第2章計算機網絡基礎演講人1數據通訊基礎1.1數據編碼技術數據（data）是事實或觀察的結果，是對客觀事物的邏輯歸納，是用于表示客觀事物的未經加工的原始素材。數據可以是連續的值，比如聲音、圖像，稱為模擬數據，也可以是離散的，如符號、文字，稱為數字數據。數據分為兩大類：模擬數據也稱為模擬量，取值范圍是連續的變量或數值。數字數據也稱為數據量，取值范圍是離散的變量或數值。數據在采集、傳輸、保存、處理過程中經常會面對對其進行編碼的過程。在數據長短距離傳輸過程中，為了使信源產生的數據能夠在相應信道上傳輸，在源系統端需要有信號變換設備，將信源產生的原始數據轉換為適合在信道上傳輸的信號。同樣，為了使信宿能夠接收并處理信道上傳輸過來的信號，在目的系統端也需要信號變換設備，將信道上傳輸的信號轉換為適合被信宿處理的數據。在上述過程中需要用到數據編碼技術。數據常見的幾種編碼轉換方式如圖2-1所示。1數據通訊基礎1.1數據編碼技術圖2-1數據常見的幾種編碼轉換方式1數據通訊基礎模擬編碼該種編碼方式主要針對模擬信號，該類信號在時間上和幅值上均是連續的,在一定動態范圍內幅值可取任意值。工程實際中的許多物理量都反應的是模擬信號,例如聲音、壓力、溫度等均可通過相應的傳感器轉換為時間連續、數值連續的電壓或電流。在早期的電信通信，多采用AM（幅度調制）、FM（頻率調制）等方式，將模擬信號轉換為電信號進行傳輸。這種轉換可通過硬件電路直接實現，但信號轉換和傳輸過程中對噪聲較敏感，易受干擾。1數據通訊基礎數字編碼數字信號與模擬信號相對應，時間和幅值均離散，不連續的信號。數字信號的特點是幅值只可以取有限值。隨著計算機技術的高速發展，數字編碼的應用越來越重要。計算機通訊編碼技術是指在計算機網絡或通信系統中，將原始數據例如文字、圖像、音頻或視頻等轉換為適合在物理媒介上傳輸的形式的過程。這個過程包括將信息轉換成數字形式，以便于電子設備處理，并確保數據在傳輸過程中能夠準確無誤地被接收。通過這些編碼技術，計算機可以在復雜的網絡環境中保證數據的準確性和完整性，即使在存在干擾或錯誤的情況下也能盡可能地恢復原始信息。編碼在計算機通信中同樣扮演著關鍵角色，它確保了數據在傳輸過程中的準確性和一致性，提高了通信系統的穩定性和可靠性。數字編碼方式非常靈活，基于強大的計算機技術當代廣泛采用的是數字編碼方式，通常先將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號，然后再進行相應處理。常見的數字編碼處理方式如表2-1所示。1數據通訊基礎數字編碼表2-1常見數字編碼處理方式1數據通訊基礎1.2數據傳輸技術數據傳輸，也稱為數據通信，是指按照一定的規程，通過一條或者多條數據鏈路，將數據從數據源傳輸到數據終端的過程。這個過程的主要目的是實現點與點之間的信息傳輸與交換。在當今的信息時代，無論是互聯網、物聯網、云計算還是大數據技術，數據傳輸都是其核心基礎之一。數據傳輸的核心原理在于利用不同的通信協議和傳輸方式，確保數據能夠在不同的設備之間安全、可靠、高效地進行傳輸。這其中涉及到許多技術細節，如數據的編碼方式、傳輸介質的選擇、信號的處理等。數據傳輸是現代科技的核心，它支撐著我們日常生活的各個方面，極大地提高了信息的獲取、處理和分享的效率。數據傳輸可以根據不同的標準和應用場景進行分類，常見的數據傳輸分類如表2-2所示。表2-2常見的數據傳輸分類1數據通訊基礎1.3數據交換技術數據交換技術是一種在計算機網絡中，不同設備或系統之間傳輸數據的方法。它涉及到數據的發送、接收、處理和路由，確保信息從發送方準確無誤地傳輸到接收方。無論采用何種交換和數據傳輸都涉及到數據流的傳輸方式變化。數據交換過程中，數據的傳輸方式如表2-3所示。表2-3數據傳輸方式數據交換技術的發展和優化對于提高網絡通信速度、降低延遲、保證數據安全等方面有著重要作用。數據交換發生在不同計算機系統或設備之間進行信息的傳輸過程。在這個過程中，發送方將數據分割成若干個數據單元，這些單元被稱為數據包或數據分組，然后通過網絡發送到接收方。接收方收到數據包后，再將其重新組裝成完整的原始數據。常見的數據交換技術包括電路交換、報文交換、分組交換（包括IP交換）等。其中，分組交換因其靈活性、高效性和成本效益被廣泛應用于現代互聯網中。1數據通訊基礎1.3數據交換技術電路交換需要預先建立一條固定的物理連接，數據在該連接上連續流動，直到連接斷開。這種交換方式適合實時通信，如語音通話。類似于傳統的電話網絡，需要事先規劃好通信路徑，并在通信過程中保持線路獨占。