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网络管理员教程（初级）第六版--第1章计算机网络概述

news 2025/10/24 7:44:58

第一章计算机网络概述

1.1 数据通信基础

1.1.1 数据通信的基本概念

1.数据信号

数据分为模拟数据与数字数据两种。在通信系统中，表示模拟数据的信号称作模拟信号，表示数字数据的信号称作数据信号，二者可以相互转化。计算机传送的是典型的数字信号。

模拟信号：在时间和幅度取值上都是连续的，其电平也随时间连续变化。

数字信号：数字信号在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，一般由二进制代码0和1组成的数字序列。

调制：将数字信号转化为模拟信号的过程称为调制。

解调：将收到的模拟信号还原成数字信号的过程称为解调。

调制解调器（Modem）：进行调制和解调的设备称为调制解调器。

模拟信号的数字化需要3个步骤：依次为采样、量化和编码。

采样：用每隔一定时间的信号值序列来代替原来在时间上连续的信号。

量化：用有限个幅度值近似原来连续变化幅度的值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。

编码：是按照一定的规律把量化后的值用二进制数字表示，转换成二值或多值的数字信号流。数字化的过程又称为脉冲编码调制。

2.信道

信道：信息传输的必经之路称为信道。

信道一般用来表示向某一个方向传送数据的媒体，一个信道可以看作是电路的逻辑部件；一条电路至少包含一条发送信道或一条接收信道。

3.数据通信模型

数据通信系统的基本模型：远端的数据终端设备（data terminal equipment，DTE）通过数据电路与计算机系统相连。

数据电路由通信信道和数据通信设备（data communication equipment，DCE）组成。

如果通信信道是模拟信道，数据通信设备的作用就是把DTE送来的数字信号变换为模拟信号再送往信道，信号到达目的节点后，再把信道送来的模拟信号变换成数字信号再送到DTE；如果通信信道是数字信道，DCE的作用就是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给，以及线路连续控制等。

4.数据通信方式

数据通信方式可分为3种：

单工通信：数据只能沿一个固定方向传输，即传输是单向的。

半双工通信：允许数据沿两个方向传输，但在同一时刻信息只能在一个方向传输。

双工通信：允许信息同时沿两个方向传输。计算机通信常用的方式。

1.1.2 数据传输

1.数据传输方式

（1）并行传输与串行传输

并行传输：指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。并行传输必须有并行信道，这带来了设备或实施条件上的限制，实际应用受限。

串行传输：指的是数据流以串行方式在一条信道上传输。例如，一个字符的8个二进制代码，由高位到低位顺序排列，再接下一个字符的8为二进制。串行传输是目前采用的一种主要的传输方式。

串行传输需要解决如何保持码组或字符同步的问题，目前有两种不同的解决办法，即异步传输方式和同步传输方式。

（2）异步传输与同步传输

异步传输：一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度为多少为，在发送每个字符代码时，前面均加上一个“起”信号，字符代码后面均加上一个“止”信号。异步传输的优点是同步实现简单，收、发双方的时钟信号不需要严格同步，缺点是对每一个字符都需加入起、止码元，使传输效率降低，故适用于1200b/s以下的低速数据传输。

同步传输：是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。接收端为了从收到的数据流中正确地区分一个个信号码元，首先必须建立准确的时钟信号。数据的发送一般以组（帧）为单位。

2.数据传输形式

（1）基带传输：在信道上直接传输基带信号的方式称为基带传输。它是指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的数字脉冲信号。基带信号绝大部分是数字信号，计算机网络内往往采用基带传输。

（2）频带传输：将基带信号转换为以频率表示的模拟信号来传输的方式。采用频带传输时，要求发送和接收端安装调制解调器。不仅实现了数字信号可用电话线路传输，还可以实现多路复用，从而提高了信道利用率。

（3）宽带传输：将信道分为多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号的方式，称为宽带传输。宽带传输与基带传输相比有以下优点：一是能在一条信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；二是一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，信道的容量大大增加；三是宽带传输的距离比基带远，因为基带传输直接传输数字信号，传输的速率越高，能够传输的距离就越短。

