數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能技術(shù)：生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與通信 課件第2章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第2章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)演講人1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.1數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)（data）是事實(shí)或觀察的結(jié)果，是對(duì)客觀事物的邏輯歸納，是用于表示客觀事物的未經(jīng)加工的原始素材。數(shù)據(jù)可以是連續(xù)的值，比如聲音、圖像，稱為模擬數(shù)據(jù)，也可以是離散的，如符號(hào)、文字，稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為兩大類：模擬數(shù)據(jù)也稱為模擬量，取值范圍是連續(xù)的變量或數(shù)值。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也稱為數(shù)據(jù)量，取值范圍是離散的變量或數(shù)值。數(shù)據(jù)在采集、傳輸、保存、處理過程中經(jīng)常會(huì)面對(duì)對(duì)其進(jìn)行編碼的過程。在數(shù)據(jù)長(zhǎng)短距離傳輸過程中，為了使信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠在相應(yīng)信道上傳輸，在源系統(tǒng)端需要有信號(hào)變換設(shè)備，將信源產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合在信道上傳輸?shù)男盘?hào)。同樣，為了使信宿能夠接收并處理信道上傳輸過來(lái)的信號(hào)，在目的系統(tǒng)端也需要信號(hào)變換設(shè)備，將信道上傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為適合被信宿處理的數(shù)據(jù)。在上述過程中需要用到數(shù)據(jù)編碼技術(shù)。數(shù)據(jù)常見的幾種編碼轉(zhuǎn)換方式如圖2-1所示。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.1數(shù)據(jù)編碼技術(shù)圖2-1數(shù)據(jù)常見的幾種編碼轉(zhuǎn)換方式1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)模擬編碼該種編碼方式主要針對(duì)模擬信號(hào)，該類信號(hào)在時(shí)間上和幅值上均是連續(xù)的,在一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)幅值可取任意值。工程實(shí)際中的許多物理量都反應(yīng)的是模擬信號(hào),例如聲音、壓力、溫度等均可通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的電壓或電流。在早期的電信通信，多采用AM（幅度調(diào)制）、FM（頻率調(diào)制）等方式，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。這種轉(zhuǎn)換可通過硬件電路直接實(shí)現(xiàn)，但信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸過程中對(duì)噪聲較敏感，易受干擾。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)數(shù)字編碼數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)，時(shí)間和幅值均離散，不連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是幅值只可以取有限值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字編碼的應(yīng)用越來(lái)越重要。計(jì)算機(jī)通訊編碼技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信系統(tǒng)中，將原始數(shù)據(jù)例如文字、圖像、音頻或視頻等轉(zhuǎn)換為適合在物理媒介上傳輸?shù)男问降倪^程。這個(gè)過程包括將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以便于電子設(shè)備處理，并確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地被接收。通過這些編碼技術(shù)，計(jì)算機(jī)可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，即使在存在干擾或錯(cuò)誤的情況下也能盡可能地恢復(fù)原始信息。編碼在計(jì)算機(jī)通信中同樣扮演著關(guān)鍵角色，它確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準(zhǔn)確性和一致性，提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)字編碼方式非常靈活，基于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)當(dāng)代廣泛采用的是數(shù)字編碼方式，通常先將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，然后再進(jìn)行相應(yīng)處理。常見的數(shù)字編碼處理方式如表2-1所示。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)數(shù)字編碼表2-1常見數(shù)字編碼處理方式1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸，也稱為數(shù)據(jù)通信，是指按照一定的規(guī)程，通過一條或者多條數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端的過程。這個(gè)過程的主要目的是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的信息傳輸與交換。在當(dāng)今的信息時(shí)代，無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算還是大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸都是其核心基礎(chǔ)之一。數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵脑碓谟诶貌煌耐ㄐ艆f(xié)議和傳輸方式，確保數(shù)據(jù)能夠在不同的設(shè)備之間安全、可靠、高效地進(jìn)行傳輸。這其中涉及到許多技術(shù)細(xì)節(jié)，如數(shù)據(jù)的編碼方式、傳輸介質(zhì)的選擇、信號(hào)的處理等。數(shù)據(jù)傳輸是現(xiàn)代科技的核心，它支撐著我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，極大地提高了信息的獲取、處理和分享的效率。數(shù)據(jù)傳輸可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分類，常見的數(shù)據(jù)傳輸分類如表2-2所示。表2-2常見的數(shù)據(jù)傳輸分類1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)是一種在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不同設(shè)備或系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)的方法。它涉及到數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、處理和路由，確保信息從發(fā)送方準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸?shù)浇邮辗?。無(wú)論采用何種交換和數(shù)據(jù)傳輸都涉及到數(shù)據(jù)流的傳輸方式變化。數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)的傳輸方式如表2-3所示。表2-3數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)交換技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)通信速度、降低延遲、保證數(shù)據(jù)安全等方面有著重要作用。數(shù)據(jù)交換發(fā)生在不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備之間進(jìn)行信息的傳輸過程。在這個(gè)過程中，發(fā)送方將數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)數(shù)據(jù)單元，這些單元被稱為數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)分組，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收方。接收方收到數(shù)據(jù)包后，再將其重新組裝成完整的原始數(shù)據(jù)。