計算機網(wǎng)絡基礎任務教程-項目1 計算機網(wǎng)絡初步

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1教學目標了解計算機網(wǎng)絡的基本概念掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構了解Internet與TCP/IP體系結(jié)構123Page

2教學內(nèi)容任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

31．計算機網(wǎng)絡的定義

計算機網(wǎng)絡的定義：即將處于不同地理位置的相互獨立的計算機，通過通信設備和通信線路按照一定的通信協(xié)議連接起來，以達到資源共享和信息交流為目的的計算機互連系統(tǒng)。

我們可以通過下述三點理解這一概念。(1)組成計算機網(wǎng)絡的每臺計算機都是獨立的。即計算機之間沒有明顯的主從關系，每臺計算機可以連網(wǎng)工作，也可以不連網(wǎng)工作。(2)建立計算機網(wǎng)絡的目的是資源共享。網(wǎng)絡用戶可以利用本地計算機訪問網(wǎng)絡中的遠程計算機的資源，還可以調(diào)用多臺計算機共同完成某項任務?？晒蚕淼木W(wǎng)絡資源包括計算機的硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)資源。(3)計算機之間在進行通信和交換信息時必須遵循共同的規(guī)則，即協(xié)議。協(xié)議是一組規(guī)則的集合，是進行交互的雙方必須遵守的約定，這些協(xié)議可以由硬件和軟件來實現(xiàn)。一、計算機網(wǎng)絡的定義任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

42．計算機網(wǎng)絡的功能

由于網(wǎng)絡已經(jīng)越來越深入到我們生活、學習和工作的各個領域中，所以計算機網(wǎng)絡的功能就日益突現(xiàn)。目前，計算機網(wǎng)絡的主要功能表現(xiàn)在下面四個方面。(1)資源共享(2)數(shù)據(jù)通信(3)提高計算機系統(tǒng)的可靠性(4)實現(xiàn)網(wǎng)絡分布式處理任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

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計算機網(wǎng)絡的發(fā)展是一個從簡單到復雜，從單機到多機的復雜過程。從總體上來說，大致經(jīng)歷了五個階段。1.面向終端的計算機網(wǎng)絡階段。2.計算機-計算機網(wǎng)絡及分組交換網(wǎng)階段3.計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構標準化階段4.局域網(wǎng)標準化和發(fā)展階段5.互連網(wǎng)(internet)及Internet蓬勃發(fā)展階段二、計算機網(wǎng)絡的產(chǎn)生與發(fā)展任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

61計算機網(wǎng)絡的組成

從系統(tǒng)功能角度劃分，計算機網(wǎng)絡由資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩部分組成。資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的劃分反映了網(wǎng)絡系統(tǒng)的物理結(jié)構，同時還有效地描述了網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享的方法。

從系統(tǒng)組成角度劃分，計算機網(wǎng)絡由網(wǎng)絡硬件和網(wǎng)絡軟件兩部分組成。三、計算機網(wǎng)絡的組成與分類任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

72計算機網(wǎng)絡的分類（1）按網(wǎng)絡地理覆蓋范圍劃分

按照網(wǎng)絡的地理覆蓋范圍劃分，計算機網(wǎng)絡分為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和局域網(wǎng)三種。（2）按通信傳播方式劃分

按照網(wǎng)絡的通信傳播方式劃分，計算機網(wǎng)絡分為點對點式傳輸方式網(wǎng)和廣播式傳輸方式網(wǎng)兩種。（3）按通信媒介劃分

按照網(wǎng)絡的通信媒體劃分，計算機網(wǎng)絡分為有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡兩種。任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