3.数据传输速率

（1）比特率：指单位时间内所传送的二进制码元的有效位数，即每秒比特数，单位是b/s。例如，一个数字通信系统，它每秒传输800个二进制码元，它的比特率就是800比特/秒（800b/s）。

码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称，也常称作“位”或b。例如，1010101共计7位或7b。

（2）信道带宽

信道带宽 W=F₂-F₁，其中，F₁是信道能通过的最低频率，F₂是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。

（3）波特率：即单位时间内通过信道传输的码元个数。码元速率的单位叫波特（Baud），所以码元速率也叫波特率。

比特率 (bps) = 波特率 (Baud) × 每个符号携带的比特数 (bits per symbol)

比特率 = 波特率 × log₂(N)

（4）奈奎斯特定理：有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈奎斯特定理。

若信道带宽为W，则最大码元速率为
$B = 2 W$
用R表示数据速率，单位是每秒位，简写为b/s。B表示波特率，N表示调制级别的数量。
$R = Bl o g_{2} (N) = 2 W l o g_{2} (N)$

（5）香农定理：有噪声信道的极限数据速率。
$C = W l o g 2 (1 + S / N)$
其中，W为信道带宽，S/N叫作信噪比。

（6）误码率：指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中错误比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于10-⁶。

1.1.3 数据编码

1.模拟数据编码

再模拟信道传输时，将数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。

（1）调幅：调幅（Amplitude Modulation，AM）即载波的振幅随着基带数字信号而变化。这种调幅的方法又叫幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）。其特点是信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力差。

例如，数字信号1用有载波输出表示，数字信号0用无载波输出表示。

（2）调频：调频（Frequency Modulation，FM）即载波的频率随着基带数字信号而变化。这种调频的方法又叫频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）。其特点是信号容易实现，技术简单，抗干扰能力较强。

例如，数字信号1用频率F₁表示，数字信号0用频率F₂表示。

（3）调相：调相（Phase Modulation，PM）即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。这种调相的方法又称为相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。其特点是抗干扰能力较强，但信号实现的技术比较复杂。

2.数字数据编码

在数字信道中传输时，对计算机中的数字信号重新编码后进行基带传输。

（1）不归零编码：不归零编码（Non-Return-to-Zero，NRZ）用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。

缺点是无法判断每一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。为保证收发双方同步，必须在发送不归零编码的同时用另一个信道传送同步信号。

（2）曼彻斯特编码：曼彻斯特编码（Manchester Encoding，ME）不是用电平的高低表示二进制，而是用电平的跳变来表示的。在曼彻斯特编码中，每一个比特的中间均有一个跳变，这个跳变即作为时钟信号，又作为数据信号。电平从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0。

（3）差分曼彻斯特编码：差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding，DME）是对曼彻斯特编码的改进，每比特中间的跳变仅做同步之用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码是数据通信中最常用的数字信号编码方式，优点是无须另发同步信号；缺点是编码效率低。如果传送10Mb/s的数据，将需要20MHz的脉冲。

1.1.4 多路复用技术

（1）频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）

基本原理：每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频带互相不重叠，相邻信道之间用“警戒频带”隔离，每个信道独立地传输一路信号。

主要特点：信号被划分成若干通道（频道、波段），每个通道互不重叠，独立进行数据传输。

应用领域：频分多路复用在无线电广播和电视领域中应用较多。ADSL也是典型的频分多路复用。

（2）时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）

基本原理：以信道传输时间作为分隔对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。将用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片。

应用领域：贝尔系统的T1载波。T1载波将24路音频信道复用在一条通信线路上，每路音频信号在送到复用器之前，要通过一个脉冲编码调制编码器，编码器每秒取样8000次。T1载波的数据传输速率为1.55Mb/s。

（3）波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）

基本原理：波分多路复用，就是在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。

（4）码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）

基本原理：码分多址是采用地址码和时间、频率共同区分信道的方式。

主要特征：每个用户具有特定的地址码，而地址码之间相互具有正交性，因此各用户信息的发射信号在频率、时间和空间上都可能重叠，从而使有限的频率资源得到利用。

（5）空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）

基本原理：空分多址将空间分隔构成不同的信道，从而实现频率的重复使用，达到信道增容的目的。

例如，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域，地面上不同地区的地球站在同一时间，即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。

