1、第三章 計算機網絡技術基礎一、教學目標：1. 掌握幾種常見網絡拓撲結構的原理及其特點2. 掌握 ISO/OSI 網絡參考模型及各層的主要功能3. 掌握共享介質方式的 CSMA/CD 和令牌傳遞兩種數據傳輸控制方式的基 本原理4. 了解幾種常見的網絡類型5. 掌握 TCP/IP 協議的層次結構及各層上協議的基本功能6. 了解幾種典型的廣域網技術二、教學重點、難點網絡拓撲結構、 OSI 七層模型、 TCP/IP 協議模型三、技能培訓重點、難點練習計算機網絡的配置協議四、教學方法 教師講解、演示，學生認真學習并思考、記憶；教師講授與學生理解協調并 重的教學法五、教具使用計算機一臺、多媒體幻燈片演示六

2、、教學內容與過程導入：提問學生對 OSI 的七層模型和 TCP/IP 四層模型的理解。 引導學生總結重要原理并認真加以研究。 教師總結歸納本章重要原理的應用，進入教學課題。講授新課：（多媒體幻燈片演示或板書）第三章 計算機網絡技術基礎3.1 計算機網絡的拓撲結構3.1.1 什么是計算機網絡的拓撲結構 網絡拓撲是指網絡連接的形狀， 或者是網絡在物理上的連通性。 網絡拓撲結構能夠反映各類結構的基本特征，即不考慮網絡節 點的具體組成，也不管它們之間通信線路的具體類型，把網絡節點 畫作 “點”，把它們之間的通信線路畫作 “線”，這樣畫出的圖形就是網 絡的拓撲結構圖。不同的拓撲結構其信道訪問技術、網絡性

3、能、設備開銷等各不 相同，分別適應于不同場合。它影響著整個網絡的設計、功能、可 靠性和通信費用等方面，是研究計算機網絡的主要環節之一。計算機網絡的拓撲結構主要是指通信子網的拓撲結構，常見的 一般分為以下幾種：1. 總線型2. 星型3. 環型4. 樹型5. 網狀型3.1.2 總線型拓撲結構總線結構中， 各節點通過一個或多個通信線路與公共總線連接。總線型結構簡單、擴展容易。網絡中任何節點的故障都不會 造成全網的故障，可靠性較高。總線型結構是從多機系統的總線互聯結構演變而來的，又可 分為單總線結構和多總線結構， 常用 CSMA/CD 和令牌總線訪問控 制方式。總線型結構的缺點：（1）故障診斷困難（2

4、）故障隔離困難（3）中繼器等配置（4）實時性不強3.1.3 星型拓撲結構星型的中心節點是主節點， 它接收各分散節點的信息再轉發給相應節點， 具有中繼交換和數據處理功能。 星型網的結構簡單，建網容易，但可靠性差，中心節點是網絡的瓶頸，一旦出現故障則全網癱瘓。星型拓撲結構的訪問采用集中式控制策略，采用星型拓撲的交換方式有電路交換和報文交換。星型拓撲結構的優點：（1）方便服務（2）每個連接只接一個設備（3）集中控制和便于故障診斷（4）簡單的訪問協議星型拓撲結構的缺點：（1）電纜長度和安裝（2）擴展困難（3）依賴于中央節點3.1.4 環型拓撲結構網絡中節點計算機連成環型就成為環型網絡。環路上，信息單向

5、從一個節點傳送到另一個節點，傳送路徑固定，沒有路徑選擇問題。環型網絡實現簡單，適應傳輸信息量不大的場合。任何 節點的故障均導致環路不能正常工作，可靠性較差。 環型網絡常使用令牌環來決定哪個節點可以訪問通信系統。 環型拓撲結構的優點：（1）電纜長度短（2）適用于光纖（3）網絡的實時性好環型拓撲結構的缺點：（1）網絡擴展配置困難（2）節點故障引起全網故障（ 3）故障診斷困難（4）拓撲結構影響訪問協議3.1.5 其他類型拓撲結構1. 樹型拓撲結構樹型網絡是分層結構， 適用于分級管理和控制系統。 網絡中， 除葉節點及其聯機外，任一節點或聯機的故障均只影響其所在支 路網絡的正常工作。2. 星型環型拓撲結

