area Network，LAN）个域网（Personal Area Network，PAN）,按照网络的拓扑结构，网络可以划分为如图所示的总线型网、环型网、星型网、格状网。,2.1.3 网络协议与体系结构,1网络协议及相关概念网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。网络协议包括三个要素：语法规定了信息的结构和格式；语义表明信息要表达的内容；同步规则涉及双方的交互关系和事件顺
4、序。整个计算机网络的实现体现为协议的实现。为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集合通常称为协议簇。,协议分层的好处：网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题，从而分而治之；分层有利于网络的互联，进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次；分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的引入，不会对上层的应用协议产生影响。协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软件模块上，在网络中将这些实现特定功能的模块称为实体（Entity）。如图2-2所示，两个结点之间的通信体现为两个结点对等层（结点A的N
5、+1层与结点B的N+1层）之间遵从本层协议的通信。,各层的协议由各层的实体实现，通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为对等实体。对等实体按协议进行通信，所以协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系，严格地说，协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合。协议中的格式和语义只有对等实体能够理解。,对等实体之间数据单元在发送方逐层封装，在接收方的逐层解封装。发送方N层实体从N+1层实体得到的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。N层实体只将其视为需要本实体提供服务的数据，将服务数据单元进行封装，使其成为一个对方能够理解的协议数据单元（Protocol Data
6、 Unit，PDU），封装过程实际上是为SDU增加对等实体间约定的协议控制信息（Protocol Control Information，PCI）的过程。,2OSI体系结构网络划分为资源子网和通信子网，如图2-3所示。通信子网由通信设备和线路构成，资源子网由主机和其他末端系统构成。交换结点属于通信子网，访问结点属于资源子网。因为主机也具有通信功能，所以严格地讲，主机中负责底层通信的部分也应该属于通信子网。,20世纪70年代出现了多种网络体系结构。针对这一问题，国际标准化组织ISO提出了著名的开放系统互连参考模型ISO/OSI-RM。OSI采用了如图2-4所示的七层参考模型。,2.1.4 局域网
7、技术,个人计算机的发展和普及促进了局域网的形成。局域网的特点是：网络覆盖范围较小；数据传输速率较高；误码率低；一般为一个单位所独有。以太网是当前占主导地位的分组交换局域网技术，是由Xerox公司的Palo Alto研究中心在20世纪70年代早期发明的。Xerox公司，Intel公司和DEC公司于1978年将以太网进行了标准化。IEEE 802组织用IEEE 802.3发布了一个与这个标准兼容的标准版本。,以太网最初的设计采用总线结构，用同轴电缆作为传输介质。每根以太网电缆直径约为0.5英寸，长度约为500米。以太网的传输介质经历了由粗同轴电缆到细同轴电缆，再到双绞线(Twisted pair)
8、的发展过程。到了20世纪90年代中期时，计算机的能力迅速增强，10Mbps的以太网就难以继续胜任主干的角色了。快速以太网（100Base-T）10/100以太网千兆（吉比特）以太网数据帧的格式都是一样的,以太网为每个硬件网络接口指定一个惟一的48位二进制数作为以太网地址，该地址又称为硬件地址、物理地址、MAC地址或第二层地址。保证以太网地址全球惟一的方法是由IEEE负责分配48位地址中的前24位，生产以太网网卡和设备的厂商向IEEE购买三字节的号码，作为厂商的地址块，地址的后三个字节再由厂商进行分配。以太网目的地址可以有三种形式：单播地址、广播地址和组播地址。以太网帧大小不小于64字节，不大于
