計算機網(wǎng)絡工程 第1章

普通高等院校計算機類專業(yè)系列教材

計算機網(wǎng)絡工程

石美紅

西安電子科技大學出版社

目錄

第1章緒論

第2章數(shù)據(jù)通信基礎

第3章理層

第4章數(shù)據(jù)鏈路層

第5章網(wǎng)絡層

第6章局域網(wǎng)技術

第7章廣域網(wǎng)技術

第8章傳輸層

第9章高層協(xié)議

第10章網(wǎng)絡工程

第1章緒論

L1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展

L2計算機網(wǎng)絡的基本概念

L3網(wǎng)絡體系結構

思考題與習題

WBack

1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展

1.1.1通信網(wǎng)絡的概念

電話網(wǎng)絡是人們最為熟悉和最常用的一種用來傳

輸聲音的通信網(wǎng)絡，并且在遠程計算機通信中也發(fā)揮

著重要的作用。計算機技術與通信技術的密切結合，

使人們的思維有了很大的突破，以數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)為信

息傳輸通路，以計算機為通信終端的通信網(wǎng)絡越來越

多。由于計算機功能的不斷擴大，使得當今的通信網(wǎng)

絡已經(jīng)不再只是提供交換信息的工具。

目前，世界上規(guī)模最大的通信網(wǎng)絡--Internet就是通信

網(wǎng)絡的一個應用實例，它已成為人們生活中不可缺少

的工具。

通信網(wǎng)絡是為在不同空間位置的用戶之間交換信

息而構架的硬件和軟件環(huán)境。其中，交換的信息可能

是文字、數(shù)字等數(shù)據(jù)信息，也可能是語音、視頻圖像

等多媒體信息。一個計算機通信網(wǎng)絡的基本模型結構

如圖1-1所示，它由一系列用戶終端和具有信息處理與

交換功能的網(wǎng)絡結點及結點間的傳輸線路組成。從功

能上講，計算機通信網(wǎng)絡由用戶子網(wǎng)和通信子網(wǎng)組成。

用戶子網(wǎng)包括終端、前端處理器、主機等；通信子網(wǎng)由

協(xié)議轉換器（如網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關等）、交換機、調(diào)制

解調(diào)器、多路復用器及集中器等一系列通信設備組成。

為了減少傳輸錯誤，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡系統(tǒng)大都采用數(shù)字傳

輸技術，即在傳輸信息之前，先由發(fā)送端將數(shù)據(jù)轉換為

便于遠程傳輸?shù)亩M制電信號或光信號（更準確地說是

電磁波），然后再利用通信網(wǎng)絡發(fā)送到接收端，最后由

接收端將收到的二進制信號還原成發(fā)送的數(shù)據(jù)。

目前，通信網(wǎng)絡正朝著傳統(tǒng)的電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、

Internet這三大網(wǎng)絡相互滲透、相互融合（即所謂三網(wǎng)合

一）的方向發(fā)展，因此，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡不僅可用于通

信，還可以提供其他許多功能。

圖1-1計算機通信網(wǎng)絡的基本模型

1.1.2計算機網(wǎng)絡的產(chǎn)生

原始傳遞信息的最基本方法是依靠人的聽覺和視

覺來實現(xiàn)的。1838年，SamuelMorse發(fā)明了電報，這

使得通過一根銅線上的電脈沖來傳遞信息成為可能。

報文的每一字符被轉換成一串或長或短的電脈沖（通俗

地講，就是點和戈U）傳輸出去。1876年，Alexander

GrahamBell發(fā)明了電話，可把人的聲音轉換為電信號

而通過一對導線傳遞出去。這一發(fā)明不僅改變了人們

的工作方式，而且為人們迅速傳遞信息提供了方便。

由此，拉開了近代電信事業(yè)的序幕。

從20世紀30年代開始，電子技術的發(fā)展不僅推動

了通信技術的進步，也加速了計算機技術的迅猛發(fā)展。

1946年世界上出現(xiàn)了第一臺數(shù)字計算機。當時計算機

和通信并沒有什么關系，直到1954年，人們開始使用

一種叫做收發(fā)器的終端，將穿孔卡上的數(shù)據(jù)通過電話

線路發(fā)送到遠地的計算機（或稱主機）。后來，用戶可在

終端設備--電傳打字機上輸入程序，并發(fā)送到遠地計

算機去執(zhí)行，經(jīng)運算處理后，其結果又可從遠地計算

機傳送到本地電傳打字機去打印。由此開始了計算機

與通信結合的歷程。

早期計算機的功能很有限，價格也很昂貴，為了

充分利用計算機的寶貴資源，一臺計算機常常連接著

若干個遠程終端，計算機僅具有批處理信息的能力。

由于通信線路傳遞的是模擬話音信號，而計算機處理

的是數(shù)字信號，為此，在通信線路的兩端必須設置調(diào)

制解調(diào)器，以實現(xiàn)模/數(shù)或數(shù)/模的轉換。另外，通信線

路采用的是串行傳輸技術，而計算機采用的是并行傳

輸技術，加之遠距離的數(shù)據(jù)傳輸難免會出現(xiàn)差錯。

因此，在計算機與遠程終端之間還需要配置一個

接口電路，即線路控制器，用于實現(xiàn)串行傳輸與并行

傳輸間的轉換以及簡單的差錯控制。隨著遠程終端數(shù)

量的增多，使得一臺計算機連接多個線路控制器的系

統(tǒng)難以管理和維護，從而出現(xiàn)了多重線路控制器。這

種由分布在各處的終端通過通信設備和線路與單一計

算機相連的聯(lián)機系統(tǒng)就是早期最原始的計算機網(wǎng)絡--

面向終端的計算機網(wǎng)絡（如圖1-2所示）。其中，計算機

是網(wǎng)絡的中心和控制者，主要的任務是遠程批處理。

隨著計算機技術的發(fā)展，計算機性能有了很大的

改善，功能也得到了加強，計算機用戶的數(shù)量也隨之

迅猛增長。這時，采用原有的線路控制器不僅難以適

應網(wǎng)絡和終端的變化，而且也給主機帶來了很大的負

擔。為此，人們提出了另一種具有智能通信功能的硬

件設備——通信處理機（也稱為前端處理機FEP,Front

EndProcessor）o在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中，前端處理機完成

全部的數(shù)據(jù)通信任務，包括數(shù)據(jù)信號的檢測、收發(fā)以

及串并數(shù)據(jù)間的轉換等，而計算機專門進行數(shù)據(jù)的處

理（如圖1-3所示）。

這樣大大提高了面向終端的計算機網(wǎng)絡的性能。直到

目前為止，由大型計算機組成的網(wǎng)絡仍使用前端處理

機，而在局域網(wǎng)中使用的網(wǎng)卡在工作原理上與早期前

端處理器的功能相當。為了充分利用通信線路，常常

在遠程終端較密集處配置一個集中器(Concentrator)或

多路復用器(Multiplexor),以降低通信線路的費用。

圖1-2面向終端的計算機網(wǎng)絡

終端O

n

o

圖1-3配有前端處理機的計算機網(wǎng)絡

計算機技術與通信技術的緊密結合、相互促進、

共同發(fā)展，最終產(chǎn)生了計算機網(wǎng)絡。從結構組成上

講，一個完整的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)應該由網(wǎng)絡硬件和網(wǎng)

絡軟件兩大部分組成。其中，網(wǎng)絡硬件包括網(wǎng)絡服務

器、網(wǎng)絡工作站、網(wǎng)絡接口卡（又稱為網(wǎng)絡接口適配

器，簡稱網(wǎng)卡）、各種網(wǎng)絡互連設備及傳輸介質等。網(wǎng)

絡服務器的功能是為網(wǎng)絡工作站上的用戶提供共享資

源、管理網(wǎng)絡文件系統(tǒng)、處理網(wǎng)絡通信、提供網(wǎng)絡打

印服務以及響應工作站上的網(wǎng)絡請求等。

從應用功能的角度來看，常用的網(wǎng)絡服務器有文件服

務器、通信服務器、計算服務器、打印服務器、數(shù)據(jù)

