第一章计算机网络的基本概念与体系结构

自20世纪60年代计算机网络问世以来，在短短的数十年时间内，计算机网络已经深入人们工作、学习和生活的方方面面，甚至可以说是无所不在。因此学习与研究计算机网络就变得非常有意义，诸如什么是计算机网络，计算机网络是如何产生的，网络的分类有哪些，什么是网络体系结构等，都是本章关注和研究的内容。

●1.1计算机网络的发展史

计算机网络潜移默化的改变着我们生活的各个领域，为了更准确的给计算机网络下个定义，我们先要寻根问祖，看看网络是如何发展而来的，在它的发展过程中经历哪些时代和科技的变迁。

●1.2计算机网络的分类

计算机网络有多种分类标准，观察角度不同，划分的方式就不同，如按传输技术、通信介质、按数据交换方式、通信速率和使用范围等。本节重点介绍几种常见的划分方式。

●1.3计算机网络拓扑结构

网络拓扑的设计选型是局域网组网的第一步。它将直接关系到网络的性能、系统可靠性、通讯和投资费用等因素。本节只要介绍5种常见的拓扑结构。

●1.4计算机网络体系结构

计算机网络体系结构是指计算机网络层次结构模型，它是各层的协议以及层次之间的端口的集合。本节课重点介绍与网络体系结构有关的名称术语及什么是网络体系结构。

●1.5ISO/OSI参考模型

OSI参考模型是国际标准化组织发布的开放系统互联参考模型，是一个定义异构计算机互联的标准体系结构。模型由下而上共分为七层，并对每层进行了功能描述。本节介绍OSI参考模型的七个层次及各层功能。

●1.6TCP/IP模型

TCP/IP模型源于美国国防部的ARPA计划，与OSI参考模型几乎同期发布，共分为四层，包含多个网络协议，是Internet的事实标准。本节介绍TCP/IP模型的四层结构、主要协议以及与OSI参考模型的区别。

第二章物理层

物理层是OSI参考模型的第一层，是整个开放系统的基础，直接提供原始比特流的传输，因此与比特流传输相关的诸如传输媒体、信道类型、数据和信号的转换等都是物理层要解决的问题。本章主要介绍物理层的功能、数据通信基础知识、传输媒体、多路复用技术及常见的物理层设备等内容。

●2.1数据通信基本概念

物理层是OSI参考模型的第一层，是唯一直接提供原始比特流传输的层次，必须解决与比特流物理传输相关的系列问题，包括数据与信号的转换等，本节介绍数据通信的基本概念。

●2.2通信技术指标

随着网络技术的发展，生活中时刻需要进行信息的传输，如何保证信息传输的有效性是通信技术面临的关键问题之一。本节主要介绍数据传输速率和信道容量两个技术指标。

●2.3基带传输

基带传输是在数字信道中以基带信号形式传输数据的方式，适合各种速率要求，采用这种方式传输数据需要解决数据的编码和解码问题。本节着重介绍几种常见的数字数据编码方法。

●2.4频带传输

频带传输又称宽带传输，由于基带传输的近距离限制，在远距离传输中通常采用模拟信道。利用模拟信道，传输二进制数据的方法称为频带传输。本节课程就对频带传输的定义、关键技术以及三种调制方式进行介绍。

●2.5传输媒体

传输媒体指计算机网络中用于连接各通信节点的物理媒体，是物理信道的重要组成部分。本节课介绍常见的有线和无线传输介质。

●2.6多路复用技术

为了提高通信线路传输信息的效率，通常采用在一条物理线路上建立多条通信信道的多路复用技术。本节课介绍常见的几种多路复用技术。

●2.7通信方式

通信方式泛指信源和信宿之间选择的通信形式与方法，本节主要从数据位的传输形式和数据传输的方向性，介绍串行通信和并行通信，单工通信、半双工通信和全双工通信几种通信方式。

●2.8物理层的常用设备

为了解决信号远距离传输所产生的衰减和变形问题，我们需要一种能在信号传输过程中对信号进行放大和整形的设备以拓展信号的传输距离、增加网络的覆盖范围。在物理层通常提供两种类型的网络互连设备，即中继器和集线器。

第三章数据链路层

数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介乎于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自物理层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。

●3.1数据链路层概述

数据链路层的最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。

●3.2封装成帧

帧是数据链路层的传送单位。一个帧的帧长等于帧的数据部分加上帧的首部和尾部的长度。首部和尾部的一个重要作用是帧定界（确定帧的界限）。帧有信息帧、监控帧和无编号帧三种不同类型。UDLC的完整的帧由标志字段（F）、地址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（I）、帧校验序列字段（FCS）等组成。