主要特征：系统能够在每条空间信道上发送和接收信号，从而使这些信道成为双向信道。

1.1.5 数据交换技术

（1）电路交换：根据电话交换原理，当用户要发送信息时，由源交换机根据信息要到达的目的地址，把线路接到目的交换机，线路接通后，形成一条端对端的信息通路，在这条通路上双方即可进行通信，通信完毕，由通信双方的某一方向自己所属的交换机发出拆除线路的要求，交换机收到此信号后就将此线路拆除，以供别的用户呼叫使用。

（2）报文交换：为了获得较好的信道利用率，出现了存储-转发的想法，这种交换方式就是报文交换。

基本原理：用户之间进行数据传输，主叫用户不需要先建立呼叫，而先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址，所以每条路由不是固定分配给某一个用户的，而是由多个用户进行统计复用。

报文交换与邮寄信件的过程很类似，信（报文）邮寄出去时，写好目的地址，就交给邮局（通信子网），至于信如何分发、走哪条路，信源节点都不管，完全交给邮局处理。

优点：线路效率较高；不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前暂时存储这个报文；在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫；而在报文交换网络上，却仍然可以接收报文，但传送延迟会增加；报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。

缺点：不能满足实时或交互式的通信要求，经过网络的延迟相当长，而且有相当大的变化；另外，报文交换中，若报文较长，也需要较大容量的存储器，将报文放到外存储器中去时，会造成响应时间过长，增加网络延迟时间。

应用领域：电子邮箱。

（3）分组交换：分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成长度一定的多个部分，每个部分叫作一个分组。

分组交换与报文交换都是采用存储-转发的交换方式。二者主要区别是，报文交换时报文的长度不限且可变，而分组交换的报文长度不变。

分组交换通常有两种方式：数据包方式和虚电路方式。

分组交换的主要特点：线路利用率高；不同种类的终端可以相互通信；信息传输可靠性高；分组多路通信。

（4）信元交换：信元交换又叫作异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM），是一种面向连接的快速分组交换技术，它是通过建立虚电路来进行数据传输的。

主要特点：ATM采用固定长度的信元作为数据传送的基本单位，信元长度为53字节（信元头为5字节，数据为48字节）；ATM采用统计时分复用方式来进行数据传输，根据各种业务的统计特性，在保证服务质量（Quality of Service，QoS）要求的前提下，各个业务之间动态地分配网络带宽。

1.2 计算机网络简介

1.2.1 计算机网络的概念

计算机网络：就是把分布在不同地理区域的计算机与专用外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的计算机应用系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。

计算机网络涉及3个方面的问题：至少有两台计算机设备；通信设备与线路介质；网络软件，是指通信协议和网络操作系统。

1.2.2 计算机网络的分类

按照网络覆盖范围大小不同，计算机网络可以分为局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）、广域网（Wide Area Network，WAN）。

按照网络拓扑来划分，计算机网络可以分为环形网、星形网、总线网。

按照通信介质来划分，可以分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、微波网、卫星网、红外线网。

按照信号频带占用方式来划分，可以分为基带网、宽带网。

局域网：是指在较小的地理范围内（一般小于10km）由计算机、通信线路（一般为双绞线）和网络连接设备（一般为集线器和交换机）组成的网络。

城域网：是指在一个城市范围内（一般小于100km）由计算机、通信线路（包括有限介质和无线介质）和网络连接设备（一般为集线器、交换机和路由器等）组成的网络。

广域网：比城域网范围大，是由多个局域网或城域网组成的网络。互联网是世界上最大的广域网。

1.2.3 计算机网络的构成

完成的计算机网络系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。

（1）网络硬件

网络硬件一般是指计算机设备、传输介质和网络连接设备。

（2）网络软件

网络软件一般是指系统级的网络操作系统、网络通信协议和应用级的提供网络服务功能的专用软件。

网络操作系统：是用于管理网络的软、硬件资源，提供简单的网络管理系统软件。常见的网络操作系统有UNIX、Windows、Linux等。

网络通信协议：是网络中计算机交换信息时的约定，它规定了计算机在网络中互通信息的规则。互联网采用的协议是TCP/IP，该协议是目前应用最广泛的协议。

1.3 计算机网络硬件

1.3.1 计算机网络传输媒介

常用的网络传输媒介可分为两类，一类是有线的，一类是无线的。有线的传输媒介主要有同轴电缆、双绞线及光缆，无线传输媒介主要有微波、无线电、激光和红外线等。

（1）同轴电缆（Coaxial Cable）

同轴电缆中央是一根内导体铜质芯线，外面依次包有绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层和塑料保护外层。

