第1章 网络基础概述

本章是对计算机网络基础知识的回顾，重点介绍计算机网络中的OSI七层模型的起源、作用和各层的功能，阐述网络传输过程中数据的封装与解封装的过程，以及TCP/IP协议栈中各层的常见协议的特点。本章是学习路由与交换技术的知识基础。

1.1 网络技术基础

计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物，它代表了当代计算机体系结构发展的一个重要方向。从20世纪80年代末开始，计算机技术进入到了一个新的发展阶段，以光纤通信技术应用于计算机网络、多媒体技术、综合业务数据网络、人工智能网络的出现和发展为主要标志。20世纪90年代至21世纪初是计算机网络高速发展的时期，尤其是Internet的建立，推动了计算机网络向更高层次发展。在微机普及的今天，网络平台是个人计算机使用环境的一种必然选择。一个国家、地区或单位计算机网络化的水平，几乎可以代表其计算机的使用水平。

1.1.1 网络发展

计算机网络从20世纪70年代开始发展至今，已形成从小型的办公室局域网到全球性的大型广域网，对现代人类的生产、经济、生活等方面都产生了巨大的影响。随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机网络也经历了从简单到复杂、从单机到多机的发展过程，经历了以下4个历史阶段。

1.面向终端的计算机通信网络

在20世纪50年代中期至60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形。此时的计算机网络是由一台计算机与若干远程终端通过通信线路按点到点方式直接相连，进行远程数据通信，如图1-1所示。典型的代表系统有1963年美国空军建立的半自动化地面防空系统SAGE和美国IBM公司在1963年投入使用的飞机订票系统SABRE-1。

早期这种网络中的主计算机既要管理数据通信，又要对数据进行加工处理，负担很重，效率不高，而且每个终端都要独占一条通信线路，致使每条通信线路的使用率也很低，系统费用增加。

2.计算机-计算机通信网络

20世纪60年代末期至70年代中后期，出现了通过通信线路将分散在各地的计算机系统连接起来的通信网络系统，其结构如图1-2所示。这种网络的主要作用是进行计算机系统之间的信息交换和传递，以交换机为通信子网的中心，并由若干个主机和终端构成用户的资源子网，是计算机网络的雏形。这个阶段，在计算机通信网络的基础上，完成了网络体系结构与协议的研究，形成了完整的计算机网络。典型的代表系统是美国国防部高级研究计划局开发的ARPANET，它是计算机网络技术发展中的一个里程牌，它的研究成果对促进网络技术发展起到了重要作用，并为Internet的形成奠定了基础。

早期的ARPANET是由4个结点组成的试验网，后来扩充到15个结点的ARPA研究中心，到20世纪70年代后期，网络结点超过60个，主计算机超过100台。其地理范围覆盖了美洲大陆，连通了许多大学和研究机构，并通过无线通信连通了夏威夷和欧洲的计算机。ARPANET的研究成果为计算机网络的发展奠定了基础，现在计算机网络的许多概念都来自ARPANET。ARPANET于1990年6月停止运行，被因特网（Internet）取代，完成了它的历史使命。ARPANET的试验成功使计算机网络的概念发生了根本变化。

3.计算机网络标准化阶段

20世纪70年代以后，随着计算机技术与通信技术的密切结合和高度发展，以及个人计算机（PC）的问世，使得拥有多台计算机的企业和部门希望在这些计算机之间不仅能够通信，而且实现了共享资源。因此，通信网络从仅具有通信功能的网络系统，通过各种通信手段，使分布在各地众多的各种计算机系统有机地连接在一起，以共享资源为目的，发展为一个规模更大、功能更强、可靠性更高的、由网络操作系统管理的、遵循国际标准化网络体系结构的计算机网络。

为了使不同体系结构的计算机网络都能够互连，必须有一个大家都遵循的网络体系结构。1977年，国际标准化组织ISO专门成立机构来研究这个问题，并于1980年12月发表了第一个草拟的“开放系统互连参考模型”，简称OSI/RM，1983年被ISO正式批准为国际标准。第三代计算机网络从此开始。

