第1章計算機網(wǎng)絡概述1.1計算機網(wǎng)絡的定義和功能1.2計算機網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展1.3網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構1.4計算機網(wǎng)絡的組成1.5計算機網(wǎng)絡的分類習題計算機網(wǎng)絡的主要功能包括如下幾個方面。

1．數(shù)據(jù)通信利用計算機網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)信息的傳遞是一種全新的電子傳遞方式，比現(xiàn)有的其他通信工具有更多的優(yōu)點，比如它不像電話，需要通話者同時在場，也不像廣播系統(tǒng)，只能單方向傳遞信息；在速度上也比其他方式快得多，通過網(wǎng)絡還可以傳遞聲音、圖像和視頻等多媒體信息。通過網(wǎng)絡環(huán)境，還可以建立一種新型的協(xié)作方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡計算機協(xié)同工作，它消除了地理上的距離限制。1.1計算機網(wǎng)絡的定義和功能

2．資源共享在計算機網(wǎng)絡中，有許多昂貴的資源，例如大型數(shù)據(jù)庫、巨型計算機等，要使這些資源為每一用戶所擁有，即用戶可以共享這些資源。共享資源包括硬件資源的共享，如打印機、大容量磁盤等；也包括軟件資源的共享，如程序、數(shù)據(jù)等。資源共享的結果是避免重復投資和勞動，從而提高資源的利用率，使系統(tǒng)的整體性能價格比得到改善。

3．增加可靠性在單個系統(tǒng)內，某個資源或計算機的暫時失效將導致系統(tǒng)癱瘓，或者通過替換資源的辦法來維持系統(tǒng)的繼續(xù)運行。但在計算機網(wǎng)絡中，每種資源(尤其程序和數(shù)據(jù))可以存放在多個地點，而用戶可以通過多種途徑來訪問網(wǎng)內的某個資源，從而避免了單點失效對用戶產(chǎn)生的影響。

4．提高系統(tǒng)處理能力單機系統(tǒng)的處理能力是有限的，且由于種種原因，各計算機的忙閑程度也不均勻。從理論上講，在同一個網(wǎng)絡系統(tǒng)的多臺計算機通過協(xié)同操作和并行處理來提高整個系統(tǒng)的處理能力，并使各計算機負載均衡。由于計算機網(wǎng)絡具備上述功能，因此得到了廣泛的應用。在計算機網(wǎng)絡的支持下，銀行系統(tǒng)實現(xiàn)異地通存通兌，而且加快了資金的流轉速度；醫(yī)療專家系統(tǒng)的各科醫(yī)生可以聯(lián)合為一個病人治療、診斷；由科學家們組成的各個領域的研究圈通過網(wǎng)絡來進行學術交流和研究，及時發(fā)表最新的思想和研究成果。1.2.1面向終端的計算機通信網(wǎng)在計算機剛問世后的幾年里，數(shù)量非常少，且非常昂貴，因此計算機和通信并沒有什么關系。1954年，人們開始使用一種叫做收發(fā)器(transceiver)的終端，人們使用這種終端首次實現(xiàn)了將穿孔卡片上的數(shù)據(jù)通過電話線路送到遠地的計算機的功能。后來，電傳打字機也作為遠程終端和計算機相連，用戶可在遠地的電傳打字機上鍵入自己的程序，而計算機的處理結果又可以傳送到遠地的電傳打字機上并打印出來。計算機網(wǎng)絡的基本原型就這樣誕生了。1.2計算機網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展由于當初計算機是為成批處理而設計的，因此計算機與遠程終端相連時，必須在計算機上增加一個接口，并且這個接口應當對計算機原來的硬件和軟件的影響盡可能小。于是，就出現(xiàn)了所謂的“線路控制器”(LineController)(因為在通信線路上采用串行傳輸而在計算機內采用的是并行傳輸，因此線路控制器的主要功能是進行串行和并行傳輸?shù)霓D換以及簡單的差錯控制)。在通信線路的兩端還必須各加上一個調制解調器。這是因為電話線路本來是為傳送模擬的話音信號而設計的，它不適合于傳送計算機的數(shù)字信號。調制解調器的主要作用就是把計算機或終端使用的數(shù)字信號與電話線路上傳送的模擬信號進行模/數(shù)或數(shù)/模轉換。隨著遠程終端數(shù)量的增多，為了避免一臺計算機使用多個線路控制器，在20世紀60年代初，出現(xiàn)了多重線路控制器(MultilineController)，它可和多個遠程終端相連接(見圖1-1)，構成面向終端的計算機通信網(wǎng)，它是最原始的計算機網(wǎng)絡(有人稱其為第一代計算機網(wǎng)絡)。這里，計算機是網(wǎng)絡的中心和控制者，終端圍繞中心計算機分布在各處，而計算機的主要任務也還是進行成批處理，故稱其為聯(lián)機系統(tǒng)，以區(qū)別于早先使用的脫機系統(tǒng)。當人們認識到計算機還可用作數(shù)據(jù)處理時，計算機的用戶數(shù)量就迅速增長。但是，每當需要增加一個新的遠程終端時，上述的這種線路控制器就要進行許多硬件和軟件的改動，以便與新加入的終端的字符集和傳輸速率等特性相適應。然而，這種線路控制器對主機卻造成了相當大的額外開銷。人們終于認識到應當設計出另一種不同硬件結構的設備來完成數(shù)據(jù)通信的任務，這就導致了具有較多智能的通信處理機的出現(xiàn)。通信處理機也稱為前端處理機(FEP，F(xiàn)rontEndProcessor)，或簡稱為前端機。前端處理機分工完成全部的通信任務，而讓主機專門進行數(shù)據(jù)的處理。這樣就大大地提高了主機進行數(shù)據(jù)處理的效率。圖1-1面向終端的計算機通信網(wǎng)圖1-2表示用一個前端處理機與多個遠程終端相連的情況。由于可采用較便宜的小型計算機充當大型計算機的前端處理機，因此這種面向終端的計算機通信網(wǎng)獲得了很大的發(fā)展。一直到現(xiàn)在，大型計算機組成的網(wǎng)絡仍使用前端處理機，而對于目前接入局域網(wǎng)的個人計算機，其使用的接口網(wǎng)卡在原理上就相當于這種前端處理機。圖1-2用前端處理機實現(xiàn)的聯(lián)機系統(tǒng)1.2.2基于交換的計算機通信網(wǎng)在面向終端的計算機網(wǎng)絡中，用戶通過終端命令以交互方式使用計算機，從而將單一計算機系統(tǒng)的各種資源共享給各個用戶。這種網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用極大地刺激了用戶使用計算機的熱情，使計算機用戶的數(shù)量迅速增加。但這種網(wǎng)絡系統(tǒng)也存在著一定的缺點：如果計算機的負荷較重，會導致系統(tǒng)響應時間過長；如果主機系統(tǒng)可靠性降低，一旦計算機發(fā)生故障，將導致整個網(wǎng)絡系統(tǒng)癱瘓。為了克服第一代計算機網(wǎng)絡的缺點，提高網(wǎng)絡的可靠性和可用性，人們開始研究利用類似電話系統(tǒng)中的線路交換思想將多臺計算機相互連接起來。這種基于交換技術的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)對網(wǎng)絡的發(fā)展有著極其重要的作用，它成為現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡技術的基礎。電路交換技術本來是為電話通信而設計的，對于計算機網(wǎng)絡來說，建立通路的呼叫過程太長，必須尋找新的適合于計算機通信的交換技術。1964年8月，Baran(巴蘭)在美國Rand(蘭德)公司的《論分布式通信》的研究報告中提出了存儲轉發(fā)思想。在1962～1965年，美國國防部的高級研究計劃署(ARPA，AdvancedResearchProjectsAgency)和英國的國家物理實驗室(NPL，NationalPhysicsLaboratory)都對新型的計算機通信網(wǎng)進行過研究。1966年6月，NPL的Davies(戴維斯)首次提出“分組”(Packet)這一概念。1969年12月，美國的分組交換網(wǎng)ARPANET投入運行，當時僅有4個結點。ARPANET的成功，標志著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展進入了一個新紀元。

