网络通信基础

一.计算机网络发展简介

21世纪的一个重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络，现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础，其中发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

进入20世纪90年代以后，以起源于美国的因特网（Internet）为代表的计算机网络得到了飞速的发展，现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。

到目前为止，Internet的发展经历了三个阶段。

第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程，以1983年TCP/IP协议成为 ARPANET上的标准协议为标志性事件。这一阶段主要是进行网络技术的研究和试验。

第二阶段从1983年到1994年期间，Internet进入实用阶段，它是作为用于教学、科研和通信的学术网络。这一阶段的特点是建成了三级结构的因特网，三级计算机网络分为骨干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段是从1994年以后，Internet开始进入商业化阶段，政府部门、商业企业以及个人开始广泛使用Internet。这一阶段的特点是出现了因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider），逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。用户通过ISP上网，由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。中国的三大基础运营商包括中国电信（吉通、网通）、中国移动（铁通）、中国联通。

二．计算机网络拓扑结构

网络中各台计算机节点连接的形式和布局方案称为网络的拓扑结构。计算机网络的拓扑结构主要有以下几种：

1．星型拓扑

星型拓扑结构的中心结点是由集线器或者是交换机来承担的。

优点某工作站出现故障或单独与中心结点的线路损坏时，不会对整个网络造成大的影响，而仅会影响该工作站。缺点是过分依赖中心结点，中心结点故障将导致全网瘫痪。

2．环型拓扑

环型拓扑结构是由网络中若干中继器使用电缆通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。每个站对环的使用权平等，都以同样的速度串行地沿着一个方向在各节点间传输数据。

优点是电缆长度短，和总线拓扑结构相似。缺点是环路上的一个站点出现故障，则该站点的中继器不能进行转发，相当于环在故障结点处断掉，造成整个网络瘫痪，且诊断故障困难。

3．总线型拓扑

总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点（包括工作站、共享设备和文件服务器）均通过相应的硬件接口直接连接到这根传输介质或称总线上，各工作站地位平等，无中心结点控制。总线型拓扑结构的总线大都采用同轴电缆。

优点是结构简单，使用电缆较少，连接方便，易实现、易维护。易于扩充，增加新的站点容易，仅需在总线的相应接入点将工作站接入即可。缺点是诊断故障困难，故障隔离困难。

4．树型拓扑

树型拓扑结构是总线型拓扑的扩展变种，是在总线型网络上加上分支形成的。形状象一棵倒置的树，顶端有一个带有分支的根，每个分支还可延伸出子分支。树型拓扑是一种分层结构，适用于分级管理控制系统。

优点是组网灵活，易于扩展，故障隔离容易。缺点是对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，与星型结构相似，结构较星型复杂。

5．混合型拓扑

混合型拓扑结构将以上两种单一拓扑结构类型混合起来，综合两种拓扑结构的优点可以构成一种混合型拓扑结构。常见的有星型/总线拓扑和星型环拓扑。

6．网型拓扑

7．蜂窝状拓扑

蜂窝状拓扑结构是作为一种无线网络的拓扑结构，结合无线点到点和点到多点的策略，将一个地理区域划分成多个单元，每个单元代表整个网络的一部分，在这个区域内有特定的连接设备，单元内的设备与中央节点设备或集线器进行通信。集线器在互联时，数据能跨越整个网络，提供一个完整的网络结构。目前，随着无线网络的迅速发展，蜂窝状拓扑结构得到了普遍应用。

三.计算机网络分类

1．子网分类

计算机网络可分为两种子网：资源子网和通信子网。

1. 资源子网（边缘部分）

资源子网提供访问的能力，资源子网由主计算机、终端控制器、终端和计算机所能提供共享的软件资源和数据源（如数据库和应用程序）构成。主计算机通过一条高速多路复用线或一条通信链路连接到通信子网的结点上。

2. 通信子网（核心部分）

通信子网是由用作信息交换的结点计算机NC和通信线路组成的独立的数据通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作。

2．广域网和局域网

按网络的覆盖范围划分，现代计算机网络可划分为广域网和局域网。

局域网（LAN），可在相对较近的距离内（通常在同一个建筑物内）将许多设备连接在一起。图书馆中用来显示图书信息的终端计算机便可连接到局域网上。广域网（WAN）技术，可将相距几十公里的设备连接在一起，但能够连接的设备数量较少。例如，如果两个位于城市两端的图书馆希望共享图书目录信息，那么便可以使用广域网技术进行连接，这可能需要从当地电话公司租用一条专线来专门传输它们的数据。

