《現代網絡技術教程-自頂向下分析與設計》課件第1章

第1章計算機網絡概論1.1計算機網絡的產生與發(fā)展1.2現代網絡技術發(fā)展的三大趨勢1.3計算機網絡基礎知識1.4網絡體系結構的基本概念習題

1.1計算機網絡的產生與發(fā)展

1.1.1計算機網絡的產生

1．面向終端的計算機通信網

隨著遠程終端數量的增多，為了避免一臺計算機使用多個線路控制器，在20世紀60年代初，出現了多重線路控制器(MultilineController)，它可和多個遠程終端相連接(如圖1-1所示)，構成面向終端的計算機通信網，它是最原始的計算機網絡(有人稱其為第一代計算機網絡)。圖1-1面向終端的計算機通信網當人們認識到計算機還可用作數據處理時，計算機的用戶數量就迅速增長。但是，每當需要增加一個新的遠程終端時，上述的這種線路控制器就要進行許多硬件和軟件的改動，以便和新加入的終端的字符集和傳輸速率等特性相適應。通信處理機也稱為前端處理機(FrontEndProcessor，FEP)或簡稱為前端機。前端處理機分工完成全部的通信任務，而讓主機專門進行數據的處理。這樣就大大地提高了主機進行數據處理的效率。圖1-2表示用一個前端處理機與多個遠程終端相連的情況。由于可采用較便宜的小型計算機充當大型計算機的前端處理機，因此這種面向終端的計算機通信網就獲得了很大的發(fā)展。一直到現在，大型計算機組成的網絡仍使用前端處理機，而對于目前接入局域網的個人計算機，其使用的接口網卡在原理上就相當于這種前端處理機。圖1-2用前端處理機實現的聯機系統(tǒng)

2．基于交換的計算機通信網

電路交換技術本來是為電話通信而設計的，對于計算機網絡來說，建立通路的呼叫過程太長，必須尋找新的適合于計算機通信的交換技術。1964年8月，Baran(巴蘭)在美國Rand(蘭德)公司的《論分布式通信》的研究報告中提出了存儲轉發(fā)思想。1962～1965年，美國國防部的高級研究計劃ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency)和英國的國家物理實驗室NPL

(NationalPhysicsLaboratory)都對新型的計算機通信網進行了研究。

ARPANET的成功運行使計算機網絡的概念發(fā)生了根本變化。早期的面向終端的計算機網絡是以單臺主機為中心的星形網(見圖1-3(a))，各終端通過電話網共享主機的硬件和軟件資源。而分組交換網則實際以網絡(通信子網)為中心，主機和終端都處在網絡的邊緣(見圖1-3(b))。主機和終端構成了用戶資源子網(以區(qū)別于通信子網)，用戶不僅共享通信子網的資源，而且還可共享用戶資源子網豐富的硬件和軟件資源。這種以通信子網為中心的計算機通信網被稱為第二代計算機網絡，它比第一代網絡在功能上擴大了很多，成為20世紀七八十年代計算機網絡的主要形式。圖1-3從以單個主機為中心演變到以通信子網為中心在以分組交換為核心的第二代通信網絡中，多臺計算機通過通信子網構成一個有機的整體，既分散又統(tǒng)一，從而使整個系統(tǒng)性能大大提高；原來單一主機的負載可以分散到全網的各個機器上，使得網絡系統(tǒng)的響應速度加快；而且在這種系統(tǒng)中，單機故障也不會導致整個網絡系統(tǒng)的全面癱瘓。

3．計算機網絡體系結構的形成

有了網絡體系結構，使得一個公司所生產的各種機器和網絡設備可以非常容易地被連接起來，這種情況顯然有利于一個公司壟斷自己的產品。用戶一旦購買了某個公司的網絡，當需要擴展時，就只能再購買原公司的產品。由于各個公司的網絡體系結構各不相同，所以不同公司之間的網絡不能互聯互通。全球經濟的發(fā)展使得不同網絡體系結構的用戶迫切要求能夠互相交換信息。為了使不同體系結構的計算機網絡都能互聯，國際標準化組織(ISO)于1977年成立了專門機構研究該問題。不久，他們就提出了一個使各種計算機能夠互聯的標準框架，即著名的開放系統(tǒng)互聯參考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，簡稱為OSI。它將網絡劃分為七層，并規(guī)定了每層的功能(詳見1.4節(jié))。OSI/RM參考模型的提出，意味著計算機網絡發(fā)展到了第三代。

4．局域網的形成

由于微型計算機(微機)的出現和應用的普及，人們迫切需要將眾多的微機組成網絡，局域網就是在一個有限區(qū)域范圍內將眾多微機連接在一起實現信息交換和信息共享。作為網絡的一個重要分支，局域網聯網簡單，只要在微機中插入一個接口板就能實現聯網。由于局域網價格便宜，傳輸速率高，使用方便，因此在20世紀80年代開始得到了快速發(fā)展，特別是微機的大量推廣和普及，對局域網的應用起到了極大的推動作用，對當今計算機網絡技術的發(fā)展產生了重要影響。

5．Internet時代的到來

Internet已經成為世界上規(guī)模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出Internet究竟有多大。特別是21世紀，Internet得到了迅猛發(fā)展，成指數級增長趨勢。由于Internet存在著技術上和功能上的不足，加上用戶數量猛增，使得現有的Internet不堪重負。美國率先宣布實施“下一代Internet計劃”，即“NGI(NextGenerationInternet)”計劃。

