《计算机网络课件第1章_计算机网络基础知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络课件第1章_计算机网络基础知识（121页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 计算机网络基础知识1.1 计算机网络的概念与原理1.1.1 计算机网络的基本概念n计算机网络由一组通过通信设备和线路连接起来的独立的计算机组成，其目标是为不同计算机上运行的应用程序之间提供通信服务。n网络中的计算机分为两类，一类运行应用程序，称为主机，这些运行在主机上的应用程序才是网络的真正“用户”。n另一类计算机专门负责转发数据，这类计算机中最典型的代表是以太网交换机和路由器。网络分类计算机网络的分类方式有多种，最常见的一种是按照网络覆盖的地域范围的大小分类，分为:广域网（Wide Area Network，WAN）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
2、局域网（Local Area Network，LAN）等另一种常见的网络分类方式就是按照连接计算机的通信介质分类，可分为无线网络有线网络不管是有线介质还是无线介质，均是为计算机之间的信息传递提供的通道，即信道。分组的概念n网络上传输的数据是以分组（packet）为单位的，分组实际就是一个由二进制字节构成的序列。n分组中最重要的部分是用户数据，用户数据就是实际要传输的数据；n除了用户数据，分组中还包括一些为了能正确传输分组而提供给网络使用的控制信息。n控制信息一般被按固定的结构组织在一起，并添加在用户数据的前面同数据一起传输，通常被称为分组首部。n分组首部的组织结构再加上其后的数据部分就是所谓的
3、分组结构（也称分组格式）。网络协议n网络协议是指通信双方在通信时所必须遵循的规则、标准和约定。它规定了有关功能部件在通信过程中的操作，定义了数据发送和数据接收的过程。n一个网络协议包括三方面内容n“语法”，主要是指数据以及控制信息的结构或格式，即分组结构，但在网络最低层的与物理线路和信号有关的协议中，语法是指数据编码、信号电平等；n“语义”，是指对构成协议的各元素的含义的具体解释；n“同步”，也称为“时序”，它规定了通信过程中各种操作及事件的先后顺序。点到点信道与广播信道n根据计算机与信道的连接方式，可把信道分成两种，一种只能在一条信道的两端连接计算机或通信设备，即点到点信道；另一种则可以在一
4、条信道上连接多台计算机或设备，称为广播信道。n在由点到点信道组成的计算机网络中，除了联网的计算机和信道以外，还有一种被称为交换机的设备，用于在多条信道之间转发数据。n一台交换机通常有很多个网络接口，每个接口可连接一条点到点信道的一端。由交换机组成的通信网络被称为交换网络。n在由广播信道组成的网络中，多台计算机被连接到同一条信道上，但由于信道上同时只能传送一台计算机发送的信号，因此当有两台或两台以上的计算机都要发送信息时就会出现冲突。n为了避免冲突，需要使用复杂的控制机制来决定网络中的哪台计算机可以向信道中发送数据，这种控制机制被称为信道的多点访问协议（Multiple Access Proto
5、col，MAP）。n广播信道通常使用在覆盖范围较小的局域网中。使用广播信道的典型例子是早期的采用总线结构组网的以太网，以及现在常见的Wi-Fi无线网络。1.1.2 典型的计算机网络以太网n以太网是美国施乐（Xerox）公司1975年研制成功的世界上第一种局域网技术。IEEE的802委员会于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准，其编号为802.3。n除了以太网技术外，20世纪80年代还相继出现了其他一些局域网技术，比较典型的包括令牌总线（Token Bus）网和令牌环（Token Ring）网等，只不过这些局域网技术在激烈的市场竞争中早已被淘汰，只有以太网技术目前仍被广泛应用。n信道访问协