事实上，目前存在着两种占主导地位的网络体系结构，一种是ISO的开放系统互连参考模型（OSI/RM），另一种是传输控制协议/网际协议（TCP/IP）。

4.高速网络阶段

进入20世纪90年代后，计算机网络的发展更加迅速，计算机网络向全面互连、高速、智能和全球化发展，还将得到更广泛的应用。此外，为了保证网络的安全，防止网络中的信息被非法窃取，网络要求更强大的安全保护措施。

新一代计算机网络应满足高速、大容量、综合性、数字信息传递等多方位的需求。现在，从技术上实现了电话网、有线电视网和计算机网络融入综合业务数字网（ISDN），称为三网合一。综合业务数字网将是计算机网络发展的必然方向。各种相关的计算机网络技术和产业必将对21世纪的经济、政治、军事、教育和科技的发展产生更大的影响。

1.1.2 网络定义

在计算机网络发展的不同阶段，人们对计算机网络提出了不同的定义，反映着当时网络技术发展的水平，以及人们对网络的认识程度。现在通常对“计算机网络”的定义是：将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现通信交往、资源共享和协同工作的计算机系统。简单地说，计算机网络就是通过电缆、电话线或无线通信将两台以上的计算机互连起来的集合。

从以上定义可以看出，计算机网络涉及以下三个要点：

①两台或两台以上的计算机相互连接起来才能构成网络，达到资源共享的目的，网络就有一个服务的问题，即肯定有一方请求服务和另一方提供服务。

②两台或两台以上的计算机连接通信，需要有一条物理通道，这条通道的连接由传输介质实现。传输介质包括有线介质和无线介质。其中，有线介质有双绞线、同轴电缆和光纤等；无线介质有激光、微波和卫星等。

③计算机之间要通信交换信息，彼此间必须遵循所规定的约定和规则，这些约定和规则就是通信协议。每个厂商生产的计算机网络产品都有自己的许多协议，这些协议的总体就构成了协议集。

计算机网络按其逻辑功能可以分为“资源子网”和“通信子网”，如图1-3所示。资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络客户提供各种网络资源和网络服务，一般由主机（Host）、终端、终端控制器、通信子网接口设备、各种软件资源和数据资源等组成。通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务，一般由通信控制处理机、通信线路和其他通信设备组成。

1.1.3 网络分类及拓扑结构

1.网络分类

用于对计算机网络进行分类的标准很多，如可以按网络的拓扑结构分类、按网络协议分类、按信道访问方式分类、按传输技术分类等。各种分类标准一般只能给出网络某一方面的特征。

（1）按网络传输技术分类

网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点，根据网络所采用的传输技术对网络进行分类是一种很重要的分类方法，网络可分为广播式网络和点对点式网络。

①广播式网络

在广播式网络中，所有互连的计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会收到这个分组。发送的分组中带有目的地址和源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本结点的地址相同，如果相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。

②点到点式网络

在点到点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。若两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的转发来实现。由于连接多台计算机之间的线路结构可能很复杂，因此从源结点到目的结点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源结点到目的结点的路由需要由路由选择算法实现。

（2）按网络覆盖范围分类

计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。由于网络覆盖的地理范围不同，所采用的传输技术也就不同，因而形成了不同的网络技术特点与网络服务功能。

①局域网（Local Area Network，LAN）

局域网是最常见、应用最广的一种网络。它是在局部地区范围内的网络，所覆盖的地区范围较小，距离一般来说是几米至几十千米以内，一般位于一个建筑物或一个单位内，在计算机数量配置上没有太多的限制，少则可以只有两台，多则可达几百台。一般来说，在企业局域网中工作站的数量在几十到几百台左右。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。

局域网的特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。IEEE的802标准委员会定义了多种局域网标准，如以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）和最新的无线局域网（WLAN）。

②城域网（Metropolitan Area Network，MAN）

城域网一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互连网络。它的连接距离可以在几十到上百千米，采用的是IEEE802.6标准。MAN与LAN相比，扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN通常连接着多个LAN。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。城域网多采用ATM技术做骨干网。

③广域网（Wide Area Network，WAN）

广域网也称为远程网，所覆盖的范围比城域网更广，一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互连，地理范围可从几百千米到几千千米。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构，解决寻径问题。城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6kbps～45Mbps，如CHINANET、CHINAPAC和CHINADDN等。

