第一章 導(dǎo)言-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史和體系結(jié)構(gòu)

第一章導(dǎo)言--計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史和體系結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史1.3

ISO/OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議族教學(xué)目的教學(xué)目的

本章主要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史過(guò)程中的重大事件，以及我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史。本章還將學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)緊密聯(lián)系的體系結(jié)構(gòu)—ISO/OSI參考模型和TCP/IP協(xié)議族。1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使連接在其上的用戶可以共享網(wǎng)絡(luò)上的軟、硬件資源，并利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效通信和協(xié)同。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是利用通信設(shè)備和線路將地理位置分散、功能獨(dú)立的多個(gè)計(jì)算機(jī)互連起來(lái)，以功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（即網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、信息交換方式和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)構(gòu)成的，如圖1-1所示圖1-1通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)示意圖資源子網(wǎng)由提供資源的主機(jī)HOST和請(qǐng)求資源的終端T組成，負(fù)責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和向用戶提供網(wǎng)絡(luò)資源及服務(wù),它主要包括網(wǎng)絡(luò)中所有的主計(jì)算機(jī)、I/O設(shè)備和終端，各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)等。通信子網(wǎng)主要由通信控制處理機(jī)C和通信鏈路組成，承擔(dān)全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、交換、加工和變換等通信處理工作，它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)層，它主要包括通信線路（即傳輸介質(zhì)）、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、通信控制處理機(jī)、網(wǎng)橋、路由器、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、調(diào)制解調(diào)器和衛(wèi)星地面接收站等）、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和通信控制軟件等。通常通信子網(wǎng)不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容。1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的歷史計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)源于冷戰(zhàn)時(shí)期的美國(guó)軍方通信需求，該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)基于這樣一種主導(dǎo)思想：網(wǎng)絡(luò)必須能夠經(jīng)受住故障的考驗(yàn)而維持正常工作，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的某一部分因遭受攻擊而失去工作能力時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的其它部分應(yīng)當(dāng)能夠維持正常通信。?1964年巴蘭提出分組交換技術(shù)，即包交換(packetswitching)技術(shù)，這是Internet的重要基石之一。數(shù)據(jù)包交換不同于傳統(tǒng)的電話交換，電話交換將數(shù)據(jù)完整的通過(guò)電路傳送，而數(shù)據(jù)包交換將數(shù)據(jù)打散成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的包，每個(gè)包都都包含自己的尋址信息，這些數(shù)據(jù)包到底目的地之后，再重新組裝成原來(lái)的數(shù)據(jù)。?1969年12月美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局建成阿帕網(wǎng)(ARPANET-ARPA--AdvancedResearchProjectsAgencyNet)的第一期工程。開(kāi)始只有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，到1972年3月也僅僅只有23個(gè)結(jié)點(diǎn)，后來(lái)發(fā)展到100多臺(tái)宿主機(jī)和60多個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型分組交換網(wǎng)，并利用通信衛(wèi)星與夏威夷州及挪威等歐洲國(guó)家連接，成為國(guó)際性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)。阿帕網(wǎng)把美國(guó)各大學(xué)、研究所和公司的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了由通信網(wǎng)絡(luò)和資源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)的目的，首次采用分組交換技術(shù)（包交換技術(shù)）和層次體系結(jié)構(gòu)，規(guī)定不同級(jí)別的互連協(xié)議，這些技術(shù)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程的基本技術(shù)。阿帕網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)的前身）采用了"分布式控制"。網(wǎng)絡(luò)上的電腦處于平等的地位，沒(méi)有哪一個(gè)部分特別重要，不可缺少的。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一部分在特殊情況下受到損壞時(shí)，不會(huì)影響其余部分的正常工作。1970年，ARPANET主機(jī)開(kāi)始使用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP-NetworkControlProtocol)，這就是后來(lái)的傳輸控制協(xié)議(TCP-TransmissionControlProtocol)的雛形。1973年，文件傳輸協(xié)議(FTP-FileTransferProtocol)推出。FTP用于在相異的系統(tǒng)之間交換文件。1974年，傳輸控制協(xié)議(TCP)被詳細(xì)規(guī)定下來(lái)。TCP取代NCP，它為人們提供了更可靠的通信服務(wù)。?十九世紀(jì)70年代中期美國(guó)施樂(lè)公司帕洛·阿爾托研究中心推出第一個(gè)局域網(wǎng)，即總線型以太網(wǎng)(Ethernet)，為辦公自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化創(chuàng)造條件，該網(wǎng)采用無(wú)源電纜作為總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)幀，故以傳播電磁波的“以太(Ether)”命名。

