手册之计算机网络.pdf

计算机网络计算机网络 目目 录录第第 1 章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构.3 1.1 计算机网络概述.3 1.2 计算机网络体系结构与参考模型.3 第第 2 章章 物理层物理层.8 2.1 通信基础.8 2.2 传输介质.11 2.3 物理层设备.11 第第 3 章章 数据链路层数据链路层.11 3.1 数据链路层的功能.11 3.2 帧定界、帧同步与透明传输.12 3.3 差错控制.12 3.4 流量控制与可靠传输机制.12 3.5 介质访问控制方法.14 3.6 局域网中的数据链路层.15 3.7 广域网中的数据链路层.17 3.8 数据链路层设备.17 第第 4 章章 网络层网络层.19 4.1 网络层的功能.19 4.2 IPv4.19 4.3 IPv6.23 4.4 路由协议.23 4.5 网络层设备.25 第第 5 章章 传输层传输层.27 5.1 传输层提供的服务.27 5.2 UDP 协议.28 5.3 TCP 协议.29 第第 6 章章 应用层应用层.33 6.1 网络应用模型.33 6.2 DNS 系统.33 6.3 FTP.34 6.4 电子邮件.35 6.5 WWW.36 第第 7 章章 总结总结.38 第第 1 章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构 1.1 计算机网络概述计算机网络概述 计算机网络的概念、组成与功能计算机网络：就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。计算机网络的功能：连通性，即信息传输计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。共享，即资源共享可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。计算机网络的组成：从物理组成来看，计算机网络包括硬件、软件、协议三大部分。从功能组成来看，定义为由若干结点和连接这些结点的链路组成。可以理解成计算机网络由通信子网和资源子网两部分组成。换言之计算机网络由核心部分和边缘部分组成。计算机网络的分类按照范围划分 局域网，广域网，城域网。计算机网络与互联网的发展历史网络发展三阶段：面向终端的网络；计算机计算机网络；开放式标准化网络。计算机网络的标准化工作及相关组织国际上制定通信协议和标准的主要组织有以下几个：（1）IEEE：（2）ISO：（3）ITU 1.2 计算机网络体系结构与参考模型计算机网络体系结构与参考模型 1.2.1 计算机网络分层结构 对于非常复杂的计算机网络协议，最好的方法是采用分层式结构。每一层关注和解决通信中的某一方面的规则。各层之间是独立的，灵活性好，结构上可以分开，易于实现和维护，促进标准化工作。1.2.2 计算机网络协议、接口、服务等概念 1协议 协议，就是规则的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。网络协议的三个要素：（1）语义（Semantics)。（2）语法（Syntax)。（3）同步即定时（Timing)。2 接口（服务访问点）接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每一层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point，SAP）进行交互。3服务（service）服务为保证上层对等体之间能相互通信，下层向上层提供的功能。第 n 层的服务访问点就是第 n+1层可以访问第 n 层服务的地方。每个服务访问点都有一个能够标识它的地址。1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型 1.ISO/OSI 参考模型各节点有相同的层次。同一节点的相邻层之间通过接口通信。下层为上层服务。ISO/OSI 参考模型 1、物理层 物理层是 OSI 参考模型的最低一层，也是在同级层之间直接进行信息交换的唯一一层。物理层负责传输二进制位流，它的任务就是为上层（数据链路层）提供一个物理连接，以便在相邻节点之间无差错地传送二进制位流。有一点应该注意的是，传送二进制位流的传输介质，如双绞线、同轴电缆以及光纤等并不属于物理层要考虑的问题。实际上传输介质并不在 OSI 的 7 个层次之内。电气特性：电缆上什么样的电压表示 1 或 0。机械特性：接口所用的接线器的形状和尺寸。过程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序以及各信号线的工作原理。功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。2、数据链路层 数据链路层负责在两个相邻节点之间，无差错地传送以“帧”为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和若干控制信息。数据链路的任务首先要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收节点发现数据有错，要通知发送方重发这一帧，直到这一帧正确无误地送到为止。这样，数据链路层就把一条可能出错的链路，转变成让网络层看起来就像是一条不出错的理想链路。3、网络层 网络层的主要功能是为处在不同网络系统中的两个节点设备通信提供一条逻辑通路。其基本任务包括路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。4、传输层 传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端（end-to-end）服务，透明地传送报文。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。该层关心的主要问题包括建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制机制等。5、会话层 负责通讯的双方在正式开始传输前的沟通，目的在于建立传输时所遵循的规则，使传输更顺畅、有效率。沟通的议题包括：使用全双工模式或半双式模式？如何发起传输？如何结束传输？如何设置传输参数就像两国元首在见面会晤之前，总会先派人谈好议事规则，正式谈判时就根据这套规则进行一样。6、表示层 表示层处理两个应用实体之间进行数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的数据格式不一致以及数据表示方法不同等问题。例如，IBM 系统的用户使用 EBCD 编码，而其它用户使用 ASCII 编码。