计算机网络

1 定义

资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。

利用通信线路和网络设备，将位于不同地理位置的且具有独立功能的计算机连接起来，在网络软件的支持下，实现计算机的分布与协同工作，进行信息交换和软、硬件资源共享。

主要功能

分类

按网络传输技术进行分类

·广播式网络（broadcast networks）

·点对点式网络（point-to-point networks）

按覆盖的地理范围

·局域网（local area network，LAN）

·城域网（metropolitan area network，MAN）

·广域网（wide area network，WAN）

随着微型计算机的广泛应用，大量的微型计算机是通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互连是通过路由器实现的。

2 网络体系结构与网络协议

目的：使不同体系结构的计算机网络都能互连。

OSI参考模型

五层结构

OSI/RM把网络的功能分为7层，TCP/IP分为4层。 7层结构概念清楚，比较完善；4层结构的网络接口层没有具体的规定。因此从方便学习计算机网络的角度，人们构造出了一个五层结构。

五层协议的体系结构

应用层：直接为用户提供服务。如实现两台计算机间的文件传输等。

传输层：负责为两个主机中进程间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此传输层需要具有复用和分用的功能。

网络层：当相距很远的计算机需要跨越多个通信结点进行通信时，网络层可为发送的数据分组选择一个合适的路径，使得其能准确快速的到达目的计算机。

数据链路层：负责把网络层交下来的数据报打包在一个数据帧中，发送给相邻的通信结点。

物理层：把数据链路层的数据帧的比特位，变换成可以在通信线路上发送的信号，发送给下一个相邻的通信结点。

物理层

物理层的主要功能：

利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；

实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；

物理层的数据传输单元是比特。

集线器（ Hub ） ：

它的主要功能与中继器类似，区别在于集线器能够提供多端口服务。

数据链路层

数据链路层最基本的服务是将源计算机网络层传来的数据可靠传输到相邻节点的目标计算机的网络层。传输单元是“帧”。

必须具备一系列相应的功能：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

交换机（ Switch ） ：交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

网络层

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。

网络层的主要功能：

提供面向连接和无连接的网络服务；

通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；

为数据在结点之间传输创建逻辑链路；

实现拥塞控制、网络互连等功能。

传输层

主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；有两种协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。两种协议各有特点，适用于不同的网络应用。传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。

应用层

应用层协议主要有：

远程登录协议Telnet

文件传输协议FTP

简单邮件传输协议SMTP

域名系统DNS

简单网络管理协议SNMP

超文本传输协议HTTP

3 局域网

局域网是美国施乐公司1975年研制成功，基本上是从20世纪70年代中期开始，应短距离高速度的通信要求发展起来的。

以太网Ethernet

局域网的地址标准是使用6个字节，称为物理地址，也称为Mac地址。

网桥

在有些情况下，一个单一的局域网往往不能胜任工作，如地理履盖范围超过了网络规定的总长度，两个不同的局域网为了共享资源需要互相连接起来，这时就需要用网桥。

网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥

网关

4 网络层

IP(Internet Protocol) 是TCP/IP协议体系中网络层的协议;

TCP/IP协议一共出现了6个版本，目前使用版本4，网络层IP协议记作IPv4 ；IP协议版本6记作IPv6，称为下一代的IP协议。

TCP/IP协议的网络层使用的地址标识符叫做 IP地址；是一个32位的二进制地址；

网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址；

在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址；

如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络，那么它可以拥有两个或多个IP地址。

连接到每个局域网的计算机都有一个MAC地址，即物理地址；物理地址是数据链路层地址，用来标识接入局域网的一台主机；

IP地址是网络层的地址，主要用于路由器寻址，通过软件设置，因此也称为逻辑地址。

IP地址结构

IP地址采用分层结构；

IP地址是由网络号（net ID）与主机号（host ID）两部分组成的。

子网掩码

三级层次的IP地址：net ID - subnet ID - host ID

划分子网就是将一个大网分成几个较小的网络。子网之间的距离必须很近。

分配子网是一个组织和单位内部的事，既不要向ICANN申请，也不需要改变任何外部的数据库;

全局IP地址与专用IP地址

全局IP地址是分组在互联网上传输时使用的IP地址;

专用IP地址只能用于一个机构、公司的内部网络，而不能用于互联网上;

全局IP地址需要申请，而专用IP地址不需要申请。

NAT

NAT (Network Address Translation，网络地址转换) 将IP 数据包头中的IP 地址转换为另一个IP 地址的过程。

在实际应用中，NAT 主要用于实现私有网络访问公共网络的功能。这种通过使用少量的公有IP 地址代表较多的私有IP 地址的方式，将有助于减缓可用IP地址空间的枯竭。

路由器功能

1、建立并维护路由表

内部有路由表数据库与网络路由状态数据库；

路由器定期更新路由表；

2、提供网络间的分组转发功能

当分组进入时，检查其源地址与目的地址；

根据路由表数据库的相关信息，决定分组传送路径。

ICMP协议

ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet 控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。

ICMP设计的初衷是IP协议在执行过程中的出错报告。它不能纠正差错，只是报告差错，差错处理需要由高层协议完成。

ICMP报文分为：差错报告报文和查询报文。

5 传输层

直接相连的节点对等实体的通信叫点到点通信；端到端通信建立在点到点通信的基础之上，它是由一段段的点到点通信信道构成的。

端口port：0～65535之间的整数

6 应用层

各层的协议：

传输层与应用层的协议关系：

动态主机配置协议DHCP

对于TCP/IP网络，将一台主机接入互联网必须配置以下参数：

主机使用的IP地址与地址掩码；本地网络的默认路由器地址；为主机提供特定服务(DNS、E-mail) 的服务器地址；本地网络的最大传输单元MTU长度值；IP分组的生存时间TTL值。

动态主机配置协议( Dynamic host configuration protocol, DHCP) 可以为主机自动分配IP地址及其他一些重要的参数。