（3）按应用管理范围分类

①因特网（Internet）

Internet是使用公共语言进行通信的全球计算机网络，它并不是一种具体的物理网络技术，而是将使用不同物理技术的网络，通过路由器等网络互连设备，按TCP/IP统一起来的一种跨越国界的世界范围的大型计算机互连网络。整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。当用户连在Internet上时，用户计算机是Internet的一部分，但一旦用户断开Internet的连接，用户的计算机就不属于Internet了。

从1990年开始，电子邮件（E-mail）、文件传输（FTP）、网络新闻组（USENET）等重要服务的应用，使Internet越来越受到人们的欢迎。从1993年开始，Internet进入了大发展阶段。学术界、工业界、政府部门和广大用户都清楚地看到了Internet的重要作用和巨大潜力，纷纷支持使用Internet。现在它已是全球最大和最具有影响力的计算机互连网络，也是世界范围的信息资源宝库，对推动世界科学、文化、经济和社会的发展有着不可估量的作用。Internet的广泛应用和高速网络技术的快速发展，使得网络计算技术将成为未来几年里重要的研究和应用领域，移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算、云计算等网络计算技术正在成为网络领域新的研究和应用的热点问题。

②内连网（Intranet）

内连网是指由私人、公司或企业等利用Internet技术及其通信标准和工具建立的内部TCP/IP网络，由企业内部的局域网、各种网络设备、网络互连设备以及支持Internet技术的软件组成，能够为用户提供方便、友好、统一的用户浏览信息的界面，有利于系统间的交换。

③外连网（Extranet）

外连网是对内连网的延伸和扩展，指使用Internet和内连网技术构造的企业外部互连网络，是一种使企业和客户、企业和企业互连而成的，为了完成共同目标的合作网络，将企业的内连网进一步扩展到合作伙伴，从而形成了企业之间相关信息共享、信息交流和互相通信的介于Internet和内连网之间的网络。

2.网络拓扑结构

计算机网络通过计算机网络中各结点与通信线路之间的几何关系来表示网络结构，并反映出网络各实体之间的结构关系。通常将网络中的计算机主机、终端和其他设备抽象为结点，通信线路抽象为线路，而将结点和线路连接而成的几何图形称为网络的拓扑结构。

（1）总线型

由一条高速公用总线连接若干个结点所形成的网络结构称为总线型网络，如图1-4所示。在总线型网络中，所有结点都通过同一条线路进行信息传输，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传递，并可被总线上任一结点所接收，这种方式称为广播式通信。它的优点是信道利用率高、地理覆盖范围小、传输速率高、网络建设与扩充容易，缺点是对信道故障敏感，任何通信线路的故障会使整个网络陷入瘫痪。

（2）星型

星型网络中有一个中心结点，其他所有结点都与这一中心结点相连接，如图1-5所示。中心结点是其他结点的中继结点，中心结点接收各结点的信息并转发给相应的结点，这种方式称为点到点通信。它的优点是结构简单、组网容易、线路集中、便于管理和控制，缺点是线路利用率较低，中心结点负担重，容易在中心结点上形成系统的瓶颈。

（3）环型

在环型网络中，各结点通过点到点的通信线路首尾相连，形成闭合的环型，如图1-6所示。环型网络中的信息流动是单向的，从任意结点发出的信息，经环路传送一周后又返回到源结点。由于信息按固定方向流动，因此各结点所发出的信息不会发生冲突。它的优点是传输时延确定、结构简单，缺点是可靠性差，网络扩展和维护都不方便。

（4）树型

树型结构是一种分级结构，可以看成是多级星型结构的组合，如图1-7所示。在实际组建一个大型网络时，往往采用树型结构。网络的最高层是中心交换机，最底层是工作站，而其他各层可以是主机、互连设备等。它的优点是扩充方便、灵活，建网费用也较低。

（5）网状

网状结构的网络由分布在不同地理位置的计算机经传输介质和通信设备连接而成的，网络中的结点之间的连接是任意的、无规律的，如图1-8所示。它的优点是系统可靠性高，缺点是结构复杂。