表示层必须提供这两编码的转换服务。数据加密与解密、数据压缩与恢复等也都是表示层提供的服务。7、应用层 应用层是 OSI 参考模型中最靠近用户的一层，它直接提供文件传输、电子邮件、网页浏览等服务给用户。2.TCP/IP 模型TCP/IP 模型 1、网络接口层 在 TCP/IP 分层体系结构中，最底层是网络接口层，它 负责通过网络发送和接收 IP 数据报。TCP/IP 体系结构并未对网络接口层使用权的协议做出强硬的规定，它允许主机连入网络时使用多种现成的和流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。帧是独立的网络信息传输单元。2、网络层 网际层是 TCP/IP 体系结构的第二层，它实现的功能相当于 OSI 参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送到目的的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。（1）处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入 IP 数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。（2）处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本节点 IP 地址，则除去报头，将分组送交给传输层处理。（3）处理互联的路径、流控与拥塞问题。3、传输层 网际层之上是传输层，它的主要功能是负责应用进程之间的 端-端（Host-to-host）通信。在 TCP/IP 体系结构中，设计传输层的主要目的是在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于 会话的端-端连接。因此，它与 OSI 参考模型的传输层功能相似。TCP/IP 体系结构的传输层定义了 传输控制协议（TCP ）和 用户数据报协议（UDP）两种协议。TCP 协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机。UDP 协议是一种不可靠的无连接协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。4、应用层 在 TCP/IP 体系结构中，应用层是最靠近用户的一层。它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。其 主要协议包括：（1）文件传输协议（FTP），用于实现互联网中交互式文件传输功能；（2）简单邮件传输协议（SMTP），用于实现互联网中邮件传送功能；（3）域名系统（DNS），用于实现互联网设备名字到 IP 地址映射的网络服务；（4）超文本传输协议（HTTP），用于目前广泛使用的 Web 服务；（5）路由信息协议（RIP），用于网络设备之间交换路由信息；第第 2 章章 物理层物理层 2.1 通信基础 2.1.1 信道、信号、宽带、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念（1）信道：向某一个方向传送信息的媒体。（2）数据：信息的承载实体。（3）信号：数据的电磁或电气表现。（4）带宽：媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度；另一个定义是信道中数据的传送速率。（5）码元：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（6）波特：单位时间内传输的码元数。（7）比特率：单位时间内传输的比特数。（8）信息传播过程简单地描述为：信源信道信宿。2.1.2 奈奎斯特定理与香农定理 奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值 B 与信道带宽 H 的关系：最大数据传输率 B=2H(Baud)奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：C=2Hlog2N(bps)式中 H 为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为 Hz；N 为一个码元所取的离散值个数。香农公式-带噪信道容量公式：C=Hlog2(1+S/N)(bps)式中 S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 为信噪比，通常把信噪比表示成 10lg(S/N)分贝(dB)。2.1.3 编码与调制 1编码是要解决数字数据的数字信号表示问题，数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示，主要包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。（NRZ）：用正负电压分别表示二进制的 0、1 值；曼彻斯特编码：每一比特的中央有一变迁，可用做时钟，由高到低为“1”，由低到高为“0”；差分曼彻斯特编码：“0”和“1”的编码由编码的变化来表示，“0”表示有相变，“1”表示无相变，即延续前半个码电平。2调制就是进行波形变换，利用基带信号对高频震荡载波的参量进行修改。通过对载波的振幅、频率和初相位进行修改，分别对应了三种最基本的调制方法：调幅、调频和调相：（1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。（2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。（3）调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。2.1.4 电路交换、报文交换与分组交换 数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。1 电路交换 在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），该路径可能经过许多中间结点。该线路在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。电路交换的三个过程：电路建立：数据传输：电路拆除。2 报文交换 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。3 分组交换 分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信，如终端与主机通信。4 分组交换的两种实现方式 有无连