现代通信网概论：第10章 计算机网络及Internet

第10章 计算机网络及Internet 第10章 计算机网络及Internet 10.1 计算机网络概述计算机网络概述10.2 计算机局域网计算机局域网10.3 Internet基本概念基本概念10.4 IP协议协议10.5 运输层协议运输层协议10.6 互联网工作过程互联网工作过程10.7 Internet基本业务基本业务思考题思考题第10章 计算机网络及Internet 10.1 计算机网络概述计算机网络概述10.1.1 计算机网络发展计算机网络发展 自从1946年世界上第一台电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)问世以来，随着计算机技术的发展，以计算机为主体的各种远程信息处理技术应运而生，计算机与通信的结合也在不断发展。计算机网络就是计算机学科与通信学科紧密结合的产物。第10章 计算机网络及Internet 计算机网络的发展主要经历了以下四个阶段。第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络的雏形。任何一种新技术的出现都必须具备两个条件，即强烈的社会需求与先期技术的成熟。计算机网络技术的形成与发展也证实了这条规律。1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统SAGE进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。它将远程雷达与其他测量设施测到的信息通过总长度达到241万千米的通信线路与一台IBM计算机连接，进行集中的防空信息处理与控制。这就是典型的以单计算机为中心形成的联机网络，如图10.1所示。第10章 计算机网络及Internet 图10.1 以单计算机为中心形成的网络多路控制器MMM公用电话网 PSTNMMM终端终端终端计算机第10章 计算机网络及Internet 1969年美国国防部高级研究计划署(ARPA：Advanced Research Projects Agency)提出将多个大学、公司和研究所的多台计算机互连成为计算机计算机网络。网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软硬件与数据资源，也可以使用连网的其他地方计算机软硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。1969年ARPANet只有4个节点，1973年发展到40个节点，1983年已经达到100多个节点。ARPANet通过有线、无线与卫星通信线路，使网络覆盖了从美国本土到欧洲与夏威夷的广阔地域。第10章 计算机网络及Internet ARPANet是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面：(1)第一个采用以分组的方式在网络中进行交换和传输；(2)首次提出数据以无连接的方式进行传输；(3)分组在网络中以自适应选路方式传输到目的端；(4)提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念。ARPA网络研究成果对推动计算机网络发展的意义是深远的。在它的基础之上，七、八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络。第10章 计算机网络及Internet 计算机网络的资源子网与通信子网的结构使网络的数据处理与数据通信有了清晰的功能界面。计算机网络可以分成资源子网与通信子网来组建。通信子网可以是专用的，也可以是公用的。为每一个计算机网络都建立一个专用通信子网的方法显然是不可取的，因为专用通信子网造价很高，线路利用率低，重复组建通信子网投资很大，同时也没有必要。随着计算机网络与通信技术的发展，20世纪70年代中期世界上便出现了由国家邮电部门统一组建和管理的公用通信子网，即公用数据网PDN。早期的公用数据网采用模拟通信的电话通信网，新型的公用数据网采用数字传输技术和报文分组交换方法。典型的公用分组交换数据有美国的TELENet、加拿大的DATAPAC、法国的TRANSPAC、英国的PSS、日本的DDX等。公用分组交换网的组建为计算机网络的发展提供了良好的外部通信条件。第10章 计算机网络及Internet 以上我们讲的是利用远程通信线路组建的远程计算机网络，也称为广域网(WAN：Wide Area Network)。随着计算机的广泛应用，局部地区计算机连网的需求日益强烈。20世纪70年代初，一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算和资源共享的目的，开始了局部计算机网络的研究。1972年美国加州大学研制了Newhall环网；1976年美国XEROX公司研究了总线拓扑的实验性 Ethernet 网；1974年英国剑桥大学研制了Cambridge ring网。这些都为20世纪80年代多种局部网络产品的出现提供了理论研究与实现技术的基础，对局部网络技术的发展起到了十分重要的作用。第10章 计算机网络及Internet 与此同时，一些大的计算机公司纷纷开展了计算机网络研究与产品开发工作，提出了各种网络体系结构与网络协议，如IBM公司的SNA(System Network Architecture)、DEC公司的DNA(Digital Network Architecture)与UNIVAC公司的DCA(Distributed Computer Architecture)。第二阶段：在计算机通信网络的基础上，完成网络体系结构与协议的研究，形成了计算机网络。第10章 计算机网络及Internet 计算机网络发展第二阶段所取得的成果对推动网络技术的成熟和应用极其重要，它研究的网络体系结构与网络协议的理论成果为以后网络理论的发展奠定了基础。很多网络系统经过适当修改与充实后仍在广泛使用。目前国际上应用广泛的Internet网络就是在ARPANet的基础上发展起来的。但是，20世纪70年代后期人们已经看到了计算机网络发展中出现的危机，那就是网络体系结构与协议标准的不统一限制了计算机网络自身的发展和应用。网络体系结构与网络协议标准必须走国际标准化的道路。