9、1518字节。,2.1.5 广域网技术,作为第一个广域网，ARPANET在研究网络寻址和路由方面起到了非常重要的作用。ARPANET是分组交换的实验床。连接ARPANET的设备是称为分组交换结点PSN的小型机，最初PSN采用1822协议在ARPANET上传输数据，但1822协议未能得到厂商的支持，因此PSN后来采用了X.25标准。ARPANET的寻址采用了层次化的地址结构，地址的一部分二进制位用于表示目的PSN，而另一部分二进制位用于表示与PSN相连的目的主机的端口。,1X.25X.25是CCITT于1976年给出的建议书。是网络与网络外部的数据终端设备DTE的接口标准。X.25自底向上由物理
10、层、数据链路层和分组层构成。X.25的物理层直接采用CCITT的X.21建议作为接口标准。X.25在数据链路层使用了高级数据链路控制规程HDLC的子集：平衡型链路接入规程LAPB。X.25的分组层在数据终端设备DTE和数据电路端接设备DCE之间建立逻辑信道。X.25支持呼叫虚电路和永久虚电路。,2帧中继FR帧中继是在X.25的基础上发展起来的，随着通信线路的逐步数字化和光纤化，传输过程中的误码率大大降低。为了降低信息的传输延迟，帧中继技术简化了中间结点在数据链路层对数据帧的差错处理，并省略了分组层的处理。帧中继的交换结点一旦识别出目的地址就立刻进行帧的转发。如果检测出差错，则将该帧丢弃。错误由
11、两端高层协议进行恢复。,3异步传输模式ATM异步传输模式是一种信元中继协议，采用面向连接的连网技术，ATM结合了电路交换的实时性和分组交换的灵活性。ATM的传输介质可以是双绞线、光纤甚至可以是无线信道，ATM交换机之间的连接通常采用光纤作为传输介质。ATM既可以构成局域网，也可以构成城域网或广域网。ATM网络的底层使用称为信元（cell）的分组。ATM信元的特点是：长度较短，并且大小固定。每个ATM信元长度为 53字节。信元包含5个字节的首部和48字节的数据。,每个信元占用一个时隙（时间片），信道中时隙的分配是根据通信量的大小和排队规则决定的。遵从先来先服务的原则，时隙的分配是不固定的，这便是
12、异步的含义，ATM采用了统计时分复用技术。由于ATM信元短小且定长，有利于进行高速数据交换。定长的首部可以简化交换机的处理过程。ATM 提供面向连接的服务。一旦连接成功，本地ATM交换机为该连接选定一个标识符。连接标识符可以循环使用。,ATM网络由一到多个高速交换机构成。一个典型的ATM网络如图2-9所示。图中UNI表示用户-网络接口，是ATM端点与ATM交换机之间的接口。NNI表示网络-网络接口，是ATM交换机之间的接口。,2.1.6 无线网络,1无线广域网WWAN（Wireless WAN）（1）蜂窝技术蜂窝技术是一种无线通信技术。这种技术将地理区域划分成若干个小区，即“蜂窝”（Cell）
13、。常见的蜂窝系统包括GSM、GPRS和CDMA。GSM意为全球移动通信系统，GSM用的是窄带TDMA。CDMA意为码分多址，是一种先进的无线扩频数字蜂窝技术，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。,3G（3rd Generation）是指第三代移动通信。第一代移动通信是模拟无线网络；第二代是数字无线网络，目前广为使用的GSM和CDMA数字手机采用的是第二代移动通信技术；第三代移动通信是指将无线通信与因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。3G具有更宽的带宽，其传输速度最低为384kbps，最高为2Mbps。目前3G的标准有：WCDMA、CDMA
14、2000、TD-SCDMA。从第二代移动通信向3G的过渡的衔接性技术是2.5G通信技术。通用分组无线业务GPRS是在GSM基础上发展起来的一种新的承载业务，是2.5G。,移动通信的分代如图2-10所示。,（2）卫星通信要想利用通信卫星进行通信，需要在地球同步轨道上放置卫星。通过卫星进行通信时，信号从地面传到卫星，经过卫星的转发，最后再回到地面。延迟是卫星通信中所倍受关注的问题。另外，系统需要卫星运行在低轨道，需要部署较多的卫星，因此投资很大。卫星通信最大的特点是可以为全球用户提供大跨度、大范围的漫游和机动灵活的移动通信服务，特别适合边远地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只、远航飞机的通信。,2无
15、线城域网WMAN（Wireless MAN）为了确保宽带无线接入设备的兼容性和互操作性，一些国际主流的通信部件及设备制造商于2001年4月发起成立了一个工业贸易联盟组织WiMAX。IEEE于2002年4月发布了工作于1066GHz频段下的IEEE 802.16标准，其初衷是为了解决“最后一英里”宽带接入的问题。IEEE于2003年1月推出了IEEE 802.16a协议，该协议是IEEE 802.16标准的扩展，IEEE 802.16a是覆盖211GHz频段的宽带无线接入技术标准，此标准解决了“最后一英里”宽带接入问题。通常IEEE 802.16a也称为WiMAX。因此，WiMAX既是一个与无线
