数据传输协议和通信协议

第二节　计算机网络技术

一、计算机网络基础

1．计算机网络的定义

计算机网络就是把地理上分散独立的、多台具有独立功能的计算机，用通信设备和线路连接起来，配以完善的网络软件，实现资源共享的系统。

2．计算机网络的分类

根据划分方法的不同计算机网络有不同的分类。按交换技术，计算机网络可分为电路交换网、分组交换网；按拓扑结构可分为总线型、星型、环型、树型、全网状和部分网状网络；按传输介质可分为同轴电缆（细缆和粗缆）、双绞线、光纤和无介质；按覆盖面积可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。

3．计算机网络的功能

（1）数据通信：实现系统内部各计算机之间的快速、可靠的数据交换。

（2）资源共享：所有网络用户能够分享计算机系统的全部或部分资源，包括硬件资源、软件资源和数据资源。资源共享是计算机网络最主要的功能之一。

（3）分布处理：实现并行处理、分布作业。

4．计算机网络的组成

典型的计算机网络从逻辑功能上可分为通信子网和资源子网两大部分。通信子网是指计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合，完成所有网络数据的传输、转发、加工和交换等通信处理工作；资源子网是指计算机网络中实现资源共享的设备和软件的集合，负责整个网络的数据处理业务和各种网络资源的共享服务。

就局域网而言，通信子网由网卡、缆线、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机等设备和相关软件组成；资源子网由联网的服务器、工作站、共享的打印机和其他设备及相关外部设备组成。在广域网中，通信子网由一些专用通信处理机（即节点交换机）以及运行软件、集线器等设备和连接这些节点的通信链路组成；资源子网由上网的所有主机以及其外设组成。

二、计算机网络体系结构

计算机之间的通信是实现资源共享的基础，为实现数据通信，相互通信的计算机必须遵守一定的协议。而这些协议依赖于网络结构，由硬件和软件协同实现。

1．协议

协议是指负责在网络上建立通信通道和控制通道的信息流的规则。计算机网络的协议主要由语义、语法和定时3部分组成。语义规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息、执行的动作和返回的应答。语法规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式。定时规定了信息交流的次序。

2．OSI参考模型

国际标准组织（ISO）制订的模型，称为开放系统互联（open system interconnection，简称OSI）参考模型。ISO／OSI参考模型是一个逻辑结构，并非一个具体的计算机设备或网络，但是任何两个遵守协议标准的系统都可以互联通信，这正是“开放”的实际意义。

ISO／OSI参考模型采用分层方法，即允许开放的系统网络用分层的方法进行逻辑组合。整个逻辑子网系统划分为若干层，每层执行一种明确定义的功能，并由较低层执行附加的功能，为较高层提供服务。图3 3所示为ISO／OSI参考模型的逻辑结构，它由下述7个协议层组成。

（1）物理层，定义了通信线路的一些规范。主要是规定了诸如线路的电压、电压变换的频率、数据传输速率、最大传输距离、物理的连接方法等相关特性。

图3 3 OSI 7层参考模型

（2）数据链路层，规定了物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流量控制等。其中不同的连接方式即为不同的拓扑结构。

（3）网络层，为处在不同位置的两个设备之间提供连接和选择一条最佳路径。网络层是很重要而且是很复杂的一层。

（4）传输层，保证数据的可靠传输。它的功能主要包括流量控制、多路复用技术、虚电路管理和纠错及恢复等。

（5）会话层，建立、管理和终止应用程序间的会话。

（6）表示层，提供多种数据格式之间的转换。

（7）应用层，为用户提供相关的服务，如E－mail服务、FTP服务、WWW服务等。三、局域网技术

1．局域网中的数据传输介质

（1）同轴电缆（coaxial cable）：同轴电缆共有4层，从里至外分别为铜导线、塑料绝缘层、屏蔽铜网和外护套。铜导线用来传输电信号；塑料绝缘层用来将铜导线和屏蔽铜网分开；屏蔽铜网用来为内层的铜导线屏蔽干扰；外护套用来符合相应的消防规则和建筑要求。

粗同轴电缆用于10Base5（一种以太网布线的方式），需要收发器（transceiver）和连接单元接口AUI电缆配合。

细同轴电缆用于10Base2（一种以太网布线的方式），常需与BNC连接器配合连接。

（2）双绞线（twisted－pair cable）：双绞线由两根彼此绝缘的铜导线组成。它既能传输模拟信号，也能传输数字信号。双绞线分为非屏蔽双绞线（unshielded twisted pair，简称UTP）与屏蔽双绞线（shielded twisted pair，简称STP）两大类。

非屏蔽双绞线共有8根（4对）电缆，每一对电缆互相扭在一起，同时4对电缆也互相扭在一起。它的传输距离可达100m，是现今网络中使用最广泛的一类传输介质。非屏蔽双绞线需要通过RJ 45接头与网卡、集线器或交换机等设备相连。

屏蔽双绞线是在每一对双绞线外加了一层金属屏蔽保护膜，在4对双绞线的外面又加一层金属屏蔽保护膜，因此比非屏蔽双绞线有更强的抗干扰性，适合在一些电磁辐射比较严重的场合使用。