第三阶段：在解决计算机连网与网络互连标准化问题的背景下，提出开放系统互连参考模型与协议，促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展。第10章 计算机网络及Internet 计算机网络发展的第三阶段加速了体系结构与协议国际标准化的研究与应用。国际标准化组织ISO的计算机与信息处理标准化技术委员会TC 97成立了一个分委员会SC16，研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题。经过多年卓有成效的工作，ISO正式制定、颁布了“开放系统互连参考模型”(OSI RM：Open System Interconnection Reference Model)，即ISO/IEC 7498国际标准。ISO/OSI RM 已被国际社会所公认，成为研究和制定新一代计算机网络标准的基础。20世纪80年代，ISO与ITU等组织为参考模型的各个层次制定了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本协议集。我国也于1989年在国家经济系统设计与应用标准化规范中明确规定选定OSI标准作为我国网络建设标准。ISO/OSI RM及标准协议的制定和完善正在推动计算机网络朝着健康的方向发展。很多大的计算机厂商相继宣布支持OSI标准，并积极研究和开发符合OSI标准的产品。各种符合OSI RM与协议标准的远程计算机网络、局部计算机网络与城市地区计算机网络已开始广泛应用。随着研究的深入，OSI标准将日趋完善。第10章 计算机网络及Internet 如果说远程计算机网络扩大了信息社会中资源共享的范围，那么局部网络则增强了信息社会中资源共享的深度。远程连网技术与微型机的广泛应用推动了局部网络技术研究的发展。第四阶段：计算机网络向互连、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用。进入20世纪80年代末期以来，在计算机网络领域最引人注目的就是起源于美国的ARPANet，已经发展成世界上规模最大和增长速度最快的国际性计算机互连网络Internet。Internet迅猛发展的原因是欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(World Wide Web)使用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet的这种指数级增长的主要动力。第10章 计算机网络及Internet Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电子传输、信息查询、语音与图像通信服务功能。实际上Internet是一个用路由器(Router)实现多个远程网和局域网互连的网际网，它将对推动世界经济、社会、科学、文化的发展产生不可估量的作用。计算机网络技术的迅速发展和广泛应用必将对21世纪的经济、教育、科技、文化的发展产生重要影响。第10章 计算机网络及Internet 10.1.2 计算机网络的功能、组成和分类计算机网络的功能、组成和分类 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，那么从它的结构上必然可以分成两个部分：负责数据处理的计算机和终端，负责数据通信的通信控制处理机CCP(Communication Control Processor)和通信线路。从计算机网络组成角度来分，典型的计算机网络在逻辑上可以分为两个子网：资源子网和通信子网。1计算机网络概念计算机网络概念 计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的、具有独立功能的许多计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现资源共享的信息系统。第10章 计算机网络及Internet 2计算机网络的功能计算机网络的功能 计算机网络既然是以共享为主要目标，那么它应具备下述几个方面的功能。1)数据通信 数据通信功能实现计算机与终端、计算机与计算机间的数据传输，这是计算机网络的基本功能。第10章 计算机网络及Internet 2)资源共享 网络上的计算机彼此之间可以实现资源共享，包括软硬件和数据。信息时代的到来，资源的共享具有重大的意义。首先，从投资考虑，网络上的用户可以共享网上的打印机、扫描仪等，这样就节省了资金。其次，现代的信息量越来越大，单一的计算机已经不能将其存储，只能分布在不同的计算机上，网络用户可以共享这些信息资源。再次，现在计算机软件层出不穷，在这些浩如烟海的软件中，不少是免费共享的，这是网络上的宝贵财富。任何连入网络的人，都有权利使用它们。资源共享为用户使用网络提供了方便。第10章 计算机网络及Internet 3)实现分布式处理 网络技术的发展，使得分布式计算成为可能。对于大型的课题，可以分为许许多多的小题目，由不同的计算机分别完成，然后再集中起来解决问题。由此可见，计算机网络可以大大扩展计算机系统的功能，扩大其应用范围，提高可靠性，为用户提供方便，同时也减少了费用，提高了性能价格比。第10章 计算机网络及Internet 3计算机网络的分类计算机网络的分类 (1)按网络节点分布，计算机网络可分为局域网(LAN：Local Area Network)、广域网(WAN：Wide Area Network)和城域网(MAN：Metropolitan Area Network)。局域网是一种在小范围内实现的计算机网络，一般在一个建筑物内、一个工厂内或一个事业单位内，为单位独有。局域网距离可在十几千米以内，信道传输速率可达1000 Mb/s，结构简单，布线容易。广域网范围很广，可以分布在一个省内、一个国家内或几个国家之间。广域网连网技术、结构比较复杂。城域网是在一个城市内部组建的计算机信息网络，提供全市的信息服务。目前，我国许多城市均已建成城域网。第10章 计算机网络及Internet (2)按交换方式计算机网络可分为电路交换网络(Circuit Switching)、报文交换网络(Message Switching)和分组交换网络(Packet Switching)等。(3)按网络拓扑结构计算机网络可分为星型网络、树型网络、总线型网络、环型网络和网状网络等。应该指出,在实际组网中,拓扑结构不一定是单一的,通常是几种结构的混用。