同轴电缆绝缘效果佳，频带较宽，数据传输稳定，价格适中，性价比高。

按特性阻抗数值的不同，可分为50Ω基带同轴电缆和75Ω宽带同轴电缆。

50Ω基带同轴电缆：用于传输基带数字信号，是早起局域网的主要传输媒介。

75Ω宽带同轴电缆：是有线电视系统CATV重的标准传输电缆，在这种电缆上传输的信号采用了频分复用的宽带模拟信号。

（2）双绞线（Twisted-Pair）

双绞线是由两条导线按一定扭矩相互绞合在一起形成的类似于电话线的传输媒介，每根线加绝缘层并用颜色来标记。

成对的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。

使用双绞线组网，双绞线与网卡、双绞线与集线器的接口较RJ-45，俗称水晶头。

双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

屏蔽双绞线（STP）：抗干扰性比UTP双绞线强，但价格要贵很多，抗阻值通常为15Ω。

非屏蔽双绞线（UTP）：抗阻值通常为100Ω，中心芯线24AWG（直径为0.5mm），每条双绞线最大传输距离为100m。

双绞线与RJ-45接头的连接需要4根导线通信，两条用于发送数据，两条用于接收数据。

RJ-45制作有两种标准，即EIA/TIA T568A标准和EIA/TIA T568B标准。

双绞线的制作方法有两种：一是直通线，即双绞线的两个接头都按T568B线序标准连接；二是交叉线，即双绞线的一个接头按T568A线序连接，另一个接头按T568B线序连接。

（3）光纤

根据光在光纤中的传播方式，光纤有多模光纤和单模光纤两种类型。

多模光纤：纤芯直径较大，可为61.5μm或50μm；包层外径通常为125μm。

多模光纤根据其包层的折射率可分为突变型折射率和渐变型折射率。

单模光纤：纤芯直径较小，一般为9-10μm；包层外径通常为125μm。

（4）无线传输

无线传输主要分为无线电、微波、红外线及可见光几个波段，紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz-300GHz，但主要使用2GHz-40GHz的频率范围。

微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

卫星通信：是在地球站之间利用利用位于36000km高空的同步卫星作为终极的一种微波接力通信。每颗卫星覆盖范围大18000km，通常在赤道上空等距离地放置3颗相隔120°的卫星，就可覆盖全球。

卫星通信具有频带宽、干扰少、容量大、质量好、通信距离远等优点；缺点是传输时延长。

1.3.2 计算机网络互联设备

（1）中继器（Repeater）

在同一种网络中，每一网段的传输媒介均有最大的传输距离。

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，不需要进行信息包的转换，中继器连接的两个网络在逻辑上是同一个网络。