8計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構是通過網(wǎng)絡中的節(jié)點與通信線路之間的幾何關系表示的網(wǎng)絡結(jié)構，反映的是網(wǎng)絡中各實體之間的結(jié)構關系。計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構主要分為星形結(jié)構、總線形結(jié)構、樹形結(jié)構、環(huán)形結(jié)構和網(wǎng)狀結(jié)構等。1．星形結(jié)構在星形結(jié)構中，各節(jié)點是以星形方式連接起來的，系統(tǒng)中的每一個節(jié)點設備都以中心節(jié)點為中心，通過傳輸介質(zhì)與中心節(jié)點連接。如圖1-3所示。星形結(jié)構的特點是網(wǎng)絡的擴容性很強、數(shù)據(jù)的安全性和優(yōu)先級容易控制、易實現(xiàn)監(jiān)控，但是中心節(jié)點的故障會引起全網(wǎng)的癱瘓。四、計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構圖1-3星形結(jié)構任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

92．總線形結(jié)構

在總線形結(jié)構中，所有節(jié)點都由一條高速公用總線連接起來，其中一個節(jié)點是網(wǎng)絡服務器，其它節(jié)點是工作站。如圖1-4所示?？偩€形結(jié)構的特點是結(jié)構簡單靈活、擴充性能好、節(jié)點設備的插入與拆卸非常方便、網(wǎng)絡可靠性高等，但由于所有的工作站在通信時都要通過這條公用的總線，所以實時性較差，并且總線的任意一點發(fā)生故障，都會造成全網(wǎng)的癱瘓。圖1-4總線形結(jié)構任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

103．樹形結(jié)構

樹形結(jié)構是星形結(jié)構的擴展，是一種分層結(jié)構。在這種結(jié)構中，各節(jié)點按樹形組成。如圖1-5所示。樹形結(jié)構的特點是通信線路的總費用比星形結(jié)構低、網(wǎng)絡軟件也不復雜、維護也很方便，但數(shù)據(jù)傳輸延時較長。1-5樹形結(jié)構任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

114．環(huán)形結(jié)構

在環(huán)形結(jié)構中，各節(jié)點首尾相連形成一個閉合的環(huán)路。數(shù)據(jù)信息按照固定的方向單向流動，兩個工作站節(jié)點之間僅有一條通路，并以同樣的速率串行地把該數(shù)據(jù)信息沿環(huán)路送到另一端的鏈路上。如圖1-6所示。環(huán)形結(jié)構的特點是安裝和監(jiān)控容易，但是由于環(huán)路是閉合的，所以不便于擴充、系統(tǒng)延遲時間長、信息傳輸效率相對較低。圖1-6環(huán)形結(jié)構任務1了解計算機網(wǎng)絡基本概念Page

125．網(wǎng)狀結(jié)構

網(wǎng)狀結(jié)構是將上述單一的拓撲結(jié)構混合起來形成的結(jié)構，它是容錯能力最強大的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。如圖1-7所示。該結(jié)構中的每一個節(jié)點和網(wǎng)絡中的其它節(jié)點均有鏈路連接。網(wǎng)狀結(jié)構的特點是故障診斷和隔離較方便、易于擴展、維護也很方便，但需要選擇智能型的集線器、需要更多的線纜。一般適用于大型網(wǎng)絡。圖1-7網(wǎng)狀結(jié)構任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

131．網(wǎng)絡協(xié)議

通過通信設備和線路連接起來的計算機要想做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵循事先約定的一組規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關的同步問題。這些為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合稱為網(wǎng)絡協(xié)議。

一個網(wǎng)絡協(xié)議由三要素組成：(1)語法：即用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序。(2)語義：即解釋控制信息每個部分的意義。它規(guī)定了需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動作與做出什么樣的響應。(3)同步：即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。

人們形象地把這三個要素描述為：語義表示要做什么，語法表示要怎么做，時序表示做的順序。一、網(wǎng)絡體系結(jié)構基礎任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

142．層次化的網(wǎng)絡體系結(jié)構

計算機網(wǎng)絡通常包含一組網(wǎng)絡協(xié)議，把它們按層次結(jié)構進行組織，每個層次可以包含若干個協(xié)議。每個協(xié)議完成的工作各不相同，不同協(xié)議可以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡功能。通常根據(jù)協(xié)議之間的相互協(xié)作關系，把它們按層次結(jié)構組織，每個層次可以包含若干個協(xié)議，層和層之間定義了信息交互的接口，使每個層次具有相對的獨立性。位于某個層次的協(xié)議既可以為上層協(xié)議提供服務，也可以調(diào)用下層提供的功能。