（6）混合型拓扑

以上介绍的网络拓扑结构，事实上以此为基础，还可构造出一些复合型的网络拓扑结构。

1.2 OSI参考模型体系结构

为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，成立于1974年由多国团体组成的国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）对当时各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型（Reference Model of Open System Interconnection，OSI/RM），也称为ISO/OSI。这里的“开放”表示任何两个遵守OSI/RM的系统（某一计算机系统、终端、系统软件或应用软件等）都可以进行互连，当一个系统能按OSI/RM与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。目前，OSI/RM仍在不断完善之中，一些新的网络通信协议也参照OSI/RM进行设计。

1.2.1 OSI/RM各层结构及功能

OSI/RM模型是设计网络系统的分层次的框架，使得所有类型的计算机系统可以通信。OSI模型包括7个分开但又有关的层次，在其中的每一层都定义了通过网络传送信息的一些过程（见图1-9）。

在OSI/RM模型中，相邻层之间通过接口进行连接。两主机的相应层称为对等层（peer layer），它们所含的实体称为对等实体（peer entity）。各对等层（或对等实体）之间并不直接传输数据，两主机之间传输的数据和控制信息是由高层通过接口依此传递到低层，最后通过底层的物理传输媒体实现真正的数据通信，而各对等实体之间通过协议进行的通信是虚通信。

第1层：物理层（Physical Layer），在物理信道上传输原始的数据流，提供为建立、维护和拆除物理链路连接所需的机械的、电气的、功能和过程的特性。

第2层：数据链路层（Data Link Layer），在物理层提供数据流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（frame）在信道上无差错地传输，并进行数据流量控制。

第3层：网络层（Network Layer），为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成报文分组（packet）在结点之间进行交换传送，并且负责路由控制和拥挤控制。

第4层：传输层（Transport Layer），为上层提供端到端（最终用户到最终用户）的透明的、可靠的数据传输服务。所谓透明的传输，是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。

第5层：会话层（Session Layer），为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务。

第6层：表示层（Presentation Layer），为应用层提供信息表示方式的服务，如数据格式的变换、文本压缩、加密技术等。

第7层：应用层（Application Layer），为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件（E-mail）、分布式数据库、网络管理等。

上述7层网络功能可分3组：第1、2层解决有关网络信道问题，第3、4层解决传输服务问题，第5、6、7层处理对应用进程的访问。另外，从控制角度讲，OSI/RM七层模型的下三层（1、2、3层）可以成传输控制层，负责通信子网的工作，解决网络中的通信问题；上三层（5、6、7层）为应用控制层，负责有关资源子网的工作，解决应用进程的通信问题，中间层（4层）为通信子网和资源子网的接口，起到连接传输和应用的作用。

1.2.2 OSI/RM数据封装及拆封过程

在OSI/RM中，发送方结点A向接收方结点B传送数据时，发送方结点A的发送进程传输给接收方结点B的接收进程的数据经过发送端的各层从上到下传递到物理信道，再传输到接收端的最低层，经过从下到上各层传递，最后到达发送方结点B的接收进程。在发送方结点A内，它的上层和下层之间传输数据。每经过一层，都对数据附加一个信息头部，即“封装”，而该层的功能正是通过这个“控制头”（附加的各种控制信息）来实现的。由于每层都对发送的数据发生作用，因此真正发送的数据越来越大，直到构成数据的比特流，在物理介质上传输。在接收方结点B内，这7层的功能又依次发挥作用，将各自的“控制头”去掉，即“拆封”，同时完成各层相应的功能。

信息实际流动的情况如图1-10所示。从图中看出，数据传输从上至下封装过程包括7个步骤：

①当发送方结点A的数据传送到应用层时，应用层为数据加上本层控制报头AH，组织成应用层的服务数据单元，再传输到表示层。

②表示层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头PH，组织成表示层的服务数据单元，再传送到会话层。

③会话层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头SH，组织成会话层的服务数据单元，再传送到传输层。

④传输层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头TH，组织成传输层的服务数据单元，称为报文（Message）。

⑤传输层的报文传送到网络层时，由于网络层数据单元的长度有限制，传输层长报文将被分割成多个较短的数据字段，再加上网络层的控制报头NH，组织成网络层的服务数据单元—分组（Packet）。