第10章 计算机网络及Internet 10.2 计算机局域网计算机局域网10.2.1 计算机局域网体系结构计算机局域网体系结构 1计算机局域网的技术特点计算机局域网的技术特点 计算机局域网LAN产生于20世纪60年代末。20世纪70年代出现了一些实验性的网络，到80年代，局域网的产品已经大量涌现，其典型代表就是Ethernet。近年来，随着社会信息化的发展，计算机局域网技术得到很大的进步，其应用范围也越来越广。第10章 计算机网络及Internet (1)局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、军营、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；(2)局域网具有较高的数据传输速率(10100 Mb/s)、低误码率(10-8)的高质量数据传输环境；(3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法。第10章 计算机网络及Internet 2计算机局域网的参考模型计算机局域网的参考模型 美国电气和电子工程师学会IEEE 802课题小组为计算机局域网制定了许多标准，大部分得到国际标准化组织的认可。IEEE 802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，确定最低两层物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务、网络互连有关的高层功能。要注意的是，按OSI的观点，有关传输介质的规格和网络拓扑结构的说明，应比物理层还低，但对局域网来说这两者却至关重要，因而在IEEE 802模型中，包含了对两者详细的规定，图10.2是局域网参考模型与OSI参考模型的对比。第10章 计算机网络及Internet 图10.2 IEEE 802参考模型与OSI模型的比较应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层传输介质OSI 参考模型传输介质物理层介质访问控制 MAC逻辑链路控制 LLCIEEE 802 参考模型高层协议LLC 业务访问点IEEE 802标准的范围第10章 计算机网络及Internet 局域网参考模型只用到OSI参考模型的最低两层：物理层和数据链路层。数据链路层分为两个子层，媒介接入控制MAC和逻辑链路控制LLC。物理媒介、介质访问控制方法等对网络层的影响在MAC子层已完全隐蔽起来了。数据链路层与媒介接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层。第10章 计算机网络及Internet MAC子层主要有如下功能：(1)将上层来的数据封装成帧进行发送，接收时进行相反的过程；(2)实现和维护MAC协议；(3)比特差错检测。LLC子层主要有如下功能：(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接；(2)提供与高层的接口；(3)差错控制；(4)给帧加上序号。第10章 计算机网络及Internet 3IEEE 802标准标准 IEEE 802 标准包括以下主要部分:(1)IEEE 802.1 概述、系统结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。(2)IEEE 802.2 逻辑链路控制。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。(3)IEEE 802.3 CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约。(4)IEEE 802.4 令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规约。(5)IEEE 802.5 令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规约。(6)IEEE 802.11 无线局域网。第10章 计算机网络及Internet 4令牌环访问控制法令牌环访问控制法(Token Ring)Token Ring是令牌通行环(Token Passing Ring)的简写。其主要技术指标是：网络拓扑为环形布局，基带网，数据传送速率为4 Mb/s，采用单个令牌(或双令牌)的令牌传递方法。环型网络的主要特点是只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题。第10章 计算机网络及Internet 令牌(Token)也叫通行证，它具有特殊的格式和标记，是一个1位或几位二进制数组成的码。举例来说，如果令牌是一个字节的二进制数“11111111，则该令牌沿环形网依次向每个节点传递，只有获得令牌的节点才有权利发送信包。令牌有“忙”和“空”两个状态。“11111111”为空令牌状态。当一个工作站准备发送报文信息时，首先要等待令牌的到来，当检测到一个经过它的令牌为空令牌时，即以“帧”为单位发送信息，并将令牌置为“忙”(“00000000”)标志附在信息尾部向下一站发送。下一站用按位转发的方式转发经过本站但又不属于由本站接收的信息。由于环中已经没有空闲令牌，因此其他希望发送的工作站必须等待。第10章 计算机网络及Internet 接收过程：每一站随时检测经过本站的信包，当查到信包指定的地址与本站地址相符时，则一面拷贝全部信息，一面继续转发该信息包。环上的帧信息绕网一周，由源发送点予以收回。按这种方式工作，发送权一直在源站点控制之下，只有发送信包的源站点放弃发送权，把Token置“空”后，其他站点得到令牌才有机会发送自己的信息。令牌方式在轻负载时，由于发送信息之前必须等待令牌，加上规定由源站收回信息，大约有50%的环路在传送无用信息，所以效率较低。然而在重负载环路中，令牌以“循环”方式工作，故效率较高，各站机会均等。令牌环的主要优点在于它提供的访问方式是可调整的，它可提供优先权服务，具有很强的实时性。其主要缺点在于它需有令牌维护要求，避免令牌丢失或令牌重复，故这种方式控制电路较为复杂。第10章 计算机网络及Internet 5令牌总线访问控制法令牌总线访问控制法(Token Bus)Token Bus是令牌通行总线(Token Passing Bus)的简写。