（3）光导纤维（optical fiber）：光导纤维是一种能传输光的传输介质。光缆的最里面是玻璃纤维，折射率很高；外面为塑料屏蔽层，折射率很低，这样就能保证光被限制在玻璃内。再向外为加固材料，其作用是保护玻璃纤维。最外层为保护套。

有两种类型的光缆：单模（single mode）和多模（multimode）。单模光缆仅允许一束光通过，需要激光作为发光源，适合高速长距离通信；而多模光缆允许多束光通过，不需要激光作为发光源，适合于低速短距离通信。

光缆技术要求特殊，安装比较困难，需要专业人员进行。同时，连接光缆的连接器和分缆本身都比较昂贵，通常用在较大型的局域网的主干网中。由于用光缆传输光信号不存在电磁干扰问题，因此光缆的传输距离可达数千米。

（4）无线传输介质：无线传输介质是指两个通信设备之间通过无线电波进行信息通信而不使用任何物理传输介质。这种方式一般用于需要经常移动计算机的办公场合。

2．计算机网络拓扑结构

计算机网络拓扑结构是指计算机网络的硬件系统的连接形式。主要的网络拓扑结构有以下几种。

（1）总线拓扑：总线拓扑是指用一条电缆来将所有的设备直接连接起来。其优点是结构简单，易于扩充，价格低廉，容易安装；缺点是出现故障后查错困难，总线一旦断开则网络不可使用。

（2）星型拓扑：星型拓扑是指将所有的电缆都连接到一个中央的连接设备上，这个中央连接设备通常是集线器或交换机，中央设备对全网的通信实行集中控制，任何两个节点之间的通信都必须通过中央设备来实现。其优点是结构简单，访问协议简单，单机故障不会影响网络运行；缺点是对中央设备的可靠性要求高，系统扩充比较困难。

（3）环型拓扑：环型拓扑是指用一条环型的物理线路将网络上的设备一个接一个地连接起来，数据只能在环路中沿着一个方向逐点传输。其优点是结构简单，传输延时确定，适合光纤网络；缺点是任何一个节点的故障都会使整个网络瘫痪，并且节点的增减都比较困难。

（4）树型拓扑：树型拓扑是由星型拓扑演变而来的，形状像一棵倒置的树，各节点按层次进行连接。其优点是比较容易检测和隔离故障；缺点是结构复杂。

3．网络互联设备

（1）网络互联的要求：

●在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理链路。

●在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据。

●提供各用户使用网络和保持状态信息。

（2）中继器（Repeater）：网络连接最简单的设备是中继器，其作用是对弱信号再生，并将再生信号发送到网络的其他分支上，以实现较长距离的传输。中继器工作在OSI模型的最低层（物理层），因此只能用来连接具有相同物理层协议的LAN。中继器主要用于扩充LAN电缆段的距离限制，如10Bases粗线以太网。但中继器不具备检查错误和纠正错误的功能，所以错误的数据经过中继器后仍被复制到另一电缆段。

（3）集线器（Hub）：集线器是一种特殊的中继器，它可以转接多个网络电缆，把多个网络段连接起来。使用集线器的优点是：当网络上的某条线路或节点出现故障，不会影响网络上的其他节点。

（4）网桥（Bridge）：网桥是一种在数据链路层实现的连接LAN的存储转发设备，其独立于高层协议。网桥可以实现不同类型的LAN互联和更大范围的LAN互联，同时它还具有过滤功能，可隔离错误，提高网络功能。

（5）路由器（Router）：路由器是工作在OSI的网络层。功能比网桥强大，也比网桥复杂，所以更具有灵活性，有更强的异种网络互联能力。

路由器和网桥的一个重要区别是：网桥独立于高层协议，它把几个物理网络连接起来后提供给用户的仍然是一个逻辑网络，用户根本不知道有网桥存在；路由器则利用互联网协议将网络分成几个逻辑子网。

（6）交换机（Switch）：交换机通常是指将多协议路由嵌入到硅片中，能提供桥接功能和在现存网络上增加带宽的功能，其工作在OSI的数据链路层，也有工作在网络层上的。交换技术最常用于减少以太网上的冲突和改善带宽，使数据发送更有效率。

（7）网关（Gateway）：网关又称协议转换器，其作用是使处于通信网上采用不同高层协议的主机仍然互相合作，完成各种分布式应用。网关工作在OSI 7层协议的传输层或更高层，实际上网关使用了OSI所有7个层次。由于网关主要用于连接不同体系结构的网络或LAN与主机的连接，因此在所有的互联设备中它最为复杂。

（8）调制解调器（Modem）：调制解调器有两个功能，即调制和解调。调制就是把计算机的数字信号用调制电波频率的方法转变为电话线可传输的模拟信号，解调则是把模拟信号解调成计算机可识别的数字码。

（9）网卡：网卡也称网络适配器，在服务器和工作站上都需要安装网卡。网卡是网络连线到设备的物理接口，它既可以将计算机发送的数据转换成网线上传输的信号，也可以将网线上传输的信号转换为计算机可以处理的数据。