⑥网络层的分组传送到数据链路层时，加上数据链路层的控制信息DH，组织成数据链路层的服务数据单元—帧（Frame）。

⑦数据链路层的帧传送到物理层后，物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到达接收结点B时，再从物理层依次上传，每层对各层的控制报头进行处理，称为“拆封”，将用户数据上交高层，最终将发送方结点A的数据传输给接收方结点B。

1.2.3 OSI/RM协议及各层应用

由于计算机网络中各台主机的类型和规格可能不同，每台主机的操作系统也不一样，为了保证计算机网络能够正常运行，就必须有一套网络中所有结点共同遵守的规程，即网络协议。网络协议是一组关于数据传输、输入/输出格式和各种控制功能的约定，通过这些约定可以在物理线路的基础上构成逻辑上的连接，实现在网络中计算机、终端以及其他设备之间直接进行数据交换。

1.物理层

在实际的网络通信中，被广泛使用的物理层接口标准有EIA RS-232C、EIA RS-449和CCITT建议的X.21等标准。另外，CCITT也有一些相应的标准，如与EIA RS-232C兼容的CCITT V.24建议、与EIA RS-422兼容的CCITT V.10等，接口标准说明请参阅有关标准的文本。在串行通信中，EIA RS-232C是应用最广泛的标准，是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）在1969年公布的数据通信标准。RS（Recommended standard）表示EIA的一种“推荐标准”，后面的232为标识号码，C表示了标准RS-232的修订版本次数。

2.数据链路层

数据链路层协议是最早被确认的通信协议之一。随着通信技术的发展，数据链路层协议也在不断改进和完善，时至今日已基本形成了完整的协议集。数据链路层协议由最初的异步终端协议发展到同步的面向字符协议，后来又出现了同步的面向位协议，这也是现在最常用的数据链路层协议。面向字符协议是利用已定义好的一种代码字符集的一个子集来执行通信控制功能，如用“STX”字符代表正文开始等。可用的字符集有ASCII码和EBCDIC码等，面向字符的典型协议有ISO1745—数据通信系统的基本型控制规程和IBM的二进制同步通信（Binary Synchronous Communication，BSC）协议。最早的面向位协议是IBM公司研制的同步数据链路控制规程（Synchronous Data Link Control，SDLC）协议，用于IBM SNA网络的数据链路层协议。后来几个国际标准化组织做了少量修改，发展为多个版本的面向位协议，如ADCCP（Advanced Data Communication Control Procedure）协议、HDLC（High-level Data Link Control）协议、LAP（Link Access Procedure）协议，这些协议都是以SDLC协议为基础做了少量修改补充而命名的，所以它们的基本内容是相同的。

3.网络层

在网络层中将报文分组从源结点传送到目的结点，选择一条合适的传输路径是至关重要的。局域网多采用共享信道且比较简单，故不需要路由选择。一般广域网多为网状拓扑结构，从源结点到目的结点的通路往往存在多条冗余路由，因此存在选择最佳路由的问题。路由选择就是根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的结点的最佳路由，路由选择算法的好坏关系到网络资源的利用和网络性能的高低，如网络吞吐量、平均延迟时间、资源有效利用率等。网络层协议的代表包括X.25协议、IP、IPX、RIP、OSPF等。X.25协议是CCITT于20世纪70年代推出的，并在后来进行了几十次的修改和完善，被广泛应用于分组交换公用数据网中。

4.传输层

ISO将网络服务分为A、B、C三种类型。

●A型—网络连接具有可接受的残留差错率和可接受的失效通知率。

●B型—网络连接具有可接受的残留差错率和不可接受的失效通知率。

●C型—网络连接具有不可接受的残留差错率。

这里的残留差错是指经过差错控制后仍然存在的传送数据丢失、重复或畸变发生等错误，而失效通知是指网络协议检测到了差错，但不能恢复而通知传输实体。

A型服务是可靠的网络服务，如虚电路服务。C型服务的质量最差，单纯提供无连接（如数据报）服务的广域网或无线电分组交换网均属此类。B型服务介于二者之间，广域网多是提供B型服务。