庫服務器等。一個計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)至少要有一臺服務

器，也可有多臺。通常用小型計算機、PC系列的專用

服務器或高檔微機作網(wǎng)絡的服務器。網(wǎng)絡工作站的功

能是提供人機交互的接口、向網(wǎng)絡服務器發(fā)出服務請

求、從網(wǎng)絡服務器上接收傳送給用戶的數(shù)據(jù)等。網(wǎng)絡

工作站可以是具有獨立、自治功能的計算機，也可以

是終端設備。它是通過網(wǎng)絡接口卡連接到網(wǎng)絡上的。

網(wǎng)絡接口卡的功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、完

成數(shù)據(jù)格式與計算機數(shù)據(jù)格式的轉換等，它提供了計

算機與通信介質的接口。按照網(wǎng)卡的總線類型，可以

將其分為工業(yè)標準結構ISA(IndustrialStandard

Architecture)總線接口卡、微通道結構MCA(Micro

ChannelArchitecture)總線接口卡、擴展工業(yè)標準結構

EIES(ExtendedIndustrialStandardArchitecture)總線接口

卡、外圍設備互連PCI(PeripheralComponent

Interconnect)總線接口卡等。

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從功能上講，計算機網(wǎng)絡由資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)

組成（如圖1-4所示）。主機和網(wǎng)絡結點通過相應的通信

網(wǎng)卡與傳輸線路進行連接。主機之間傳輸?shù)男畔t被

劃分為相應的數(shù)據(jù)分組（所謂分組就是一段數(shù)據(jù)加上發(fā)

送端和接收端的地址以及由傳輸網(wǎng)絡或計算機處理用

的控制信息組成的數(shù)據(jù)結構），并按照一定的通信協(xié)議

進行傳輸和處理。資源子網(wǎng)的主要功能是負責全網(wǎng)數(shù)

據(jù)業(yè)務的處理，提供所需要共享的硬件、軟件和數(shù)據(jù)

等資源和網(wǎng)絡服務。它主要包括所有計算機、終端、

I/O設備以及各種系統(tǒng)軟件（包括網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡數(shù)

據(jù)庫管理系統(tǒng)及各種應用協(xié)議軟件等）和數(shù)據(jù)庫。

r

通信子網(wǎng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)傳輸、交換和通信控制。

它由網(wǎng)絡結點（簡稱結點）、通信鏈路和網(wǎng)絡通信協(xié)議（簡

稱網(wǎng)絡協(xié)議）組成。其中網(wǎng)絡結點是指提供網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳

輸、交換等功能的設備，它可以是一個用于通信控制的

小型處理計算機，也可以是網(wǎng)絡的互連設備（如交換機、

網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關等）及其他通信設備（如集中器、多

路復用器、報文分組裝/卸設備等）；鏈路就是連接各設

備的傳輸介質（包括有線介質和無線介質）；網(wǎng)絡協(xié)議是

支持互聯(lián)網(wǎng)中各計算機之間的信息交換的規(guī)則。

圖1-4計算機網(wǎng)絡的基本模型r

值得一提的是，網(wǎng)絡協(xié)議是構成計算機網(wǎng)絡通信

的核心技術之一。這是因為在計算機網(wǎng)絡中傳輸?shù)男?/p>

息是通過編碼方式加載到數(shù)字信號上的，相同的數(shù)字

信號可以攜帶不同的信息。這就意味著，在計算機網(wǎng)

絡中，通信雙方之間的信息傳輸不僅需要建立一條傳

輸數(shù)字信號的硬件通道，而且還要利用通信雙方事先

確定的網(wǎng)絡協(xié)議設法恢復數(shù)字信號所攜帶的信息（即解

碼）。通過后面的學習，我們可以看到，在計算機網(wǎng)絡

中，到處都運行著協(xié)議。

比如，路由器中運行的協(xié)議是確定分組從源端到目的

端的路徑；擁塞控制協(xié)議控制的是發(fā)送端與接收端間

分組的傳送速率；物理上連接著的兩臺計算機中的網(wǎng)

絡接口卡實現(xiàn)的協(xié)議控制的是這兩臺計算機間連線上

的位流，等等。這也就是計算機網(wǎng)絡內(nèi)容的很大篇幅

是關于網(wǎng)絡協(xié)議的原因。

1.1.3計算機網(wǎng)絡的發(fā)展

計算機網(wǎng)絡的發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個階段。

第一階段：（20世紀60年代）以單個計算機為中心的

面向終端的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡系統(tǒng)是以批處

理信息為主要目的。它的缺點是：如果計算機的負荷

較重，會導致系統(tǒng)響應時間過長；單機系統(tǒng)的可靠性

一般較低，一旦計算機發(fā)生故障，將導致整個網(wǎng)絡系

統(tǒng)的癱瘓。

4

第二階段：（20世紀70年代）以分組交換網(wǎng)為中心的多

主機互連的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。為了克服第一代計算機

網(wǎng)絡的缺點，提高網(wǎng)絡的可靠性和可用性，人們開始

研究如何將多臺計算機相互連接的方法。人們首先借

鑒了電信部門的電路交換的思想。所謂“交換”，從通

信資源的分配角度來看，就是由交換設備動態(tài)地分配

傳輸線路資源或信道帶寬所采用的一種技術。電話交

換機采用的交換技術是電路交換（或線路交換），它的主

要特點是：

①在通話的全部時間內(nèi)用戶獨占分配的傳輸線路

或信道帶寬，即采用的是靜態(tài)分配策略；②通信雙方

建立的通路中任何一點出現(xiàn)了故障，就會中斷通話，

必須重新?lián)芴柦⑦B接，方可繼續(xù)，這對十分緊急而

重要的通信是不利的。顯然，這種交換技術適應模擬

信號的數(shù)據(jù)傳輸。然而在計算機網(wǎng)絡中還可以傳輸數(shù)

字信號。數(shù)字信號通信與模擬信號通信的本質區(qū)別在

于數(shù)字信號的離散性和可存儲性。這些特性使得它在

數(shù)據(jù)傳輸過程中不僅可以間斷分時發(fā)送，而且可以進

行再加工、再處理。

③計算機數(shù)據(jù)的產(chǎn)生往往是“突發(fā)式”的，比如當用戶用

鍵盤輸入數(shù)據(jù)和編輯文件時，或計算機正在進行處理而

未得出結果時，通信線路資源實際上是空閑的，從而造

成通信線路資源的極大浪費。據(jù)統(tǒng)計，在計算機間的數(shù)

據(jù)通信中，用來傳送數(shù)據(jù)的時間往往不到10%甚至1%。

另外，由于各異的計算機和終端的傳輸數(shù)據(jù)的速率各不

相同，采用電路交換就很難相互通信。為此，必須尋找

出一種新的適應計算機通信的交換技術。

1964年，巴蘭(Baran)在美國蘭德(Rand)公司“論分布式

通信”的研究報告中提出了存儲轉發(fā)(storeandforward)

的概念。1962—1965年，美國國防部的高級研究計劃

署(AdvancedResearchProjectsAgency,ARPA)和英國

的國家物理實驗室(NationalPhysicsLaboratory,NPL)

都在對新型的計算機通信技術進行研究。英國NPL的

戴維德(David)于1966年首次提出了“分組”(Packet)這一

概念。1969年12月，美國的分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡中傳送的

信息被劃分成分組(packet),該網(wǎng)稱為分組交換網(wǎng)

ARPANET(當時僅有4個交換點投入運行)。

ARPANET的成功，標志著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展進入了一

個新紀元?，F(xiàn)在大家都公認ARPANET為分組交換網(wǎng)之

父，并將分組交換網(wǎng)的出現(xiàn)作為現(xiàn)代電信時代的開始。

分組交換網(wǎng)是由若干節(jié)點交換機和連接這些交換

機的鏈路組成（如圖1-5所示），每一結點就是一個小型

計算機。它的工作機理是：首先將待發(fā)的數(shù)據(jù)報文劃

分成若干個大小有限的短數(shù)據(jù)塊，在每個數(shù)據(jù)塊前面

加上一些控制信息（即首部），包括諸如數(shù)據(jù)收發(fā)的目的

地址、源地址，數(shù)據(jù)塊的序號等，形成一個個分組，

然后各分組在交換網(wǎng)內(nèi)采用“存儲轉發(fā)”機制將數(shù)據(jù)從

源端發(fā)送到目的端。

由于節(jié)點交換機暫時存儲的是一個個短的分組，而不

是整個的長報文，且每一分組都暫存在交換機的內(nèi)存

中并可進行相應的處理，這就使得分組的轉發(fā)速度非

?？?。由此可見，通信與計算機的相互結合，不僅為

計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞和交換提供了必要的手段，而

且也大大提高了通信網(wǎng)絡的各種性能。

圖1-5分組交換網(wǎng)的示意圖

由此可見，采用存儲轉發(fā)的分組交換技術，實質上

是在計算機網(wǎng)絡的通信過程中動態(tài)分配傳輸線路或信道

帶寬的一種策略。值得說明的是，分組交換技術所采用

的存儲轉發(fā)原理并不是一個全新的概念，它是借鑒了電

報通信中基于存儲轉發(fā)原理的報文交換的思想。它們的

關鍵區(qū)別在于通信對象發(fā)生了變化?；诜纸M交換的數(shù)