將網(wǎng)絡協(xié)議劃分成層次結(jié)構，是為了減少協(xié)議設計的復雜性，把一個復雜的問題分解成若干個容易處理的子問題，而后逐個加以解決，會使思路清晰，不出或少出問題，這也是我們在解決工程問題時經(jīng)常使用的方法。

明確了網(wǎng)絡協(xié)議分層的好處后，給出網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構的定義如下：計算機網(wǎng)絡的各層及其各層協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡的體系結(jié)構。

亦即計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構是對如何劃分層次，層次之間的關系及各層包含那些協(xié)議的精確定義。任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

153．協(xié)議和服務的關系

為了進一步理解網(wǎng)絡體系結(jié)構的概念，有必要明確協(xié)議和服務之間的關系。這里介紹向個相關的名詞：(1)實體：在研究計算機網(wǎng)絡時，可以用實體抽象地表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件。多數(shù)情況下，實體通常是一個特定的軟件模塊。(2)服務訪問點：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）的地方，通常稱為服務訪問點SAP(serviceAccessPoint)。(3)服務原語：上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令來實現(xiàn)，這些命令稱為服務原語。

明確了這些概念后，可以重新給出協(xié)議的定義：協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。

協(xié)議和服務的概念是不同的，但又相互關聯(lián)。在協(xié)議的控制下，兩個對待實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下面一層所提供的服務，體系結(jié)構中層與層之間的關系如圖1-8所示。在對等層實體間傳送的數(shù)據(jù)單位都稱為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（ProtocolDataUnit）。任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

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協(xié)議和服務在概念上是不一樣的，首先，協(xié)議的實現(xiàn)保證了本層能夠為上層提供服務。本層的服務用戶只能看見下層提供的服務而無法看見下層的具體協(xié)議，即下層的協(xié)議對上層的服務用戶是透明的。其次，協(xié)議是水平的，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。而服務是垂直的，是由下層向上層通過層間接口提供的。另下，并非在一個層次內(nèi)完成的全部功

能都稱為服務，只有那些能夠被上層看得見的才能稱為服務。層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服務數(shù)據(jù)單元SDU(ServiceDataUnit)。圖1-8體系結(jié)構中層與層之間的關系任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

17OSI是開放系統(tǒng)互連基本參考模型(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)的簡稱，“開放”的含義表示只要遵循OSI的標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方、也遵循同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。OSI參考模型將計算機網(wǎng)絡分為七個層次，如圖1-9所示，自下而上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。每層又包含了許多協(xié)議，這里僅以層為單位進行介紹，具體內(nèi)容在后面的章節(jié)中會逐步介紹。二、OSI的體系結(jié)構圖1-9OSI體系結(jié)構任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

181．物理層物理層與傳輸媒體直接相連，因此也稱為物理層接口，是計算機與網(wǎng)絡連接的物理通道。其功能是控制計算機與傳輸媒體的連接，即可以建立、保持和斷開這種連接，以保證比特流的透明傳輸。物理層傳送的數(shù)據(jù)單位是比特，又稱位。物理媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜等，不屬于物理層。2．數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)的單位是幀，主要作用是通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層完成這一任務的方法是：分割來自物理層的原始比特位流信息，按照一定格式組成若干個幀，用幀中的校驗信息部分對整個數(shù)據(jù)幀進行校驗。如果校驗正確，則把其數(shù)據(jù)信息部分遞交上層；如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀有問題，則通知發(fā)送方重發(fā)該幀，直到正確收到該幀為止。此外，為了解決計算機之間傳輸數(shù)據(jù)時的速度匹配問題，還需要有流量控制功能。這樣，數(shù)據(jù)鏈路層就把一條有可能出差錯的實際鏈路，轉(zhuǎn)變成為讓網(wǎng)絡層向下看起來好像是一條不出差錯的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的功能可以總結(jié)為負責數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和拆除。任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