这种方式主要用于总线型或树型网络结构中。1976年美国Data Point公司研制成功的ARCNet(Attached Resource Computer)综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法，从而构成一个逻辑环路。此方式也是目前微机局域中的主流介质访问控制方式。第10章 计算机网络及Internet ARCNet网络把总线或树型传输介质上的各工作站形成一个逻辑上的环，即将各工作站置于一个顺序的序列内(例如可按照接口地址的大小排列)。方法可以是在每个站点中设一个网络节点标识寄存器NID，初始地址为本站点地址。网络工作前，要对系统初始化，以形成逻辑环路。其主要过程是：网中最大站号N开始向其后继站发送“令牌”信包，目的站号为N+1，若在规定时间内收到肯定的信号ACK，则N+1站连入环路，否则继续向下询问(该网中最大站号为N=255，N+1后变为0，然后N+1又等于1，2，3，)，凡是给予肯定回答的站都可连入环路并将给予肯定回答的后继站号放入本站的NID中，从而形成了一个封闭逻辑环路，经过一遍轮询过程，网络各站标识寄存器NID中存放的都是其相邻的下游站地址。第10章 计算机网络及Internet 逻辑环形成后，令牌的逻辑中的控制方法类似于Token Ring。在Token Bus中，信息是按双向传送的，每个站点都可以“听到”其他站点发出的信息，所以令牌传递时都要加上目的地址，明确指出下一个将要接收令牌的站点。令牌总线避免冲突的方法是，除了当时得到令牌的工作站之外，所有的工作站只收不发，只有收到令牌后才能开始发送。第10章 计算机网络及Internet Token Bus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加并随介质的饱和而稳定下来，但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容许较大的动态范围，连网距离较远；有一定实时性，在工业控制中得到了广泛应用，如MAP网用的就是宽带令牌总线。其主要缺点在于其复杂性和时间开销较大，工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。上述两种访问控制法已得到国际认可，并形成IEEE 802计算机局域网标准。第10章 计算机网络及Internet 10.2.2 以太网以太网Ethernet IEEE 802.3定义了一种基带总线局域网标准，其速率为共享总线10 Mb/s。标准包含MAC子层和物理层的内容。根据物理层介质的不同Ethernet可分为10 Base-2(基带粗同轴)、10 Base-5(基带细铜轴)、10 Base-T(基带双绞线)、10 Base-FL(基带光纤)几种类型。在MAC子层，共享介质的访问控制采用CSMA/CD协议(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。由于历史的原因，人们习惯上将采用IEEE 802.3标准的局域网称为Ethernet。第10章 计算机网络及Internet 1带有碰撞检测的载波侦听多点访问法带有碰撞检测的载波侦听多点访问法(CSMA/CD)CSMA/CD含有两方面的内容，即载波侦听(CSMA)和冲突检测(CD)。CSMA/CD访问控制方式主要用于总线型和树型网络拓扑结构，基带传输系统。信息传输是以“包”为单位，简称信包，发展为IEEE 802.3基带CSMA/CD局域网标准。第10章 计算机网络及Internet CSMA/CD的设计思想如下：的设计思想如下：1)侦听(监听)总线 查看信道上是否有信号是CSMA系统的首要问题，各个站点都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息(也称为载波识别)，如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间后再争取发送权；如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。查看信号的有无称为载波侦听，而多点访问指多个工作站共同使用一条线路。第10章 计算机网络及Internet CSMA技术中要解决的另一个问题是侦听信道已被占用时，等待的一段时间如何确定。通常采用以下两种方法：方法一：当某工作站检测到信道被占用后，继续侦听下去，一直等到发现信道空闲后，立即发送，这种方法称为持续的载波侦听多点访问。方法二：当某工作站检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息，这种方法称为非持续载波侦听多点访问。第10章 计算机网络及Internet 2)冲突检测(碰撞检测)当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突(碰撞)；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包(由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故)，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是一个重要的问题。第10章 计算机网络及Internet 首先可以确认，冲突只有在发送信包以后的一段短时间内才可能发生，因为超过这段时间后，总线上各站点都可能听到是否有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔。如果线路上最远两个站点间信包传送延迟时间为d，碰撞窗口时间一般取为2d。冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例判决法。第10章 计算机网络及Internet 所谓比较法，是指发送节点在发送数据同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，则它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当发送节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个节点同时发送数据，冲突已经产生。