ARPANET網(wǎng)的成功運行使計算機網(wǎng)絡的概念發(fā)生了根本變化。早期的面向終端的計算機網(wǎng)絡是以單臺主機為中心的星形網(wǎng)(見圖1-3(a))，各終端通過電話網(wǎng)共享主機的硬件和軟件資源。而分組交換網(wǎng)則實際以網(wǎng)絡(通信子網(wǎng))為中心，主機和終端都處在網(wǎng)絡的邊緣(見圖1-3(b))。主機和終端構成了用戶資源子網(wǎng)(以區(qū)別于通信子網(wǎng))，用戶不僅共享通信子網(wǎng)的資源，而且還可共享用戶資源子網(wǎng)豐富的硬件和軟件資源。這種以通信子網(wǎng)為中心的計算機通信網(wǎng)被稱為第二代計算機網(wǎng)絡，它比第一代網(wǎng)絡在功能上擴大了很多，成為20世紀七八十年代計算機網(wǎng)絡的主要形式。圖1-3從以單個主機為中心演變到以通信子網(wǎng)為中心在以分組交換為核心的第二代通信網(wǎng)絡中，多臺計算機通過通信子網(wǎng)構成一個有機的整體，既分散又統(tǒng)一，從而使整個系統(tǒng)性能大大提高；原來單一主機的負載可以分散到全網(wǎng)的各個機器上，使得網(wǎng)絡系統(tǒng)的響應速度加快；在這種系統(tǒng)中，單機故障也不會導致整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的全面癱瘓。必須指出，分組交換網(wǎng)之所以能得到迅速的發(fā)展，很重要的一個原因就是：分組交換技術給用戶帶來了經(jīng)濟上的好處，其費用比使用電路交換更為低廉。1.2.3計算機網(wǎng)絡體系結構的形成在網(wǎng)絡中，相互通信的計算機必須高度協(xié)調工作，而這種“協(xié)調”是相當復雜的。為了降低網(wǎng)絡設計的復雜性，早在當初設計ARPANET時專家就提出了層次模型思想。分層次設計方法可以將龐大而復雜的物體轉化為若干較小且易于處理的子問題。1974年，IBM公司提出了它研制的“系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構”(SNA，SystemNetworkArchitecture)，它是按照分層的方法制定的，成為世界上使用得較為廣泛的一種網(wǎng)絡體系結構。DEC公司當時也提出了自己的網(wǎng)絡體系結構——數(shù)字網(wǎng)絡體系結構(DNA，DigitalNetworkArchitecture)。有了網(wǎng)絡體系結構，使得一個公司所生產(chǎn)的各種機器和網(wǎng)絡設備可以非常容易地被連接起來，這種情況顯然有利于一個公司壟斷自己的產(chǎn)品。用戶一旦購買了某個公司的網(wǎng)絡，當需要擴展時，就只能再購買原公司的產(chǎn)品。因為各個公司的網(wǎng)絡體系結構各不相同，所以不同公司之間的網(wǎng)絡不能互連互通。然而全球經(jīng)濟的發(fā)展使得不同網(wǎng)絡體系結構的用戶迫切要求能夠互相交換信息。為了使不同體系結構的計算機網(wǎng)絡都能互連，國際標準化組織(ISO)于1977年成立了專門機構研究該問題。不久，他們就提出了一個使各種計算機能夠互連的標準框架，即著名的開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI/RM，OpenSystemsInterconnection/ReferenceModel)，簡稱為OSI，它將網(wǎng)絡劃分為七層，并規(guī)定了每層的功能(詳見1.3節(jié))。它的“開放”思想是：只要遵循OSI標準，一個網(wǎng)絡系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方并也遵循同一標準的任何其他系統(tǒng)進行通信(這一點很像世界范圍的電話和郵政系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)都是開放系統(tǒng))。OSI/RM參考模型的提出，意味著計算機網(wǎng)絡發(fā)展到了第三代。

OSI參考模型的推出使網(wǎng)絡發(fā)展走向標準化，而網(wǎng)絡標準化的最大體現(xiàn)就是Internet的飛速發(fā)展，現(xiàn)在Internet已成為全球最大的商用計算機互聯(lián)網(wǎng)。它遵循TCP/IP參考模型，由于TCP/IP仍然使用分層結構思想(但與OSI參考模型有很大不同)，因此Internet仍屬于第三代計算機網(wǎng)絡。1.2.4局域網(wǎng)的形成在計算機網(wǎng)絡的發(fā)展過程中，另一個重要階段就是在20世紀80年代初發(fā)展起來的局域網(wǎng)。由于微型計算機的出現(xiàn)和應用普及，人們迫切需要將眾多的微機組成網(wǎng)絡，局域網(wǎng)就是在一個有限區(qū)域范圍內將眾多微型計算機連接在一起實現(xiàn)信息交換和信息共享的網(wǎng)絡。作為網(wǎng)絡的一個重要分支，局域網(wǎng)連網(wǎng)簡單，只要在微型計算機中插入一個接口板就能實現(xiàn)連網(wǎng)。由于局域網(wǎng)價格便宜，傳輸速率高，使用方便，因此在20世紀80年代開始得到了快速發(fā)展，特別是微機的大量推廣和普及，對局域網(wǎng)的應用起到了很大的推動作用，對當今計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。1.2.5Internet時代的到來進入20世紀80年代末期以來，在計算機網(wǎng)絡領域最引人注目的就是起源于美國的Internet的飛速發(fā)展。Internet的原意就是互聯(lián)網(wǎng)，全國自然科學名詞審定委員會推薦的譯名是“因特網(wǎng)”。本書仍用英文原名?，F(xiàn)在Internet已發(fā)展成為世界上最大的國際性計算機互聯(lián)網(wǎng)。Internet對世界的沖擊之大，影響之深是人們所未能預料的，這就使得20世紀90年代成為Internet時代。