1979年國(guó)國(guó)防部通信局和高級(jí)研究計(jì)劃管理局研究制定了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議―"TCP/IP"協(xié)議，解決了不同電腦之間相互通信的難題，使眾多不同型號(hào)的電腦可以連接在一起，相互通信。"TCP/IP"協(xié)議應(yīng)用于阿帕網(wǎng)，標(biāo)志著真正的互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)了。1981年，Internet協(xié)議(IP-InternetProtocol，又稱IP版本4[IPv4])被詳細(xì)規(guī)定下來(lái)。IP為端到端傳遞提供尋址和路由功能。1982年，美國(guó)國(guó)防通信署和ARPA建立了傳輸控制協(xié)議(TCP)和Internet協(xié)議(IP)作為TCP/IP協(xié)議套件。1983年，ARPANET將NCP替換為TCP/IP。1983年，ARPANET分裂為兩部分：ARPANET和純軍事用的MILNET。該年1月，ARPA把TCP/IP協(xié)議作為ARPANET的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其后，人們稱呼這個(gè)以ARPANET為主干網(wǎng)的網(wǎng)際互聯(lián)網(wǎng)為Internet(在英語(yǔ)中“Inter”的含義是“交互的”，“net”是指“網(wǎng)絡(luò)”)。TCP/IP協(xié)議族便在Internet中進(jìn)行研究，試驗(yàn)，并改進(jìn)成為使用方便，效率極好的協(xié)議族。1983年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO-InternationalOrganizationforStandardization)發(fā)布了著名的ISO/IEC7498標(biāo)準(zhǔn)，它定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的7層框架，也就是開(kāi)放式系統(tǒng)互連參考模型(OSI-OpenSystemInterconnectionReferenceModel),該參考模型就是ISO/OSI參考模型。1984年，域名系統(tǒng)(DNS-DomainNameSystem)推出。DNS可將域名(如)解析為IP地址(如8)。?1985年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NFS-NationalScienceFoundation）開(kāi)始建立NSFNET，NSF規(guī)劃建立了15個(gè)超級(jí)計(jì)算中心及國(guó)家教育科研網(wǎng)，用于支持科研和教育的全國(guó)性規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)NSFNET，并以此作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)同其他網(wǎng)絡(luò)的連接。NSFNET成為Internet上主要用于科研和教育的主干部分，代替了ARPANET的骨干地位。NSFNET對(duì)Internet的最大貢獻(xiàn)是使Internet向全社會(huì)開(kāi)放，而不像以前那樣僅僅借計(jì)算機(jī)研究人員、政府職員和政府承包商使用。

1989年MILNET（由ARPANET分離出來(lái)）實(shí)現(xiàn)和NSFNET連接，自此以后，其他部門的計(jì)算機(jī)網(wǎng)相繼并入Internet，ARPANET就宣告解散。十九世紀(jì)90年代初，商業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入Internet，使Internet開(kāi)始了商業(yè)化的新進(jìn)程，也成為Internet大發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力。1995年，NSFNET停止運(yùn)作，Internet已徹底商業(yè)化了，Internet服務(wù)提供商(ISP-InternetServiceProvider)開(kāi)始向企業(yè)和個(gè)人提供Internet接入。1996年，超文本傳送協(xié)議(HTTP-HypertextTransferProtocol)推出。萬(wàn)維網(wǎng)使用HTTP。第一套IP版本6(IPv6)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)的發(fā)展1987年9月14日，北京計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所發(fā)出了中國(guó)第一封電子郵件：“AcrosstheGreatWallwecanreacheverycornerintheworld.”（越過(guò)長(zhǎng)城，走向世界），揭開(kāi)了中國(guó)人使用互聯(lián)網(wǎng)的序幕。1988年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所采用X.25協(xié)議使該單位的DECnet成為西歐中心DECnet的延伸，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)國(guó)際遠(yuǎn)程連網(wǎng)以及與歐洲和北美地區(qū)的電子郵件通信。?1990年11月28日，錢天白教授代表中國(guó)正式在SRI-NIC（StanfordResearchInstitute’sNetworkInformationCenter）注冊(cè)登記了中國(guó)的頂級(jí)域名CN，從此中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)有了自己的身份標(biāo)識(shí)。

1993年3月2日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所接入美國(guó)斯坦福線性加速器中心的64K專線正式開(kāi)通。這條專線是中國(guó)部分連入Internet的第一根專線。1994年4月20日，“教育與科研示范網(wǎng)絡(luò)”(NCFC)工程連入Internet的64K國(guó)際專線開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)了與Internet的全功能連接。從此中國(guó)被國(guó)際上正式承認(rèn)為真正擁有全功能Internet的第77個(gè)國(guó)家。1994年5月21日，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心完成了中國(guó)國(guó)家頂級(jí)域名(CN)服務(wù)器的設(shè)置，改變了中國(guó)的CN頂級(jí)域名服務(wù)器一直放在國(guó)外的歷史。1995年12月，“中國(guó)教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)”（CERNET）示范工程建設(shè)完成。1996年1月，“中國(guó)公用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)”（CHINANET）全國(guó)骨干網(wǎng)正式開(kāi)通提供服務(wù)。1996年2月

中國(guó)科學(xué)院決定將以“教育與科研示范網(wǎng)絡(luò)”為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的中國(guó)科學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正式命名為“中國(guó)科技網(wǎng)”(CSTNET)。?1996年9月6日，中國(guó)金橋信息網(wǎng)（CHINAGBN）連入美國(guó)的256K專線正式開(kāi)通。中國(guó)金橋信息網(wǎng)宣布開(kāi)始提供Internet服務(wù)，主要提供專線集團(tuán)用戶的接入和個(gè)人用戶的單點(diǎn)上網(wǎng)服務(wù)。

