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第一章 教学目标： 了解计算机网络的发展 掌握计算机网络的概率和功能 对计算机网络组成，分类有充分认识教学要点： 计算机网络的概念和功能 计算机网络的组成 计算机网络的分类教学方式： 讲授与提问教学内容：第一讲内容（第一节 计算机网络的概念 2个课时）1.1 计算机网络的概念 随着计算机应用的不断深入，人们已经不再满足于单机系统独自运行，如何使不同计算机连接起来，以实现资源共享和信息传递，成为一种客观需求，通信技术的飞速发展使得这种需求有了实现的可能。通信技术和计算机技术的相互结合，产生了计算机网络技术，从最早的简单互连到现在无处不在的Internet，计算机网络的发展大体上经历了四个发展阶段：面向终端的计算机网络多主机互联的计算机网络标准计算机网络全球化的Internet。如今网络正不断地影响着我们的工作和生活，也必将改变我们的未来。1.1.1 计算机网络的定义 凡将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路而连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统，可称为计算机网络。我们平时所接触的办公网络、校园网络，以及我们访问的Internet，都属于计算机网络。网络的规模可大可小，最小的计算机网络可以是两台计算机的互联，最大、最复杂的计算机网络是全球范围的计算机互联。 网络是计算机的一个群体，是由多台计算机组成的，这些计算机是通过一定的通信介质互联在一起的。计算机之间的互联是指它们彼此之间能够交换信息。互联通常有两种方式：一种是计算机间通过双绞线、同轴电缆、电话线、光纤等有形通信介质连接；另一种是通过红外光、激光、微波、卫星通信信道等无形介质互联。计算机网络的定义包括如下几个基本要素。1）至少存在两个以上的具有独立操作系统的计算机，相互间需要共享资源、信息交换与传递。2）两个以上能独立操作的计算机之间要拥有某种通信手段或方法进行互联。3）两个以上的独立实体之间要做到互相通信，就必须制定各方都认可的通信规则，也就是所谓的通信协议。4）需要有对资源进行集中管理或分散管理的软件系统，即所谓的网络操作系统。上述四个要素是充分必要的，缺一不可。 目前，计算机网络的发展，正在进一步引起世界范围内产业结构的变化，促进全球信息产业的发展。计算机越普及、应用范围越广，就越需要将计算机互联起来构成网络。1.1.2 计算机网络的产生与发展 早在1952年，美国就建立了一套SAGE系统，SAGE系统的诞生被誉为计算机通信发展史上的里程碑。从此，计算机网络开始逐步形成并发展。计算机网络的形成大致可分为三个阶段：计算机终端网络、计算机通信网络和计算机网络。1.计算机网络终端 计算机终端网络又称为分时多用户联机系统，其结构如图1-1所示。 早期的计算机系统规模庞大、价格昂贵，设置在专用机房，并利用通信设备和线路连接多个终端设备。在通信软件的控制下，各个用户可以在自己的终端上分时轮流地使用中央计算机系统的资源，这样既克服了到机房排队等待的现象，又提高了计算机的效率和系统资源的利用率。 终端设备是用户访问中央计算机系统的窗口，它具有特殊的编辑和会话功能。一台计算机所能连接的终端的数量随其中央主计算机的性能而定，处理能力强且运行速度快的计算机连接的终端设备就多些，而处理能力低且运行速度稍慢的计算机，连接终端设备就相对要少一些。 面向终端的网络存在以下两个缺点： 1）主计算机的负荷较重，它既要承担多终端系统的通信控制和通信数据的处理工 作，同时还要执行每个用户的作业。 2）由于终端设备的速率低，操作时间长，尤其是在远距离时，每个用户独一条通信线路，因此花费高。另外，这种操作方式需要频繁地打扰主计算机，影响了其工作效率。 2.计算机通信网络20世纪60年代中期，计算机获得日益广泛的应用。在一些大型公司、企事业部门和军事部门中，往往拥有若干个分散的计算机终端网络系统，系统之间迫切需要交换数据、进行业务联系。为了满足应用的需要，将多个计算机终端网络连接起来，就形成了以传输信息为主要目的的计算机通信网络。 计算机终端网络是以中央计算机为核心的集中式系统，只有“终端-计算机”之间的通信，而计算机通信网络是含有前端处理器（CCP，又叫通信控制处理器）的多机系统，它不仅在系统内部而且在互联的系统间，实现了“计算机-计算机”之间通信，其结构模型如图1-2所示。3.计算机网络 计算机网络与计算机通信网络的硬件组成一样，都是由主计算机系统、终端设备、通信设备和通信线路四大部分组成的。在结构上都是将若干个多机系统用高速通信线路连接起来，使它们的主计算机之间能相互交换信息、调用软件以及调用其中任一主计算机系统的任何资源。1.1.3计算机网络的功能 随着计算机网络技术的不断发展和日益普及，计算机网络的应用已渗透到社会各个领域，其功能也得到不断扩展。归纳起来，计算机网络的功能主要有以下几个方面。 1.数据通信 计算机网络为我们提供了最快捷、最经济的数据传输和信息交换的手段。 2.资源共享构建计算机网络的主要目的是实现资源共享。1）硬件共享。 2）软件共享。 3）数据共享。 3.提高计算机的可靠性和可用性 在计算机网络中，同一资源可以分布在系统中的多处，一旦系统某部分出现故障，即可从另一部分获得同样资源，从而避免因个别部件或局部故障而导致整个系统失效。这种可靠性对于军事、电力、银行等可靠性要求极高的领域尤为重要。例如，在美国“911”事件发生时，某家处于事件现场的银行系统全部被毁，但这家银行的业务并没有停止，因为这家银行在另一处的计算机系统自动接管了这家银行的所有业务。 4.促进分布式计算与协同工作利用计算机网络的分布式计算和协同工作的特性，可以将一些大型且复杂的处理任务分散到不同的计算机上，这样既可以使一台计算机负担不会太重，又扩大了单机的功能，从而实现分布式处理和均衡负荷的作用。