據(jù)通信是實現(xiàn)計算機與計算機之間或計算機與人之間的

通信，其通信過程需要定義嚴格的協(xié)議；而基于報文交

換的電信通信則是完成人與人之間的通信，因而雙方之

間的通信規(guī)則不必如此嚴格定義。所以，分組交換盡管

采用了古老的交換思想，但實際上已變成了一種嶄新的

交換技術。表1-1列出了分組交換網(wǎng)的主要優(yōu)點。

表1-1分組交換網(wǎng)的主要優(yōu)點

優(yōu)點采取的手段

提高了線路的利用率節(jié)點間的線路可以被多個分組動態(tài)共享

協(xié)調(diào)主機間的處理速率采用存儲轉發(fā)技術

網(wǎng)狀的拓撲結構和智能的計算機，使得當發(fā)生網(wǎng)絡擁塞或少數(shù)節(jié)點、

靈活、可靠鏈路出現(xiàn)故障時，可靈活地改變轉發(fā)的路徑而不致引起通信中斷或

全網(wǎng)癱瘓

與電路交換相比，分組交換的不足之處是：①每

一分組在經(jīng)過每一交換節(jié)點時都會產(chǎn)生一定的傳輸延

時，考慮到節(jié)點處理分組的能力和分組排隊等候處理

的時間，以及每一分組經(jīng)過的路由可能不等同，使得

每一分組的傳輸延時長短不一。因此，它不適用于一

些實時、連續(xù)的應用場合，如電話話音、視頻圖像等

數(shù)據(jù)的傳輸；②由于每一分組都額外附加一個頭信

息，從而降低了攜帶用戶數(shù)據(jù)的通信容量；

③分組交換網(wǎng)中的每一節(jié)點需要更多地參與對信

息轉換的處理，如在發(fā)送端需要將長報文劃分為若干

段分組，在接收端必須按序將每個分組組裝起來，恢

復出原報文數(shù)據(jù)等，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。盡

管如此，分組交換技術的出現(xiàn)，不僅大大推動了當時

的計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，而且也是現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡

技術發(fā)展的重要基礎。

■

第三階段：（20世紀80年代）具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結

構，遵循國際標準化協(xié)議的計算機網(wǎng)絡。局域網(wǎng)絡系

統(tǒng)日漸成熟。隨著計算機網(wǎng)絡的普及和應用推廣，越

來越多的用戶都希望將自己的計算機連網(wǎng)。然而實現(xiàn)

不同系列、不同品牌的計算機互連，顯然并不是一件

容易的事情。因為相互通信的計算機必須高度協(xié)調(diào)工

作，而這種協(xié)調(diào)是相當復雜的。為了降低網(wǎng)絡設計的

復雜性，早在當初設計ARPANET時，就有專家提出了

層次模型。分層設計的基本思想就是將龐大而復雜的

問題轉換為若干個較小的子問題進行分析和研究。

隨著ARPANET的建立，各個國家甚至大公司都

建立了自己的網(wǎng)絡體系結構，如IBM公司研制的分層

網(wǎng)絡體系結構SNA(SystemNetworkArchitecture),DEC

公司開發(fā)的網(wǎng)絡體系結構DNS(DigitalNetwork

Architecture)。這些網(wǎng)絡體系結構的出現(xiàn)，使得一個公

司生產(chǎn)的各種類型的計算機和網(wǎng)絡設備可以非常方便

地進行互連。但是，由于各個網(wǎng)絡體系結構都不相

同，協(xié)議也不一致，使得不同系列、不同公司的計算

機網(wǎng)絡難以實現(xiàn)互聯(lián)。這為全球網(wǎng)絡的互連、互通帶

來了困難。

20世紀80年代開始，人們著手尋找統(tǒng)一的網(wǎng)絡體

系結構和協(xié)議的途徑。國際標準化組織

ISO(InternationalStandardOrganization)于1977年成立了

專門機構研究該問題，并于1984年正式頒布了開放系

統(tǒng)互連參考模型OSI-RM(OpenSystemsInterconnection

ReferenceModel,簡稱OSI)。所謂''開放〃,就是指只

要遵循OSI標準模型的任何系統(tǒng)，不論位于何地，都可

以進行互連、互通。這一點非常像世界范圍的電話和

郵政系統(tǒng)。這里的''開放系統(tǒng)〃，是指在實際網(wǎng)絡系統(tǒng)

中與互連有關的各個部分。它也是對當時各個封閉的

網(wǎng)絡系統(tǒng)而言的。

在計算機網(wǎng)絡發(fā)展的進程中，另一個重要的里程

碑就是出現(xiàn)了局域網(wǎng)絡。局域網(wǎng)可使得一個單位或一

個校園的微型計算機互連在一起，互相交換信息和共

享資源。由于局域網(wǎng)的距離范圍有限、連網(wǎng)的拓撲結

構規(guī)范、協(xié)議簡單，使得局域網(wǎng)連網(wǎng)容易，傳輸速率

高，使用方便，價格也便宜。所以很受廣大用戶的青

睞。因此，局域網(wǎng)在20世紀80年代得到了很大的發(fā)

展，尤其是1980年2月份美國電氣和電子工程師學會組

織頒布的IEEE802系列的標準，對局域網(wǎng)的發(fā)展和普及

起到了巨大的推動作用。

第四階段：（20世紀90年代）網(wǎng)絡互連與高速網(wǎng)絡。

自OSI參考模型推出后，計算機網(wǎng)絡一直沿著標準化的

方向在發(fā)展，而網(wǎng)絡標準化的最大體現(xiàn)是Internet的飛

速發(fā)展。Internet是計算機網(wǎng)絡最輝煌的成就，它已成

為世界上最大的國際性計算機互聯(lián)網(wǎng)，并已影響著人

們生活的各個方面。由于Internet也使用分層次的體系

結構，即TCP/IP網(wǎng)絡體系結構，使得凡遵循TCP/IP的

各種計算機網(wǎng)絡都能相互通信。進入20世紀90年代

后，網(wǎng)絡進一步向著開放、高速、高性能方向發(fā)展。

由于Internet還存在著技術和功能上的不足，加上

用戶數(shù)量猛增，使得現(xiàn)有的Internet不堪重負。1993年

美國政府提出了''NGII(NextGenerationInternet

Initiative)行動計劃〃，該計劃的目標是：開發(fā)規(guī)模更大、

速度更快的下一代網(wǎng)絡結構，使之端到端的數(shù)據(jù)傳輸

速率超過100Mb/s甚至10Gb/s；提供更為先進、實時

性更高的網(wǎng)絡應用服務，如遠程教育、遠程醫(yī)療、高

性能的全球通信、環(huán)境監(jiān)測和預報等，NGII計劃將使

用超高速全光網(wǎng)絡，能實現(xiàn)更快速的交換和路徑選

擇；保證網(wǎng)絡信息的可靠性和安全性。

1.1.4計算機網(wǎng)絡在我國的發(fā)展

我國在20世紀80年代初期已經(jīng)有一部分高校和企

業(yè)建立了局域網(wǎng)，并引入了國外的局域網(wǎng)產(chǎn)品。1989

年我國第一個公用分組交換網(wǎng)CNPAC正式運行，

CNPAC分組交換網(wǎng)由3個分組節(jié)點交換機，8個集中器

和一個雙機組成的網(wǎng)絡管理中心所組成。1993年該網(wǎng)

擴充成層次結構的全國網(wǎng)CHINAPAC,由國家主干網(wǎng)

和各省、區(qū)、市的省內(nèi)網(wǎng)組成。主干網(wǎng)的覆蓋范圍由

原來的10個城市擴大到2300個市、縣及以下鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在

北京、上海設有國際出入口。1993年我國又開始啟動”

金”字工程，即金橋、金卡、金關--三金〃工程，使

我國網(wǎng)絡發(fā)展進入了一個新的時期。

自20世紀90年代起，由于Internet網(wǎng)絡技術的發(fā)展

和普及，我國陸續(xù)建造了基于Internet技術的，可以與

Internet互連的四個全國范圍的公用計算機網(wǎng)絡，即中

國公用計算機互聯(lián)網(wǎng)CHINANET、中國金橋信息網(wǎng)

CHINAGBN、中國教育和科研計算機網(wǎng)CERNET、中

國科學技術網(wǎng)絡CSTNET。其中，中國教育和科研計

算機網(wǎng)CERNET是我國第一個完全依靠自己的科研人

員設計、建設和運行的全國性計算機網(wǎng)絡。它是一個

三層次結構的計算機網(wǎng)絡，包括主干網(wǎng)（用速率64kb/s

的DDN專線連接）、地區(qū)網(wǎng)（共分8個地區(qū)）、校園網(wǎng)，網(wǎng)