NGI計劃要實現的一個目標是：開發(fā)下一代網絡結構，以比現在的Internet高100倍的速率連接至少100個研究機構，以比現在的Internet高1000倍的速率連接10個類似的網點。其端到端的傳輸速率要超過100Mb/s至10Gb/s。另一個目標是使用更加先進的網絡服務技術和開發(fā)許多帶有革命性的應用，如遠程醫(yī)療、遠程教育、有關能源和地球系統(tǒng)的研究、高性能的全球通信、環(huán)境監(jiān)測和預報、緊急情況處理等。NGI計劃將使用超高速全光網絡，能實現更快速的交換和路由選擇，同時具有為一些實時應用保留帶寬的能力。1.1.2計算機網絡各個發(fā)展階段的特點

第一階段：計算機網絡技術與理論的準備

第一階段可以追溯到20世紀50年代。這個階段的特點與標志性成果主要表現在：

(1)數據通信的研究與技術的日趨成熟，為計算機網絡的形成奠定了技術基礎。

(2)分組交換概念的提出為計算機網絡的研究奠定了理論基礎。

第二階段：計算機網絡的形成

(1)?ARPANET的成功運行證明了分組交換理論的正確性。

(2)?TCP/IP協議的廣泛應用為更大規(guī)模的網絡互聯奠定了堅實的基礎。

(3)?DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等應用展現了網絡技術廣闊的應用前景。

第三階段：網絡體系結構的研究

(1)?OSI參考模型的研究對網絡理論體系的形成與發(fā)展以及在推進網絡協議標準化方面起到了重要的推動作用。

(2)?TCP/IP協議經受了市場和用戶的檢驗，吸引了大量的投資，推動了互聯網應用的發(fā)展，成為業(yè)界事實上的標準。

第四階段：互聯網應用、無線網絡與網絡安全技術研究的發(fā)展

(1)?Internet作為全球性的網際網與信息系統(tǒng)，在當今政治、經濟、文化、科研、教育與社會生活等方面發(fā)揮了越來越重要的作用。

(2)計算機網絡與電信網絡、有線電視網絡“三網融合”，促進了寬帶城域網概念、技術的演變。寬帶城域網已經成為現代化城市的重要基礎設施之一。接入技術的發(fā)展擴大了終端用戶設備的接入范圍，進一步促進了互聯網應用的發(fā)展。

(3)無線局域網與無線城域網技術日益成熟，已經進入應用階段。無線自組網、無線傳感器網絡的研究與應用受到了高度重視。

(4)?對等(Peer-to-Peer，P2P)網絡的研究使新的網絡應用不斷涌現，成為現代信息服務業(yè)新的產業(yè)增長點。

(5)隨著網絡應用的快速增長，新的網絡安全問題不斷出現，促使網絡安全技術的研究與應用進入高速發(fā)展階段。網絡安全的研究成果為互聯網應用提供了安全保障。1.1.3互聯網應用的高速發(fā)展

1993年9月，美國公布了國家信息基礎設施(NationalInformationInfrastructure，NII)建設計劃，NII被形象地稱為信息高速公路。美國建設信息高速公路的計劃觸動了世界各國，各國認識到信息產業(yè)發(fā)展對經濟發(fā)展的重要作用，很多國家開始制定自己的信息高速公路建設計劃。1995年2月，全球信息基礎設施委員會(GlobalInformationInfrastructureCommittee，GIIC)成立，目的是推動與協調各國信息技術與信息服務的發(fā)展與應用。

1.2現代網絡技術發(fā)展的三大趨勢

從技術角度來看，現代網絡技術正向著三個趨勢發(fā)展。第一個發(fā)展趨勢是從ARPANET向互聯網方向發(fā)展；第二個發(fā)展趨勢是無線網絡技術，即從無線分組網向無線自組網和無

線傳感器網的方向發(fā)展；伴隨著前兩條主線發(fā)展的第三個發(fā)

展趨勢是網絡安全技術。圖1-4給出了現代網絡技術發(fā)展趨勢示意圖。圖1-4現代網絡技術發(fā)展趨勢1.2.1從ARPANET到互聯網

從ARPANET到互聯網這一發(fā)展趨勢中呈現出以下重要

特點：

(1)?ARPANET的研究奠定了互聯網發(fā)展的基礎，而聯系二者的是TCP/IP協議。

(2)在從ARPANET演變到互聯網的過程中，強烈的社會需求促進了廣域網、城域網和局域網技術的研究與應用的發(fā)展，而廣域網、城域網和局域網技術的成熟與標準化，又加速了互聯網的發(fā)展進程。

(3)?TCP/IP協議的研究與設計的成功，對互聯網的快速發(fā)展起到了重要的推動作用。從發(fā)展趨勢來看，今后除計算機和個人手持設備(PDA)之外，手機、固定電話、相機、攝像機以及各種家用電器都會連接到互聯網中。

(4)與傳統(tǒng)的客戶/服務器(Client/Server，C/S)工作模式不同，對等(P2P)工作模式淡化了服務提供者與服務使用者的界限，以“非中心化”的方式使更多的用戶身兼服務提供者與服務使用者的雙重身份，從而達到進一步擴大網絡資源共享范圍和深度，提高網絡資源利用率，使信息共享最大化的目的，因此受到了學術界與產業(yè)界的高度重視，被評價為“改變互聯網的新一代網絡技術”。新的基于P2P的網絡應用不斷出現，成為21世紀網絡應用重要的研究方向之一。1.2.2從無線分組網到無線自組網和無線傳感器網

