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2010年中小学计算机网络教室管理员培训网络部分讲义2010年中小学计算机网络教室管理员培训网络部分讲义(1)2011-06-13 22：14此次培训网络部分安排了两天学习时间，学习内容以教材为主，根据我们市的实际情况，做适当改动。目标：了解网络，认识网络设备；知道交换机的工作原理；会组建一个简单的局域网。1.网络概述1946年，由于军事的需要的，在美国的宾夕法尼大学诞生了世界上第一台计算机。同样由于军事的需要，1969年美国国防部创建第一个分组交换网-ARPANET，ARPNET就是当前热门的Internet(互联网，因特网)的前身。以太网是最主要的局域网，1975年在美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研究中心成功研制，那时的以太网是一种基带总线型的局域网，数据传输速度只有2.94Mb/s。以太网的发明人是Metcalfe(梅特卡夫)，后来他创办了3COM网络公司。1995年IEEE将100Base-T的快速以太网定为正式的国际标准(IEEE802.3u)。1997年，IEEE通过了千兆以太网的标准(IEEE802.3z)。2002年IEEE完成了万兆以太网的正式标准。(有兴趣了解网络史上重要的人物可以参见文章：网络发展史上不可以忘记的人)网络正在高速的发展，人们对网络的依赖也越来越强。1.1计算机网络的定义计算机网络的定义是描述性的。计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。1.2.计算机网络的构成要素任何一个网络都可以分为两个部分：通信子网和资源子网。所谓通信子网就是计算机网络中负责数据通信的部分；资源子网是计算机网络中面向用户的部分,负责全网络面向应用的数据处理工作。拿我们的计算机教室来说：服务器、计算机属于资源子网，双绞线和交换机则属于通信子网。从硬件层看计算机网络的构成要素：数据(资源)处理设备(计算机设备(个人计算机、服务器)、通信设备(集线器、交换机、路由器等)、通信线路(无线、光纤、双绞线、同轴电缆等)1.3.计算机网络的分类1.3.1计算机网络的发展速度很快，很难准确地为计算机网络分类。通常人们根据网络所覆盖的地域范围把计算机网络划分为：局域网(Local Area Network,LAN)、城域网(Metroplitan Area Network,MAN)和广域网(Wide Area Network,MAN)1、局域网局域网是指网络覆盖范围比较小，组网络比较简单、网络速度比较快的网络。当前主流的局域网技术是快速以太同网、千兆及万兆以太网。一台交换机几根又绞线、几台计算机就组成了一个非常简单的局域网络。2、城域网城域网是超大规模的局域网。城域网通过路由器、交换机将位于一个城市或地区中的相关局域网互联起来，实现关联业务的高速通讯。在城域网，主要采用交换机组网，即各局域网主要采用交换方式互联，一般也用到路由器，但主要用于互联网接入或异种网互联。局域网与广域网互联一般采用交换机方式。比如我们的教育城域网，它覆盖了我们信阳市的乡镇中小学，把信阳市所有的中小学互联起来。图一城域网系统结构图3、广域网广域网是指通过通信线路，以路由器为核心的超大型跨区域网络。局域网与广域网互联一般采用路由方式。图图二广域网结构1.3.2从交换的功能将网络分类，常用的交换方法有：1、电路交换2、报文交换3、分组交换1.4.网络拓扑结构拓扑(Topology)是将各种物体的位置表示成抽象位置。在网络中，拓扑形象地描述了网络的安排和配置，包括各种结点和结点的相互关系。计算机网络常见的拓扑结构有：总线型、星型、环型、网状型等，当前主要是星型拓扑结构。1.5.网络协议(Protocol)网络协议是什么呢?简而言之，网络协议就是计算机网络通信的规则，学习计算机网络，必需熟悉网络协议。当前最著名的网络协议就是TCP/IP协议簇。图三TCP/IP协议簇互联网(因特网，Internet)就是使用TCP/IP协议簇。1.6 Internet(互联网)前面讲过，Internet是由ARPANET发展而来，是当前最重要的网络互联技术。我们常说的上网就是指接入Internet(互联网)，Internet把全世界的各种各样的、大大小小的网络连接在一起，人们在这些互联的网络上通信、传输数据。Internet使用TCP/IP协议簇进行通信。TCP/IP协议簇包括许多协议。1.6.1 IP地址了解Internet，就不能不说IP地址，接入到Internet的计算机或者网络设备都会有至少有一个IP地址，这些计算机或网络设备利用IP地址去找到对方，传输数据。IP地址的表示。IP地址采用点分十进制法表示，如。IP地址与网络掩码一起使用才有意义。我们在为计算机配置IP地址，一定要配置网络掩码。IP地址分为三类：单播地址、组播地址和广播地址。公网IP地址与私网IP地址。-55(掩码：)，-55(掩码：)，-55(掩码：)这些网段内的IP地址保留为在私有的网络内使用。广播地址：55(掩码：)为网段的广播地址。1.6.2端口我们这可以这样来理解端口的概念，端口就是用来标志应用层的进程。端口有UDP端口和TCP端口之分。端口分为两类，一类是ICANN负责分配给一些常用的应用层固定使用的熟知端口，其数值一般为0-1023。如FTP服务器使用端口号是21；另一类是一般端口，用来随机分配给请求通信的客户端进程。演示操作：Packet Tracer模拟互联网上的一次Web网页访问，解析它的访问过程。加深对Intenret的理解。