6、構3.1.6 拓撲結構的選擇原則 拓撲結構的選擇往往和傳輸介質的選擇和介質訪問控制方 法的確定緊密相關。選擇拓撲結構時，應該考慮的主要因素有以 下幾點：（1）服務可靠性（2）網絡可擴充性（3）組網費用高低（或性能價格比）。3.2 ISO/OSI 網絡參考模型建立分層結構的原因和意義： 建立計算機網絡的根本目的是實現數據通信和資源共享，而通 信則是實現所有網絡功能的基礎和關鍵。對于網絡的廣泛實施，國 際標準化組織 ISO （ International Standard Organization ），經過多 年研究，在 1983 年提出了開放系統互聯參考模型 OSI/RM （Reference

7、Model of Open System Interconnection ），這是一個 定義連接異種計算機的標準主體結構，給網絡設計者提供了一個參 考規范。OSI參考模型的層次OSI參考模型共有七層，由低到高分別是：物理層、數據鏈路層、 網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。1. OSI參考模型的特性（1 ）是一種將異構系統互聯的分層結構；（2）提供了控制互聯系統交互規則的標準骨架；（3）定義了一種抽象結構，而并非具體實現的描述；（4）不同系統上的相同層的實體稱為同等層實體；（5）同等層實體之間的通信由該層的協議管理；（6）相鄰層間的接口定義了原語操作和低層向上層提供的服務；（7）所提供的公

8、共服務是面向連接的或無連接的數據服務；（8）直接的數據傳送僅在最低層實現；（9）每層完成所定義的功能，修改本層的功能并不影響其它層。2 有關OSI參考模型的技術術語在OSI參考模型中，每一層的真正功能是為其上一層提供服務。 在對這些功能或服務過程以及協議的描述中，經常使用如下一些技 術術語：（1）數據單元 服務數據單元 SDU（Service Data Unit ） 協議數據單元 PDU （Protocol Data Unit ） 接口數據單元 IDU（Interface Data Unit ） 服務訪問點 SAP（ Service Access Point ） 服務原語（ Primitive

9、 ）（ 2 ）面向連接和無連接的服務 下層能夠向上層提供的服務有兩種基本形式：面向連接和無連 接的服務。面向連接的服務是在數據傳輸之前先建立連接，主要過程是： 建立連接、進行數據傳送，拆除鏈路。面向連接的服務，又稱為虛 電路服務。無連接服務沒有建立和拆除鏈路的過程，一般也不采用可靠方 式傳送。不可靠（無確認）的無連接服務又稱為數據報服務。3.2.1 物理層物理層是OSI模型的最低層，其任務是實現物理上互連系統間的 信息傳輸。1. 物理層必須具備以下功能（1）物理連接的建立、維持與釋放（2）物理層服務數據單元傳輸（3）物理層管理。2. 媒體和互聯設備 物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無

10、線信道等； 通信用的互聯設備如各種插頭、插座等；局域網中的各種粗、 細同軸電纜，T型接/插頭，接收器，發送器，中繼器等都屬物理層 的媒體和連接器。3.2.2 數據鏈路層 數據鏈路可以粗略地理解為數據信道。數據鏈路層的任務是以物理層為基礎，為網絡層提供透明的、正確的和有效的傳輸線路， 通過數據鏈路協議，實施對二進制數據正確、可靠的傳輸。 數據鏈路的建立、拆除、對數據的檢錯、糾錯是數據鏈路層的基本 任務。1. 鏈路層的主要功能（1）鏈路管理（2）幀的裝配與分解（3）幀的同步（4）流量控制與順序控制（5）差錯控制（6）使接收端能區分數據和控制信息（7）透明傳輸（8）尋址2. 數據鏈路層的主要協議（1

11、）ISO1745-1975（2）ISO3309-1984（3）ISO77763. 鏈路層產品獨立的鏈路產品中最常見的是網卡，網橋也是鏈路產品。 數據鏈路層將本質上不可靠的傳輸媒介變成可靠的傳輸通路提供給網絡層。在 IEEE802 3情況下，數據鏈路層分成兩個子層：一 個是邏輯鏈路控制，另一個是媒體訪問控制。3.2.3 網絡層網絡層是通信子網與資源子網之間的接口，也是高、低層協議之間的接口層。網絡層的主要功能是路由選擇、流量控制、傳輸確認、中斷、差錯及故障的恢復等。當本地端與目的端不處于同一網 絡中，網絡層將處理這些差異。1.網絡層的主要功能（1）建立和拆除網絡連接（2）分段和組塊（3）有序傳輸

