網(wǎng)絡基礎標準教案

計算機網(wǎng)絡技術基礎標準教案計算機網(wǎng)絡技術基礎標準教案第1章計算機網(wǎng)絡的基本概念教學目標

通過本章的學習，掌握計算機網(wǎng)絡的定義，理解協(xié)議與分層、ISO/OSI參考模型、TCP/IP體系結構的基本概念，了解的計算機網(wǎng)絡的發(fā)展、分類，為后續(xù)內容的學習打下基礎。教學內容

1、計算機網(wǎng)絡的基本概念；

2、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的特點；

3、ISO/OSI參考模型的層次結構和各層的功能；

4、TCP/IP體系結構的各層功能。教學的重點和難點

1、什么是計算機網(wǎng)絡？

2、為什么計算機網(wǎng)絡采用分層次結構？

3、ISO/OSI參考模型、TCP/IP體系結構中如何劃分層次結構？

4、TCP/IP中的協(xié)議棧。學習指導

1、學生應該明確什么是計算機網(wǎng)絡，為什么計算機網(wǎng)絡采用分層次結構。

2、學生應該理解TCP/IP體系結構的層次劃分，熟悉TCP/IP協(xié)議棧。1.1計算機網(wǎng)絡的基本概念

計算機網(wǎng)絡是計算機技術和通信技術的結合。1.1.1什么是計算機網(wǎng)絡

定義：利用通信線路將具有獨立功能的計算機連接起來而形成的計算機集合，計算機間可以借助通信線路傳遞信息，共享軟件、硬件和數(shù)據(jù)等資源。圖1.1為計算機網(wǎng)絡的簡單示意圖。

目的：數(shù)據(jù)通信、資源共享。圖1.1計算機網(wǎng)絡的簡單示意圖

1.1.2計算機網(wǎng)絡的功能

1、共享硬件資源

在網(wǎng)絡環(huán)境下，人們可以坐在自己的計算機前，像使用本地計算機一樣使用安裝在其它計算機上的設備，工作變得更加快捷和方便。圖1-2為多用戶共享打印機示意圖。

2、共享數(shù)據(jù)資源

網(wǎng)絡用戶可以直接共享幾乎所有類型的數(shù)據(jù)，將紙頁和軟盤的傳遞量降到最低。圖1-3為多用戶共享數(shù)據(jù)庫示意圖。

3、共享應用程序

計算機可以通過網(wǎng)絡共享彼此的應用程序。例如：A計算機通過網(wǎng)絡從遠程執(zhí)行B計算機上的應用程序，B計算機再將執(zhí)行結果返回A計算機。共享應用程序（例如字處理軟件）不僅可以減少軟件費用的開支，而且可以保證網(wǎng)絡用戶使用的應用程序的版本、配置等是完全一致的。完全一致的應用程序的使用不但可以簡化維護、培訓等過程，而且可以保證數(shù)據(jù)的一致性。例如，通過使用統(tǒng)一的、版本號相同的字處理軟件，一個用戶在一臺計算機中編輯的文檔，可以保證另一用戶在另一臺計算機中順利打開并使用。

另外，計算機網(wǎng)絡可以為我們提供高效、快捷的通信手段。這些手段改變了人們的生活方式，為企業(yè)創(chuàng)造驚人的經(jīng)濟效益。電子郵件（E-mail）就是利用網(wǎng)絡進行高效通信的一個典型實例。1.1.3計算機網(wǎng)絡的發(fā)展

計算機網(wǎng)絡發(fā)展的速度可以用“迅猛”兩字來形容。二十多年前，很少有人接觸過網(wǎng)絡。但現(xiàn)在，計算機網(wǎng)絡、計算機互連網(wǎng)已成為老幼皆知的名詞，計算機網(wǎng)絡已成為社會結構的一個重要組成部分。機關、廠礦、學校、部隊基本上都擁有自己的網(wǎng)絡。計算機網(wǎng)絡已遍布各個領域，在廣告宣傳、生產運輸、會計電算化、教育教學等方面得到廣泛的應用。

