【山外筆記-四級計算機網路】第1章 網路技術基礎

一、計算機網路的形成和發展

1．計算機網路的形成

（1）面向終端的遠端聯機系統

• 面向終端的遠端聯機系統是實現了以單個計算機為中心的聯機系統，是一種典型的計算機與資料通訊相結合的產物。

• 1946年世界第一臺電子數字計算機ENIAC在美國誕生。

（2）遠端通訊線路組建的廣域網

• ARPANET，通常稱為ARPA網，通過有線、無線與衛星通訊線路，使網路覆蓋從美國本土到歐洲的廣闊地域。

（3）區域網

• 20世紀70年代初，為了實現區域性範圍內的多臺計算機共同完成科學計算與資源共享，開始進行局域計算機網路的研究。

2．計算機網路的發展階段

（1）第一階段：20世紀50年代，將獨立發展的計算機技術與通訊技術結合。

（2）第二階段：20世紀60年代，美國的ARPANET與分組交換技術開始。

（3）第三階段：20世紀70年代中期，ISO推動OSI參考模型與網路協議。

（4）第四階段從20世紀90年代開始至今。

• 這個階段最有挑戰性的是網際網路（Internet）、高速通訊網路、無線網路與網路安全技術。

• 網際網路作為國際性的網際網與大型資訊系統，發揮著越來越重要的作用。

• 寬頻都會網路技術為社會資訊化提供技術支援。

• 網路安全技術為網路應用提供安全保障。

• 基於P2P的網路應用正成為網際網路產業與資訊服務業的新增長點。

3．網路體系結構與協議標準化

（1）OSI參考模型

• 國際標準化組織ISO正式制定了開放系統互聯（Open System Interconnection，OSI）參考模型。

（2）TCP/IP協議

• ARPANET所有主機都完成了向TCP/IP協議的轉換。TCP/IP協議成為業內公認的標準。

（3）區域網技術

• 區域網技術從最初的乙太網（Ethernet）、令牌匯流排（Token Bus）和令牌環（Token Ring）三足鼎立，逐步發展到乙太網一枝獨秀的局面。

（4）簡單網路管理協議SNMP

4．網際網路應用與高速網路技術發展

（1）網際網路高速發展

一些網際網路應用的出現也為網際網路的發展注入活力，這些網路應用主要包括：

• ① 基於文字的應用，例如遠端登入Telnet、電子郵件E-mail、檔案傳輸服務FTP、電子公告牌BBS與網路新聞組Usenet等；

• ② Web與多種多媒體應用，例如網路會議、網路電話、網路電視，以及電子商務、電子政務、遠端教育、遠端醫療等；

• ③ 20世紀末開始流行的應用，例如搜尋引擎、P2P檔案共享、即時通訊、部落格、播客、網路遊戲、網路廣告等。

（2）資訊高速公路建設

• 以高速區域網和ATM為代表的高速網路技術發展迅速。

• 高速網路技術發展主要表現在：寬頻綜合業務資料網B—ISDN、非同步傳輸模式ATM、高速區域網、交換區域網、虛擬區域網與無線網路。

（3）基於Web技術的網際網路應用的發展

• Web技術的出現，使網際網路從最初主要由計算機專家和大學生使用，變為一種廣泛使用的資訊互動工具。

• Web服務是最方便與最受使用者歡迎的網際網路服務，廣泛應用於電子商務、遠端教育、遠端醫療與資訊服務等領域。

• 搜尋引擎是一種執行在Web上的應用軟體系統，可以接受使用者提出的資訊檢索需求，並在有限時間內為使用者提供與需求最相關的資訊。

（4）基於P2P技術的網路應用的發展

• 對等（Peer-to-Peer，P2P）網路以“非中心化”方式使更多的使用者同時身兼客戶機與伺服器的雙重身份，被評價為“改變網際網路的新一代網路技術”。

（5）網路安全技術的發展

• 計算機網路必須具有足夠的安全機制，以防止資訊被非法竊取、破壞與損失。

5．寬頻都會網路的發展

（1）資訊高速公路建設的高潮

（2）都會網路的概念和技術

• 20世紀80年代後期，人們提出了都會網路（Metropolitan Area Network，MAN）的概念，將都會網路的業務定位在城市範圍內大量區域網的互聯。