常見的數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路交換、報(bào)文交換、分組交換（包括IP交換）等。其中，分組交換因其靈活性、高效性和成本效益被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)中。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)電路交換需要預(yù)先建立一條固定的物理連接，數(shù)據(jù)在該連接上連續(xù)流動(dòng)，直到連接斷開。這種交換方式適合實(shí)時(shí)通信，如語(yǔ)音通話。類似于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)，需要事先規(guī)劃好通信路徑，并在通信過程中保持線路獨(dú)占。這種方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的通信場(chǎng)景，但線路利用率較低。報(bào)文交換過程中數(shù)據(jù)被拆分成獨(dú)立的報(bào)文，每個(gè)報(bào)文獨(dú)立尋找路徑，將整個(gè)報(bào)文從源主機(jī)傳送到目的主機(jī)，這種方式適用于大量數(shù)據(jù)的傳輸，但在通信過程中可能會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁堵導(dǎo)致延遲，適合數(shù)據(jù)量大但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。分組交換過程中數(shù)據(jù)被分割成小數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包都包含頭部信息和數(shù)據(jù)部分，每個(gè)包獨(dú)立尋路，通過網(wǎng)絡(luò)中的路由器逐個(gè)傳輸，最后在目的主機(jī)重新組合成完整的報(bào)文。這種方式能更好地利用帶寬，適用于大量數(shù)據(jù)的傳輸，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通信如互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)能夠通過動(dòng)態(tài)調(diào)整分組的數(shù)量來(lái)保證通信的實(shí)時(shí)性，提供了較高的靈活性和效率。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)每種數(shù)據(jù)交換形式都有其適用的場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)代在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中往往結(jié)合多種交換方式以適應(yīng)不同的需求。例如對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，電路交換可能是更好的選擇；對(duì)于大量數(shù)據(jù)的傳輸，報(bào)文交換或分組交換可能更為合適。此外還有時(shí)使用兩種交換技術(shù)的復(fù)合，如報(bào)文分組交換，這是介于電路交換和報(bào)文交換之間，結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，既保持了電路交換的實(shí)時(shí)性，又具有報(bào)文交換的靈活性。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，新的數(shù)據(jù)傳輸交換方式也在不斷涌現(xiàn)。例如，基于IP的數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)方式。未來(lái)，隨著5G、6G等新一代通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎托蔬€將得到進(jìn)一步提升。總的來(lái)說，數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。理解其原理和應(yīng)用場(chǎng)景，以及如何選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸交換方式，對(duì)于提升系統(tǒng)性能、確保數(shù)據(jù)安全和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源等方面都具有重要意義。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.4容錯(cuò)與校驗(yàn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸尤其是涉及大量數(shù)據(jù)的情況，傳輸過程，過程中可能會(huì)發(fā)生物理媒介受到干擾、網(wǎng)絡(luò)擁塞造成丟包、傳輸設(shè)備發(fā)生故障、編碼/解碼發(fā)生錯(cuò)誤等都可能造成數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端不一致。數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)丟失或損壞而無(wú)法獲取完整或準(zhǔn)確的信息，輕則會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，嚴(yán)重的會(huì)造成系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果。對(duì)于一個(gè)健壯的系統(tǒng)來(lái)說，容錯(cuò)和校驗(yàn)是必不可少的功能，容錯(cuò)是通過設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠容忍一般性錯(cuò)誤，而校驗(yàn)則是通過計(jì)算來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。兩者結(jié)合使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性。容錯(cuò)（ErrorTolerance）是一種設(shè)計(jì)策略，它允許系統(tǒng)在某些錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)仍能繼續(xù)運(yùn)行或者提供部分服務(wù)。例如，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中，硬盤可能會(huì)有壞道，通過使用冗余技術(shù)如RAID（RedundantArrayofIndependentDisks，獨(dú)立磁盤的冗余陣列），即使某個(gè)磁盤出現(xiàn)故障，其它磁盤的數(shù)據(jù)也可以保證數(shù)據(jù)的完整性。在軟件層面，一些算法或編程語(yǔ)言也支持容錯(cuò)，比如在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，如果數(shù)據(jù)包丟失，接收端可以請(qǐng)求重傳。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.4容錯(cuò)與校驗(yàn)校驗(yàn)（Checksum）是一種驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性的方法，通過計(jì)算數(shù)據(jù)的一部分或全部的數(shù)字摘要，然后將這個(gè)摘要與接收數(shù)據(jù)的摘要進(jìn)行比較，如果兩者匹配，說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有被篡改或損壞。常見的校驗(yàn)方式有CRC校驗(yàn)、MD5校驗(yàn)、SHA-1校驗(yàn)等。例如，文件上傳后，服務(wù)器會(huì)計(jì)算文件的校驗(yàn)值，用戶下載后也會(huì)計(jì)算并對(duì)比，如果兩者一致，說明文件傳輸正確。容錯(cuò)和校驗(yàn)是數(shù)據(jù)處理中的兩個(gè)互補(bǔ)概念，它們?cè)诒Ｗo(hù)數(shù)據(jù)安全性和完整性方面發(fā)揮著重要作用。容錯(cuò)技術(shù)可以使系統(tǒng)能夠容忍一定程度的錯(cuò)誤而不至于完全失效。這通常涉及到冗余備份、故障轉(zhuǎn)移、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制。它的目標(biāo)是在不影響整體功能的情況下，減少錯(cuò)誤的影響。校驗(yàn)則是通過校驗(yàn)碼來(lái)進(jìn)行，計(jì)算并比較發(fā)送端和接收端的校驗(yàn)碼如果一致則表示數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有損壞。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.4容錯(cuò)與校驗(yàn)容錯(cuò)和校驗(yàn)結(jié)合使用可以提供更高的數(shù)據(jù)保護(hù)。一個(gè)系統(tǒng)可能使用冗余存儲(chǔ)同時(shí)配合校驗(yàn)，即使數(shù)據(jù)在某處損壞，也可以通過其它副本的校驗(yàn)來(lái)確定哪個(gè)數(shù)據(jù)是正確的，然后用正確的數(shù)據(jù)替換錯(cuò)誤的部分。這樣，容錯(cuò)提供了數(shù)據(jù)的可用性，而校驗(yàn)則提供了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?？偟膩?lái)說，容錯(cuò)側(cè)重于防止數(shù)據(jù)丟失或不可用，而校驗(yàn)側(cè)重于發(fā)現(xiàn)和糾正數(shù)據(jù)在傳輸或存儲(chǔ)過程中的錯(cuò)誤，兩者共同維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整和正確采取的技術(shù)手段如表2-4所示。