計算機網路原理

《計算網路》采系構計算網路基礎材。共篇，角觀察計算網路，計算網路：篇觀察計算網路，計算網路節、鏈協議元素組系統，介紹鏈節基技術；篇觀察計算網路，識計算網路系構，介紹/參考模型 、/計算網路流系構；篇介紹計算網路程序/模式基/模式計算網路程序。篇計算網路基獨層。完層容習，計算網路識升，歸計算網路層。

篇計算網路組

章計算網路概述

1．1 計算機網路及其分類

計算機網路，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多台計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網路操作系統，網路管理軟體及網路通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統。

關於計算機網路的最簡單定義是：一些相互連接的、以共享資源為目的的、自治的計算機的集合。

另外，從邏輯功能上看，計算機網路是以傳輸信息為基礎目的，用通信線路將多個計算機連接起來的計算機系統的集合。一個計算機網路組成包括傳輸介質和通信設備。

從用戶角度看，計算機網路它是這樣定義的：存在著一個能為用戶自動管理的網路操作系統。有它調用完成用戶所調用的資源，而整個網路像一個大的計算機系統一樣，對用戶是透明的。

一個比較通用的定義是：利用通信線路將地理上分散的、具有獨立功能的計算機系統和通信設備按不同的形式連接起來，以功能完善的網路軟體及協議實現資源共享和信息傳遞的系統。

從整體上來說計算機網路就是把分佈在不同地理區域的計算機與專門的外部設備用通信線路互聯成一個規模大、功能強的系統，從而使眾多的計算機可以方便地互相傳遞信息，共享硬體、軟體、數據信息等資源。簡單來說，計算機網路就是由通信線路互相連接的許多自主工作的計算機構成的集合體。

計算機網路就是通過線路互連起來的、資質的計算機集合，確切的說就是將分佈在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，並配置網路軟體，以實現計算機資源共享的系統。

計算機網路就是由大量獨立的、但相互連接起來的計算機來共同完成計算機任務。這些系統稱為計算機網路（computer networks）

1．1．1計算機網路及其功能

1．1．2計算機網路的分類

1．1．3通信與計算機網路相關標準化組織

1．2 計算機網路組成

1．2．1計算機網路的拓撲結構

1．2．2鏈路

所謂鏈路就是從一個節點到相鄰節點的一段物理線路，而中間沒有任何其他的交換節點。

補充：在進行數據通信時，兩個計算機之間的通信路徑往往要經過許多段這樣的鏈路。可見鏈路只是一條路徑的組成部分。

1．2．3網路節點

節點是指一台電腦或其他設備與一個有獨立地址和具有傳送或接收數據功能的網路相連。節點可以是工作站、客戶、網路用戶或個人計算機，還可以是伺服器、印表機和其他網路連接的設備。每一個工作站﹑伺服器、終端設備、網路設備，即擁有自己唯一網路地址的設備都是網路節點。整個網路就是由這許許多多的網路節點組成的，把許多的網路節點用通信線路連接起來，形成一定的幾何關係，這就是計算機網路拓撲。

各個網路節點通過網卡那裡獲得唯一的地址。每一張網卡在出廠的時候都會被廠家固化一個全球唯一的媒體介質訪問層（Media Access Control）地址﹐使用者是不可能變更此地址的。這樣的地址安排就如我們日常的家庭地址一樣﹐是用來區分各自的身份的。您的網路必須有能力去區別這一個地址有別於其它的地址。在網路裡面﹐有很多資料封包會由一個網路節點傳送到另一個網路節點﹐同時要確定封包會被正確的傳達目的地﹐而這個目的地就必須依靠這個網卡地址來認定了。

1．2．4協議

網路協議，也可簡稱協議，由三要素組成：

(1)語法：即數據與控制信息的結構或格式；

(2)語義：即需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；

(3)時序，即事件實現順序的詳細說明。

計算機通信網是由許多具有信息交換和處理能力的節點互連而成的。要使整個網路有條不紊地工作, 就要求每個節點必須遵守一些事先約定好的有關數據格式及時序等的規則。這些為實現網路數據交換而建立的規則、約定或標準就稱為網路協議。協議是通信雙方為了實現通信而設計的約定或通話規則。

協議總是指某一層的協議。準確地說，它是在同等層之間的實體通信時，有關通信規則和約定的集合就是該層協議，例如物理層協議、傳輸層協議、應用層協議。

是一系列的步驟：它包括兩方或多方，設計它的目的是要完成一項任務！

是對數據格式和計算機之間交換數據時必須遵守的規則的正式描述。簡單的說，網路中的計算機要能夠互相順利的通信，就必須講同樣的語言，語言就相當於協議，它分為Ethernet、NetBEUI、IPX/SPX以及TCP/IP協議。

協議還有其他的特點：

1）協議中的每個人都必須了解協議，並且預先知道所要完成的所有的步驟。

2）協議中的每個人都必須同意並遵循它。

3）協議必須是清楚的，每一步必須明確定義，並且不會引起誤解。

在計算機網路中用於規定信息的格式以及如何發送和接收信息的一套規則稱為網路協議或通信協議

協議也可以這樣說，就是連入網路的計算機都要遵循的一定的技術規範，關於硬體、軟體和埠等的技術規範。

網路是一個信息交換的場所，所有接入網路的計算機都可以通過彼此之間的物理連設備進行信息交換，這種物理設備包括最常見的電纜、光纜、無線WAP和微波等，但是單純擁有這些物理設備並不能實現信息的交換，這就好像人類的身體不能缺少大腦的支配一樣，信息交換還要具備軟體環境，這種“軟體環境”是人類事先規定好的一些規則，被稱作“協議”，有了協議，不同的電腦可以遵照相同的協議使用物理設備，並且不會造成相互之間的“不理解”。

這種協議很類似於“摩爾斯電碼”，簡單的一點一橫，經過排列可以有萬般變化，但是假如沒有“對照表”，誰也無法理解一新產生的協議也大多是在基層協議基礎上建立的，因而協議相對來說具有較高的安全機制，黑客很難發現協議中存在的安全問題直接入手進行網路攻擊。但是對於某些新型協議，因為出現時間短、考慮欠周到，也可能會因安全問題而被黑客利用。

對於網路協議的討論，更多人則認為：現今使用的基層協議在設計之初就存在安全隱患，因而無論網路進行什麼樣的改動，只要現今這種網路體系不進行根本變革，就一定無法消除其潛在的危險性。

數據在IP網際網路中傳送時會被封裝為報文或封包。IP協議的獨特之處在於：在報文交換網路中主機在傳輸數據之前，無須與先前未曾通信過的目的主機預先建立好一條特定的“通路”。網際網路協議提供了一種“不可靠的”數據包傳輸機制（也被稱作“儘力而為”）；也就是說，它不保證數據能準確的傳輸。數據包在到達的時候可能已經損壞，順序錯亂（與其它一起傳送的封包相比），產生冗餘包，或者全部丟失。如果 應用需要保證可靠性，一般需要採取其他的方法，例如利用IP的上層協議控制。

網路協議通常由語法，語義和定時關係3部分組成。網路傳輸協議或簡稱為傳送協議(Communications Protocol)，是指計算機通信的共同語言。現在最普及的計算機通信為網路通信，所以“傳送協議”一般都指計算機通信的傳送協議，如：TCP/IP、NetBEUI等。然而，傳送協議也存在於計算機的其他形式通信，例如：面向對象編程裡面對象之間的通信；操作系統內不同程序之間的消息，都需要有一個傳送協議，以確保傳信雙方能夠溝通無間。

其他含義

協商：雙方協議提高價格 對共同達到統一目的 可制定協議。

通俗概念：協議是做某些事情之前共同協商，共同達到統一目的，對統一達成問題作為書面形式共同約束。

協商好了就點仁義、仗義。協議要是用上了，那就是沒意義了，也就是證明即將要結束協議。

定義

協議（protocol）是指兩個或兩個以上實體為了開展某項活動，經過協商后達成的一致意見。協議總是指某一層的協議。準確地說，它是在同等層之間的實體通信時，有關通信規則和約定的集合就是該層協議，例如物理層協議、傳輸層協議、應用層協議。

1．3課外實踐參考——構建一個簡單的區域網路

1．3．1雙絞線

雙絞線（Twisted Pair）是由兩條相互絕緣的導線按照一定的規格互相纏繞（一般以逆時針纏繞）在一起而製成的一種通用配線，屬於信息通信網路傳輸介質。雙絞線過去主要是用來傳輸模擬信號的，但現在同樣適用於數字信號的傳輸。

