《網(wǎng)絡互聯(lián)技術與實踐》第一章

第一章計算機網(wǎng)絡基礎知識本章學習目標了解計算機網(wǎng)絡發(fā)展歷史掌握計算機網(wǎng)絡定義及分類熟悉常見的交換技術，了解計算機網(wǎng)絡性能指標精通計算機網(wǎng)絡拓撲結構及其特點掌握計算機網(wǎng)絡體系結構精通IP地址編址方案1.1計算機網(wǎng)絡發(fā)展歷史1.1.1計算機網(wǎng)絡發(fā)展計算機網(wǎng)絡的發(fā)展歸納起來大致經(jīng)歷以下五代第一代計算機網(wǎng)絡（早期的計算機網(wǎng)絡）第二代計算機網(wǎng)絡（遠程大規(guī)?；ヂ?lián)）第三代計算機網(wǎng)絡（計算機網(wǎng)絡標準化階段）第四代計算機網(wǎng)絡（局域網(wǎng)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)）第五代計算機網(wǎng)絡（下一代計算機網(wǎng)絡）1.1.2互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)過以下3個階段第一階段：從單個網(wǎng)絡ARPAnet向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程第二階段：建成三級結構的互聯(lián)網(wǎng)。三級為：主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng)（或企業(yè)網(wǎng)）。第三階段：逐漸形成了多層次互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（ISP：InternetServiceProvider）結構的互聯(lián)網(wǎng)。1.2計算機網(wǎng)絡定義及類型1.2.1計算機網(wǎng)絡概念

計算機網(wǎng)絡的定義具有時代性，目前為止沒有形成標準統(tǒng)一的定義，普遍定義是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。計算機網(wǎng)絡的分類

局域網(wǎng)——LAN（LocalAreaNetwork），指覆蓋范圍較小，通常指幾千米以內，一般位于一個建筑物或一個單位內的網(wǎng)絡。局域網(wǎng)是比較常見的應用較廣的網(wǎng)絡。局域網(wǎng)隨著整個計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展和提高得到充分的應用和普及，幾乎每個單位都有自己的局域網(wǎng)。甚至有些家庭中也有自己的小型局域網(wǎng)。

城域網(wǎng)——MAN（MetropolitanAreaNetwork），覆蓋范圍介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間，通常是在一個城市內的網(wǎng)絡連接（距離為10KM左右）。MAN與LAN相比擴展的距離更長，連接的計算機數(shù)量更多，在地理范圍上可以說是LAN網(wǎng)絡的延伸。在一個大型城市或都市地區(qū)，一個MAN網(wǎng)絡通常連接著多個LAN網(wǎng)絡。

廣域網(wǎng)——WAN（WideAreaNetwork），分布距離遠，通過各種類型的串行連接以便在更大的地理區(qū)域內實現(xiàn)接入。它一般是在不同城市之間的LAN或者MAN網(wǎng)絡互連，地理范圍可從幾百公里到幾千公里。1.3交換技術及計算機網(wǎng)絡性能指標1.3.1交換技術1．電路交換

電路交換首先要求在通信雙方之間建立連接通道。在連接建立成功之后，雙方的通信活動才能開始。通信雙方需要傳遞的信息都是通過已經(jīng)建立好的連接來進行的，并且這個連接也將一直被維持到雙方的通信結束。在某次通信活動的整個過程中，該連接將始終占用連接建立開始時通信系統(tǒng)分配給它的資源。電路交換往往基于電話網(wǎng)進行。電路交換的優(yōu)缺點總結如下：

電路交換的優(yōu)點有：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速、延遲小、有序，能實現(xiàn)透明傳輸。

電路交換的缺點有：帶寬固定，網(wǎng)絡資源利用率低，浪費嚴重，初始連接建立慢。由于計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，所以電路交換不適合計算機網(wǎng)絡。2．報文交換

以報文為單位存儲轉發(fā)，是分組交換的前身。它采用“存儲-轉發(fā)”方式進行傳送，無需事先建立線路，事后更無需拆除。報文交換同樣不適合計算機網(wǎng)絡。