表2-4常見系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)這些容錯(cuò)技術(shù)各有其適用場(chǎng)景，通過組合使用，可以構(gòu)建出高度可靠的系統(tǒng)，能夠在面臨各種故障時(shí)保持服務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的完整性。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.5媒體訪問控制媒體訪問控制（MediaAccessControl，MAC）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的一個(gè)重要概念，主要負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)鏈路層上管理多個(gè)設(shè)備如何訪問共享的傳輸介質(zhì)。它是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，確保數(shù)據(jù)能在物理網(wǎng)絡(luò)上正確、高效地傳輸。01在局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）中，MAC地址是一個(gè)48位的唯一標(biāo)識(shí)符，通常以12個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字表示，用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)設(shè)備。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)固定的MAC地址，當(dāng)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)包含自己的MAC地址和目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，以便網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠識(shí)別并路由數(shù)據(jù)。02MAC協(xié)議的主要任務(wù)包括沖突檢測(cè)與避免（如CSMA/CD）、數(shù)據(jù)幀的封裝和解封裝、錯(cuò)誤檢測(cè)等。常見的MAC協(xié)議有IEEE802.3（以太網(wǎng)）系列標(biāo)準(zhǔn)，它們定義了如何在物理層上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及如何通過MAC地址進(jìn)行尋址。031數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.5媒體訪問控制CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）是一種媒體訪問控制（MAC）協(xié)議，主要用于以太網(wǎng)等局域網(wǎng)（LAN）中。它的基本思想是設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道是否空閑，如果信道忙，設(shè)備會(huì)等待一段時(shí)間再嘗試發(fā)送；如果在發(fā)送過程中檢測(cè)到信道被其它設(shè)備占用，即發(fā)生“碰撞”，則立即停止發(fā)送并等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再次嘗試。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和性能需求的提升，CSMA/CD的不足之處逐漸顯現(xiàn)，如低效率、碰撞概率高等問題。因此，后續(xù)的協(xié)議如CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突避免）和更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如交換機(jī)和令牌環(huán)）被開發(fā)出來(lái)，以提供更高效和可靠的網(wǎng)絡(luò)訪問。盡管有些局限性，CSMA/CD仍然是一個(gè)基礎(chǔ)且實(shí)用的媒體訪問控制技術(shù)，對(duì)于小型辦公室網(wǎng)絡(luò)或家庭網(wǎng)絡(luò)來(lái)說，它能滿足基本的通信需求。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.5媒體訪問控制CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突避免）是CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)）的一種改進(jìn)版本，它主要應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中，如Wi-Fi。相比于CSMA/CD，CSMA/CA在沖突檢測(cè)和避免上采取了不同的策略，以適應(yīng)無(wú)線環(huán)境的特點(diǎn)：12CSMA/CA支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PtP）和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PtMP）兩種模式。在PtP模式下，只有兩個(gè)設(shè)備直接通信，無(wú)需監(jiān)聽整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，提高了效率。在檢測(cè)到?jīng)_突后，CSMA/CA引入了SIFS（ShortInterframeSpace）間隔，3CSMA/CA在發(fā)送數(shù)據(jù)前，不僅監(jiān)聽信道是否空閑，還會(huì)使用一種稱為“分布式協(xié)調(diào)功能”（DCF）的技術(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)可能的沖突。設(shè)備在發(fā)送前會(huì)設(shè)置一個(gè)隨機(jī)等待時(shí)間，如果這段時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到其他設(shè)備的活動(dòng)，才開始發(fā)送。這樣可以減少?zèng)_突的可能性。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.5媒體訪問控制這是一種較短的等待時(shí)間，用于設(shè)備在沖突后快速恢復(fù)并再次嘗試發(fā)送。在某些無(wú)線環(huán)境中，CSMA/CA允許設(shè)備進(jìn)行能量檢測(cè)，以判斷是否有其他設(shè)備在使用同一頻道，進(jìn)一步減少?zèng)_突。DCF主要用于全分布式網(wǎng)絡(luò)，而PCF在某些集中式的網(wǎng)絡(luò)中使用，提供更精細(xì)的控制。CSMA/CA使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在多設(shè)備共享無(wú)線資源的情況下，仍能保持較高的數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性，尤其適用于移動(dòng)設(shè)備較多的場(chǎng)景，如智能手機(jī)、平板電腦等。令牌環(huán)（TokenRing）是一種早期的局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)，與CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)）和CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突避免）不同，它采用的是令牌控制的方式進(jìn)行介質(zhì)訪問。在令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚴穷A(yù)先確定的，通過一個(gè)被稱為“令牌”的數(shù)據(jù)包在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中傳遞，只有持有令牌的設(shè)備才能發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免了沖突。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.5媒體訪問控制網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)中央設(shè)備，稱為令牌環(huán)主節(jié)點(diǎn)（RootStation），它會(huì)生成一個(gè)令牌并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。令牌沿著環(huán)形網(wǎng)絡(luò)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到令牌后，只有在令牌持有者釋放令牌后才能獲取并發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。只有當(dāng)令牌到達(dá)某個(gè)設(shè)備時(shí)，該設(shè)備才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后，它會(huì)釋放令牌，令牌繼續(xù)沿環(huán)傳遞。由于數(shù)據(jù)傳輸是按照預(yù)設(shè)順序進(jìn)行的，理論上不會(huì)發(fā)生沖突。但如果令牌丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸混亂。