193．網(wǎng)絡層

數(shù)據(jù)鏈路層使計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸變得可靠，但隨之出現(xiàn)的問題是當網(wǎng)絡中有很多計算機時，如何找到想要的通信對象。網(wǎng)絡層的主要任務是根據(jù)特定的原則和算法在網(wǎng)絡中選出一條通向目的結(jié)點的最佳路徑，使來自發(fā)送站點傳輸層的報文能夠到達目的站，并交付目的站的傳輸層。這就是網(wǎng)絡層的路由選擇功能，路由選擇機制的性能在很大程度上決定了網(wǎng)絡的性能。

此外，在網(wǎng)絡層還要解決擁塞控制問題。網(wǎng)絡層所傳送的信息的基本單位叫做分組或包。

從體系結(jié)構的角度看，前面介紹的通信子網(wǎng)實際上由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層這三個層次構成。4．傳輸層

傳輸層位于OSI參考模型的中部，是通信子網(wǎng)（下面3層）和資源子網(wǎng)（上面3層）之間，它隱藏了通信子網(wǎng)的細節(jié)，使高層用戶感覺不到通信子網(wǎng)的存在。傳輸層通常為高層用戶提供兩種服務，即可靠的數(shù)據(jù)將會和盡最大努力的數(shù)據(jù)交付。此外傳輸層還具有復用功能，可以同時為一臺計算機中的多個程序提供通信服務。傳輸層數(shù)據(jù)傳送的基本單位是報文段。任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

205．會話層

會話層是用戶應用程序與網(wǎng)絡的接口，屬于進程級的層次。進程是操作系統(tǒng)中同多道程序并行引出的概念，它與程序的概念不同，程序是一個靜態(tài)的概念，而進程是一個動態(tài)的概念，是執(zhí)行中的程序，是程序在內(nèi)存中的副本，是有生存期的。會話層的任務就是提供一種有效的方法，以組織并協(xié)商兩個表示層進程之間的會話，并管理它們之間的數(shù)據(jù)交換。具體地說，就是發(fā)信權的控制和同步的確定方法。6．表示層

不同的計算機可能采用不同的編碼方法來表示數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構，為讓采用不同編碼方法的計算機能夠通信，能互相理解所交換數(shù)據(jù)，可以采用抽象語法來定義數(shù)據(jù)結(jié)構，并對其按某種標準進行編碼。表示層管理這些抽象數(shù)據(jù)結(jié)構，并負責在計算機內(nèi)部表示和網(wǎng)絡的標準表示法之間進行轉(zhuǎn)換。此外還有數(shù)據(jù)加密和解密，數(shù)據(jù)壓縮功能。7．應用層

應用層是OSI參考模型的最高層，是直接向用戶應用程序提供服務的層次從功能劃分看，OSI參考模型的低6層主要用于解決通信和表示問題，以實現(xiàn)網(wǎng)絡服務功能，而應用層則提供特定網(wǎng)絡服務所需要的各種應用協(xié)議，如郵件服務、文件傳輸服務等。任務2掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構Page

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圖1-10給出了在OSI參考模型中數(shù)據(jù)的傳送過程。發(fā)送進程發(fā)給接收進程的數(shù)據(jù)實際上經(jīng)過了發(fā)送方各層從上到下的傳遞，直到生理媒體才真正傳送到接收方。在接收方，再經(jīng)過從下到上各層的傳遞，最后到達接收進程。圖1-10OSI參考模型中數(shù)據(jù)的實際傳送過程任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構Page