中继器的优点：安装简单、使用方便、价格相对低廉。不仅起到扩展网络距离的作用，还可以将不同传输媒介的网络连接在一起。中继器工作在物理层，对于高层协议完全透明。

（2）集线器（Hub）

集线器是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。

集线器是对网络进行集中管理的最小单元。

同一时间只允许一个端口发送或接收数据。

（3）网桥（Bridge）

扩展局域网最常见的方法是使用网桥。

使用网桥可以带来的好处：一是过滤通信量；二是扩大了物理范围；三是可使用不同的物理层，可互连不同的局域网；四是提高了可靠性。

（4）交换机（Switch）

交换机采用电话交换机的原理，它可以让多对端口同时发送或接收数据，每一个端口独占整个带宽，从而大幅度提高了网络的传输速率。

（5）路由器（Router）

当两个不同类型的网络彼此相连时，必须使用路由器。

路由器智能性更强，不仅具有传输能力，而且有路径选择能力，比较适合于大型、复杂的网络连接。

（6）网关（Gateway）

当连接两个完全不同结构的网络时，必须使用网关。

网关不能完全归为一种网络硬件，它们应该是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。

常见的网关有以下几种：电子邮件网关；IBM主机网关；互联网网关；局域网网关。

1.3.3 计算机网络接入技术

终端远程接入局域网、局域网与局域网互联或局域网接入广域网，必须借助公共传输网络。

目前，提供公共传输网络服务的单位主要是电信部门。

（1）公共交换电话网（PSTN）

公共交换电话网（public Switched telephone network，PSTN）是基于标准电话线路的电路交换服务，是一种早期的网络传输服务。

（2）X.25分组交换网

X.25是CCITT制定的公用数据网上供分组型终端使用的，数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的接口协议。

X.25只是一个以虚电路服务为基础的对公用分组交换网接口的规格说明。

（3）数字数据网（DDN）

数字数据网（digital data network，DDN）是利用数字通道提供半永久性连续电路，向用户提供端到端的中高速率、高质量的数字专业电路，全程实现数字信号透明传输的数据传输网。

（4）帧中继（FR）

帧中继（frame relay，FR）是为了克服传统X.25的缺点，提高其性能而发展出来的一种高速分组交换与传输技术。

（5）数字用户线（xDSL）

数字用户线（x digital subscriber line，xDSL）就是利用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造而成的，能够承载宽带业务。

常见的有非对称数字用户线（ADSL）、高速数字用户线（HDSL）、单对数字用户线（SDSL）、和甚高速数字用户线（VDSL）。HDSL和SDSL提供对称带宽传输，即双向传输带宽相同；ADSL和VDSL提供非对称带宽传输，用户向接入设备传输的带宽远远低于接入设备向用户传输的带宽。

xDSL技术的最大特点：是使用电信部门已经铺设的双绞线作为传输线路提供高带宽传输速率（64kb/s~52Mb/s）。

数字用户线路的主要用途是作为接入线路，把用户网络连接到公共交换网络。

（6）宽带网接入

宽带网实际上的名称叫作“IP城域网”，这是目前较流行的一种接入方式。

IP城域网的接入方式目前一般分为LAN接入（网线）和FTTx接入（光纤）。

LAN接入：是指从城域网的节点经过交换器和集线器将网线直接拉到用户的家里，它的优势在于LAN技术成熟，网线及中间设备的价格比较便宜，同时可以实现10~100Mb/s的平滑过渡。

FTTx接入：是指光纤直接拉到用户的家里，即光纤到户（FTTH）或光纤到桌面（FTTD）。

（7）HFC和Cable MODEM

HFC（hybrid fiber coaxial）网是指光纤同轴电缆混合网，它是一种新型的宽带网络，采用光纤到服务区，而在进入用户的“最后一公里”采用同轴电缆。最常见的就是有线电视网络。

Cable MODEM可称为电缆调制解调器或线缆调制解调器，是一种将数据终端设备连接到有线电视网的设备。

（8）本地多点分配接入系统

本地多点分配接入系统（LMDS）是20世纪90年代发展起来的一种宽带无线点对多接入技术，能够在3~5km的范围内以点对多的形式进行广播信号传送。

LMDS是一种毫米波微波传输技术。支持双向话音、数据及视频图片业务，能够实现64kb/s~2Mb/s，甚至高达155Mb/s的用户接入速率，具有很高的可靠性，被称为是一种“无线光纤”技术。

（9）无源光网络

无源光网络（PON）是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式，上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树状、星形、总线等拓扑结构。

PON包括ATM-PON（即基于ATM的无源光网络）和EPON（基于以太网的无源光网络）两种

EPON不仅能综合现有的有线电视、数据和语音业务，还能兼容未来业务，如数字电视、VoIP、电视会议和VOD等，实现综合业务接入。

1.4 计算机网络协议

1.4.1 OSI体系结构

1.协议的概念

计算机网络协议就是通信的计算机双方必须共同遵从的一组约定，如怎样建立连接、怎样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信和交流。

