第 2章 计算机网络与因特网体系结构
2.1 计算机网络概念
2.2 因特网体系结构
2.3 OSI-RM与 TCP/IP的关系
2.4 TCP/IP协议簇
2.1 计算机网络概念
2.1.1 计算机网络的产生和发展
计算机技术和通信技术的发展和结合，形成了计算机网络。
计算机网络 是利用通信线路连接起来的，通过通信协议实现资源共享的独立的计算机的集合。
20世纪 50年代,为了共享远地的计算资源，
将终端通过通信线路与远地的计算机相连，
构成了 面向终端的计算机网络 。
20世纪 60年代末,ARPANET的出现真正标志着计算机网络的形成 。
20世纪 70年代,计算机 网络体系结构 得到了逐步完善和规范化。国际标准化组织 ISO推出了开放系统互连的 7层参考模型 。
20世纪 80年代,微型计算机系统的发展和普及促进了 局域网的迅速崛起,形成了网络互联的格局。
20世纪 90年代,WWW的出现和 因特网的商业化 使得因特网以极其迅猛的速度向全球蔓延。局域网逐渐成了 以太网的一统天下 。
TCP/IP也成为了进行网络互联的必选协议。
进入 21世纪后,无线网络 的发展非常迅速，
下一代网络 技术的研究如火如荼。
2.1.2 计算机网络的分类网络的 拓扑图 是一种抽象，主机和连网设备被抽象为点，通信线路被抽象为线。
拓扑图中的点通常称为 结点,结点分为：
交换结点 一般指进行信息转发的连网设备，
访问结点 一般是指使用或提供服务的主机。
网络拓扑图中的线通常称为 链路 。
需要注意的是 逻辑结构和物理结构 的概念。
按照网络的覆盖范围,网络可以划分为：
广域网 （ Wide Area Network,WAN）
城域网 （ Metropolitan Area Network,MAN）
局域网 （ Local Area Network,LAN）
个域网 （ Personal Area Network,PAN）
按照网络的拓扑结构,网络可以划分为如图所示的 总线型网,环型网,星型网,格状网 。
…
（ a ）总线型
（ b ）环型
（ c ）星型
（ d ）格状图 2 - 1 常见网络拓扑构型环接口 访问结点 交换结点
2.1.3 网络协议与体系结构
1．网络协议及相关概念
网络 协议 是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。网络协议包括 三个要素,
语法 规定了信息的结构和格式；
语义 表明信息要表达的内容；
同步规则 涉及双方的交互关系和事件顺序。
整个计算机网络的实现体现为协议的实现。
为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种 层次结构,子协议的集合通常称为 协议簇 。
协议 分层的好处,
网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成多个 简单 的问题，从而分而治之；
分层 有利于网络的互联,进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次；
分层 可以屏蔽下层的变化,新的底层技术的引入，不会对上层的应用协议产生影响。
协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软件模块上，在网络中将这些实现特定功能的模块称为 实体 （ Entity）。
如图 2-2所示，两个结点之间的通信体现为两个结点 对等层 （结点 A的 N+1层与结点 B的
N+1层）之间遵从本层协议的通信。
各层的协议由各层的实体实现，通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为 对等实体 。对等实体按协议进行通信，所以 协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系,严格地说，协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合。
协议中的格式和语义只有对等实体能够理解。
N + 1 层
N 层
N - 1 层
N + 1 实体
N 实体 1 N 实体 2
N + 1 层协议
N + 1 实体
( N + 1 )P D U
( N ) S D U
( N )P D U
( N - 1 ) S D U
( N )P C I
图 2 - 2 协议实体间关系及数据单元
S A P
结点 A 结点 B
N 实体 1 N 实体 2
对等实体之间数据单元在发送方逐层封装，
在接收方的逐层解封装。发送方 N层实体从
N+1层实体得到的数据包称为 服务数据单元
（ Service Data Unit,SDU）。 N层实体只将其视为需要本实体提供服务的数据，将服务数据单元进行 封装,使其成为一个对方能够理解的 协议数据单元 （ Protocol Data Unit，
PDU），封装过程实际上是为 SDU增加对等实体间约定的 协议控制信息 （ Protocol
Control Information,PCI）的过程。
2,OSI体系结构网络划分为资源子网和通信子网，如图 2-3所示。
通信子网 由通信设备和线路构成,资源子网 由主机和其他末端系统构成。交换结点属于通信子网，访问结点属于资源子网。
因为主机也具有通信功能，所以严格地讲，主机中负责底层通信的部分也应该属于通信子网。
图 2 - 3 通信子网和资源子网通信子网资源子网
20世纪 70年代出现了多种网络体系结构。针对这一问题，国际标准化组织 ISO提出了著名的开放系统互连参考模型 ISO/OSI-RM。
OSI采用了如图 2-4所示的七层参考模型。
图 2 - 4 I S O 开放系统互连参考模型中间结点 中间结点
物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层设备 A 设备 B
端到端协议
7
6
5
4
3
2
1
2.1.4 局域网技术
个人计算机 的发展和普及促进了 局域网 的形成。局域网的特点是：网络覆盖范围较小；
数据传输速率较高；误码率低；一般为一个单位所独有。
以太网 是当前占主导地位的分组交换局域网技术，是由 Xerox公司的 Palo Alto研究中心在
20世纪 70年代早期发明的。 Xerox公司,Intel
公司和 DEC公司于 1978年 将以太网进行了标准化。 IEEE 802组织用 IEEE 802.3发布了一个与这个标准兼容的标准版本。
以太网最初的设计采用总线结构，用同轴电缆作为传输介质。每根以太网电缆直径约为
0.5英寸，长度约为 500米。以太网的传输介质经历了由粗同轴电缆到细同轴电缆，再到双绞线 (Twisted pair) 的发展过程。
到了 20世纪 90年代中期时，计算机的能力迅速增强,10Mbps的以太网就难以继续胜任主干的角色了。
快速以太网（ 100Base-T）
10/100以太网
千兆（吉比特）以太网数据帧的格式都是一样的
以太网为每个硬件网络接口指定一个惟一的 48位二进制数作为以太网地址，该地址又称为 硬件地址,
物理地址,MAC地址 或 第二层地址 。
保证以太网地址 全球惟一 的方法是由 IEEE负责分配
48位地址中的前 24位，生产以太网网卡和设备的厂商向 IEEE购买三字节的号码，作为厂商的地址块，
地址的后三个字节再由厂商进行分配。
以太网目的地址可以有三种形式,单播地址,广播地址 和 组播地址 。
以太网 帧大小 不小于 64字节，不大于 1518字节。
类型 目的地址 源地址 C R C 数 据
0x0806 A R P 请求 /应答 P A D