這種方式實時性強，適用于對實時性要求高的通信場景，但線路利用率較低。報文交換過程中數據被拆分成獨立的報文，每個報文獨立尋找路徑，將整個報文從源主機傳送到目的主機，這種方式適用于大量數據的傳輸，但在通信過程中可能會因為網絡擁堵導致延遲，適合數據量大但對實時性要求不高的應用。分組交換過程中數據被分割成小數據包，數據包都包含頭部信息和數據部分，每個包獨立尋路，通過網絡中的路由器逐個傳輸，最后在目的主機重新組合成完整的報文。這種方式能更好地利用帶寬，適用于大量數據的傳輸，大規模網絡通信如互聯網，當網絡擁堵時能夠通過動態調整分組的數量來保證通信的實時性，提供了較高的靈活性和效率。1數據通訊基礎1.3數據交換技術每種數據交換形式都有其適用的場景和優缺點，現代在實際網絡設計中往往結合多種交換方式以適應不同的需求。例如對于實時性要求高的場景，電路交換可能是更好的選擇；對于大量數據的傳輸，報文交換或分組交換可能更為合適。此外還有時使用兩種交換技術的復合，如報文分組交換，這是介于電路交換和報文交換之間，結合了兩者的優勢，既保持了電路交換的實時性，又具有報文交換的靈活性。此外，隨著技術的發展，新的數據傳輸交換方式也在不斷涌現。例如，基于IP的數據傳輸已經成為互聯網通信的標準方式。未來，隨著5G、6G等新一代通信技術的發展，數據傳輸的速率和效率還將得到進一步提升。總的來說，數據傳輸是實現信息時代的關鍵技術之一。理解其原理和應用場景，以及如何選擇合適的數據傳輸交換方式，對于提升系統性能、確保數據安全和優化網絡資源等方面都具有重要意義。1數據通訊基礎1.4容錯與校驗在進行數據傳輸尤其是涉及大量數據的情況，傳輸過程，過程中可能會發生物理媒介受到干擾、網絡擁塞造成丟包、傳輸設備發生故障、編碼/解碼發生錯誤等都可能造成數據發送端和接收端不一致。數據傳輸錯誤會因為數據丟失或損壞而無法獲取完整或準確的信息，輕則會導致業務中斷，嚴重的會造成系統崩潰的嚴重后果。對于一個健壯的系統來說，容錯和校驗是必不可少的功能，容錯是通過設計使系統能夠容忍一般性錯誤，而校驗則是通過計算來確保數據的準確性。兩者結合使用，可以提高系統的可靠性和數據的安全性。容錯（ErrorTolerance）是一種設計策略，它允許系統在某些錯誤發生時仍能繼續運行或者提供部分服務。例如，在計算機存儲中，硬盤可能會有壞道，通過使用冗余技術如RAID（RedundantArrayofIndependentDisks，獨立磁盤的冗余陣列），即使某個磁盤出現故障，其它磁盤的數據也可以保證數據的完整性。在軟件層面，一些算法或編程語言也支持容錯，比如在網絡傳輸中，如果數據包丟失，接收端可以請求重傳。1數據通訊基礎1.4容錯與校驗校驗（Checksum）是一種驗證數據完整性的方法，通過計算數據的一部分或全部的數字摘要，然后將這個摘要與接收數據的摘要進行比較，如果兩者匹配，說明數據在傳輸過程中沒有被篡改或損壞。常見的校驗方式有CRC校驗、MD5校驗、SHA-1校驗等。例如，文件上傳后，服務器會計算文件的校驗值，用戶下載后也會計算并對比，如果兩者一致，說明文件傳輸正確。容錯和校驗是數據處理中的兩個互補概念，它們在保護數據安全性和完整性方面發揮著重要作用。容錯技術可以使系統能夠容忍一定程度的錯誤而不至于完全失效。這通常涉及到冗余備份、故障轉移、錯誤檢測和恢復機制。它的目標是在不影響整體功能的情況下，減少錯誤的影響。校驗則是通過校驗碼來進行，計算并比較發送端和接收端的校驗碼如果一致則表示數據在傳輸過程中沒有損壞。1數據通訊基礎1.4容錯與校驗容錯和校驗結合使用可以提供更高的數據保護。一個系統可能使用冗余存儲同時配合校驗，即使數據在某處損壞，也可以通過其它副本的校驗來確定哪個數據是正確的，然后用正確的數據替換錯誤的部分。這樣，容錯提供了數據的可用性，而校驗則提供了數據的準確性。總的來說，容錯側重于防止數據丟失或不可用，而校驗側重于發現和糾正數據在傳輸或存儲過程中的錯誤，兩者共同維護數據的完整性和可靠性。保證系統數據的完整和正確采取的技術手段如表2-4所示。表2-4常見系統容錯技術這些容錯技術各有其適用場景，通過組合使用，可以構建出高度可靠的系統，能夠在面臨各種故障時保持服務的連續性和數據的完整性。1數據通訊基礎1.5媒體訪問控制媒體訪問控制（MediaAccessControl，MAC）是計算機網絡通信技術中的一個重要概念，主要負責在數據鏈路層上管理多個設備如何訪問共享的傳輸介質。它是網絡中數據傳輸的基本單元，確保數據能在物理網絡上正確、高效地傳輸。