絡中心設在清華大學。

■

到2000年已連接全國大部分高等學校入網(wǎng)，并將

主干網(wǎng)的速率提高到2Mb/s以上，同時提供了豐富的

網(wǎng)絡應用資源。中國科學技術網(wǎng)CSTNET是中國科學

院負責建設和管理的網(wǎng)絡，是我國最早完成與Internet

相連接的互連網(wǎng)絡。它主要包括三大部分：北京中關

村地區(qū)教育與科研示范網(wǎng)（CSTNET的核心部分）；中科

院院網(wǎng)（即在北京中科院院網(wǎng)的基礎上延伸到全國25個

城市的120多個科研機構的百所大聯(lián)網(wǎng)）；用微波、衛(wèi)

星等公用線和專線連接有關部委和地區(qū)的一批接入網(wǎng)

和用戶電話撥號入網(wǎng)的對外科技界網(wǎng)絡部分?，F(xiàn)在我

國的''中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心CNNIC〃就是在CSTNET

和中科院網(wǎng)絡信息中心的基礎上成立的。

盡管我國在計算機網(wǎng)絡方面有了較快的發(fā)展，但與

發(fā)達國家相比，在計算機網(wǎng)絡化方面仍有很大的差距。

未來計算機網(wǎng)絡發(fā)展的主要特征是：高速的計算機

網(wǎng)絡、高速信息網(wǎng)絡的體系結構、骨干網(wǎng)協(xié)議的統(tǒng)一和

綜合智能的網(wǎng)絡管理。

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1.2計算機網(wǎng)絡的基本概念

1.2.1計算機網(wǎng)絡的定義和功能

什么是計算機網(wǎng)絡？它能為用戶提供哪些服務？

它有哪些功能？這是人們學習計算機網(wǎng)絡時普遍關心

的問題。

到目前為止，關于什么是計算機網(wǎng)絡還沒有一個

科學統(tǒng)一的定義。這是因為計算機網(wǎng)絡是一門新興的

科學技術，它隨著科技的發(fā)展而不斷地完善和充實。

我們根據(jù)當前普遍公認的看法，將計算機網(wǎng)絡定義為:

將地理位置不同、具有自治的多個計算機通過通信設

備和通信介質連接起來的、由功能完善的網(wǎng)絡軟件控

制而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享的系統(tǒng)。

其中，自治的計算機意指具有獨立管理和控制能

力的系統(tǒng)。它可以是巨型機、大型機、小型機或工作

站、PC機以及筆記本電腦或其他具有CPU處理器的智

能設備。這些設備在計算機網(wǎng)絡中具有唯一的可供計

算機網(wǎng)絡識別和處理的通信地址。通信設備包括網(wǎng)卡、

路由器、交換機、集線器、調(diào)制解調(diào)器及其他設備。

其中路由器或ATM交換機是構成廣域網(wǎng)絡的主要通信

設備，而交換機和集線器則是構成局域網(wǎng)絡的主要通

信設備（有關局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的概念將在后續(xù)的章節(jié)中

討論）。

這些設備都可看作是一種專用的計算機。通信介質可

以是電話線路、有線電纜（包括數(shù)據(jù)傳輸電纜、有線電

視信號傳輸電纜等）、光纖、無線電、微波、衛(wèi)星等，

這些通信介質把通信設備連接起來組成相應的通信子

網(wǎng)（或稱通信系統(tǒng)）。以上是構成一個計算機網(wǎng)絡的硬件

基礎。

4

然而，只有硬件的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個無腦的

軀體，必須配有相應的網(wǎng)絡軟件。與計算機網(wǎng)絡有關

的軟件包括操作系統(tǒng)核心軟件、通信控制協(xié)議軟件、

管理軟件（包括安全、記賬、出錯、配置等）、交換與路

由軟件以及應用軟件。操作系統(tǒng)核心軟件是網(wǎng)絡軟件

系統(tǒng)的基礎。一般來說，和計算機網(wǎng)絡連接的主機或

交換設備所使用的操作系統(tǒng)必須是多任務的，否則將

無法處理來自不同計算機的數(shù)據(jù)的收發(fā)任務。這也是

UNIX操作系統(tǒng)從一開始就成為Internet主要操作系統(tǒng)的

原因。協(xié)議軟件則是計算機網(wǎng)絡中通信各部分之間所

必須遵守的規(guī)則的集合，它定義了通信各部分交換信

息時的語法、語義、同步等規(guī)則。

■

協(xié)議軟件是計算機網(wǎng)絡軟件中最重要、最核心的

部分。計算機網(wǎng)絡的體系結構都是由協(xié)議決定的。而

且，網(wǎng)絡管理軟件、交換與路由軟件以及應用軟件等

的功能都是基于協(xié)議軟件實現(xiàn)的。管理軟件管理計算

機網(wǎng)絡的用戶與網(wǎng)絡的接入、認證，計算機網(wǎng)絡的安

全以及網(wǎng)絡運行狀態(tài)，并負責計費等工作。而交換與

路由軟件則負責為通信各部分之間建立和維護傳輸信

息所需的路徑。計算機網(wǎng)絡通過應用軟件為用戶提供

網(wǎng)絡服務，即信息資源的傳輸和共享。應用軟件可分

為兩類，一類是由網(wǎng)絡軟件廠商開發(fā)的通用應用軟件

工具，包括電子郵件、Web服務器及相應的瀏覽搜索

工具等。

例如使用電子郵件軟件傳遞信件，使用網(wǎng)絡瀏覽器查

詢Web服務器上的各類信息等。另一類應用軟件則依

賴于不同的用戶業(yè)務。例如網(wǎng)絡上的金融、電信管理、

制造廠商的分布式控制與操作。與操作系統(tǒng)為開發(fā)用

戶程序提供系統(tǒng)調(diào)用功能一樣，計算機網(wǎng)絡也為應用

軟件的開發(fā)提供相應的接口和服務。人們往往把這一

類應用軟件的開發(fā)與網(wǎng)絡建設一起稱為系統(tǒng)集成

(systemintegration)或系統(tǒng)整體解決(systemsolution)o

4

綜上所述，計算機網(wǎng)絡是一個由不同傳輸介質和

通信設備互連而構成的通信子網(wǎng)、與這個通信子網(wǎng)連

接的多臺地理上分散的具有唯一網(wǎng)絡地址標識的計算

機系統(tǒng)而構成的資源子網(wǎng)以及網(wǎng)絡軟件所組成的傳輸

和共享信息的系統(tǒng)。

計算機網(wǎng)絡的功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信（如E-mail、

IP電話、計算機協(xié)同式操作CSCW（ComputerSupported

Co-operativeWork等）、資源共享（包括硬件資源的共

享，如打印機、大容量磁盤、CD-ROM等；軟件資源

的共享，如程序、數(shù)據(jù)等）、增強可靠性（避免了某一臺

計算機或交換機的失效對用戶產(chǎn)生的影響）、提高系統(tǒng)

處理能力等。針對具體業(yè)務研制開發(fā)的應用網(wǎng)絡軟件

的功能就很豐富了，如網(wǎng)絡實時交談、網(wǎng)絡游戲、網(wǎng)

上教學、網(wǎng)上書店、網(wǎng)上購物、網(wǎng)上訂票、網(wǎng)上電視

直播、網(wǎng)上醫(yī)院、網(wǎng)上證券交易、虛擬現(xiàn)實以及電子

商務等。

1.2.2計算機網(wǎng)絡的分類

從不同的角度，計算機網(wǎng)絡有不同的分類結果,

表1-2列出了常見的計算機網(wǎng)絡分類。

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表1-2計算機網(wǎng)絡的分類

分類方法類另1」說明

電路交換

報文交換其中，幀中繼交換是分組交換的一種協(xié)議簡化的交換

按交換方式分組交換方式；信元交換采用的是一種時分多路復用技術的交

幀中繼交換換方式

信元交換

其中，集中式網(wǎng)絡的特點是網(wǎng)絡信息流必須經(jīng)過中央

集中式網(wǎng)絡處理機或網(wǎng)絡交換節(jié)點（如星形拓撲結構）；分布式網(wǎng)絡

按拓撲結構分散式網(wǎng)絡的特點是任何一個節(jié)點都至少和其他兩個節(jié)點直接相

分布式網(wǎng)絡連（如網(wǎng)狀形拓撲結構），是主干網(wǎng)常采用的一種結構；

分散式網(wǎng)絡實際上是星形網(wǎng)和網(wǎng)狀形網(wǎng)的混合網(wǎng)