由于數(shù)據(jù)傳輸是按順序進(jìn)行的，而且每個(gè)設(shè)備只能在特定時(shí)間內(nèi)發(fā)送，這使得令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)具有一定的安全性，防止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備接入。盡管令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)提供了高效的數(shù)據(jù)傳輸和安全性，但它有一些局限性，如成本較高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭?、擴(kuò)展性較差等。隨著技術(shù)的發(fā)展，令牌環(huán)已被更靈活的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如以太網(wǎng)（Ethernet）所取代，但令牌環(huán)仍在某些專業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化和高性能計(jì)算中得到應(yīng)用。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.1網(wǎng)絡(luò)通訊的介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信號(hào)的物理傳播是個(gè)連續(xù)且實(shí)時(shí)的過程，數(shù)據(jù)快速地從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)可靠地傳送就需要一定的介質(zhì)。實(shí)際傳輸速度受到許多因素影響，最大的因素?zé)o疑是傳輸介質(zhì)。目前互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通常使用的物質(zhì)載體主要包括：2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有線連接1）同軸電纜因?yàn)橹行你~線和網(wǎng)狀導(dǎo)電層為同軸關(guān)系而得名。從內(nèi)到外分為四層，分別是中心銅線，組成可能是單股的實(shí)心線或多股絞合線，塑料絕緣體，網(wǎng)狀導(dǎo)電層和電線外皮。中心銅線和網(wǎng)狀導(dǎo)電層形成電流回路。該連接方式大量用于有線電視，由于同軸電纜造價(jià)低、易施工，在中、小傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在HFC(HybridFiber-Coaxial，混合光纖同軸電纜)網(wǎng)絡(luò)“最后1公里”傳輸中，是無(wú)法用其它電纜所代替的。許多無(wú)源器件、有源器件及用戶都需使用電纜連接，凡是用同軸電纜連接的各個(gè)器件之間都需達(dá)到阻抗匹配。同軸電纜傳輸?shù)男盘?hào)具有交流電特點(diǎn)而不是恒定直流電，因?yàn)閮?nèi)部電流方向發(fā)生快速逆轉(zhuǎn)。電流方向的快速改變，尤其是頻率較高，高頻特性顯著如果使用一般電纜線，這種電線就會(huì)相當(dāng)于一根向外發(fā)射無(wú)線電的天線，無(wú)疑會(huì)損耗了信號(hào)的功率，使得接收到的信號(hào)強(qiáng)度減小。同軸電纜的設(shè)計(jì)正是為解決這個(gè)問題而研制開發(fā)的。中心電線發(fā)射出來(lái)的無(wú)線電被網(wǎng)狀導(dǎo)電層所隔離，網(wǎng)狀導(dǎo)電層可以通過接地的方式來(lái)控制發(fā)射出來(lái)的無(wú)線電。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有線連接同軸電纜也存在一個(gè)問題，就是如果電纜某一段發(fā)生比較大的擠壓或者扭曲變形，那么中心電線和網(wǎng)狀導(dǎo)電層之間的距離就不能保持一致，這會(huì)造成內(nèi)部的無(wú)線電波會(huì)被反射回信號(hào)發(fā)送源。這種效應(yīng)減低了可接收的信號(hào)功率。為了克服這個(gè)問題，中心電線和網(wǎng)狀導(dǎo)電層之間被加入一層塑料絕緣體來(lái)保證它們之間的距離恒定。這種處理也造成了電纜比較僵直而不容易彎曲的特性。屏蔽層采用編織銅網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，單層編織的屏蔽效果較差，雙層編織比單層編織的轉(zhuǎn)移阻抗減少3倍，可見雙層編織的屏蔽效果比單層有了很大的改善。各大同軸電纜制造商都在不斷改進(jìn)電纜的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以保持其性能。同軸電纜根據(jù)其結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，其分類如表2-5所示。表2-5同軸電纜的分類2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有線連接選擇同軸電纜時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)用的具體需求，如傳輸距離、帶寬要求、抗干擾能力、性價(jià)比等參數(shù)綜合考慮。同軸電纜的技術(shù)指標(biāo)如表2-6所示。表2-6同軸電纜的技術(shù)指標(biāo)2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)雙絞線雙絞線由兩根相互扭繞的導(dǎo)線組成，通常每對(duì)線之間用絕緣材料隔開，典型應(yīng)用于早期的電話線路。目前則作為一種常見的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，這種設(shè)計(jì)旨在減少電磁干擾和信號(hào)串?dāng)_，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和保密性。雙絞線中的每一對(duì)線，通常是兩條顏色相同的線被緊密地絞合在一起，形成一種螺旋狀排列。這種絞合方式使得信號(hào)在傳輸過程中，每對(duì)線的電磁場(chǎng)相互抵消，減少了線對(duì)之間的相互干擾。雙絞線采用平衡傳輸技術(shù)，這意味著每一對(duì)線上的電流相位相反，當(dāng)外部電磁干擾出現(xiàn)時(shí)，由于電流相位的相互抵消，干擾被部分抵消，提高了信號(hào)的抗干擾能力。高頻率的信號(hào)更容易受到干擾，雙絞線的設(shè)計(jì)使高頻信號(hào)在短距離內(nèi)傳輸，限制了干擾的傳播范圍。雙絞線的每一對(duì)線的阻抗約為50歐姆或75歐姆，這與大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的輸入阻抗相匹配，這有助于減少信號(hào)在傳輸過程中的衰減和反射，從而減少干擾。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)雙絞線不同的數(shù)據(jù)速率使用不同的頻率范圍，通過將信號(hào)分布在不同的頻率段，可以減少同一頻率范圍內(nèi)多個(gè)設(shè)備之間的干擾。在一些高性能傳輸需求的場(chǎng)合，如Cat5e、Cat6及以后的版本通常包含一層或兩層屏蔽層，這可以是金屬編織屏蔽或金屬箔包裹。屏蔽層的作用是反射或吸收外部的電磁輻射，減少外部電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響。通過這些技術(shù)，雙絞線能夠在一定程度上降低電磁干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的影響，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，對(duì)屏蔽性能的要求也在增加，特別是在較長(zhǎng)距離和密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。雙絞電纜的發(fā)展歷程分類如表2-7所示。表2-7雙絞電纜的發(fā)展歷程2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)光纖光纖（Fiber）是一種用于傳輸光信號(hào)的極其細(xì)小的玻璃或塑料纖維。它是由核心、包層和保護(hù)層等部分組成，其中的核心通常由高折射率的材料制成，而包層則由折射率較低的材料制成。當(dāng)光信號(hào)通過光纖時(shí)，會(huì)在核心中以光的形式傳播，由于光的全反射原理，信號(hào)可以在光纖內(nèi)部沿著直線進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，且損耗極低。光纖通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要組成部分，它具有容量大、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、電話、電視、數(shù)據(jù)傳輸、光纖網(wǎng)絡(luò)等各種通信系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的銅線或電纜相比，光纖能夠提供更高的帶寬和更低的延遲，對(duì)于現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)光纖單根光纖可以承載比銅線多得多的數(shù)據(jù)，這是由于光的頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)高密度的數(shù)據(jù)傳輸。光纖的傳輸速度非?？?，接近光速，這使得它可以支持高速互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)以及視頻會(huì)議等實(shí)時(shí)應(yīng)用。光纖的損耗很小，特別是在短距離傳輸時(shí)，幾乎可以忽略不計(jì)，這對(duì)于長(zhǎng)距離通信尤其重要。