01在局域網（LocalAreaNetwork，LAN）中，MAC地址是一個48位的唯一標識符，通常以12個十六進制數字表示，用于區分網絡上的每一個設備。每個設備都有一個固定的MAC地址，當設備發送數據時，會包含自己的MAC地址和目標設備的MAC地址，以便網絡設備能夠識別并路由數據。02MAC協議的主要任務包括沖突檢測與避免（如CSMA/CD）、數據幀的封裝和解封裝、錯誤檢測等。常見的MAC協議有IEEE802.3（以太網）系列標準，它們定義了如何在物理層上進行數據傳輸，以及如何通過MAC地址進行尋址。031數據通訊基礎1.5媒體訪問控制CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）是一種媒體訪問控制（MAC）協議，主要用于以太網等局域網（LAN）中。它的基本思想是設備在發送數據前先監聽信道是否空閑，如果信道忙，設備會等待一段時間再嘗試發送；如果在發送過程中檢測到信道被其它設備占用，即發生“碰撞”，則立即停止發送并等待一個隨機時間再次嘗試。然而，隨著網絡規模的擴大和性能需求的提升，CSMA/CD的不足之處逐漸顯現，如低效率、碰撞概率高等問題。因此，后續的協議如CSMA/CA（載波監聽多路訪問及沖突避免）和更高級別的網絡技術（如交換機和令牌環）被開發出來，以提供更高效和可靠的網絡訪問。盡管有些局限性，CSMA/CD仍然是一個基礎且實用的媒體訪問控制技術，對于小型辦公室網絡或家庭網絡來說，它能滿足基本的通信需求。1數據通訊基礎1.5媒體訪問控制CSMA/CA（載波監聽多路訪問及沖突避免）是CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）的一種改進版本，它主要應用于無線局域網（WLAN）中，如Wi-Fi。相比于CSMA/CD，CSMA/CA在沖突檢測和避免上采取了不同的策略，以適應無線環境的特點：12CSMA/CA支持點對點（PtP）和點對多點（PtMP）兩種模式。在PtP模式下，只有兩個設備直接通信，無需監聽整個網絡，提高了效率。在檢測到沖突后，CSMA/CA引入了SIFS（ShortInterframeSpace）間隔，3CSMA/CA在發送數據前，不僅監聽信道是否空閑，還會使用一種稱為“分布式協調功能”（DCF）的技術，來預測可能的沖突。設備在發送前會設置一個隨機等待時間，如果這段時間內沒有檢測到其他設備的活動，才開始發送。這樣可以減少沖突的可能性。1數據通訊基礎1.5媒體訪問控制這是一種較短的等待時間，用于設備在沖突后快速恢復并再次嘗試發送。在某些無線環境中，CSMA/CA允許設備進行能量檢測，以判斷是否有其他設備在使用同一頻道，進一步減少沖突。DCF主要用于全分布式網絡，而PCF在某些集中式的網絡中使用，提供更精細的控制。CSMA/CA使得無線網絡在多設備共享無線資源的情況下，仍能保持較高的數據傳輸效率和穩定性，尤其適用于移動設備較多的場景，如智能手機、平板電腦等。令牌環（TokenRing）是一種早期的局域網（LAN）技術，與CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）和CSMA/CA（載波監聽多路訪問及沖突避免）不同，它采用的是令牌控制的方式進行介質訪問。在令牌環網絡中，數據傳輸的順序是預先確定的，通過一個被稱為“令牌”的數據包在環形網絡中傳遞，只有持有令牌的設備才能發送數據，從而避免了沖突。1數據通訊基礎1.5媒體訪問控制網絡中有一個中央設備，稱為令牌環主節點（RootStation），它會生成一個令牌并發送到網絡中。令牌沿著環形網絡從一個節點傳到下一個節點，每個節點在接收到令牌后，只有在令牌持有者釋放令牌后才能獲取并發送自己的數據。只有當令牌到達某個設備時，該設備才能開始發送數據。發送完成后，它會釋放令牌，令牌繼續沿環傳遞。由于數據傳輸是按照預設順序進行的，理論上不會發生沖突。但如果令牌丟失或網絡中斷，可能會導致數據傳輸混亂。由于數據傳輸是按順序進行的，而且每個設備只能在特定時間內發送，這使得令牌環網絡具有一定的安全性，防止未經授權的設備接入。盡管令牌環網絡提供了高效的數據傳輸和安全性，但它有一些局限性，如成本較高、網絡拓撲固定、擴展性較差等。隨著技術的發展，令牌環已被更靈活的網絡技術如以太網（Ethernet）所取代，但令牌環仍在某些專業領域，如工業自動化和高性能計算中得到應用。2計算機網絡的結構2.1網絡通訊的介質網絡的數據信號的物理傳播是個連續且實時的過程，數據快速地從一個節點傳輸到另一個節點，保證數據可靠地傳送就需要一定的介質。