12、和流量控制（4）網絡連接多路復用（5）路由選擇和中繼（6）差錯的檢測和恢復（7）服務選擇2. 網絡層提供的服務OSI/RM 中規定，網絡層中提供無連接和面向連接兩種類型的服 務，也稱為數據報服務和虛電路服務。3. 路由選擇3.2.4 傳輸層傳輸層是資源子網與通信子網的接口和橋梁。傳輸層下面三層 （屬于通信子網）面向數據通信，上面三層（屬于資源子網）面向 數據處理。因此，傳輸層位于高層和低層中間，起承上啟下的作用。 它屏蔽了通信子網中的細節，實現通信子網中端到端的透明傳輸， 完成資源子網中兩節點間的邏輯通信。它是負責數據傳輸的最高一 層，也是整個七層協議中最重要和最復雜的一層。 1.傳輸層的特性

13、（1）連接與傳輸（2）傳輸層服務2.傳輸層的主要功能3. 傳輸層協議3.2.5 會話層會話層、表示層和應用層一起構成 OSI/RM 的高層，會話層位于 OSI 模型面向信息處理的高三層中的最下層， 它利用傳輸層提供的端 到端數據傳輸服務， 具體實施服務請求者與服務提供者之間的通信， 屬于進程間通信的范疇。會話層還對會話活動提供組織和同步所必須的手段，對數據傳 輸提供控制和管理。1.會話層的主要功能（1）提供遠程會話地址（2）會話建立后的管理（3）提供把報文分組重新組成報文的功能2.會話層提供的服務（1）會話連接的建立和拆除（2）與會話管理有關的服務（3）隔離（4）出錯和恢復控制3.2.6 表示

14、層 表示層為應用層服務，該服務層處理的是通信雙方之間的數據 表示問題。為使通信的雙方能互相理解所傳送信息的含義，表示層 就需要把發送方具有的內部格式編碼為適于傳輸的比特流，接收方 再將其譯碼為所需要的表示形式。數據傳送包括語義和語法兩個方面的問題。 OSI 模型中，有關語 義的處理由應用層負責，表示層僅完成語法的處理。1.表示層的主要功能（1）語法轉換（2）傳送語法的選擇（3）常規功能2.表示層提供的服務（1）數據轉換和格式轉換（2）語法選擇（3）數據加密與解密（4）文本壓縮3.2.7 應用層OSI的7層協議從功能劃分來看，下面6層主要解決支持網絡服務 功能所需要的通信和表示問題，應用層則提供

15、完成特定網絡功能服 務所需要的各種應用協議。應用層是OSI的最高層，直接面向用戶，是計算機網絡與最終用 戶的接口。負責兩個應用進程（應用程序或操作員）之間的通信， 為網絡用戶之間的通信提供專用程序。3.3 數據傳輸控制方式 數據和信息在網絡中是通過信道進行傳輸的，由于各計算機共 享網絡公共信道，因此如何進行信道分配，避免或解決通道爭用就 成為重要的問題，就要求網絡必須具備網絡的訪問控制功能。介質 訪問控制（MAC ）方法是在局域網中對數據傳輸介質進行訪問管理 的方法。3.3.1 具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問沖突檢測/載波偵聽（ CSMA/CD 法）CSMA/CD是基于IEEE802 .3標準

16、的以太網中采用的 MAC方法， 也稱為“先聽后發、邊發邊聽 ”。它的工作方式是要傳輸數據的節點先 對通道進行偵聽，以確定通道中是否有別的站在傳輸數據，若信道 空閑，該節點就可以占用通道進行傳輸，反之，該節點將按一定算 法等待一段時間后再試，并且在發送過程中進行沖突檢測，一旦有 沖突立即停止發送。通常采用的算法有三種：非堅持CSMA、1-堅持 CSMA、P-堅持 CSMA。目前， 常見的局域網，一般都是采用 CSMA/CD 訪問控制方法的 邏輯總線型網絡。用戶只要使用 Ethernet 網卡，就具備此種功能。3.3.2 令牌傳遞控制法令牌傳遞控制法（Token Passing ）是基于IEEE8

17、02 . 5標準的 環形局域網以及基于 IEEE802 4標準的令牌總線網中采用的 MAC方法，又稱為許可證法其基本原理是：一個獨特的被稱為令牌的標志信息沿著環形網 絡依次向每個節點傳遞，只有獲得令牌的節點才有權利發送信息， 而沒有獲得令牌的節點則處于等待狀態。每個站隨時檢測經過本站 的信息，當查到信息幀中指定的目的地址與本站地址相同時，則一 面拷貝全部有關信息，一面繼續轉發該信息幀，環上的信息幀繞環 一周后回到原發送站點予以回收。這種方式傳輸信息時，發送權一 直在源站點的控制之下，只有發送信息幀的源站點放棄發送權，并 把令牌置 “空”后，其它站點才有機會得到令牌，發送自己的信息。3.3.3