計算機網(wǎng)絡發(fā)展的推動力是資源共享。

計算機網(wǎng)絡的發(fā)展大致分四個階段：

1、以單個計算機為中心的遠程連機系統(tǒng)，構成面向終端的計算機網(wǎng)絡；

2、多個主機互連，各主機相互獨立，無主從關系的計算機網(wǎng)絡；

3、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；

4、網(wǎng)絡互聯(lián)與高速網(wǎng)絡。1.1.4計算機網(wǎng)絡的分類

按照其覆蓋的地理范圍，計算機網(wǎng)絡可以分為廣域網(wǎng)（WAN,wideareanetwork）、城域網(wǎng)（MAN,metropolitanareanetwork）和局域網(wǎng)（LAN，localareanetwork）。

1、廣域網(wǎng)：

廣域網(wǎng)也稱為遠程網(wǎng)，為規(guī)模最大的網(wǎng)絡。它所覆蓋的地理范圍從幾十公理到幾千公理?？梢愿采w一個國家、一個地區(qū)或橫跨幾個洲，形成國際性的計算機網(wǎng)絡。廣域網(wǎng)通常可以利用公用網(wǎng)絡（如公用數(shù)據(jù)網(wǎng)、公用電話網(wǎng)、衛(wèi)星通信多等）進行組建，將分布在不同國家和地區(qū)的計算機系統(tǒng)連接起來，達到資源共享的目的。例如：大型企業(yè)在全球各城市都設立分公司，各分公司的局域網(wǎng)相互連接，即形成廣域網(wǎng)，廣域網(wǎng)的連線距離極長，連接速度通常低于局域網(wǎng)或城域網(wǎng)，使用的設備也相當昂貴。

2、城域網(wǎng)：

城域網(wǎng)的設計目的是滿足幾十公里范圍內的大型企業(yè)、機關、公司共享資源的需要，從而可以使大量用戶之間進行高效的數(shù)據(jù)、語音、圖形圖像以及視頻等多種信息的傳輸。城域網(wǎng)可視為數(shù)個局域網(wǎng)相連而成。例如：一所大學的各個校區(qū)分布在城市各處，將這些網(wǎng)絡相互連接起來，便形成一個城域網(wǎng)。

3、局域網(wǎng)：

局域網(wǎng)用于將有限范圍內（如一個實驗室、一幢大樓、一個校園）的各種計算機、終端與外部設備互聯(lián)成網(wǎng)。根據(jù)采用的技術和協(xié)議標準的不同，局域網(wǎng)分為共享式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)。局域網(wǎng)技術的應用十分廣泛，是計算機網(wǎng)絡中最活躍的領域之一。三種網(wǎng)絡類型的比較網(wǎng)絡類型范圍傳輸速度成本局域網(wǎng)4km內，同一棟建筑物內快便宜城域網(wǎng)4-20km，同一城市內中等昂貴廣域網(wǎng)20km以上，可跨越國家慢昂貴1.2協(xié)議與分層1.2.1協(xié)議的基本概念

為了使不同廠商、不同結構的系統(tǒng)能夠順利進行通信，通信雙方必須遵守共同一致的規(guī)則和約定，如通信過程的同步方式、數(shù)據(jù)格式、編碼方式等，否則通信是毫無意義的。這些為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定稱為網(wǎng)絡協(xié)議。

網(wǎng)絡協(xié)議通常由語義、語法和定時關系3部分組成。語義定義做什么，語法定義怎么做，而定時關系定義何時做。

為避免重復工作，每個協(xié)議應該處理沒有被其他協(xié)議處理過的通信問題，協(xié)議之間可以共享數(shù)據(jù)和信息。1.2.2網(wǎng)絡的層次結構

分層概念是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個重要概念。由于通信功能是分層實現(xiàn)的，因而進行通信的兩個系統(tǒng)就必須具有相同的層次結構，兩個不同系統(tǒng)上的相同層稱為同等層或對等層。通信在對等層的實體之間進行。雙方實現(xiàn)第N層功能所遵守的共同規(guī)則。

1、劃分原則

層內功能內聚、層間耦合松散

2、優(yōu)越性

（1）各層之間相互獨立。

（2）靈活性好。

（3）每層都可以采用最合適的實現(xiàn)技術。

（4）易于實現(xiàn)和維護。

（5）有利于網(wǎng)絡標準化。1.3ISO/OSI參考模型

由于很多網(wǎng)絡使用不同的硬件和軟件，沒有統(tǒng)一的標準，結果造成很多網(wǎng)絡不能兼容，而且很難在不同的網(wǎng)絡之間進行通信。

為了解決這些問題，人們迫切希望出臺一個統(tǒng)一的國際網(wǎng)絡標準。為此，國際標準化組織(ISO，internationalstandardsorganization）和一些科研機構、大的網(wǎng)絡公司做了大量的工作，提出了開放式系統(tǒng)互連參考模型（ISO/OSIRM，internationalstandardsorganization/opensysteminterconnectreferencemodel）和TCP/IP體系結構。1.3.1ISO/OSI參考模型的結構

在OSI參考模型中，計算機之間傳送信息的問題分為7個較小且更容易管理和解決的小問題。每一個小問題都由模型中的一層來解決。OSI將這7層從低到高叫做物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

1、為什么引進ISO/OSI參考模型？為了解決不同類型網(wǎng)絡技術的兼容性和互操作性。

2、ISO/OSI解決什么問題？

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信息在網(wǎng)絡中的傳輸過程：如何從一個應用程序到達另一計算機的另一個應用程序。

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各層的功能和架構：物理層（physicallayer）、數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）、網(wǎng)絡層（networklayer）、傳輸層（transportlayer）、會話層（sessionlayer）、表示層（presentationlayer）、應用層（applicationlayer）。

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OSI參考模型是網(wǎng)絡設計的藍圖，并非指一個現(xiàn)實的網(wǎng)絡。

4、OSI參考模型基本思想：

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各節(jié)點有相同的層次。

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虛通信：不同節(jié)點的同等層具有相同的功能，按照協(xié)議實現(xiàn)通信。

按照OSI參考模型，網(wǎng)絡中各節(jié)點都有相同的層次，不同節(jié)點的同等層次具有相同的功能，同一節(jié)點內相鄰層之間通過接口通信；每一層可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務；不同節(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信（虛擬通信）。

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同一節(jié)點的相鄰層之間通過接口通信。

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下層為上層服務。1.3.2OSI各層的主要功能

1、物理層（physicallayer）

物理層是OSI參考模型的最低一層，也是在同級層之間直接進行信息交換的唯一一層。物理層負責傳輸二進制位流，它的任務就是為上層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個物理連接，以便在相鄰節(jié)點之間無差錯地傳送二進制位流。

有一點應該注意的是，傳送二進制位流的傳輸介質，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題。實際上傳輸介質并不在OSI的7個層次之內。

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電氣特性：電纜上什么樣的電壓表示1或0

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機械特性：接口所用的接線器的形狀和尺寸

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過程特性：不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序以及各信號線的工作原理

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功能特性：某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義

2、數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）

數(shù)據(jù)鏈路層負責在兩個相鄰節(jié)點之間，無差錯地傳送以“幀”為單位的數(shù)據(jù)。每一幀包括一定數(shù)量的數(shù)據(jù)和若干控制信息。

數(shù)據(jù)鏈路的任務首先要負責建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。在傳送數(shù)據(jù)時，如果接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯，要通知發(fā)送方重發(fā)這一幀，直到這一幀正確無誤地送到為止。這樣，數(shù)據(jù)鏈路層就把一條可能出錯的鏈路，轉變成讓網(wǎng)絡層看起來就像是一條不出錯的理想鏈路。

3、網(wǎng)絡層（networklayer）

網(wǎng)絡層的主要功能是為處在不同網(wǎng)絡系統(tǒng)中的兩個節(jié)點設備通信提供一條邏輯通路。其基本任務包括路由選擇、擁塞控制與網(wǎng)絡互聯(lián)等功能。