所谓编码违例判决法，是指只检测从总线上接收的信号波形。如果总线只有一个节点发送数据，则从总线上接收到的信号波形一定符合差分曼彻斯特编码规律。因此，判断总线上接收信号电平跳变规律同样也可以检测是否出现了冲突。第10章 计算机网络及Internet 3)冲突加强 如果在发送数据帧过程中检测出冲突，在CSMA/CD介质存取方法中，首先进入发送“冲突加强信号(Jamming Signal)”阶段。CSMA/CD采用冲突加强措施的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网中所有节点都能检测出冲突存在，废弃冲突帧，减少因冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强中发送的阻塞(JAM)信号一般为4字节的任意数据。第10章 计算机网络及Internet 4)重新发送数据 完成“冲突加强”过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。进入重发状态的第一步是计算重发次数。IEEE 802.3协议规定一个帧最大重发次数为16次。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入“冲突过多”结束状态。如重发次数N16，则允许节点随机延迟后再重发。在计算后退延迟时间，并且等待后退延迟时间到之后，节点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程。第10章 计算机网络及Internet 如果在发送数据帧过程中没有检测出冲突，在数据帧发送结束后，进入结束状态。CSMA/CD的发送流程可简单地概括成四点：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。其流程见图10.3。从以上可以看出，任何一个节点发送数据都要通过CSMA/CD方法去竞争总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此CSMA/CD方法为随机竞争型介质访问控制方法。第10章 计算机网络及Internet 发送帧装配帧总线忙?Y启动发送冲突吗?冲突加强冲突次数NN1冲突次数16?计算后退延迟时间等待后退延迟时间发送完成?结束发送成功YYYNNNN图10.3 CSMA/CD工作流程第10章 计算机网络及Internet 2Ethernet帧结构帧结构 1)MAC地址 MAC地址也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。这个地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件(如网卡、集线器、路由器等)接入到网络的何处，它都有相同的MAC地址，MAC地址一般不可改变，不能由用户自己设定。第10章 计算机网络及Internet MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个十六进制数，每两个十六进制数之间用冒号隔开，如AA:BB:CC:DD:EE:FF就是一个MAC地址，其中前6位十六进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE分配，而后3位十六进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有惟一的MAC地址。第10章 计算机网络及Internet 2)介质访问控制MAC子层的帧格式图10.4 IEEE 802.3 MAC帧格式7 字节前导码1 字节SFD6 字节DA6 字节SA2 字节长度0LLC 数据0填充4 字节FCS第10章 计算机网络及Internet 它包括以下字段：(1)前导码：由7个8位字节组成，用于确保接收端的接收比特同步。前导码的56位比特序列是10101010。(2)帧前定界符SFD：由一个8位的字节组成，其比特序列为10101011。前导码与帧前定界符构成62位10101010比特序列和最后两位的11比特序列。设计时规定前62位1和0交替是比特序列的目的，是使收、发双方进入稳定的比特同步状态。接收端在收到后两比特1时，标志在它之后应是目的地址段。第10章 计算机网络及Internet (3)目的地址DA：指明该帧的接收者，标准允许2字节和6字节两种长度的地址形式，但10M基带以太网只使用6字节地址。目的地址的最高位标识地址的性质，“0”代表这是一个普通地址，“1”代表这是一个群地址，用于实现多播通信(Multicast)。目的地址取值为全“1”则代表这是一个广播帧。(4)源地址SA：帧的发送节点地址，其长度必须与目的地址相同。(5)长度：由两个8位的字节组成，用来指示LLC数据字段的长度。第10章 计算机网络及Internet (6)LLC数据：用于传送介质访问控制MAC子层的高层逻辑链路控制子层LLC的数据。IEEE 802.3协议规定LLC数据的长度在461500字节之间。如果LLC数据的长度少于46字节，则需要加填充字节，补充到46字节。(7)帧校验FCS：采用32位的CRC校验。校验的范围是目的地址、源地址、长度、LLC 数据等。CSMA/CD方式的主要特点是：原理比较简单，技术较易实现，网络中各工作站处于同等地位，不要集中控制，但这种方式不能提供优先级控制，各节点竞争总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。第10章 计算机网络及Internet 3)以太网物理层介质 对于具体可选用的物理层的实现方案，IEEE 802.3制定了以下一个简明的表示法：例如10 Base-2，10代表传输速率是10 Mb/s，Base代表采用基带信号方式，2代表一个网段的长度是200米。