4．网络操作系统

网络操作系统是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。网络操作系统除了应具有操作系统具有的处理器管理、存储器管理、设备管理和文件管理外，还有两个功能：

（1）提供高效、可靠的网络通信能力。

（2）提供多种网络服务功能，如远程作业录入并进行处理、文件传输服务、电子邮件服务等。

目前，常用的网络操作系统有Netware、Unix、Windows NT、Linux等。

四、Internet及其应用

1．Internet基本情况

Internet是以先进的通信技术将分布于不同地区的计算机或局域计算机网络相互连接起来的全球性计算机网络。其起源于1969年由美国国防部高级研究计划署（ARPA）创办的一个实验性网络ARPANET。此后，这项实验网向民间开放，立刻得到美国科研机构和企业的重视，并被用于传递科学研究信息和商业信息，使ARPANET得到迅速发展，到1983年正式命名为Internet。Internet不属于任何个人，也不属于任何组织。世界上的每一台计算机都可以通过Internet服务商（ISP）与之连接。ISP是进入Internet的关口，它们为用户提供了接入Internet的通道和相关的技术支持。

2．Internet的服务功能

接入Internet后，一般可以获得电子邮件（E－mail）、环球信息网（World Wide Web）、网络新闻（Net News）、电子公告板（BBS）、文件传输协议（FTF）、远程登录（Telnet）、交互式通信及搜索引擎等项服务。

3．Internet的连接

（1）Internet的接入方式：Internet的接入方式有3种，即专线接入、拨号接入和局域网接入。

●专线接入：是用户计算机通过专门的通信线路与信息服务商（ISP）的服务器相连，再接入Internet。这种接入一经连通，任何时间都可以直接访问Internet。这种接入方式除需专线外还需要一些其他设备，费用比较高。

●拨号接入：是用户计算机通过普通电话线与ISP连接，由ISP提供与Internet的连接。这种接入方式，可随时通过电话拨号接通或断开与Internet的连接，故费用较低，比较适合个人或小型企事业部门等单位。拨号接入Internet需要从硬件、软件和选择ISP 3方面做准备。在Windows 98／2000环境下上网，一般需准备：安装调制解调器（Modem）、连通一条电话线、安装网络浏览器软件（Internet Explorer等）、向信息服务商申请入网账号。

●局域网连接Internet：就是局域网通过路由器和数据通信网与ISP相连接，再通过ISP的连接通道接入Internet。

（2）网络协议：网络协议是Internet的关键组成部分。各种类型的计算机和不同的操作系统要连接到Internet上相互通信，就必须有沟通的统一方式——TCP／IP协议。其中IP（网际互联协议）详细规定了计算机在通信时应遵循的共同规则。例如：信息包的组成、发送、接受等问题。TCP（传输控制协议）是为保证信息的正确传递，提供畅通、准确、无误的通信服务协议。IP协议解决了通信的发送和接受问题，但在信息传输过程中还需要解决通信服务的问题，所以还需要有TCP协议，它解决由于线路容量限制，数据分组过多引起的线路超载和堵塞问题，以及如何合理地选择传输路径、控制信息流量、保证通信畅通等。

4．Internet网络地址

为了实现网络中的数据通信，规定Internet中每一台主机在子网内都有唯一的网络地址。

（1）物理地址：物理地址制造在网卡上的地址码。

（2）IP地址：IP地址是为了保证Internet中主机地址的唯一性，而对所有的主机进行统一的编码。IP地址与物理地址可以根据协议对应转换。IP地址由4个字节（32位）的二进制数组成，字节之间用“．”分隔，且一般用十进制数表示，如202．119．122．20。

（3）域名：用字符来表示网络地址，在域名服务器中建立域名与IP地址的对应表，从而实现两者的转换。如搜狐网的域名为www．sohu．com。

5．应用

（1）浏览：用户可以通过浏览器访问Web网页，使用时用户只要指定URL就能够浏览到相应的页面信息。用户在访问WWW服务时，URL中的服务类型部分使用的是http：，若访问FTP服务器，则服务器类型为ftp：，后面再指明服务器主机名。

（2）电子邮件：在Internet上的ISP都为用户提供了电子邮件服务。每个ISP都拥有自己的邮件服务器（E－mail Server），接收和发送电子邮件，它为每一位用户预留了一定的磁盘空间，即电子信箱（E－mail信箱），来存放邮件。每个信箱有一个不同的地址，即E－mail地址。Mail地址一般由：“用户名＠邮件服务器名”组成，例如：ZM＠163．net就是一个信箱地址，其中ZM是用户名，可以在注册时得到，163．net是邮件服务器名。为了防止他人打开E－mail信箱，每个电子信箱都有一个信箱密码。

发送电子邮件的时候，一般可以先用E－mail软件将邮件编辑好，然后发给ISP的邮件服务器。邮件经过邮件服务器打包处理，通过Internet发给接收人。邮件首先被送到收件人的邮件服务器，存放在属于收件人的E－mail信箱里。所有的邮件服务器都是24小时运作，随时可以接收或发送邮件。通信双方的计算机并不需要同时打开。