4、傳輸層

傳輸層的主要任務是向用戶提供可靠的端到端（end-to-end）服務，透明地傳送報文。它向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細節(jié)，因而是計算機通信體系結構中最關鍵的一層。該層關心的主要問題包括建立、維護和中斷虛電路、傳輸差錯校驗和恢復以及信息流量控制機制等。

5、會話層

負責通訊的雙方在正式開始傳輸前的溝通，目的在于建立傳輸時所遵循的規(guī)則，使傳輸更順暢、有效率。溝通的議題包括：使用全雙工模式或半雙式模式？如何發(fā)起傳輸？如何結束傳輸？如何設置傳輸參數(shù)就像兩國元首在見面會晤之前，總會先派人談好議事規(guī)則，正式談判時就根據(jù)這套規(guī)則進行一樣。

6、表示層

表示層處理兩個應用實體之間進行數(shù)據(jù)交換的語法問題，解決數(shù)據(jù)交換中存在的數(shù)據(jù)格式不一致以及數(shù)據(jù)表示方法不同等問題。例如，IBM系統(tǒng)的用戶使用EBCD編碼，而其它用戶使用ASCII編碼。表示層必須提供這兩編碼的轉換服務。數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復等也都是表示層提供的服務。

7、應用層

應用層是OSI參考模型中最靠近用戶的一層，它直接提供文件傳輸、電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等服務給用戶。在實際操作上，大多是化身為成套的應用程序，例如：InternetExplorer、Netscape、OutlookExpresss等，而且有些功能強大的應用程序，甚至涵蓋了會話層和表示層的功能，因此有人認為OSI模型上3層（5、6、7層）的分界已經(jīng)模糊，往往很難精確地將產品歸類于哪一層。1.3.3數(shù)據(jù)的封裝和傳遞

在OSI參考模型中，同等層之間經(jīng)常要進行信息交換。對等層協(xié)議之間需要交換的信息單元叫做協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU，protocoldataunit）。節(jié)點對等層之間的通信除物理層之間直接進行信息交換外，其余對等層之間的通信并不直接進行（例如兩個節(jié)點的鏈路層之間進行通信），它們需要通過借助于下層提供的服務來完成，對等層之間的通信為虛擬通信。實際通信是在相鄰層之間通過層間接口進行。

直接通訊與虛通訊

當某一層需要使用下一層提供的服務傳送自己的PDU時，其當前層的下一層總是先將上一層的PDU變?yōu)樽约篜DU的一部分，然后利用更下一層提供的服務將信息傳遞出去。節(jié)點Ａ的傳輸層要把某一信息T-PDU傳送到節(jié)點Ｂ的傳輸層的，首先將T-PDU交給節(jié)點Ａ的網(wǎng)絡層，節(jié)點Ａ的網(wǎng)絡層在收到T-PDU之后，將在T-PDU上加上若干比特的控制信息（即報頭header）變?yōu)樽约篜DU（N-PDU），然后再利用其下層鏈路層提供的服務將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。以此類推，最終將這些信息變?yōu)槟軌蛟趥鬏斀橘|上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過傳輸介質將信息傳送到節(jié)點Ｂ。

為了實現(xiàn)對等層通信，當數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡從一個節(jié)點傳送到另一節(jié)點前，必須在數(shù)據(jù)的頭部（和尾部）加入特定的協(xié)議頭（和協(xié)議尾）。這種增加數(shù)據(jù)頭部（和尾部）的過程叫做數(shù)據(jù)打包或數(shù)據(jù)封裝。同樣，在數(shù)據(jù)到達接收節(jié)點的對等層后，接收方將識別、提取和處理發(fā)送方對等層增加的數(shù)據(jù)頭部（和尾部）。接收方這種將增加的數(shù)據(jù)頭部（和尾部）去除的過程叫做數(shù)據(jù)拆包或數(shù)據(jù)解封。圖1.8顯示了數(shù)據(jù)的封裝與解封過程。圖1.8數(shù)據(jù)的封裝與解封過程