光信號(hào)不導(dǎo)電，不受電磁干擾，因此通信信號(hào)穩(wěn)定，保密性好，不容易被竊取或篡改。光纖的物理性質(zhì)使其不易磨損，壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。光纖可以彎曲，適應(yīng)各種復(fù)雜的布線環(huán)境，而且可以輕松地敷設(shè)在建筑物內(nèi)部，無(wú)需大的開挖空間。光纖使用電力低，無(wú)電磁輻射，對(duì)環(huán)境影響小，符合綠色通信的趨勢(shì)。隨著技術(shù)進(jìn)步，光纖可以支持更高帶寬的升級(jí)，未來(lái)有很好的發(fā)展?jié)摿Αｋm然初期投資可能較高，但光纖通信的長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)成本較低，尤其是對(duì)于需要大量傳輸數(shù)據(jù)的企業(yè)或機(jī)構(gòu)來(lái)說。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線連接這些無(wú)線介質(zhì)使用戶能夠在沒有物理線纜的情況下連接到網(wǎng)絡(luò)，提供了更大的便利性和靈活性。然而，無(wú)線介質(zhì)也可能面臨信號(hào)干擾、覆蓋范圍有限等問題，需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備配置和優(yōu)化才能確保穩(wěn)定的通信。網(wǎng)絡(luò)連接的無(wú)線介質(zhì)是指在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用于傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，它們?cè)试S設(shè)備之間通過無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通信，而無(wú)需使用有線連接。無(wú)線連接包括微波、紅外線、藍(lán)牙和Wi-Fi（802.11標(biāo)準(zhǔn)系列）等，這些波段的頻率不同，傳輸距離和數(shù)據(jù)速率也各有特點(diǎn)。例如，藍(lán)牙主要用于近距離設(shè)備間的連接，微波是早期的無(wú)線寬帶技術(shù)，如WiMAX，但已被更先進(jìn)的技術(shù)如Wi-Fi和4/5G取代。Wi-Fi通過2.4GHz或5GHz頻段，適用于家庭、辦公室等范圍內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。紅外線主要用于短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，如遙控器和一些電子設(shè)備之間的通信。射頻是一種廣泛的無(wú)線通信技術(shù)，包括許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，如手機(jī)通信（GSM,CDMA,LTE,5G），衛(wèi)星通信等。毫米波是一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，通常用于提供高速無(wú)線接入，如5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部分頻段。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線連接通過地球靜止軌道衛(wèi)星（GeostationarySatellite）進(jìn)行全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)接入，如衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。"星鏈"就是一個(gè)旨在構(gòu)建全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的龐大計(jì)劃，其目標(biāo)是通過在地球軌道上部署數(shù)千顆小型衛(wèi)星，形成一個(gè)全球性的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座，為地球上任何地方地面用戶，包括家庭、企業(yè)、船只和飛機(jī)提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.2網(wǎng)絡(luò)體系的分層模型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈接是個(gè)非常復(fù)雜的過程，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行通信時(shí)，需要面對(duì)復(fù)雜的情況和因素，需要確定數(shù)據(jù)的通路，數(shù)據(jù)在這條通路上能否正確發(fā)送和接收，以及出現(xiàn)的各種差錯(cuò)和意外事故，能否有可靠完善的措施保證對(duì)方計(jì)算機(jī)最終能正確收到數(shù)據(jù)等等一系列問題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)正是為了解決這些問題。計(jì)算機(jī)間高度默契的交流背后需要十分復(fù)雜、完備的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)作為支撐。需要考慮用什么方法才能合理地組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，才能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間達(dá)成這種“高度默契”。分而治之是一個(gè)好的思路，更進(jìn)一步說就是網(wǎng)絡(luò)的分層思想。分層思想的內(nèi)涵是讓每層在依賴自己下層所提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過自身內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)一種特定的服務(wù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層就是在這樣的思想下產(chǎn)生了。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)三種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要有3種劃分方法，分別是OSI體系結(jié)構(gòu)（七層）、TCP/IP體系結(jié)構(gòu)（四層）、五層體系結(jié)構(gòu)。這些分層結(jié)構(gòu)，它們有一定的共性和聯(lián)系。三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成與功能的差別如表2-8所示。表2-8三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成與功能差別OSI體系結(jié)構(gòu)具有概念清楚，理論也比較完整，但是它既復(fù)雜又不實(shí)用。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)四層體系結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。五層體系結(jié)構(gòu)在TCP/IP體系四層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為了方便學(xué)習(xí)，折中OSI體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，這樣既簡(jiǎn)潔，又能將概念講清楚。TCP/IP與OSI最大的不同在于，OSI是一個(gè)理論上的網(wǎng)絡(luò)通信模型，而TCP/IP則是實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)五層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述五層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的主要功能如表2-9所示。表2-9五層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的主要功能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層模型中，數(shù)據(jù)在從一個(gè)層次傳輸?shù)搅硪粋€(gè)層次時(shí)會(huì)發(fā)生形式上的變化，這個(gè)過程稱為數(shù)據(jù)封裝（Encapsulation）。數(shù)據(jù)封裝的主要目的是為了簡(jiǎn)化通信過程，同時(shí)確保不同層次之間的通信兼容性。當(dāng)數(shù)據(jù)從應(yīng)用層向下一層傳輸時(shí)，每一層都會(huì)添加或刪除特定的頭部信息，直到數(shù)據(jù)達(dá)到目的端，然后這個(gè)過程反轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)逐層解封裝，直到返回到應(yīng)用層。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換過程TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，全稱TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，是互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議。它由四層組成，每個(gè)層次負(fù)責(zé)特定的網(wǎng)絡(luò)功能：TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的核心特點(diǎn)是分層設(shè)計(jì)，每一層都可以獨(dú)立發(fā)展和優(yōu)化，而不會(huì)影響其它層。這種設(shè)計(jì)使得網(wǎng)絡(luò)通信更加靈活且易于管理。例如，如果網(wǎng)絡(luò)層需要改進(jìn)，不會(huì)影響應(yīng)用層的性能，反之亦然。此外，TCP/IP體系結(jié)構(gòu)也是開放的，允許各種不同的設(shè)備和操作系統(tǒng)進(jìn)行互操作。四層結(jié)構(gòu)在協(xié)議作用下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的示意圖如圖2-2所示。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換過程logo圖2-2四層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換示意圖2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3網(wǎng)絡(luò)通訊中的基礎(chǔ)概念解析互聯(lián)網(wǎng)通訊中需要軟硬件配合的復(fù)雜系統(tǒng)，為了更好地理解相關(guān)的運(yùn)行機(jī)理，一些概念必須要明確，以下列舉所涉及到的部分術(shù)語(yǔ)和概念。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包互聯(lián)網(wǎng)的“包”通常指的就是數(shù)據(jù)包，它是互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通信傳輸中的基本數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)包主要由“目的IP地址”、“源IP地址”和“凈載數(shù)據(jù)”等部分構(gòu)成，包括包頭和包體。包頭是固定長(zhǎng)度，包含有關(guān)如何路由和處理該數(shù)據(jù)包的信息，而包體的長(zhǎng)度不定，包含實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)類似于我們平常寫信，目的IP地址相當(dāng)于收信人地址，說明這個(gè)數(shù)據(jù)包是要發(fā)給誰(shuí)的。源IP地址相當(dāng)于發(fā)信人地址，說明這個(gè)數(shù)據(jù)包是發(fā)自哪里的。而凈載數(shù)據(jù)則相當(dāng)于信件的內(nèi)容。數(shù)據(jù)包沿著不同的路徑在一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并在目的地重新組合。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果遇到較大的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)中的分組交換協(xié)議會(huì)將大數(shù)據(jù)分割成一個(gè)個(gè)較小的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，以提高傳輸效率和可靠性。這些數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立傳輸，可能經(jīng)過不同的路徑，但最終會(huì)在目的地重新組合成完整的數(shù)據(jù)。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀（Dataframe）是數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，它主要包括三個(gè)組成部分：幀頭、數(shù)據(jù)部分和幀尾。幀頭和幀尾包含一些必要的控制信息，例如同步信息、地址信息以及差錯(cuò)控制信息等，它們對(duì)于確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和接收至關(guān)重要。數(shù)據(jù)部分則包含網(wǎng)絡(luò)層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)，例如IP數(shù)據(jù)包等。數(shù)據(jù)幀是網(wǎng)絡(luò)通信中的關(guān)鍵組成部分，它確保了數(shù)據(jù)在鏈路層上的有效和可靠傳輸。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)將網(wǎng)絡(luò)層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)封裝成幀，然后發(fā)送到鏈路上。而在接收端，數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)從收到的幀中提取數(shù)據(jù)，并將其交給網(wǎng)絡(luò)層。此外，不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議對(duì)應(yīng)著不同的幀，因此幀的種類多種多樣，如PPP幀、MAC幀等，它們的具體格式也各不相同。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)段在網(wǎng)絡(luò)通信中，“段”（Segment）通常與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議或傳輸層的協(xié)議相關(guān)，特別是在TCP/IP協(xié)議族中。在傳輸層，特別是在TCP協(xié)議中，數(shù)據(jù)被分割成多個(gè)“段”（Segment）進(jìn)行傳輸。每個(gè)TCP段都包含源端口和目的端口號(hào)，用于標(biāo)識(shí)發(fā)送和接收應(yīng)用程序。序列號(hào)，用于對(duì)段進(jìn)行排序。確認(rèn)號(hào)，用于確認(rèn)已成功接收的數(shù)據(jù)。此外，TCP段還包括其他控制信息，如窗口大小多用于流量控制，校驗(yàn)和用于錯(cuò)誤檢測(cè)等。在網(wǎng)絡(luò)層，IP協(xié)議將傳輸層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)如TCP段封裝成IP數(shù)據(jù)包，也稱為IP數(shù)據(jù)報(bào)。IP數(shù)據(jù)包包含IP頭部和數(shù)據(jù)部分，其中數(shù)據(jù)部分就是傳輸層傳下來(lái)的段。IP頭部包含源IP地址和目的IP地址，用于在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)段簡(jiǎn)而言之，“段”在網(wǎng)絡(luò)通信中，特別是在TCP/IP協(xié)議族中，是傳輸層協(xié)議，例如TCP處理的數(shù)據(jù)單元。當(dāng)數(shù)據(jù)從傳輸層傳遞到網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，這些段會(huì)被封裝成IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。在接收端，這個(gè)過程是相反，即IP數(shù)據(jù)包被解封裝，以提取出傳輸層的段，然后這些段被進(jìn)一步處理以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)消息從通信的角度來(lái)看，消息是通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象，是信息的載體。它可以通過語(yǔ)言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等不同形式具體描述。在網(wǎng)絡(luò)通信中，消息可以是離散消息或連續(xù)消息。離散消息具有可數(shù)的有限個(gè)狀態(tài)，例如文字、符號(hào)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等；而連續(xù)消息的狀態(tài)則連續(xù)變化或不可數(shù)，如語(yǔ)音、連續(xù)圖像等。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，消息在網(wǎng)絡(luò)中是以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行傳輸?shù)?。在更廣泛的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，消息還可以指網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序之間傳遞的信息。例如，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收消息以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。在云計(jì)算和分布式系統(tǒng)中，消息傳遞接口（MPI）等技術(shù)用于在節(jié)點(diǎn)之間傳遞數(shù)據(jù)和指令。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議指的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中互相通信的對(duì)等實(shí)體之間交換信息時(shí)所必須遵守的規(guī)則的集合。這些對(duì)等實(shí)體通常是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中處于相同層次的信息單元。一般來(lái)說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括通信環(huán)境、傳輸服務(wù)、詞匯表、信息的編碼格式、時(shí)序、規(guī)則和過程等五個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸中起著至關(guān)重要的作用，它確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、高效和安全傳輸。具體來(lái)說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。這包括錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制，能夠在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)現(xiàn)并修復(fù)錯(cuò)誤，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。其次，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議確保數(shù)據(jù)的順序傳輸。在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，可能會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁堵、設(shè)備故障等原因?qū)е聰?shù)據(jù)包亂序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過一系列的規(guī)則和機(jī)制，確保數(shù)據(jù)包按照正確的順序到達(dá)目的地，從而避免數(shù)據(jù)混亂和解析錯(cuò)誤。此外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的流量和傳輸速度。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)協(xié)議它可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和設(shè)備性能，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，從而確保數(shù)據(jù)的高效傳輸。最后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在保障數(shù)據(jù)安全方面也發(fā)揮著重要作用。它可以通過加密、認(rèn)證等機(jī)制，保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的機(jī)密性、完整性和可用性，防止數(shù)據(jù)被非法獲取、篡改或破壞。綜上所述，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸中扮演著至關(guān)重要的角色，它是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中各實(shí)體之間有效通信和數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)和保障。常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/IP協(xié)議族中的TCP和IP協(xié)議等，都在各自層面上發(fā)揮著重要的作用，共同確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、高效性和安全性?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)端口號(hào)端口號(hào)的主要作用是表示一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的特定進(jìn)程所提供的服務(wù)。每個(gè)應(yīng)用程序?qū)?yīng)一個(gè)端口號(hào)，通過這個(gè)端口號(hào)，客戶端才能訪問到該服務(wù)器。端口號(hào)用于區(qū)分不同的服務(wù)或進(jìn)程，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確發(fā)送到目標(biāo)應(yīng)用程序。端口包括邏輯端口和物理端口兩種類型。邏輯端口主要用于區(qū)分不同的服務(wù)，如HTTP服務(wù)的80端口和FTP服務(wù)的21端口。物理端口則用于連接物理設(shè)備，如ADSLModem、集線器、交換機(jī)和路由器等設(shè)備上的RJ-45、SC等接口端口。在IP地址和端口號(hào)的組合中，它們用冒號(hào)分隔，例如:80，這表示一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)組合，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或應(yīng)用程序。可以使用命令行工具如“netstat“命令，來(lái)查看系統(tǒng)中占用TCP連接的端口號(hào)。此外，還可以使用”telnet“命令來(lái)檢查遠(yuǎn)程主機(jī)上特定端口是否處于打開狀態(tài)。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)端口號(hào)需要注意的是，不同的協(xié)議和應(yīng)用程序可能有不同的端口號(hào)定義和規(guī)范。因此，在使用IP和端口時(shí)，需要根據(jù)具體情況查閱相關(guān)協(xié)議或規(guī)范，以確保正確使用?？偟膩?lái)說，端口號(hào)在網(wǎng)絡(luò)通信中扮演著重要的角色，它是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序之間通信的關(guān)鍵要素之一。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)路由路由（routing）是指分組從源到目的地時(shí)，決定端到端路徑的網(wǎng)絡(luò)范圍的進(jìn)程。路由工作在OSI參考模型第三層——網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。路由器通過轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。雖然路由器可以支持多種協(xié)議如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等協(xié)議，但在我國(guó)絕大多數(shù)路由器運(yùn)行TCP/IP協(xié)議。路由是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)互連的重要過程，而路由器則是實(shí)現(xiàn)路由功能的關(guān)鍵設(shè)備。路由器在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中扮演著關(guān)鍵的角色，它能夠連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，如家庭網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，并在這些網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過路由，不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以相互通信，共享資源和信息。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)路由路由器通常連接兩個(gè)或多個(gè)由IP子網(wǎng)或點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議標(biāo)識(shí)的邏輯端口，至少擁有一個(gè)物理端口。路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址以及路由器內(nèi)部維護(hù)的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數(shù)據(jù)包頭實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由的工作過程可以分為兩個(gè)階段，即路由表的構(gòu)建和路由的選擇。路由表是路由器中的重要組成部分，包含了所有可達(dá)網(wǎng)絡(luò)的信息。路由表可以手動(dòng)配置，也可以通過動(dòng)態(tài)路由協(xié)議自動(dòng)學(xué)習(xí)。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是自動(dòng)學(xué)習(xí)路由表的一種方式，常見的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議有RIP、OSPF和BGP等。在選擇路由時(shí)，路由器會(huì)比較每個(gè)可能的路徑，并選擇距離目標(biāo)地址最近的路徑。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)IP地址IP地址（InternetProtocolAddress）是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺(tái)主機(jī)分配一個(gè)邏輯地址，以此來(lái)屏蔽物理地址的差異。這種地址分配方式使得用戶能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求，在連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上，從千千萬(wàn)萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)中高效地選出所需的對(duì)象?；ヂ?lián)網(wǎng)上的每一臺(tái)終端設(shè)備都有一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)，可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)識(shí)找到具體的計(jì)算機(jī)，這個(gè)唯一標(biāo)識(shí)就是IP地址。