6、议n最早出现的以太网是总线型以太网。多台计算机通过一条总线连接起来，任何两台计算机的通信都要通过这条总线进行。当总线上的两个或两个以上的节点同时发送数据时，用以表示数据的信号就会在链路上互相叠加，使接收端无法正确识别，产生数据碰撞。n一旦发生碰撞，发送者必须要重新发送发生碰撞的数据，如果碰撞频繁发生，将会大大降低网络的性能。n广播信道上的数据碰撞是无法完全避免的，但可以采用精确设计的多点访问控制协议减少数据碰撞发生的概率。以太网中的多点访问控制机制是带碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议。以太网的MAC地址n为了区分网络上的不同计算机，通常是事先为每台计算机分配一个由若干二进制位组
7、成的编号，该编号就是物理地址或MAC地址，有时也称硬件地址。n以太网的MAC地址是一个48位（6字节）的无符号二进制数，书写的时候通常用16进制表示。n具体地说，MAC地址是分配给计算机上的网络接口卡（简称网卡）的，固化在网卡的ROM中，48位全为1的MAC地址是广播地址，不会被分配给任何网卡。n如果计算机上如果安装有多个以太网卡，则这台计算机就会有多个MAC地址，一般情况下，同一台计算机上的不同网卡会连入不同的网络。以太网的帧结构v帧实际就是在物理信道上传输的数据分组的另一种叫法。帧的组成部分被称为字段，各字段的排列位置是固定的，除数据字段外，各字段长度通常也是固定不变的。v以太网帧结构如下
8、：目的地址：指明要接收该帧的计算机的MAC地址。如果是一个广播帧，即该帧是广播给网络中的所有计算机的，目的地址应指明为广播地址。源地址字段：指明发送该帧的主机的MAC地址，通过该字段，收到该帧的主机就会知道是哪台机器发送了该帧。类型字段：指明接收方对帧中数据的处理方式，也就是说，接收端收到数据后，帧中的数据应该交给哪个程序处理，例如，当类型字段的值为0 x0800时表示数据字段的内容为一个IP分组，应该交给操作系统的IP模块处理。数据字段：也称用户数据，这部分二进制数据就是网络真正要传送的内容，至于这些二进制数据的含义和用处，跟计算机网络是无关的。其长度在46字节到1500字节之间校验码：是提
9、供给接收方用来检查数据在传输过程中是否出错的，它由发送方根据帧的其它部分的内容使用某种算法计算得到，接收方收到帧后用相同的算法对相同部分的数据再计算一遍，得到的结果如果跟校验码相同，则说明传输中数据没出错。校验码的计算方法由于篇幅所限，就不再进一步解释了。字节序号 十六进制表示 对应的ASCII码字符000000100020003000400050006000700080009000a000b000c000d000e000f001006c f0 49 7a 0a 49 00 23 cd 45 03 0a 08 00 45 00 l.Iz.I.#.E.E.00 f4 00 00 00 00 9b
10、 11 0c 41 ca 66 86 44 c0 a8 .A.f.D.01 65 00 35 f2 f0 00 e0 19 d2 38 67 81 80 00 01 .e.5.8g.00 03 00 03 00 04 07 63 6f 6d 6d 65 6e 74 04 6e .c omment.n65 77 73 04 73 6f 68 75 03 63 6f 6d 00 00 01 00 .01 c0 0c 00 05 00 01 00 00 01 6c 00 07 02 67 73 .l.gs01 61 c0 19 c0 33 00 05 00 01 00 00 00 b5 00 06
11、.a.3.03 66 6a 6e c0 36 c0 46 00 01 00 01 00 00 00 4e .fjn.6.F.N00 04 77 bc 24 0c c0 36 00 02 00 01 00 00 00 af .w.$.6.00 04 01 7a c0 36 c0 36 00 02 00 01 00 00 00 af .z.6.6.00 04 01 78 c0 36 c0 36 00 02 00 01 00 00 00 af .x.6.6.00 04 01 77 c0 36 c0 88 00 01 00 01 00 00 03 9a .w.6.00 04 dd b3 b4 16 c
