网络基础知识

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本章考点:

  • 网络体系结构(网络拓扑、OSI/RM、基本的网络协议)
  • 传输介质、传输技术、传输方式和传输控制
  • 常用的网络设备和各类通信设备
  • Client/Server结构、Browser/Server结构、Brower/Web/DataBase结构
  • LAN拓扑、存取控制、LAN的组网、LAN间连接、LAN-WAN连接
  • 因特网基础知识及应用
  • 网络组建和管理

计算机网络是由多台计算机组成的系统,与传统的单机系统、多机系统相比有很大的区别,计算机网络的结构、功能、组成以及实现技术更复杂,维护起来难度更大。本篇文章主要从以下7个方面展开介绍。

计算机网络的概念

计算机网络是计算机技术与通信技术日益发展和密切结合的产物,它的发展过程大致可以划分为如下4个阶段:

  • 具有通信功能的单机系统
  • 具有通信功能的多机系统
  • 以共享资源为目的的计算机网络
  • 以局域网及因特网为支撑环境的分布式计算机系统

计算机的功能

  • 数据通信
  • 资源共享
  • 负载均衡
  • 高可靠性

计算机网络的分类

计算机网络的分类方式有很多,按照不同的分类原则,可以得到各种不同类型的计算机网络。例如,

按通信距离可分为广域网、局域网和城域网;

按信息交换方式可分为电路交换网、分组交换网和综合交换网;

按网络拓扑结构可分为星型网、树型网、环形网和总线网;

按通信介质可分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网和卫星网;

按传输带宽可分为基带网和宽带网;

按使用范围可分为公用网和专用网;

按速率可分为:高速网、中速网、低速网;

按通信传播方式可分为广播式和点到点式;

网络的拓扑结构

  • 总线型结构
  • 星型结构
  • 环型结构
  • 树型机构
  • 分布式结构

网络硬件基础

网络设备

网络传输介质

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
  • 微波
  • 红外线和激光
  • 卫星通信

ISO/OSI网络体系结构

计算机网络是相当复杂的系统,相互通信的两个计算机系统必须高度协调才能正常工作。为了设计这样复杂的计算机网络,人们提出了将网络分层的方法。分层可将庞大而复杂的问题转换为若干较小的局部问题进行处理,从而使问题简单化。

国际标准化组织在 1997 年成立了一个分委员会专门研究网络通信的体系结构问题,并提出了开放系统互联参考模型,它是一个定义异种计算机连接标准的框架结构。OSI 为连接分布式应用的“开放”系统提供了基础。所谓“开放”,是指任何两个系统只要遵循参考模型和有关标准就能够进行互连。OSI 采用了层次化结构的构造技术。

ISO/OSI的参考模型,由低层至高层分别为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI 参考模型具有以下特性。

OSI/RM 中的 1~3 层主要负责通信功能,一般称为通信子网层。上三层属于资源子网的功能范畴,称为资源子网层。传输层起衔接上、下三层的作用。对各层的说明如下。

  • 物理层:解决如何在连接个各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。

    物理层的主要腾武描述为:确定传输媒体的接口的一些特性,即: 在这一层,数据还没有被组织,仅作为原始的位流或电气电压处理,单位是位。

  • 数据链路层:负责两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧位单位的数据,并进行流量控制。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似,数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路层的连接。在传送数据时,如果接收点检测到所传数据中有差错,就要通知发送方重发这一帧。

  • 网络层:为传输层实体提供端到端的交换网络数据功能,使得传输层摆脱路由选择、交换方式和拥挤控制等网络传输细节;可以为传输层实体建立、维持和拆除一条或多条通信路径;对网络传输中发生的不可恢复的差错予以报告。

    在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路,也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换节点,确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包,包中封装有网络层包头,其中含有逻辑地址信息,即源站点和目的站点的网络地址。

  • 传输层:为会话层实体提供透明、可靠的数据传输服务,保证端到端的数据完整性;选择网络层能提供最适宜的服务;提供建立、维护和拆除传输连接功能。传输层根据通信子网的特性最佳地利用网络资源,为两个端系统(也就是源站和目的站)的会话层之间提供建立、维护和取消传输连接的功能,并以可靠的经济的方式传输数据。在这一层,信息的传送单位是报文。

  • 会话层:为彼此合作的表示层实体提供建立、维护和结束会话的功能;完成通信进程的逻辑名字与物理名字间的对应;提供会话管理服务。

    这一层也可以称为会话层或对话层,在会话层及以上的高层中,数据传送的单位不再另外命名,统称为报文。会话层不参与具体的传输,它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。力图服务器验证用户登录便是由会话层完成的。

  • 表示层:为应用层进程提供能解释所交换信息含义的一组服务,即将要交换的数据从适合某一用户的抽象语法转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法;提供格式化的表示和转换数据服务。(数据的压缩、解压缩、加密和解密等工作都由表示层负责)。