18、網絡交換技術交換又稱轉換，是在多節點網絡中實現數據傳輸的一種有效手 段。通常將數據在通信子網中節點間的數據傳輸過程統稱為數據交 換，其對應的技術為數據交換技術。在傳統的廣域交換網絡的通信子網中，使用的數據交換技術可 分為：電路交換技術和存儲轉發交換技術。存儲轉發交換技術又可 分為：報文交換和分組交換。3.4 常見的局域網標準 所謂網絡標準，是為了規定網絡的通信標準、訪問控制方式、 傳輸媒介等技術而制訂的規則。局域網標準主要是由IEEE制定的IEEE802系列標準。I E E E( I nstitutefor Electrical and Electronic Engineers )即電氣電子工

19、程師協會，該協會于1980年 2月成立了 LAh標準化委員 會，專門從事局域網的協議制定，并形成了一系列標準，稱為IEEE802 標準。它得到國際標準化組織ISO的支持并采納作為ISO的局域網標 準，稱為ISO8802標準。IEEE802標準主要包括有：IEEE802.1 局域網概述、體系結構、網絡管理和網絡互聯IEEE802.2 邏輯鏈路控制 LLCIEEE802.3CSMA/C訪問方法和物理層規范IEEE802.4 Token Passing BUS （令牌總線）IEEE802.5 Token Ring （令牌環）訪問方法和物理層規范IEEE802.6 城域網訪問方法和物理層規范IEEE8

20、02.7 寬帶技術咨詢和物理層課題與建議實施IEEE802.8 光纖技術咨詢和物理層課題IEEE802.9 綜合聲音數據服務的訪問方法和物理層規范IEEE802.10 安全與加密訪問方法和物理層規范IEEE802.11 無線局域網訪問方法和物理層規范，包括：IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11C 和IEEE802.11q標準。IEEE802.12100VG-A nyLA快速局域網訪問方法和物理層規 范3.4.1 以太網以太網可謂到目前為止最老也最成功的局域網標準，是目前世 界上使用最為普遍的網絡。以太網廣泛應用于局域網，甚至已成為 局域網的代名詞。以太網包括傳統

21、以太網（10Mbps）、快速以太網（100Mbps）、千兆以太網（1000 Mbps）和萬兆以太網（10GMbps）, 它們都符合IEEE802.3系列標準規范。從它的應用領域來看，以太網 不僅是局域網的主流技術,而且采用以太網技術組建城域網也逐漸 成為一種主流的網絡技術3.4.2 千兆以太網千兆以太網是近幾年推出的1000Mbps高速以太網，以適應日益 增多的用戶業務對帶寬的需求。千兆以太網是對10Mbps和 100Mbps以太網非常成功的擴展，與現有以太網完全兼容，現有網絡應用均 能在千兆以太網上運行，可以為現有的以100Mbps為基礎的網絡提供 平滑的過渡。特別是1000Base-T,能

22、夠在五類線上傳送的千兆以太 網，以一種簡單而廉價的方式提升網絡性能，實現將現有的快速以 太網絡向高速網絡移植。千兆以太網將成為主干網和桌面系統的主流技術。IEEE802.3工作組于1998年6月完成了 IEEE802.3Z標準。802.3z千 兆以太網標準定義了 1000Base-SX 1000Base-LX和 1000Base-CX三種 標準，分別使用三種介質系統，其中兩種是光纖介質標準；另一種 是銅線介質標準。1999年6月IEEE802.3委員會正式公布了第二個銅 線標準 IEEE802.3ab。3.4.3 萬兆以太網 萬兆以太網和以往的顯著區別一是只支持全雙工模式，不再支持單工模式；二

23、是不使用 CSMA/CD 協議。萬兆以太網技術提供更加豐富的帶寬和處理能力，能夠有效地 節約用戶在鏈路上的投資，并保持以太網一貫的兼容性、簡單易用 和升級容易的特點。由于萬兆以太網尚處于發展初期，還存在著一 些問題和不足。可以預見的是，隨著寬帶業務的廣泛開展，萬兆以 太網技術將會得到廣泛應用并成為主流的組網技術。3.4.4 ATM （異步傳輸模式）異步傳輸模式 ATM（ Asynchronous Transfer Mode ）是一種新 型的網絡交換技術，適合于傳送寬帶綜合業務數字（ B-ISDN ）和可 變速率的傳輸業務。異步傳輸模式是一種利用固定數據報的大小以 提高傳輸效率的傳輸方法， 這種