Internet已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大和增長速率最快的計算機網(wǎng)絡，沒有人能夠準確說出Internet究竟有多大。特別是到了20世紀90年代，Internet得到了迅猛發(fā)展，成指數(shù)級增長趨勢。1998年初的統(tǒng)計是：已有超過60萬個網(wǎng)絡連在Internet上，而上網(wǎng)的計算機超過2000萬臺；Internet上的數(shù)據(jù)通信量每月約增加10%；Internet已連通了世界上180多個國家和地區(qū)。由于Internet存在著技術上和功能上的不足，加上用戶數(shù)量猛增，使得現(xiàn)有的Internet不堪重負。因此1996年美國的一些研究機構和34所大學提出研制和建造新一代Internet的設想。同年10月，美國宣布在今后5年內用5億美元的聯(lián)邦資金實施“下一代Internet計劃”，即“NGI計劃”(NextGenerationInternetInitiative)。

NGI計劃要實現(xiàn)的一個目標是：開發(fā)下一代網(wǎng)絡結構，以比現(xiàn)在的Internet高100倍的速率連接至少100個研究機構，以比現(xiàn)在的Internet高1000倍的速率連接10個類似的網(wǎng)點；其端到端的傳輸速率要超過100?Mb/s至10?Gb/s。另一個目標是使用更加先進的網(wǎng)絡服務技術和開發(fā)許多帶有革命性的應用，如遠程醫(yī)療、遠程教育、有關能源和地球系統(tǒng)的研究、高性能的全球通信、環(huán)境監(jiān)測和預報、緊急情況處理等。NGI計劃將使用超高速全光網(wǎng)絡，能實現(xiàn)更快速的交換和路由選擇，同時具有為一些實時應用保留帶寬的能力。在整個Internet的管理和保證信息的可靠性和安全性方面也會有很大的改進。1.2.6計算機網(wǎng)絡發(fā)展的前景計算機網(wǎng)絡經(jīng)過第一代、第二代和第三代的發(fā)展，表現(xiàn)出其巨大的使用價值和廣闊的應用前景。從技術的發(fā)展看，推動網(wǎng)絡發(fā)展的主要因素是微電子技術、大規(guī)模集成電路技術、光通信技術和計算機技術等。微電子技術用于通信，發(fā)展了數(shù)字電話、ISDN、數(shù)字移動電話、寬帶ISDN以及異步傳輸模式ATM等。光通信技術的發(fā)展提高了傳送速度和性能，預計到2010年傳輸速率可達到105Mb/s，傳輸性能達到50Mb·km/s(即50兆位千米每秒)。從網(wǎng)絡技術本身的發(fā)展來看，為了滿足日益增長的市場需求，以及迎接十分激烈的競爭和挑戰(zhàn)，在20世紀90年代人們主要通過改進網(wǎng)絡結構、傳輸技術、交換技術和網(wǎng)絡管理，從而提高性能、增加服務、減低成本、滿足用戶的需要，已經(jīng)定義了同步光纖網(wǎng)SONET標準，速率分別達到155?Mb/s、622?Mb/s和2.5?Gb/s的系統(tǒng)已經(jīng)推出，異步傳輸模式ATM已進入實用階段，并開始用于寬帶ISDN和多媒體通信等高速網(wǎng)絡。高速網(wǎng)絡的應用開發(fā)主要包括圖像、多媒體、實時系統(tǒng)和分布計算。圖像應用包括圖像文本管理、可視化工具、醫(yī)療圖像、出版、計算機輔助設計和輔助制造、建筑設計制圖和指紋驗證等。多媒體應用包括計算機支持合作工作、會議系統(tǒng)、分布多媒體學習環(huán)境、電視點播系統(tǒng)等。實時系統(tǒng)應用包括安全系統(tǒng)、遠程控制和操作、在線事務處理等。分布計算應用包括分布處理、分布數(shù)據(jù)庫、客戶/服務器系統(tǒng)等。由此可見，網(wǎng)絡技術正迅速朝著高速化、實時化、智能化、集成化和多媒體化的方向發(fā)展。1.3網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構1.3.1分層次的網(wǎng)絡體系結構

1．網(wǎng)絡協(xié)議要想使兩臺計算機進行通信，必須使它們采用統(tǒng)一的信息交換規(guī)則。在計算機網(wǎng)絡中，把用于規(guī)定信息格式以及如何發(fā)送和接收信息的一套規(guī)則(標準、約定)稱為網(wǎng)絡協(xié)議(或稱通信協(xié)議)。在計算機網(wǎng)絡中要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的網(wǎng)絡協(xié)議。一個網(wǎng)絡協(xié)議主要由以下三個要素組成：語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結構、格式和編碼。語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應答。同步，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。由此可見，網(wǎng)絡協(xié)議是計算機網(wǎng)絡不可缺少的組成部分。

2．協(xié)議分層為了減少網(wǎng)絡協(xié)議設計的復雜性，協(xié)議的設計者并不是設計一個單一、巨大的協(xié)議來為所有形式的通信規(guī)定完整的細節(jié)，而是把復雜的通信問題按一定層次劃分為許多相對獨立的子功能，然后為每一個子功能設計一個單獨的協(xié)議，即每層對應一個協(xié)議。這樣做使得每個協(xié)議的設計、分析、編碼和測試變得簡單易行，這是協(xié)議分層的根本目的。從層次角度看，一個網(wǎng)絡系統(tǒng)就是按照分層次的方式來組織和實現(xiàn)的。狹義地說，協(xié)議分層就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡的整體功能分解為一個個的功能層，每個功能層用對應的協(xié)議規(guī)定其功能，不同機器上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議，同一機器上的相鄰功能層之間通過接口進行數(shù)據(jù)傳遞。為了便于理解協(xié)議分層的概念，在現(xiàn)實生活中可以找到許多協(xié)議分層思想，下面以郵政送遞系統(tǒng)為例進行說明。人們平常寫信時，實際上都有信件的格式和內容約定。首先必須采用雙方都懂的語言文字和文體，開頭是對方稱謂，最后是落款等。這樣，對方收到信后，才可以看懂信中的內容，知道是誰寫的，什么時候寫的等。當然還可以有其他的一些特殊約定，如書信的編號、密寫手段等。信寫好之后，必須用信封將信件進行封裝并交由郵局寄發(fā)。其次，寄信人和郵局之間也要有約定，即規(guī)定信封的寫法并貼足郵票。在中國寄信必須先寫收信人地址、姓名和郵編，然后才寫寄信人的地址、姓名和郵編。郵局收到信后，要按郵寄地點和信件種類進行分揀和分類，打包并附上標簽后，交付有關運輸部門進行運輸，如航空信交民航，平信交鐵路、公路或水路等運輸部門。同樣，郵局和運輸部門也有約定，要規(guī)定打包標簽上的格式，如到站地點、時間、包裹形式等。信件運送到目的地后進行相反的過程，最終將信件送到收信人手中，收信人依照約定的格式才能讀懂信件。如圖1-4所示，整個過程被劃分成三個子系統(tǒng)，即用戶子系統(tǒng)、郵政子系統(tǒng)和運輸子系統(tǒng)。圖1-4郵政系統(tǒng)分層模型從上面例子可以看出，各種約定都是為了達到將信件從一個源地送到某一個目的地這個目標而設計的，這就是說，它們是因信息的流動而產(chǎn)生的?？梢詫⑦@些約定分為同等機構間的約定(如用戶之間的約定、郵政局之間的約定和運輸部門之間的約定)以及不同機構間的約定(如用戶與郵政局之間的約定、郵政局與運輸部門之間的約定)。雖然兩個用戶、兩個郵政局、兩個運輸部門分處甲、乙兩地，但它們都分別對應同等機構，同屬一個子系統(tǒng)；而同處一地的不同機構則不在一個子系統(tǒng)內，而且它們之間的關系是服務與被服務的關系。很顯然，這兩種約定是不同的，前者為部門內部的約定，而后者是不同部門之間的約定。在計算機網(wǎng)絡環(huán)境中，兩臺計算機中兩個進程之間進行通信的過程與郵政通信的過程十分相似。用戶進程對應于用戶，計算機中進行通信的進程對應于郵局，通信設施對應于運輸部門。為了減少網(wǎng)絡設計的復雜性，人們往往按功能將計算機網(wǎng)絡劃分為多個不同的功能層。網(wǎng)絡中同等層之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，如有關第N層的通信規(guī)則的集合就是第N層的協(xié)議。而同一計算機的不同功能層之間的通信規(guī)則稱為接口，在第N層和第(N＋1)層之間的接口稱為N/(N＋1)層接口?？偟膩碚f，協(xié)議是不同機器同等層之間的通信約定，而接口是同一機器相鄰層之間的通信約定。不同的網(wǎng)絡，分層數(shù)量、各層的名稱和功能以及協(xié)議都各不相同。然而，在所有的網(wǎng)絡中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務。協(xié)議分層方法將整個網(wǎng)絡通信功能劃分為垂直的層次后，在通信過程中下層將向上層隱蔽其實現(xiàn)細節(jié)。層次的劃分應首先確定分層數(shù)以及每層應完成的任務，原則上劃分時應按邏輯組合功能，要有足夠的層次，以使每層易于處理，但層次也不能過多，以免產(chǎn)生難以負擔的處理開銷。協(xié)議層次化不同于程序設計中模塊化的概念。在程序設計中，各模塊可以相互獨立、任意拼裝或者并行，而協(xié)議層次則一定有上下之分，它是依數(shù)據(jù)流的流動而產(chǎn)生的。

