网络互联基础讲述

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1、第1章 网络互联基础 第1章 网络互联基础 学习目的与要求： 所谓网络互联就是运用各种网络硬件和软件技术，把 大大小 小的网络连接起来，实现各网络之间的互连互通。本 章介绍 网络互联的模型、设备、IP地址的规划，以及可变长 子网掩 码的应用。 学完本章，你将能够： v描述网络互联的结构模型 v描述各种网络互联设备的功能和特点 v描述IP地址的结构、分类以及子网掩码的概念 v根据实际应用背景进行IP地址的子网规划 第1章 网络互联基础 n1.1 网络互联的结构模型 n1.2 网络互联设备 n1.3 IP地址与子网规划 n本章小结 n本章习题 1.1 网络互联的结构模型 进行互联网络的规划与设计必

2、须弄清网 络互联的结构模型。本节从概念上阐述了计 算机网络的定义与分类，计算机网络的体系 结构，以及网络互联的结构。 n将多台地理位置分散具有独 立工作能力的计算机 n利用传输介质和网络设备互 联 n在NOS和协议的支持下实现 资源共享 1.1.1 计算机网络的定义与分类 n计算机网络的定义：利用通信设备和传输线路 ，将分布在不同地理位置上的、功能独立的多个 计算机系统连接起来的计算机集合。 n计算机网络的主要目的是实现资源共享和信息 传递。共享的资源包括文件、数据库、应用程序 或打印机等。 根据覆盖的地理范围，可以将计算机网络分为局域网、城域 网、广域网和互联网。 n局域网(Local Ar

3、ea Network，LAN) 在一个较小的地理范围内存在的网络，一般在同一建筑 物、同一单位内分布，网络覆盖的直径通常在几公里以下。 传输速率很高，基于双绞线的局域网的数据传输速率为 10/100/1000Mbps，基于光纤的网络数据传输速率可以达到 100/1000/10000Mbps，无线局域网的数据传输速率常见的有 11Mbps、54Mbps和108Mbps等三种。 常用的局域网技术有：以太网技术(Ethernet)、令牌环 网技术(Token Ring)、光纤分布数据接口技术(Fiber Distribute Data Interface，FDDI)等。 n城域网(Metropoli

4、tan Area Network，MAN) 分布在一个城市里的网络，其覆盖范围通常为几公里到几十公 里。 城域网采用标准是分布式队列双总线(Distributed Queue Dual Bus，DQDB)，它已经成为国际标准，即IEEE802.6。 n广域网（Wide Area Network，WAN ） 由不同城市之间的LAN或MAN网络互联而成，所覆盖的地理范围 可从几百公里到几千公里。 一般要向电信服务商租用通信线路来实现网络的构建。 n互联网 指由多个网络相互连接构成的网络集合，如局域网和广域网的 连接、两个局域网的相互连接或多个局域网通过广域网连接起来。 最大的互联网就是因特网(In

5、ternet)。 1.1.2 计算机网络体系结构 相互通信的两个计算机系统必须遵守相同的约 定或规则，称为网络协议。目前有各种不同的网络 协议，常见的有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、 NetBEUI协议等。为了减小协议设计的复杂性，同 时也为了描述清楚网络协议，以及以后更容易扩展 ，通常把计算机网络按照一定的功能与逻辑关系划 分成一种层次结构，网络协议被分成层次来描述。 计算机网络体系结构就是这种层次结构与协议的集 合。 1. OSI参考模型 图1-1 OSI参考模型 (1)物理层 负责在通信信道上传送原始比特流,保证发送方发送的 是比特1，接收方收到的也必须是比特1而不是比特0。 它