(1)從是否需要基礎設施的角度來看，無線網絡可以分為需要基礎設施與不需要基礎設施兩類。802.11無線局域網(WirelessLAN，WLAN)與802.16無線城域網(WirelessMAN，WMAN)屬于需要基礎設施的無線網絡，而無線自組網、無線傳感器網屬于不需要基礎設施的無線網絡。

(2)在無線分組網的基礎上發(fā)展起來的無線自組網(Adhoc)是一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網絡，它在軍事和特殊應用領域有著重要的應用前景。

(3)當無線自組網技術日趨成熟的時候，無線通信、微電子、傳感器技術得到快速發(fā)展。在軍事領域中，人們提出將無線自組網與傳感器技術相結合的無線傳感器網絡技術。無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork，WSN)用于對敵方兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場的實時監(jiān)視與目標的定位、戰(zhàn)場評估、對核攻擊和生化攻擊的監(jiān)測，并且在安全、應急、醫(yī)療與環(huán)境保護等特殊領域有著重要的應用前景。這項研究一出現，立即引起政府、軍隊和研究部門的高度關注，被評價為“21世紀最有影響的21項技術”之一和“改變世界的十大技術”

之首。

(4)無線網狀網(WirelessMeshNetwork，WMN)是無線自組網在接入領域的一種應用。WMN又稱為無線網格網。作為對無線局域網、無線城域網技術的補充，WMN將成為解決無線接入“最后一公里”問題的重要技術手段之一。

(5)如果說廣域網的作用是擴大信息社會中資源共享的范圍，局域網是進一步增強信息社會中資源共享的深度，無線網絡是增強人類共享信息資源的靈活性，那么無線傳感器網將會改變人類與自然界的交互方式，它將極大地擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。1.2.3網絡安全技術

(1)人類創(chuàng)造了網絡虛擬社會的繁榮，也制造了網絡虛擬社會的問題。網絡安全是現實社會的安全問題在網絡虛擬社會中的反映?，F實世界中真善美的東西，網絡虛擬社會中都會有。同樣，現實世界中丑陋的東西，網絡虛擬社會中也會出現，只是在什么時間點，以什么形式表現的問題，可能表現形式不一樣。網絡安全技術是伴隨著網絡技術的發(fā)展而發(fā)展的，永遠不會停止。

(2)現實社會對網絡技術依賴的程度越高，網絡安全技術就越顯得重要。網絡安全是網絡技術研究中一個永恒的主題。

(3)網絡安全技術的發(fā)展驗證著“魔高一尺，道高一丈”的古老哲理。在“攻擊—防御—新攻擊—新防御”的循環(huán)中，網絡攻擊技術與網絡反攻擊技術相互影響、相互制約，共同發(fā)展，這個過程將一直延續(xù)下去。目前，網絡攻擊已從當初的顯示才能、玩世不恭，逐步發(fā)展到經濟利益驅動的有組織犯罪，甚至是恐怖活動。

(4)正如現實世界危害人類健康的各種病毒(它只會隨著時間演變，不可能滅絕)一樣，計算機病毒也會伴隨著計算機與網絡技術的發(fā)展而演變，不可能停止和消失。網絡是傳播計算機病毒的重要渠道，只要人類存在，就一定存在危害人類健康的病毒。只要計算機和網絡存在，計算機病毒就一定會存在。

(5)網絡安全是一個系統(tǒng)的社會工程。網絡安全研究涉及技術、管理、道德與法制環(huán)境等多個方面。網絡的安全性是一個鏈條，它的可靠程度取決于鏈條中最薄弱的環(huán)節(jié)。實現網絡安全是一個過程，而不是任何一個產品可以替代的。人們在加強網絡安全技術研究的同時，必須加快網絡法制建設，加強網絡法制觀念與道德的教育。

1.3計算機網絡基礎知識

1.3.1計算機網絡的定義和功能

1．建立數據通信

利用計算機網絡進行數據信息的傳遞是一種全新的電子傳遞方式，比現有的其他通信工具有更多的優(yōu)點，比如它不像電話需要通話者同時在場，也不像廣播系統(tǒng)只能是單方向傳遞信息。在速度上也比其他方式快得多，通過網絡還可以傳遞聲音、圖像和視頻等多媒體信息。

2．實現資源共享

在計算機網絡中，有許多昂貴的資源，例如大型數據庫、巨型計算機等，要使這些資源為每一用戶所擁有，即用戶可以共享使用這些資源。共享資源包括硬件資源的共享，如打印機、大容量磁盤等；也包括軟件資源的共享，如程序、數據等。資源共享的結果是避免重復投資和勞動，從而提高資源的利用率，使系統(tǒng)的整體性價比得到改善。

3．增加可靠性

在單個系統(tǒng)內，某個資源或計算機的暫時失效將導致系統(tǒng)癱瘓，或者通過替換資源的辦法來維持系統(tǒng)的繼續(xù)運行。但在計算機網絡中，每種資源(尤其是程序和數據)可以存放在多個地點，而用戶可以通過多種途徑來訪問網內的某個資源，從而避免了單點失效對用戶產生的影響。