3．網(wǎng)絡體系結構網(wǎng)絡體系結構是指網(wǎng)絡中分層模型和各層協(xié)議的集合。網(wǎng)絡體系結構的描述必須包括足夠的信息，以方便為每一功能層進行硬件設計或編寫程序，并使之符合相關協(xié)議。值得注意的是，網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)的細節(jié)不屬于網(wǎng)絡體系結構的內容，因為它們隱含在機器內部，對外部來說是不可見的。總之，體系結構是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的。為了加深對網(wǎng)絡體系結構概念的理解，暫時回避OSI/RM和TCP/IP這些具體協(xié)議體系，這里先構造一個原理性的網(wǎng)絡體系結構(如圖1-5所示)，雖然是原理性的(只有5層)，但它綜合了OSI和TCP/IP協(xié)議分層的優(yōu)點，既簡明又能將概念闡述清楚。各層的主要功能簡述如下。圖1-5一個原理性的網(wǎng)絡體系結構

1)物理層物理層的任務就是透明地傳送比特流。在物理層上所傳數(shù)據(jù)的單位是比特，它關心的問題是：使用什么樣的物理信號來表示數(shù)據(jù)“0”和“1”；“0”和“1”持續(xù)的時間多長；數(shù)據(jù)傳輸是否可同時在兩個方向上進行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；物理接口(插頭和插座)有多少針以及各針的功能。該層還規(guī)定設計物理層接口的機械、電氣、功能和過程特性等通信工程領域的一些問題。傳遞信息所利用的一些物理介質，如雙絞線、同軸電纜、光纜等，不屬于物理層范圍之內，而在物理層的下面。

2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的任務是在兩個相鄰結點間的線路上無差錯地傳送以幀(Frame)為單位的數(shù)據(jù)。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。在傳送數(shù)據(jù)時，若接收結點檢測到所收到的數(shù)據(jù)中有差錯，就要通知發(fā)方重發(fā)這一幀，直到這一幀正確無誤地到達接收結點為止。在每一幀所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差錯控制以及流量控制信息等。這樣，數(shù)據(jù)鏈路層就把一條有可能出差錯的實際鏈路轉變成為讓網(wǎng)絡層向下看起來好像是可靠的一條鏈路。

3)網(wǎng)絡層在計算機網(wǎng)絡中進行通信的兩個計算機之間可能要經(jīng)過許多個結點和鏈路，也可能還要經(jīng)過好幾個不同的通過路由器互連的通信子網(wǎng)。在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組(或包)，因此要將發(fā)送方主機送來的報文分割成若干個分組。網(wǎng)絡層的任務就是完成主機間的報文傳輸；選擇合適的路由，使發(fā)送方報文能夠正確無誤地按照地址找到目的站，并交付給目的站。這就是網(wǎng)絡層的尋址功能。如果在子網(wǎng)中出現(xiàn)過多的報文，子網(wǎng)可能形成擁塞，因此網(wǎng)絡層還要避免擁塞。在局域網(wǎng)中，由于沒有路由問題，網(wǎng)絡層是冗余的，因此可以沒有。

4)傳輸層傳輸層的任務是根據(jù)下面通信子網(wǎng)的特性最佳地利用網(wǎng)絡資源，并以可靠和經(jīng)濟的方式為兩端主機(也就是源站和目的站)的進程之間建立一條傳輸連接，以透明地傳送報文。或者說，傳輸層為進行通信的兩個進程之間提供一個可靠的端到端的服務，使它們看不到傳輸層以下的數(shù)據(jù)通信的細節(jié)。在通信子網(wǎng)內的各個交換結點以及連接各通信子網(wǎng)的路由器中都沒有傳輸層。傳輸層只能存在于通信子網(wǎng)外面的主機之中。傳輸層以上的各層就不再關心信息傳輸?shù)膯栴}了。正因為如此，傳輸層就成為計算機網(wǎng)絡體系結構中非常重要的一層。