其中，廣域網(wǎng)的作用范圍為幾十至兒千公里，又稱為

廣域網(wǎng)(WAN)遠程網(wǎng)；局域網(wǎng)的作用范圍常限制在一個單位或一個

按作用范圍局域網(wǎng)(LAN)校園(1km)內(nèi)，但數(shù)據(jù)傳輸速率高(10Mb/s以上)；城

城域網(wǎng)(MAN)域網(wǎng)常介于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間，局限在一個城市

(5?50km)內(nèi)

其中，公用網(wǎng)都是由國家的電信部門建造和控制管理

公用網(wǎng)的；專用網(wǎng)是某個單位或部門為本系統(tǒng)的特定業(yè)務需

按使用范圍

專用網(wǎng)要而建造的，不對單位或部門以外的人員開放。

1.2.3關于計算機網(wǎng)絡的若干術語

1.計算機網(wǎng)絡與計算機通信網(wǎng)絡

計算機網(wǎng)絡與計算機通信網(wǎng)路的主要區(qū)別是：前

者以網(wǎng)絡資源共享為主要目的，網(wǎng)絡資源都是由系統(tǒng)

來管理和控制的，網(wǎng)絡的使用對用戶是完全透明的（即

不可見的）；后者以數(shù)據(jù)通信為主要目的，網(wǎng)絡資源共

享程度低，資源管理和網(wǎng)絡使用對用戶不透明。由于

它們各自應用的目的不同，所以在網(wǎng)絡的結構（包括硬

件和軟件）組成上也有一定的差異。

2.計算機網(wǎng)絡與分布式計算機系統(tǒng)

計算機網(wǎng)絡與分布式計算機系統(tǒng)的主要區(qū)別是：分

布式系統(tǒng)中的各個計算機對用戶是透明的，整個系統(tǒng)對

用戶而言就好像是一個計算機那樣。當用戶通過鍵盤鍵

入命令后，操作系統(tǒng)就為用戶選擇一個最合適（即依據(jù)

功能要求、當前系統(tǒng)的負荷等情況來決定）的計算機去

運行其程序，并將運行的結果傳送到合適的地方。

這些都不需要用戶的干預，用戶也不知道最終哪個計算

機為他運行程序。而計算機網(wǎng)絡則不同，用戶必須先登

錄到網(wǎng)上。然后，根據(jù)計算機地址，通過計算機網(wǎng)絡將

程序傳送到要運行它的計算機上。最后，根據(jù)用戶的命

令將運行的結果傳送到指定的計算機中。它們在結構組

成上的主要差別是高層軟件的配置不同。一般來說，分

布式計算機系統(tǒng)是計算機網(wǎng)絡的一個特例。

3.通信子網(wǎng)、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)

通信子網(wǎng)作為廣域網(wǎng)的一個重要組成部分，通常

由傳輸信道（包括傳輸設備）和轉接設備（又稱接口信息

處理器，如路由器、網(wǎng)關等）組成。它的主要任務是利

用存儲轉發(fā)技術將數(shù)據(jù)從子網(wǎng)的源端傳遞到子網(wǎng)的目

的端。通信子網(wǎng)和主機結合就構成了廣域網(wǎng)，對于局

域網(wǎng)來說，它僅由網(wǎng)卡、傳輸信道（或傳輸介質）和主機

組成，它無通信子網(wǎng)，這是由于局域網(wǎng)覆蓋的距離范

圍有限，拓撲結構很規(guī)范，不存在網(wǎng)絡路徑的選擇和

網(wǎng)絡擁塞等控制問題，所以，數(shù)據(jù)通信的處理和控制

由網(wǎng)卡和局域網(wǎng)的協(xié)議來完成。

互聯(lián)網(wǎng)僅涉及不同網(wǎng)絡的連接技術問題，如局域

網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的連接、局域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的連接

以及廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的連接。值得注意的是，互

聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡互連是有區(qū)別的，盡管它們都反映了利用

互連設備及相關協(xié)議技術所實現(xiàn)的兩個或兩個以上網(wǎng)

絡的連接，但是，網(wǎng)絡互連含有連接''動作〃之意，而

互聯(lián)網(wǎng)則側重于連接成型的網(wǎng)絡''狀態(tài)〃。

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1.3網(wǎng)絡體系結構

1.3.1網(wǎng)絡體系結構的定義

早在20世紀60年代，計算機系統(tǒng)設計者就提出了

計算機網(wǎng)絡體系結構的概念。它是指從整個計算機網(wǎng)

絡系統(tǒng)的角度研究網(wǎng)絡的結構特征。具體來說，就是

研究計算機網(wǎng)絡的邏輯結構和功能的分配。其目的是

為了使計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠在統(tǒng)一的原則下進行設計、

建造、互連、使用和發(fā)展。

它提出的問題并不是針對某個網(wǎng)絡產(chǎn)品或部件，也不

涉及某個具體的網(wǎng)絡或系統(tǒng)，以及具體技術上的實現(xiàn)

細節(jié)，而僅僅從概念上和功能上抽象和概括計算機網(wǎng)

絡的結構框架。由于它從全局的觀點研究、探討計算

機網(wǎng)絡，所以對促進網(wǎng)絡的合理化、標準化、通用化、

高性能化將產(chǎn)生重要影響和作用。

目前，常見的網(wǎng)絡體系結構實例有IBM公司的

SNA(SystemsNetworkArchitecture),DEC公司的

DNS(DigitalNetworkArchitecture),美國國防部的

TCP/IP網(wǎng)絡體系結構等。由于不同的網(wǎng)絡體系結構互

不兼容，使得各種體系結構的計算機網(wǎng)絡不能互連，

這給計算機網(wǎng)絡的發(fā)展帶來了很多困難。

這一問題受到了國際標準化組織ISO的重視，該組

織于1977年3月召開的第九次全會上決定成立一個新的

技術委員分會ISO/TC97/SC16專門研究此課題。經(jīng)過幾

年的努力，1983年ISO/TC97/SC16提出了開放系統(tǒng)互連

參考模型OSI-RM,即著名的ISO7498國際標準。它采

用了抽象化、虛擬化和分層化的方法研究計算機網(wǎng)絡

的各層功能、接口及協(xié)議。其中，采用抽象化的方法

給出了OSI的參考模型、服務定義和協(xié)議規(guī)范；

----------------------------------------

基于虛擬化的方法，提出了邏輯通道、虛擬電路、虛

擬終端等高度概括與理想的產(chǎn)物，而并未具體到某一

器件、裝置、程序和組件，這為研究網(wǎng)絡體系結構找

到了目標和對象；用分層化的方法定義了OSI的七層模

型，為進一步開發(fā)OSI標準提供了共同的框架。

狹義地講，網(wǎng)絡體系結構就是計算機網(wǎng)絡的各層

及其協(xié)議集合，網(wǎng)絡上每一層的功能都是由該層的協(xié)

議和服務來實現(xiàn)的。具體地說，就是為完成計算機之

間的通信合作，把每個計算機互連的功能劃分成定義

明確的層次，規(guī)定出同等層進程間的通信協(xié)議和相鄰

層之間的接口及服務，將這些分層模型、同等層進程

通信協(xié)議規(guī)范和相鄰層接口服務規(guī)范等的集合統(tǒng)稱為

計算機網(wǎng)絡體系結構。

需要強調(diào)的是，由于網(wǎng)絡體系結構只是精確定義

了計算機網(wǎng)絡中的邏輯構成及所應完成的功能，至于

這些功能究竟是用何種硬件或軟件實現(xiàn)的，并未說明。

這樣做，是為了促進網(wǎng)絡互連的發(fā)展，促進計算機網(wǎng)

絡技術的提高，而又不帶來副作用。所以，體系結構

只是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是需要硬件和軟件

來完成的。

1.3.2網(wǎng)絡體系結構的幾個重要概念

1.網(wǎng)絡協(xié)議

在計算機網(wǎng)絡中要做到計算機之間的信息傳輸，

就必須遵循它們事先約定好的信息交換規(guī)則。這是因

為相同的數(shù)字信號可攜帶不同的信息。我們把在計算

機網(wǎng)絡中為進行數(shù)據(jù)交換而建立的一系列規(guī)則、標準

或約定稱為網(wǎng)絡協(xié)議。具體地講，網(wǎng)絡協(xié)議包括語法、

語義和同步三要素，其中，語法約定了數(shù)據(jù)和控制信

息的格式或結構、編碼及信號電平等；語義是為協(xié)調(diào)