• 都會網路泛指網路運營商在城市範圍內提供各種資訊服務業務的所有網路。

• 將傳統意義上的都會網路擴充套件到寬頻都會網路，是一個能提供高傳輸速率和保證服務質量的網路系統。

（3）寬頻都會網路帶來的變化主要表現在：

• ① 傳統的區域網、都會網路與廣域網在技術上的界限越來越模糊。

• ② 傳統的電信通訊網技術與計算機網路技術的界限越來越模糊。

• ③ 傳統的電信服務業務與網際網路應用的界限越來越模糊。

• ④ 計算機網路、電信通訊網與廣播電視網的技術與業務界限越來越模糊。

（4）寬頻都會網路的組成

• 寬頻都會網路應該包括核心交換網與接入網。

• 使用者接入網的主要有三類：計算機網路、電信通訊網與廣播電視網。

• 網際網路使用者接入方式：地面有線通訊系統、無線通訊和行動通訊網、衛星通訊網、有限電視網和地面廣播電視網。

• 三種型別的接入網都在朝著數字技術的方向發展，最終將導致計算機網路、電信通訊網與廣播電視網的“三網融合”。

• 數字技術可以將各種資訊都變成數字訊號來處理、儲存與傳輸。

6．無線網路的發展

（1）無線區域網WLAN

• ① 無線區域網（Wireless LAN，WLAN）以微波、鐳射與紅外線等無線電波作為傳輸介質，部分或全部代替傳統區域網中的同軸電纜、雙絞線與光纖，實現行動網路中的結點之間的無線通訊。

• ② 無線區域網主要有四個應用領域：傳統區域網的擴充，建築物之間的互聯，漫遊訪問與特殊網路。

• ③ 無線區域網使用無線傳輸介質，按傳輸技術可以分為紅外線區域網、擴頻區域網和窄帶微波區域網三類。

（2）無線自組網Ad hoc

• ① 無線自組網（Ad hoc）是一種自組織、對等式、多跳的無線行動網路。

• ② 無線自組網技術的發展趨勢有兩個方向：

  • 向軍事和特定行業發展的無線感測器網路；

  • 向民用的接入網領域發展的無線網狀網。

（3）無線感測器網WSN

• 無線感測器網（Wireless Sensor Network，WSN）由部署在監測區域內大量的、廉價的微型感測器結點組成，通過無線通訊方式形成的一個多跳、自組織的 Ad hoc。

• 無線感測器網的目的是協作感知、採集和處理網路覆蓋區域中感知物件的資訊，併傳送給觀察者。

• 無線感測器網的三個要素是感測器、感知物件和觀察者。

• 無線感測器網將Ad hoc技術與感測器技術相結合，改變人與自然界的互動方式。

• 無線感測器的特點主要表現在：

  • 無線感測器的規模大小與它的應用目的直接相關。

  • 無線感測器結點自動形成自組織、多跳的無線網路。

  • WSN的拓撲結構可能因結點失效或加入結點而動態變化。

（4）無線網狀網 WMN

• 無線網狀網（Wireless Mesh Network，WMN）是在Ad hoc的基礎上發展起來，並且繼承了WLAN的部分特徵。

• 無線網狀網是一種基於多跳路由、對等結構、高容量的新型網路結構，具有動態擴充套件、自組網、自配置、自修復等特徵。

• 無線網狀網作為對WLAN、WiMax技術的補充，成為解決無線接入“最後一公里”問題的新的技術方案。

• 無線網狀網由無線路由器（Wireless Router，WR）構成骨幹網，用於提供大範圍的訊號覆蓋與結點連線，普通結點只能通過無線路由器來接入網際網路。

（5）藍芽技術

• 藍芽技術是無線自組網技術的一種應用，具有自組織能力，可以實現行動式計算機、印表機、PDA與耳機等行動式裝置的互聯，可以方便地構成個人網路。

7．作業系統的發展

（1）作業系統的概念

• 作業系統（Operating System，OS）多數是具備網路功能的作業系統，用於管理網路通訊與共享網路資源，協調網路環境中多個網路結點中的任務，並向使用者提供統一的、有效的網路介面的軟體集合。

• 目前，流行的作業系統都屬於基於檔案服務的作業系統。

（2）作業系統的發展階段

• ① 第一階段，對等結構作業系統，所有聯網結點地位平等，聯網結點的資源可以相互共享；

• ② 第二階段，非對等結構作業系統，由兩個部分構成：伺服器端軟體與工作站端軟體；

• ③ 第三階段，基於檔案服務的作業系統，由為兩個部分構成：檔案伺服器與工作站軟體。

（3）Windows作業系統

• Microsoft公司推出的Windows作業系統是一種典型的帶有網路功能的作業系統，包括不同系列和不同版本的各種Windows作業系統。

（4）Unix作業系統

• ① Unix 廣泛應用於大型機、中型機、小型機、工作站與微型機上，特別是工作站。

• ② TCP/IP 作為Unix的核心部分，使Unix與TCP/IP共同得到了普及與發展。

• ③ Unix 是針對小型機環境開發的作業系統，採用的是集中式、分時、多使用者的系統結構。

（5）Linux作業系統

• ① Linux作業系統核心程式碼效仿Unix，幾乎所有Unix工具與外殼都可以執行在Linux上。

• ② Linux系統的出發點在於核心程式的開發，而不是對使用者系統的支援，是一個完全免費的作業系統。

• ③ Linux系統適合作為Internet服務平臺，價格低、原始碼開放、安裝配置簡單。

8．我國網際網路的發展

我國目前仍處於網際網路應用高速發展的階段。

二、計算機網路的基本概念

1．計算機網路的定義

資源共享觀點將計算機網路定義為以能夠相互共享資源的方式互聯起來的自治計算機系統的集合。

（1）建立計算機網路的主要目的是實現計算機資源的共享。

（2）互聯的計算機是分佈在不同地理位置的多臺獨立的“自治計算機”。

（3）聯網計算機之間的通訊必須遵循共同的網路協議。

2．計算機網路的分類

（1）區域網（Local Area Network，LAN）

• ① 區域網用於將有限範圍內的各種計算機、終端與外部裝置互聯成網。

  • 從介質訪問控制方法的角度來看，區域網可分為共享介質區域網與交換式區域網；

  • 從傳輸介質型別的角度來看，區域網可分為有線區域網與無線區域網。

• ② 區域網的技術特點：

  • 區域網覆蓋有限的地理範圍，適用於機關、校園、企業等有限範圍內的計算機、終端與各類資訊處理裝置聯網的需求；

  • 區域網提供高資料傳輸速率（10Mbps～10Gbps）、低誤位元速率的資料傳輸環境；

  • 區域網通常屬於一個單位所有，易於建立、維護與擴充套件；

  • 區域網可用於個人計算機組網、大規模計算機叢集的後端網路、儲存區域網路、高速辦公網路、企業與學校的主幹網路。

（2）都會網路（Metropolitan Area Network，MAN）

• 城市地區網路通常簡稱為都會網路，是介於廣域網與區域網之間的一種高速網路。

• 都會網路的設計目標是滿足幾十公里範圍內的大量機關、校園、企業的多個區域網的互聯需求，以實現大量使用者之間的資料、語音、圖形與視訊等多種資訊傳輸。

（3）廣域網（Wide Area Network，WAN）

• 廣域網又稱為遠端網，覆蓋的地理範圍從幾十公里到幾千公里。

• 廣域網覆蓋一個國家、地區，或橫跨幾個洲，可以形成國際性的遠端計算機網路。

• 計算機通過區域網聯入廣域網，區域網與廣域網、廣域網與廣域網的互聯通過路由器實現。

• 都會網路通過路由器與光纖接入作為國家級或區域主幹網的廣域網。

• 多個廣域網互聯形成覆蓋全世界的網際網路網路。

（4）個人區域網（Personnel Area Network，PAN）

• 個人區域網覆蓋的地理範圍最小（通常為10 m以內），用於連線計算機、平板電腦、智慧手機、印表機等數字終端裝置。

• 個人區域網主要使用無線通訊技術實現聯網裝置之間的通訊，是無線個人區域網。

3．計算機網路的拓撲結構

（1）網路拓撲的定義

• 網路拓撲研究構成大型網際網路的基本單元網路的結構，通過網路結點與通訊線路之間的幾何關係來表示網路結構，反映網路中各個實體之間的結構關係，主要是指通訊子網的拓撲構型。

（2）網路拓撲的分類

• ① 廣播通道通訊子網的拓撲；

• ② 點對點線路的通訊子網的拓撲。

  • 在採用點對點線路的通訊子網中，每條物理線路連線兩個結點。

  • 對於採用點對點線路的通訊子網，基本拓撲構型包括4種：星型、環型、樹型與網狀型。

（3）點對點線路的通訊子網的拓撲

• ① 星型拓撲

  • 結點通過點對點線路與中心結點連線。

  • 中心結點控制整個網路的通訊，任何兩個結點之間的通訊都要通過中心結點。

  • 星型拓撲構型結構簡單，易於實現，便於管理。

  • 中心結點是整個網路的可靠性瓶頸，中心結點故障會造成整個網路癱瘓。

• ② 環型拓撲

  • 在環型拓撲構型中，結點通過點對點線路連線成閉合環路。

  • 環中資料將沿一個方向逐站傳送。

  • 環型拓撲結構簡單，傳輸延時確定，但是環中每條通訊線路都會成為網路可靠性的瓶頸。

  • 環中任何結點出現線路故障，都可能造成網路癱瘓。

• ③ 樹型拓撲

  • 在樹型拓撲構型中，結點按層次進行連線，資料主要在上、下層結點之間交換。

  • 相鄰及同層結點之間通常不進行資料交換或資料交換量小。

  • 樹型拓撲可以看成是星型拓撲的一種擴充套件，適用於彙集資料的應用需求。

• ④ 網狀拓撲

  • 在網狀拓撲構型中，結點之間的連線是任意的，沒有規律可循。

  • 網狀拓撲構型又稱為無規則型。

  • 網狀拓撲的主要優點是系統可靠性高。

  • 網狀拓撲的結構複雜，必須採用路由選擇與流量控制方法。

  • 目前實際存在與使用的廣域網結構，基本都採用網狀拓撲構型。

4．描述計算機網路傳輸特性的引數

（1）資料傳輸速率

• ① 資料傳輸速率的定義

  • ❶ 資料傳輸速率是每秒鐘傳輸構成資料的二進位制位元數，單位為位元/秒（bit/second），記作bps。

  • ❷ 對於二進位制資料，資料傳輸速率為：S = 1/T

  • ❸ T 為傳送每個位元所需的時間。

  • ❹ 常用的資料傳輸速率單位有 kbps、Mbps、Gbps、Tbps。

  • ❺ 1Tbps = 10³ Gbps = 10⁶ Mbps = 10⁹ Kbps =10¹² bps

• ② 資料傳輸速率與頻寬

  • ❶ “頻寬”表示通道的資料傳輸速率。

  • ❷ 奈奎斯特准則（Nyquist）

    • 奈奎斯特准則是具有理想低通矩形特性的通道在無噪聲情況下的最高速率與頻寬關係的公式。

    • 對於二進位制資料訊號的最大資料傳輸速率R_max與通訊通道頻寬B（B=f，單位Hz）的關係：R_max = 2 * f

  • ❸ 夏農（Shannon）定律

    • 在有隨機熱噪聲的通道上傳輸資料訊號時，資料傳輸速率Rmax與通道頻寬B、訊號與噪聲功率比S/N關係為：R_max = B * log₂(1+S/N)

    • Rmax單位為bps，頻寬B單位為Hz，S/N是訊號與噪聲功率比（簡稱訊雜比）。

（2）誤位元速率的定義

• ① 誤位元速率是指二進位制碼元在資料傳輸系統中被傳錯的概率，在數值上近似等於：P_e = N_e/N ，其中，N為傳輸的二進位制碼元總數，N_e為被傳錯的碼元數。

• ② 誤位元速率是衡量資料傳輸系統在正常工作狀態下的傳輸可靠性的引數。

• ③ 在資料傳輸速率確定後，誤位元速率越低，傳輸系統裝置越複雜、造價越高。

• ④ 對於實際的資料傳輸系統，如果傳輸的不是二進位制碼元，需要摺合成二進位制碼元來計算。

• ⑤ 由於差錯的出現具有隨機性，被測量的傳輸二進位制碼元數越大，才會越接近於真正的誤位元速率。

三、分組交換與包交換

1．線路交換

（1）線路交換（Circuit Exchanging）方式：兩臺計算機通過在通訊子網中建立一條實際的物理線路連線來進行資料交換。

（2）線路交換的通訊過程

• ① 線路建立階段：如果主機A要向主機B傳輸資料，需要在主機A與主機B之間建立一條線路連線。

  • ❶ 首先，主機A向通訊子網中的交換機A傳送“呼叫請求包”，其中含有建立線路連線的源主機地址與目的主機地址。

  • ❷ 結點A根據路由選擇演算法進行路徑選擇，如果選擇下一個交換機為B，則向交換機B傳送“呼叫請求包”。

  • ❸ 當交換機B接到呼叫請求後，根據路由選擇演算法進行路徑選擇，如果選擇下一個交換機為C，則向交換機C傳送“呼叫請求包”。

  • ❹ 當交換機C接到呼叫請求後，根據路由選擇演算法進行路徑選擇，如果選擇下一個交換機為D，則向交換機D傳送“呼叫請求包”。

  • ❺ 當交換機D接到呼叫請求後，向直接連線的主機B傳送“呼叫請求包”。

  • ❻ 如果主機B接受主機A的呼叫連線請求，則通過已建立的物理線路連線（交換機D、C、B、A）向主機A傳送“呼叫應答包”。

  • ❼ 至此，從主機A經過交換機A、B、C、D到主機B的一條專用的物理線路連線建立，該連線只用於主機A與主機B之間的資料交換。

• ② 資料傳輸階段：當主機A與主機B通過通訊子網的物理線路連線建立後，主機A與主機B就可以通過該連線來實時、雙向地交換資料。

• ③ 線路釋放階段：在資料傳輸完成後，就要進入線路釋放階段。

  • ❶ 主機A向主機B發出“釋放請求包”。

  • ❷ 主機B同意結束傳輸和釋放線路後，則向交換機D傳送“釋放應答包”，按交換機C、B、A的順序依次釋放物理連線，最後主機A釋放物理連線。

  • ❸ 至此，本次通訊結束。

（3）線路交換方式的優缺點

• ① 線路交換方式的優點：通訊的實時性強，適用於互動式會話類通訊。

• ② 線路交換方式的缺點：不適應突發性通訊，系統效率低；不具備儲存資料能力，不能平滑通訊量；不具備差錯控制能力，無法發現與糾正傳輸中的差錯。

2．儲存轉發交換

（1）儲存轉發交換方式（Store．And-Forward Exchanging）

• 儲存轉發交換方式可以分為報文交換（Message Exchanging）與報文分組交換（Packet Exchanging）兩類。

（2）儲存轉發交換方式的通訊過程

• 傳輸前不需要在源主機與目的主機之間預先建立“線路連線”。

• 源主機傳送資料中包含目的地址、源地址與控制資訊，按照一定格式組成一個資料單元（報文或報文分組），並進入通訊子網；

• 通訊子網中的結點是通訊控制處理機，負責完成資料單元的接收、差錯校驗、儲存、路由選擇和轉發功能。

• 傳輸的資料單元相應分為兩類：報文（Message）與報文分組（Packet）。

  • 報文：如果在傳送資料時不限制資料長度，只當作一個邏輯單元，則可以在資料中加上目的地址、源地址與控制資訊，並按照一定格式打包後組成一個報文。

  • 報文分組：如果限制資料的最大長度，源結點需要將一個長報文分為多個分組，由目的結點將多個分組按順序重新組織成報文。報文分組通常也被稱為分組。

（3）分組交換

• ① 分組交換成是當前計算機網路中的基本交換技術。

• ② 通訊子網中的路由器可以儲存分組，多個分組可以共享通訊通道，線路的利用率高。

• ③ 路由器具有路由選擇功能，可以動態選擇分組通過通訊子網的最佳路徑，也可以平滑通訊量，因此可以提高系統效率。

• ④ 分組在通過通訊子網中的每個路由器時，都需要進行差錯檢查與糾錯處理，可以提高系統可靠性。

• ⑤ 路由器可以對不同通訊速率的線路進行速率轉換，也可以對不同的資料程式碼格式進行變換。

3．資料包方式與虛電路方式

分組交換技術可以分為兩類：資料包（Datagram，DG）與虛電路（Virtual Circuit，VC）。

（1）資料包方式

• ① 資料包是報文分組儲存轉發的一種形式。

  • ❶ 在資料包方式中，分組傳輸前不需要在源主機與目的主機之間預先建立“線路連線”。

  • ❷ 源主機傳送的每個分組都可以獨立選擇一條傳輸路徑。

  • ❸ 每個分組在通訊子網中可能通過不同路徑到達目的主機。

• ② 資料包方式的工作過程

  • ❶ 源主機（主機A）將報文分成多個分組，依次傳送到直接相連的通訊控制處理機A（即結點A）。

  • ❷ 當結點A每次接收到一個分組時，都要對該分組進行差錯檢測，以保證主機A與結點A之間的資料傳輸正確；

  • ❸ 結點A接收到分組以後，需要為每個分組進行路由選擇，不同分組通過子網的路徑可能是不同的。

  • ❹ 當結點A向結點C傳送分組p1時，結點C要對p1進行差錯檢測。如果p1傳輸正確，結點C向結點A傳送確認資訊ACK；結點A接收到結點C的ACK資訊後，確認p1已經正確傳輸，這時節點A可以廢棄p1的副本。

  • ❺ 分組p1通過通訊子網中多個結點的儲存轉發，最終正確到達目的結點（主機B）。

• ③ 資料包方式的特點：

  • ❶ 同一報文的不同分組可以經過不同的傳輸路徑通過通訊子網。

  • ❷ 同一報文的不同分組到達目的的結點時可能出現亂序、重複與丟失現象。

  • ❸每個分組在傳輸過程中都必須帶有目的地址與源地址。

  • ❹ 資料包方式的傳輸延遲較大，適用於突發性通訊、不適用於長報文、會話式通訊。

（2）虛電路方式

• ① 虛電路方式在傳送分組之前，傳送方和接收方需要建立一條邏輯連線的虛電路。

• ② 虛電路方式的工作過程

  • ❶ 虛電路建立階段：

    • 源結點（結點A）使用路由選擇演算法確定下一個結點（結點B），然後向結點B傳送“呼叫請求分組”；

    • 同時結點B也使用路由選擇演算法確定下一個結點。

    • 以此類推，“呼叫請求分組”經過一條路徑（A、B、C、D）結點（結點D）向結點A傳送“呼叫接收分組”。

    • 至此虛電路建立。

  • ❷ 資料傳輸階段：通過已建立的虛電路以儲存轉發方式順序傳輸分組。

  • ❸ 虛電路拆除階段：在資料傳輸結束之後，進入虛電路拆除階段，按照D、C、B、A的順序依次拆除虛電路。

• ③ 虛電路方式的特點：

  • 在每次傳輸分組之前，在源結點與目的結點之間建立一條邏輯連線，而不是需要去建立一條真實的物理鏈路。

  • 一次通訊的所有分組都通過虛電路順序傳輸，分組中不必攜帶目的地址、源地址等資訊。

  • 分組到達目的結點時不會出現亂序、重複與丟失現象。

  • 在分組通過虛電路上的每個結點時，結點只需要進行差錯檢測，而不需要進行路由選擇。

  • 通訊子網中的每個結點可以與任何結點建立多條虛電路連線。

• ④ 虛電路方式與線路交換方式的區別：

  • 虛電路是在傳輸分組之前建立的邏輯連線，稱為“虛電路”，這種電路不是專用的。

  • 每個結點可以同時與多個結點之間建立虛電路，每條虛電路支援這兩個結點之間的資料傳輸。

四、網路體系結構與網路協議

1．網路體系結構的概念

（1）網路協議（Protoco1）

• 網路協議是計算機網路為了在結點之間進行網路資料交換而制定的規則、約定與標準。

• 網路協議由3個要素組成：

  • 語法：使用者資料與控制資訊的結構和格式。

  • 語義：需要傳送何種控制資訊，以及完成的動作與所作的響應。

  • 時序：對事件實現順序的詳細說明。

（2）網路體系結構（Network Architecture）

• 網路體系結構是網路層次結構模型和各層協議的集合，是對計算機網路功能的精確定義。

• 網路體系結構是抽象的，網路實現是具體的，包括能執行的一些硬體和軟體。

• 計算機網路體系結構採用層次結構的好處：

  • 各層之間相互獨立。高層並不需要知道低層如何實現，只需知道該層通過介面提供的服務。

  • 靈活性好。當任何一層發生變化時，只要該層的介面保持不變，則該層以上或以下各層均不受影響。當不需要某層提供的服務時，甚至可以取消該層。

  • 各層都可以採用最合適的技術來實現，各層實現技術的改變不影響其他層。

  • 易於實現和維護。整個系統已被分解為若干個易於處理的部分，容易實現和維護。

  • 有利於促進標準化。由於每層的功能和所提供的服務都已有精確的說明。

2．ISO/OSI參考模型

（1）OSI參考模型的基本概念

• ISO制定了開放系統互聯（OSI）參考模型，作為國際認可的標準模型。

• OSI參考模型詳細規定了每層的功能，以實現開放系統環境中的互聯性（interconnection）、互操作性（interoperation）和應用的可移植性（portability）。

• OSI參考模型採用三級抽象：體系結構（Architecture）、服務定義（Service Definition）和協議說明（Protocol Specification）。

  • OSI體系結構定義了開放系統的層次結構、層次之間的相互關係，以及各層所包括的可能的服務。

  • OSI服務定義詳細說明了各層提供的服務。

    • 某層的服務就是該層及以下各層的一種能力，通過介面提供給更高一層。

    • 各層提供的服務與這些服務如何實現無關。

    • 各種服務定義還定義了各層之間的介面和各層使用的原語，但是不涉及介面是怎樣實現的。

  • OSI協議說明精確定義了控制資訊的傳送，以及控制資訊的解釋過程。協議說明具有最嚴格的約束。

• OSI參考模型並沒有提供一個可以實現的方法，只是描述了一些概念，用來協調程式之間通訊標準的制定。

（2）ISO劃分整個通訊功能的基本原則

• ① 網路中的各個結點都具有相同的層次。

• ② 不同結點的同等層都具有相同的功能。

• ③ 同一結點內部的相鄰層之間通過介面來通訊。

• ④ 每層使用其下層提供的服務，並向其上層提供服務。

• ⑤ 不同結點的同等層根據協議來實現對等層之間的通訊。

（3）OSI參考模型中的各層的主要功能：

• ① 物理層（Physical Layer）

  • 物理層位於OSI參考模型的最低層。

  • 物理層的主要功能是利用物理傳輸介質，為資料鏈路層提供物理連線，以便透明地傳輸位元流。

• ② 資料鏈路層（Data Link Layer）

  • 在物理層提供的位元流傳輸服務的基礎上，在通訊的實體之間建立資料鏈路連線。

  • 在資料鏈路上傳輸以幀作為單位的資料，採用差錯控制與流量控制方法，將有差錯的物理線路變成無差錯的資料鏈路。

• ③ 網路層（Network Layer）

  • 網路層通過路由選擇演算法為分組通過通訊子網選擇最適當的路徑。

  • 網路層需要實現路由選擇、擁塞控制與網路互聯等功能。

• ④ 傳輸層（Transport Layer）

  • 傳輸層的主要任務是向使用者提供可靠的端到端（End-to-End）服務，以便透明地傳輸報文。

  • 傳輸層向高層遮蔽低層的資料通訊細節，是網路體系結構中的關鍵層之一。

• ⑤ 會話層（Session Layer）：主要用於組織兩個會話程式之間的通訊，並且對資料交換進行管理。

• ⑥ 表示層（Presentation Layer）

  表示層處理在不同通訊系統中交換的資訊的表示方式，包括資料格式變換、資料加密與解密、資料壓縮與恢復等功能。

• ⑦ 應用層（Application Layer）

  • 應用層是OSI參考模型的最高層。

  • 應用層提供應用程式所需的資訊交換和遠端操作，以及通過代理（Agent）完成一些資訊交換所需的功能。

3．TCP/IP參考模型與協議

（1）TCP/IP參考模型與協議的發展

• ① TCP/IP協議是目前最流行的商業化協議，並被公認為工業標準或“事實上的標準”。

• ② 在TCP/IP協議出現之後，才出現了TCP/IP參考模型，也先於OSI參考模型出現。

• ③ TCP/IP協議具有以下幾個特點：

  • 開放的協議標準，可以免費使用，並且獨立於特定的計算機硬體與作業系統。

  • 獨立於特定的網路硬體，可以執行在區域網、廣域網，更適合在網際網路中使用。

  • 統一的網路地址分配方案，使每個TCP/IP裝置在網路中都具有唯一的地址。

  • 標準化的高層協議，可以提供多種可靠的使用者服務。

（2）TCP/IP參考模型與層次結構

• ① 層次結構模型包括兩方面：一是層次結構的定義，二是各層功能的描述。

• ② TCP/IP參考模型可以分為4個層次：應用層、傳輸層、互聯層與主機-網路層。

  • 應用層（Application Layer）與OSI模型的應用層對應。

  • 傳輸層（Transport Layer）與OSI模型的傳輸層對應。

  • 互聯層（Internet Layer）與OSI模型的網路層對應，負責將源主機生成的分組傳送到目的主機。

  • 主機-網路層（Host-to-Network Layer）與OSI模型的資料鏈路層及物理層對應。

  • 在TCP/IP參考模型中，OSI模型的表示層、會話層沒有對應的層次。

• ③ 互聯層的功能：

  • 處理來自傳輸層的分組傳送請求。在接收到分組傳送請求之後，將分組裝入IP資料包並填充報頭，然後將資料包傳送到相應的網路輸出介面。

  • 處理接收到的資料包。在接收到來自其他主機的資料包之後，檢查資料包的目的地址，如果需要轉發，則為資料包選擇傳送路徑並執行轉發；如果目的地址為本結點的IP地址，則拆除報頭並將分組交給傳輸層處理。

  • 處理互聯的路徑、流量與擁塞控制問題。

• ④ 傳輸層協議

  • 傳輸控制協議（Transport Control Protocol，TCP）

    • TCP協議是一種可靠的面向連線的協議。

    • TCP協議能將一臺主機的位元組流（Byte Stream）無差錯地傳輸到目的主機。

    • TCP協議將應用層的位元組流分成多個位元組段（Byte Segment），然後將每個位元組段依次交給互聯層，以傳送到目的主機。

    • 當互聯層將接收到的位元組段交給傳輸層時，傳輸層將多個位元組段還原成位元組流，以交給應用層。

    • TCP協議還要完成流量控制功能，協調收發雙方的傳送與接收速度，以達到正確傳輸的目的。

  • 使用者資料包協議（User Datagram Protocol，UDP）

    • UDP協議是一種不可靠的無連線協議。

    • UDP協議常用於不要求分組順序到達的應用，分組傳輸順序檢查與排序由應用層來完成。

• ⑤ TCP/IP的應用層協議主要包括：

  • 網路終端協議Telnet：用於網際網路中的遠端登入功能。

  • 檔案傳輸協議FTP：用於網際網路中的互動式檔案傳輸功能。

  • 電子郵件協議SMTP：用於網際網路中的電子郵件傳送功能。

  • 域名服務系統DNS：用於網路裝置的名字到IP地址的對映。

  • 路由資訊協議RIP：用於在路由裝置之間交換路由資訊。

  • 網路檔案系統NFS：用於網際網路中的不同主機的檔案共享。

  • 超文字傳輸協議HTTP：用於網際網路中的Web服務。

4．OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較

（1）相同點：OSI參考模型與TCP/IP參考模型都採用層次結構的概念，在傳輸層中定義了相似的功能。

（2）OSI參考模型與協議其自身的缺陷：

• ① 會話層在大多數的應用中很少使用，表示層幾乎是空的；

• ② 在資料鏈路層與網路層中有很多子層插入，每個子層都有不同的功能；

• ③ 將“服務”與“協議”的定義相結合，使得該參考模型變得格外複雜，實現起來非常困難；

• ④ 定址、流量控制與差錯控制在每層中重複出現，降低系統效率；

• ⑤ 關於資料安全性、加密與網路管理等方面的問題在OSI參考模型的設計初期被忽略；

• ⑥ 很多“原語”在軟體的一些高階語言中實現起來容易，但是嚴格按照層次模型程式設計的軟體效率低。

（3）TCP/IP參考模型與協議也有自身的缺陷：

• ① 在服務、介面與協議的區別上不清楚。

• ② 主機—網路層本身並不是實際的一層，TCP/IP定義了網路層與資料鏈路層的介面，而物理層與資料鏈路層的劃分是必要和合理的，TCP/IP參考模型卻沒有做到這點。