5)應用層應用層在體系結構中是最高層。它的任務是確定進程之間通信的性質以滿足用戶的需要。應用層不僅要提供應用進程所需要的信息交換和遠地操作，而且還要作為互相作用的應用進程的用戶代理，來完成一些為進行語義上有意義的信息交換所必需的功能。應用層直接為用戶的應用進程提供服務。需要注意的是，應用層協(xié)議并不是解決用戶各種具體應用的協(xié)議。圖1-6說明了一個應用進程的數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程中所經(jīng)歷的變化。這里為簡單起見，假定兩個主機是直接相連的。圖1-6數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程假定計算機1的應用進程AP1向計算機2的應用過程AP2傳送數(shù)據(jù)。AP1先將其數(shù)據(jù)交給第5層。第5層加上必要的控制信息H5就變成了下一層的數(shù)據(jù)單元。第4層收到這個數(shù)據(jù)單元后，加上本層的控制信息H4，再交給第3層，成為第3層的數(shù)據(jù)單元。依次類推。不過到了第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)后，控制信息分成兩部分，分別加到本層數(shù)據(jù)單元的首部(H2)和尾部(T2)，而第1層(物理層)由于是比特流的傳送，所以不再加控制信息。在OSI參考模型中，在對等層次上傳送的數(shù)據(jù)，其單位都稱為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，ProtocolDataUnit)。這個名詞現(xiàn)已被許多非OSI標準采用。當這一串比特流經(jīng)網(wǎng)絡的物理介質傳送到目的站時，就從第1層依次上升到第5層。每一層根據(jù)控制信息進行必要的操作，然后將控制信息剝去，將該層剩下的數(shù)據(jù)單元上交給更高的一層。最后，把應用進程AP1發(fā)送的數(shù)據(jù)交給目的站的應用進程AP2。可以用一個簡單的例子來比喻上述過程。有一封信從最高層向下傳。每經(jīng)過一層就包上一個新的信封。包有多個信封的信傳送到目的站后，從第1層起，每層拆開一個信封后就交給它的上一層。傳到最高層后，取出發(fā)信人所發(fā)的信交給收信用戶。雖然應用進程數(shù)據(jù)要經(jīng)過如圖1-6所示的復雜過程才能送到對方的應用進程，但這些復雜過程對用戶來說，卻都被屏蔽掉了，以致應用進程AP1覺得好像是直接把數(shù)據(jù)交給了應用進程AP2。同理，任何兩個同樣的層次(例如在兩個系統(tǒng)的第4層)之間，也好像如同圖中的水平虛線所示的那樣，將數(shù)據(jù)(即數(shù)據(jù)單元加上控制信息)通過水平虛線直接傳遞給了對方。這就是所謂的“對等層”(PeerLayers)之間的通信。我們以前經(jīng)常提到的各層協(xié)議，實際上就是在各個對等層之間傳遞數(shù)據(jù)時的各項規(guī)定。在文獻中也還可以見到術語“協(xié)議?！?ProtocolStack)。這是因為幾個層次畫在一起很像一個堆棧(Stack)。1.3.2網(wǎng)絡服務與實體服務在計算機網(wǎng)絡中是一個極其重要的概念。在網(wǎng)絡體系結構中，所謂服務，就是網(wǎng)絡中的各層向其相鄰上層提供一組操作，是相鄰兩層之間的界面。由于網(wǎng)絡分層結構中的單向依賴關系，使得網(wǎng)絡中相鄰層之間的界面也是單向的，也就是說，下層是服務提供者，上層是服務用戶，而服務的表現(xiàn)是原語，比如庫函數(shù)或系統(tǒng)調用。另一方面，在研究網(wǎng)絡進行信息交換時，用實體(Entity)來表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件對象，每一層至少存在一個實體，在不同主機上同一層內的實體稱為對等實體，N層實體實現(xiàn)的服務為N＋1層所利用，而N層則要利用N－1層所提供的服務。N層實體可以向N＋1層提供幾類服務。一定要弄清楚，協(xié)議和服務是兩個截然不同的概念。第一，協(xié)議的實現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議，下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。第二，協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。但服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。還應注意到，并非在一個層內完成的全部功能都稱為服務，只有那些能夠被高一層看得見的功能才能稱之為“服務”。上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令，這些命令稱為服務原語。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行交互(即交換信息)的地方，通常稱為服務訪問點(SAP，ServiceAccessPoint)。服務訪問點(SAP)是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口，有些像郵政信箱(寫信人和郵局的接口)，但和通常所說的兩個設備之間的硬件并行接口或串行接口不一樣。OSI將層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服務數(shù)據(jù)單元(SDU，ServiceDataUnit)，它可以與PDU不一樣。例如，可以由多個SDU合成為一個PDU，也可以將一個SDU劃分為幾個PDU。這樣，任何相鄰兩層之間的關系可概括為如圖1-7所示的那樣。這里要注意的是，某一層向上一層所提供的服務實際上已包括了在它以下各層所提供的服務。所有這些對上一層來說就相當于一個服務提供者。在服務提供者上一層的實體，也就是“服務用戶”，它使用服務提供者所提供的服務。從通信的角度看，各層向其相鄰的上層所提供的服務可分為兩大類，即面向連接的服務(Connection-oriented)和無連接的服務(Connectionless)。所謂連接，就是兩個對等實體為進行數(shù)據(jù)通信而進行的一種結合。面向連接的服務在數(shù)據(jù)交換之前必須先建立連接。在數(shù)據(jù)交換結束后，則應終止這個連接。圖1-7相鄰兩層之間的關系面向連接的服務具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放這三個階段。在傳送數(shù)據(jù)時是按序傳送的，各數(shù)據(jù)包不需要攜帶目的地址，而使用連接號。這點和電路交換的許多特性很相似，因此面向連接服務在傳輸層中又稱為虛電路服務?！疤摗笔侵鸽m然在兩個服務用戶的通信過程中并沒有自始至終占用一條端到端的完整物理電路(注意：采用分組交換時，鏈路是逐段被占用的)，但卻好像一直占用了一條這樣的電路。面向連接的服務比較適合于在一定期間內向同一目的地發(fā)送許多報文的情況。這種服務可以看做是電話系統(tǒng)服務模式的抽象。若兩個用戶需要經(jīng)常進行頻繁的通信，則可以建立永久虛電路。這樣可免除每次通信時連接建立和連接釋放這兩個過程。這點和電話網(wǎng)中的專線通信十分相似。在無連接服務的情況下，兩個實體之間的通信不需要先建立好一個連接，因此每個報文要帶有完整的目的地址，每個報文在系統(tǒng)中獨立傳送。這種服務可以看做是郵政系統(tǒng)服務模式的抽象。在無連接服務模式下，不能保證報文到達的先后順序，原因是不同的報文可能經(jīng)不同的路徑到達目的地，所以先發(fā)的報文不一定先到。無連接服務也不對出錯報文進行恢復或重傳，不能防止報文的丟失、重復或失序。換句話說，它不保證報文傳輸?shù)目煽啃?，因此這種無連接服務只適合于傳送少量零星的報文。1.3.3服務原語“服務”在形式上是用一組原語來描述的，這些原語供用戶和其他實體訪問該服務，或者向用戶實體報告某事件的發(fā)生。服務原語可以劃分為如表1-1所示的4類。服務用戶用“請求”原語提出某項服務請求，如請求建立連接和發(fā)送數(shù)據(jù)。服務提供者執(zhí)行這一請求后，將用“指示”原語通知接收方的用戶實體。例如，發(fā)出“連接請求”(CONNECT.request)原語之后，該原語地址段內所指向的接收方的對等實體會得到一個“連接指示”(CONNECT.indication)原語，通知它有人想要與它建立連接。接收到“連接指示”原語的實體使用“連接響應”(CONNECT.response)原語表示它是否愿意接受建立連接的建議。但無論接收方是否接受該請求，請求建立連接的一方都可以通過接收“連接確認”(CONNECT.confirm)原語而獲知接收方的態(tài)度(事實上傳輸層及其他層的服務用戶要拒絕建立連接請求，不是采用CONNECT.response原語，而是采用DISCONNECT.request原語)。原語可以帶參數(shù)，而且大多數(shù)原語都帶有參數(shù)?！斑B接請求”原語的參數(shù)可以指明它要與哪臺機器連接，需要的服務類別和擬在該連接上使用的最大報文長度。“連接指示”原語的參數(shù)可以包含呼叫者的標志，指明需要的服務類別、建議的最大報文長度。如果被呼叫的實體不同意呼叫實體建立的最大報文長度，它可能在“連接響應”原語中提出一個新的建議，呼叫方會從“連接確認”原語中獲知。這一協(xié)商過程的細節(jié)屬于協(xié)議的內容。例如，在兩個關于最大報文長度的建議不一致的情況下，協(xié)議可能規(guī)定選擇較小的值。服務有“有確認”和“無確認”之分。有確認的服務包括“請求”、“指示”、“響應”和“確認”四個原語。無確認服務只有“請求”和“指示”兩個原語。建立連接的服務總是有確認服務，可用“連接響應”作肯定應答,表示同意建立連接；或者用“斷連請求”(DISCONNECT.request)表示拒絕，作否定應答。數(shù)據(jù)傳送既可以是有確認的，也可以是無確認的，這取決于發(fā)送方是否需要確認。為了使服務原語的概念更具體化一些，舉一個電話系統(tǒng)的例子說明面向連接服務的應用，有助于理解這些原語是如何應用的。電話系統(tǒng)使用了下述8個服務原語。