例如，在开发大型软件时，通常将软件分成若干模块，并由不同人开发各个模块，最后再将不同模块整合到一起来提高软件开发的效率。第一讲总结：本节主要学习了1. 计算机网络的定义（回顾定义内容）。2. 学习和认识计算机网络的发展与产生3. 计算机网络的功能第二讲内容（第二节 计算机网络的组成和逻辑结构 2个课时）1.2计算机网络的组成和逻辑结构 计算机网络由硬件和软件系统组成。计算机网络从逻辑上可划分为通信子网和资源子网两个层次。1.2.1计算机网络的基本组成 和计算机系统一样，一个完整的计算机网络也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 1.硬件系统 计算机网络的硬件系统一般指网络中的计算机、传输介质和网络连接设备等。1） 计算机。计算机是计算机网络的基本模块，主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出等任务，是网络信息的生产者和加工者。传输介质。计算机网络中的传输介质主要负责将网络中的计算机、网络设备连接起来，并提供数据信息的传输通道。常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线、光纤和无线介质。2） 网络连接设备。计算机网络中的连接设备主要负责网络中各计算机的互连、数据信息转发、数据格式的转换等。常用的网络连接设备包括网卡、集线器、中继器、交换机和路由器等。 2.软件系统 计算机网络的软件系统包括网络操作系统、网络通信协议和网络应用软件等。 1）网络操作系统网络操作系统的作用是管理网络的软/硬件资源，使网络中的计算机可以相互通信。常见的网络操作系统有UNIX、NetWare、Windows NT/2000/2003和Linux等。 2）网络通信协议网络通信协议是指网络中计算机在互相通信时所遵循的规则，如TCP/IP、IPX/SPX等。详细内容我们会在后面的章节中进一步介绍。 3）网络应用软件网络应用软件是指为某一应用目的而开发的网络软件。如目前常用的办公自动化系统、数据库管理系统、Internet通信软件等都属于网络应用软件。1.2.2计算机网络的逻辑结构 计算机网络要完成数据处理与数据传输两大基本功能，所以从逻辑上可以将计算机网络划分为两个层次：资源子网与通信子网。 1资源子网 资源子网由主机、终端、通信子网接口设备和各种软件与驻处资源组成，负责全网的数据处理并向网络用户提供网络资源和网络服务，是计算机网络的外层。 2通信子网 通信子网由网络通信控制处理机、通信设备和通信线路组成，负责全网的数据传输、转发等通信处理工作，是计算机网络的内层。1.2.3两种类型的通信子网 计算机网络的总体结构基本上取决于其通信子网的组成和结构。通信子网的组成和结构与其通信控制方式有着内在的联系。 按照通信控制方式的不同，通信子网有以下两种基本类型。 1点对点通信子网 点对点通信子网中包含多条通信线路，每一条通信线路连接两个节点计算机。2.共享信道通信子网在共享信道通信子网中，所有的节点计算机共享一条通信线路或信道，任一时刻子网中最多只能有一个节点计算机在发送信息，即任一时刻最多只能有一个信息在网中传送。通信子网的这两种结构，分别适用于不同的网络系统。一般来说，远程网一般是采用点对点通信方式，而局域网则大多为共享信道通信方式。由于通信控制方式的不同，使得它们在信号编码、网络协议、接口设备、连接方式等诸方面都表现出明显的差异。第二讲总结：本节主要学习了1. 计算机网络的基本组成2. 计算机网的逻辑结构3. 两种类型的通信子网第三讲内容（第三节计算机网络的分类，2个课时）计算机网络可以按不同角度进行分类，如可以按网络覆盖的地理范围分类、按网络的拓扑结构分类、按网络中计算机所处的地位分类等。1按网络所覆盖的地理范围分类按网络所覆盖的地理范围的不同，计算机网络可分为局域网（LAN，Local Area Network）、城域网（MAN，Metropolitan Area Network）、广域网（WAN，Wide Area Network）三种类型。1） 局域网：是指在较小的地理范围内由计算机、通信线路和网络连接设备组成的网络。局域网的分布范围可以是一个办公室、一幢大楼或一个园区。它的特点是分布距离近、传输速率高、数据传输可靠等。2）城域网：是指在一个城市范围内由计算机、通信线路和网络连接设备组成的网络。城域网覆盖范围介于局域网与广域网之间，一般从数公里至数十公里，如一个城市的银行系统全市联网，实现全市的通存通兑，这样的网络属于城域网。3）广域网：当网络的地理范围不断扩大，可以把不同城市、不同地区、不同国家的计算机连接起来的时候，也就形成了广域网。在广域网中，连接着数量众多的计算机。我们经常访问的Internet就是一个典型的广域网。2按网络的拓扑结构分类 所谓网络拓扑结构，是以拓扑系统的方法来研究计算机网络的结构。拓扑的概念是从图论中的相关概念演变而来，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的数学方法。在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络节点的实体抽象为“点”，把网络中的通信介质抽象为“线”。若从拓扑学的观点看网络系统，抽象出网络系统的具体结构，就形成了点和线组成的几何图形，形成网络拓扑结构概念。（介绍介绍）计算机网络系统的拓扑结构主要有总线型、环型、星型、树型和网状。基本网络拓扑主要有三种模式：总线型、星型和环型。1.总线型拓扑结构 总线型拓扑结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的节点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输，如上图所示。总线型网络使用广播式传输技术，总线上的所有节点都可以发送数据到总线上，数据沿总线传播。