1997年10月，中國(guó)公用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)（CHINANET）實(shí)現(xiàn)了與中國(guó)科技網(wǎng)（CSTNET）、中國(guó)教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)（CERNET）、中國(guó)金橋信息網(wǎng)（CHINAGBN）的互聯(lián)互通。2000年5月17日，中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（CMNET）投入運(yùn)行。2001年12月22日，中國(guó)聯(lián)通CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)一期工程如期建成。截至2009年6月的統(tǒng)計(jì)數(shù)字(數(shù)據(jù)來(lái)源-CNNIC)：中國(guó)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到3.38億人，普及率達(dá)到25.5%。寬帶網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到3.2億人，占網(wǎng)民總體的94.3%。中國(guó)手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模為1.55億人，占整體網(wǎng)民的45.9%。1.3ISO/OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議族兩臺(tái)通信設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換必須遵循一套相互約定的規(guī)則，這樣的規(guī)則就稱為協(xié)議(Protocol)。任何一種通信協(xié)議都包括三個(gè)組成部分：語(yǔ)法、語(yǔ)義和定時(shí)關(guān)系。語(yǔ)義：

是對(duì)協(xié)議元素的含義進(jìn)行解釋，不同類型的協(xié)議元素所規(guī)定的語(yǔ)義是不同的。例如需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動(dòng)作及得到的響應(yīng)等。語(yǔ)法：

將若干個(gè)協(xié)議元素和數(shù)據(jù)組合在一起用來(lái)表達(dá)一個(gè)完整的內(nèi)容所應(yīng)遵循的格式，也就是對(duì)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做一種規(guī)定。例如用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式等。定時(shí)關(guān)系：

對(duì)事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。例如在雙方進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送點(diǎn)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，如果目標(biāo)點(diǎn)正確收到，則回答源點(diǎn)接收正確；若接收到錯(cuò)誤的信息，則要求源點(diǎn)重發(fā)一次。單獨(dú)的一套協(xié)議無(wú)法解決所有的網(wǎng)絡(luò)通信涉及的方方面面，即使能夠設(shè)計(jì)出這樣的協(xié)議，這樣的協(xié)議也是非常復(fù)雜而且不便于未來(lái)的更新?lián)Q代。所以必須采用將復(fù)雜事物進(jìn)行細(xì)分的方法，即將一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為若干層次，處在高層次的系統(tǒng)僅是利用較低層次的系統(tǒng)提供的接口和功能，不需了解低層實(shí)現(xiàn)該功能所采用的算法和協(xié)議；較低層次也僅是使用從高層系統(tǒng)傳送來(lái)的參數(shù)，每個(gè)層次向上一層提供服務(wù)，向下一層請(qǐng)求服務(wù)，這就是層次間的無(wú)關(guān)性。因?yàn)橛辛诉@種無(wú)關(guān)性，層次間的每個(gè)模塊可以用一個(gè)新的模塊取代，只要新的模塊與舊的模塊具有相同的功能和接口，即使它們使用的算法和協(xié)議都不一樣。1.3.1ISO/OSI參考模型十九世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外一些主要計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家先后推出了各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，但它們都屬于專用的。為了使不同計(jì)算機(jī)廠家的計(jì)算機(jī)能夠互相通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，有必要建立一個(gè)國(guó)際范圍的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO正式推薦了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----七層參考模型，叫做開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OpenSystemInterconnection，OSI)。由于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的建立,使得各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向它靠攏,大大推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展。OSI參考模型將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的功能劃分為七個(gè)層次，如圖1-2所示：圖1-2ISO/OSI參考模型它們由低到高分別是物理層(PH)、鏈路層(DL)、網(wǎng)絡(luò)層(N)、傳輸層(T)、會(huì)議層(S)、表示層(P)、應(yīng)用層(A)。每層完成一定的功能，每層都直接為其上層提供服務(wù)，并且所有層次都互相支持。第四層到第七層主要負(fù)責(zé)互操作性，而一層到三層則用于創(chuàng)造兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的物理連接。各層完成的主要功能如下：1、物理層（physicallayer）

物理層涉及到通信在信道上傳輸?shù)脑级M(jìn)制比特流，它的任務(wù)就是為上層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個(gè)物理連接，以便在相鄰節(jié)點(diǎn)之間無(wú)差錯(cuò)地傳送二進(jìn)制位流。設(shè)計(jì)上必須保證通信的一方發(fā)出"1"時(shí)，通信的另一方接收到的是"1"而不是"0"。在物理層，設(shè)計(jì)的問(wèn)題主要是處理機(jī)械的、電氣的和過(guò)程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質(zhì)等。該層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是“位”(bit)。

有一點(diǎn)應(yīng)該注意的是，傳送二進(jìn)制位流的傳輸介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜以及光纖等并不屬于物理層要考慮的問(wèn)題。實(shí)際上傳輸介質(zhì)并不在OSI的7個(gè)層次之內(nèi)。2、數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）

數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間，無(wú)差錯(cuò)地傳