●3.3透明传输

为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以太帧为单位传送。每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中的差错。分别有字节计数法、首尾定界符法和违法编码法。

●3.4循环冗余检验码

为了实现相邻节点之间的可靠数据传输，差错控制都是必不可少的。这里重点介绍网络中常用的检错码循环冗余校验码。

●3.5自动反馈重发

由于检错码本身不提供自动错误纠正的功能，所以需要提供一种与之相配套的错误纠正机制，称为反馈重发机制。目前常用的反馈重发有两种常见的实现方法即停止-等待协议和连续方式。

●3.6PPP协议

PPP 是点对点协议（Point-to-Point Protocol）的简称，它是一个工作于数据链路层的广域网协议，它通常用在两节点间创建直接的连接，并可以提供连接认证、传输加密等。

●3.7常见的数据链路层设备

数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层和数据链路层功能的设备或组件。数据链路层的设备与组件主要有网卡、网桥和交换机。本节就重点学习这些设备的工作方式和功能。

第四章局域网技术

局域网是一种在有限的地理范围内将大量计算机和各种设备连接在一起，使用IEEE802参考模型分层通信，采用CSMA/CD、令牌环和CSMA/CA介质访问控制方法进行通信控制，实现数据传输和资源共享的计算机网络。

●4.1局域网概述

局域网（local area network，LAN）是一种小范围内各种计算机、外部设备和数据库连接起来形成计算机通信网，以实现资源共享、数据传递和彼此通信为基本目的。本节就分别从局域网的特点、拓扑结构、三大技术进行说明。

●4.2局域网的体系结构

按照 IEEE802 标准，局域网体系结构分为三层，即物理层，媒体链路控制层（MAC），逻辑链路控制层（LLC）。该标准将数据链路层拆分为更具体的媒体链路控制层和逻辑链路控制层。本节重点关注各层功能特点和IEEE802的标准体系。

●4.3介质访问控制方式

载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD） 采用分布式控制方法，总线上的各个站点通过竞争的方式获得总线的使用权，以广播的方式发送数据帧。 采用CSMA/CD介质访问控制方法的局域网又称以太网（Ethernet），是目前占据市场份额最大的局域网技术。

●4.4以太网技术

以太网(Ethernet)是指由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的使用CSMA/CD技术的基带局域网规范，所有的以太网都遵循IEEE 802.3系列标准。以太网可以采用同轴电缆、双绞线和光纤等多种传输介质。同轴电缆作为早期的总线式连接介质已被淘汰，双绞线多用于从主机到集线器或交换机的星型连接，而光纤主要用于交换机间的级联、交换机到路由器间的点到点的高速链路和组建1000Mb/s以上的高速以太网。

●4.5虚拟局域网

虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是指在交换以太网的基础上，将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成多个网段，每个网段构成一个逻辑上的工作组（广播域）的一种技术。1999年颁布的IEEE802.1Q标准定义了VLAN标准草案。

●4.6无线局域网

无线局域网（Wireless Local-Area Network，WLAN）也称Radio LAN,就像其名字所描述的一样：它挣脱了传统线缆束缚，提供了以太网或者令牌网络的功能。 WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址通道的一种有效方法，用来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化合多媒体应用提供了潜在的手段。

第五章网络层

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，主要负责解决数据经过通信子网中多个转接节点时的透明传输，为了实现这个目标，网络层就必须具有一系列功能。本章主要介绍IPV4、IPV6、、VLSM、CIDR、NAT等多种技术，以及IP、ARP、ICMP等网络层协议。

●5.1网络层概述

物理层提供了比特流传输，数据链路层实现了相邻节点间的可靠数据传输，为什么还需要网络层？本节主要讨论数据通信中还存在哪些问题，以及网络层实现的基本功能。

●5.2IP地址

在互联网中，每一个终端和网络设备都必须设定正确的IP地址才能通信，这个我们既熟悉又陌生的地址是怎么定义的？它的结构如何？分为哪几类？本节重点介绍IP地址的定义、结构和分类。

●5.3子网掩码

数据传输过程中路由器要根据IP地址的网络号将数据转发到目的网络，判断网络号主要就是通过子网掩码。本节介绍子网掩码的作用、网络地址的计算和子网划分。

●5.4VLSM

VLSM(可变长子网掩码) 是为了有效的使用无类别域间路由(CIDR)和路由汇聚(route summary)来控制路由表的大小，网络管理员使用先进的IP寻址技术，VLSM就是其中的常用方式，可以对子网进行层次化编址，以便最有效的利用现有的地址空间。