報文交換的優(yōu)缺點總結如下：

報文交換的優(yōu)點有：多路復用，網(wǎng)絡資源利用率高，消息完整。

報文交換的缺點有：延遲大，實時性差，通信不可靠，設備功能較復雜。3．分組交換

以分組為單位存儲轉發(fā)，把欲發(fā)送的報文分成一個個的“分組”在網(wǎng)絡中傳送。分組交換適用于計算機網(wǎng)絡，在實際應用中有兩種類型：虛電路方式和數(shù)據(jù)報方式。分組交換的優(yōu)缺點總結如下：

分組交換的優(yōu)點有：數(shù)據(jù)傳輸可靠，迅速，線路利用率高。因為分組是逐個傳輸，可以使后一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發(fā)操作并行，采用流水線式傳輸方式減少了報文的傳輸時間。另外，傳輸一個分組所需的緩沖區(qū)比傳輸一份報文所需的緩沖區(qū)小得多，這樣因緩沖區(qū)不足而等待發(fā)送的機率及等待時間也必然少得多。

分組轉發(fā)的缺點有：仍存在存儲轉發(fā)時延，結點交換機必須具有更強的處理能力。

分組交換與報文交換一樣，每個分組都要加上源、目的地址和分組編號等信息，一定程度上降低了通信效率，增加了處理時間，使控制復雜，增加了時延。當分組交換采用數(shù)據(jù)報服務時，可能出現(xiàn)失序、丟失或重復分組的情況。分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作，增加了麻煩。如采用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和虛電路釋放三個過程。1.3.2計算機網(wǎng)絡性能指標⑴速率：指的是數(shù)據(jù)的傳送速率，也稱為數(shù)據(jù)率或比特率，單位為bit/s，bit（比特，數(shù)據(jù)量的單位，一個比特是一個二進制數(shù)字0或者1）。⑵帶寬：本意是指某個信號具有的頻帶寬度，在計算機網(wǎng)絡中，帶寬指網(wǎng)絡的通信線路傳送數(shù)據(jù)的能力（單位時間內從網(wǎng)絡中的某一個點到另外一個點所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”，帶寬的單位為bit/s）；⑶吞吐量：單位時間內通過某個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量。⑷時延：數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡的一端發(fā)送數(shù)據(jù)幀到另一端所需要的時間。數(shù)據(jù)幀就是數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，包括三部分：幀頭，數(shù)據(jù)部分，幀尾。其中，幀頭和幀尾包含一些必要的控制信息，如同步信息、地址信息、差錯控制信息等；數(shù)據(jù)部分則包含網(wǎng)絡層傳下來的數(shù)據(jù)，如IP數(shù)據(jù)包。⑸往返時間RTT：表示從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認，整個過程一共所經(jīng)歷的時間。⑹利用率：分為信道利用率和網(wǎng)絡利用率。信道利用率：指某信道有百分之幾的時間是被利用的，即有數(shù)據(jù)通過。網(wǎng)絡利用率：指全網(wǎng)絡的信道利用率的加權平均值。信道或網(wǎng)絡利用率并非越高越好，過高的利用率會產(chǎn)生非常大的時延。1.4常見網(wǎng)絡拓撲結構1.4.1總線型

總線型結構是使用同一媒體或電纜連接所有端用戶的一種方式，連接端用戶的物理媒體由所有設備共享，各工作站地位平等，無中央結點控制。數(shù)據(jù)信息是以廣播的形式進行傳播。各結點在接受信息時都進行地址檢查，看是否與自己的工作站地址相符，相符則接收。

總線型結構必須解決的問題是確保端用戶使用媒體發(fā)送數(shù)據(jù)時不會出現(xiàn)沖突。它是通過載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）來解決碰撞問題的。1.4.2環(huán)型

環(huán)型結構在LAN中使用較多。該結構中的傳輸媒體從一個端用戶到另一個端用戶，直到所有的端用戶連成環(huán)型。數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個方向在各個節(jié)點間傳輸，信息從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點。1.4.3星型

星型結構是指各工作站以星型方式連接成網(wǎng)。網(wǎng)絡有中央結點，便于集中控制，端用戶之間的通信必須經(jīng)過中央結點。

星型拓撲的優(yōu)點表現(xiàn)在，端設備故障不會影響其它端用戶間的通信，另外該拓撲結構的網(wǎng)絡延遲較小，系統(tǒng)可靠性較高。其缺點主要表現(xiàn)在中央結點故障將導致整個網(wǎng)絡癱瘓。樹型