4．提高系統(tǒng)處理能力

單機系統(tǒng)的處理能力是有限的，且由于種種原因，各計算機的忙閑程度也不均勻。從理論上講，在同一個網絡系統(tǒng)的多臺計算機通過協同操作和并行處理來提高整個系統(tǒng)的處理能力，并使各計算機負載均衡。由于計算機網絡具備上述功能，因此得到了廣泛的應用。在計算機網絡的支持下，銀行系統(tǒng)實現異地通存通兌，而且加快資金的流轉速度；醫(yī)療專家系統(tǒng)的各科醫(yī)生可以聯合為一個病人診斷、治療；由科學家們組成的各個領域的研究圈通過網絡來進行學術交流和研究，及時發(fā)表最新的思想和研究成果。1.3.2計算機網絡的分類

1.計算機網絡分類的基本方法

1)按網絡采用的傳輸技術分類

(1)廣播式網絡。在廣播式網絡中，所有聯網計算機共享一個公共通信信道。當一臺計算機利用共享通信信道發(fā)送分組時，其他計算機都會“收聽”到這個分組。由于發(fā)送的分組中帶有目的地址與源地址，接收到分組的計算機將檢查目的地址是否與本結點地址相同。如果接收分組的目的地址與本結點地址相同，則接收該分組，否則丟棄該分組。

(2)點對點式網絡。在點對點式網絡中，每條物理線路連接一對計算機。假如兩臺計算機之間沒有直接連接的線路，那么它們之間的分組傳輸就要通過多個中間結點轉發(fā)。由于連接多臺計算機之間的網絡結構可能是復雜的，因此從源結點到目的結點可能存在多條路由。決定分組從通信子網的源結點到達目的結點的路由需要用路由選擇算法。因此，分組存儲轉發(fā)與路由選擇機制是點對點式網絡與廣播式網絡最主要的區(qū)別。

2)按網絡覆蓋的范圍分類

由于網絡覆蓋的地理范圍不同，它們采用的傳輸技術也就不同，因而形成了不同的網絡技術特點和網絡服務功能。將計算機網絡按照覆蓋的地理范圍進行分類，可以很好地反映不同網絡類型的技術特征。按照覆蓋的地理范圍進行分類，計算機網絡可以分為局域網、城域網與廣域網。

2.局域網的基本特征

局域網(LocalAreaNetwork，LAN)用于將有限范圍內(例如一個實驗室、一幢大樓、一個校園)的各種計算機、終端與外部設備互聯成網。按照采用的技術、應用范圍和協議標準的不同，局域網又可以分為共享局域網與交換局域網。局域網技術發(fā)展迅速，應用日益廣泛，是計算機網絡中最活躍的領域

之一。

3.城域網的基本特征

城域網(MetropolitanAreaNetwork，MAN)的設計目標是滿足幾十千米范圍內的大量企業(yè)、機關、公司的多個局域網互聯的需求，以實現大量用戶之間的數據、語音、圖形與視頻等多種信息的傳輸?；ヂ摼W接入的需求使城域網在概念、涵蓋的技術類型與網絡層次結構上都發(fā)生了重要變化，寬帶城域網的概念逐漸取代了傳統(tǒng)意義上的城域網。寬帶城域網已經成為目前研究、應用與產業(yè)發(fā)展的一個重要領域。

4.廣域網的基本特征

廣域網(WideAreaNetwork，WAN)又稱為遠程網，它所覆蓋的地理范圍從幾十千米到幾千千米。廣域網可以覆蓋一個國家、地區(qū)，或橫跨幾個洲。廣域網將分布在不同地區(qū)的寬帶城域網或計算機系統(tǒng)互聯起來，提供各種網絡服務，實現信息資源共享。

5.計算機網絡的特征

(1)從網絡技術發(fā)展歷史的角度來看，最先出現的是廣域網，然后是局域網，有關城域網的研究最初融于局域網的研究范圍中。在互聯網大規(guī)模接入需求的推動下，接入技術的發(fā)展導致寬帶城域網的概念、技術、結構的演變與發(fā)展。

(2)廣域網、城域網與局域網的區(qū)別主要表現在：設計的目標不同，覆蓋的地理范圍不同，核心技術與標準不同，組建與管理方式不同。由于局域網、城域網與廣域網出現的年代、發(fā)展背景以及各自的設計目標不同，因此它們形成了各自鮮明的技術特點。

(3)廣域網的作用是擴大信息資源共享的范圍，局域網的作用是增加資源共享的深度，城域網的作用是方便地將大量用戶計算機接入互聯網。1.3.3計算機網絡的結構和組成

1.通信子網與資源子網

聯網主機主要有兩個功能：一是為本地的終端用戶提供服務，二是通過通信線路與路由器連接，完成網絡通信功能。由通信線路與路由器組成的網絡通信系統(tǒng)完成廣域網中不同主機之間的數據傳輸任務。從邏輯功能上來看，計算機網絡可以分成兩個部分：資源子網與通信子網，如圖1-5所示。圖1-5通信子網與資源子網

2.互聯網的結構與組成

隨著互聯網的廣泛應用，簡單的兩級結構的網絡模型已很難描述現代網絡的結構。互聯網是一個由大量的路由器將廣域網、城域網和局域網互聯起來，形成層次復雜、結構在不斷變化的網際網。圖1-6給出了簡化的互聯網的網絡結構示意圖。國際或國家級主干網組成互聯網的主干網。圖1-6互聯網的結構示意圖大量的用戶計算機通過符合802.3標準的局域網、802.11標準的無線局域網、802.16標準的無線城域網、無線自組網(Adhoc)、無線傳感器網絡(WSN)、電話交換網(PSTN)或有線電視網(CATV)接入本地的企業(yè)網或校園網。企業(yè)網或校園網通過路由器與光纖匯聚到作為地區(qū)主干網的寬帶城域網。寬帶城域網通過城市寬帶出口連接到國際或國家級主干網。由國際或國家級主干網、地區(qū)主干網和大量的企業(yè)網或校園網就組成了互聯網。國際或國家級主干網與地區(qū)主干網連接有很多服務器集群(ServerFarm)，為接入的用戶提供各種互聯網服務。1.3.4計算機網絡分組交換技術