2、數(shù)據(jù)傳遞與流動過程。1.4TCP/IP體系結構1.4.1TCP/IP體系結構的層次劃分

1、TCP/IP協(xié)議是目前最流行的商業(yè)化網(wǎng)絡協(xié)議，盡管它不是某一標準化組織提出的正式標準，但它已經(jīng)被公認為目前的工業(yè)標準或“事實標準”。因特網(wǎng)之所以能迅速發(fā)展，就是因為TCP/IP協(xié)議能夠適應和滿足世界范圍內數(shù)據(jù)通信的需要。

2、TCP/IP協(xié)議具有以下幾個特點。

（1）開放的協(xié)議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)。

（2）獨立于特定的網(wǎng)絡硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，以及互聯(lián)網(wǎng)中。

（3）統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案，使得整個TCP/IP設備在網(wǎng)中都有惟一的地址。

（4）標準化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務。

3、TCP/IP體系結構的層次劃分

1.4.2TCP/IP體系結構中各層的功能

1、網(wǎng)絡接口層（networkinterfacelayer）

在TCP/IP分層體系結構中，最底層是網(wǎng)絡接口層，它負責通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報。TCP/IP體系結構并未對網(wǎng)絡接口層使用權的協(xié)議做出強硬的規(guī)定，它允許主機連入網(wǎng)絡時使用多種現(xiàn)成的和流行的協(xié)議，例如局域網(wǎng)協(xié)議或其他一些協(xié)議。

幀是獨立的網(wǎng)絡信息傳輸單元。

【教材錯誤：IP數(shù)據(jù)報是互連層的數(shù)據(jù)單位，在網(wǎng)絡接口層，將IP數(shù)據(jù)報轉換成幀】

2、互聯(lián)層（internetlayer）

互聯(lián)層是TCP/IP體系結構的第二層，它實現(xiàn)的功能相當于OSI參考模型網(wǎng)絡層的無連接網(wǎng)絡服務?；ヂ?lián)層負責將源主機的報文分組發(fā)送到目的的主機，源主機與目的主機可以在一個網(wǎng)上，也可以在不同的網(wǎng)上。

互聯(lián)層的主要功能包括：

（1）處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求。在收到分組發(fā)送請求之后，將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇發(fā)送路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)送到相應的網(wǎng)絡輸出線。

（2）處理接收的數(shù)據(jù)報。在接收到其他主機發(fā)送的數(shù)據(jù)報之后，檢查目的地址，如需要轉發(fā)，則選擇發(fā)送路徑，轉發(fā)出去；如目的地址為本節(jié)點IP地址，則除去報頭，將分組送交給傳輸層處理。

（3）處理互聯(lián)的路徑、流控與擁塞問題。

3、傳輸層（transportlayer）

互聯(lián)層之上是傳輸層，它的主要功能是負責應用進程之間的端-端（Host-to-host）通信。在TCP/IP體系結構中，設計傳輸層的主要目的是在互聯(lián)網(wǎng)中源主機與目的主機的對等實體之間建立用于會話的端-端連接。因此，它與OSI參考模型的傳輸層功能相似。

TCP/IP體系結構的傳輸層定義了傳輸控制協(xié)議（TCP，transportcontrolprotocol）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP,userdatagramprotocol）兩種協(xié)議。

TCP協(xié)議是一種可靠的面向連接的協(xié)議，它允許將一臺主機的字節(jié)流（bytestream）無差錯地傳送到目的主機。

UDP協(xié)議是一種不可靠的無連接協(xié)議，它主要用于不要求分組順序到達的傳輸中，分組傳輸順序檢查與排序由應用層完成。

4、應用層（applicationlayer）

在TCP/IP體系結構中，應用層是最靠近用戶的一層。它包括了所有的高層協(xié)議，并且總是不斷有新的協(xié)議加入。其主要協(xié)議包括：

（1）網(wǎng)絡終端協(xié)議（Telnet），用于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中遠程登陸功能；

（2）文件傳輸協(xié)議（FT