但是，由于所有节点共享同一条公共通道，所以在任何时候只允许一个节点发送数据。当一个节点发送数据，并在总线上传播时，数据可以被总线上的其他所有节点接收。各节点在接收数据后，分析目的物理地址再决定是否接收该数据。粗、细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表。总线型拓扑结构有如下特点。1）结构简单灵活，易于扩展。 2）共享能力强，便于广播式传输。 3）网络响应速度快，但负荷重时则性能迅速下降。 4）局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，则将影响整个网络。 5）易于安装，费用低。 6）网络效率和带宽利用率低。 7）采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。 8）各工作站点平等，都有权争用总线，不受某站点仲裁。2.环型拓扑结构环型结构是各个网络节点通过环型接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，如下图所示。环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。环型拓扑结构的特点如下。 1）在环型网络中，各工作站间无主从关系，结构简单。 2）信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好。 3）两个节点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择。 4）可靠性差，任何线路或节点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。 5）可扩充性差。3.星型拓扑结构 星型拓扑结构的每个节点都由一条点到点链路与中心节点（公用中心交换设备，如交换机、HUB等）相连，如下图所示。信息的传输是通过中心节点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心站点与其他站点通信，星型拓扑结构的主要特点如下。1）星型拓扑结构简单，便于管理和维护。2）易实现结构化布线。3）星型拓扑结构易扩充，易升级。 4）通信线路专用，电缆成本高。 5）星型拓扑结构的网络由中心节点控制与管理，中心节点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。6）中心节点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且中心节点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。4.树型拓扑结构树型拓扑结构是从总线型和星型结构演变来的，它有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成。另一种是星型拓扑结构的变种，各节点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型拓扑结构，如下图所示。在树型拓扑结构的顶端有一个根节点，它带有分支，每个分支还可以再带子分支。 树型拓扑结构的主要特点如下。1）这种结构是天然的分级结构。 2）易于扩展。 3）易故障隔离，可靠性高。 4）电缆成本高。 5）对根节点的依赖性大，一旦根节点出现故障，将导致全网不能工作。5.网状拓扑结构 网状拓扑结构是指将各网络节点与通信线路互联成不规则的形状，每个节点至少与其他两个节点相连，或者说每个节点至少有两条链路与其他节点相连，如下左图所示。大型互联网一般都采用这种结构，如我国的教育和科研计算机网CERNET，如下右图所示，国际互联网Internet的主干网都采用网状拓扑结构。 网状拓扑结构的主要特点如下。1）每个节点都有冗余链路，可靠性高。 2）因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少时延，改善流量分配，提高网络性能，但路径选择比较复杂。3）结构复杂，不易管理和维护。4）适用于大型广域网。5）线路成本高。3.按网络中计算机所处的地位分类 按照网络中计算机所处的地位不同，可以将计算机网络分为对等网和基于客户机/服务器模式的网络。（1）对等网 在对等网中，所有计算机的地位是平等的，没有专用的服务器。每台计算机既 作为服务器，又作为客户机；既为其他计算机提供服务，也从其他计算机那里获得服务。由于对等网没有专用的服务器，所以在管理对等网时，只能分别管理，不能统一管理，管理起来很不方便。对等网一般应用于计算机数量少，安全要求不高的小型局域网。（2）基于客户机/服务器模式的网络在这种网络中，有两种角色的计算机，一种是服务器，一种是客户机。服务器一方面负责保存网络的配置信息，另一方面也负责为客户机提供各种各样的服务。因为整个网络的关键配置都保存在服务器中，所以管理员在管理网络时只需要修改服务器的配置，就可以管理整个网络了。同时，客户机需要获得某种服务时，会向服务器发送请求，服务器接到请求后，向客户机提供相应的服务。服务器的种类很多，有邮件服务器、Web服务器、传真服务器、目录服务服务器等，不同的服务器可以为客户机提供不同的服务。在构建网络时，一般选择配置较好的计算机，在其上安装相关服务，它也就成了服务器。客服机主要用于向服务器发请求，获得相关服务，如客户机向打印服务器请求打印服务，向Web服务器请求Web页面等。由于基于客户机/服务器模式的网络有专用的服务器，所以在管理网络时，可以统一管理，管理员可以在某一台计算机（服务器）上管理整个网络。当我们要构建一个复杂的企业网络时，通常可以配置为客户机/服务器模式。第三讲总结：本次课主要学习计算机网络按不同的结构分类1. 按地理位置分2. 按拓扑结构分3. 