目前，IP地址廣泛使用的版本是IPv4，它用4個(gè)字節(jié)大小的二進(jìn)制數(shù)表示，如00001010000000000000000000000001。因?yàn)槎M(jìn)制形式不便于記憶，所以通常會(huì)將IP地址寫成十進(jìn)制形式，每個(gè)字節(jié)用一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字（0~255）表示，數(shù)字間用點(diǎn)符號(hào)“.“分開，如。位于網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過IP地址訪問另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，然后通過端口號(hào)去訪問計(jì)算機(jī)中的某個(gè)應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)端口訪問示意圖如圖2-3所示。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)IP地址圖2-3網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)端口訪問示意圖IP地址由網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址組成，其中網(wǎng)絡(luò)部分表示IP地址屬于互聯(lián)網(wǎng)的哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的地址編碼，主機(jī)部分表示其屬于該網(wǎng)絡(luò)中的哪一臺(tái)主機(jī)，是網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)主機(jī)的地址編碼，二者是主從關(guān)系。在Windows操作系統(tǒng)中，用戶可以在命令行通過ipconfig命令查看本機(jī)的IP地址。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)IP地址IP地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址的范圍，大致可分為5類，各類地址可使用的IP數(shù)量不同，IP地址分類及其范圍如表2-10所示。在表中可以發(fā)現(xiàn)沒有127.X.X.X的地址，因?yàn)槠涫潜Ａ舻刂?，用作循環(huán)測(cè)試，在開發(fā)中經(jīng)常使用表示本機(jī)的IP地址。表2-10IP地址分類2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.4網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議族從字面意義上講，TCP/IP只是指TCP和IP兩種協(xié)議，在實(shí)際互聯(lián)網(wǎng)中使用，確實(shí)也是這指兩種協(xié)議。互聯(lián)網(wǎng)只是一個(gè)最基礎(chǔ)的條件，在應(yīng)用層可以通過它完成很多工作，諸如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、發(fā)送郵件、訪問FTP服務(wù)器等等。此時(shí)就會(huì)用到IP、ICMP、TCP、UDP、TELNET、FTP、HTTP等等，它們與TCP或IP的關(guān)系密不可分。因此說在很多情況下TCP/IP協(xié)議是指進(jìn)行通信時(shí)所必須用到的協(xié)議群的統(tǒng)稱。它們是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必不可少的組成部分，有時(shí)也統(tǒng)稱它們?yōu)門CP/IP網(wǎng)際協(xié)議群，畢竟TCP/IP原本就是為使用互聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)制定的協(xié)議族。這些協(xié)議所示實(shí)現(xiàn)的功能各異，相互之間關(guān)系如圖2-4所示。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.4網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議族圖2-4TCP/IP網(wǎng)際協(xié)議群相互關(guān)系TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是一組通信協(xié)議，它們定義了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方式。TCP/IP協(xié)議簇包括兩個(gè)主要協(xié)議：2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.4網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議族IP協(xié)議（InternetProtocol）也稱為網(wǎng)際協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議族的核心，負(fù)責(zé)在不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸。IP協(xié)議定義了數(shù)據(jù)包的格式、尋址方式以及如何在網(wǎng)絡(luò)中路由數(shù)據(jù)。IP協(xié)議是無(wú)連接的，這就意味著數(shù)據(jù)包可能會(huì)亂序到達(dá)，甚至在網(wǎng)絡(luò)傳輸中丟失。TCP協(xié)議（TransmissionControlProtocol）是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，它在IP協(xié)議之上工作，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。TCP通過三次握手建立連接，數(shù)據(jù)傳輸過程中進(jìn)行流量控制、擁塞控制、錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的正確性和順序性。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.4網(wǎng)絡(luò)通訊的TCP/IP協(xié)議族TCP/IP協(xié)議組合在一起，使得不同類型的網(wǎng)絡(luò)例如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸成為可能，并且支持多種應(yīng)用層協(xié)議例如HTTP、FTP、SMTP等在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行。它是互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵組成部分。以下具體介紹幾個(gè)重要的協(xié)議：2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)IP協(xié)議按層次分，IP（InternetProtocol）網(wǎng)際協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層。這個(gè)名稱可能聽起來(lái)有點(diǎn)范圍有點(diǎn)大，但事實(shí)確實(shí)如此，因?yàn)閹缀跛惺褂镁W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)都會(huì)用到IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議族中的IP指的就是網(wǎng)際協(xié)議，協(xié)議名稱中占據(jù)了一半位置，其重要性可見一斑。IP協(xié)議的作用是把各種數(shù)據(jù)包傳送給對(duì)方。而要保證確實(shí)傳送到對(duì)方那里，則需要滿足各類條件。其中兩個(gè)重要的條件是IP地址和MAC地址（MediaAccessControlAddress）。IP地址指明了節(jié)點(diǎn)被分配到的地址，MAC地址是指網(wǎng)卡所屬的固定地址。IP地址可以和MAC地址進(jìn)行配對(duì)。IP地址可變換，但MAC地址基本上不會(huì)更改。使用ARP協(xié)議憑借MAC地址進(jìn)行通信IP間的通信依賴MAC地址。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上，通信的雙方在同一局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)的情況是很少的，通常是經(jīng)過多臺(tái)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中轉(zhuǎn)才能連接到對(duì)方。而在進(jìn)行中轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)利用下一站中轉(zhuǎn)設(shè)備的MAC地址來(lái)搜索下一個(gè)中轉(zhuǎn)目標(biāo)。這時(shí)會(huì)采用ARP協(xié)議（AddressResolutionProtocol）。它是一種用以解析地址的協(xié)議，根據(jù)通信方的IP地址就可以反查出對(duì)應(yīng)的MAC地址。2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)TCP協(xié)議TCP位于傳輸層，提供可靠的字節(jié)流服務(wù)。所謂的字節(jié)流服務(wù)（ByteStreamService）是了方便傳輸，將