6 6 2 46 ~ 15 00 4 字节
2 28 18
图 2 - 5 以太网帧格式
C R C
4
0x0800 目的地址 源地址 C R C
6 6 2 46 ~ 15 00 4
IP 数据报目的地址 源地址
6 6
2.1.5 广域网技术
作为第一个广域网,ARPANET在研究网络寻址和路由方面起到了非常重要的作用。
ARPANET是分组交换的实验床。
连接 ARPANET的设备是称为 分组交换结点
PSN的小型机，最初 PSN采用 1822协议在
ARPANET上传输数据，但 1822协议未能得到厂商的支持，因此 PSN后来采用了 X.25标准。
ARPANET的寻址采用了 层次化的地址结构,
地址的一部分二进制位用于表示目的 PSN，而另一部分二进制位用于表示与 PSN相连的目的主机的端口。
1,X.25
X.25是 CCITT于 1976年给出的建议书。是网络与网络外部的数据终端设备 DTE的接口标准。
X.25自底向上由 物理层、数据链路层和分组层 构成。
X.25的物理层直接采用 CCITT的 X.21建议作为接口标准。
X.25在数据链路层使用了高级数据链路控制规程 HDLC的子集,平衡型链路接入规程 LAPB。
X.25的分组层在数据终端设备 DTE和数据电路端接设备
DCE之间建立逻辑信道。 X.25支持 呼叫虚电路和永久虚电路 。
X,25 分组交换网
D C E D C E D T E D T E
图 2 - 6 X,2 5 接口与虚电路虚电路
X,2 5 接口 X,2 5 接口物理层数据链路层分组层高层物理层数据链路层分组层高层物理层数据链路层分组层物理层数据链路层分组层高层协议
X,2 1 接口
L A P B 接口多重逻辑信道
X,2 1 接口
L A P B 接口多重逻辑信道数据链路层物理层数据链路层分组层高层
2．帧中继 FR
帧中继是在 X.25的基础上发展起来的，随着通信线路的逐步数字化和光纤化，传输过程中的误码率大大降低。为了降低信息的传输延迟，帧中继技术简化了中间结点在数据链路层对数据帧的差错处理，
并省略了分组层的处理。帧中继的交换结点一旦识别出目的地址就立刻进行帧的转发。如果检测出差错，则将该帧丢弃。错误由两端高层协议进行恢复。
源站 目的站 源站 目的站结点处理时间结点处理时间图 2 - 7 X,2 5 与帧中继传输延迟的比较
(a) X,2 5 的传输延迟 ( b ) 帧中继的传输延迟
3．异步传输模式 ATM
异步传输模式是一种 信元中继 协议，采用面向连接的连网技术,ATM结合了电路交换的实时性 和分组交换的 灵活性 。
ATM的 传输介质 可以是双绞线、光纤甚至可以是无线信道,ATM交换机之间的连接通常采用光纤作为传输介质。 ATM既可以构成局域网，也可以构成城域网或广域网。 ATM网络的底层使用称为信元（ cell）的分组。
ATM信元的特点 是：长度较 短,并且大小 固定 。每个 ATM信元长度为 53字节。信元包含 5个字节的首部和 48字节的数据。
每个信元占用一个 时隙 （时间片），信道中时隙的分配是 根据通信量的大小和排队规则 决定的。遵从先来先服务的原则，时隙的分配是不固定的，这便是 异步 的含义,ATM采用了 统计时分复用 技术。
由于 ATM信元短小且定长，有利于进行高速数据交换。定长的首部可以简化交换机的处理过程。
ATM 提供面向连接的服务。一旦连接成功，
本地 ATM交换机为该连接选定一个 标识符 。
连接标识符可以循环使用。
ATM网络由一到多个高速交换机构成。一个典型的 ATM网络如图 2-9所示。
图中 UNI表示用户 -网络接口，是 ATM端点与 ATM交换机之间的接口。 NNI表示网络 -
网络接口，是 ATM交换机之间的接口。
U N I
U N I
U N I
NNI
NNI
NNI
图 2 - 9 A TM 网络及接口
A TM 交换机端点
2.1.6 无线网络
1．无线广域网 WWAN（ Wireless WAN）
（ 1）蜂窝技术蜂窝技术 是一种无线通信技术。这种技术将地理区域划分成若干个小区，即,蜂窝,（ Cell）。常见的蜂窝系统包括 GSM,GPRS和 CDMA。
GSM意为全球移动通信系统,GSM用的是窄带
TDMA。
CDMA意为码分多址，是一种先进的无线扩频数字蜂窝技术，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。
3G（ 3rd Generation）是指第三代移动通信。
第一代 移动通信是模拟无线网络； 第二代 是数字无线网络，目前广为使用的 GSM和
CDMA数字手机采用的是第二代移动通信技术； 第三代 移动通信是指将无线通信与因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
3G具有更宽的带宽，其传输速度最低为
384kbps，最高为 2Mbps。 目前 3G的标准 有：
WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA。
从第二代移动通信向 3G的过渡的衔接性技术是 2.5G通信技术。通用分组无线业务 GPRS
是在 GSM基础上发展起来的一种新的承载业务，是 2.5G。
移动通信的分代如图 2-10所示。
第三代移动通信（ 3G ）
第二代移动通信第 2,5 代移动通信（ 2,5G ）
第一代移动通信 模拟无线网络
G S M,C D M A
G P R S,W A P,H S C S D,E D G E 等
W C D M A,C D M A 2 0 0 0,TD - S C D M A
图 2 - 1 0 移动通信的划代
A M P S,N M T
（ 2）卫星通信
要想利用通信卫星进行通信，需要在地球同步轨道上放置卫星。通过卫星进行通信时，信号从地面传到卫星，经过卫星的转发，最后再回到地面。 延迟 是卫星通信中所倍受关注的问题。
另外，系统需要卫星运行在低轨道，需要部署较多的卫星，因此 投资很大 。
卫星通信最大的特点是可以为全球用户提供大跨度、大范围的漫游和机动灵活的移动通信服务，特别适合边远地区、山区、海岛、受灾区、
远洋船只、远航飞机的通信。
2．无线城域网 WMAN（ Wireless MAN）
为了确保宽带无线接入设备的兼容性和互操作性，一些国际主流的通信部件及设备制造商于 2001年 4月 发起成立了一个 工业贸易联盟组织 WiMAX。
IEEE于 2002年 4月 发布了工作于 10～ 66GHz频段下的
IEEE 802.16标准,其初衷是为了解决,最后一英里,
宽带接入 的问题。
IEEE于 2003年 1月推出了 IEEE 802.16a协议,该协议是 IEEE 802.16标准的扩展,IEEE 802.16a是覆盖 2～
11GHz频段的宽带无线接入技术标准，此标准解决了
,最后一英里,宽带接入问题。 通常 IEEE 802.16a也称为 WiMAX。因此,WiMAX既是一个与无线城域网标准 IEEE 802.16相关的互操作性组织，又是一个技术标准 。
2004年 7月 IEEE推出了新的升级版 IEEE 802.16d协议,IEEE 802.16目前仍是 固定无线接入标准,虽然
IEEE 802.16的传输速率很快，但 在漫游方面还不能与 3G形成直接竞争,IEEE 802.16及 802.16a仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法充分发挥无线接入的优势、满足用户对业务移动性的需求。为此,IEEE 802工作组在 IEEE 802.16/802.16a的基础上提出了 IEEE 802.16e协议。 IEEE 802.16e是 802.16