按计算机在网络中所地位分第2章 网络体系结构与TCP/IP教学目标： 了解计算机网络体系结构与网络协议 对IOS/OSI参考模型有一定认识 熟悉TCP/IP体系结构 掌握IP地址和子网掩码的相关知识 能安装和配置TCP/IP协议的安装教学要点： 计算机网络体系结构 计算机网络中的IP地址与子网掩码 能安装和配置TCP/IP等网络协议教学方式： 讲授与举例教学内容：第一讲内容（第一节 网络体系结构与网络协议 2个课时） 1.网络协议的概念 计算机网络由多个互联的节点组成，节点之间需要不断地交换数据信息和控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个节点都必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定和标准称为网络协议。网络协议主要由以下三个要素组成。 1）语法：用于确定协议元素的格式，即数据与控制信息的结构格式。 2）语义：用于确定协议元素的类型，即规定了通信双方需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及做出何种应答。 3）定时：用于确定通信速度的匹配和时序，即对事实实现顺序的详细说明。网络协议从语法和语义上定义了数据信息交换的规则和过程，从时序上定义为通信双方通信速度的匹配。总之，网络协议是通信双方共同遵守的通信语义、语法和时序的集合。2. 网络体系结构的概念在现实生活中处理一些复杂的问题时，人们通常采用层次化的解决方式。例如邮政服务的实现就是一种层次模型。当一个发信人要把一封信寄给一个收信人时，发信人要完成写信、装信封、送邮局等三个环节，也就是三个层次：同样，收信人在收信时也要经过三个环节，即从邮局取信、拆信、读信等三个环节，即三个层次。整个过程如图2-1所示。层次化的优势在于可以将问题的解决分配到各层中去，每一层解决一个小问题，最终解决整个问题。如图2-1中发信方通过写信、包装、送邮局三个层次完成发信的过程，而收信方通过从邮局取信、拆装、读信完成收信的过程。同时，层次之间又保持着密切的联系，高层进行操作时会使用低层的服务，但高层并不需要知道低层服务的具体实现方法。分层模型体现了对复杂问题采取“分而治之”的处理方式，从而降低了处理复杂问题的难度。计算机网络的通信过程非常类似于邮政服务的实现过程，只不过比这个过程要复杂得多。同样,计算机网络也采用了层次化设计，即把通信过程划分为多个层次，并为每个层次设计一个单独的协议，这些协议通过分层结构进行组织。每层通过特定的协议完成一种功能，多层叠加完成整个信息的发送和接收过程。同时，层与层之间通过层间接口联系起来，每一层可以从下层获得服务，并为上层提供服务。各层又具有相对独立性，各层只是简单地使用其他层的服务，但不需要知道其他层是如何实现相应功能的。我们将计算机网络的这种层次结构模型和各层协议的集合称为计算机网络体系 结构。计算机网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确定义，而这些功能用什么硬件与软件去完成是具体的实现问题。体系结构是抽象的，而实现是具体的。有了完善的网络体系结构，再去使用相应的硬件与软件来实现这些功能也就比较容易了。计算机网络体系结构采用分层模型的优点如下。 1）高层不需要知道低层是如何实现的，只需要知道低层所提供的服务，以及本层向上层提供的服务，各层独立性强。2）当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不会影响到其他层，适应性强。3）整个系统已被分解为若干易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而复杂的系统实现和维护起来更容易。4）每层的功能与所提供的服务都有精神的定义和说明，有利于促进标准化。第二讲内容（第二节 OSI参考模型 2个课时）OIS参考模型1.OSI参考模型简介在网络技术发展的早期，世界各大型计算机厂商分别推出适应于自身网络产品的网络体系结构。由于它们没有遵循通用的标准，导致使用这些标准组建的不同结构的网络无法实现互联，这阻碍了网络的进一步发展，同时也给用户带来很多不便。为了协调各种网络体系结构，国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）分别提出“开放系统互联参考模型”，试图推出一种全世界统一的网络体系结构。 1974年，ISO发表了著名的ISO/IEC7498标准，也就是开放系统互联参考模型（ISOOSI RM，Open System Interconnect Reference Model）。该模型定义了不同计算机互联的标准，成为设计和描述计算机网络通信的基本框架。在OSI框架中，进一步详细规定了每一层功能，以实现开放系统环境中的互联性、互操作性与应用的可移植性。这使得OSI模型成为真正“开放”的异构网络系统互联参考模型即只要遵循OSI标准，任何网络系统之间都可以轻松实现互联。CCITT的建议书X.4也定义了一些相似的内容。有了国际统一的网络体系结构标准，使计算机网络的发展进入了标准化时代。OSI参考模型是一种层次结构，它将整个网络的功能划分为七层，从低层到高层分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图2-2所示。 2.OSI参考模型各层的功能1.物理层物理层是OSI分层结构体系中最重要、最基础的一层，它建立在传输媒介基础上，实现设备之间的物理接口。物理层只是接收和发送一串比特流，不考虑信息的意义和信息的结构。它包括对连接到网络上的设备描述其各种机械的、电气的和功能的规定，还定义电位的高低、变化的间隔、电缆的类型、连接器的特性等。物理层的数据单位是位。物理层的功能是实现实体之间的按位传输，保证按位传输的正确性，并向数据链路层提供一个透明的位流传输。