樹型拓撲可以認為是多級星型結構組成，這種多級星型結構自上而下呈三角分布，就像一棵樹一樣，最頂端的枝葉少，中間多，最下面最多。樹的最下端相當于網(wǎng)絡的接入層，樹的中間部分相當于網(wǎng)絡的匯聚層，樹的最頂端相關于網(wǎng)絡的核心層。

樹型拓撲結構的優(yōu)點有：

⑴易擴展——可以延伸出很多分支和子分支，并且很容易連入網(wǎng)絡；

⑵故障隔離較容易——若某一分支的節(jié)點或線路發(fā)生故障，很容易將故障分支與整個網(wǎng)絡隔離開來。樹型拓撲的缺點有：各個節(jié)點對根的依賴性太大，如果根發(fā)生故障，則影響整個網(wǎng)絡的正常工作。1.4.5網(wǎng)狀型

網(wǎng)狀型拓撲結構在廣域網(wǎng)中得到廣泛應用，節(jié)點之間有多條路徑相連。數(shù)據(jù)流的傳輸有多條路徑可供選擇，在數(shù)據(jù)流傳輸過程中選擇適當?shù)穆酚桑瑥亩@過失效的或繁忙的節(jié)點。這種結構比較復雜，成本較高，網(wǎng)絡協(xié)議也較復雜，但可靠性較高。

網(wǎng)狀拓撲的優(yōu)點有：節(jié)點間路徑多，碰撞和阻塞發(fā)生概率?。痪植抗收喜挥绊懻麄€網(wǎng)絡，可靠性高。網(wǎng)狀拓撲的缺點有：網(wǎng)絡關系復雜，建網(wǎng)較難；網(wǎng)絡控制機制復雜，需采用復雜的路由算法和流量控制機制。1.5計算機網(wǎng)絡體系結構1.5.1OSI參考模型OSI（OpenSystemInterconnect），即開放系統(tǒng)互聯(lián)。OSI參考模型是ISO（國際標準化組織）在1985年提出的網(wǎng)絡體系結構參考模型。該體系結構將網(wǎng)絡互聯(lián)定義為七層架構，層次結構從下到上分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層（或傳輸層）、會話層、表示層和應用層。具體如圖1.6所示。物理層

處于OSI參考模型的最底層，主要定義物理設備標準，如網(wǎng)線的接口類型、光纖的接口類型。它的主要作用是傳輸比特流。這一層的數(shù)據(jù)單元稱為比特。數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡層提供服務，主要任務是將從網(wǎng)絡層接收到的數(shù)據(jù)進行MAC地址（網(wǎng)卡的地址）的封裝與解封裝。實現(xiàn)這一層功能常見的設備是交換機和網(wǎng)絡適配器（簡稱網(wǎng)卡），該層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元稱為數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中包含物理地址、控制碼、數(shù)據(jù)及校驗碼等信息。網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是為運輸層提供服務，傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為數(shù)據(jù)包或分組。該層的主要作用是解決如何使數(shù)據(jù)包通過結點傳送的問題，即通過路徑選擇算法將數(shù)據(jù)包送到目的地。另外，為避免通信子網(wǎng)中出現(xiàn)過多的數(shù)據(jù)包而造成網(wǎng)絡阻塞，需要對流入的數(shù)據(jù)包數(shù)量進行控制。當數(shù)據(jù)包要跨越多個通信子網(wǎng)才能到達目的地時，還要解決網(wǎng)絡互聯(lián)的問題。運輸層

運輸層的作用是為上層協(xié)議提供端到端的可靠和透明的數(shù)據(jù)傳輸服務，包括處理差錯和流量控制等問題。該層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細節(jié)，使高層用戶看到的只是兩個傳輸實體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設定的、可靠的數(shù)據(jù)通路。

運輸層傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段或報文。會話層

會話層主要功能是管理和協(xié)調不同主機上各種進程之間的通信，即負責建立、管理和終止應用程序之間的會話。會話層得名的原因是它很類似兩個實體間的會話概念。表示層

主要用于處理兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。為上層用戶解決用戶信息的語法問題。它包括數(shù)據(jù)格式交換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與終端類型的轉換。應用層