●5.5无类别域间路由

CIDR消除传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，使用任意长度的“网络前缀”代替分类地址中的网络号和子网号，提高了IP地址的利用率。此外，CIDR将网络前缀都相同的连续IP地址组成“CIDR地址块”，进行路由聚合，简化了路由表，提高了路由查找效率。

●5.6NAT技术

NAT技术也就是网络地址转换技术，主要是为了解决私有IP地址接入互联网的问题。NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

●5.7地址解析协议

地址解析协议是一种根据IP地址获取主机物理地址即MAC地址的一个TCP/IP协议。主要通过ARP高速缓存中本地局域网上各主机和路由器的 IP 地址与硬件地址的映射表来实现地址解析。

●5.8ICMP协议

ICMP协议即Internet控制协议。它是TCP/IP协议簇的一个子协议，是一种面向无连接的协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。

●5.9路由与路由协议

Internet中的主要节点设备是路由器，路由器是工作在网络层的数据包转发设备，主要通过路由表来转发接收到的数据。路由协议是主要运行在路由器上用于动态生成路由表信息的协议，主要用来进行路径选择。

●5.10IPV6

IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”（互联网协议第6版）的缩写，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4的下一代IP协议，其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。

第六章传输层

传输层是整个网络体系结构中的关键层次之一，位于OSI参考模型的第四层，主要负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。该层主要协议有TCP和UDP协议，协议为网络进程之间提供了可靠、有效的报文传送服务。在本章中将主要讨论这两个协议的工作原理和使用。

●6.1传输层

传输控制协议（TCP），是一个可靠的、面向连接的、基于字节流的协议，它允许网络间两台主机之间无差错的信息传输。数据传输之前必须先建立连接，数据传输完成之后，必须释放连接，本节就重点来讲述TCP是如何进行可靠传输的。

●6.2传输控制协议（TCP）

用户数据报协议（UDP），采用无连接、不可靠的方式传送数据，发送端不关心发送的数据是否到达目标主机，数据是否出错等，收到数据的主机也不会告诉发送方是否收到了数据，所以有很高的传输效率，它的可靠性由上层协议来保障，本节重点对UDP通信过程进行介绍。

●6.3用户数据报协议（UDP）

与传输控制协议TCP相反，用户数据报协议UDP提供得是不可靠、无连接的数据传输服务。UDP在提供网络进程通信功能的同时，只提供了非常有限的差错检验功能。本节我们将学习用户数据报协议的基本格式以及工作过程。

第七章应用层

前几章就应用层以下的课程进行了讨论，本章将重点转向应用层。应用层是TCP/IP参考模型的最高层，直接为用户提供服务。没有应用层，下面各层的存在就失去了意义。Internet技术的发展已经极大地促进了TCP/IP模型应用层的发展，因此本章以TCP/IP模型应用层为例，介绍常见的TCP/IP应用服务与应用支撑协议。

●7.1应用层

TCP/IP的应用层通过使用运输层所提供的服务，直接向用户提供服务，是TCP/IP网络与用户之间的界面或接口。该层由若干直接面向用户提供服务的应用协议和支撑协议组成。基于这些协议，应用层向用户提供了众多的网络应用。为此，我们需要初步了解应用层的典型应用及相关协议。

●7.2DNS服务

任何TCP/IP应用在网络层都是基于IP协议实现的，需要使用IP地址来实现主机的逻辑寻址。32位的二进制长度的IP地址和点分十进制表示法都不具备足够的可记忆性，为此我们引入了更为容易记忆的域名。但这需要为应用程序提供关于域名和IP地址之间的映射服务。因此域名系统应运而生。本节我们需要了解域、域名、主机、域名服务器和域名解析等基本要素。

●7.3Web服务

电子邮件是Internet上最受欢迎的应用之一。电子邮件服务是一种通过计算机网络与其他用户进行联系的快速、简便、高效、廉价的现代化通讯手段。电子邮件之所以受到广大用户的喜爱，是因为与传统方式相比，它具有明显的优点。本节我们将学习电子邮件地址的标准格式、电子邮件系统的组成以及电子邮件发送和接收的具体实例。

●7.4电子邮件

Web即万维网，是Internet上发展最快，同时又使用最多的一项服务，它可以提供包括文本、图形、声音和视频在内的多媒体信息浏览。本节我们将学习Web的基本概念，以及Web服务的实现过程。

●7.5文件传送协议

在网络上，常常需要将一台计算机上的文件复制到另一台计算机上，这就是文件传输服务。文件传输协议（FTP）是用在TCP/IP网络上两台计算机间进行文件传送的协议。本章我们将学习FTP客户-服务器模型和FTP连接模式。