在数据终端设备、数据通信和交换设备等设备之间完成对数据链路的建立、保持和拆除操作。2数据链路层数据链路层实现实体间数据的可靠性传送。通过物理层建立起来的链路，将具有一定意义和结构的信息正确地在实体之间进行传输，同时为其上面的网络层提供有效的服务。在数据链路层中对物理链路上产生的差错进行检测和校正，采用差错控制技术保证数据通信的正确性；数据链路层还提供流量控制服务，以保证发送方不致因为速度快而导致接收方来不及正确接收数据。数据链路层的数据单位是帧。数据链路层的功能是实现系统实体间二进制信息块的正确传输。为网络层提供可靠无错误的数据信息。在数据链路中，需要解决的问题包括信息模式、操作模式、差错控制、流量控制、信息交换过程控制和通信控制规程。3网络层网络层也称通信子网层，是高层协议与低层协议之间的界面层，用于控制通信子网的操作，是通信子网与资源子网的接口。网络层的主要任务是提供路由，为信息包的传送选择一条最佳路径。网络层还具有拥塞控制、信息包顺序控制等功能。在网络层交换的数据单元是包。网络层的功能是向传输层提供服务，同时接受来自数据链路的服务。其主要功能是实现整个网络系统内连接，为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。它涉及到整个网络范围内所有节点、通信双方终端节点和中间节点几方面的相互关系。所以网络层的任务就是提供建立、保持和释放通信连接手段，包括交换方式、路径选择、流量控制、阻塞与死锁等。 4传输层 传输建立在网络层和会话层之间，实质上它是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层。传输层不仅是一个单独的结构层，它还是整个分层体系协议的核心，没有传输层，整个分层协议就没有意义。传输层获得下层提供的服务包括：发送和接收顺序正确的数据分组序列，并用其构成传输层数据；获得网络地址，包括虚拟信道和逻辑信道。传输层向上层提供的服务包括：无差错的有序的报文收发，提供传输连接，进行流量控制。传输层的功能是从会话层接受数据，根据需要把数据切成较小的数据片，并把数据传送给网络层，确保数据片正确到达网络层，从而实现两层间数据透明传送。5会话层 会话层用于建立、管理以及终止两个应用系统之间的会话。它是用户连接到网络的接口。它的基本任务是负责两主机间的原始报文的传输。会话层为表示层提供服务，同时接受传输层的服务。为实现在表示层实体之间传送数据，会话连接必须被映射到传输连接上。会话层的功能包括：会话层连接到传输层的映射；会话连接的流量控制；数据传输；会话连接恢复与释放；会话连接管理、差错控制。会话层提供给表示层的服务包括：数据交换；隔离服务；交互管理；会话连接同步和异常报告。会话层最重要的特征是数据交换。与传输连接相似，一个会话分为建立链路、数据交换和释放链路三个阶段。6表示层 表示层向上对应用层服务，向下接受来自会话层的服务。表示层是为在应用过程之间的信息提供表示方法的服务，它关心的只是发出信息的语法与语义。表示层要完成某些特定的功能。主要有不同数据编码格式的转换，提供数据压缩、解压缩服务，对数据进行加密、解密。表示层为应用层提供的服务包括：语法选择、语法转换等。语法选择是提供一种初始语法和以后修改这种选择的手段。语法转换涉及代码转换和字符集的转换、数据格式的修改以及对数据结构操作的适配。7应用层网络应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文传输、事务处理等服务。其中包含了若干个独立的、用户通用的服务协议模块。网络应用层是OSI的最高层，为网络用户之间的通信提供专用的程序。应用层的内容主要取决于用户的各自需要，这一层涉及的主要问题是：分布数据库、分布计算机技术、网络操作系统和分布操作系统、远程文件传输、电子邮件、终端电话及远程作业登录与控制等。目前应用层在国际上几乎没有完整的标准，是一个范围很广的研究领域。在OSI的七个层次中，应用层是最复杂的，所包含的应用层协议也最多，有些还正在研究和开发之中。第二讲总结：本节主要学习了OSI参考模型各层的功能其中：物理层，数据链路层，网络层属于通信子网，主要完成数据传输的功能，传输层，会话层，表示层，应用层则属于资源子网层，主要完成数据处理的功能，并为用户提供网络之间的接口。第三讲内容（第三节 TCP/IP体系结构 2个课时） TCP/IP协议概述 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是指传输控制协议/网际协议，是针对 Internet开发的一种体系结构和协议标准， 其目的在于解决异种计算机网络间的通信问题，使得网络在互联时把技术细节隐藏起来，为 用户提供一种通用、一致的通信服务。TCP/IP起源于美国ARPANET，由它的两个主要协议TCP协议和IP协议而得名。 通常所说的TCP/IP协议实际上包含了大量的协议和应用，并且由多个独立定义的协议组合在一起， 因此更确切地说，TCP/IP是一个协议族而不是一种协议。TCP/IP协议具有以下特点。1）TCP/IP是开放的协议标准，任何厂商和个人都可以直接使用，而不用征得谁的许可。2）TCP/IP独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网等各种网络环境。3）TCP/IP使用统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中具有唯一的地址。4）TCP/IP是标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。TCP/IP协议和OSI模型一样，也采用分层体系结构。协议的分层使得各层的任务和目的十分明确，这样有利于软件编写和通信控制。TCP/IP协议分为四层，由下至上分别是网络接口层、网络层、传输层和应用层，如图2-3所示。1.