网络协议由如下3个要素组成：

（1）语法：即控制信息或数据的结构和格式。

（2）语义：即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）同步：即事件实现顺序的详细说明。

2.开放系统互连参考模型系统结构

对于非常复杂的计算机网络而言，其结构最好是采用层次型的，根据这一特点，国际标准化组织ISO推出了开放系统互连参考模型（open systems interconnection reference model，OSI-RM）。该模型定义了不同计算机互连的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。

开放系统互连参考模型共分为7层。

中文名称	英文名称	英文缩写
应用层	application layer	A
表示层	presentation layer	P
会话层	session layer	S
传输层	transport layer	T
网络层	network layer	N
数据链路层	data link layer	DL
物理层	physical layer	PL

3.开放系统互连参考模型各层的功能

名称	介绍	传输的数据单位
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，不考虑信息的意义和信息的结构。	位（bit）
数据链路层	数据链路层实现实体间数据的可靠传送，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。	帧（frame）
网络层	网络层也称为通信子网层，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。主要任务是提供路由，为信息包的传送选择一条最佳路径。	包（package）
传输层	传输层建立在网络层和会话层之间，是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层，是整个分层体系协议的核心。
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，是用户连接到网络的接口，基本任务是负责两主机间的原始报文的传输。
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。表示层要完成特定的功能，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，对数据进行加密和解密。
应用层	应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件传输、事务处理等服务，包含若干个独立的、用户通用的服务协议模块。

1.4.2 TCP/IP协议

什么是TCP/IP

TCP/IP是为了使接入互联网的异种网络、不同设备之间能够进行正常的数据通信而预先制定的一簇大家共同遵守的格式和约定。这个协议集中，两个最知名的协议就是传输控制协议（transfer control protocol，TCP）和网际协议（Internet protocol，IP），故而整个协议集被称为TCP/IP。

TCP/IP协议包括：TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、及ARP等协议。

TCP/IP协议结构

TCP/IP协议分为4层，由下至上分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。

分层	协议
应用层	RPC SNMP TFTP SMTP FTP TELNET
传输层	UDP TCP
网际层	ICMP IP RARP ARP
网络接口层	Ethernet

TCP/IP与OSI-RM的关系

TCP/IP协议与开放系统互连参考模型之间的对应关系，TCP/IP协议的应用层对应了OSI模型的上三层，网络接口层对应了OSI模型的下两层。

IP数据包的格式

IP数据包的格式能够说明IP协议都具有什么功能。在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32位（即4字节）为单位来描述。

一个IP数据包由首部和数据两部分组成。首部由固定20个字节的基本首部和0~40字节可变长度的任选项组成。

（1）版本

版本占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议的版本必须一致。目前使用的IP协议版本为V4（IP version 4）。

（2）IHL

IHL为首部长度，占4位，可表示的最大数值是15个单位（一个单位为4字节），因此IP的首部长度最大值是60字节。

（3）服务类型

服务类型占8位，用来获得更好的服务。

字段的前3位表示有8种优先级，默认值000；

第4位是D位，表示要求有更低的时延；

第5位是T位，表示要求有更高的吞吐量；

第6位是R位，表示要求有更高的可靠性；

第7位是C位，是新增加的，表示要求选择费用更低廉的路由；

最后一位目前尚未使用。

（4）段总长度

段总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。段总长度字段为16位，数据包的最大长度为65535字节。

“总长度”不是指未分片前的数据包长度，而是指分片后每片的首部长度与数据长度的总和。

（5）标识符

标识符（identification）字段是为了使分片后的各数据包片最后准确地重装成为原来的数据包而设置的。

（6）标志

标志（flag）字段占3位，目前只有前两个比特有意义。

标志字段中的最低位记为MF（More Fragment），MF=1即表示后面还有分片的数据包，MF=0表示这已是若干数据包中的最后一个。

标志字段中间的一位记为DF（Don‘t Fragment），只有当DF=0时才允许分片。

（7）段偏置值

该值指出较长的分组在分片后，某个分片在原分组中的相对位置。也就是说，相对于用户数据字段的起点，该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。