實際傳輸速度受到許多因素影響，最大的因素無疑是傳輸介質。目前互聯網連接進行數據傳輸，通常使用的物質載體主要包括：2計算機網絡的結構有線連接1）同軸電纜因為中心銅線和網狀導電層為同軸關系而得名。從內到外分為四層，分別是中心銅線，組成可能是單股的實心線或多股絞合線，塑料絕緣體，網狀導電層和電線外皮。中心銅線和網狀導電層形成電流回路。該連接方式大量用于有線電視，由于同軸電纜造價低、易施工，在中、小傳輸系統中得到了廣泛的應用。特別是在HFC(HybridFiber-Coaxial，混合光纖同軸電纜)網絡“最后1公里”傳輸中，是無法用其它電纜所代替的。許多無源器件、有源器件及用戶都需使用電纜連接，凡是用同軸電纜連接的各個器件之間都需達到阻抗匹配。同軸電纜傳輸的信號具有交流電特點而不是恒定直流電，因為內部電流方向發生快速逆轉。電流方向的快速改變，尤其是頻率較高，高頻特性顯著如果使用一般電纜線，這種電線就會相當于一根向外發射無線電的天線，無疑會損耗了信號的功率，使得接收到的信號強度減小。同軸電纜的設計正是為解決這個問題而研制開發的。中心電線發射出來的無線電被網狀導電層所隔離，網狀導電層可以通過接地的方式來控制發射出來的無線電。2計算機網絡的結構有線連接同軸電纜也存在一個問題，就是如果電纜某一段發生比較大的擠壓或者扭曲變形，那么中心電線和網狀導電層之間的距離就不能保持一致，這會造成內部的無線電波會被反射回信號發送源。這種效應減低了可接收的信號功率。為了克服這個問題，中心電線和網狀導電層之間被加入一層塑料絕緣體來保證它們之間的距離恒定。這種處理也造成了電纜比較僵直而不容易彎曲的特性。屏蔽層采用編織銅網實現，單層編織的屏蔽效果較差，雙層編織比單層編織的轉移阻抗減少3倍，可見雙層編織的屏蔽效果比單層有了很大的改善。各大同軸電纜制造商都在不斷改進電纜的外導體結構以保持其性能。同軸電纜根據其結構和性能特點，其分類如表2-5所示。表2-5同軸電纜的分類2計算機網絡的結構有線連接選擇同軸電纜時，應考慮應用的具體需求，如傳輸距離、帶寬要求、抗干擾能力、性價比等參數綜合考慮。同軸電纜的技術指標如表2-6所示。表2-6同軸電纜的技術指標2計算機網絡的結構雙絞線雙絞線由兩根相互扭繞的導線組成，通常每對線之間用絕緣材料隔開，典型應用于早期的電話線路。目前則作為一種常見的有線網絡傳輸介質，這種設計旨在減少電磁干擾和信號串擾，從而提高數據傳輸的穩定性和保密性。雙絞線中的每一對線，通常是兩條顏色相同的線被緊密地絞合在一起，形成一種螺旋狀排列。這種絞合方式使得信號在傳輸過程中，每對線的電磁場相互抵消，減少了線對之間的相互干擾。雙絞線采用平衡傳輸技術，這意味著每一對線上的電流相位相反，當外部電磁干擾出現時，由于電流相位的相互抵消，干擾被部分抵消，提高了信號的抗干擾能力。高頻率的信號更容易受到干擾，雙絞線的設計使高頻信號在短距離內傳輸，限制了干擾的傳播范圍。雙絞線的每一對線的阻抗約為50歐姆或75歐姆，這與大多數網絡設備的輸入阻抗相匹配，這有助于減少信號在傳輸過程中的衰減和反射，從而減少干擾。2計算機網絡的結構雙絞線不同的數據速率使用不同的頻率范圍，通過將信號分布在不同的頻率段，可以減少同一頻率范圍內多個設備之間的干擾。在一些高性能傳輸需求的場合，如Cat5e、Cat6及以后的版本通常包含一層或兩層屏蔽層，這可以是金屬編織屏蔽或金屬箔包裹。屏蔽層的作用是反射或吸收外部的電磁輻射，減少外部電磁干擾對信號的影響。通過這些技術，雙絞線能夠在一定程度上降低電磁干擾對網絡通信的影響，保持數據傳輸的穩定性和可靠性。隨著數據傳輸速率的提升，對屏蔽性能的要求也在增加，特別是在較長距離和密集的網絡環境中。雙絞電纜的發展歷程分類如表2-7所示。表2-7雙絞電纜的發展歷程2計算機網絡的結構光纖光纖（Fiber）是一種用于傳輸光信號的極其細小的玻璃或塑料纖維。它是由核心、包層和保護層等部分組成，其中的核心通常由高折射率的材料制成，而包層則由折射率較低的材料制成。當光信號通過光纖時，會在核心中以光的形式傳播，由于光的全反射原理，信號可以在光纖內部沿著直線進行長距離傳輸，且損耗極低。光纖通信是現代通信技術的重要組成部分，它具有容量大、速度快、抗干擾能力強、保密性好、傳輸距離遠等優點，廣泛應用于互聯網、電話、電視、數據傳輸、光纖網絡等各種通信系統中。與傳統的銅線或電纜相比，光纖能夠提供更高的帶寬和更低的延遲，對于現代信息社會的發展起到了關鍵作用。2計算機網絡的結構光纖單根光纖可以承載比銅線多得多的數據，這是由于光的頻率范圍遠遠大于電信號，可以實現高密度的數據傳輸。