第10章 计算机网络及Internet 表表10.1 IEEE 802.3 10 Mb/s物理层介质比较物理层介质比较 10 Base-5 10 Base-2 10 Base-T 10 Base-F 传输介质 同轴电缆(粗)同轴电缆(细)非屏蔽双绞线 850nm 光纤对 编码技术 基带(曼彻斯特码)基带(曼彻斯特码 基带(曼彻斯特码 基带(曼彻斯特码 拓扑结构 总线 总线 星型 星型 最大段长/m 500 185 100 500 每段最大节点数 100 30 33 线缆直径 10 mm 5 mm 0.40.6 mm 62.5/125 m 第10章 计算机网络及Internet 4)百兆以太网百兆以太网 百兆以太网指100 Base-T或快速Ethernet,IEEE 802.3委员会于1995制订了快速Ethernet标准IEEE 802.3，该新标准作为对IEEE 802.3的补充和扩充，保持了和原有标准的兼容性。快速Ethernet在MAC子层仍然使用CSMA/CD协议，帧结构和帧的最小长度也保持不变，但帧的发送间隔从9.6 s减少到0.96 s，以支持在共享介质上100 Mb/s基带信号的传输速率。第10章 计算机网络及Internet 快速Ethernet标准也定义了多种物理介质的选项规范，它们都要求在两个节点之间使用两条物理链路：一条用于信号发送，另一条用于信号接收。其中，100 Base-TX要求使用一对屏蔽双绞线(STP)或五类无屏蔽双绞线(UTP)，100 Base-FX使用一对光纤，100 Base-T4使用4对三类或五类UTP，它主要是为目前存在的大量话音级的UTP设计的。快速Ethernet与传统Ethernet保持了很好的兼容性，用户只需要更换一块100M网卡和相关的互连设备，就可以将网络升级到100 Mb/s，网络的拓扑结构和上层应用软件均可以保持不变，目前大多数100M网卡均支持自动协商机制，可以自动识别10 M或100 M的网络，确定自己的实际工作速率。第10章 计算机网络及Internet 5)千兆Ethernet 千兆Ethernet标准在IEEE 802.3委员会制定的IEEE 802.3z中定义，它与Ethernet和快速Ethernet 工作原理相同，在定义新的介质和传输规范时，千兆Ethernet保留了CSMA/CD协议和MAC帧格式，帧间隔则提升到0.096 s。目前千兆Ethernet标准包含的主要物理层介质选项如下：(1)1000 Base-LX:使用62.5 m或50 m多模光纤，最长网段距离为550 m，采用1 m单模光纤，最长网段距离为5 km。工作波长范围为12701355 nm。第10章 计算机网络及Internet (2)1000 Base-SX:使用62.5 m多模光纤，最长网段距离为275 m，采用50 m多模光纤，最长网段距离为550 m。工作波长范围为770860 nm。(3)1000 Base-T：使用4对五类UTP，最长网段距离为100 m。上述选项中除1000 Base-T使用4D-PAM5编码方案外，其他都使用8B/10B方案。目前来看，千兆Ethernet技术主要应用于两个方面：第10章 计算机网络及Internet (1)在局域网方面：主要用于组建网络骨干，在局域网交换机到交换机的互连中使用千兆Ethernet接口，例如，长距离使用光纤，短距离则使用铜线，以解决由于100兆Ethernet普及后，对骨干网带宽的压力。在局域网中的另外一个应用是交换机至信息服务器的连接，以解决信息访问瓶颈。(2)在广域网和城域网中：由于千兆Ethernet与ATM技术相比，不但技术简单，而且成本低，提供宽带的能力也强于ATM，由于与现有的企业、机构局域网互通简单，因而它目前也被广泛用于组建基于IP的城域网和IP广域骨干网。第10章 计算机网络及Internet 10.2.3 网络互连设备网络互连设备 网络互连是把网络与网络连接起来，在用户之间实现跨网络的通信与操作技术。数据在网络中是以分组的形式传递的，但不同网络的分组，其格式也是不一样的。如果在不同的分组网络间传送数据，由于分组格式不同，导致数据无法传送，于是网络间连接设备就充当“翻译”的角色，将一种网络中的“分组”转换成另一种网络的“分组”。第10章 计算机网络及Internet 分组在网络间的转换与OSI的七层模型关系密切。如果两个网络间的差别程度小，则需转换的层数也少。中继器在物理层实现转换，网桥在数据链路层实现转换，路由器在网络层实现转换，在运输层或运输层以上实现的转换称为网关。为更好地解释网络互连技术，我们先解释下面三个术语：网段：连接在同一共享介质上，相互能听到对方发出的广播帧，处在同一冲突碰撞区域的站点组成的网络区域。冲突域：在共享介质型局域网中，会发生冲突碰撞的区域称为一个冲突域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。广播域：当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能收到广播帧的区域称为广播域，这一区域中的所有站点称为处在同一个广播域。第10章 计算机网络及Internet 1中继器中继器 在一种网络中，每一网段的传输媒介均有其最大的传输距离(如细缆最大网段的长度为185 m，粗缆的为500 m等)，超过这个长度，传输介质中的数据信号就会衰减。如果需要比较长的传输距离，就需要安装一个叫做“中继器”的设备。中继器可以“延长”网络的距离，在网络数据传输中起到放大信号的作用。数据经过中继器，不需进行数据包的转换。中继器连接的两个网络在逻辑上是同一个网络。第10章 计算机网络及Internet 考虑到电缆的衰减和时延等因素，网络距离不能无限制地扩大。IEEE 802.3标准规定：以太网中任意两个站点之间最多可以有4个中继器。中继器的主要优点是安装简单，使用方便，价格相对低廉。它不仅起到扩展网络距离的作用，还可将不同传输介质的网络连接在一起。中继器工作在物理层，对于高层协议完全透明。第10章 计算机网络及Internet 2网桥与交换机网桥与交换机 网桥与交换机一样，在数据链路层完成帧的转发，我们以网桥为例进行网络互连的论述。网桥出现在20世纪80年代早期，是一种用于连接同类型局域网的双端口设备。网桥工作在MAC层(第二层)，由于所有设备都使用相同的协议，因此，它所做的工作很简单，就是根据MAC帧中的目的MAC地址转发帧，不对所接收的帧做任何修改。通过网桥互连在一起的局域网是个一维平面网络，即属于同一个广播域。第10章 计算机网络及Internet 网桥在数据链路层实现网络互连，我们知道，局域网的数据链路层分成了LLC子层和MAC子层，网桥实际上是在MAC子层实现局域网的互连。如图10.5所示的是用网桥实现局域网互连的一个例子。网桥有三个端口，分别连接IEEE 802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5三个不同类型的局域网。