12、0 78 00 01 00 01 00 00 0e bf .x.00 04 0e 12 f0 2b c0 68 00 01 00 01 00 00 07 37 .+.h.700 04 3d 87 b3 a8 c0 68 00 1c 00 01 00 00 01 03 .=.h.00 10 20 01 02 50 02 08 40 00 20 00 00 02 00 00 .P.00 20 .一个完整的以太网帧的内容广播与单播以太网中的计算机可以同时向其它所有的计算机发送数据，也可以选择向其中的某一台计算机发送数据，前者称为广播，后者称为单播。广播是通过引入一个被称为“广播地址”的特殊地址来实现
13、的。规定48位全为1的MAC地址为广播地址，它不能被分配给任何主机，因此它只能作为目的地址出现在帧中，而不能作为源地址使用。目的地址是广播地址的帧被称为“广播帧”。目的地址是某块网卡的MAC地址的帧则被称为“单播帧”。由于以太网使用的是广播信道，因此任意一台计算机发出的帧，其它所有的计算机都能收到，但是，计算机的网卡通常只接收发给自己的帧和广播帧。收到一个帧后，网卡通过帧中的目的地址来判断该帧是不是发给自己的：如果目的地址跟自己的MAC地址相同，则该帧是发给自己的，收下；如果目的地址是广播地址，说明该帧是广播帧，也要收下，其他情况则丢弃。以太网的拓扑结构拓扑学是几何学的一个分支；拓扑学首先把实
14、体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。网络拓扑就是指网络中的结点（通信设备或计算机）和通信线路相互之间的连接关系。以太网最初的拓扑结构是使用粗同轴电缆的总线结构，后来粗同轴电缆被较为便宜的细同轴电缆所替代。后来又发展出使用更为便宜的双绞线和集线器组成网星形拓扑结构的以太网络。如图所示，星型结构中各计算机通过双绞线连接到作为中心的集线器上。集线器集线器使用大规模集成电路来模拟同轴电缆的工作，因此这种星型以太网在逻辑上仍然是一个共享信道的“总线网络”，只不过“总线”被“缩短”并装进了盒子。星型结构的以太网比使用同轴电缆的以太网络可靠性要高得多，并且
15、价格便宜、连接简单，因此总线型以太网早已被双绞线组成的星形以太网所取代。目前集线器也已逐渐被性能更好的以太网交换机所取代。以太网交换机交换机在样子上虽然与集线器相似，但其工作原理却大不相同。以太网交换机是一种有多个以太网接口的存储转发设备，不再像集线器那样模拟总线的工作。存储转发，是指在接收数据时交换机先将收到的数据存储在自己的存储器中，待一个帧完全接收完成后，再根据其目的地址把它从相应的网络接口转发出去。v交换机的每个网络接口都连接到一根不同的广播链路，由于位于不同端口的链路上的计算机不再共享同一信道，因此大大减小了碰撞机会，从而提高了数据传输率。交换机可以将多台计算机直接连接成一个以太网，
16、也可以连接多个由集线器或交换机组成的以太网以形成更大的一个以太网。太网交换机的工作原理首先，在交换机内部维持着一张转发表，用于记录可以到达某计算机的网络接口。该表结构如图所示。表中的三个表项分别表示MAC地址为A的主机连接在端口1上，MAC地址为B的主机连接在端口2上，MAC地址为C的主机也连接在端口1上。MACMAC地址地址网络接口网络接口A1B2C1当交换机从某个接口收到一个帧后，分析包中的目的MAC地址，并通过查找转发表确定该数据包应转发到哪个接口；如果在表中查不到目的地址对应的端口，则向所有端口转发（除收到帧的端口外）该帧。转发表是通过逆向学习算法创建并维护的。交换机每收到一个帧都会把帧首部中的源地址取出，并检查转发表中是否已登记了该地址，如果未登记，则将该地址以及帧进入交换机的端口（对应网络接口）作为一个表项添加到转发表中；如果表中已经存在该地址，则用该帧入交换机的端口更新原先的网络接口。逆向学习算法是基于这样一个事实：从计算机A发出的帧如果从交换机的端口x进入到交换机，那么从这个端口出发沿相反的方向一定可把一个帧传送到计算机A。除以太网外，还有许多种基于不同技术的局域网，比