表1-1 传输层协议分类

根据网络层提供的服务质量类型的不同，OSI/RM将传输层协议分为5类，如表1-1所示。0类最简单，也是功能最低的一类，仅具有连接建立、数据传输及差错报告等功能，适用于A型网络服务。1类除了具有0类的功能外，还增加了基本错误恢复功能，提供流控制、加快数据传输、拆除连接等功能，可用于B型网络服务。2类则在1类的基础上增加了多路复用功能，但不提供错误检测和恢复功能，适用于A型网络服务。3类作为2类的功能增强级，具有差错恢复功能，可用于B型网络服务。4类最复杂，可用于C型网络服务，具有超时机构和校验机构，增加了重复和顺序错检验等功能。

5.会话层

会话层是利用传输层提供的端到端的服务，向表示层或会话用户提供会话服务。这种服务主要是向会话服务用户（表示层实体或用户进程）提供建立连接并在连接上有序地传送数据，这种连接就叫做会话。会话实体通过会话协议组织和同步它们的会话，以管理它们的数据交换。所谓会话协议，就是在传输连接的基础上会话层实体之间建立会话连接的服务，并且支持有序交换数据的交互的一整套机制。会话协议含有34种会话协议数据单元的类型，会话协议数据单元与会话服务原语之间具有相对简单的映像关系，大多数服务原语导致会话协议实体产生并发送一个相应的会话协议数据单元。

6.表示层

表示层处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题，主要涉及被传输信息的语法和语义。在OSI环境中，表示层负责处理数据的表示形式，如文字、图形、声音的表示、数据压缩、数据加密等。由于通信双方表示数据的内部方法往往是不一样的，如IBM370系列计算机使用EBCDIC码表示字符，而大多数其他计算机使用ASCII码，所以需要转换和协定来保证通信双方可以彼此理解。

7.应用层

应用层是OSI/RM的最高层，又是计算机网络与最终用户间的界面，包含系统管理员管理网络服务涉及的所有问题和基本功能。应用层在下面6层提供的数据传输和数据表示等各种服务的基础上，为网络用户或应用程序提供完成特定网络服务功能所需各种应用协议。不同的网络操作系统提供网络服务在功能、性能、易用性、用户界面、实现技术、硬件平台支持、开发应用软件所需的应用程序接口（API）等方面均存在较大差异，所采纳应用层协议也各具特色，所以需要应用层协议的标准化。常用的网络服务包括文件服务、电子邮件服务、打印服务、集成通信服务、目录服务、网络管理服务、安全服务、多协议路由与路由互连服务、分布式数据库服务、虚拟终端服务等。网络服务由相应的应用层协议来实现。

1.3 TCP/IP体系结构

美国国防部高级研究计划局从20世纪60年代开始致力于研究不同类型计算机网络之间的互连问题，成功地开发出著名的TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），它提供了连接不同厂家计算机主机的通信协议，是事实上的工业标准。

1.3.1 TCP/IP体系结构含义

TCP/IP协议栈是一组用于实现网络互连的通信协议，是将多个网络进行无缝连接的体系结构。Internet网络体系结构以TCP/IP协议栈为核心。其模型如图1-11所示。TCP/IP协议栈将各个通信协议分配到以下4层：网络接口层（主机-网络层）、网络层（IP层）、传输层和应用层，最主要的两个协议是网际协议（IP）和传输控制协议（TCP）。

OSI/RM和TCP/IP协议栈的区别在于、OSI/RM是并不是协议，是对了解网络体系结构非常有价值的参考模型，而TCP/IP协议栈则是很多个协议的集合，二者概念不同，并且，TCP/IP协议栈早于OSI/RM开发出来，因此TCP/IP协议栈与OSI/RM七层模型并没有完全的对应关系。