計算機通信最簡單的形式是在兩個用某種傳輸介質直接連接的設備之間進行通信，但這是不現實的，通常是要經過有中間結點的網絡來把數據從源地發(fā)往目的地，以此實現通信。這些中間結點并不關心數據內容，其目的是提供一個交換設備，用它把數據從一個結點傳到另一個結點直至到達目的地。如圖1-7所示為一個計算機通信的交換網絡。圖1-7計算機通信的交換網絡

1．電話交換

電話交換的通信包括三個階段，結合圖1-7解釋如下：

(1)線路建立：通過源站點連接請求完成交換網中對應的所需逐個結點的接續(xù)(連接)過程，以建立起一條由源站到目的站的傳輸鏈路。例如，A、D間要完成通信，其過程為A向結點4申請，通常從A到4的鏈路是專用線，結點4在4—1、4—5、4—7三條傳輸路徑中選擇一條作為通路，如選擇4—5，并在結點4內部建立A—4路徑與4—5路徑間的連接，依次類推，之后結點5內部建立4—5和5—3路徑之間的連接，最后結點3內部建立5—3路徑和3—D路徑之間的連接，最終完成A—D之間的傳輸鏈路為A—4—5—3—D。

(2)數據傳輸：信號可以從A經建立的鏈路傳送到D，通常為全雙工傳輸。

(3)電路拆除：在完成數據傳輸后，由源站或目的站提出終止通信，各結點相應拆除該電路的對應連接，釋放由該電路占用的結點和信道資源。電路交換具有下列特點：

(1)呼叫建立時間長且存在呼損。在電路建立階段，在兩站間建立一條專用鏈路需要花費一段時間，這段時間稱為呼叫建立時間。在電路建立過程中由于交換網繁忙等原因而使建立失敗，對于交換網則要拆除已建立的部分電路，用戶需要掛斷重撥，這稱為呼損。

(2)電路連通后提供給用戶的是“透明通路”，即交換網對用戶信息的編碼方法、信息格式以及傳輸控制程序等都不加以限制，但對通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式、傳輸控制等一致才能完成通信。

(3)一旦電路建立后，數據以固定的數據率傳輸，除通過傳輸鏈路的傳播延遲以外，沒有別的延遲，在每個結點的延遲是可以忽略的，適用于實時大批量連續(xù)的數據傳輸。

(4)線路利用率低。電路建立、數據傳輸，直至通信鏈路拆除為止，鏈路是專用的，再加上通信建立時間、拆除時間和呼損，其利用率較低。

2．報文交換

在報文交換網中，交換結點通常為一臺專用計算機，它有足夠的存儲，以便在報文進入時進行緩沖存儲。結點接收一個報文之后，報文暫時存放在結點的存儲設備之中，等輸出線路空閑時，再根據報文中所附的目的地址轉發(fā)到下一個合適的結點，如此往復，直到報文到達目的站。所以報文交換也稱為存儲轉發(fā)(StoreandForward)。在報文交換中，每一個報文由傳輸的數據和報頭組成，報頭中有源地址和目標地址。結點根據報頭中的目標地址為報文進行路徑選擇。并且對收發(fā)的報文進行相應的處理，如差錯檢查和糾錯、調節(jié)輸入/輸出速度進行數據速率轉換、進行流量控制，甚至可以進行編碼方式的轉換等，所以報文交換是在兩個結點間的一段鏈路上逐段傳輸，不需要在兩個主機間建立多個結點組成的電路通道。與電話交換相比，報文交換方式不要求交換網為通信雙方預先建立一條專用的數據通路，因此就不存在建立電路和拆除電路的過程，如圖l-7所示。如果主機A要求發(fā)送一個報文給主機E，主機A首先將報文發(fā)送到結點4；結點4根據報文附加的目標地址選擇結點5(或7)為轉發(fā)這個報文的下一個結點；結點5(或7)接收并存儲所收到的報文，當輸出線路有空時，把該報文轉發(fā)到它所選擇的下一個結點6；結點6收到報文后交給主機E，完成報文傳輸。報文交換具有下列特點：

(1)源站A和目標站E在通信時不需要建立一條專用的通路，因此就不需要結點4、5、6或4、7、6同時空閑。

(2)與電話交換相比，報文交換沒有建立線路和拆除線路所需的等待和時延。

(3)線路利用率高，結點間可根據線路情況選擇不同的速度傳輸，能高效地傳輸數據。

(4)要求結點具備足夠的報文數據存放能力，一般結點由微機或小型機擔當。

(5)數據傳輸的可靠性高，每個結點在存儲轉發(fā)中，都進行檢錯、糾錯等差錯控制。

(6)由于采用了對完整報文的存儲/轉發(fā)，結點存儲/轉發(fā)的時延較大，不適用于交互式通信(如電話通信)。由于每個結點都要把報文完整地接收、存儲、檢錯、糾錯、轉發(fā)，因此產生了結點延遲，并且報文交換對報文長度沒有限制，報文內容過長就有可能使報文長時間占用某兩結點之間的鏈路，不利于實時交互通信。