网络接口层它包括了能使TCP/IP与物理网络进行通信的协议，对应着OSI模型的物理层和数据链路层。其功能是接收和发送IP数据包，负责与网络中的传 输媒介打交道。 TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，目的是能够适应各类型的网络，如以太网、 令牌网、帧中继、ATM等，这也说明了TCP/IP协议可以运行在各种网络之上。2网络层网络层又称网际层， 负责相邻计算机之间的通信，它主要包括三个方面的功能。1）处理来自传输层的请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头， 选择去往目标网络的路径， 然后将数据报发往适当的网络接口。2）处理输入的数据报,首先检查其合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已经到达信宿本地机，则去掉报头 ，将剩下部分（TCP分组） 交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，即转发该数据报。3）处理路径、流量控制、拥塞等问题。另外，网络层还提供差错报告功能3传输层TCP/IP的传输层与OSI的传输类似，它的根本任务是提供端到端的通信。传输层对信息流具有调节作用，提供可靠性传输，确保数据能够正确到达。为此，在接收方安排了下一种发“确定” 和要求重发丢失报文分组的机制。 传输层软件把要发送的数据流分成若干个报文分组 ，在每个报文分组上加一些辅助信息 ， 包括用来标示是哪个应用程序发送这个报文分组的标识符（即源端口）、哪个应用程序应接收这个报文分组的标识 （即目标端口） 以及给每个报文分组附带校验码，接收方即可使用这个校验码验证收到的报文分组的正确性。在一台计算机中,同时可以有多个应用程序访问网络 。传输层同时从几个用户接收数据，然后把数据发送给下一个较低的层。4.应用层在TCP/IP模型中，应用层是最高层，它对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层。它使用户的程序访问网络，并获得各种网络服务，如Web浏览、电子邮件等。当然用户完全可以根据自己的需要在传输层之上建立自己的专用程序，这些专用程序要用到TCP/IP，但却不属于TCP/IP。在应用层，用户访问网络的应用程序，该应用程序与传输层协议相配合，发送或接收数据。每个应用程序都应选用自己的数据形式，它可以是一系列报文或字节符，不管采用哪种形式，都要将数据传送给传输层以便交换信息。应用层的协议很多，依赖关系相当复杂，这种现象与具体应用的种类繁多现象密切相关。应当提出，在应用层中，有些协议不能直接为一般用户所使用，那些能直接被用户所使用的应用层协议往往是一些通用的、容易标准化的东西，例如，FTP、Telnet等。在应用层中还包含很多用户的应用程序，它们是建立在TCP/IP协议族基础上的专用程序，无法标准化。TCP/IP各层的协议1.网络层协议 网络层的协议主要有IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP等几种协议。（1）IP（Internet Protocol）协议IP协议是Internet上最重要的协议 ,也是TCP/IP协议中两个最重要的核心协议之一,它的主要任务是提供无连接的数据报传输及路由选择的功能。（2）ICMP（Internet Control Message Protocol）协议ICMP协议即网际控制报文协议，它为IP协议提供差错报告。数据在Internet中传输时，发生错误的机会是比较多的。例如 。通信线路的故障、主机系统或路由器出错、网络出现拥塞等 。IP协议无法检测错误。为了能够处理这些错误，专门设计了ICMP协议。在IP数据报的传输过程中，如果某个路由器发现了传输错误 ，则立即向各源主机发送ICMP报文，报告出错情况，以便源主机采取措施加以纠正。（3）IGMP（Internet Group Management Protocol）协议 IP协议只是负责网络中点到点的数据报传输，而单点到多点的数据报传输要依靠IGMP（网际主机组管理协议）来完成。它主要负责报告主机组之间的关系 ，以便相关的设备（路由器）可支持多播发送。（4）ARP（Address Resolution Protocol）和RARP协议在互联的网络中，任何一次从IP层（即网络层）以及上层次发出的数据传输都是用IP地址进行标识的。由于物理网络本身不认识地址，因此必须将IP地址映射成物理地址 ，才能把数据发往目的地。ARP协议和RARP协议，它们的作用就是将源主机和目的主机的IP地址转化为物理地址，或将物理地址转化为IP地址。 2.传输层的协议主要有两个：TCP和UDP。（1）TCP（Transmission Control Protocol）协议 尽管IP协议提供了一种使计算机能够发送数据和接收数据的方法，也就是将分组从源地址传送目的地址。但是，IP协议并没有解决诸如数据报丢失或顺序传递等问题。TCP协议位于传输层，它解决的IP协议不能解决的这个问题。TCP协议是面向连接的，所谓“面向连接”即在进行数据通信之前，通信双方必须先建立连接，然后才能进行通信 。显然 ，面向连接的服务具有高可靠性 ，这正是 TCP协议的特点。因此，IP协议与TCP协议结合在一起，提供了一种在Internet上传输数据的可靠方法。为了实现数据的可靠传输，TCP协议解决了以下几个问题。1）如果路由器由于过多的数据报而超载，则必须将一些数据报丢失，结果造成数据报在互联网上传输时可能丢失。TCP将自动检测丢失的数据报，并将丢失的数据报重发。2）互联网的内部结构是十分复杂的，一个数据报在传递的过程中，可以通过多条路径到达目的地。而往往又由于路径不同，一些数据报会以一种不同的顺序到达目的地，TCP便负责自动检测到达的数据报，并将它们按原来的顺序加以排列。 