6、定义的是各种机械和电气的接口，主要包括电缆、 端口和附属设备，如双绞线、网卡、RJ-45接口、串口和 并口都是工作在这个层次的。 (2)数据链路层 该层的功能包括建立与释放数据链路连接，封装数据 帧、定界、同步，以及差错检测和流量控制等方面。 它使用物理地址(Media Access Control，MAC)进行 寻址，以帧为单位传输数据，在数据帧中包含地址、数据 及各种控制信息，确保数据可以安全地到达目的地。 (3)网络层 该层它的主要功能是确定一个数据包从源端到目的端 如何选择最佳路由，同时还要解决网络拥塞问题，防止出 现网络传输瓶颈。 网络层的数据传输单位是包（Packet)。 (4)传

7、输层 该层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，用于 提高网络层服务质量，提供可靠的端到端的数据传输。 它从会话层接收数据，并且必要时把这些数据分割成 适合在网络层传输的数据的大小，传送给网络层，再由网 络层将数据传送到指定的目的地。 传输层的数据传输单位是段(Segment)。 (5)会话层 用于建立、管理和终止两个通信主机之间的会话，会 话可能是一个用户通过网络登录到一台主机，或一个正在 建立的用于传输文件的会话。 (6)表示层 负责管理数据编码方式。其功能主要有数据语法转换 、语法表示、数据加密和数据压缩。 (7)应用层 该层为用户的应用程序提供网络服务。包含用户应用 程序执行通信任务所

8、需要的协议和功能，如电子邮件和文 件传输等。 2. TCP/IP参考模型 图1-2 TCP/IP参考模型及其与OSI参考模型的对比 (1) 应用层 涵盖了OSI参考模型中最高的三层(应用层、表示层、会 话层)的功能，负责处理高层协议和相关表示、编码及会话控 制的问题。 应用层协议主要有HTTP、FTP、TELNET、SMTP、DNS等。 (2) 传输层 对应于OSI参考模型的传输层，可以提供源主机到目的主 机之间端到端的传输服务。 主要包括两个协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协 议(UDP)。前者是一种面向连接的传输协议，可以确保这个通 信过程是可靠的；后者是一个无连接协议，靠应用层的

9、协议 控制发送和接收的正确性。 (3) 网际层 对应于OSI参考模型的网络层，负责数据报文的路由。 主要协议包括：网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、逆 向地址解析协议(RARP)、Internet 控制信息协议(ICMP)等。 (4) 网络接口层 对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，负责在进行 数据分组传送时，建立与网络介质的物理连接。 1.1.3 网络互联的结构 将多个网络相互连接在一起的技术称为“网络互联 (Internetworking) ” 。将两个网络连接在一起并保证在 两个网络中的主机能够进行相互通信的设备就称为互联网 网关(Gateway)或互联网路由器(Route

10、r)。 在包含许多网络和路由器的实际互联网中，每个路由 器都需要知道它们所连接的网络以外的互联网拓扑结构。 图1-3 由两个路由器互联的三个网络 网桥 上海分公司 北京分公司 广州分公司 广域网 路由器 交换机 集线器 路由器 路由器 令牌环 LAN 令牌环 LAN 到以太网终端 ATM 图1-4 企业互联网络 1.2 网络互联设备 OSI层名称该层功能地址类型网络互联设备 应用层为用户提供操作功能 网关(协议转换器) 表示层 提供字符表示、数据压缩和安 全性等方面功能 网关(协议转换器) 会话层建立、管理和结束会话 网关(协议转换器) 传输层在应用程序进程之间传输消息 应用程序进程地址( 端

11、口) 网关(协议转换器) 网络层通过网络发送单个的数据包网络地址 路由器、第三层交 换机 数据链路 层 将数据帧发送到目的节点 网卡地址(硬件地址 ) 网桥，交换机 物理层 通过物理介质传输表示比特的 信号 线缆、无线信道， 中继器和集线器等 网络互联设备与OSI模型各层对应关系 1.2.1 中继器 图1-5 中继器工作原理 中继器可以将局域网的一个网段和另一个网段相连，而 且可以连接不同类型的物理介质。但是由于中继器只是一种 信号放大设备，它不能连接两种不同的介质访问类型，比如 令牌环网和以太网。另外中继器不能识别数据帧的格式和内 容，也不能将一种数据链路报头转换成另外一种类型。 作为以太局