3．分組交換

分組交換屬于“存儲/轉發(fā)”交換方式，但它不像報文交換那樣以報文為單位進行交換、傳輸，而是以更短的、標準的“報文分組”(Packet)為單位進行交換傳輸。每個分組包含數據和呼叫控制信號，把它作為一個整體加以轉接。這些數據、呼叫控制信號以及可能附加的差錯控制信息是按規(guī)定的格式排列的分組格式。圖1-8給出了報文與分組的結構關系。圖1-8報文與分組的結構關系

1)數據報傳輸分組交換

交換網把進網的任一個分組都當作單獨的“小報文”來處理，而不管它屬于哪個報文的分組，就像報文交換中把一份報文進行單獨處理一樣。如A站將報文分成3個分組(P1，P2，P3)，按序連串地發(fā)送給結點4，結點4每接收一個分組都先存儲下來，并分別對它們進行單獨的路徑選擇和其他處理過程。例如，它可能將P1報文發(fā)送給結點5，P2發(fā)送給結點1，P3發(fā)往結點7，這種選擇主要取決于結點4在處理每一個分組時各鏈路的負荷情況以及路徑選擇的原則和策略。由于每個分組都帶有地址和分組序列，雖然它們不一定經過同一條路徑，但最終都能到達同一目的結點2。這些分組到達目的結點2的順序也可能被打亂，目的結點2可以負責對分組進行排序和重裝，目的站C也可以完成這些排序和組裝工作。

2)虛電路傳輸分組交換

虛電路傳輸分組交換的主要特點是：所有分組都必須沿著事先建立的虛電路傳輸，存在一個虛呼叫建立階段和拆除階段。與電路交換相比，分組交換并不意味著實體間存在像電路交換方式那樣的專用線路，而是選定了特定路徑進行傳輸，分組所途經的所有結點都對這些分組進行存儲/轉發(fā)，這是與電路交換的實質上的區(qū)別。分組交換方法的優(yōu)點是對于數據量較大的通信傳輸率高，分組傳輸時延短，且不容易產生數據分組丟失；缺點是對網絡依賴性大。數據報方式是將一個數據分組當作一份獨立的報文看待，每一個數據分組都含有源地址和目標地址信息，交換結點須為每一個數據分組獨立地尋找路徑，因此一份報文包含的不同分組可能沿著不同的路徑到達終點，而在網絡終點需要重新排序。數據報分組交換的優(yōu)點是對于短報文數據通信傳輸效率比較高，對網絡故障的適應能力強；缺點是時延大。

圖1-9對電話交換、報文交換、分組交換的存儲/轉發(fā)過程進行了比較。圖1-9三種交換方式的存儲/轉發(fā)過程比較1.3.5計算機網絡的拓撲結構與特點

1．計算機網絡拓撲的定義

拓撲學是幾何學的一個分支，它是從圖論演變過來的。拓撲學是將實體抽象成與其大小、形狀無關的“點”，將連接實體的線路抽象成“線”，進而研究“點”、“線”、“面”之間的關系。計算機網絡拓撲是通過網絡中結點與通信線路之間的幾何關系表示網絡結構，反映出網絡各實體之間的結構關系。拓撲設計是計算機網絡設計的第一步，它對網絡性能、系統(tǒng)可靠性與通信費用都有重大影響。

2.計算機網絡拓撲的分類與特點

基本的網絡拓撲有五種：星型、環(huán)型、總線型、樹型與網狀結構。圖1-10給出了基本的網絡拓撲構型的結構示意圖。圖1-10基本的網絡拓撲構型的結構示意圖

1)星型拓撲

圖1-10(a)給出了星型拓撲的結構示意圖。在星型拓撲結構中，結點通過點對點通信線路與中心結點連接。中心結點控制全網的通信，任何兩個結點之間的通信都要通過中心結點。星型拓撲構型的優(yōu)點是結構簡單、易于實現、便于管理；缺點是，由于網絡的中心結點是全網性能與可靠性的瓶頸，因此中心結點的故障可能造成全網癱瘓。

2)環(huán)型拓撲

圖1-10(b)給出了環(huán)型拓撲的結構示意圖。在環(huán)型拓撲結構中，結點通過點—點通信線路連接成閉合環(huán)路，環(huán)中的數據將沿一個方向逐站傳送。環(huán)型拓撲結構簡單，傳輸延時確定，但是環(huán)中的每個結點與連接結點之間的通信線路都會成為網絡可靠性的瓶頸。環(huán)中的任何一個結點出現線路故障，都可能造成網絡癱瘓。為了方便結點加入和撤出環(huán)，控制結點的數據傳輸順序，保證環(huán)的正常工作，需要設計復雜的環(huán)維護協議。

3)總線型拓撲

圖1-10(c)給出了總線型拓撲的結構示意圖。在總線型拓撲結構中，所有結點連接在一條作為公共傳輸介質的總線上，通過總線以廣播方式發(fā)送和接收數據。當一個結點利用總線發(fā)送數據時，其他結點只能接收數據。如果有兩個或兩個以上的結點同時利用公共總線發(fā)送數據，就會出現沖突，造成傳輸失敗?？偩€型拓撲結構的優(yōu)點是結構簡單，缺點是必須解決多結點訪問總線的介質訪問控制策略問題。

4)樹型拓撲

圖1-10(d)給出了樹型拓撲的結構示意圖。在樹型拓撲結構中，結點按層次進行連接，信息交換主要在上、下結點之間進行，相鄰及同層結點之間通常不進行數據交換，或數據交換量比較小。樹型拓撲可以看成是星型拓撲的一種擴展，樹型拓撲網絡適用于匯集信息的應用要求。

5)網狀拓撲

圖1-10(e)給出了網狀拓撲的結構示意圖。網狀拓撲又稱為無規(guī)則型拓撲。在網狀拓撲結構中，結點之間的連接是任意的，沒有規(guī)律。網狀拓撲結構的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性高。但是，網狀拓撲結構復雜，必須采用路由選擇算法、流量控制與擁塞控制方法。廣域網一般都采用網狀拓撲。

1.4網絡體系結構的基本概念

1.4.1網絡協議與網絡體系結構

1.網絡協議

一個網絡協議主要由以下三個要素組成：

語法，即數據與控制信息的結構、格式和編碼。

語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應答。

同步，即事件實現順序的詳細說明。

由此可見，網絡協議是計算機網絡不可缺少的組成部分。

2．協議分層

狹義地說，協議分層就是按照信息的流動過程將網絡的整體功能分解為一個個的功能層，每個功能層用對應的協議規(guī)定其功能，不同機器上的同等功能層之間采用相同的協議，同一機器上的相鄰功能層之間通過接口進行數據傳遞。為了便于理解協議分層的概念，在現實生活中可以找到許多協議分層的思想，這里以郵政送遞系統(tǒng)為例進行說明。人們平常寫信時，實際上都有信件的格式和內容約定。首先，寫信時必須采用雙方都懂的語言文字和文體，開頭是對方稱謂，最后是落款等。這樣，對方收到信后，才可以看懂信中的內容，知道是誰寫的，什么時候寫的等。當然還可以有其他的一些特殊約定，如書信的編號、密寫手段等。信寫好之后，必須用信封將信件進行封裝并交由郵局寄發(fā)。寄信人和郵局之間也要有約定，即規(guī)定信封寫法并貼上郵票。在中國寄信必須先寫收信人的地址、姓名和郵編，然后才寫寄信人的地址、姓名和郵編。郵局收到信后，要按郵寄地點和信件種類進行分揀和分類，打包并附上標簽后，交付有關運輸部門進行運輸，如航空信交民航，平信交鐵路、公路或水路等運輸部門。同樣，郵局和運輸部門之間也有約定，要規(guī)定打包標簽上的格式，如到站地點、時間、包裹形式等。信件運送到目的地后進行相反的過程，最終將信件送到收信人手中，收信人依照約定的格式才能讀懂信件。如圖1-11所示，整個過程被劃分成三個子系統(tǒng)，即用戶子系統(tǒng)、郵政子系統(tǒng)和運輸子系統(tǒng)。圖1-11郵政系統(tǒng)分層模型為了減少網絡設計的復雜性，人們往往按功能將計算機網絡劃分為多個不同的功能層。網絡中同等層之間的通信規(guī)則就是該層使用的協議，如有關第N層的通信規(guī)則的集合，就是第N層的協議。而同一計算機的不同功能層之間的通信規(guī)則稱為接口，在第N層和第N?+

l層之間的接口稱為N/(N?+?l)層接口。協議分層方法將整個網絡通信功能劃分為垂直的層次后，在通信過程中下層將向上層隱蔽其實現細節(jié)。層次的劃分應首先確定分層數以及每層應完成的任務，原則上劃分時應按邏輯組合功能，既要有足夠的層次，以使每層易于處理，但層次也不能過多，以免產生難以負擔的處理開銷。

3．網絡體系結構

為了加深對網絡體系結構概念的理解，暫時回避OSI/RM和TCP/IP這些具體協議體系，這里先構造一個原理性的網絡體系結構(如圖1-12所示)，雖然是原理性的(只有5層)，但它綜合了OSI和TCP/IP協議分層的優(yōu)點，既簡明又能將概念闡述清楚。各層的主要功能簡述如下。圖1-12一個原理性的網絡體系結構

1)物理層

物理層的任務就是透明地傳送比特流。在物理層上所傳數據的單位是比特，它關心的問題是：使用什么樣的物理信號來表示數據“0”和“1”；“0”和“1”持續(xù)的時間為多長；數據傳輸是否可同時在兩個方向上進行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；物理接口(插頭和插座)有多少針以及各針的功能。

該層還規(guī)定設計物理層接口的機械、電氣、功能和過程特性等通信工程領域的一些問題。

2)數據鏈路層

數據鏈路層的任務是在兩個相鄰結點間的線路上無差錯地傳送以幀(Frame)為單位的數據。每一幀包括數據和必要的控制信息。在傳送數據時，若接收結點檢測到所收到的數據中有差錯，就要通知發(fā)方重發(fā)這一幀，直到這一幀正確無誤地到達接收結點為止。在每一幀所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差錯控制以及流量控制信息等。

這樣，數據鏈路層就把一條有可能出差錯的實際鏈路轉變成為讓網絡層向下看起來好像是一條可靠的鏈路。

3)網絡層

在計算機網絡中進行通信的兩個計算機之間可能要經過許多個結點和鏈路，也可能還要經過好幾個不同的通過路由器互聯的通信子網。在網絡層，數據的傳送單位是分組(或包)，因此要將發(fā)送方主機送來的報文分割成若干個分組。網絡層的任務就是完成主機間的報文傳輸；選擇合適的路由，使發(fā)送方報文能夠正確無誤地按照地址找到目的站，并交付給目的站。這就是網絡層的尋址功能。如果在子網中出現過多的報文，子網可能形成擁塞，因此網絡層還要避免擁塞。