16、城域网标准IEEE 802.16相关的互操作性组织，又是一个技术标准。,2004年7月IEEE推出了新的升级版IEEE 802.16d协议，IEEE 802.16目前仍是固定无线接入标准，虽然IEEE 802.16的传输速率很快，但在漫游方面还不能与3G形成直接竞争，IEEE 802.16及802.16a仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法充分发挥无线接入的优势、满足用户对业务移动性的需求。为此，IEEE 802工作组在IEEE 802.16/802.16a的基础上提出了IEEE 802.16e协议。IEEE 802.16e是802.16和802.16a的增补方案，它在26GHz的频段内支
17、持低速的移动终端，为用户提供了对固定和移动业务的双重支持。而支持大范围覆盖和快速漫游的将是IEEE 802.20标准。现在WiMAX还被广义地理解为IEEE 802.16标准系列的别称。IEEE的802.20工作组从2003年开始研发802.20标准，IEEE 802.20工作在3.5GHz频率以下，单用户的最高数据传输率可以超过1Mbps。支持高速移动状态下的通信连接。可以达到15公里的有效覆盖范围。,3无线局域网WLAN（Wireless LAN）无线局域网（WLAN）技术开始于20世纪80年代中期，它是随着美国联邦通信委员会（FCC）授权公共应用使用工业、科学和医学（ISM）频段而产生的
18、。（1）IEEE 802.111997年，IEEE发布了802.11协议，用于解决局域网用户的无线接入。IEEE 802.11传输速率最高只能达到2Mbps。IEEE 802.11在物理层定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩频方式（FHSS）和直接序列扩频方式（DSSS）。IEEE 802.11协议在介质访问控制（MAC）层利用载波监听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）协议，IEEE 802.11在MAC子层还提供了CRC校验和包分片功能。,CSMA/CA的数据发送过程如图2-11所示。,（2）IEEE 802.11b 是1999年9月IEEE提出的高速率协议。802.11b在802.1
19、1的1Mbps和2Mbps速率基础上增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络速率。IEEE 802.11b使用开放的2.4GHz直接序列扩频，无需直线传播。IEEE 802.11b支持动态速率调节技术，在理想状态下，用户以11Mbps的速率全速运行，当用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或受到干扰时，可将数据传输速率自动降低为5.5Mbps、2Mbps或1Mbps，当用户回到理想环境时，连接速度会增加到11Mbps。IEEE 802.11b的运作模式分为点对点模式和基本模式。,（3）IEEE 802.11aIEEE 802.11a工作在5GHz频段，采用正交频分复用技术，传输速
20、率可达到54Mbps，提供25Mbps的无线ATM接口、10Mbps以太网无线帧结构接口和TDD/TDMA的空中接口，无障碍的接入距离为30-50米，支持语音、数据、图像业务。和IEEE 802.11b相比，IEEE 802.11a在使用频率的选择和数据传输速率方面具有优势，IEEE 802.11b标准只有3个不相重叠的信道，支持6-8个通话，而802.11a标准有21个不相重叠的信道，可以同时支持25个左右的VoIP通话。但IEEE 802.11a与IEEE 802.11b不兼容、且设备较贵、点对点连接很不经济。,（4）IEEE 802.11g2003年IEEE推出了一个新标准IEEE 80
21、2.11g。它比802.11b速率快5倍，并能与802.11b兼容。与有线网络相比，WLAN具有安装便捷灵活、传输速率高、覆盖范围广、经济节约、易于扩展、支持移动等优点。IEEE 802.11定义了两种类型的设备：无线站通常是一台计算机加上一块无线网络接口卡构成，无线接入点AP(Access Point,)的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口构成，桥接软件符合IEEE 802.1d桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线网络上。,Wi-Fi（The Standard for Wireless Fideli