光纖的傳輸速度非常快，接近光速，這使得它可以支持高速互聯網、數據中心互聯以及視頻會議等實時應用。光纖的損耗很小，特別是在短距離傳輸時，幾乎可以忽略不計，這對于長距離通信尤其重要。光信號不導電，不受電磁干擾，因此通信信號穩定，保密性好，不容易被竊取或篡改。光纖的物理性質使其不易磨損，壽命長，維護成本低。光纖可以彎曲，適應各種復雜的布線環境，而且可以輕松地敷設在建筑物內部，無需大的開挖空間。光纖使用電力低，無電磁輻射，對環境影響小，符合綠色通信的趨勢。隨著技術進步，光纖可以支持更高帶寬的升級，未來有很好的發展潛力。雖然初期投資可能較高，但光纖通信的長期運行維護成本較低，尤其是對于需要大量傳輸數據的企業或機構來說。2計算機網絡的結構無線連接這些無線介質使用戶能夠在沒有物理線纜的情況下連接到網絡，提供了更大的便利性和靈活性。然而，無線介質也可能面臨信號干擾、覆蓋范圍有限等問題，需要適當的設備配置和優化才能確保穩定的通信。網絡連接的無線介質是指在無線網絡中用于傳輸數據的物理媒介，它們允許設備之間通過無線信號進行通信，而無需使用有線連接。無線連接包括微波、紅外線、藍牙和Wi-Fi（802.11標準系列）等，這些波段的頻率不同，傳輸距離和數據速率也各有特點。例如，藍牙主要用于近距離設備間的連接，微波是早期的無線寬帶技術，如WiMAX，但已被更先進的技術如Wi-Fi和4/5G取代。Wi-Fi通過2.4GHz或5GHz頻段，適用于家庭、辦公室等范圍內的無線網絡。紅外線主要用于短距離的點對點通信，如遙控器和一些電子設備之間的通信。射頻是一種廣泛的無線通信技術，包括許多不同的標準，如手機通信（GSM,CDMA,LTE,5G），衛星通信等。毫米波是一種新興的無線通信技術，通常用于提供高速無線接入，如5G移動通信網絡的部分頻段。2計算機網絡的結構無線連接通過地球靜止軌道衛星（GeostationarySatellite）進行全球范圍的互聯網接入，如衛星互聯網服務。"星鏈"就是一個旨在構建全球衛星互聯網服務的龐大計劃，其目標是通過在地球軌道上部署數千顆小型衛星，形成一個全球性的寬帶互聯網星座，為地球上任何地方地面用戶，包括家庭、企業、船只和飛機提供高速互聯網接入。2計算機網絡的結構2.2網絡體系的分層模型計算機網絡鏈接是個非常復雜的過程，兩臺計算機需要進行通信時，需要面對復雜的情況和因素，需要確定數據的通路，數據在這條通路上能否正確發送和接收，以及出現的各種差錯和意外事故，能否有可靠完善的措施保證對方計算機最終能正確收到數據等等一系列問題。計算機網絡體系的結構標準正是為了解決這些問題。計算機間高度默契的交流背后需要十分復雜、完備的網絡體系結構作為支撐。需要考慮用什么方法才能合理地組織網絡的結構，才能使網絡設備之間達成這種“高度默契”。分而治之是一個好的思路，更進一步說就是網絡的分層思想。分層思想的內涵是讓每層在依賴自己下層所提供的服務的基礎上，通過自身內部功能實現一種特定的服務。計算機網絡體系結構分層就是在這樣的思想下產生了。2計算機網絡的結構三種計算機網絡體系結構計算機網絡體系結構主要有3種劃分方法，分別是OSI體系結構（七層）、TCP/IP體系結構（四層）、五層體系結構。這些分層結構，它們有一定的共性和聯系。三種網絡結構組成與功能的差別如表2-8所示。表2-8三種網絡結構組成與功能差別OSI體系結構具有概念清楚，理論也比較完整，但是它既復雜又不實用。TCP/IP體系結構是一個四層體系結構，已經得到了廣泛的運用。五層體系結構在TCP/IP體系四層結構基礎上，為了方便學習，折中OSI體系結構和TCP/IP體系結構，綜合二者的優點，這樣既簡潔，又能將概念講清楚。TCP/IP與OSI最大的不同在于，OSI是一個理論上的網絡通信模型，而TCP/IP則是實際運行的網絡協議。2計算機網絡的結構五層網絡體系結構概述五層網絡體系結構各層的主要功能如表2-9所示。表2-9五層網絡體系結構各層的主要功能在計算機網絡的分層模型中，數據在從一個層次傳輸到另一個層次時會發生形式上的變化，這個過程稱為數據封裝（Encapsulation）。數據封裝的主要目的是為了簡化通信過程，同時確保不同層次之間的通信兼容性。當數據從應用層向下一層傳輸時，每一層都會添加或刪除特定的頭部信息，直到數據達到目的端，然后這個過程反轉，數據逐層解封裝，直到返回到應用層。2計算機網絡的結構TCP/IP體系結構數據交換過程TCP/IP體系結構，全稱TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，是互聯網的核心協議。