和 802.16a的增补方案，它在 2～ 6GHz的频段内 支持低速的移动终端,为用户提供了对固定和移动业务的双重支持。而 支持大范围覆盖和快速漫游的将是
IEEE 802.20标准。现在 WiMAX还被广义地理解为
IEEE 802.16标准系列的别称。
IEEE的 802.20工作组从 2003年开始研发 802.20标准，
IEEE 802.20工作在 3.5GHz频率以下，单用户的最高数据传输率可以 超过 1Mbps。支持 高速移动 状态下的通信连接。可以达到 15公里的有效覆盖范围 。
3．无线局域网 WLAN（ Wireless LAN）
无线局域网（ WLAN）技术开始于 20世纪 80年代中期，它是随着美国联邦通信委员会（ FCC）授权公共应用使用 工业、科学和医学（ ISM）频段 而产生的。
（ 1） IEEE 802.11
1997年,IEEE发布了 802.11协议，用于解决局域网用户的无线接入。 IEEE 802.11传输速率最高只能达到 2Mbps。
IEEE 802.11在物理层定义了三种不同的 物理介质,
红外线、跳频扩频方式（ FHSS）和直接序列扩频方式（ DSSS）。
IEEE 802.11协议在介质访问控制（ MAC）层利用载波监听多点接入 /冲突避免 （ CSMA/CA）协议，
IEEE 802.11在 MAC子层还提供了 CRC校验 和 包分片 功能。
CSMA/CA的数据发送过程如图 2-11所示。
请求发送 R T S
清除发送 C T S
数据确认 A C K
图 2 - 1 1 C S M A / C A 工作过程
（ 2） IEEE 802.11b
是 1999年 9月 IEEE提出的高速率协议。
802.11b在 802.11的 1Mbps和 2Mbps速率基础上增加了 5.5Mbps和 11Mbps两个新的网络速率。
IEEE 802.11b使用开放的 2.4GHz直接序列扩频,无需直线传播。
IEEE 802.11b支持动态速率调节技术,在理想状态下，用户以 11Mbps的速率全速运行，当用户移出理想的 11M速率传送的位置或者距离时，或受到干扰时，可将数据传输速率自动降低为 5.5Mbps,2Mbps
或 1Mbps，当用户回到理想环境时，连接速度会增加到 11Mbps。
IEEE 802.11b的运作模式分为 点对点模式 和 基本模式 。
（ 3） IEEE 802.11a
IEEE 802.11a工作在 5GHz频段，采用正交频分复用技术，传输速率可达到 54Mbps，提供 25Mbps的无线 ATM接口,10Mbps以太网无线帧结构接口和
TDD/TDMA的空中接口，无障碍的接入距离为 30-50
米，支持语音、数据、图像业务。
和 IEEE 802.11b相比,IEEE 802.11a在使用频率的选择和数据传输速率方面具有优势,IEEE 802.11b标准只有 3个不相重叠的信道，支持 6-8个通话，而
802.11a标准有 21个不相重叠的信道，可以同时支持
25个左右的 VoIP通话。
但 IEEE 802.11a与 IEEE 802.11b不兼容,且设备较 贵,
点对点连接很不经济。
（ 4） IEEE 802.11g
2003年 IEEE推出了一个新标准 IEEE 802.11g。
它 比 802.11b速率快 5倍,并能 与 802.11b兼容 。
与有线网络相比,WLAN具有 安装便捷灵活,
传输速率高、覆盖范围广、经济节约、易于扩展,支持移动 等优点。
IEEE 802.11定义了两种类型的设备：
无线站 通常是一台计算机加上一块无线网络接口卡构成，
无线接入点 AP (Access Point,)的作用是提供无线和有线网络之间的 桥接 。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口构成,桥接软件符合 IEEE 802.1d桥接协议 。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线网络上。
Wi-Fi（ The Standard for Wireless Fidelity）
是致力于 推进 IEEE 802.11标准的联盟 。一般
Wi-Fi用来特指 IEEE 802.11b标准 。如同
WiMAX被用作 IEEE 802.16标准系列的别称一样,Wi-Fi也常被用作 IEEE 802.11标准系列的别称 。
IEEE 802.11标准系列及指标如表 2-1所示。
IEEE 802.11g与 IEEE 802.11b兼容，而 IEEE
802.11a则不能与 IEEE 802.11b兼容。
表 2 - 1 I E E E 802,1 1 系列无线局域网标准对 照标准 802,1 1 802,1 1a 802,1 1b 802,1 1g
工作频带 2,4 G hz 5 G hz 2,4 G hz 2,4 G hz
带宽 1 ～ 2 M bps 54 M bps 11 M bps 36 M （最高 54 M bps ）
传输距离 100m 20 ～ 50m 100 ～ 400m 100 ～ 400 m
4．无线个域网 WPAN（ Wireless PAN）
（ 1）蓝牙
蓝牙（ Bluetooth）技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的 短距离无线通信 技术。
蓝牙技术由爱立信、诺基亚、英特尔,IBM和东芝等公司提出与推广。
1999年,蓝牙 1.0标准面世
2001年年初 出台了 蓝牙 1.1标准（信道数据传输速率为 1Mbps）
2001年年底 又出台了 蓝牙 2.0标准（信道数据传输速率为 2Mbps）。
IEEE 802.15小组负责基于蓝牙的 PAN技术。
蓝牙工作在全球公众通用的 2.4GHz频段，采用 跳频扩频 （ FHSS）技术，由于使用了比较高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。蓝牙系统很 容易穿透障碍物,实现全方位的语音与数据传输。覆盖范围从 10米
（发射功率 1mW）到 100米（发射功率
100mW）。
由于蓝牙与 IEEE 802.11b都工作在 2.4GHz频段上，相互之间存在 干扰 。
蓝牙系统结构,
底层硬件模块 （包括无线跳频、基带和链路管理）
中间协议层 （逻辑链路控制、适配协议、服务发现协议、串口仿真协议等）
高层应用框架 (拨号网络、耳机、文件传输、局域网访问等 )
（ 2） HomeRF
HomeRF无线标准是由 HomeRF工作组 开发的开放性工业标准，目的是在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。
HomeRF由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康柏等公司提出，使用开放的 2.4GHz频段，采用 跳频扩频 技术，跳频速率为 50跳 /秒，共有 75个带宽为 1MHz的跳频信道。
HomeRF基于 共享无线接入协议 （ Shared Wirdless
Access Protocol,SWAP）。 SWAP使用 TDMA＋
CSMA/CA方式,在进行语音通信时它采用 数字增强无绳电话 DECT标准,DECT使用 TDMA时分多址技术。在进行数据通信时它采用 IEEE 802.11的
CSMA/CA。
在 新的 HomeRF 2.x标准 中，采用了宽带跳频
（ Wide Band Frequency Hopping,WBFH）