与广域网相比，局域网的速度更快，也更为可靠，但是技术的不断发展已经使它们之间的界限变得越来越模糊。借助光纤，可使用局域网技术连接相距数十公里远的设备，同时还能极大地提升广域网的速度和可靠性。

介于局域网与广域网之间，覆盖一个城市的地理范围，用来将同一区域内的多个局域网互连起来的中等范围的计算机网网络称之为城域网(MAN，Metropolitan Area Network)。城域网基于一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。

宽带城域网是指在城市或一定地理区域范围内组建的，用于实现个人和企业用户的语音、视频、数据等多种业务接入、汇聚和转发，可独立进行管理的 IP 网络平台。包括城域骨干网和宽带接入网两部分。

3．公网和内网

接入网概念的核心就是把整个电信网分为：核心网、接入网和用户驻地网三部分。接入网与核心网构成电信公网。接入网是在业务节点接口（Service Node Interface，SNI）和与其关联的每一个用户网络接口（User Network Interface，UNI）之间由提供电信业务的传送实体组成的系统。业务节点（Service Node，SN）是提供接入到各种交换和/或非交换电信业务的网元；SNI是提供用户接入到SN的接口；UNI指的是终端设备与应用接入协议的网络终端之间的接口。

在电话通讯中，电话用户是靠电话号码来识别的。同样，在IP网络中为了区别不同的计算机，Internet 上的每台主机(Host)都有一个唯一的IP地址。IP协议就是使用这个地址在主机之间传递信息，这是Internet 能够运行的基础。

依据用户接入点与Internet的接入关系，我们通常将网络分为公网和内网。所谓公网，一般是指用户拿到了IDC或NIC一级的IP，这个IP地址在全世界都是唯一的，可以通过它直接访问因特网，即我们通常所说的公网IP。例如，ADSL拨号接入，往往分配到的是一个公网地址。

公司、校园或家庭已经接入了宽带，现有另外的一台或多台计算机也想联网，在不想重新拉一根宽带接入的情况下，可以考虑组建局域网。路由器可连接多台电脑，为了区分他们啊，路由器会给每台电脑会分配一个独立的IP地址，这个IP地址只做内部网络识别，即我们通常所说的内网IP。内网IP往往牵涉到ARP，即IP地址与MAC地址之间的映射。

两台具有公网IP的的计算机可以互相访问，处于内网的主机没有公网IP，没有直接接入Internet，所有通信经过代理（一般是透明网关）进行中转。这其中涉及到NAT等一系列的内网地址解决方案，最终实现公网通信。

　　内网地址（Local Address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。以下列出常用的内部私有地址

A类 10.0.0.0–10.255.255.255

B类 172.16.0.0–172.31.255.255

C类 192.168.0.0–192.168.255.255

四．广域网

1．广域网通信线路种类

（1）按照传输介质分类 ，可分为铜线线路、光纤线路、无线线路。

（2）按照通信业务种类分类，可分为资源出租业务、拨号上网、X.25电路、数字数据专线DDN、帧中继电路、ADSL线路、ATM电路、SDH电路。

2．广域网中的通信协议

2.1高级数据链路控制（HDLC）协议

高级数据链路控制（HDLC，High-Level Data Link Control）是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(Synchronous Data Link Control)协议扩展开发而成的。

链路控制协议着重于对分段成物理块或包的数据的逻辑传输，块或包由起始标志引导并由终止标志结束，也称为帧。帧是每个控制、每个响应以及用协议传输的所有 信息的媒体的工具。所有面向比特的数据链路控制协议均采用统一的帧格式，不论是数据还是单独的控制信息均以帧为单位传送。每个帧前、后均有一标志码01111110,用作帧的起始、终止指示及帧的同步。

2.2点到点协议（PPP）

PPP（Point-to-Point Protocol）协议是目前使用最广泛的广域网协议，这是因为它具有以下特性：（1）能够控制数据链路的建立；（2）能够对IP地址进行分配和使用；（3）允许同时采用多种网络层协议；（4）能够配置和测试数据链路；（5）能够进行错误检测；（6）有协商选项，能够对网络层的地址和数据压缩等进行协商。