它由四層組成，每個層次負責特定的網絡功能：TCP/IP體系結構的核心特點是分層設計，每一層都可以獨立發展和優化，而不會影響其它層。這種設計使得網絡通信更加靈活且易于管理。例如，如果網絡層需要改進，不會影響應用層的性能，反之亦然。此外，TCP/IP體系結構也是開放的，允許各種不同的設備和操作系統進行互操作。四層結構在協議作用下進行數據交換的示意圖如圖2-2所示。2計算機網絡的結構TCP/IP體系結構數據交換過程logo圖2-2四層結構數據交換示意圖2計算機網絡的結構2.3網絡通訊中的基礎概念解析互聯網通訊中需要軟硬件配合的復雜系統，為了更好地理解相關的運行機理，一些概念必須要明確，以下列舉所涉及到的部分術語和概念。2計算機網絡的結構包互聯網的“包”通常指的就是數據包，它是互聯網TCP/IP協議通信傳輸中的基本數據單元。數據包主要由“目的IP地址”、“源IP地址”和“凈載數據”等部分構成，包括包頭和包體。包頭是固定長度，包含有關如何路由和處理該數據包的信息，而包體的長度不定，包含實際傳輸的數據內容。數據包的結構類似于我們平常寫信，目的IP地址相當于收信人地址，說明這個數據包是要發給誰的。源IP地址相當于發信人地址，說明這個數據包是發自哪里的。而凈載數據則相當于信件的內容。數據包沿著不同的路徑在一個或多個網絡中傳輸，并在目的地重新組合。在數據傳輸過程中，如果遇到較大的數據，計算機中的分組交換協議會將大數據分割成一個個較小的數據包進行傳輸，以提高傳輸效率和可靠性。這些數據包在網絡中獨立傳輸，可能經過不同的路徑，但最終會在目的地重新組合成完整的數據。2計算機網絡的結構數據幀數據幀（Dataframe）是數據鏈路層的協議數據單元，它主要包括三個組成部分：幀頭、數據部分和幀尾。幀頭和幀尾包含一些必要的控制信息，例如同步信息、地址信息以及差錯控制信息等，它們對于確保數據的正確傳輸和接收至關重要。數據部分則包含網絡層傳下來的數據，例如IP數據包等。數據幀是網絡通信中的關鍵組成部分，它確保了數據在鏈路層上的有效和可靠傳輸。在發送端，數據鏈路層會將網絡層傳下來的數據封裝成幀，然后發送到鏈路上。而在接收端，數據鏈路層會從收到的幀中提取數據，并將其交給網絡層。此外，不同的數據鏈路層協議對應著不同的幀，因此幀的種類多種多樣，如PPP幀、MAC幀等，它們的具體格式也各不相同。2計算機網絡的結構段在網絡通信中，“段”（Segment）通常與網絡層的協議或傳輸層的協議相關，特別是在TCP/IP協議族中。在傳輸層，特別是在TCP協議中，數據被分割成多個“段”（Segment）進行傳輸。每個TCP段都包含源端口和目的端口號，用于標識發送和接收應用程序。序列號，用于對段進行排序。確認號，用于確認已成功接收的數據。此外，TCP段還包括其他控制信息，如窗口大小多用于流量控制，校驗和用于錯誤檢測等。在網絡層，IP協議將傳輸層傳下來的數據如TCP段封裝成IP數據包，也稱為IP數據報。IP數據包包含IP頭部和數據部分，其中數據部分就是傳輸層傳下來的段。IP頭部包含源IP地址和目的IP地址，用于在網絡中進行路由。2計算機網絡的結構段簡而言之，“段”在網絡通信中，特別是在TCP/IP協議族中，是傳輸層協議，例如TCP處理的數據單元。當數據從傳輸層傳遞到網絡層時，這些段會被封裝成IP數據包進行傳輸。在接收端，這個過程是相反，即IP數據包被解封裝，以提取出傳輸層的段，然后這些段被進一步處理以恢復原始數據。2計算機網絡的結構消息從通信的角度來看，消息是通信系統傳輸的對象，是信息的載體。它可以通過語言、文字、圖像和數據等不同形式具體描述。在網絡通信中，消息可以是離散消息或連續消息。離散消息具有可數的有限個狀態，例如文字、符號和數字數據等；而連續消息的狀態則連續變化或不可數，如語音、連續圖像等。從數據傳輸的角度來看，消息在網絡中是以數據幀的形式進行傳輸的。在更廣泛的網絡應用中，消息還可以指網絡服務和應用程序之間傳遞的信息。例如，在物聯網（IoT）領域，設備之間通過網絡發送和接收消息以實現遠程監控和控制。在云計算和分布式系統中，消息傳遞接口（MPI）等技術用于在節點之間傳遞數據和指令。2計算機網絡的結構協議網絡協議指的是計算機網絡中互相通信的對等實體之間交換信息時所必須遵守的規則的集合。這些對等實體通常是指計算機網絡體系結構中處于相同層次的信息單元。一般來說，網絡協議包括通信環境、傳輸服務、詞匯表、信息的編碼格式、時序、規則和過程等五個部分。網絡協議在數據傳輸中起著至關重要的作用，它確保數據的準確、高效和安全傳輸。