221．Internet的產(chǎn)生發(fā)展1969年，美國高級研究計劃署ARPA（AdvancedResearchProjectsAgency）完成了計算機網(wǎng)絡ARPANET的研制，將位于加州大學洛杉磯分校（UCLA），斯坦福研究院（SRI），加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）和猶他大學（UTAH）的4臺不同型號、不同操作系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)結(jié)構的計算機連接起來，并于1969年10月進行了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸實驗并獲得成功。ARPANET最初只是一個單個的分組交換網(wǎng)，并不是一個互聯(lián)網(wǎng)。所有要接在ARPANET上的主機都直接與就近的交換結(jié)點機相連。1983年，ARPA和美國國防部通信局研制成功了用于異構網(wǎng)絡的TCP/IP協(xié)議，徹底解決了不同的計算機和系統(tǒng)之間的通信問題，美國加利福尼亞伯克萊分校把該協(xié)議作為其BSDUNIX的一部分，使得該協(xié)議得以在社會上流行起來，從而誕生了真正的Internet。1983年ARPANET各站點的通信協(xié)議全部更改為TCP/IP協(xié)議，這是全球因特網(wǎng)正式誕生的標志。同年ARPANET分解為兩個獨立的部分，一部分仍叫ARPANET，用于進一步的研究工作；另一部分稍大一些，成為著名的MILNET，用于軍方的非機密通信。在1983～1984年間因特網(wǎng)Internet就形成了。一、Internet的產(chǎn)生、發(fā)展與標準化工作任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構Page

232．因特網(wǎng)標準化工作

因特網(wǎng)的標準化工作對因特網(wǎng)的發(fā)展起到了非常重要的作用。因特網(wǎng)在制定其標準上一個很大的特點是面向公眾。因特網(wǎng)所有的技術文檔都可以從因特網(wǎng)上免費下載，而且任何人都可以用電子郵件隨時發(fā)表隊某個文檔的意見或建議，這種方式對因特網(wǎng)的迅速發(fā)展影響很大。

所有的RFC文檔都可以從Internet上免費下載，但并非所有的RFC文檔都是Internet標準，只有一小部分RFC文檔最后變成了Internet標準。從一個普通文檔上升到因特網(wǎng)的正式標準要經(jīng)過四個階段：

（1）因特網(wǎng)草案(InternetDraft)。

（2）建議標準(ProposedStandard)。

（3）草案標準(DraftStandard)。

（4）因特網(wǎng)標準(InternetStandard)

還有三種RFC（因特網(wǎng)標準），即歷史的、實驗的和提供信息的，即并不是所有RFC都是標準。任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構Page

24TCP/IP是一組用于實現(xiàn)網(wǎng)絡互連的通信協(xié)議。TCP/IP的參考模型將協(xié)議分成四個層次，它們分別是：1.應用層

應用層對應于OSI參考模型的高層，為用戶提供所需要的各種服務，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。2.傳輸層

傳輸層對應于OSI參考模型的傳輸層，為應用層實體提供端到端的通信功能，保證了數(shù)據(jù)包的順序傳送及數(shù)據(jù)的完整性。該層定義了兩個主要的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。TCP協(xié)議提供的是一種可靠的、面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務；而UDP協(xié)議提供的則是不可靠的、無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務.二、TCP/IP體系結(jié)構任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構Page

253.網(wǎng)際互聯(lián)層

網(wǎng)際互聯(lián)層對應于OSI參考模型的網(wǎng)絡層，主要解決主機到主機的通信問題。它所包含的協(xié)議設計數(shù)據(jù)包在整個網(wǎng)絡上的邏輯傳輸。注重重新賦予主機一個IP地址來完成對主機的尋址，它還負責數(shù)據(jù)包在多種網(wǎng)絡中的路由。該層有四個主要協(xié)議：網(wǎng)際協(xié)議（IP）、地址解析協(xié)議（ARP）、互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）和互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP）。IP協(xié)議是網(wǎng)際互聯(lián)層最重要的協(xié)議，它提供的是一個不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳遞服務。4.網(wǎng)絡接口層（即主機-網(wǎng)絡層）

網(wǎng)絡接入層與OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對應。它負責監(jiān)視數(shù)據(jù)在主機和網(wǎng)絡之間的交換。事實上，TCP/IP本身并未定義該層的協(xié)議，而由參與互連的各網(wǎng)絡使用自己的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，然后與TCP/IP的網(wǎng)絡接入層進行連接。任務3認識Internet與TCP/IP體系結(jié)構Page

261．TCP/IP協(xié)議族TCP/IP協(xié)議族包含一系列協(xié)議，分別對應各個不同的層次，完成特定的功能和應用，如圖1-12所示。三、T