4)傳輸層

傳輸層的任務是根據下面通信子網的特性最佳地利用網絡資源，并以可靠和經濟的方式在兩端主機(也就是源站和目的站)的進程之間建立一條傳輸連接，以透明地傳送報文。或者說，傳輸層為進行通信的兩個進程之間提供一個可靠的端到端的服務，使它們看不見傳輸層以下的數據通信的細節(jié)。

在通信子網內的各個交換結點以及連接各通信子網的路由器都沒有傳輸層。傳輸層只能存在于通信子網外面的主機之中。

5)應用層

應用層在體系結構中是最高層。它的任務是確定進程之間通信的性質以滿足用戶的需要。應用層不僅要提供應用進程所需要的信息交換和遠地操作，而且還要作為互相作用的應用進程的用戶代理，來完成一些為進行語義上有意義的信息交換所必需的功能。應用層直接為用戶的應用進程提供服務。需要注意的是，應用層協議并不是解決用戶各種具體應用的協議。

圖1-13說明了一個應用進程的數據在各層之間的傳遞過程中所經歷的變化。圖1-13數據在各層之間的傳遞過程

假定計算機A的應用進程AP1向計算機B的應用進程AP2傳送數據。AP1先將其數據交給第5層，第5層加上必要的控制信息H5就變成了下一層的數據單元。第4層收到這個數據單元后，加上本層的控制信息H4，再交給第3層，成為第3層的數據單元。依次類推，不過到了第2層(數據鏈路層)后，控制信息分成兩部分，分別加到本層數據單元的首部(H2)和尾部(T2)，而第1層(物理層)由于是比特流的傳送，所以不再加控制信息。在OSI參考模型中，在對等層次上傳送的數據，其單位都稱為該層的協議數據單元(ProtocolDataUnit，PDU)。這個名詞現已被許多非OSI標準采用。

當這一串的比特流經網絡的物理媒體傳送到目的站時，就從第1層依次上升到第5層。每一層根據控制信息進行必要的操作，然后將控制信息剝去，將該層剩下的數據單元上交給更高的一層。最后，把應用進程AP1發(fā)送的數據交給目的站的應用進程AP2。可以用一個簡單的例子來比喻上述過程。有一封信從最高層向下傳。每經過一層就包上一個新的信封。包有多個信封的信傳送到目的站后，從第1層起，每層拆開一個信封后就交給它的上一層。傳到最高層后，取出發(fā)信人所發(fā)的信交給收信

用戶。

雖然應用進程數據要經過圖1-13所示的復雜過程才能送到對方的應用進程，但這些復雜過程對用戶來說，卻都被屏蔽掉了，以致應用進程AP1覺得好像是直接把數據交給了應用進程AP2。同理，任何兩個同樣的層次(例如在兩個系統(tǒng)的第4層)之間，也好像如同圖中的水平虛線所示的那樣，將數據(即數據單元加上控制信息)通過水平虛線直接傳遞給對方。這就是所謂的“對等層”(PeerLayers)之間的通信。我們以前經常提到的各層協議，實際上就是在各個對等層之間傳遞數據時的各項

規(guī)定。

人們將實現網絡系統(tǒng)所需的一組協議稱為協議棧(ProtocolStack)或協議族(ProtocolSuite)。這是因為幾個層次畫在一起與堆棧的形式非常相似。1.4.2ISO-OSI參考模型

許多標準化組織積極開展了網絡體系結構標準化方面的工作，其中最有權威的就是國際標準化組織ISO提出的開放系統(tǒng)互聯參考模型OSI/RM。它的目標是將各種開放式系統(tǒng)連接在一起。

OSI參考模型中采用了七個層次的體系結構(如圖1-14所示)，也就是將前面所講的原理性體系結構中的應用層再劃分為三個層次。這三個層次從上到下的名稱是：應用層、表示層和會話層。圖1-14TCP/IP與ISO-OSI體系結構的對比

會話層不參與具體的數據傳輸，但它卻對數據傳輸進行管理。它在兩個互相通信的進程之間建立、組織和協調其交互，例如確定是雙工工作(每一方同時發(fā)送和接收)還是半雙工工作(每一方交替發(fā)送和接收)。

表示層主要解決用戶信息的語法表示。表示層將欲交換的數據從適合于某一用戶的抽象語法(AbstractSyntax)變換為適合于OSI系統(tǒng)內部使用的傳送語法(TransferSyntax)。應用層對應用進程進行了抽象，它只保留應用進程中與進程間交互有關的那些部分。1.4.3

TCP/IP參考模型

TCP/IP協議體系分為四個層次(如圖1-14所示)。由于TCP/IP協議集中沒有考慮具體的物理傳輸介質，因此在TCP/IP的標準中并沒有對數據鏈路層和物理層做出規(guī)定，而只是將最低的一層取名為網絡接口層，規(guī)定了與物理網絡的接口。這樣，如果不考慮網絡接口層，那么TCP/IP體系實際上就只有三個層次：應用層、傳輸控制層和網絡互聯層。

TCP/IP的最高層是應用層。在這層中有許多著名協議，如遠程登錄協議TELNET、文件傳送協議FTP、簡單郵件傳送協議SMTP等。

再往下的一層是TCP/IP的傳輸層，也叫做主機到主機層。這一層可使用兩種不同的協議：一種是面向連接的傳輸控制協