24、固定的數據報又叫信元或報文。 ATM 信元結構由 53字節組成，53字節被分成 5字節的頭部和被稱為載荷的 48字節信息部分。數據可以是實時視頻、高質量的語音、圖像等。ATM局域網就是以ATM為基本結構的局域網，它以ATM交換機 作為網絡交換節點，并通過各種 ATM接入設備將各種用戶業務接入 到ATM網絡。345 FDDI （光纖分布式數據接口）光纖分布數據接口 FDDI （Fiber Distributed Data Interface ）是 一種在實際中應用較多的高速環形網絡，傳輸速率為 100Mbit/s ，是 計算機網絡技術向高速發展階段的第一項高速網絡技術，符合的標 準是ANSI X

25、3T9 . 5。FDDI使用光纖作為傳輸介質，信號單向傳遞，具有長距離、大 范圍、高速、低損耗、高抗干擾性能等優點。FDDI 網絡的主要缺點首先是價格問題， FDDI 的組網成本比快速 以太網高許多，并且因為它只支持光纜和 5類電纜，所以使用環境受 到限制，對傳統的以太網兼容性較差，從以太網升級會面臨大量的 移植問題。隨著快速以太網和千兆以太網技術的發展， FDDI 的應用 已日趨式微。3.5 TCP/IP 網絡協議 網絡協議是指為網絡數據交換而制定的規則、約定與標準的集 合，一個協議主要是由語法、語義與時序組成。其中：語法規定了 用戶數據與控制信息的結構與格式；語義則規定了用戶控制信息的 意

26、義，以及完成控制的動作與回應；時序是對事件實現順序的詳細 說明。網絡協議很多，但目前廣泛使用的通信協議是 TCP/IP 協議，尤 其是作為 Internet 使用的協議，得到廣泛的應用和推廣。3.5.1 什么是 TCP/IP 協議TCP/IP 協議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol )即傳輸控制協議 /網際協議，源于美國國防部高級研究計劃局的 ARPANET 網，其目的在于能夠讓各種各樣的計算機都可以在一個共 同的網絡環境中運行，現已成為In ternet網的通信協議。目前TCP/IP 協議泛指以TCP/IP為基礎的一個協議集。3.

27、5.2 TCP/IP 協議的作用 網絡互聯要解決的是異構網絡系統的通信問題，目的是向高層隱藏底層物理網絡技術的細節， 為用戶提供統一的通信服務。 TCP/IP 就是這一技術的體現， 它是一個協議系列， 目前已包含了 100多個協 議，用來將各種計算機和數據通信設備組成實際的計算機網絡。 TCP 和IP是其中的兩個協議，也是最基本、最重要的兩個協議，是廣為 人知的，因此，通常用TCP/IP來代表整個In ternet協議系列。3.5.3 TCP/IP 協議的分層模式TCP/IP協議也采用分層體系結構，對應開放系統互連 OSI模型 的層次結構，可分為四層：網絡接口層、網際層（IP層）、傳輸層 和應

28、用層。3.6 廣域網廣域網（ WAN ， Wide Area Network ）是在一個廣泛范圍內 建立的計算機網絡，在地理上可以跨越很大的距離，實現局域網 資源共享與廣域網共享的結合。形成地域廣大的遠程處理和局域 網處理相結合的國際網系統。3.6.1 廣域網的結構與種類1. 廣域網的結構廣域網分為通信子網與資源子網兩部分，主要是由一些廣域 網結點設備和連接這些設備的鏈路組成。結點設備執行將分組存 儲轉發的功能。 廣域網的鏈路一般分為傳輸主干和末端用戶線路， 根據末端用戶線路和廣域網類型的不同，有多種接入廣域網的技 術，并提供各種接口標準。廣域網結點設備主要有路由器、調制 解調器、通信服務器等

29、2. 廣域網的種類廣域網可以分為公共傳輸網絡、專用傳輸網絡和無線傳輸網 絡。3.6.2 廣域網標準ISO/OSI開放系統互連參考模型7層協議同樣適用于廣域網，但 廣域網只涉及低 三層：物理層、數據鏈路層和網絡層，它將地理上 相隔很遠的局域網互連起來。廣域網能提供路由器、交換機以及它 們所支持的局域網之間的數據分組幀交換。1. 物理層協議 廣域網的物理層協議描述了如何提供電氣、機械、操作和功能的連接到通信服務提供商所提供的服務。廣域網物理層描述了數據 終端設備（DTE）和數據通信設備（TCE）之間的接口。2. 數據鏈路層協議在每個廣域網連接上，數據在通過廣域網鏈路前都被封裝到幀 中。為了確保驗證協議被使用，必須配置恰當的第二層封裝幀的類 型。協議的選擇主要取決于廣域