雙絞線是綜合布線工程中最常用的一種傳輸介質。

雙絞線是由一對相互絕緣的金屬導線絞合而成。採用這種方式，不僅可以抵禦一部分來自外界的電磁波干擾，而且可以降低自身信號的對外干擾。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發出的電波抵消。“雙絞線”的名字也是由此而來。

雙絞線一般由兩根22-26號絕緣銅導線相互纏繞而成，實際使用時，雙絞線是由多對雙絞線一起包在一個絕緣電纜套管里的。典型的雙絞線有四對的，也有更多對雙絞線放在一個電纜套管里的。這些我們稱之為雙絞線電纜。在雙絞線電纜（也稱雙扭線電纜）內，不同線對具有不同的扭絞長度，一般地說，扭絞長度在3.81cm至14cm內，按逆時針方向扭絞。相鄰線對的扭絞長度在1.27cm以上，一般扭線的越密其抗干擾能力就越強，與其他傳輸介質相比，雙絞線在傳輸距離，通道寬度和數據傳輸速率等方面均受到一定限制，但價格較為低廉。

1．3．2集線器

1．3．3 網卡

習題

第2章 中間節點上的通信技術

2．1交換技術的演變

2．1．1 電路交換

2．1．2存儲-轉發交換

2．1．3分組交換網路中的最佳幀長度

2．2虛電路與數據報

2．2．1分組交換的虛電路服務

2．2．2分組交換的數據報服務

2．2．3電路交換、虛電路與數據報的比較

2．3交換機

2．3．1交換機的功能

2．3．2交換單元分類

2．4路由節點上的通信

2．4．1路由器與路由表

2．4．2路由器的組成

2．4．3路由器技術的演進

習題

第3章鏈路上的數據傳送技術

3．1基本通信方式

3．1．1通信工作模式

3．1．2并行傳輸與串列傳輸

3．1．3串列通信中的同步控制

3．2數據信號分析與通道特性

3．2．1信息、數據與信號

3．2．2數據信號分析

3．2．3通道的頻率特性

3．3基帶傳輸、頻帶傳輸與數據信號變換

3．3．1基帶傳輸與頻帶傳輸

3．3．2數字信號的模擬調製

3．3．3模擬信號的數字編碼——PCM技術

3．3．4數字編碼

3．4通道的多路復用技術

3．4．1頻分多路復用技術

3．4．2時分多路復用技術

3．4．3碼分多路復用技術

3．4．4波分多路復用技術

3．5數據的可靠傳輸

3．5．1差錯產生的原因與基本對策

3．5．2差錯檢測

3．5．3差錯控制

3．6流量控制

3．6．1流量控制及其基本策略

3．6．2滑動窗口協議

習題

第2篇計算機網路體系結構

第4章ISO/OSI參考模型

4．1概述

4．1．1計算機網路的層次結構

4．1．2計算機網路層次結構中各層的基本功能

4．1．3計算機網路層次結構的多樣性

4．1．4 ISO/OSI參考模型框架

4．2 ISO/OSI參考模型分層介紹

4．2．1物理層

4．2．2數據鏈路層

4．2．3網路層

4．2．4運輸層

4．2．5會話層、表示層和應用層

4．3 ISO/OSI參考模型的進一步分析

4．3．1 OSI參考模型各層中的數據流動

4．3．2網路實體——服務與協議

4．3．3 ISO/OSl服務原語

習題

第5章區域網與IEEE 802模型

5．1區域網的技術特點與體系結構

5．1．1區域網概述

5．1．2區域網的MAC技術

5．1．3 IEEE 802模型

5．2乙太網技術

5．2．1 CSMA/CD協議

5．2．2 IEEE 802．3與10 Mbps乙太網

5．3無線區域網

5．3．1無線區域網的特點

5．：3．2 IEEE 802．11

5．3．3 CSMA/CA

5．3．4 Wi-Fi

5．4交換式區域網

5．4．1 網橋

5．4．2交換式乙太網

5．4．3交換機工作機理

5．4．4虛擬區域網

5．4．5課外實踐參考——交換機配置

5．5 i島速乙太網

5．5．1高速乙太網的發展及特點

5．5．2 100 Base-T乙太網

5．5．3千兆乙太網

5．5．4萬兆乙太網

習題

第6章Internet與TCP/IP體系結構

6．1 概述

6．1．1 Internet

6．1．2 TCP/IP協議棧

6．1．3 TCP/IP與OSI參考模型的比較

6．2 IP協議

6．2．1有分類的IP地址結構

6．2．2 IP地址的無分類編址CIDR

6．2．3 IPv4分組格式

6．2．4課外實踐參考——網路的TCP/IP參數設置

6．3網路介面層相關協議

6．3．1點對點協議PPP

6．3．2 IP地址解析協議

6．4網際控制消息協議ICMP

6．4．1 ICMP提供的服務

6．4．2 ICMP分組

6．4．3基於ICMP的應用

6．4．4課外實踐參考——常用網路測試命令

6．5 IP路由

6．5．1路由器工作概述

6．5．2路由信息協議RIP

6．5．3開放式最短路徑優先協議OSPF

6．5．4邊界網關協議BGP

6．5．5課外實踐參考——路由器的配置

6．5．6第三層交換

6．6 IPV6

6．6．1 IPv6及其目標

6．6．2 IPv6分組結構

6．6．3 IPv6地址

6．6．4從IPv4向IPv6的過渡

6．7 TCP/UDP協議

6．7．1 TCP服務的特徵

6．7．2 TCP連接的可靠建立與釋放

6．7．3 TcP傳輸的滑動窗口規則

6．7．4 TCP報文格式

6．7．5 UDP協議

6．7．6 TCP/UDP埠號的分配方法

習題

第3篇計算機網路應用及其開發

第7章應用層實體及其工作模式

7．1客戶-伺服器工作模式

7．1．1客戶-伺服器模式概述

7．1．2客戶-伺服器的應用方式

7．1．3中間件

7．2客戶-伺服器模式應用舉例

7．2．1遠程登錄

7．2．2文件傳輸協議

7．2．3電子郵件傳送協議

7．2．4簡單網路管理協議

7．2．5超文本傳輸協議

習題

第8章計算機網路應用程序設計

8．1套介面API的有關概念

8．1．1 網路應用編程介面

8．1．2 socket編程模型及其類型

8．1．3 socket地址——應用進程的標識

8．1．4通信進程的阻塞與非阻塞方式

8．2基本socket函數

8．2．1初始化套介面——服務綁定socket()

8．2．2本地地址綁定bind()

8．2．3建立套介面連接——綁定遠地伺服器地址connect()

8．2．4套介面被動轉換listen()

8．2．5從被動套介面的完成隊列中接受一個連接請求accept()

8．2．6基本套介面I/O函數

8．2．7關閉套介面通道與撤銷套介面

8．3基於TCP的socket程序設計

8．3．1 TCP有限狀態機

8．3．2 TCP的C/s模型時序圖

8．3．3一個簡單的TCP網路通信程序

8．3．4阻塞模式下的TCP輸入輸出與超時控制

8．3．5非阻塞模式下的TcP輸入輸出

8．4基於UDP的socket程序設計

8．4．1 uDP編程模式

8．4．2一個簡單的UDP客戶一伺服器程序

8．4．3非阻塞模式下的UDP客戶一伺服器程序

8．5輸入輸出多路復用

8．5．1輸入輸出多路復用的基本原理

8．5．2 select()函數及其應用

8．6併發伺服器程序設計

8．6．1多進程併發伺服器程序設計

8．6．2多線程併發伺服器程序設計

習題

附錄英文縮略語辭彙表

參考文獻

課程簡介

本課程是計算機科學與技術專業學生的一門專業核心課程。通過本課程的學習和實驗，使學生能夠深入理解計算機網路系統的基本概念和工作機制，掌握Internet採用的TCP/IP體系結構及各層主要協議的基本內容及工作原理。

實驗目的與要求

1．實驗目的：通過實驗培養學生對TCP/IP體系結構各層主要協議的內容，數據報文結構及功能的分析能力，加深對計算機網路工作過程和原理的理解。

2．實驗要求：利用網路協議分析軟體，構造產生各種協議數據單元，捕捉各種數據包並進行協議分析，理解各種協議的報文結構，功能及各層協議間的相互關係，提高對網路通信過程的認識與理解。

實驗方式與注意事項

本課程所有實驗均需上機進行，每個實驗都有明確的實驗目的和內容。學生根據實驗要求獨立完成每個實驗項目。具體要求如下：

1. 學生按照實驗要求，上機前要認真研讀實驗指導書，了解實驗的目的、內容、實驗步驟；

2. 上機實驗時按實驗要求完成實驗任務，並對實驗過程中遇到的問題、解決辦法和實驗結果進行記錄；