3）由于网络硬件的故障而导致数据报重复出现，这样一来，一个数据报就可能有多个副本到达目的地。TCP便自动检测重复的数据报，并且只接收最先到达的数 据报。（2）UDP（User Datagram Protocol）协议UDP协议是一个无法连接的协议，但是，它增加了提供协议端口的能力，以实现对应用层的服务。由于UDP协议是无连接的，因此它不可靠，也不提供错误恢复 能力。但是UDP协议的特点是效率高，并且比TCP协议要简单得多，在实际应用中，在一些特定 的环境还是非常有优势的。例如，要发送的信息较短，不值得在主机之 间建立一次连接，另外，面向连接的通信通常只能在两个主机之间进行。如果需要 实现多个主机之间的一对多或多对多的数据传输，即广播或多播，就需要使用UDP协议。 3.应用层协议 在TCP/IP模型中，应用层包括了所有的高层协议，而且不断有新的协议加入，应用层协议主要有以下几种。 1）TELNET（远程终端协议）：TELNET允许本地主机为仿真终端登录到远程主机并运行应用程序。 2）FTP（文件传输协议）：用于实现主机之间的文件传输。 3）SMTP（简单邮件传输协议）：实现主机之间电子邮件的传送。 4）DNS（域名系统）：实现主机名与IP地址之间的转换。 5）DHCP（动态主机配置协议）：实现IP地址的自动分配。 6）RIP（路由信息协议）：用于网络设备之间交换路由信息。 7）HTTP（超文本传输协议）：用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输。 8）NFS（网络文件系统）：实现主机之间的文件系统的共享。 9）ANMP（简单网络管理协议）：实现网络的远程监控和管理。 4.TCP/IP与OSI模型的关系 TCP/IP协议与OSI参考模型之间的对应关系如图 2-4 所示，其中应用层对应了OSI模型的上三层，网络接口层对应了OSI模型的下两层 值得注意的是，在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI有很大不同。 1）TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。但ISO和CCITT最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互联在一起。后来，ISO认识到了网际协议IP的重要性，然而已经来不及了，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似TCP/IP中IP的作用。 2） TCP/IP一开始就将面向连接服务和无连接服务并重 ，而OSI在开始时只强调面向连接服务，过了很长时间之后OSI才开始制定无连接服务的有关标准 。无连接服务的数据包对于互联网中的数据传送以及分组语音通信（即在分组交换网里传送语音信息）都是十分有利的。 3）TCP/IP有较好的网络管理功能，而OSI到后来才开始考虑这个问题。第四讲内容（第四节 IP地址 2个课时）IP地址和子网掩码1为什么要引入IP地址在网络中，为了实现不同计算机之间的通信，每台计算机都必须有一个唯一的地址。就像日常生活中的家庭地址一样,我们可以通过一个人的家庭住址找到他的家。当然 ，在网络中要找到一台计算机，进而和它通信，也需要借助于一个地址，这个地址就是IP地址。IP地址是唯一标识一台主要机的地址。2什么是IP地址IP地址是一个32位二进制数 ，用于标识网络的一台计算IP地址通常以两种方式表示：二进制数和十进制数。 （1）二进制数在计算机内部，IP地址用 32 位二进制数表示每8位为一段，共四段。例如10001100.00001110.01101011.11001000 （2）十进制数为了方便使用 ，通常将每段转换为十进制数。如二进制数10000011.01101011.00010000.11001000表示的地址转换为十进制数后的格式为131.107.16.200，这种格式是我们在计算机中所配置的IP地址的格式。3IP地址的组成IP地址由两部分组成：网络ID和主机ID。网络ID：用来标识计算机所在的网络，也可以说是网络的编号。主机ID：用来标识网络内的不同计算机，即计算机的编号。4IP地址分类由于IP地址是有限资源，为了更好地管理和使用IP地址，国际组织Internet网络信息中心INTERNIC（INTERnet Network Information Center）根据网络规模的大小将IP地址分为五类（A、B、C、D、E），如图2-5所示。5几个特殊的IP地址主机号全0：表示网络号，不能分配给主机 ，如192.168.4.0为网络地址。主机号全1：表示向指定子网发广播，如192.168.1.255表示向网络192.168.1.0发广播。255.255.255.255：本子网内广播地址。127.X.Y.Z：测试地址，不能配置给计算机。6.IP地址的分配 如果需要将计算机直接连入Internet，则必须向有关部门申请IP地址，而不能随便配置IP地址。这种申请的IP地址称为“公有IP”。在互联网中的所有计算机都要配置公有IP 。如果要组建一个封闭的局域网 ，则可以任意配置 A、 B 、C三类IP地址，只要保证IP地址不重复就行了。这时的IP称为“私有IP”但是 ，考虑到这样的网络 仍然有连接Internet的需要，因此 INTERNIC 特别指定了某些范围作为专用的私有IP ，用于局域网的IP地址的分配，以免与合法的IP 地址有冲突 。建议我们自己组建局域网时，使用这些专用的私有IP ，也称保留地址，INTERNIC保留的IP范围如下。 A类：10.0.0.110.255.255.254。 B类：172.16.0.1172.31.255.254。 C类：192.168.0.1192.168.255.254 7.子网掩码 我们在配置TCP/IP参数时，除了要配置IP地址外 ，还要设置子网掩码为“1”，主机位对应的子网掩码设为“0”。