技术，将原来的 1MHz跳频信道增加到 3MHz、
5MHz，跳频的速率增加到 75跳 /秒,数据峰值达到 10Mbps。
HomeRF设备通常工作在 对等网络 （ Ad hoc）
环境或者 管理网络 中，管理网络使用单个控制节点或连接点（ Connection-point,CP）来同步所有成员，以实现话音传输。如果没有 CP，
HomeRF设备就只能建立仅提供数据服务的对等网络。
HomeRF 的 特点 是安全可靠；成本低廉；简单易行；不受墙壁和楼层的影响；无线电干扰影响小；支持流媒体。
（ 3） IrDA
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由 红外线数据标准协会
（ Infrared Data Association）制定的一种无线协议。
现行的 IrDA传输速率为 16Mbps。接收角度也由传统的 30度扩展到 120度 。
红外通信利用红外技术实现两点间的近距离通信和信息转发。它一般由 红外发射系统 和接收系统 两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，接收系统用光学装置和红外探测器进行接收。
（ 4） UWB
超宽带无线技术 （ Ultra WideBand,UWB）
是一项使用从 几 Hz到几 GHz的宽带收发电波信号的技术。由于能够 以极高的准确度确定物体及人的位置,UWB技术以前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用,2002年美国联邦通信委员会 FCC将其开放用于民用用途 。
UWB的特点是发送输出功率很小，其传输时的 耗电量仅几十微瓦,但是由于所使用的带宽高达几 GHz，最大 数据传输速度可以达到几十
Mbps～几百 Mbps。但由于 UWB使用的带宽非常宽，容易对其他通信方式产生 干扰 。
2.1.7接入网
接入网是本地交换机与用户之间的连接部分，完成 交叉连接、复用和传输功能 。通常由用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户 /网络接口组成。 分类 如图 2-13所示。
图 2 - 13 接入网技术分类接入网技术无线接入有线接入铜线光纤光纤同轴混合 H F C
综合业务数字网 I S D N
用户线线对增容
N - I S D N
B - I S D N
数字用户线 xD S L
非 对称数字用户线 A D S L
高 速 数字用户线 H D S L
甚高 速 数字用户线 V D S L
卫星无线本地环路 W L L
本地多点分配业务 L M D S
频分多址 F D M A
码分多址 C D M A
时分多址 T D M A
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2.2 因特网体系结构
2.2.1 因特网的概念
因特网是通过网络互联技术将 已有的,异构网络互联起来所构成的一个统一的一致性网络。为了实现网络的互联，必须解决 三个基本问题,即协议转换、寻址和路径选择。
网络的异构性主要体现在协议的不同上，必然要涉及到 不同协议之间的转换问题 。
但在异构网络进行互联时，各个网络可能具有各自的地址结构，一般难以保证地址的全局惟一性，
因此需要具有 统一的地址分配和寻址机制 。
在多个网络进行互联时，从源网络到目的网络往往存在多条通路，在传输信息时，总希望选择最佳路径或较佳路径。因此 路径的选择 也是网络互联要解决的问题。
异构网络在 协议上的差异通常表现为三个方面,
协议 层次结构 的不同
协议 功能 的不同
协议 实施细节 的不同
因特网通过特定的网络互联设备 —— 网关 来实现不同网络协议之间的转换。
要完成协议的转换，首先要决定在哪个层次上进行转换。进行 转换的层次必须满足的条件 是：两个网络在该层的协议相同，而且该层以上的各层协议也相同。
图 2 - 14 协议转换模型网络 A 网络 B
网关
1
2
n - 1
n
n + 1
1
2
m - 1
m
m + 1
网络 A 协议栈端到端协议
1
2
m - 1
1
2
n - 1
x
网络 B 协议栈通常有 两种不同层次的网络互联,
应用级互联 是早期采用的异构网络的互联方法。
这种方法 适应性差,无论是增加新的应用功能，
还是增加新的网络硬件，都会带来大量的应用程序编程工作量。
网络级互联 使底层的通信和上层的应用分开，
在网络层将底层各种网络硬件进行会聚和抽象，
底层网络硬件的增加只需要调整网络层就可以适应变化,上层应用所面对的是支持通用服务的通信网络 。
因特网采用了网络级互联技术,网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，
而且简化了网络互联设备。
2.2.2 因特网的特点
因特网具有以下 特点,
（ 1）因特网对用户 隐藏了底层的网络技术和网络结构,在用户看来，因特网是一个统一的网络。从逻辑上看，因特网是一个虚拟网络，
从物理上看，因特网是由多个物理网络互联而成。
（ 2）因特网 不限制网络的拓扑结构 。
（ 3）因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些 网络受到网络协议的平等对待 。
（ 4）任何两个不相邻的网络中的计算机可以 通过中间网络实现通信 。
2.2.3 因特网协议分层
因特网协议通常又称为 TCP/IP协议。
TCP/IP协议分为如图 2-15所示的 4个协议层。
网络接口层网络层传输层应用层图 2 - 15 TC P / I P 协议分层返回
网络接口层 实际上包含 OSI模型的物理层和链路层,TCP/IP并未对这两层进行定义，它支持现有的各种底层网络技术和标准。该层涉及操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡。
网络层 又称为 互联网层 或 IP层,该层处理 IP数据报的传输、路由选择、流量控制和拥塞控制。
传输层 为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 TCP/IP的传输层包含传输控制协议
TCP和用户数据报协议 UDP。
应用层 为用户提供一些常用的应用程序，
TCP/IP给出了应用层的一些常用协议规范。
2.3 开放系统互连参考模型与 TCP/IP的关系国际标准化组织的开放系统互连模型与
TCP/IP协议层次的对应关系如图 2-16所示。
网络接口层网络层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层图 2 - 16 I S O / O S I与 TC P / I P 的层次对应关系
I S O / O S I TC P / I P
除了层次结构方面的差异外,ISO/OSI与
TCP/IP还存在如表 2-2所列的差异。 表 2 - 2 I S O / O S I 与 TCP/IP 的差异
ISO/OSI TCP/IP
ISO/OSI 是抽象的概念模型 TCP/IP 是具体协议与实现
ISO/OSI 复杂、效率低、大而全 TCP/IP 单纯、简单、实用
ISO/OSI 力量单薄，产品少 TCP/IP 得到产业界的支持，应用广
ISO/OSI 进展缓慢 TCP/IP 完善速度快（ IPv6 ）
返回
SMT P HTTP BGP
应用层
r l ogi n
& r sh
F TP
TE LNE T DNS? SNMP TF TP
BOOTP
& DHCP
RIP
NF S
RP C?
TCP UDP 传输层
ICMP IGM P
IP
ARP RARP
网络层网络接口层底层网络协议：以太网、令牌环,SLIP,PPP 等图 2 - 17 TCP / IP 协议簇
TCP/IP是一个协议簇，其构成如图 2-17所示。
2.4 TCP/IP协议簇各协议模块之间的关系注意 两点：
一是应用进程可以直接与网络层的模块打交道
一个下层模块要和多个上层模块进行交互。
应用层
TC P
传输层
I C M P I G M P
IP
ARP RARP
网络层网络接口层图 2 - 18 TC P / I P 协议模块关系应用进程 应用进程 应用进程 应用进程
U D P
网络接口本章要点
根据 拓扑结构,计算机网络可以分为总线型网、环型网、星型网和格状网。
根据 覆盖范围,计算机网络可以分为广域网、城域网、局域网和个域网。
网络可以 划分 成资源子网和通信子网两个部分。
网络 协议 是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。
网络协议包括 三个要素,即语法、语义和同步规则。
通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为 对等实体,对等实体按协议进行通信。
有线接入技术 分为铜线接入、光纤接入和混合光纤同轴接入技术。
无线接入技术 主要有卫星接入技术、无线本地环路接入和本地多点分配业务。
网关 实现不同网络协议之间的转换。
因特网采用了 网络级互联 技术，网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，而且简化了网络互联设备。
因特网对用户 隐藏了底层网络技术和结构,在用户看来，因特网是一个统一的网络。
因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些网络受到网络协议的 平等对待 。
TCP/IP协议分为 4个协议层,网络接口层、网络层、
传输层和应用层。
IP协议 既是网络层的核心协议，也是 TCP/IP协议簇中的核心协议。
2.1 计算机网络概念
2.2 因特网体系结构
2.3 OSI-RM与 TCP/IP的关系
2.4 TCP/IP协议簇
2.1 计算机网络概念
2.1.1 计算机网络的产生和发展
计算机技术和通信技术的发展和结合，形成了计算机网络。
计算机网络 是利用通信线路连接起来的，通过通信协议实现资源共享的独立的计算机的集合。
20世纪 50年代,为了共享远地的计算资源，
将终端通过通信线路与远地的计算机相连，
构成了 面向终端的计算机网络 。
20世纪 60年代末,ARPANET的出现真正标志着计算机网络的形成 。
20世纪 70年代,计算机 网络体系结构 得到了逐步完善和规范化。国际标准化组织 ISO推出了开放系统互连的 7层参考模型 。
20世纪 80年代,微型计算机系统的发展和普及促进了 局域网的迅速崛起,形成了网络互联的格局。
20世纪 90年代,WWW的出现和 因特网的商业化 使得因特网以极其迅猛的速度向全球蔓延。局域网逐渐成了 以太网的一统天下 。
TCP/IP也成为了进行网络互联的必选协议。
进入 21世纪后,无线网络 的发展非常迅速，
下一代网络 技术的研究如火如荼。
2.1.2 计算机网络的分类网络的 拓扑图 是一种抽象，主机和连网设备被抽象为点，通信线路被抽象为线。
拓扑图中的点通常称为 结点,结点分为：
交换结点 一般指进行信息转发的连网设备，
访问结点 一般是指使用或提供服务的主机。
网络拓扑图中的线通常称为 链路 。
需要注意的是 逻辑结构和物理结构 的概念。
按照网络的覆盖范围,网络可以划分为：
广域网 （ Wide Area Network,WAN）
城域网 （ Metropolitan Area Network,MAN）
局域网 （ Local Area Network,LAN）
个域网 （ Personal Area Network,PAN）
按照网络的拓扑结构,网络可以划分为如图所示的 总线型网,环型网,星型网,格状网 。
…
（ a ）总线型
（ b ）环型
（ c ）星型
（ d ）格状图 2 - 1 常见网络拓扑构型环接口 访问结点 交换结点
2.1.3 网络协议与体系结构
1．网络协议及相关概念
网络 协议 是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。网络协议包括 三个要素,
语法 规定了信息的结构和格式；
语义 表明信息要表达的内容；
同步规则 涉及双方的交互关系和事件顺序。
整个计算机网络的实现体现为协议的实现。
为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，并且让这些协议保持一种 层次结构,子协议的集合通常称为 协议簇 。
协议 分层的好处,
网络协议的分层有利于将复杂的问题分解成多个 简单 的问题，从而分而治之；
分层 有利于网络的互联,进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次；
分层 可以屏蔽下层的变化,新的底层技术的引入，不会对上层的应用协议产生影响。
协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软件模块上，在网络中将这些实现特定功能的模块称为 实体 （ Entity）。
如图 2-2所示，两个结点之间的通信体现为两个结点 对等层 （结点 A的 N+1层与结点 B的
N+1层）之间遵从本层协议的通信。
各层的协议由各层的实体实现，通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为 对等实体 。对等实体按协议进行通信，所以 协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系,严格地说，协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合。
协议中的格式和语义只有对等实体能够理解。
N + 1 层
N 层
N - 1 层
N + 1 实体
N 实体 1 N 实体 2
N + 1 层协议
N + 1 实体
( N + 1 )P D U
( N ) S D U
( N )P D U
( N - 1 ) S D U
( N )P C I
图 2 - 2 协议实体间关系及数据单元
S A P
结点 A 结点 B
N 实体 1 N 实体 2
对等实体之间数据单元在发送方逐层封装，
在接收方的逐层解封装。发送方 N层实体从
N+1层实体得到的数据包称为 服务数据单元
（ Service Data Unit,SDU）。 N层实体只将其视为需要本实体提供服务的数据，将服务数据单元进行 封装,使其成为一个对方能够理解的 协议数据单元 （ Protocol Data Unit，
PDU），封装过程实际上是为 SDU增加对等实体间约定的 协议控制信息 （ Protocol
Control Information,PCI）的过程。
2,OSI体系结构网络划分为资源子网和通信子网，如图 2-3所示。
通信子网 由通信设备和线路构成,资源子网 由主机和其他末端系统构成。交换结点属于通信子网，访问结点属于资源子网。
因为主机也具有通信功能，所以严格地讲，主机中负责底层通信的部分也应该属于通信子网。
图 2 - 3 通信子网和资源子网通信子网资源子网
20世纪 70年代出现了多种网络体系结构。针对这一问题，国际标准化组织 ISO提出了著名的开放系统互连参考模型 ISO/OSI-RM。
OSI采用了如图 2-4所示的七层参考模型。
图 2 - 4 I S O 开放系统互连参考模型中间结点 中间结点
物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层设备 A 设备 B
端到端协议
7
6
5
4
3
2
1
2.1.4 局域网技术
个人计算机 的发展和普及促进了 局域网 的形成。局域网的特点是：网络覆盖范围较小；
数据传输速率较高；误码率低；一般为一个单位所独有。
以太网 是当前占主导地位的分组交换局域网技术，是由 Xerox公司的 Palo Alto研究中心在
20世纪 70年代早期发明的。 Xerox公司,Intel
公司和 DEC公司于 1978年 将以太网进行了标准化。 IEEE 802组织用 IEEE 802.3发布了一个与这个标准兼容的标准版本。
以太网最初的设计采用总线结构，用同轴电缆作为传输介质。每根以太网电缆直径约为
0.5英寸，长度约为 500米。以太网的传输介质经历了由粗同轴电缆到细同轴电缆，再到双绞线 (Twisted pair) 的发展过程。
到了 20世纪 90年代中期时，计算机的能力迅速增强,10Mbps的以太网就难以继续胜任主干的角色了。
快速以太网（ 100Base-T）
10/100以太网
千兆（吉比特）以太网数据帧的格式都是一样的
以太网为每个硬件网络接口指定一个惟一的 48位二进制数作为以太网地址，该地址又称为 硬件地址,
物理地址,MAC地址 或 第二层地址 。
保证以太网地址 全球惟一 的方法是由 IEEE负责分配
48位地址中的前 24位，生产以太网网卡和设备的厂商向 IEEE购买三字节的号码，作为厂商的地址块，
地址的后三个字节再由厂商进行分配。
以太网目的地址可以有三种形式,单播地址,广播地址 和 组播地址 。
以太网 帧大小 不小于 64字节，不大于 1518字节。
类型 目的地址 源地址 C R C 数 据
0x0806 A R P 请求 /应答 P A D
6 6 2 46 ~ 15 00 4 字节
2 28 18
图 2 - 5 以太网帧格式
C R C
4
0x0800 目的地址 源地址 C R C
6 6 2 46 ~ 15 00 4
IP 数据报目的地址 源地址
6 6
2.1.5 广域网技术
作为第一个广域网,ARPANET在研究网络寻址和路由方面起到了非常重要的作用。
ARPANET是分组交换的实验床。
连接 ARPANET的设备是称为 分组交换结点
PSN的小型机，最初 PSN采用 1822协议在
ARPANET上传输数据，但 1822协议未能得到厂商的支持，因此 PSN后来采用了 X.25标准。
ARPANET的寻址采用了 层次化的地址结构,
地址的一部分二进制位用于表示目的 PSN，而另一部分二进制位用于表示与 PSN相连的目的主机的端口。
1,X.25
X.25是 CCITT于 1976年给出的建议书。是网络与网络外部的数据终端设备 DTE的接口标准。
X.25自底向上由 物理层、数据链路层和分组层 构成。
X.25的物理层直接采用 CCITT的 X.21建议作为接口标准。
X.25在数据链路层使用了高级数据链路控制规程 HDLC的子集,平衡型链路接入规程 LAPB。
X.25的分组层在数据终端设备 DTE和数据电路端接设备
DCE之间建立逻辑信道。 X.25支持 呼叫虚电路和永久虚电路 。
X,25 分组交换网
D C E D C E D T E D T E
图 2 - 6 X,2 5 接口与虚电路虚电路
X,2 5 接口 X,2 5 接口物理层数据链路层分组层高层物理层数据链路层分组层高层物理层数据链路层分组层物理层数据链路层分组层高层协议
X,2 1 接口
L A P B 接口多重逻辑信道
X,2 1 接口
L A P B 接口多重逻辑信道数据链路层物理层数据链路层分组层高层
2．帧中继 FR
帧中继是在 X.25的基础上发展起来的，随着通信线路的逐步数字化和光纤化，传输过程中的误码率大大降低。为了降低信息的传输延迟，帧中继技术简化了中间结点在数据链路层对数据帧的差错处理，
并省略了分组层的处理。帧中继的交换结点一旦识别出目的地址就立刻进行帧的转发。如果检测出差错，则将该帧丢弃。错误由两端高层协议进行恢复。
源站 目的站 源站 目的站结点处理时间结点处理时间图 2 - 7 X,2 5 与帧中继传输延迟的比较
(a) X,2 5 的传输延迟 ( b ) 帧中继的传输延迟
3．异步传输模式 ATM
异步传输模式是一种 信元中继 协议，采用面向连接的连网技术,ATM结合了电路交换的实时性 和分组交换的 灵活性 。
ATM的 传输介质 可以是双绞线、光纤甚至可以是无线信道,ATM交换机之间的连接通常采用光纤作为传输介质。 ATM既可以构成局域网，也可以构成城域网或广域网。 ATM网络的底层使用称为信元（ cell）的分组。
ATM信元的特点 是：长度较 短,并且大小 固定 。每个 ATM信元长度为 53字节。信元包含 5个字节的首部和 48字节的数据。
每个信元占用一个 时隙 （时间片），信道中时隙的分配是 根据通信量的大小和排队规则 决定的。遵从先来先服务的原则，时隙的分配是不固定的，这便是 异步 的含义,ATM采用了 统计时分复用 技术。
由于 ATM信元短小且定长，有利于进行高速数据交换。定长的首部可以简化交换机的处理过程。
ATM 提供面向连接的服务。一旦连接成功，
本地 ATM交换机为该连接选定一个 标识符 。
连接标识符可以循环使用。
ATM网络由一到多个高速交换机构成。一个典型的 ATM网络如图 2-9所示。
图中 UNI表示用户 -网络接口，是 ATM端点与 ATM交换机之间的接口。 NNI表示网络 -
网络接口，是 ATM交换机之间的接口。
U N I
U N I
U N I
NNI
NNI
NNI
图 2 - 9 A TM 网络及接口
A TM 交换机端点
2.1.6 无线网络
1．无线广域网 WWAN（ Wireless WAN）
（ 1）蜂窝技术蜂窝技术 是一种无线通信技术。这种技术将地理区域划分成若干个小区，即,蜂窝,（ Cell）。常见的蜂窝系统包括 GSM,GPRS和 CDMA。
GSM意为全球移动通信系统,GSM用的是窄带
TDMA。
CDMA意为码分多址，是一种先进的无线扩频数字蜂窝技术，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点。
3G（ 3rd Generation）是指第三代移动通信。
第一代 移动通信是模拟无线网络； 第二代 是数字无线网络，目前广为使用的 GSM和
CDMA数字手机采用的是第二代移动通信技术； 第三代 移动通信是指将无线通信与因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
3G具有更宽的带宽，其传输速度最低为
384kbps，最高为 2Mbps。 目前 3G的标准 有：
WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA。
从第二代移动通信向 3G的过渡的衔接性技术是 2.5G通信技术。通用分组无线业务 GPRS
是在 GSM基础上发展起来的一种新的承载业务，是 2.5G。
移动通信的分代如图 2-10所示。
第三代移动通信（ 3G ）
第二代移动通信第 2,5 代移动通信（ 2,5G ）
第一代移动通信 模拟无线网络
G S M,C D M A
G P R S,W A P,H S C S D,E D G E 等
W C D M A,C D M A 2 0 0 0,TD - S C D M A
图 2 - 1 0 移动通信的划代
A M P S,N M T
（ 2）卫星通信
要想利用通信卫星进行通信，需要在地球同步轨道上放置卫星。通过卫星进行通信时，信号从地面传到卫星，经过卫星的转发，最后再回到地面。 延迟 是卫星通信中所倍受关注的问题。
另外，系统需要卫星运行在低轨道，需要部署较多的卫星，因此 投资很大 。
卫星通信最大的特点是可以为全球用户提供大跨度、大范围的漫游和机动灵活的移动通信服务，特别适合边远地区、山区、海岛、受灾区、
远洋船只、远航飞机的通信。
2．无线城域网 WMAN（ Wireless MAN）
为了确保宽带无线接入设备的兼容性和互操作性，一些国际主流的通信部件及设备制造商于 2001年 4月 发起成立了一个 工业贸易联盟组织 WiMAX。
IEEE于 2002年 4月 发布了工作于 10～ 66GHz频段下的
IEEE 802.16标准,其初衷是为了解决,最后一英里,
宽带接入 的问题。
IEEE于 2003年 1月推出了 IEEE 802.16a协议,该协议是 IEEE 802.16标准的扩展,IEEE 802.16a是覆盖 2～
11GHz频段的宽带无线接入技术标准，此标准解决了
,最后一英里,宽带接入问题。 通常 IEEE 802.16a也称为 WiMAX。因此,WiMAX既是一个与无线城域网标准 IEEE 802.16相关的互操作性组织，又是一个技术标准 。
2004年 7月 IEEE推出了新的升级版 IEEE 802.16d协议,IEEE 802.16目前仍是 固定无线接入标准,虽然