12、域网的网络互联设备，中继器只适用于较小 地理范围内的相对较小的局域网(小于100个节点)。由于中继 器逐比特地将数据复制到所有相连的网段，所有的数据都能 双向通过中继器，所以如果用中继器将多个局域网网段连接 在一起，由于中继器不能过滤任何数据，可能会遇到性能方 面的问题。 以太网 “543”标准：每个以太网最多可以分成5个网 段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以连接计 算机。 1.2.2 集线器 图1-6 集线器工作原理 n集线器的分类 按总线带宽分类：10Mbps、100Mbps和 10/100Mbps等 按工作方式分类：智能型、非智能型 按体系结构分类：固定式、模块式、可堆叠式

13、 按端口数目分类：4口、8口、12口、16口、24口 等 n集线器网络的特点 使用集线器构成的网络呈现星型拓扑结构。 当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不 会影响网上其他节点的正常工作。 通过集线器连接的网络是一个大的冲突域，即集 线器不能隔离冲突域。由于多个用户共享相同的冲突 域，会使网络性能逐渐下降，这种情况发生时，通常 使用以太网交换机来提高性能。 1.2.3 网桥 n网桥(Bridge)也称为桥接器，是连接两个局域网的存储转 发设备，用它可以实现具有相同或相似体系结构网络系统的连 接。不但可以扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能 、可靠性和安全性。 n网桥工作在数据链路层。

14、它监听所连接的每个网段上传输 的数据，并将每个数据帧的目的网卡地址(MAC地址)和自身软 件维护的一个地址表进行比较。当一个数据帧的目的网卡地址 和它的发送网卡地址在同一网段时，网桥会将该数据帧丢弃， 否则，网桥将该帧转发到和目的网段相连的端口。由于只转发 目的地址在其他网段的数据帧，网桥增加了整个网络有效吞吐 率。 n网桥按照其软件创建网桥表的方法或算法来分类，可分为 透明网桥和源路由网桥两种。 n透明网桥 用于连接以太网段，也可用于令牌环网和FDDI网络 。 透明网桥具有三种重要特性：过滤、转发和学习。 它将每个数据帧的目的地址和自身的地址数据库 (MAC地址与端口的映射表)进行比较： n

15、如果目的地址和源地址在同一网段， 网桥就不转发此数据帧； n如果目的地址和源地址在不同的网段 ，网桥就会查出哪个端口和目的地址相关，并将该 帧转发到相应端口； n如果目的地址不在地址数据库中，网 桥将该帧发往所有与之相连的端口，以保证该帧在 下一步可以被正确地送往它的目的地； n如果源地址不在数据库中，网桥会将 它加入其中，同时加入的还有接收该数据帧的端口 号，通过这种方式，网桥学习并知道了网络中设备 的地址。 n源路由网桥 源路由网桥只能用于令牌环网和FDDI网络。 核心思想：假定每个帧的发送者都知道接收者是否 在同一局域网中。当发送一数据帧到另外的网段时，源主 机将目的地址的高位设置成1作

16、为标记。同时在帧头加写 此帧应走的实际路径。源路由网桥只关心那些目的地址高 位为1的帧，当见到这样的帧时，它扫描帧头中的路由， 寻找发来此帧的那个局域网编号。如果发来此帧的那个局 域网编号后跟的不是本网桥，则不转发此帧。 获取路由算法的基本思想是：如果不知道目的地址 ，源主机就发布一个广播帧，询问它在哪里。每个网桥都 转发该查找帧，这样该帧就可到达互联网中的每一个局域 网。当答复回来时，途经的网桥将它们自己的标识记录在 答复帧中，于是，广播帧的发送者就可以得到确切的路由 ，并可从中选取最佳路由。 1.2.4 交换机 n交换机又称为多端口网桥，它一般工作在数据链路层，具 有过滤、转发和学习等传统网桥的基本功能。 n交换机包含许多高速端口，这些端口在它所连接的局域网 网段或单台设备之