22、ty）是致力于推进IEEE 802.11标准的联盟。一般Wi-Fi用来特指IEEE 802.11b标准。如同WiMAX被用作IEEE 802.16标准系列的别称一样，Wi-Fi也常被用作IEEE 802.11标准系列的别称。IEEE 802.11标准系列及指标如表2-1所示。IEEE 802.11g与IEEE 802.11b兼容，而IEEE 802.11a则不能与IEEE 802.11b兼容。,4无线个域网WPAN（Wireless PAN）（1）蓝牙蓝牙（Bluetooth）技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙技术由爱立信、诺基亚、英特尔、IBM和东芝等公
23、司提出与推广。1999年，蓝牙1.0标准面世2001年年初出台了蓝牙1.1标准（信道数据传输速率为1Mbps）2001年年底又出台了蓝牙2.0标准（信道数据传输速率为2Mbps）。IEEE 802.15小组负责基于蓝牙的PAN技术。,蓝牙工作在全球公众通用的2.4GHz频段，采用跳频扩频（FHSS）技术，由于使用了比较高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。蓝牙系统很容易穿透障碍物，实现全方位的语音与数据传输。覆盖范围从10米（发射功率1mW）到100米（发射功率100mW）。由于蓝牙与IEEE 802.11b都工作在2.4GHz频段上，相互之间存在干扰。蓝牙系统结构：底层硬件模块（包括
24、无线跳频、基带和链路管理）中间协议层（逻辑链路控制、适配协议、服务发现协议、串口仿真协议等）高层应用框架(拨号网络、耳机、文件传输、局域网访问等),（2）HomeRFHomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的开放性工业标准，目的是在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。HomeRF由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康柏等公司提出，使用开放的2.4GHz频段，采用跳频扩频技术，跳频速率为50跳/秒，共有75个带宽为1MHz的跳频信道。HomeRF基于共享无线接入协议（Shared Wirdless Access Protocol，SWAP）。SWAP使用TDMACSMA/CA方
25、式，在进行语音通信时它采用数字增强无绳电话DECT标准，DECT使用TDMA时分多址技术。在进行数据通信时它采用IEEE 802.11的CSMA/CA。,在新的HomeRF2.x标准中，采用了宽带跳频（WideBandFrequencyHopping，WBFH）技术，将原来的1MHz跳频信道增加到3MHz、5MHz，跳频的速率增加到75跳/秒，数据峰值达到10Mbps。HomeRF设备通常工作在对等网络（Ad hoc）环境或者管理网络中，管理网络使用单个控制节点或连接点（Connection-point，CP）来同步所有成员，以实现话音传输。如果没有CP，HomeRF设备就只能建立仅提供数据服
26、务的对等网络。HomeRF的特点是安全可靠；成本低廉；简单易行；不受墙壁和楼层的影响；无线电干扰影响小；支持流媒体。,（3）IrDAIrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由红外线数据标准协会（InfraredDataAssociation）制定的一种无线协议。现行的IrDA传输速率为16Mbps。接收角度也由传统的30度扩展到120度。红外通信利用红外技术实现两点间的近距离通信和信息转发。它一般由红外发射系统和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，接收系统用光学装置和红外探测器进行接收。,（4）UWB超宽带无线技术（UltraWideBand，UWB）是
27、一项使用从几Hz到几GHz的宽带收发电波信号的技术。由于能够以极高的准确度确定物体及人的位置，UWB技术以前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用，2002年美国联邦通信委员会FCC将其开放用于民用用途。UWB的特点是发送输出功率很小，其传输时的耗电量仅几十微瓦，但是由于所使用的带宽高达几GHz，最大数据传输速度可以达到几十Mbps几百Mbps。但由于UWB使用的带宽非常宽，容易对其他通信方式产生干扰。,2.1.7接入网,接入网是本地交换机与用户之间的连接部分，完成交叉连接、复用和传输功能。通常由用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户/网络接口组成。分类如图2-13所示。,返回,2.