  • 应用层提供 OSI 用户服务,即确定进程之间通信的性质,以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务,例如,事务处理程序、电子邮件和网络管理程序等。

参考模型的信息流向

如下图所示,设 A 系统的用户要向 B 系统的用户传送数据。A 系统用户的数据先送入应用层,该层给它附加控制信息 AH (头标)后,送入表示层。表示层对数据进行必要的变换并加头标 PH 后送入会话层。会话层也加头标 SH 送入传输层。传输层将长报文分段并加头标 TH 送至网络层。网络层将信息变成报文分组,并加组号 NH 送数据链路层。数据链路层将信息加上头标和尾标(DH 及 DT)变成帧,经物理层按位发送到对方(B 系统)。B 系统接收到信息后,按照与 A 系统相反的动作,层层剥去控制信息,最后把原数据传送给 B 系统的用户。可见,两系统中只有物理层是实通信,其余各层均为虚通信。因此,下图中只有两物理层之间有物理连接,其余各层均无连接。

网络的协议和标准

网络的标准

电信标准
国际标准
Internet标准

Internet标准的特点是自发而非政府干预的,管理松散,每个分网络均由各自分别管理,目前组成了一个民间性质的协会ISOC(Internet Society) 进行必要的协调与管理,有一个网络信息中心(NIC)来管理IP地址,保证注册地址的唯一性,并为用户提供一些文件,介绍可用的服务。ISOC没有Internet总体管理机构结构(IAB)。

1969年,在ARPANET时代就开始发布请求评注,至今已超过3000个。

局域网协议

一个局域网的基本组成主要由网络服务器、网络工作站、网络适配器和传输介质。这些设备在特定网络软件支持下完成特定的功能。

  • LAN模型
  • 以太网(IEEE 802.3标准)
  • 令牌环网(IEEE 802.5)
  • FDDI

广域网协议

  • 点对点协议

主要用于拨号上网这种广域连接模式,优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等

  • 数字用户线

  • 数字专线

  • X.25协议

TCP/IP协议簇

TCP/IP包含许多重要的基本特性,主要表现在5个方面:逻辑编址、路由选择、域名解析、错误检测 和流量控制以及应用程序的支持等。

  • 逻辑编址。每一块网卡在出厂时就由厂家分配了一个独一无二的永久性的物理地址。在Internet中,为每台连入因特网的计算机分配一个逻辑地址,这个逻辑地址被称为IP地址。

一个IP地址可以包括一个网络ID号,用来标识网络;一个子网络ID号,用来标识网络上的一个子网;另外,还有一个主机ID号,用来标识子网络ID号,用来标识网络上的一个子网;另外还有一个主机ID号,用来标识子网络的一台计算机。这样,通过这个分配给某台计算机的IP地址,就可以很快滴找到相应的计算机。

  • 路由选择

在TCP/IP中包含了专门用于定义路由器如何选择网络路径的协议,即IP数据包的路由选择。

  • 域名解析 虽然TCP/IP采用的是32位的IP地址,但考虑用户的记忆方便,称为域名或DNS(域名服务)名字。将域名映射为IP地址的操作,称为域名解析。域名具有较稳定的特点,而IP地址则较易发生改变。

  • 错误解析与流量控制

TCP/IP具有分组交换确保数据信息在网络上可靠传递的特性,这些特性包含检测数据信息的传输错误(保证到达目的地的数据信息没有发生),确认已传递的数据信息已被成功地接收,监测网络系统中的信息流量,防止出现网络拥塞。

TCP/IP分层模型

协议是的对数据在计算机或设备之间传输时的表示方法进行定义和描述的标准。协议规定了进行传输、检测错误以及传送确认信息等内容。TCP/IP是个协议簇,它包含了多种协议。ISO/OSI模型、TCP/IP对数据的分层模型及协议的对比如下图:

TCP/IP分层模型由4个层次构成,即应用层、传输层、网际层和网络接口层,各层的功能简述如下

网络接口层协议
网际层协议IP
ARP和RARP

地址解析协议及反地址解析协议(RARP)是驻留在网际层中的另一个重要协议。

ARP:将IP地址转换为物理地址;

RARP:将物理地址转换为IP地址

网际层协议 ICMP
传输层协议TCP

TCP(传输控制协议),是整个TCP/IP协议族中最重要的协议之一。它在IP提供的不可靠数据服务的基础上,为应用程序提供了一个可靠的、面向连接的全双工的数据传输服务。

TCP是如何实现可靠性呢?采用了重发技术。

传输层协议UDP

用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)是一种不可靠的、无连接的协议,可以保证应用程序进程间的通信。与TCP相比较,UDP是一种无连接的协议,它的错误检测功能要弱很多。TCP有助于提供可靠性;而UDP有助于提高传输的高速率性。

应用层协议

子网划分和子网掩码

参考: