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网络基础知识(二)

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网络基础知识(二)
.网络的定义及特点

  计算机网络,就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息,共享信息资源。

一般来说,计算机网络可以提供以下一些主要功能:

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资源共享 网络的出现使资源共享变得很简单,交流的双方可以跨越时空的障碍,随时随地传递信息。
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信息传输与集中处理 数据是通过网络传递到服务器中,由服务器集中处理后再回送到终端。
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负载均衡与分布处理 负载均衡同样是网络的一大特长。举个典型的例子:一个大型ICPInternet内容提供商)为了支持更多的用户访问他的网站,在全世界多个地方放置了相同内容的WWW服务器;通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面,这样来实现各服务器的负荷均衡,同时用户也省了不少冤枉路。
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综合信息服务 网络的一大发展趋势是多维化,即在一套系统上提供集成的信息服务,包括来自政治、经济、等各方面资源,甚至同时还提供多媒体信息,如图象、语音、动画等。在多维化发展的趋势下,许多网络应用的新形式不断涌现,如:

电子邮件——这应该是大家都得心应手的网络交流方式之一。发邮件时收件人不一定要在网上,但他只要在以后任意时候打开邮箱,都能看到属于自己的来信。
网上交易——就是通过网络做生意。其中有一些是要通过网络直接结算,这就要求网络的安全性要比较高。
视频点播——这是一项新兴的娱乐或学习项目,在智能小区、酒店或学校应用较多。它的形式跟电视选台有些相似,不同的是节目内容是通过网络传递的。
联机会议——也称视频会议,顾名思义就是通过网络开会。它与视频点播的不同在于所有参与者都需主动向外发送图像,为实现数据、图像、声音实时同传,它对网络的处理速度提出了最高的要求。

以上对网络的功能只是略举一二,我们将在以后的篇幅中用更详尽的案例去充实大家对网络的理解。

网络的分类及组成

网络依据什么划分,又是如何组成的呢?

计算机网络的类型有很多,而且有不同的分类依据。网络按交换技术可分为:线路交换网、分组交换网;按传输技术可分为:广播网、非广播多路访问网、点到点网;按拓朴结构可分为总线型、星型、环形、树形、全网状和部分网状网络;按传输介质又可分为同轴电缆、双线、光纤或卫星等所连成的网络。这里我们主要讲述的是根据网络分布规模来划分的网络:局域网、城域网、广域网和网间网。

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局域网-LAN(Local Area Network)
将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络,覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。局域网的特点是:距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠。

目前常见的局域网类型包括:以太网(Ethernet)、令牌环网 Token Ring)、光纤分布式数据接口(FDDI)、异步传输模式(ATM)等,它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网—— 一种总线结构的LAN,是目前发展最迅速、也经济的局域网。

局域网的常用设备有:

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网卡(NIC 插在计算机主板插槽中,负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式,通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。

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集线器(Hub 是单一总线共享式设备,提供很多网络接口,负责将网络中多个计算机连在一起。所谓共享是指集线器所有端口共用一条数据总线,因此平均每用户(端口)传递的数据量、速率等受活动用户(端口)总数量的限制。它的主要性能参数有总带宽、端口数、智能程度(是否支持网络管理)、扩展性(可否级联和堆叠)等。

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交换机(Switch 也称交换式集线器。它同样具备许多接口,提供多个网络节点互连。但它的性能却较共享集线器大为提高:相当于拥有多条总线,使各端口设备能独立地作数据传递而不受其它设备影响,表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽。此外,交换机还具备集线器欠缺的功能,如数据过滤、网络分段、广播控制等。

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线缆 局域网的距离扩展需要通过线缆来实现,不同的局域网有不同连接线缆,如光纤、双绞线、同轴电缆等。

2
城域网- MAN(Metropolitan Area Network)
MAN
的覆盖范围限于一个城市,目前对于市域网少有针对性的技术,一般根据实际情况通过局域网或广域网来实现。

3
广域网-WAN(Wide Area Network)
WAN
连接地理范围较大,常常是一个国家或是一个洲。其目的是为了让分布较远的各局域网互连,所以它的结构又分为末端系统(两端的用户集合)和通信系统(中间链路)两部分。通信系统是广域网的关键,它主要有以下几种:

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公共电话网 PSTNPublic Swithed Telephone Network),速度9600bps28.8kbps,经压缩后最高可达115.2kbps,传输介质是普通电话线。它的特点是费用低,易于建立,且分布广泛。
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综合业务数字网 ISDNIntegrated Service Digital Network),也是一种拨号连接方式。低速接口为128kbps(高速可达2M),它使用ISDN线路或通过电信局在普通电话线上加装ISDN业务。ISDN为数字传输方式,具有连接迅速、传输可靠等特点,并支持对方号码识别。ISDN话费较普通电话略高,但它的双通道使其能同时支持两路独立的应用,是一项对个人或小型办公室较适合的网络接入方式。
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专线 Leased Line,在中国称为DDN,是一种点到点的连接方式,速度一般选择64kbps2.048Mbps。专线的好处是数据传递有较好的保障,带宽恒定;但价格昂贵,而且点到点的结构不够灵活。
* X.25
是一种出现较早且依然应用广泛的广域网方式,速度为9600bps64kbps;有 冗余纠错功能,可 靠性高,但由此带来的副效应是速度慢,延迟大;
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帧中继 Frame Relay,是在X.25基础上发展起来的较新技术,速度一般选择为64kbps2.048Mbps中继的特点是灵活、弹性:可实现一点对 多点的连接,并且在数据量大时可超越约定速率传送数据,是一种较好的商业用户连接选择。
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异步传输模式 ATMAsynchronous Transfer Mode),是一种信元交换网络,最大特点的速率高、延迟小、传输质量有保障。ATM大多采用光纤作为连接介质,速率可高达上千兆(109bps),但成本也很高广域网与局域网的区别在于:线路通常需要付费。多数企业不可能自己架设线路,而需要租用已有链路,故广域网的大部分花费用在了这里。人们常常考虑如何优化使用带宽,将好刀用在刀刃上

广域网常用设备有:

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路由器(Router 广域网通信过程根据地址来寻找到达目的地的路径,这个过程在广域网中称为"路由(Routing"。路由器负责在各段广域网和局域网间根据地址建立路由,将数据送到最终目的地。
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调制解调器(Modem 作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备,是广域网中必不可少的设备之一。分为同步和异步两种,分别用来与路由器的同步和异步串口相连接,同步可用于专线、帧中继、X.25等,异步用于PSTN的连接。

4
网间网
Internetwork,是一系列局域网和广域网的组合,因此包含的技术也是现有的局域网和广域网技术的综合。Internet便是一个当前最大也最为典型的网间网。
.协议的定义及意义

如何定义网络协议,它有哪些意义?
协议是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。

网络是一个相互联结的大群体,因此要想加入到这个群体中来,就不能随心所欲,任由兴之所发。就好象一个国家或一个种族拥有自己的语言,大家都必须通晓并凭借这种语言来对话一样,相互联结的网络中各个节点也需要拥有共同的语言,依据它所定义的规则来控制数据的传递,这种语言便是大家经常听说的协议。协议是对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合,它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等许多参数作出定义。

对网络始入门者来说,纷繁复杂的协议常常让人头痛不已这些协议各起什么作用?它们之间又有什么联系?为什么有了A协议还需要补充B协议?这些问题搞不清楚,往往成为进一步学习的障碍。其实这个问题应该这样理解:是先有了各种不同语言的民族,后来随着社会的发展,才有了不同民族间交流的需求。网络也是这样,最初人们在小范围内建立网络,只需要自己作一些简单的约定,保证这一有限范围内的用户遵守就可以了;到后来网络规模越来越大,才考虑到制定更严格的规章制度即协议;而为了实现多个不同网络的互联,又会增加不少新协议作为补充,或成长为统一的新标准。

数据在网络中由源传输到目的地,需要一系列的加工处理,为了便于理解,我们这里不妨打个比喻。如果我们把数据比做巧克力:我们可以把加工巧克力的设备作为源,而把消费者的手作为目的来看看会有什么样的传输过程。巧克力厂通常会为每块巧克力外边加上一层包装,然后还会将若干巧克力装入一个巧克力盒,再把几个巧克力盒一起装入一个外包装,运输公司还会把许多箱巧克力装入一个集装箱,到达消费者所在的城市后,又会由运输商、批发商、零售商、消费者打开不同的包装层。不同层次的包装、解包装需要不同的规范和设备,计算机网络也同样有不同的封装、传输层面,为此国际标准化组织ISO1978 年提出开放系统互连参考模型,即著名的OSI(Open System Interconnection)七层模型,它将是我们后续篇幅中要介绍的内容,这里先不展开论述。 网络的协议就是用作这些不同的网络层的行为规范的。网络在发展过程中形成了很多不同的协议族,每一协议族都在网络的各层对应有相应的协议,其中作为Internet规范的是ICP/IP协议族,这也是我们今天要讲的TCP/IP协议的定义以及层次、功能

什么是TCP/IP协议,划为几层,各有什么功能?
TCP/IP
协议族包含了多功能各异的子协议。为此我们也利用上文所述的分层的方式来剖析它的结构。TCP/IP层次模型共分为四层:应用层、传输层、网络层、数据链路层。

TCP/IP
网络协议
TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol
,传输控制协议/间网协议)是目前世界上应用最为广泛的协议,它的流行与Internet的迅猛发展密切相关—TCP/IP最初是为互联网的原型ARPANET所设计的,目的是提供一整套方便实用、能应用于多种网络上的协议,事实证明TCP/IP做到了这一点,它使网络互联变得容易起来,并且使越来越多的网络加入其中,成为Internet的事实标准。

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应用层应用层是所有用户所面向的应用程序的统称。ICP/IP协议族在这一层面有着很多协议来支持不同的应用,许多大家所熟悉的基于Internet的应用的实现就离不开这些协议。如我们进行万维网(WWW)访问用到了HTTP协议、文件传输用FTP协议、电子邮件发送用SMTP、域名的解析用DNS协议、 远程登录用Telnet协议等等,都是属于TCP/IP应用层的;就用户而言,看到的是由一个个软件所构筑的大多为图形化的操作界面,而实际后台运行的便是上述协议。

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传输层这一层的功能主要是提供应用程序间的通信,TCP/IP协议族在这一层的协议有TCPUDP

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网络层TCP/IP协议族中非常关键的一层,主要定义了IP地址格式,从而能够使得不同应用类型的数据在Internet上通畅地传输,IP协议就是一个网络层协议。

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网络接口层这是TCP/IP软件的最低层,负责接收IP数据包并通过网络发送之,或者从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。

1
TCP/UDP协议
TCP (Transmission Control Protocol)
UDP(User Datagram Protocol)协议属于传输层协议。其中TCP提供IP环境下的数据可靠传输,它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说,它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道,然后再进行数据发送;而UDP则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。一般来说,TCP对应的是可靠性要求高的应用,而UDP对应的则是可靠性要求低、传输经济的应用。TCP支持的应用协议主要有:TelnetFTPSMTP等;UDP支持的应用层协议主要有:NFS(网络文件系统)、SNMP(简单网络管理协议)、DNS(主域名称系统)、TFTP(通用文件传输协议)等。

IP
协议的定义、IP地址的分类及特点

什么是IP协议,IP地址如何表示,分为几类,各有什么特点?
为了便于寻址和层次化地构造网络,IP地址被分为ABCDE五类,商业应用中只用到ABC三类。

IP
协议(Internet Protocol)又称互联网协议,是支持网间互连的数据报协议,它与TCP协议(传输控制协议)一起构成了TCP/IP协议族的核心。它提供网间连接的完善功能, 包括IP数据报规定互连网络范围内的IP地址格式。

Internet
上,为了实现连接到互联网上的结点之间的通信,必须为每个结点(入网的计算机)分配一个地址,并且应当保证这个地址是全网唯一的,这便是IP地址。目前的IP地址(IPv4IP4版本)由32个二进制位表示,每8位二进制数为一个整数,中间由小数点间隔,如159.226.41.98,整个IP地址空间有48位二进制数,由表示主机所在的网络的地址(类似部队的编号)以及主机在该网络中的标识(如同士兵在该部队的编号)共同组成。

为了便于寻址和层次化的构造网络,IP地址被分为ABCDE五类,商业应用中只用到ABC三类。

* A
类地址:A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示,网络中的主机标识占38位二进制数,A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为“0”。不难算出,A类地址允许有126个网段,每个网络大约允许有1670万台主机,通常分配给拥有大量主机的网络(如主干网)。

* B
类地址:B类地址的网络标识由前两组8位二进制数表示,网络中的主机标识占两组8位二进制数,B类地址的特点是网络标识的前两位二进制数取值必须为“10”B类地址允许有16384个网段,每个网络允许有65533台主机,适用于结点比较多的网络(如区域网)。

* C
类地址:C类地址的网络标识由前38位二进制数表示,网络中主机标识占18位二进制数,C类地址的特点是网络标识的前3位二进制数取值必须为“110”。具有C类地址的网络允许有254台主机,适用于结点比较少的网络(如校园网)。

为了便于记忆,通常习惯采用4个十进制数来表示一个IP地址,十进制数之间采用句点“.”予以分隔。这种IP地址的表示方法也被称为点分十进制法。如以这种方式表示,A类网络的IP地址范围为1.0.0.1127.255.255.254B类网络的IP地址范围为:128.1.0.1191.255.255.254C类网络的IP地址范围为:192.0.1.1223.255.255.254

由于网络地址紧张、主机地址相对过剩,采取子网掩码的方式来指定网段号。

TCP/IP
协议与低层的数据链路层和物理层无关,这也是TCP/IP的重要特点。正因为如此 ,它能广泛地支持由低两层协议构成的物理网络结构。目前已使用TCP/IP连接成洲际网、全国网与跨地区网。

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OSL
参考模型(简单图一)

应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
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第三层网络层:网络层将数据分成一定长度的分组,并在分组头中标识源和目的节点的逻辑地址,这些地址就街区、门牌号一样,成为每个节点的标识;网络层的核心功能便是根据这些地址来获得从源到目的的路径,当有多条路径存在的情况下,还要负责进行路由选择。
第四层传输层:提供对上层透明(不依赖于具体网络)的可靠的数据传输。如果说网络层关心的是点到点的逐点转递,那么可以说传输层关注的是端到端(源端到目的端)的最终效果。它的功能主要包括:流控、多路技术、虚电路管理和纠错及恢复等。其中多路技术使多个不同应用的数据可以通过单一的物理链路共同实现传递;虚电路是数据传递的逻辑通道,在传输层建立、维护和终止;纠错功能则可以检测错误的发生,并采取措施(如重传)解决问题。
第五层会话层:在网络实体间建立、管理和终止通讯应用服务请求和响应等会话。
第六层表示层:定义了一系列代码和代码转换功能以保证源端数据在目的端同样能被识别,比如大家所熟悉的文本数据的ASCII码,表示图象GIF或表示动画的MPEG等。

第七层——应用层:应用层是面向用户的高层,通过软件应用实现网络与用户的直接对话,如:找到通讯对方,识别可用资源和同步操作等。

网络七层的底三层(物理层、数据链路层和网络层)通常被称作媒体层,它们不为用户所见,默默地对网络起到支撑作用,是网络工程师所研究的对象;上四层(传输层、会话层、表示层和应用层)则被称作主机层,是用户所面向和关心的内容,这些程序常常将各层的功能综合在一起,在用户面前形成一个整体。大家所熟悉的网上应用WWWFTPTELNET等,都是这多层功能的综合。

在数据的实际传输中,发送方将数据送到自己的应用层,加上该层的控制信息后传给表示层;表示层如法炮制,再将数据加上自己的标识传给会话层;以此类推,每一层都在收到的数据上加上本层的控制信息并传给下一层;最后到达物理层时,数据通过实际的物理媒体传到接收方。接收端则执行与发送端相反的操作,由下往上,将逐层标识去掉,重新还原成最初的数据。由此可见,数据通讯双方在对等层必须采用相同的协议,定义同一种数据标识格式,这样才可能保证数据的正确传输而不至走形。

OSI
与实际应用模型

七层模型是一个理论模型,实际应用则千变万化,完全可能发生变异。对大多数应用,我们只是将它的协议族(即协议堆栈)与七层模型作大致的对应,看看实际用到的特定协议是属于七层中某个子层,还是包括了上下多层的功能。

网络中实际用到的协议是否严格按照这七层来定义呢?并非如此,七层模型是一个理论模型,实际应用则千变万化,完全可能发生变异。何况有的应用由来已久,不可能在七层模型推出后又推翻重来。因此对大多数应用,我们只是将它的协议族(即协议堆栈)与七层模型作大致的对应,看看实际用到的特定协议是属于七层中某个子层,还是包括了上下多层的功能。我们在以前的篇幅中曾介绍过的TCP/IP协议,它与七层模型的对应关系如下:
——————————————————————————
OSL
TCP/IP模型的对应关系(简单图二)
应用层  *
表示层  应用层
会话层  *
传输层  传输层
网络层  网络层
数据链路层  网络接口层
物理层  *
——————————————————————————
由图二可看出,TCP/IP的多数应用协议将OSI应用层、表示层、会话层的功能合在一起,构成其应用层,典型协议有:HTTPFTPTELNET等;TCP/UDP协议对应OSI的传输层,提供上层数据传输保障;IP协议对应OSI的网络层,它定义了众所周知的IP地址格式,做为网间网中查找路径的依据;TCP/IP底层功能由网络接口层实现,相当于OSI的物理层和数据链路层,实际上TCP/IP对该层并未作严格定义,而是应用已有的底层网络实现传输,这就是它得以广泛应用的原因。 


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