IEEE 802.16的传输速率很快，但 在漫游方面还不能与 3G形成直接竞争,IEEE 802.16及 802.16a仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法充分发挥无线接入的优势、满足用户对业务移动性的需求。为此,IEEE 802工作组在 IEEE 802.16/802.16a的基础上提出了 IEEE 802.16e协议。 IEEE 802.16e是 802.16
和 802.16a的增补方案，它在 2～ 6GHz的频段内 支持低速的移动终端,为用户提供了对固定和移动业务的双重支持。而 支持大范围覆盖和快速漫游的将是
IEEE 802.20标准。现在 WiMAX还被广义地理解为
IEEE 802.16标准系列的别称。
IEEE的 802.20工作组从 2003年开始研发 802.20标准，
IEEE 802.20工作在 3.5GHz频率以下，单用户的最高数据传输率可以 超过 1Mbps。支持 高速移动 状态下的通信连接。可以达到 15公里的有效覆盖范围 。
3．无线局域网 WLAN（ Wireless LAN）
无线局域网（ WLAN）技术开始于 20世纪 80年代中期，它是随着美国联邦通信委员会（ FCC）授权公共应用使用 工业、科学和医学（ ISM）频段 而产生的。
（ 1） IEEE 802.11
1997年,IEEE发布了 802.11协议，用于解决局域网用户的无线接入。 IEEE 802.11传输速率最高只能达到 2Mbps。
IEEE 802.11在物理层定义了三种不同的 物理介质,
红外线、跳频扩频方式（ FHSS）和直接序列扩频方式（ DSSS）。
IEEE 802.11协议在介质访问控制（ MAC）层利用载波监听多点接入 /冲突避免 （ CSMA/CA）协议，
IEEE 802.11在 MAC子层还提供了 CRC校验 和 包分片 功能。
CSMA/CA的数据发送过程如图 2-11所示。
请求发送 R T S
清除发送 C T S
数据确认 A C K
图 2 - 1 1 C S M A / C A 工作过程
（ 2） IEEE 802.11b
是 1999年 9月 IEEE提出的高速率协议。
802.11b在 802.11的 1Mbps和 2Mbps速率基础上增加了 5.5Mbps和 11Mbps两个新的网络速率。
IEEE 802.11b使用开放的 2.4GHz直接序列扩频,无需直线传播。
IEEE 802.11b支持动态速率调节技术,在理想状态下，用户以 11Mbps的速率全速运行，当用户移出理想的 11M速率传送的位置或者距离时，或受到干扰时，可将数据传输速率自动降低为 5.5Mbps,2Mbps
或 1Mbps，当用户回到理想环境时，连接速度会增加到 11Mbps。
IEEE 802.11b的运作模式分为 点对点模式 和 基本模式 。
（ 3） IEEE 802.11a
IEEE 802.11a工作在 5GHz频段，采用正交频分复用技术，传输速率可达到 54Mbps，提供 25Mbps的无线 ATM接口,10Mbps以太网无线帧结构接口和
TDD/TDMA的空中接口，无障碍的接入距离为 30-50
米，支持语音、数据、图像业务。
和 IEEE 802.11b相比,IEEE 802.11a在使用频率的选择和数据传输速率方面具有优势,IEEE 802.11b标准只有 3个不相重叠的信道，支持 6-8个通话，而
802.11a标准有 21个不相重叠的信道，可以同时支持
25个左右的 VoIP通话。
但 IEEE 802.11a与 IEEE 802.11b不兼容,且设备较 贵,
点对点连接很不经济。
（ 4） IEEE 802.11g
2003年 IEEE推出了一个新标准 IEEE 802.11g。
它 比 802.11b速率快 5倍,并能 与 802.11b兼容 。
与有线网络相比,WLAN具有 安装便捷灵活,
传输速率高、覆盖范围广、经济节约、易于扩展,支持移动 等优点。
IEEE 802.11定义了两种类型的设备：
无线站 通常是一台计算机加上一块无线网络接口卡构成，
无线接入点 AP (Access Point,)的作用是提供无线和有线网络之间的 桥接 。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口构成,桥接软件符合 IEEE 802.1d桥接协议 。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线网络上。
Wi-Fi（ The Standard for Wireless Fidelity）
是致力于 推进 IEEE 802.11标准的联盟 。一般
Wi-Fi用来特指 IEEE 802.11b标准 。如同
WiMAX被用作 IEEE 802.16标准系列的别称一样,Wi-Fi也常被用作 IEEE 802.11标准系列的别称 。
IEEE 802.11标准系列及指标如表 2-1所示。
IEEE 802.11g与 IEEE 802.11b兼容，而 IEEE
802.11a则不能与 IEEE 802.11b兼容。
表 2 - 1 I E E E 802,1 1 系列无线局域网标准对 照标准 802,1 1 802,1 1a 802,1 1b 802,1 1g
工作频带 2,4 G hz 5 G hz 2,4 G hz 2,4 G hz
带宽 1 ～ 2 M bps 54 M bps 11 M bps 36 M （最高 54 M bps ）
传输距离 100m 20 ～ 50m 100 ～ 400m 100 ～ 400 m
4．无线个域网 WPAN（ Wireless PAN）
（ 1）蓝牙
蓝牙（ Bluetooth）技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的 短距离无线通信 技术。
蓝牙技术由爱立信、诺基亚、英特尔,IBM和东芝等公司提出与推广。
1999年,蓝牙 1.0标准面世
2001年年初 出台了 蓝牙 1.1标准（信道数据传输速率为 1Mbps）
2001年年底 又出台了 蓝牙 2.0标准（信道数据传输速率为 2Mbps）。
IEEE 802.15小组负责基于蓝牙的 PAN技术。
蓝牙工作在全球公众通用的 2.4GHz频段，采用 跳频扩频 （ FHSS）技术，由于使用了比较高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。蓝牙系统很 容易穿透障碍物,实现全方位的语音与数据传输。覆盖范围从 10米
（发射功率 1mW）到 100米（发射功率
100mW）。
由于蓝牙与 IEEE 802.11b都工作在 2.4GHz频段上，相互之间存在 干扰 。
蓝牙系统结构,
底层硬件模块 （包括无线跳频、基带和链路管理）
中间协议层 （逻辑链路控制、适配协议、服务发现协议、串口仿真协议等）
高层应用框架 (拨号网络、耳机、文件传输、局域网访问等 )
（ 2） HomeRF
HomeRF无线标准是由 HomeRF工作组 开发的开放性工业标准，目的是在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。
HomeRF由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康柏等公司提出，使用开放的 2.4GHz频段，采用 跳频扩频 技术，跳频速率为 50跳 /秒，共有 75个带宽为 1MHz的跳频信道。
HomeRF基于 共享无线接入协议 （ Shared Wirdless
Access Protocol,SWAP）。 SWAP使用 TDMA＋
CSMA/CA方式,在进行语音通信时它采用 数字增强无绳电话 DECT标准,DECT使用 TDMA时分多址技术。在进行数据通信时它采用 IEEE 802.11的
CSMA/CA。
在 新的 HomeRF 2.x标准 中，采用了宽带跳频
（ Wide Band Frequency Hopping,WBFH）
技术，将原来的 1MHz跳频信道增加到 3MHz、
5MHz，跳频的速率增加到 75跳 /秒,数据峰值达到 10Mbps。
HomeRF设备通常工作在 对等网络 （ Ad hoc）
环境或者 管理网络 中，管理网络使用单个控制节点或连接点（ Connection-point,CP）来同步所有成员，以实现话音传输。如果没有 CP，
HomeRF设备就只能建立仅提供数据服务的对等网络。
HomeRF 的 特点 是安全可靠；成本低廉；简单易行；不受墙壁和楼层的影响；无线电干扰影响小；支持流媒体。
（ 3） IrDA