完成某種動作或操作而規(guī)定的控制和應答信息；同步

是對事件實現(xiàn)順序的詳細說明，指出事件的順序以及

速度匹配。

為了減少網(wǎng)絡協(xié)議涉及的復雜性，網(wǎng)絡設計者并

不是為所有形式的通信設計一個單一、巨大的協(xié)議，

而是采用協(xié)議分層方法設計網(wǎng)絡協(xié)議。所謂''協(xié)議分層〃

就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡通信的整體功能分解

為一個個的功能層，位于不同系統(tǒng)上的同等功能層之

間按相同的協(xié)議進行通信，而同一系統(tǒng)上的相鄰功能

層之間按接口進行信息傳遞。

為了便于理解協(xié)議分層的概念，我們以在兩個計

算機之間通過通信網(wǎng)絡傳遞郵件為例進行說明。如果

按協(xié)議分層結構的方法，可以將這項工作劃分為三個

層次(如圖l-6(a)所示)。

面向應用協(xié)議

應用層應用層

進程間信道協(xié)議

傳輸層傳輸層

通

通

信

網(wǎng)際協(xié)議信

子

網(wǎng)絡層子網(wǎng)絡層

網(wǎng)

網(wǎng)

訪問通信子網(wǎng)協(xié)議

(b)通信協(xié)議層次劃分

圖1-6協(xié)議層次劃分

第一層次：提供郵件發(fā)送服務。為了保證該服務

的實現(xiàn)，在這一層次上必須首先約定好通信雙方郵件

的格式、郵件內(nèi)容所采用的語言文字（即字符）等，以便

通信雙方能夠知道是誰寫的信，信中的內(nèi)容是什么

等，我們稱此規(guī)定的內(nèi)容為郵件協(xié)議。如果兩個計算

機所采用的郵件格式或語言文字不同，則郵件發(fā)送服

務程序必須提供完成郵件格式及文字轉換的功能模塊。

這一層上只保證郵件的發(fā)送和接收，以及彼此雙方郵

件的識別，我們用郵件收發(fā)模塊來實現(xiàn)。至于郵件能

否可靠地傳遞到對方，則由下一層來保證。

r

第三層次：網(wǎng)絡接入服務。由于通信服務的實現(xiàn)

是建立在通信網(wǎng)絡的基礎上。所以，該層負責完成與

通信網(wǎng)絡的接口功能。為此，在這一層次上必須約定

好與通信網(wǎng)絡連接接口的機械特性、電氣特性、功能

特性和規(guī)程特性等，我們稱此規(guī)定的內(nèi)容為連接接口

協(xié)議。

顯然，采用協(xié)議分層結構的突出特點是：①層的獨

立性和封裝性。由于每一層都是相對獨立的功能模塊，

只要彼此相鄰間的接口所提供的服務不變，那么至于各

層的模塊如何實現(xiàn)以及如何發(fā)生變化或修改，都不會影

響其他各層。它不僅將整個系統(tǒng)設計的復雜度降低了，

而且為系統(tǒng)的維護和管理提供了方便，同時也為在硬件

和軟件方面適應新技術的發(fā)展和更新提供了靈活性；②

其二，利于促進標準化。因為每一層的功能都有精確的

定義和說明，所以有利于促進標準化。

圖l-6(b)給出了一般網(wǎng)絡的協(xié)議層次劃分及兩主機

間通過網(wǎng)絡進行通信的協(xié)議間的關系。從圖中可以看

出，在通信的應用服務層間需要一種面向應用的協(xié)

議，以協(xié)調(diào)兩個應用模塊的行動，并統(tǒng)一雙方間通信

的語法和語義；在傳輸服務層間的通信要遵循面向進

程的協(xié)議，以處理和控制諸如信息的流量和差錯之類

的事務；網(wǎng)絡服務層間的通信將涉及到通信子網(wǎng)訪問

協(xié)議以及通信子網(wǎng)間的網(wǎng)際協(xié)議，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的

傳遞。

2.網(wǎng)絡服務

由上述分析可知，網(wǎng)絡的協(xié)議是作用在不同系統(tǒng)

中的同等層間的。為了使同等層間具有通信的能力，

在網(wǎng)絡的每一層中至少有一個實體。它泛指能夠發(fā)送

和接收信息的任何東西，它既可以是軟件實體（如進

程），也可以是硬件實體（如某一接口芯片）。不同系統(tǒng)

上的同一層實體叫對等實體（或同等實體）。在網(wǎng)絡協(xié)議

的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向它

相鄰的上一層提供服務。所以，網(wǎng)絡服務是指彼此相

鄰的兩層間下層向上層提供通信能力或操作而屏蔽其

細節(jié)的過程。其中下層是服務提供者，上層是接受服

務的用戶（簡稱服務用戶）。

由于網(wǎng)絡分層結構中的單向依賴關系，使得網(wǎng)絡

的底層總是向它的上層提供服務，且每一層的服務又

都是借助于它的下層以及以下各層的服務能力。服務

的表現(xiàn)形式是服務原語(比如庫函數(shù)或系統(tǒng)調(diào)用等)，即

上層是利用下層提供的服務原語通過層間接口的信息

交換來使用下層的服務，共有請求、指示、響應、證

實四種類型服務原語。其中請求原語類型(request)用以

使服務用戶能從服務提供者那里請求一定的服務，比

如建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、釋放連接、報告狀態(tài)等；指

示原語類型(indication)用以使服務提供者能向服務用戶

提示某種狀態(tài)，如連接指示、輸入數(shù)據(jù)、釋放連接指

示等；

響應原語類型(response)用以使服務用戶能響應先前的

指示原語，如接受連接或釋放等；證實原語類型

(confirmation)用以使服務提供者能報告先前請求原語

請求成功與否。它們相互作用的關系如圖1-7所示。

值得注意的是，協(xié)議和服務在概念上是有很大區(qū)

別的。首先協(xié)議的實現(xiàn)保證了該層能夠向它相鄰的上

一層提供服務，服務用戶只能看見服務提供者提供的

服務而看不見它的協(xié)議，即協(xié)議對服務用戶是透明

的，這就意味著，協(xié)議是提供服務的重要基礎，而服

務是協(xié)議實現(xiàn)的最終體現(xiàn)；其次，協(xié)議是''水平〃的，

而服務是''垂直〃的。從圖1-7中也可以看出它們間的聯(lián)

系和區(qū)別。

4

請

指

響

主機1證主機2

求

示

應

實

原

原

原

原

語

語

語

服務用戶語服務用戶

服務提供者Reque命令服務提供者

AC喻令

圖1-7服務原語間的關系

在同一系統(tǒng)中，相鄰層間的實體進行信息交換的地方

通常稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)oSAP

實際上就是一個邏輯接口，更具體地說，就是為實現(xiàn)

層間接口的通信所定義的數(shù)據(jù)結構，它有唯一地址加

以標識。

在網(wǎng)絡分層體系結構中，同等層間或相鄰層間的

數(shù)據(jù)交換是按數(shù)據(jù)單元進行傳遞的，即約定：同等層

間按協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(ProtocolDataUnit)通信；相鄰

層間按接口數(shù)據(jù)單元IDUQnterfaceDataUnit)通信；服

務數(shù)據(jù)單元SDU(ServeDataUnit)是服務用戶交給服務

提供者所傳遞的數(shù)據(jù)單位，它只需在同等層的服務用

戶之間保持一致，而不管在傳輸過程中經(jīng)過什么變化。

它們間的聯(lián)系和區(qū)別如圖1-8所示。

從圖中可以看到，(N)層實體為了將服務用戶的

(N+1)SDU傳遞到對等層——(N)層實體的服務用戶

中，首先給(N+1)SDU外加一些協(xié)議控制信息，使之變

換成(N+1)PDU,這是因為對等層實體是按協(xié)議數(shù)據(jù)單

元通信的。由于實際數(shù)據(jù)的流向是穿過發(fā)送端系統(tǒng)的

各層，并通過對接的傳輸介質傳遞到接收端系統(tǒng)中的

最底層(即物理層)，然后再由底層逐層傳遞，直到與發(fā)

送端對接的同等層為止。所以，還必須在(N+1)PDU上

外加一些接口控制信息，使之變換成(N)IDU,以便通

過相鄰層間的接口SAP傳遞至(N)層。當數(shù)據(jù)傳遞到(N)

層后，接口控制信息的作用已經(jīng)完成。

此時，(N)層最終接受的數(shù)據(jù)又作為(N—l)層的服

務用戶數(shù)據(jù)，即(N)SDU,并借助(N—1)層的網(wǎng)絡服務

將數(shù)據(jù)繼續(xù)向下層傳遞(這一傳遞過程常常稱為打包過

程)，即按各同等層間的協(xié)議組裝數(shù)據(jù)，直到網(wǎng)絡的最

底層--物理層后，通過傳輸介質傳送到接收端。接收

端再按相反的方向由底層向上層逐層傳遞接收的數(shù)據(jù)