(1)連接請求：服務用戶請求建立一個連接。

(2)連接指示：服務提供者向被呼叫方示意有人請求建立連接。

(3)連接響應：被呼叫方用來表示接受建立連接的請求。

(4)連接確認：服務提供者通知呼叫方建立連接的請求已被接受。

(5)數(shù)據(jù)請求：請求服務提供者把數(shù)據(jù)傳給對方。

(6)數(shù)據(jù)指示：表示數(shù)據(jù)到達。

(7)斷連請求：請求釋放連接。

(8)斷連指示：釋放連接請求到達對等端。在本例中，連接是有確認服務((1)～(4)表明需要有一個明確的答復)，而斷連是無確認的((7)、(8)表明不需要應答)?？疾橐幌翧打電話邀請B到家來喝茶的步驟：

(1)連接請求：A撥B家的電話號碼。

(2)連接指示：B家的電話鈴響了。

(3)連接響應：B拿起了電話。

(4)連接確認：A聽到響鈴停止。

(5)數(shù)據(jù)請求：A邀請B來喝茶。

(6)數(shù)據(jù)指示：B聽到了A的邀請。

(7)數(shù)據(jù)請求：B說她很高興來。

(8)數(shù)據(jù)指示：A聽到B接受邀請。

(9)斷連請求：A掛斷電話。

(10)斷連指示：B聽到了，也掛斷電話。圖1-8表示上面例子使用原語的時序。由以上例子可知，服務原語的每一步都涉及其中一臺計算機內兩相鄰層之間的信息交換。每一個“請求”或“響應”稍后都在對方產(chǎn)生一個“指示”或“確認”動作。本例中服務用戶(A和B)在N＋1層，服務提供者(電話系統(tǒng))在N層。圖1-8服務原語的應用1.3.4ISO-OSI的體系結構前面一般性地討論了協(xié)議分層和網(wǎng)絡體系結構，下面將具體分析和討論兩個重要的網(wǎng)絡體系結構。自從ARPANET出現(xiàn)后，市場上推出了許多商品化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都是由各個公司自行設計開發(fā)的，在體系結構上存在很大差異，導致它們相互之間不兼容，更難于互連。為此許多標準化組織積極開展了網(wǎng)絡體系結構標準化方面的工作，其中最有權威的就是國際標準化組織ISO提出的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM。它的目標是將各種開放式系統(tǒng)連接在一起。

OSI參考模型中采用了七個層次的體系結構，也就是將前面所講的原理性體系結構中的應用層再劃分為三個層次。這三個層次從上到下的名稱是：應用層、表示層和會話層。會話層不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，但它卻對數(shù)據(jù)傳輸進行管理。它在兩個互相通信的進程之間建立、組織和協(xié)調其交互，例如確定是雙工工作(每一方同時發(fā)送和接收)還是半雙工工作(每一方交替發(fā)送和接收)。表示層主要解決用戶信息的語法表示。表示層將欲交換的數(shù)據(jù)從適合于某一用戶的抽象語法(AbstractSyntax)變換為適合于OSI系統(tǒng)內部使用的傳送語法(TransferSyntax)。應用層對應用進程進行了抽象，它只保留應用進程中與進程間交互有關的那些部分。經(jīng)過抽象后的應用進程就成為OSI應用層中的應用實體。OSI的應用層并不是要把各種應用進行標準化，而僅僅對一些應用進程經(jīng)常使用的功能以及實現(xiàn)這些功能所要使用的協(xié)議進行描述。1.3.5TCP/IP的體系結構

TCP/IP最初是為ARPANET開發(fā)的網(wǎng)絡體系結構，該體系結構主要由兩個重要協(xié)議，即TCP協(xié)議和IP協(xié)議而得名。實際上，TCP/IP體系包含了大量的協(xié)議和應用，它是由大量協(xié)議組成的集合，簡稱為TCP/IP協(xié)議集。雖然TCP/IP不是ISO倡導的標準，但它有廣泛的商業(yè)應用，因此TCP/IP是一種事實上的標準。由于Internet已經(jīng)得到了全世界的承認，因而Internet所使用的TCP/IP體系在計算機網(wǎng)絡領域中就占有特殊的重要地位。

TCP/IP協(xié)議體系分為四個層次(如圖1-9所示)。由于TCP/IP協(xié)議集中沒有考慮具體的物理傳輸介質，因此在TCP/IP的標準中并沒有對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做出規(guī)定，而只是將最低的一層取名為網(wǎng)絡接口層，規(guī)定了與物理網(wǎng)絡的接口。這樣，如果不考慮網(wǎng)絡接口層，那么TCP/IP體系實際上就只有三個層次：應用層、傳輸控制層和網(wǎng)絡互連層。

TCP/IP的最高層是應用層。在這層中有許多著名協(xié)議，如遠程登錄協(xié)議TELNET、文件傳送協(xié)議FTP、簡單郵件傳送協(xié)議SMTP等。再往下的一層是TCP/IP的傳輸控制層，也叫做主機到主機層。這一層可使用兩種不同的協(xié)議：一種是面向連接的傳輸控制協(xié)議(TCP，TransmissionControlProtocol)，另一種是無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP，UserDataProtocol)。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報文(Message)或數(shù)據(jù)流(Stream)。報文也常稱為報文段(Segment)。傳輸層下面是TCP/IP的網(wǎng)絡互連層，其主要的協(xié)議就是無連接的網(wǎng)絡互連協(xié)議(IP，InternetProtocol)。該層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組(Packet)。與IP協(xié)議配合使用的還有三個協(xié)議，那就是Internet控制報文協(xié)議(ICMP，InternetControlMessageProtocol)、地址解析協(xié)議(ARP，AddressResolutionProtocol)和逆地址解析協(xié)議(RARP，ReverseAddressResolutionProtocol)。有關TCP/IP的詳細內容在第8章做介紹。圖1-9給出了TCP/IP與OSI這兩種體系結構的對比。值得注意的是，在一些問題的處理上，TCP/IP與OSI有很大不同。圖1-9TCP/IP與ISO-OSI體系結構的對比