例如：对于IP地址是131.107.16.200的主机，由于是B类地址 ，前两组数为网络号，后两组数为主机号。则子网掩码配置为11111111.11111111. 00000000.00000000，转换为十进制数为255.255.0.0。由此，各类地址的默认子网掩码如下。A类：11111111.00000000.00000000.00000000，即为255.0.0.0。B类：11111111.11111111.00000000.00000000，即为255.255.0.0。C类：11111111.11111111.11111111.00000000，即为255.255.255.08关于IPv6我们现在使用的IP地址规范称为IPv4。IPv4（IP Version 4）标准是 20 世纪 70 年代末期制定完成的 ，20世纪 90 年代初期，WWW的应用导致Internet爆炸性发展，使得IP地址资源日趋枯竭，现在的 IP地址很快就要被用完了。为解决 IP 地址资源日趋枯竭的问题 ，Internet 工程任务组 （ IETF ） 于 1992 年成立了IPNGB（IP Next GBeneration）工作组，着手研究下一代IP网络协议IPv6。IPv6使用长达128位的地址空间，使Internet中的IP地址达到2128个。这样，IPv6地址空间是不可能用完的。除此之外，IPv6具备更强的安全性，更容易配置，从而更适合未来Internet的要求。子网划分1什么是子网将网络进一步划分成几个独立的组成部分 ，每个部分称为这个网络的子网 。划分子网后，可以分割网络流量 ，提高网络性能。子网的设计可以简化对网络的管理 。划分子网以后 ，每个子网看起来像一个独立的网络。而对于远程网络而言 ，子网是透明的。子网划分通常用于将局域网接入Internet。在将局域网接入Internet时，通常只申请一个网络号，即只能将一个网络接入Internet。但在局域网内部，为了分割网络流量。要将一个网络划分为若干子网 。这就要求有多个网络号 。为了解决这个问题 ，可以通过子网划分的方式 ，将申请的一个网络号划分为多个网号 ，分配给不同的子网 。从而实现用一个网络号（划分为多个子网号）将局域网接入Internet。2.子网划分方法划分子网的基本原则：网络位向主机位“借”位。子网划分的运算公式如下。 1）划分子网的个数：2n2，n是网络位向主机位所借的位数。2）每个子网的主机数：2m2，m是借位后所剩的主机位数第三章第二讲：（第二节内容 课时4个课时）主要内容如下：3.3 局域网介质访问控制方法 在局域网中使用的通信方式是广播式传输，即通信信道是各节点共享的，为了避免信道上的信息冲突 ，必须根据不同的网络结构采用相应的介质访问控制技术 。所谓介质访问控制方法就是控制网络中节点如何使用局域网共享通信信道发送数据的方法，又称为信道访问控制方法。 IEEE 802规定了局域网中最常用的介质访问方法：IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、IEEE 802.5 令牌环（Token Ring）和IEEE 802.4令牌总线（Token Bus）。3.3.1 CSMA/CD介质访问控制方法 CSMA/CD是具有冲突检测（CD）功能的载波监听多路访问（CSMA）介质访问控制方法，它解决了多节点共享总线的问题，是一种随机争用型介质访问控制方法 ，广泛应用于以太网中，并已成为以太网的核心技术。IEEE 802 委员会制定的IEEE 802.3标准，定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范。1CSMA载波监听多路访问 使用载波多路监听访问协议时，每节点在使用信道发送信息之前 ，都会对信道的使用情况进行检测，即检查是否在信道中存在载波。如果存在，说明此信道正在被某个节点所使用，处于忙状态，就暂不能发送数据，否则就发送数据。这种检测方式可以大大减少信道中发生冲突的可能性。2CD冲突检测 当超过一个节点检测到信道处于空闲状态时，就会同时发送出各自的数据信息，因而在信道中会发生碰撞，产生冲突。另外，当一个节点的数据信息还未到达目的地时，另一个要发送数据的节点可能因为时间延迟的原因监听到信道处于空闲状态，并开始发送数据，这种情况也会导致数据信息发生碰撞冲突。在节点检测到冲突发生之后，产生信息碎片，数据无法继续正常传送。为了确保数据的正确传输，每个网络上的节点在发送数据时边发送边检测冲突，在检测到冲突发生时立即取消传输，停止数据发送。 冲突检测的实现方法有多种，一种是使用硬件对因信号叠加引起的接收信号电平摆动变化情况进行判断：一种是在发送的同时进行信号的接收，比较发送与接收的信号波形是否一致，如果不一致则说明信道中存在两个或两个以上发送信号，证明发生冲突。3CSMA/CD介质访问控制方法 在采用CSMA/CD 介质访问控制的局域网中，每个节点在利用公用传输信道进行数据发送前，首先要监听当前的传输信道是否处于空闲状态。如果一个节点已经准备好发送的数据信息，并且此时信道恰好处于空闲状态，节点即可发送信息。为了避免同时有其他节点发送信息 ，节点在发送信息的同时进行冲突检测。如果节点没有检测到冲突信号，节点将在发送结束后进入正常结束状态；如果在发送数据信息的过程中检测到了冲突的发生，发生冲突的各个节点会立即停止数据的发送 。在停止数据发送后，各个节点要继续发送一串固定格式的阻塞信号，以便使冲突强化，保证所有的节点都能知道信道中已经发生了冲突。在发出阻塞信号后，节点按照Backoff策略计算等待时间，在等待一个时间后再将数据信息重新发送一次 。如果在发送过程中再次产生了冲突，则重复监听、等待、重传的操作步骤，在以太网中规定重传的次数不允许超过16次。CSMA/CD的工作原理如图3-3所示。3.3.2 令牌环介质访问控制方法 令牌环介质访