（8）生存期

生存期（time to live，TTL），其单位为s。生存期的建议值是32 s，但也可设定为3~4 s，甚至为255 s。

（9）协议号

协议号字段占8位，作用是指出此数据包携带的传输层数据是使用何种协议，以便目的主机的IP层知道应将此数据包上交给哪个进程。

协议协议字段值
UDP 17
TCP 6
ICMP 1
GGP 3
EGP 8
IGP 0
OSPF 89
TP4 29
（10）首部校验和

此字段只校验数据包的首部，不包括数据部分。

（11）地址

源站IP地址字段和目的站IP地址字段都各占4字节。

协议	协议字段值
UDP	17
TCP	6
ICMP	1
GGP	3
EGP	8
IGP	0
OSPF	89
TP4	29

1.4.3 IP地址

什么是IP地址

接入互联网的计算机与接入电话网的电话相似，每台计算机或路由器都有一个由授权机构分配的号码，称为IP地址。

IP地址采用分层结构。IP地址由网络号与主机号两部分组成。

网络号：用来标识一个逻辑网络。

主机号：用来标识网络中的一台主机。

网络号相同的主机可以直接互相访问，网络号不同的主机需通过路由器才可以互相访问。

在表示IP地址时，将32位二进制码分为4个字节，每个字节转换成相应的十进制，字节之间用“."分隔。IP地址的这种表示法叫作“点分十进制表示法”。

IP地址的分类

TCP/IP协议规定，根据网络规模的大小，将IP地址分为5类（A、B、C、D、E）。

分类	定义	表示的网络号	范围	表示的主机号	适用范围
A类	第1个字节用作网络号，且最高位为0	2^7-2=126个	1.0.0.1~126.255.255.254	2^24-2=1600万	大型网络
B类	前2个字节用作网络号，且最高位为10	2^14-2=16382个	128.0.0.1~191.255.255.254	2^16-2=6万	中等规模网络
C类	前3个字节用作网络号，且最高位为110	2^21-2=200万个	192.0.0.1~223.255.255.254	2^8-2=254	小型网络
D类	最高位为1110，是多播地址		主要留给Internet体系结构委员会（Internet Architecture Board，IAB）使用
E类	最高位为1110		保留在今后使用

子网掩码

为了使本单位的主机便于管理，可以将本单位所属主机划分为若干个子网（subnet），用IP地址主机号字段中的前若干个比特作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机号字段。

判断两个地址是否是一个子网的基本方法是将两个IP地址分别和子网掩码做二进制“与”运算，如果得到的结果相同，则属于同一个子网，如果结果不同，则不属于同一个子网。
可变长子网掩码

虽然可变长子网掩码（Variable Length Subnetwork Mask，VLSM）是对网络编址的有益补充，但是还存在着一些缺陷。

为了解决这个问题，避免任何可能得地址浪费，就出现了VLSM编址方案，即在IP地址后面加上“/比特数”来表示子网掩码中“1”的个数。
CIDR技术

CIDR技术解决了路由缩放问题。所谓路由缩放问题有两层含义，其一是对于大多数中等规模的组织没有适合的地址空间，这样的组织一般拥有几千台主机，C类网络太小，只有254个地址，B类网络太大，有超过65000个地址；其二是路由表增长太快，如果所有C类网络号都在路由表中占一行，这样的路由表太大了，其查找速度将无法达到满意的程度。CIDR技术就是解决这两个问题，它可以把若干个C类网络分配给一个用户，并且在路由表中只占一行，这是一种将大块的地址空间合并为少量路由信息的策略。

路由发布遵循“最大匹配”的原则，要包含所有可以到达的主机地址。

特殊的IP地址

类型	定义	作用	地址范围
本地回环地址	本地回环地址也叫本地环路地址，网络号位127的A类地址	用于网络软件测试以及本地进程间的通信，这叫作回送地址（loopback address）
私网地址	在IP地址空间中保留了几个用于私有网络的地址	通常应用于公司、组织和个人网络。	A类：10.0.0.0~10.255.255.255 B类：172.16.0.0~172.31.255.255 C类：192.168.0.0~192.168.255.255
自动专用IP地址	APIPA是因特网赋号管理局（IANA）保留的一个地址块	在找不到DHCP服务器的情况下，计算机会在169.254.0.0~169.254.255.255中间自动选择IP地址