第10章 计算机网络及Internet 网桥扩大了网络的规模，提高了网络的性能，给网络应用带来了方便。但网桥互连也带来了不少问题：第一个问题是，广播风暴，网桥不阻挡网络中广播消息，当网络的规模较大时(几个网桥，多个以太网段)，有可能引起广播风暴(Broadcasting Storm)，导致整个网络全被广播信息充满，直至完全瘫痪。第二个问题是，当与外部网络互连时，网桥会把内部和外部网络合二为一，成为一个网，双方都自动向对方完全开放自己的网络资源。这种互连方式在与外部网络互连时显然是难以接受的。问题的主要根源是网桥只是最大限度地把网络沟通，而不管传送的信息是什么。第10章 计算机网络及Internet 图10.5 用网桥实现的局域网互连IEEE 802.3IEEE 802.5IEEE 802.4123网桥第10章 计算机网络及Internet 3路由器路由器 路由器出现在20世纪80年代末，是一种用于互连不同网络的通用设备，工作在OSI/RM的第三层(目前均指IP层)，能够处理不同网络之间的差异，如处理编址方式、帧的最大长度、接口等方面的差异，其功能远比网桥复杂。常规的网桥除了不能互连异构网络外，还不能解决局域网中大量广播分组带来的广播风暴问题。通过路由器互连的局域网被分割成不同的IP子网，每一个IP子网是一个独立的广播域。引入路由器主要有两个优点：一是利用网络层地址转发分组，路由器可以有效地隔离广播风暴，改善局域网的工作性能；二是利用路由器可以方便地实现管理域的独立。传统路由器的分组转发功能是由软件来实现的，因而主要缺点是分组的转发速度慢，当经由多个路由器通信时，传输时延较大。第10章 计算机网络及Internet 路由器工作在OSI模型的第三层(网络层)，因此它与高层协议有关；又由于它比网桥更高一层，因此智能性更强。它不仅具有传输能力，而且有路径选择能力。路由器互连的网络如图10.6所示。路由器深入到数据包中，阅读每个数据包中包含的信息，使用复杂的网络寻址过程来判断适当的网络目标。在从一个网络向另一个网络发送数据包时，丢弃了数据外层，重新打包并重新传输数据。第10章 计算机网络及Internet 图10.6 路由器互连的网络路由器 1路由协议路由器 2路由器 3网络 2网络 1第10章 计算机网络及Internet 路由器在工作时需要一个路由表，它使用这些表来识别其他网络，以及通往其他网络的路径和最有效的选择方法。路由器与网桥不同，它并不是使用路由表来找到其他网络中指定设备的地址，而是依靠其他的路由器来完成此任务。也就是说，网桥是根据路由表来转发或过滤信息包，而路由器是使用它的信息来为每一个信息包选择最佳路径。静态路由器需要管理员来修改所有网络的路由表，它一般只用于小型的网间互连；而动态路由器能根据指定的路由协议来完成修改路由器信息。使用这些协议，路由器能自动地发送这些信息，所以一般大型的网间连接均使用动态路由器。与网桥不同，路由器不要求在两个网络之间维持永久的连接。路由器仅在需要时建立新的或附加的连接，用以提供动态的带宽或拆除空闲的连接。此外，当某条路径被拆除或因拥挤而阻塞时，路由器会提供一条新的链路完成通信。路由器还能够提供传输的优先权服务，给每一种路由配置提供最便宜或最快速的服务，这些功能都是网桥所没有的。第10章 计算机网络及Internet 4网关网关 网关能够在OSI模型中的所有七个层次上工作，网关就是一个协议转换器。网关可接收某种协议分组格式的分组，然后在转发之前将其分组转换成为另外一种协议的格式。在计算机网络中，习惯将第三层的网关，称为路由器。一种情况下，网关负责将一种协议转换为另一种协议。在某些情况下，惟一必要的修改就是分组的首部和尾部。在另外一种情况下，网关必须调整数据率、分组长度以及格式。第10章 计算机网络及Internet 5网络互连设备应用实例网络互连设备应用实例图10.7 实际的企业网络示例路由器局域网路由器局域网路由器局域网RAS 服务器PSTN拨号用户 拨号用户 拨号用户路由器/交换机E-mail 服务器DNS 服务器FTP 服务器WWW 服务器企业外部网防火墙中心路由器Internet企业骨干网业务子网第10章 计算机网络及Internet 10.3 Internet基本概念基本概念10.3.1 互联网结构及协议模型互联网结构及协议模型 1Internet结构结构 从网络通信的观点来看，Internet是一个由TCP/IP把各个国家、各个机构、各个部门的内部网络连接起来的庞大的数据通信网；从信息资源的角度来看，Internet是一个集各个领域、各个部门内各种信息资源共享为目的的信息资源网；从技术的角度来看，Internet是一个“不同网络互连的网络”(网际网)，实际是由许多网络(包括局域网、城域网和广域网)互连形成的。第10章 计算机网络及Internet 图10.8为全球互连网络示意图。每个国家内部由骨干网、城域网及用户驻地园区网组成。国家之间由骨干网互连起来，用户就可以共享全球任意一个国家的资源。中国信息产业部与美国Sprint电信公司于1994年8月30日签署了中华人民共和国通过Sprint Link与Internet互连的协议。目前，用户可以通过运营商提供的ChinaNet、CERNet、金桥网、科学网等网络进入Internet，实现全球资源共享。第10章 计算机网络及Internet 图10.8 全球互连网络示意图城域网园区网园区网园区网园区网城域网园区网园区网城域网园区网园区网国家骨干网城域网国家骨干网国际骨干网第10章 计算机网络及Internet 2TCP/IP分层模型分层模型 关于协议分层，前面我们详细介绍了ISO开放系统互连OSI网络体系结构模型，同样TCP/IP也采用分层体系结构。TCP/IP与OSI模型是不同的，OSI模型来自于标准化组织，而TCP/IP则不是人为制定的标准，而是产生于Internet网的研究和应用实践中。TCP/IP完全撇开了网络的物理性，“网络”是一个高度抽象的概念，即将任何一个能传输数据分组的通信系统都看作网络。这种概念为协议的设计提供了极大的方便，大大简化了网络互连技术的实现，为TCP/IP赋予了极大的灵活性和适应性。第10章 计算机网络及Internet TCP/IP共分五层。与OSI七层模型相比，TCP/IP没有表示层和会话层，这两层的功能由最高层应用层提供。同时，TCP/IP分层协议模型在各层名称定义及功能定义等方面与OSI模型也存在着差异。