（1）PPP帧格式

（2）PPP协议结构

（3）PPP协议通信过程

PPP运行过程包括三个阶段：<1>链路建立阶段（LCP）；<2>验证阶段（Authenticate）；<3>网络控制协商阶段（NCP）。

（4）PPPoE

在以太网上传输PPP协议报文的协议，利用PPP的用户认证功能实现在以太网连接中的用户认证。

（5）X.25与帧中继（Frame Relay）

X.25网络是第一个面向连接的网络，也是第一个公共数据网络，其数据分组包含3字节头部和128字节数据部分。它运行10年后，20世纪80年代被无错误控制、无流控制、面向连接的新的叫做帧中继的网络所取代。90年代以后，出现了面向连接的ATM网络。

帧中继是一种用于统计复用分组交换数据通信的接口协议，分组长度可变，传输速度为2.408Mb/s或更高，没有流量控制也没有纠错。

3．广域网连接方式

（1）拨号接入

（2）ADSL接入

（3）点对点专线连接

（4）点对多点专线连接

五．宽带接入技术

1．xDSL技术

xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400kHz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。xDSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

DSL就是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。包括以下几种：

（1）ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

（2）HDSL(High speed DSL)：高速数字用户线

（3）SDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线

（4）VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线

（5）DSL：ISDN 用户线。

（6）RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应  DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。

ADSL原理

传统的电话线系统使用的是铜线的低频部分（4kHz以下频段），而ADSL采用离散多音频（DMT：Discrete Multi-Tone）调制技术，将原来电话线路0kHz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3khz的子频带。其中，4khz以下频段人用于传送POTS（传统电话业务），20KhZ到138KhZ的频段用来传送上行信号，138KhZ到1.1MHZ的频段用来传送下行信号。这样一条链路上存在三条信道，充分地利用了现有通信线路。

经ADSL Modem（即经常所说的“猫”）编码的信号通过电话线传到电话局，经过一个信号识别/分离器，如果是语音信号，就传到电话交换机上，接入PSTN网；如果是数字信号就直接接入Internet。

ADSL特点

（1）DMT技术可以根据线路的情况调整在每个信道上所调制的比特数，以便充分的地利用线路。一般来说，子信道的信噪比越大，在该信道上调制的比特数越多；如果某个子信道信噪比很差，则弃之不用。参考香农定理。

（2）由于受到传输高频信号的限制，ADSL需要电信服务提供商端接入设备和用户终端之间的距离不能超过5公里，也就是用户的电话线连到电话局的距离不能超过5公里。

（3）上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，即上传；下行指从ISP到用户，即下载。目前，ADSL可达到上行640kbps、下行8Mbps的数据传输率。

（4）ADSL一般采用基于以太网的端对端协议（PPPoE：Point to Point Protocol over Ethernet）实现对接入用户的控制和计费。

（5）第二代 ADSL包括ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和ADSL2+（G.992.5）。

共享ADSL上网

（1）利用ADSL MODEM的路由功能。共享ADSL上网的第一种方式是利用ADSL MODEM的路由功能（现在ADSL MODEM一般都有路由功能，如全向ADSL MODEM-QL1680、中兴ZXDSL 831）实现局域网共享上网。

（2）设置代理服务器。这是共享ADSL上网的另一种方式。一台电脑安装两块网卡，作为代理服务器，ADSL MODEM使用交叉网线直接与代理服务器对外网卡相连，代理服务器对内网卡（要求配置为静态IP地址）与连接电脑（客户端）的集线器或交换机相连，客户端通过代理服务器访问Internet。代理服务器可直接利用Windows XP、Windows 7自带的Internet连接共享功能或安装代理软件，常用的代理软件有Wingate、ISA Server 2000等，也可安装网关类软件，如Sygate。

2．光纤同轴混合网

HFC(Hybrid Fiber Coax)

HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。

HFC网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造：

(1)HFC网的主干线路采用光纤

(2)HFC 网采用结点体系结构

(3)HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能

(4)每个家庭要安装一个用户接口盒

3．FTTx 技术

FTTx（光纤到……）是时下最先进的宽带接入方案。这里字母 x 可代表不同意思。

（1）光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

（2）光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。

（3）光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。这是宽带接入的最高境界。

六．局域网

局域网一般是指地理覆盖范围较小的网络，局域网概念中的网络具有全部的网络功能。

1．局域网标准

局域网技术只包括ISO/OSI参考模型中数据链路层和物理层的网络技术，只使用局域网技术的网络只能完成网络内部通信。

LAN的结构主要有三种类型：以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）、令牌总线
（Token Bus）以及作为这三种网的骨干网光纤分布数据接口（FDDI）。它们所遵循的标准都以802开头,目前共有11个与局域网有关的标准,它们分别是：