(這一傳遞過程常常又稱為解包過程)，即各同等層間按

協(xié)議解釋數(shù)據(jù)，直到與發(fā)方對接的同等層為止。至此

完成了通信雙方間的數(shù)據(jù)傳遞。

值得注意的是，各類數(shù)據(jù)單元的大小都是有一定

限制的。所以，在各類數(shù)據(jù)單元之間的轉換過程中，

常常需要在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進行分段或分塊，而在接收

端對數(shù)據(jù)進行合段或合塊。圖1-8僅給出了一對一的轉

換關系圖。

圖1-8各數(shù)據(jù)單元間的聯(lián)系

3.面向連接服務與無連接服務

從通信的角度看，各層所提供的服務可分為面向

連接服務和無連接服務兩種。

1）面向連接服務

所謂''連接〃是指在同等層的兩個對等實體間所設

定的邏輯通路。利用建立的連接進行數(shù)據(jù)交換的方式

稱為面向連接的數(shù)據(jù)傳輸。

■

面向連接服務的過程類似于電話通信中電路交換

的過程，即需要經(jīng)歷連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放

這三個階段。在網(wǎng)絡層中該服務類型稱為虛電路服務。

其中“虛”表示在兩個服務用戶的通信過程中并沒有自

始至終占用一條端到端的完整物理線路。

這是因為采用分組交換時，通信的鏈路是按信道逐段

占用的，但對服務用戶來說，卻好像一直占用了一條

完整的通信電路。顯然，面向連接服務比較適合數(shù)據(jù)

量大、實時性高的數(shù)據(jù)傳輸應用場合。若兩個服務用

戶之間需要經(jīng)常進行頻繁的數(shù)據(jù)通信時，則可建立永

久虛電路，類似于建立的專用電話線路，這樣可以免

除每次通信時的連接建立和連接釋放。

4

—

2）無連接服務

無連接服務的過程類似于郵政系統(tǒng)中的信件通信,

其特點是：通信前，同等層的兩個對等實體間不需要事

先建立連接，通信鏈路資源完全在數(shù)據(jù)傳輸過程中動態(tài)

地進行分配。此外，通信過程中，雙方并不需要同時處

于激活（或工作）狀態(tài)，如同在信件傳遞過程中，收件人

沒有必要當時位于目的地一樣。顯然，無連接服務的優(yōu)

點是靈活方便，信道的利用率高，特別適合于短報文的

傳輸。但是，由于通信前事先未建立連接，所以，傳遞

的每個分組信息必須標明源地址和目的地址。

根據(jù)服務的質量，無連接服務可分為數(shù)據(jù)報、證

實交付、請求回答三種類型。其中，數(shù)據(jù)報是一種不

可靠的服務，通信過程類似于一般平信的投遞，其特

點是不需要接收端做任何響應；證實交付是一種可靠

的服務，它要求每一報文的傳輸都有一個證實應答給

發(fā)送方的服務用戶，不過這個證實來自于接收方的服

務提供者而不是服務用戶，這就意味著這種證實只能

保證報文已經(jīng)發(fā)給目地站，但并不能保證目的站的服

務用戶已收到該報文；請求應答也是一種可靠的服

務，它要求接收方的服務用戶每收到一個報文就向發(fā)

送方的服務用戶發(fā)送一個應答報文。

1.3.3ISO/OSI的參考模型

ISO/OSI作為計算機網(wǎng)絡體系結構模型和開發(fā)協(xié)議

標準的框架，將計算機網(wǎng)絡劃分為了七個層次（如圖1-9

所示）。它不僅是不同系統(tǒng)互連的體系結構，而且要求

支持OSI標準的各大公司按OSI標準設計計算機網(wǎng)絡，

以便實現(xiàn)網(wǎng)絡的互連。ISO/OSI的七層協(xié)議體系結構既

復雜又不實用，但其概念清晰，其各層次的主要功能

簡述如下。

r

■

通信子網(wǎng)邊界

系統(tǒng)A發(fā)送進程同等層間按協(xié)議通信系統(tǒng)瞰收進程

相

相n應用層應用層

Vo

鄰

鄰

n表示層表示層o

層

V層

間

n會話層會話層o間

V

按

按

n傳輸層傳輸層o

接

V接

口

u網(wǎng)絡層網(wǎng)絡網(wǎng)絡層o口

通

通

O數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路層O

信

信

物理

物理層物理層

每一層向相鄰的上層提供服務

?------>數(shù)據(jù)比特流的物理傳輸?-------：

圖1-9ISO/OSI的七層參考模型

1.物理層

物理層處于OSI模型的最底層，它完成相鄰節(jié)點之

間原始比特流的傳輸。向它的相鄰層--數(shù)據(jù)鏈路層提

供物理連接建立和數(shù)據(jù)比特流的透明傳輸服務。其

中，''透明〃是對數(shù)據(jù)鏈路層而言的，意指數(shù)據(jù)比特流

經(jīng)過哪些實際電路傳輸，又是如何傳輸?shù)冗^程細節(jié)，

數(shù)據(jù)鏈路層是一概不知或看不見的。

物理層協(xié)議關心的典型問題是：使用什么樣的物

理信號來表示數(shù)據(jù)''1〃和''0〃；一位信號的持續(xù)時間多

長；是否可同時在兩個方向上進行數(shù)據(jù)傳輸；初始的

物理連接如何建立以及完成通信后如何終止物理連

接；物理層與傳輸介質的連接接口（插頭和插座）有多少

引腳以及各引腳的功能和動作時序。

物理層的設計主要涉及物理層接口的機械、電氣、

功能和規(guī)程特性，以及物理層接口連接的傳輸介質等

問題。

—

物理層由兩個主要部分組成：傳輸介質和連接策

略。典型的傳輸介質有雙絞線、同軸電纜、光纖、衛(wèi)

星、微波和無線電波等。連接策略共有三種形式：電

路交換、報文交換和分組交換。

2.數(shù)據(jù)鏈路層

1）鏈路和數(shù)據(jù)鏈路

鏈路是一條無源的點到點的信道或物理線路。數(shù)

據(jù)鏈路由信道和控制傳輸?shù)膮f(xié)議組成，如圖1-10所示。

數(shù)據(jù)鏈路層最重要的作用就是通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，

在不太可靠的物理介質上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸

圖1-10鏈路與數(shù)據(jù)鏈路

2）數(shù)據(jù)鏈路層的功能

數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能有：實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的建立、

維持和釋放的鏈路管理；從收到的比特流中區(qū)分一幀

的開始和結束的成幀功能；控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速率使之

與接收方接收數(shù)據(jù)的速率相匹配，即數(shù)據(jù)的流量控

制；數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯控制；在多點連接的情況下，

保證每一幀都能傳輸?shù)酵ㄐ诺膶Ψ剑⒈粚Ψ剿R別

的尋址功能。這樣，數(shù)據(jù)鏈路層就把一條有可能出差

錯的實際鏈路轉變成為讓網(wǎng)絡層看起來好像是一條無

差錯的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的控制傳輸協(xié)議分為面向字

符型協(xié)議和面向位（比特）型協(xié)議，后者是數(shù)據(jù)鏈路層的

主要協(xié)議。

3.網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層又稱為通信子網(wǎng)層，它為傳輸層提供端節(jié)

點間的可靠通信服務。它的主要功能是為端節(jié)點間的

數(shù)據(jù)傳輸尋找最佳路徑，避免擁塞，以便讓傳輸層可

以專注于自己的工作，而不必關心兩主機間數(shù)據(jù)傳輸

過程中的具體細節(jié)。對于由廣播信道構成的通信子

網(wǎng)，不存在路徑選擇和擁塞控制問題，因此這種子網(wǎng)

的網(wǎng)絡層非常簡單，甚至可以沒有。由于在計算機網(wǎng)

絡中進行通信的兩個計算機之間可能要經(jīng)過許多個節(jié)

點和鏈路，也可能要經(jīng)過若干個通過路由器互連的不

同通信子網(wǎng)，

所以，網(wǎng)絡層的傳輸控制協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡節(jié)點和信道