TCP/IP是由许多协议组成的协议族，其详细的协议分类如图10.9所示。图中同时给出了OSI模型的对应层。对于OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP不提供任何协议，由网络接入层协议负责。对于网络层，TCP/IP提供了一些协议，但主要是IP协议，对于运输层，TCP/IP提供了两个协议：传输控制协议TCP和用户数据协议UDP；对于应用层，TCP/IP提供了大量的协议，作为网络服务，如 Telnet、FTP等。第10章 计算机网络及Internet 图图10.9 TCP/IP族族TelenetFtpSmtpDNSTFTPNFSSNMPTCPUDPIP层（ARP、RARP、ICMP）网络接入层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层第10章 计算机网络及Internet TCP/IP的主要特点如下：(1)高可靠性。TCP/IP采用重新确认的方法保证数据的可靠传输，并采用“窗口”流量控制机制得到进一步保证。(2)安全性。为建立TCP连接，在连接的每一端都必须与该连接的安全性控制达成一致。IP协议在它的控制分组头中有若干字段允许有选择地对传输的信息实施保护。(3)灵活性。TCP/IP要求下层支持该协议，而对上层应用协议不作特殊要求。因此，TCP/IP的使用不受传输媒体和网络应用软件的限制。第10章 计算机网络及Internet 3TCP/IP模型各层功能模型各层功能 1)应用层 TCP/IP应用层为用户提供访问 Internet的一组应用高层协议，即一组应用程序，如FTP、Telnet等。应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是便于传输与接收。严格地说，应用程序并不是TCP/IP的一部分，只是由于TCP/IP对此制定了相应的协议标准，所以将它们作为TCP/IP的内容。实际上，用户可以在Internet之上(运输层之上)建立自己的专用程序。设计使用这些专用应用程序要用到TCP/IP，但不属于TCP/IP。第10章 计算机网络及Internet 2)运输层 TCPIP运输层的作用是提供应用程序间(端到端)的通信服务。为实现可靠传输，该层协议规定接收端必须向发送端发回确认；若有分组丢失时，必须重新发送。该层提供了以下两个协议：(1)传输控制协议TCP：负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文，如文件传送等。(2)用户数据协议UDP：负责提供高效率的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。TCP/IP运输层的主要功能是：格式化信息，提供可靠传输。第10章 计算机网络及Internet 3)IP层 TCP/IP网络层的核心是IP协议，同时还提供多种其他协议。IP协议提供主机间的数据传送能力，其他协议提供IP协议的辅助功能，协助IP协议更好地完成数据报文传送。IP层的主要功能有三点：(1)处理来自运输层的分组发送请求。收到请求后，将分组装人IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接口。第10章 计算机网络及Internet (2)处理输人数据报。首先检查输入的合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已到达目的地(本机)，则去掉报头，将剩下的部分(即运输层分组)交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。(3)处理差错与控制报文。处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。第10章 计算机网络及Internet 网络层提供的其他协议主要有：(1)地址解析协议ARP：用于将Internet地址转换成物理地址；(2)反向地址解析协议RARP：与ARP的功能相反，用于将物理地址转换成Internet地址；(3)网间控制信息协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。第10章 计算机网络及Internet 4)网络接入层 网络接入层是 TCP/IP协议软件的最低一层，主要功能是负责接收IP分组，并且通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽出IP分组，上交给运输层。网络接入主要有两种类型：第一种是设备驱动程序(如，机器直接连到局域网的网络接入)；第二种是专用数据链路协议子系统(如X.25中的网络接入)。第10章 计算机网络及Internet 10.3.2 IP编址方式编址方式 在计算机技术中，地址是一种标识符，用于标识系统中的某个对象，不同的物理网络技术有不同的编址方式。IP网络技术是将不同物理网络技术统一起来的高层软件技术，在统一的过程中，首先要解决的问题就是地址的统一。对于地址，首先的要求是唯一性，即在同一系统中一个地址只能对应一台主机(一台主机则不一定对应一个地址)。互联网中采用了一种全局通用的地址格式，为全网的每一台主机分配一个网络地址，依次来屏蔽物理网络地址的差异，从而为保证其以一个一致性实体的形象出现奠定了重要基础。第10章 计算机网络及Internet 1分类编址机制分类编址机制 最初的互联网采用简单的分类编址机制，一个IP地址由4个8位字节数字串组成，这4个字节通常用小数点分隔。每个字节可用十进制或十六进制表示，如129.45.8.22或0 x8.0 x43.0 x10.0 x26 就是用十进制或十六进制表示的IP地址。IP地址也可以用二进制表示。一个IP地址包括两个标识码(ID)，即网络ID和主机ID，如图10.10所示。图10.10 IP地址的组成网络 ID主机 ID第10章 计算机网络及Internet 同一个物理网络上的所有主机都用同一个网络ID，网络上的一个主机(包括网络上工作站、服务器和路由器等)有一个主机ID与其对应。据此把IP地址的4个字节划分为两个部分，一部分用以标明具体的网络段，即网络ID；另一部分用以标明具体的节点，即宿主机ID。在这32位地址信息内有五种定位的划分方式，这五种划分方法分别对应于