1.4.4 域名地址

域名的概念

在网络上辨别一台计算机的方式是利用IP地址，但是一组IP地址数字很不容易记忆，因此可以为网上的服务器取一个有意义且又容易记忆的名字，这个名字叫域名（Domain Name）。

由于在互联网上真正区分机器的还是IP地址，所以当使用者输入域名后，浏览器必须要先去一台有域名和IP地址相互对应的数据库的主机中去查询这台计算机的IP地址，而这台被查询的主机称为域名服务器（Domain Name Server，DNS）。

域名的结构

一台主机的主机名由它所属各级域的域名和分配给该主机的名字共同构成。书写的时候，应按照由小到大的顺序，顶级域名放在最右面，分配给主机的名字放在最左面，各级名字之间用“.”隔开。

组织模式顶级域名	含义	地理模式顶级域名	含义
com	商业组织	cn	中国
edu	教育机构	hk	中国香港
gov	政府部门	mo	中国澳门
mil	军事部门	tw	中国台湾
net	主要网络支持中心	us	美国
org	上述以外的组织	uk	英国
int	国际组织	jp	日本

互联网的域名由互联网网络协会负责网络地址分配的委员会进行登记和管理。

全世界现有3个大的网络信息中心，INTER-NIC负责美国及其他地区；RIPE-NIC负责欧洲地区；APNIC负责亚太地区。

中国互联网信息中心（China Internet Network Information Center，CNNIC）负责管理我国的顶级域名cn，负责为我国的网络服务商（ISP）和网络用户提供IP地址、自治系统AS号码和中文域名的分配管理服务。

域名地址的寻址

域名地址结构本身是分级的，所以域名服务器也是分级的。

域名服务器实际上一个数据库，它存储着一定范围内主机和网络的域名及相应IP地址的对应关系。

1.4.5 IPv6简介

IPv6的来源

IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题。

IPv6采用分级地址模式、高效IP包首部、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。
IPv6数据包的格式

IPv6数据包有一个40字节的基本首部，其后可允许有0个或多个扩展首部，再后面是数据。

（1）版本

版本（version）字段占4位，它说明了IP协议的版本。对IPv6而言，该字段值是0110，也就是十进制数的6。

（2）通信类型

该字段占8位，其中优先级（priority）字段占4位。IPv6把流分成两大类，即可进行拥塞控制的和不可进行拥塞控制的。

（3）流标号

流标号（flow label）字段占20位。源站在建立流时是在2^24-1个流标号中随机选择一个流标号。流标号0保留用于指出没有采用的流标号。

（4）净负荷长度

净负荷长度（payload length）字段占16位，此字段指明除首部自身的长度外，IPv6数据包所载的字节数。一个IPv6数据包可容纳64KB长的数据。

（5）下一个首部

下一个首部（next header）字段占8位，这个字段指明在基本首部后面紧接着的一个首部的类型。

（6）跳数限制

跳数限制（hop limit）字段占8位，用于防止数据包在网络中无限期地存在。

（7）源站IP地址

该字段占128位，是此数据包的发送站的IP地址。

（8）目的站IP地址

该字段占128位，是此数据包的接收站的IP地址。
IPv6的地址表示

一般来讲，一个IPv6数据包的目的地址可以是以下3中基本类型之一。

单播：传统的点对点通信。

多播：一点对多点的通信。IPv6没有采用广播的术语，而是将广播看作多播的一个特例。

任播：是IPv6增加的一种类型，目的站是一组计算机，但数据包在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。

IPv6使用冒号十六进制记法，它把每个16bit用相应的十六进制表示，各组之间用冒号分隔。

例如：686E : 8C64 : FFFF : FFFF : 0 : 1180 : 96A : FFF

冒号十六进制记法允许零压缩，即一连串连续的0可以用一对冒号所取代。

为了保证零压缩有一个清晰的解释，建议中规定，在任一地址中，只能使用一次零压缩。

例如：FF05 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : B3 可以写成 FF05 : : B3