具體來說，網絡協議的作用體現在以下幾個方面：首先，網絡協議確保數據的準確傳輸。這包括錯誤檢測和糾正機制，能夠在數據傳輸過程中發現并修復錯誤，從而保證數據的完整性和正確性。其次，網絡協議確保數據的順序傳輸。在數據包傳輸過程中，可能會因為網絡擁堵、設備故障等原因導致數據包亂序。網絡協議通過一系列的規則和機制，確保數據包按照正確的順序到達目的地，從而避免數據混亂和解析錯誤。此外，網絡協議還負責管理數據的流量和傳輸速度。2計算機網絡的結構協議它可以根據網絡狀況和設備性能，合理分配網絡資源，避免網絡擁塞和數據傳輸瓶頸，從而確保數據的高效傳輸。最后，網絡協議在保障數據安全方面也發揮著重要作用。它可以通過加密、認證等機制，保護數據在傳輸過程中的機密性、完整性和可用性，防止數據被非法獲取、篡改或破壞。綜上所述，網絡協議在數據傳輸中扮演著至關重要的角色，它是實現計算機網絡中各實體之間有效通信和數據交換的基礎和保障。常見的網絡協議如TCP/IP協議族中的TCP和IP協議等，都在各自層面上發揮著重要的作用，共同確保網絡數據傳輸的可靠性、高效性和安全性。2計算機網絡的結構端口號端口號的主要作用是表示一臺計算機中的特定進程所提供的服務。每個應用程序對應一個端口號，通過這個端口號，客戶端才能訪問到該服務器。端口號用于區分不同的服務或進程，確保數據能夠準確發送到目標應用程序。端口包括邏輯端口和物理端口兩種類型。邏輯端口主要用于區分不同的服務，如HTTP服務的80端口和FTP服務的21端口。物理端口則用于連接物理設備，如ADSLModem、集線器、交換機和路由器等設備上的RJ-45、SC等接口端口。在IP地址和端口號的組合中，它們用冒號分隔，例如:80，這表示一個特定的網絡地址和端口號組合，用于標識一個特定的網絡服務或應用程序。可以使用命令行工具如“netstat“命令，來查看系統中占用TCP連接的端口號。此外，還可以使用”telnet“命令來檢查遠程主機上特定端口是否處于打開狀態。2計算機網絡的結構端口號需要注意的是，不同的協議和應用程序可能有不同的端口號定義和規范。因此，在使用IP和端口時，需要根據具體情況查閱相關協議或規范，以確保正確使用。總的來說，端口號在網絡通信中扮演著重要的角色，它是實現網絡服務和應用程序之間通信的關鍵要素之一。2計算機網絡的結構路由路由（routing）是指分組從源到目的地時，決定端到端路徑的網絡范圍的進程。路由工作在OSI參考模型第三層——網絡層的數據包轉發設備。路由器通過轉發數據包來實現網絡互連。雖然路由器可以支持多種協議如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等協議，但在我國絕大多數路由器運行TCP/IP協議。路由是計算機網絡中實現數據包轉發和網絡互連的重要過程，而路由器則是實現路由功能的關鍵設備。路由器在計算機網絡中扮演著關鍵的角色，它能夠連接不同類型的網絡，如家庭網絡、企業網絡和互聯網，并在這些網絡之間轉發數據包。通過路由，不同的網絡設備可以相互通信，共享資源和信息。2計算機網絡的結構路由路由器通常連接兩個或多個由IP子網或點到點協議標識的邏輯端口，至少擁有一個物理端口。路由器根據收到數據包中的網絡層地址以及路由器內部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數據包頭實現轉發數據包。路由的工作過程可以分為兩個階段，即路由表的構建和路由的選擇。路由表是路由器中的重要組成部分，包含了所有可達網絡的信息。路由表可以手動配置，也可以通過動態路由協議自動學習。動態路由協議是自動學習路由表的一種方式，常見的動態路由協議有RIP、OSPF和BGP等。在選擇路由時，路由器會比較每個可能的路徑，并選擇距離目標地址最近的路徑。2計算機網絡的結構IP地址IP地址（InternetProtocolAddress）是指互聯網協議地址，是IP協議提供的一種統一的地址格式，為互聯網上的每一個網絡和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。這種地址分配方式使得用戶能夠根據網絡中的請求，在連網的計算機上，從千千萬萬臺計算機中高效地選出所需的對象。互聯網上的每一臺終端設備都有一個唯一標識，可以根據這個標識找到具體的計算機，這個唯一標識就是IP地址。目前，IP地址廣泛使用的版本是IPv4，它用4個字節大小的二進制數表示，如00001010000000000000000000000001。