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由 红外线数据标准协会
（ Infrared Data Association）制定的一种无线协议。
现行的 IrDA传输速率为 16Mbps。接收角度也由传统的 30度扩展到 120度 。
红外通信利用红外技术实现两点间的近距离通信和信息转发。它一般由 红外发射系统 和接收系统 两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，接收系统用光学装置和红外探测器进行接收。
（ 4） UWB
超宽带无线技术 （ Ultra WideBand,UWB）
是一项使用从 几 Hz到几 GHz的宽带收发电波信号的技术。由于能够 以极高的准确度确定物体及人的位置,UWB技术以前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用,2002年美国联邦通信委员会 FCC将其开放用于民用用途 。
UWB的特点是发送输出功率很小，其传输时的 耗电量仅几十微瓦,但是由于所使用的带宽高达几 GHz，最大 数据传输速度可以达到几十
Mbps～几百 Mbps。但由于 UWB使用的带宽非常宽，容易对其他通信方式产生 干扰 。
2.1.7接入网
接入网是本地交换机与用户之间的连接部分，完成 交叉连接、复用和传输功能 。通常由用户线传输系统、复用设备、数字交叉连接设备和用户 /网络接口组成。 分类 如图 2-13所示。
图 2 - 13 接入网技术分类接入网技术无线接入有线接入铜线光纤光纤同轴混合 H F C
综合业务数字网 I S D N
用户线线对增容
N - I S D N
B - I S D N
数字用户线 xD S L
非 对称数字用户线 A D S L
高 速 数字用户线 H D S L
甚高 速 数字用户线 V D S L
卫星无线本地环路 W L L
本地多点分配业务 L M D S
频分多址 F D M A
码分多址 C D M A
时分多址 T D M A
返回
2.2 因特网体系结构
2.2.1 因特网的概念
因特网是通过网络互联技术将 已有的,异构网络互联起来所构成的一个统一的一致性网络。为了实现网络的互联，必须解决 三个基本问题,即协议转换、寻址和路径选择。
网络的异构性主要体现在协议的不同上，必然要涉及到 不同协议之间的转换问题 。
但在异构网络进行互联时，各个网络可能具有各自的地址结构，一般难以保证地址的全局惟一性，
因此需要具有 统一的地址分配和寻址机制 。
在多个网络进行互联时，从源网络到目的网络往往存在多条通路，在传输信息时，总希望选择最佳路径或较佳路径。因此 路径的选择 也是网络互联要解决的问题。
异构网络在 协议上的差异通常表现为三个方面,
协议 层次结构 的不同
协议 功能 的不同
协议 实施细节 的不同
因特网通过特定的网络互联设备 —— 网关 来实现不同网络协议之间的转换。
要完成协议的转换，首先要决定在哪个层次上进行转换。进行 转换的层次必须满足的条件 是：两个网络在该层的协议相同，而且该层以上的各层协议也相同。
图 2 - 14 协议转换模型网络 A 网络 B
网关
1
2
n - 1
n
n + 1
1
2
m - 1
m
m + 1
网络 A 协议栈端到端协议
1
2
m - 1
1
2
n - 1
x
网络 B 协议栈通常有 两种不同层次的网络互联,
应用级互联 是早期采用的异构网络的互联方法。
这种方法 适应性差,无论是增加新的应用功能，
还是增加新的网络硬件，都会带来大量的应用程序编程工作量。
网络级互联 使底层的通信和上层的应用分开，
在网络层将底层各种网络硬件进行会聚和抽象，
底层网络硬件的增加只需要调整网络层就可以适应变化,上层应用所面对的是支持通用服务的通信网络 。
因特网采用了网络级互联技术,网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，
而且简化了网络互联设备。
2.2.2 因特网的特点
因特网具有以下 特点,
（ 1）因特网对用户 隐藏了底层的网络技术和网络结构,在用户看来，因特网是一个统一的网络。从逻辑上看，因特网是一个虚拟网络，
从物理上看，因特网是由多个物理网络互联而成。
（ 2）因特网 不限制网络的拓扑结构 。
（ 3）因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些 网络受到网络协议的平等对待 。
（ 4）任何两个不相邻的网络中的计算机可以 通过中间网络实现通信 。
2.2.3 因特网协议分层
因特网协议通常又称为 TCP/IP协议。
TCP/IP协议分为如图 2-15所示的 4个协议层。
网络接口层网络层传输层应用层图 2 - 15 TC P / I P 协议分层返回
网络接口层 实际上包含 OSI模型的物理层和链路层,TCP/IP并未对这两层进行定义，它支持现有的各种底层网络技术和标准。该层涉及操作系统中的设备驱动程序和网络接口卡。
网络层 又称为 互联网层 或 IP层,该层处理 IP数据报的传输、路由选择、流量控制和拥塞控制。
传输层 为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 TCP/IP的传输层包含传输控制协议
TCP和用户数据报协议 UDP。
应用层 为用户提供一些常用的应用程序，
TCP/IP给出了应用层的一些常用协议规范。
2.3 开放系统互连参考模型与 TCP/IP的关系国际标准化组织的开放系统互连模型与
TCP/IP协议层次的对应关系如图 2-16所示。
网络接口层网络层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层图 2 - 16 I S O / O S I与 TC P / I P 的层次对应关系
I S O / O S I TC P / I P
除了层次结构方面的差异外,ISO/OSI与
TCP/IP还存在如表 2-2所列的差异。 表 2 - 2 I S O / O S I 与 TCP/IP 的差异
ISO/OSI TCP/IP
ISO/OSI 是抽象的概念模型 TCP/IP 是具体协议与实现
ISO/OSI 复杂、效率低、大而全 TCP/IP 单纯、简单、实用
ISO/OSI 力量单薄，产品少 TCP/IP 得到产业界的支持，应用广
ISO/OSI 进展缓慢 TCP/IP 完善速度快（ IPv6 ）
返回
SMT P HTTP BGP
应用层
r l ogi n
& r sh
F TP
TE LNE T DNS? SNMP TF TP
BOOTP
& DHCP
RIP
NF S
RP C?
TCP UDP 传输层
ICMP IGM P
IP
ARP RARP
网络层网络接口层底层网络协议：以太网、令牌环,SLIP,PPP 等图 2 - 17 TCP / IP 协议簇
TCP/IP是一个协议簇，其构成如图 2-17所示。
2.4 TCP/IP协议簇各协议模块之间的关系注意 两点：
一是应用进程可以直接与网络层的模块打交道
一个下层模块要和多个上层模块进行交互。
应用层
TC P
传输层
I C M P I G M P
IP
ARP RARP
网络层网络接口层图 2 - 18 TC P / I P 协议模块关系应用进程 应用进程 应用进程 应用进程
U D P
网络接口本章要点
根据 拓扑结构,计算机网络可以分为总线型网、环型网、星型网和格状网。
根据 覆盖范围,计算机网络可以分为广域网、城域网、局域网和个域网。
网络可以 划分 成资源子网和通信子网两个部分。
网络 协议 是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。
网络协议包括 三个要素,即语法、语义和同步规则。
通信双方对等层中完成相同协议功能的实体称为 对等实体,对等实体按协议进行通信。
有线接入技术 分为铜线接入、光纤接入和混合光纤同轴接入技术。
无线接入技术 主要有卫星接入技术、无线本地环路接入和本地多点分配业务。
网关 实现不同网络协议之间的转换。
因特网采用了 网络级互联 技术，网络级的协议转换不仅增加了系统的灵活性，而且简化了网络互联设备。
因特网对用户 隐藏了底层网络技术和结构,在用户看来，因特网是一个统一的网络。
因特网将任何一个能传输数据分组的通信系统都视为网络，这些网络受到网络协议的 平等对待 。
TCP/IP协议分为 4个协议层,网络接口层、网络层、
传输层和应用层。
IP协议 既是网络层的核心协议，也是 TCP/IP协议簇中的核心协议。