應用層是OSI中的最高層。該層確定進程之間通信的性質，以滿足用戶的需要。應用層不僅要提供應用進程所需要的信息交換和遠程操作，而且還要作為應用進程的用戶代理，來完成一些為進行信息交換所必需的功能。1.5.2TCP/IP體系結構網(wǎng)絡接口層

是TCP/IP體系結構的最低層，負責處理與傳輸介質相關的細節(jié)，用于接收上層IP數(shù)據(jù)報并通過網(wǎng)絡發(fā)送，或者從網(wǎng)絡上接收物理幀，取出IP數(shù)據(jù)報，交給上層網(wǎng)絡層（IP層）。

網(wǎng)絡接口層有關的網(wǎng)絡類型有：以太網(wǎng)、FDDI、令牌環(huán)、令牌總線、X.25、幀中繼以及ATM等。常見的協(xié)議有：串行線路網(wǎng)際協(xié)議（SLIP：SerialLineInternetProtocol）、高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程（HDLC：HighLevelDataLinkControl）以及點對點協(xié)議（PPP：Point-to-PointProtocol等。網(wǎng)際層

是整個體系結構的關鍵部分，負責提供端到端通信，使主機可以把分組發(fā)送給任何網(wǎng)絡，并使分組獨立地傳向目標。分組可能經(jīng)由不同的網(wǎng)絡，不同的順序到達。主要協(xié)議：網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（IP：Internetprotocol）。運輸層

運輸層使源端和目的端機器上的對等實體間進行會話。主要協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP：TransmissionControlProtocol

）以及用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP：UserDatagramProtocol）。TCP是面向連接的協(xié)議，提供可靠的報文傳輸和對上層應用的連接服務。因此，除了基本的數(shù)據(jù)傳輸外，它還有可靠性保證、流量控制、多路復用、優(yōu)先權和安全性控制等功能。UDP是面向無連接的不可靠傳輸協(xié)議，主要用于不需要TCP的排序和流量控制等功能的應用程序。應用層向用戶提供常用的應用程序，如，電子郵件、文件傳輸協(xié)議、遠程登錄、域名服務、超文本傳輸協(xié)議等。1.5.3兩種體系結構的關系OSI參考模型只獲得了一些理論研究成果，它并沒有得到市場的認可，在市場化方面卻失敗了，而非國際標準的TCP/IP體系結構獲得了最廣泛的應用，常被稱為事實上的國際標準。

兩類體系結構的對應關系為：OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層對應TCP/IP體系結構的網(wǎng)絡接口層，OSI參考模型的網(wǎng)絡層對應TCP/IP體系結構的網(wǎng)際層，OSI參考模型的運輸層對應TCP/IP體系結構的運輸層，OSI參考模型的應用層、表示層以及會話層對應TCP/IP體系結構的應用層。1.5.4各層對應常見網(wǎng)絡設備TCP/IP體系結構的網(wǎng)絡接口層對應OSI物理層及數(shù)據(jù)鏈路層。物理層常見的網(wǎng)絡設備有集線器（HUB），通過集線器互聯(lián)的局域網(wǎng)，理論上講仍然屬于總線型結構，屬于共享介質傳輸，需要通過CDMA/CD協(xié)議解決沖突問題。目前集線器基本被市場淘汰，網(wǎng)絡互聯(lián)時很少使用集線器。

數(shù)據(jù)鏈路層常見的網(wǎng)絡設備有網(wǎng)橋（Bridge）、網(wǎng)卡、交換機（Switch）等。其中網(wǎng)橋已被市場淘汰，取而代之的是交換機。網(wǎng)卡用于終端電腦聯(lián)網(wǎng)時的必備設備。僅僅使用交換機進行互聯(lián)的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡互聯(lián)部分只工作到數(shù)據(jù)鏈路層，處理的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為幀。工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設備不僅具有數(shù)據(jù)鏈路層的功能同時也具有物理層的功能，具有向下兼容性。

網(wǎng)絡層常見的設備有路由器和三層交換機。該層主要處理的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為IP數(shù)據(jù)報，主要針對IP數(shù)據(jù)報進行轉發(fā)。路由器在轉發(fā)分組時最高只工作到網(wǎng)際層，而不涉及運輸層和應用層。特別說明的是工作于網(wǎng)絡層的設備同時具有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。