因為二進制形式不便于記憶，所以通常會將IP地址寫成十進制形式，每個字節用一個十進制數字（0~255）表示，數字間用點符號“.“分開，如。位于網絡中的一臺計算機可以通過IP地址訪問另一臺計算機，然后通過端口號去訪問計算機中的某個應用程序。網絡上計算機端口訪問示意圖如圖2-3所示。2計算機網絡的結構IP地址圖2-3網絡上計算機端口訪問示意圖IP地址由網絡地址和主機地址組成，其中網絡部分表示IP地址屬于互聯網的哪一個網絡，是網絡的地址編碼，主機部分表示其屬于該網絡中的哪一臺主機，是網絡中一個主機的地址編碼，二者是主從關系。在Windows操作系統中，用戶可以在命令行通過ipconfig命令查看本機的IP地址。2計算機網絡的結構IP地址IP地址根據網絡地址和主機地址的范圍，大致可分為5類，各類地址可使用的IP數量不同，IP地址分類及其范圍如表2-10所示。在表中可以發現沒有127.X.X.X的地址，因為其是保留地址，用作循環測試，在開發中經常使用表示本機的IP地址。表2-10IP地址分類2計算機網絡的結構2.4網絡通訊的TCP/IP協議族從字面意義上講，TCP/IP只是指TCP和IP兩種協議，在實際互聯網中使用，確實也是這指兩種協議。互聯網只是一個最基礎的條件，在應用層可以通過它完成很多工作，諸如瀏覽網頁、發送郵件、訪問FTP服務器等等。此時就會用到IP、ICMP、TCP、UDP、TELNET、FTP、HTTP等等，它們與TCP或IP的關系密不可分。因此說在很多情況下TCP/IP協議是指進行通信時所必須用到的協議群的統稱。它們是互聯網應用必不可少的組成部分，有時也統稱它們為TCP/IP網際協議群，畢竟TCP/IP原本就是為使用互聯網而開發制定的協議族。這些協議所示實現的功能各異，相互之間關系如圖2-4所示。2計算機網絡的結構2.4網絡通訊的TCP/IP協議族圖2-4TCP/IP網際協議群相互關系TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是一組通信協議，它們定義了計算機網絡中數據傳輸的標準方式。TCP/IP協議簇包括兩個主要協議：2計算機網絡的結構2.4網絡通訊的TCP/IP協議族IP協議（InternetProtocol）也稱為網際協議，是TCP/IP協議族的核心，負責在不同的網絡之間進行數據包的傳輸。IP協議定義了數據包的格式、尋址方式以及如何在網絡中路由數據。IP協議是無連接的，這就意味著數據包可能會亂序到達，甚至在網絡傳輸中丟失。TCP協議（TransmissionControlProtocol）是一種面向連接的、可靠的傳輸層協議，它在IP協議之上工作，確保數據的可靠傳輸。TCP通過三次握手建立連接，數據傳輸過程中進行流量控制、擁塞控制、錯誤檢測和重傳機制，確保數據的正確性和順序性。2計算機網絡的結構2.4網絡通訊的TCP/IP協議族TCP/IP協議組合在一起，使得不同類型的網絡例如局域網、廣域網之間的數據傳輸成為可能，并且支持多種應用層協議例如HTTP、FTP、SMTP等在互聯網上運行。它是互聯網通信的基礎，也是現代計算機網絡通信的關鍵組成部分。以下具體介紹幾個重要的協議：2計算機網絡的結構IP協議按層次分，IP（InternetProtocol）網際協議位于網絡層。這個名稱可能聽起來有點范圍有點大，但事實確實如此，因為幾乎所有使用網絡的系統都會用到IP協議。TCP/IP協議族中的IP指的就是網際協議，協議名稱中占據了一半位置，其重要性可見一斑。IP協議的作用是把各種數據包傳送給對方。而要保證確實傳送到對方那里，則需要滿足各類條件。其中兩個重要的條件是IP地址和MAC地址（MediaAccessControlAddress）。IP地址指明了節點被分配到的地址，MAC地址是指網卡所屬的固定地址。IP地址可以和MAC地址進行配對。IP地址可變換，但MAC地址基本上不會更改。使用ARP協議憑借MAC地址進行通信IP間的通信依賴MAC地址。2計算機網絡的結構IP協議在網絡上，通信的雙方在同一局域網（LAN）內的情況是很少的，通常是經過多臺計算機和網絡設備中轉才能連接到對方。而在進行中轉時，會利用下一站中轉設備的MAC地址來搜索下一個中轉目標。這時會采用ARP協議（AddressResolutionProtocol）。它是一種用以解析地址的協議，根據通信方的IP地址就可以反查出對應的MAC地址。2計算機網絡的結構TCP協議TCP位于傳輸層，提供可靠的字節流服務。所謂的字節流服務（ByteStreamService）是了方便傳輸，將