（1）IEEE 802.1——通用网络概念及网桥等

（2）IEEE 802.2——逻辑链路控制等

（3）IEEE 802.3——CSMA/CD访问方法及物理层规定（以太网）

（4）IEEE 802.4——ARCnet总线结构及访问方法,物理层规定

（5）IEEE 802.5——Token Ring访问方法及物理层规定等

（6）IEEE 802.6——城域网的访问方法及物理层规定

（7）IEEE 802.7——宽带局域网

（8）IEEE 802.8——光纤局域网(FDDI)

（9）IEEE 802.9——ISDN局域网

（10）IEEE 802.10——网络的安全

（11）IEEE 802.11——无线局域网（WLAN）

在一座办公大楼、一栋大厦、一个校园或一个企业内实现这种互连的网络方法有：Ethernet网（以太网），也称为802.3 LAN；令牌环网，也称为802.5 LAN；令牌总线网，也称为802.4 LAN以及光纤分布数据接口（FDDI）等。每一种LAN技术各有自身的敷缆规则与工作站的连接方法，硬件需求以及各种其它部件的连接规定。

令牌环网（Token Ring Network）是IBM公司于20世纪70年代发展的，它是一种以环形网络拓扑结构为基础发展起来的局域网，虽然它在物理组成上也可以是星型结构连接，但在逻辑上仍然以环的方式进行工作。令牌环网的媒体接入控制机制采用的是分布式控制模式的循环方法。环形的一圈是主机，主机中存在一个令牌，由一号机向下传，每个主机只有在自已有令牌时才能向主线路中发数据。现在这种网络已不常见。

以太网（Ethernet）由Xerox公司创建并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网的核心技术是随机争用介质访问控制方法，即源于无线分组交换网的带有冲突检测的载波侦听多路访问方法（IEEE802.3 CSMA/CD）。

2．以太网

2.1以太网标准

按照以太网支持传输数据的速率分，以太网可以分为以下几类：

（1）10Mbps以太网：10BASE2，10BASE5，10BASE-T

（2）快速以太网：100BASE-TX，100BASE-FX

（3）吉比特以太网：1000BASE-T，1000BASE-LX，1000 BASE-SX

（4）万兆以太网

2.2 以太网帧结构

前同步码——7个字节的10101010

帧起始符——1个字节的10101011

目的地址——6个字节的目的主机物理地址

源地址——6个字节的源主机物理地址

类型——2字节上层协议类型

数据——46-1500字节数据

FCS——4字节CRC帧校验码

2.3以太网介质访问控制协议CSMA/CD

以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。

CSMA/CD访问控制协议概括起来讲：先听后说；边说边听；冲突回避。

2.4以太网技术实现方式

以太网技术都集成在了网络接口卡上。

2.5以太网的组建

局域网传输和组建范围的扩大涉及到中继器，对信号进行能量补充，以使实现远距离传输。局域网的组建涉及到集线器、网桥、交换机。集线器组建共享式以太网；网桥和交换机组建交换式以太网。局域网的异构互联涉及到路由器，路由器可以在IP层将以太网和令牌环网相连。

2.6以太网接口堆栈

以太网接口堆栈中每个协议的封装形式都是从软件层开始的。软件层包含了用户请求发送的数据，有时这块数据会有固定的格式（如 HTTP、 FTP协议）。用户数据首先取得包含源端口号和目的端口号的 TCP 头。然后添加 IP头，它包含发送者和接收者的 IP 地址。最后数据链路层添加以太网头，它指定了发送者和接受者的 MAC 地址，这是真正通过电缆发送的数据。

文件传输协议FTP是基于TCP/IP的应用层协议,其主要功能是提供文件的共享、支持远距离计算机间接或直接连接、保护用户不因各类主机文件存储器系统的差异而受影响、进行可靠且有效的数据传输等,应用非常广泛。下面以基于TCP的应用层协议FTP为例来说明以太网协议堆栈的作用方式。

当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入物理网络，其中每一层对从它的上层收到的数据都要增加一些头部信息（有时还要增加尾部信息），这种增加数据头部（和尾部）的过程叫数据封装或数据打包。数据送到接收方对等层后，接收方将识别、提取和处理发送方对等层所加的数据头，这个过程叫数据的解封或拆包。封装与解封的整个过程如图5所示。

TCP/IP协议数据封装与解封的过程

上图中，以太网头主要由目标MAC地址和源MAC地址以及上层协议类型（Type），常见的有Type: IP (0x0800)和Type: PPPoE Session (0x8864)。