應用層和運輸層這兩個高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元通常是由終端主機處理的。也就是說終端主機具有TCP/IP四層的全部功能。1.6IP地址1.6.1IP地址簡介IP地址指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（InternetProtocolAddress），又稱網(wǎng)際協(xié)議地址。IP地址是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，為互聯(lián)網(wǎng)上每一臺主機分配的邏輯地址。

目前IP地址的版本有IPv4和IPv6，IPv4是由32位二進制數(shù)組成，通常被劃分為4個8位二進制數(shù)。為了便于書寫，IPv4通常用點分十進制數(shù)表示成a.b.c.d的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之間的十進制整數(shù)。如IP地址192.168.1.1，實際上是32位二進制數(shù)11000000101010000000000100000001。理論上講，IPv4地址總數(shù)量為232=4294967296個，在當時IP地址誕生時的現(xiàn)狀來看，這么龐大的地址數(shù)量是很難耗盡的。IP地址編址方法共經(jīng)歷了3個歷史階段。第一個階段：分類的IP地址。這是最基本的編制方法，在1981年就制定了相應的標準。第二個階段：子網(wǎng)的劃分。這是對最基本編址方法的改進，其標準RFC950在1985年獲得通過。第三個階段：構成超網(wǎng)。這是比較新的無分類編址方法。1993年提出后很快就得到推廣應用。1.6.2分類的IP地址

整個互聯(lián)網(wǎng)（Internet）看成是一個單一的、抽象的網(wǎng)絡，IP地址就是給每個連接在互聯(lián)網(wǎng)上主機的網(wǎng)絡接口（或者路由器端口）分配在全世界范圍內唯一的32位的標識符。

在IP地址編址的第一個階段，將IP地址劃分為若干個固定類，每一類地址都由兩個固定長度的字段組成，其中一個字段是網(wǎng)絡號，它標志主機（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡，而另一個字段則是主機號，它標志該主機（或路由器）。

可見網(wǎng)絡號在全世界范圍內是唯一的，同時在同一個網(wǎng)絡號所指明的網(wǎng)絡范圍內主機號也必須是唯一的。由此可見，一個IP地址在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內是唯一的。1．A類IP地址A類IPv4地址網(wǎng)絡位占一個字節(jié)即8位，主機位占三個字節(jié)即24位。由于該類地址主機位占的位數(shù)多，所以一個A類網(wǎng)絡可分配的主機數(shù)比較多，因此A類網(wǎng)絡適合網(wǎng)絡規(guī)模比較大的網(wǎng)絡。2．B類IP地址

相對于A類IPv4地址針對大型網(wǎng)絡設計而言，B類IPv4地址針對中型網(wǎng)絡而設計的。其網(wǎng)絡位和主機位均占有兩個字節(jié)的位數(shù)。3．C類IP地址

前面的A類和B類IPv4地址分別針對大型網(wǎng)絡和中型網(wǎng)絡而設計的，而C類IPv4地址則針對小型網(wǎng)絡而設計的。C類IPv4地址網(wǎng)絡位占3個字節(jié)即24位，主機位占1個字節(jié)即8位?？梢奀類IPv4地址可分配的網(wǎng)絡數(shù)是最多的，但每個C類網(wǎng)絡可分配的主機數(shù)是最少的。4．D類IP地址D類地址用于多播，它不指向特定的網(wǎng)絡，用來一次尋址一組計算機。5．E類IP地址E類地址保留為今后使用。1.6.3子網(wǎng)劃分

從1985年起在IP地址中又增加了一個子網(wǎng)號字段，將IP地址從兩級結構設計成三級結構。劃分子網(wǎng)是從主機位借用若干位作為子網(wǎng)位，相應地主機位也就減少相同的位數(shù)。

劃分子網(wǎng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面：⑴減少了IP地址的浪費；⑵使網(wǎng)絡的組織更加靈活；⑶更便于維護和管理；⑷減少廣播報文的影響，優(yōu)化網(wǎng)絡性能；⑸提高網(wǎng)絡安全性，增加安全策略設置的靈活性。無分類編址CIDR

劃分子網(wǎng)在一定程度上緩解了互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展中遇到的難題。然而在1992年互聯(lián)網(wǎng)仍然面臨3個必須盡早解決的問題：⑴B類地址在1992年已分配了近一半，眼看即將分配完畢⑵互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)上的路由表中的項目數(shù)急劇增長⑶整個IP