(1)?TCP/IP一開始就考慮到多種異構網(wǎng)的互連問題，并將網(wǎng)際協(xié)議IP作為TCP/IP的重要組成部分。但ISO和CCITT最初只考慮到使用一種標準的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)將各種不同的系統(tǒng)互連在一起。后來，ISO認識到了網(wǎng)際協(xié)議IP的重要性，然而已經(jīng)來不及了，只好在網(wǎng)絡層中劃分出一個子層來完成類似TCP/IP中IP的作用。

(2)?TCP/IP一開始就對面向連接服務和無連接服務并重，而OSI在開始時只強調面向連接服務，一直到很晚OSI才開始制定無連接服務的有關標準。無連接服務的數(shù)據(jù)報對于互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送以及分組話音通信(即在分組交換網(wǎng)里傳送話音信息)都是十分方便的。

(3)?TCP/IP有較好的網(wǎng)絡管理功能，而OSI到后來才開始考慮這個問題。當然，TCP/IP也有不足之處。例如，TCP/IP的模型對“服務”、“協(xié)議”和“接口”等概念并沒有很清楚地區(qū)分開。因此在使用一些新的技術來設計新的網(wǎng)絡時，采用這種模型就可能會遇到一些麻煩。另外，TCP/IP模型的通用性較差，很難用它來描述其他種類的協(xié)議棧。還有，TCP/IP的網(wǎng)絡接口層嚴格來說并不是一個層次而僅僅是一個接口，而其下根本沒有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，但實際上這兩個層還是很重要的。最后要說一下，雖然OSI在一開始是由ISO來制定的，但后來的許多標準都是ISO與原來的國際電報電話咨詢委員會CCITT聯(lián)合制定的。從歷史上來看，CCITT原來從通信的角度考慮一些標準的制定，而ISO則關心信息的處理。但隨著科學技術的發(fā)展，通信與信息處理的界限變得比較模糊了。于是，通信與信息處理就都成為CCITT與ISO所共同關心的領域。CCITT的建議書X.200就是關于開放系統(tǒng)互連參考模型的，它和上面提到的ISO7498基本上是相同的。1.4計算機網(wǎng)絡的組成1.4.1通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)從概念上講，計算機網(wǎng)絡由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩部分構成。通信子網(wǎng)負責計算機間的數(shù)據(jù)通信，也就是信息的傳輸。通信子網(wǎng)覆蓋的地理范圍可能只是很小的局部區(qū)域，甚至就在一幢大樓內或一間房間內；也可能是遠程的，甚至跨越國界，直至洲際或全球。通信子網(wǎng)中除了包括傳輸信息的物理介質外，還包括中繼器(Repeater)、交換機(Switch)、路由器(Router)等各種通信設備。信息在通信子網(wǎng)中的傳輸方式可以從源出發(fā)經(jīng)過若干中間設備的轉發(fā)或交換才最終到達目的地。通過通信子網(wǎng)互連在一起的計算機則負責運行對信息進行處理的應用程序，它們是網(wǎng)絡中信息流動的源與宿，向網(wǎng)絡用戶提供可共享的硬件、軟件和信息資源，構成資源子網(wǎng)。將網(wǎng)絡中純粹負責通信任務的子網(wǎng)與應用部分的計算機工作站點分離開來，就可對這兩部分進行單獨規(guī)劃和管理，使整個網(wǎng)絡的設計和運行簡化。在近程的局部范圍內，一個單位可同時擁有通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)，但是在遠程廣域范圍內則通常是另一種情況。比如說，通信子網(wǎng)可以由政府部門或電信經(jīng)營公司擁有并向社會公眾開放服務，如同電話交換網(wǎng)那樣。擁有計算機工作站點資源的單位希望連網(wǎng)的話，只要遵循通信子網(wǎng)所要求的接口標準，提出申請并付一定的費用，都可以接入該通信子網(wǎng)，利用其提供的服務來實現(xiàn)特定資源子網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信任務，這類通信子網(wǎng)稱為公用網(wǎng)。公用網(wǎng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)，為了與電話交換網(wǎng)這類傳輸如聲音數(shù)據(jù)的模擬網(wǎng)區(qū)分，有時也將其稱為公用數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN，PublicDataNetwork)。1.4.2因特網(wǎng)(Internet)目前世界范圍內廣泛使用的一個最大的計算機網(wǎng)絡就是因特網(wǎng)(Internet)。Internet并不是一個單一的計算機網(wǎng)絡，而是由許多網(wǎng)絡互連在一起的一個網(wǎng)際網(wǎng)。Internet的運行和使用為全球信息基礎設施(即全球信息高速公路)的建立奠定了基礎。許多計算機正是通過因特網(wǎng)而和全球范圍內的其他計算機互連的。在美國政府宣布其國家信息基礎設施(NII，NationalInformationInfrastructure，俗稱信息高速公路)計劃后，又有人提出全球信息高速公路計劃，1995年召開的Internet年會的主題就是向全球信息高速公路進軍。要更確切地了解Internet究竟是什么，最好先回顧一下該網(wǎng)絡的發(fā)展歷史。

Internet的起源可追溯到其前身ARPANET，它是美國1969年為支持國防研究項目而建立的一個試驗網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡將美國許多大學和研究機構從事國防研究的計算機連接到一起，是一個廣域網(wǎng)。20世紀70年代末，隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術的發(fā)展，大量小型和微型計算機涌現(xiàn)，許多局域網(wǎng)(LAN)技術開始發(fā)展，比主機多得多的小型和微型計算機在小范圍內通過LAN互連，并產(chǎn)生了遠程相互通信的需要。此時，ARPANET開始了一個稱為Internet的研究計劃，主要研究如何將各種LAN和廣域網(wǎng)(WAN)互連起來。參加該項目的研究人員都有一臺連接到Internet上的計算機，通過ARPANET相互通信而共同進行研究。該項目的一個非常重要的成果就是稱為網(wǎng)際協(xié)議IP和傳輸控制協(xié)議TCP的兩個使不同的計算機和網(wǎng)絡可以相互通信的約定，即協(xié)議。這兩個協(xié)議和過去某些計算機公司自己開發(fā)和實現(xiàn)的協(xié)議不同點在于它是完全開放的，其所有的技術和規(guī)范都是公開的，任何公司都可以利用其來開發(fā)兼容的產(chǎn)品。以這兩個協(xié)議為核心，以ARPANET為主干網(wǎng)開始將許多不同的網(wǎng)絡互連在一起，就構成了Internet的原型，并對TCP/IP協(xié)議及技術進行試驗。到1983年，Internet已開始從一個試驗型的網(wǎng)絡轉變成一個實用型的網(wǎng)絡，其主干仍為ARPANET，其協(xié)議則以TCP/IP為核心。在Internet發(fā)展過程中，另一個值得一提的是NSFNET。NSFNET是在美國國家科學基金(NSF，NationalScienceFoundation)資助下建立的一個計算機網(wǎng)絡，最初用來連接全美的五個超級計算機中心，該網(wǎng)絡也使用TCP/IP協(xié)議，并和Internet相連，這樣使得在美國100多所大學的科研人員都可以通過NSFNET來使用超級計算機中心的資源分析其實驗數(shù)據(jù)。NSFNET也是一個廣域網(wǎng)，其能力不斷加強，到1988年已取代原有的ARPANET而成為Internet的主干網(wǎng)，該網(wǎng)絡由長途電話公司MCI提供長途傳輸線路，計算機制造商IBM公司提供廣域網(wǎng)中的專用計算機和軟件，而由密執(zhí)安州的一個組織MERIT來管理。