28、2 因特网体系结构 2.2.1 因特网的概念,因特网是通过网络互联技术将已有的、异构网络互联起来所构成的一个统一的一致性网络。为了实现网络的互联，必须解决三个基本问题，即协议转换、寻址和路径选择。网络的异构性主要体现在协议的不同上，必然要涉及到不同协议之间的转换问题。但在异构网络进行互联时，各个网络可能具有各自的地址结构，一般难以保证地址的全局惟一性，因此需要具有统一的地址分配和寻址机制。在多个网络进行互联时，从源网络到目的网络往往存在多条通路，在传输信息时，总希望选择最佳路径或较佳路径。因此路径的选择也是网络互联要解决的问题。,异构网络在协议上的差异通常表现为三个方面：协议层次结构的不同协议
29、功能的不同协议实施细节的不同因特网通过特定的网络互联设备网关来实现不同网络协议之间的转换。要完成协议的转换，首先要决定在哪个层次上进行转换。进行转换的层次必须满足的条件是：两个网络在该层的协议相同，而且该层以上的各层协议也相同。,通常有两种不同层次的网络互联：应用级互联是早期采用的异构网络的互联方法。这种方法适应性差，无论是增加新的应用功能，还是增加新的网络硬件，都会带来大量的应用程序编程工作量。网络级互联使底层的通信和上层的应用分开，在网络层将底层各种网络硬件进行会聚和抽象，底层网络硬件的增加只需要调整网络层就可以适应变化，上层应用所面对的是支持通用服务的通信网络。因特网采用了网络级互联技术
30、，网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，而且简化了网络互联设备。,2.2.2 因特网的特点,因特网具有以下特点：（1）因特网对用户隐藏了底层的网络技术和网络结构，在用户看来，因特网是一个统一的网络。从逻辑上看，因特网是一个虚拟网络，从物理上看，因特网是由多个物理网络互联而成。（2）因特网不限制网络的拓扑结构。（3）因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些网络受到网络协议的平等对待。（4）任何两个不相邻的网络中的计算机可以通过中间网络实现通信。,2.2.3 因特网协议分层,因特网协议通常又称为TCP/IP协议。TCP/IP协议分为如图2-15所示的4个协议层。,返回,网络接口层
31、实际上包含OSI模型的物理层和链路层，TCP/IP并未对这两层进行定义，它支持现有的各种底层网络技术和标准。该层涉及操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡。网络层又称为互联网层或IP层，该层处理IP数据报的传输、路由选择、流量控制和拥塞控制。传输层为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。TCP/IP的传输层包含传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。应用层为用户提供一些常用的应用程序，TCP/IP给出了应用层的一些常用协议规范。,2.3 开放系统互连参考模型与TCP/IP的关系,国际标准化组织的开放系统互连模型与TCP/IP协议层次的对应关系如图2-16所示。,除了层次结构方面的差异外，ISO
32、/OSI与TCP/IP还存在如表2-2所列的差异。,返回,TCP/IP是一个协议簇，其构成如图2-17所示。,2.4 TCP/IP协议簇,各协议模块之间的关系注意两点：一是应用进程可以直接与网络层的模块打交道一个下层模块要和多个上层模块进行交互。,本章要点,根据拓扑结构，计算机网络可以分为总线型网、环型网、星型网和格状网。根据覆盖范围，计算机网络可以分为广域网、城域网、局域网和个域网。网络可以划分成资源子网和通信子网两个部分。网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。网络协议包括三个要素，即语法、语义和同步规则。通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为对等实体，对等实体按协议进行通信。有线接入技术分为铜线接入、光纤接入和混合光纤同轴接入技术。,无线接入技术主要有卫星接入技术、无线本地环路接入和本地多点分配业务。网关实现不同网络协议之间的转换。因特网采用了网络级互联技术，网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，而且简化了网络互联设备。因特网对用户隐藏了底层网络技术和结构，在用户看来，因特网是一个统一的网络。因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些网络受到网络协议的平等对待。TCP/IP协议分为4个协议层：网络接口层、网络层、传输层和应用层。IP协议既是网络层的核心协议，也是TCP/IP协议簇中的核心协议。,