①TCP/IP协议栈是由一组协议共同组成的一个协议栈，OSI/RM定义的是一个网络的结构体系和各层功能的划分。

②OSI/RM是模型、框架，TCP/IP协议栈是实现各层功能的协议的集合。

③OSI/RM为7层，TCP/IP协议栈为4层。

④TCP/IP的应用层相对于OSI/RM的应用层、表示层、会话层。

⑤TCP/IP的网络接口层相对于OSI/RM的数据链路层和物理层。

1.3.2 TCP/IP各层结构及功能

在计算机网络技术中，如何实现不同网络及计算机间的互操作是计算机连网的关键问题，传输控制协议/网际协议（TCP/IP）就是解决这些问题的众多比较完善的网络协议之一。TCP/IP被广泛采用，是因为许多大的计算机生产商（如Xerox、DEC、IBM等）的网络协议产品，虽然功能强大且拥有很多用户，但它们在异种机互连方面功能很弱，而ISO的OSI/RM标准缺乏足够的产品支持，并且OSI/RM的许多标准还在制订中。于是，在20世纪80年代初，人们选择了TCP/IP作为异种机互连的工业标准。这是一个在国际标准ISO/OSI尚未完全被采纳时，用户和厂家共同承认的标准，虽然它不符合ISI/OSI标准，但它已经成为事实上的国际标准和工业标准，并成为支持Internet和企业内部网的协议标准。

按照层次结构对计算机网络模块化的研究，其结果是形成了一组从上到下单向依赖关系的协议栈（Protocol Stack），也叫协议族。TCP/IP参考模型与TCP/IP协议栈之间的关系见图1-11。TCP/IP协议栈实际上就是在物理网上的一组完整的网络协议，对应OSI/RM，该协议组中的TCP提供传输层服务，负责数据的流量控制，并保证传输的正确性；而IP则提供网络层服务，负责将数据从一处传送到另一处。此外，由于TCP/IP是一组协议的代名词，所以还包括许多协议。

1.网络接口层

TCP/IP参考模型允许主机接入网络时使用多种流行的协议，包括各种物理协议，如局域网的Ethernet协议、Token Ring协议、分组交换网的X.25协议，体现了TCP/IP协议栈的兼容性和适应性。

2.网络层

网络层负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源主机和目的主机可以在一个网络，也可以不在一个网络。TCP/IP参考模型的网络层最重要的协议是网际协议（Internet Protocol，IP）。它是一种无连接的采用分组交换方式的网络层协议，既可作为单独通信子网中的网络层协议，也可作为由多个通信子网互连组成的网际网的网络层协议。IP主要负责主机间数据的路由（路径选择）和网络上数据的存储，还为ICMP、TCP、UDP提供分组发送服务。

3.传输层

传输层负责在应用进程之间的端到端的通信。在TCP/IP参考模型的传输层，定义了两个最重要的协议：

①传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是TCP/IP体系结构中传输层采用的一种协议，它从上层实体接收任意长度的报文，并为上层用户提供面向连接的、可靠的全双工数据传输服务。TCP能自动纠正诸如分组丢失、损坏、重复、延迟和乱序等差错，支持多种高层协议，如TELNET、FTP、SMTP等。由于TCP是一种面向连接的协议，故要在一对高层协议之间提供建立连接和释放连接的功能，其连接方法是利用套接字（Socket）使一个高层实体主动发起与另一个高层实体之间的逻辑关系。TCP为了保证可靠的端到端通信还具有流量控制、差错控制、多路复用等功能，适用于各种可靠的或不可靠的网络。

②用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）是一种不可靠的无连接协议，主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。

4.应用层

应用层包含了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。应用层的协议可以分为三类：一类是依赖于面向连接的TCP，一类是依赖于面向无连接的UDP，另一类是既可依赖于TCP，又可依赖于UDP。

①文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP），用于实现网络中交互式文件的传输功能。

②简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP），用于实现网络中电子邮件的传送功能。

③标准终端仿真协议（Telnet Terminal Protocol，TELNET），用于实现网络中远程登录功能。

④简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP），用于管理与监视网络设备。

⑤域名系统（Domain Name System，DNS），用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务。

⑥路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP），用于在网络设备之间交换路由信息。

⑦超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP），用于WWW服务。

习题1

1.计算机网络的发展进程可以划分为几个阶段？

2.计算机网络是如何定义的？

3.计算机网络是如何组成的？

4.计算机网络的拓扑结构有几种？

5.简述OSI/RM各层的结构及功能。

6.简述TCP/IP各层结构及功能。