由NSF資助建立的該網(wǎng)絡是向全社會(當時主要還是學校和科研機構)開放的，成為全國性的學術研究和教育網(wǎng)絡，并得到了迅速發(fā)展。當網(wǎng)上的流量接近線路的實際負載時，NSF批準了對網(wǎng)絡進行輕微的重組，將每條干線的傳輸速率提高了三倍，達到1.544Mb/s，即1.544兆比特每秒，這也就是有些資料上常說的T1或者DS1的數(shù)據(jù)速率。1990年，在歷史上起過重要作用的ARPANET正式宣布關閉。

Internet發(fā)展太快了，到1991年底，NSFNET主干網(wǎng)也達到其極限。同時，NSF意識到單靠美國政府已很難擔負整個Internet的費用，因而開始要求私人公司來承擔某些責任。1.4.3常用的網(wǎng)絡設備網(wǎng)絡適配器：又稱網(wǎng)絡接口控制器、網(wǎng)絡接口卡(NIC，NetworkInterfaceCard)，通常簡稱為網(wǎng)卡，它插在計算機的總線上，外面通過傳輸介質(如雙絞線、同軸電纜和光纖等)將計算機連接到其他網(wǎng)絡設備上。網(wǎng)絡適配器中一般只實現(xiàn)網(wǎng)絡物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。網(wǎng)絡收發(fā)器：是網(wǎng)絡適配器和傳輸介質間的接口設備，它提供信號電平轉換和信號地的隔離。網(wǎng)絡介質轉換設備：是網(wǎng)絡中不同傳輸介質間的轉換設備，如雙絞線和光纖、單模光纖和多模光纖間的轉換。多路復用器：是終端控制器的一種，用于提高通信信道的利用率。中繼器：通過將整形放大接收到的電信號再傳遞出去，延伸傳輸介質的距離，如以太網(wǎng)中繼器就可用來連接不同的以太網(wǎng)段(每個網(wǎng)段有最大距離的限制)，以構成一個以太網(wǎng)，有時也譯為轉發(fā)器。集線器：英文為HUB，可以看成是多端口中繼器(一般的中繼器是雙端口的)。網(wǎng)絡收發(fā)器、網(wǎng)絡介質轉換設備、多路復用器和中繼器都是工作在物理層的網(wǎng)絡設備。網(wǎng)橋：是工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡連接設備，可將兩個局域網(wǎng)互連成一個邏輯上的局域網(wǎng)。交換機：早期的交換機實質上相當于一個多端口網(wǎng)橋，可更明確地稱之為幀交換機。路由器：是工作在網(wǎng)絡層的多個網(wǎng)絡間的互連設備，它可在網(wǎng)絡間提供路徑選擇功能。網(wǎng)關：可以看成是多個網(wǎng)絡間互連設備的統(tǒng)稱，但一般專指在傳輸層以上實現(xiàn)多個網(wǎng)絡互連的設備，又稱應用層網(wǎng)關。1.5.1局域網(wǎng)局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork)是指范圍在幾百米到十幾千米內的辦公樓群或校園內的計算機相互連接所構成的計算機網(wǎng)絡。計算機局域網(wǎng)被廣泛應用于連接校園、工廠以及機關的個人計算機或工作站，以利于個人計算機或工作站之間共享資源(如打印機)和數(shù)據(jù)通信。局域網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡主要體現(xiàn)在下面三個方面：網(wǎng)絡所覆蓋的物理范圍；網(wǎng)絡所使用的傳輸技術；網(wǎng)絡的拓撲結構。1.5計算機網(wǎng)絡的分類

局域網(wǎng)中經(jīng)常使用共享信道，即所有的機器都接在同一條電線上。傳統(tǒng)局域網(wǎng)具有高數(shù)據(jù)傳輸率(10Mb/s或100Mb/s)、低延遲和低誤碼率的特點。新型局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率可達千兆位每秒甚至更高。局域網(wǎng)有不同的拓撲結構，常用的有總線型、星型和環(huán)型等(如圖1-10所示)。圖1-10局域網(wǎng)常用的拓撲結構1.5.2城域網(wǎng)城域網(wǎng)(MAN，MetroPolitanAreaNetwork)所采用的技術基本上與局域網(wǎng)相類似，只是規(guī)模上要大一些。城域網(wǎng)既可以覆蓋相距不遠的幾棟辦公樓，也可以覆蓋一個城市，既可以是專用網(wǎng)，也可以是公用網(wǎng)。城域網(wǎng)既可以支持數(shù)據(jù)和話音傳輸，也可以與有線電視相連。

將城域網(wǎng)作為一種網(wǎng)絡類型的主要原因是其有標準并已推行，該標準的名稱為分布式隊列雙總線(DQDB，DistributedQueueDualBus)，它現(xiàn)在已經(jīng)成為國際標準，編號為IEEE802.6。DQDB的工作范圍一般是160km，數(shù)據(jù)傳輸率為44.736Mb/s。

DQDB采用兩條平行的單向總線(如圖1-11所示)，這兩條平行的單向總線貫穿于整個城市，每個站點都同時與這兩條總線相連。其中每條總線都有一個端接點，各自產(chǎn)生一個53字節(jié)的信元流。每個信元都從端接點沿著總線往下傳，當它到達終點時，就從總線中消失。圖1-11DQDB城域網(wǎng)示意圖每個信元帶有44字節(jié)的有效載荷，而且每個信元中帶有兩個標志位：“忙”(Busy)位和“請求”(Request)位。當“忙”標志位為1時，表示該信元已被占用；當某站點想發(fā)出請求時，將信元的“請求”標志位設置為1。每個站點在發(fā)送信元之前必須知道目的站點是位于其左方還是右方。如果目的站點位于它的右方，發(fā)送站點使用總線A，否則使用總線B。在DQDB中，每個站點的數(shù)據(jù)是通過“線或”電路輸入到相應的總線中的，因此某個站點的失效不會造成整個網(wǎng)絡的癱瘓。在IEEE802.6標準中，站點按照先進先出的原則進行排隊發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送站點發(fā)送數(shù)據(jù)時必須等到其下方的站點發(fā)送完后才能發(fā)送。這樣做的目的是為了防止離端接點最近的站點將經(jīng)過它的所有空閑信元全部捕獲并填入內容，致使其他站點被拋棄。1.5.3廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)(WAN，WideAreaNetwork)通?？缃雍艽蟮奈锢矸秶?，如一個行業(yè)、一個國家。廣域網(wǎng)包含很多用來運行用戶應用程序的機器集合，通常把這些機器叫做主機(Host)。把這些主機連接在一起的是通信子網(wǎng)(CommunicationSubnet)，通信子網(wǎng)的作用是在主機之間傳送報文。廣域網(wǎng)通常將網(wǎng)絡中的純通信部分的子網(wǎng)與應