間的標準接口，完成虛擬線路的建立、拆除和網(wǎng)絡通

信管理。網(wǎng)絡層一般給傳輸層提供兩種類型的接口：

虛電路和數(shù)據(jù)報。其中，虛電路提供的是面向連接服

務，數(shù)據(jù)報提供的是面向無連接服務。

4

4.傳輸層

傳輸層位于通信子網(wǎng)之上的主機之中，它的主要

功能是依據(jù)通信子網(wǎng)的特性最佳地利用網(wǎng)絡資源，為

兩端主機的進程之間提供可靠、透明的報文傳輸服務。

由于傳輸層為上層提供可靠、有效的網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)

傳輸服務，所以使得上面的三個層次不再考慮數(shù)據(jù)的

傳輸問題。正因為如此，傳輸層成為計算機網(wǎng)絡體系

結構中非常重要的一層。

r

■

5.會話層

會話層不再參與具體的數(shù)據(jù)傳輸控制，但它卻對

數(shù)據(jù)傳輸進行管理，包括在兩個端用戶間建立、組織

和協(xié)調(diào)一個連接或會話所必需的協(xié)議。會話層的連接

建立在傳輸層連接的基礎上，一個傳輸連接一次只為

一個會話服務，如果傳輸連接由于一個網(wǎng)絡故障而中

斷，會話層將請求另一個傳輸連接，從而使會話不至

于被中斷。

為了便于會話管理，會話層提出了令牌控制、會

話同步和事務等方法。比如會話層通過交換數(shù)據(jù)令牌

管理全雙工和半雙工的通信，只有獲得數(shù)據(jù)令牌的用

戶才有權進行發(fā)送；在會話過程中，若發(fā)生了錯誤，

會話層用戶通過在數(shù)據(jù)流中定義主同步點和次同步

點，使得會話實體可返回到一個定義的同步點處，從

而避免大的損失；通過會話事務的引入，保證一個會

話的完整性和一致性。

6.表示層

表示層主要解決用戶信息的語法表示（代碼和格式）

問題，消除網(wǎng)絡內(nèi)部各個實體間的語義差異。它將預

交換的數(shù)據(jù)從適合于某一用戶的抽象語法轉換為適合

于OSI系統(tǒng)內(nèi)部使用的傳送語法，為執(zhí)行通用數(shù)據(jù)交換

功能提供公共通信服務和標準應用接口，如終端格式

轉換（行長、顯示特性、字符集等）、數(shù)值計算的通解、

正文壓縮、數(shù)據(jù)的加密和解密等，以便使應用層不必

關心信息的表示問題。

4

7.應用層

應用層是OSI參考模型的最高層，直接面向用戶。

它為用戶訪問OSI提供手段和服務。值得注意的是，

OSI的應用層并不是要把各種應用進行標準化，它所標

準化的是一些應用進程經(jīng)常使用的功能，以及執(zhí)行這

些功能所要使用的協(xié)議。具體地說，它對應用進程進

行了抽象，只保留應用層中與進程間交互有關的那些

部分，為網(wǎng)絡用戶之間的通信提供專用的服務，并建

立相關的一系列應用協(xié)議。

經(jīng)過抽象后，應用層將應用服務分為公共應用服

務元素CASE(CommonApplicationServiceElement)和

特定應用服務元素SASE(SpecialApplicationService

Element)兩大部分。其中，CASE為各應用進程提供公

共的服務，其本身由聯(lián)系控制服務元素、可靠傳輸服

務元素、遠程操作服務元素和委托、并發(fā)與恢復元素

組成；SASE完成某一方面的特定應用，如文件傳輸、

訪問和管理、虛擬終端、作業(yè)傳送與操作、報文處理

系統(tǒng)和目錄服務等。

綜上所述，ISO/OSI參考模型七層的主要功能可歸

納為如表1-3所示。

—

表1-30sl參考模型各層的主要功能

層次功能

應用層為應用進程提供網(wǎng)絡應用的接口服務，如電子郵件服務、文件傳輸服務等

表示層數(shù)據(jù)的公共表示、數(shù)據(jù)的加密和解密

會話層會話管理、會話同步和錯誤的恢復

傳輸層向上層提供可靠、透明的傳輸服務

網(wǎng)絡層通信子網(wǎng)中的路由選擇、擁塞控制、計費信息管理等

數(shù)據(jù)鏈路層成幀、流量控制、差錯控制

物理層為數(shù)據(jù)比特流的傳輸提供機械特性、電氣特性、規(guī)程特性和功能特性

1.3.4TCP/IP網(wǎng)絡體系結構

1.TCP/IP協(xié)議分層

由于Internet已經(jīng)得到了全世界的承認，所以

Internet所使用的TCP/IP協(xié)議集已成為當今計算機網(wǎng)絡

領域中使用最廣泛的互連網(wǎng)絡體系結構，而OSI參考模

型成為對通信功能進行分類的標準模型。TCP/IP協(xié)議

分層結構如圖1-11所示，在Internet所使用的各種協(xié)議

中，最重要和最著名的協(xié)議是傳輸控制協(xié)議

TCP(TransmissionControlProtocol)>用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議

UDP(UserDataProtocol)和網(wǎng)際協(xié)議IP(InternetProtocol)o

這三種協(xié)議一般由網(wǎng)絡操作系統(tǒng)內(nèi)核來實現(xiàn)，用戶往

往感受不到它的存在。

從圖中可見，TCP/IP協(xié)議分層與OSI協(xié)議分層的明

顯區(qū)別有兩點：①無表示層和會話層。這是因為在實

際應用中所涉及的表示層和會話層功能較弱，所以，

將其內(nèi)容歸并到應用層；②無數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，

但有網(wǎng)絡接口層。這是因為TCP/IP模型建立的首要目

標是實現(xiàn)異構網(wǎng)的互連，所以，在該模型中并未涉及

底層網(wǎng)絡的技術，而是通過網(wǎng)絡接口層屏蔽底層網(wǎng)絡

之間的差異，向上層提供統(tǒng)一的IP報文格式，以支持

不同物理網(wǎng)絡之間的互連、互通。

圖i-nTCP/IP網(wǎng)絡體系結構

2.網(wǎng)絡體系結構

1）網(wǎng)絡接口層

網(wǎng)絡接口層負責接收從IP層提交來的IP數(shù)據(jù)報，

并將IP數(shù)據(jù)報通過底層網(wǎng)絡（即凡支持TCP/IP高層協(xié)議

的物理網(wǎng)絡，如以太網(wǎng)、高速局域網(wǎng)、FDDKX.25、

ATM等）發(fā)送出去，或者從低層物理網(wǎng)絡上接收數(shù)據(jù)

幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給互連網(wǎng)層。

網(wǎng)絡接口有兩種類型：設備驅動程序，如局域網(wǎng)

的網(wǎng)絡接口；含自身數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的復雜子系統(tǒng)，如

X.25中的網(wǎng)絡接口。

2)互連網(wǎng)層

互連網(wǎng)層在TCP/IP參考模型中占有非常重要的地

位。它作為通信子網(wǎng)的最高層，負責相鄰節(jié)點之間分

組數(shù)據(jù)報的傳送，提供不可靠、面向無連接的傳輸服

務。它的主要協(xié)議是無連接的IP協(xié)議。與其配合使用

的協(xié)議有Internet控制報文協(xié)議ICMP(InternetControl

MessageProtocol)>地址解析協(xié)議ARP(Address

ResolutionProtocol)>逆地址解析協(xié)議RARP(Reverse

AddressResolutionProtocol)。

(1)IP協(xié)議。

IP層的不可靠性在于不能保證IP數(shù)據(jù)報能成功地

傳遞到達目的地。如果發(fā)生某種錯誤時，如某個路由

器暫時用完了緩沖區(qū)，IP協(xié)議的一個簡單錯誤處理方

法是丟棄該數(shù)據(jù)報，然后發(fā)送ICMP消息報告給信源端。

若要求可靠的傳輸服務，則必須由上層即傳輸層來保

證(如TCP協(xié)議)。“面向無連接(connectionless)”意指IP

層對每個數(shù)據(jù)報的處理是相互獨立的，即為每個數(shù)據(jù)

報獨立地進行路由選擇，這就意味著IP數(shù)據(jù)報的傳輸

并不保序。

比如，如果某一信源向相同的信宿發(fā)送兩個連續(xù)的數(shù)

據(jù)報（先是A,然后是B）時，有可能B先A到達目的地。

但是這種服務方式也有顯著的優(yōu)點：靈活性和健壯性。

它對互聯(lián)網(wǎng)絡的限制很少，可以動態(tài)選擇路由和分配

帶寬，相對面向連接的服務方式，它有效地解決了靜

態(tài)路由選擇易產(chǎn)生沖突以及傳輸路由的失效易造成連

接失敗的缺陷。這種服務方式非常類似于郵政部門的

信件投遞過程。

(2)ICMP協(xié)議。