五、網際網路應用的發展

1．基於web應用的發展

（1）Web伺服器是執行Web伺服器軟體（例如Microsoft IIS或Apache Server）的計算機。

（2）Web服務中的資訊以頁面（Page）的形式來表示。

（3）Web頁面由各種檔案組成，這些檔案包含如何顯示資訊的說明，以及使用者可以看到的最終結果。

2．搜尋引擎技術的發展

搜尋引擎作為執行在Web上的應用軟體系統，已經成為繼電子郵件之後的第二大Web應用。

3．播客技術的應用

（1）播客（Podcast）是基於網際網路的數字廣播技術之一，繼承了傳統廣播的大眾性，同時增加了收聽節目的靈活性、聽眾選擇節目與參與節目的主動性、互動性。

（2）播客可的分類：根據節目型別

• ① 傳統廣播節目的播客：播客節目的內容是經過編輯的電視節目播客版本，增加一些符合播客格式的特製內容。

• ② 專業播客提供商：專業播客提供商作為資訊服務業的新業態出現。

• ③ 個人播客：使用麥克風、視訊頭與計算機將自己的生活感悟記錄下來，作為個人音訊版的日記傳輸到播客共享空間與網友共享。

（3）播客技術帶來的變化

• ① 播客技術使傳統的廣播從單純的語音向語音、視訊結合的方式變化，增加製作者的表現手段，增強互動性，吸引更多的受眾。

• ② 播客技術改變傳統廣播的聽眾被動收聽的方式，使聽眾成為主動的參與者。播客聽眾可以自己選定節目內容，增強聽眾的主動性與互動性。

• ③ 播客技術改變傳統廣播的定時播出方式，播客聽眾可在任何時間通過網路選擇自己感興趣的節目。在傳統的廣播方式中，如果錯過播音時間，就聽不到某個節目。

• ④ 播客技術使傳統廣播從廣播電臺的單一模式，變成個人也可以製作節目的局面。

4．部落格技術的應用

（1）部落格的定義

• ① 部落格（Blog）又稱為網路日誌（Weblog），是網際網路上以文章形式的資訊發表和共享。

• ② 部落格在技術上屬於網路共享空間，在形式上屬於個人網際網路出版類的應用，是人們在網際網路上思想交流的一種新方式。

• ③ 部落格服務網站為部落格的使用者開闢一個共享空間，使用者可以使用文字、圖片、視訊或連結等，建立自己的個性化的資訊共享空間。

（2）部落格的分類：根據使用者和內容的不同

• ① 個人部落格：以個人的記事、表達、交流為主的部落格，記錄了個人真實生活日記，以及對某些問題的認識與感悟。

• ② 部落格社群：

  • 由共同關心某類問題的人或團體組成的部落格社群。

  • 以學術專題討論為主形成的部落格社群。

  • 以新聞時事的發表、轉載與評論為主的部落格社群。

5．網路電視的應用

（1）傳統的數字電視是通過有線電視網傳輸，只能提供廣播方式的服務，而不能提供點播方式的服務。

（2）網路電視（IPTV）是通過寬頻IP網路傳輸，可以實現與使用者的互動點播，同時也可以方便地將傳統的電視服務與Web、E-mail和其他網際網路服務功能相結合。

6．P2P技術的應用

（1）P2P技術網路

• ① P2P網路中計算機同時身兼服務提供者與使用者的雙重身份。

• ② 在P2P網路環境中，成千上萬臺彼此連線的計算機之間都處於一種對等的地位，每臺計算機既可以作為網路服務的使用者，也可以向其他提出服務請求的客戶機提供資源和服務。

（2）P2P網路的特點

• ① P2P網路是以擴大網際網路資源的共享範圍與深度，使資訊共享達到最大化為目的而設計的一種“非集中式”的網路結點之間的結構。

  • 在P2P網路中，所有結點既可以作為客戶機，又可以作為伺服器。

  • 結點之間在共享網路資源與服務上的地位是平等的。

• ② P2P網路是不依賴於網際網路的DNS，能夠適應網路拓撲的態變化，具有獨立路由定址能力的自治系統。

• ③ P2P網路的“非集中式”共享網路資源與服務，與已有的“集中式”共享網路資源的結構是共存與互補的。

（3）典型的P2P應用

• ① P2P網路應用大致可以分為：檔案共享類、多媒體傳輸類、即時通訊類、資料儲存類、協同工作類、P2P搜尋類、P2P分散式計算類應用。

• ② 在P2P網路中實現分散式資料儲存是當前的研究熱點。

附錄：

1. 參考資料

1.《全國計算機考試四級教程：計算機網路》2020版，高等教育出版社

2.《2016年9月全國計算機等級考試《四級計算機網路》複習全書》聖才學習網，iReader

3.《2016年9月全國計算機等級考試《網路工程師（四級）》複習全書》聖才學習網，iReader

2. 特別說明

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