1.7.组网案例一台交换机，几根双绞线、几台带有网络接口卡(网卡)的计算机就可以组成一个简单的局域网。1.7.1最简单的计算机网络两台计算机设备通过串口电缆、并口电缆、同轴电缆、交叉双绞线或无线(蓝牙、红外、WLAN等)等方式连接，可以组成最简单的计算机网络，实现文件传输等功能。在对专业路由器、交换机调试时，也常使用这种方式。图四最简单的计算机网络1.7.2工作组级局域网以交换机为中心，使用双绞线等传输介质连接多台计算机设备，组成工作组级局域网。工作组级局域网是最常见的网络型式，在学校中广泛用于微机室、电子备课室等的组网。图五工作组级局域网1.7.3典型的校园局域网以核心交换机为中心，由多台交换机组成的计算机网络是当前最典型的校园局域网结构。根据计算机数量，一般主交换机采用三层交换机或网管型交换机。如图所示。某校校园网网络中心采用三层交换机作为核心交换机，主交换机配备有光纤接口和RJ45电口。学校分东西教学楼，东教学楼与网络中心相距较远且计算机数量较多，采用光纤连接；西教学楼与网络中心相距较近且计算机数量较少，采用屏蔽双绞线连接。东、西教学楼与核心交换机均采用网管型交换机连接，以有效管理网络。教学楼内网络采用普通交换机组网，减少建设成本。图六典型的校园局域网1.7.4中、大规模校园网校园网是在学校范围内，为学校提供教学、管理、科研和综合信息服务的宽带多媒体网络，是对典型局域网模型结构的扩展。一般计算机数量200-500台的应按中等校园网规模建设、超过500台按照大规模校园网规模建设。校园网是以交换为中心的以太网络，即交换机构建了校园网的骨干结构。一个完整的校园网，应分层配备核心交换机、楼层交换机、工作组交换机、桌面交换机，这些交换机分别用于校园网络中心(总控室)、计算机教室、多媒体教室、电子备课室等子网系统中。校园外的互联网接入或对外服务，应配备路由器、防火墙设备，以保证信息互联或网络安全。图七中大型校园网系统结构图1.8.农远工程计算机网络河南省农远工程从2004年实施以来，为全省农村中小学配备了大量的计算机设备，全面改善和提升了农村中小学的教育信息化程度。目前农远计算机设备，已经成为当前学校开展信息技术教育的主力配置。因此，了解和掌握农远工程计算机设备和网络的维护和应用，是对大多数学校网络管理员的基本要求。以农远工程模式三学校为例，每校配备计算机教室、多媒体教室、卫星资源接收站、光盘播放设备四套系统。根据农远工程要求，以上四套系统要求校内联网、有效整合、合理利用。图八河南省农村远程教育工程模式三学校校园网络结构示意图1.8.1计算机教室计算机教室是学生学习信息技术课程的专用网络教室。一般配备服务器、教师机、学生机、交换机、稳压电源等，采用星式以太网络结构。服务器是机房系统管理或资源共享的主要设备。在河南省农远工程模式三无盘站机房中，服务器是无盘网络的核心设备，安装win2003和pxe无盘软件或终端服务器软件(组件)，用于无盘站的启动、运行和数据存储。教师机是机房教学中供教师专用的计算机，一般安装WIN XP系统和电子教室软件，能够对学生机进行广播教学或监控学生机运行。学生机是供学生学习使用的计算机，河南省农远工程中学生机有无盘PC、无盘NC、有盘PC三种，主要运行WIN XP系统或win2003终端系统，一般每间计算机教室配备学生机30台。交换机一般采用普通24/48口交换机或简单的网管型交换机。1.8.2卫星资源接收室卫星资源接收系统是用于接收、存储、整理国家农远工程通过卫星转发的教学资源的专用系统。卫星资源接收系统一般配备卫星接收天线、计算机、接收机、电视机等设备。计算机安装卫星接收卡，运行IP资源接收软件，用于定时接收卫星下行教学资源并存储在计算机硬盘上。电视机通过接收机直接收看转发的三套教育频道卫星节目。1.8.3多媒体教室多媒体教室是开展教学活动，进行教学展示的场所。配备计算机、中控设备、投影机、银幕等设备。远教工程施工要求多媒体教室计算机与卫星接收系统、计算机教室进行联网，使资源能够共享使用。1.8.4光盘播放教室光盘播放教室是进行业务学习或小型教学展示活动的场所。一般包括光盘播放机、电视机等设备。远教工程的校园网络与标准的校园网相比，结构上缺乏校园网络中心和专业网络核心设备，不具备网络管理功能，应用上不具备信息服务和业务管理功能。因此，购置专业网络设备，建设校园网络中心，扩展网络应用功能，是农远工程学校校园网络升级的必由之路。对于河南省农远工程以外的中小学校，由于建设时期不同，存在着大量的形式多样的校园网络，如校园监控网络、班班通工程、校园一卡通系统等。作为校园网络管理员，只有充分了解校园网络和结构和发展方向，才能维护好校园好，保证校园网的健康运行和良好发展。2.网络设备组建局域网的硬件设备主要有网络适配器、交换机及连接线缆等，局域网络接入互联网时，还需要专业路由器或三层交换机等设备。2.1网络适配器1.什么是网络适配器网络适配器又称为通信适配器或网络接口卡，简称网卡，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。网卡的主控制芯片是网卡的核心元件，能快速计算流经网卡的数据，从而减轻CPU的负担。在安装网卡驱动程序时，必须根据网卡芯片组的型号安装正确的驱动程序。常见网卡芯片生产商有Realtek、VIA、SiS、lntel、Broadcom、3Com等，在安装网卡驱动程序时，要根据主控芯片上标注的芯片厂商、型号来安装正确的驱动程序。图九网卡结构2.网卡的分类根据工作对象，网卡分为普通工作站网卡和服务器专用网卡。服务器网卡网络数据处理能力强大，传输纠错能力强，但价格昂贵。普通网卡性能一般，有的还需借助CPU的处理能力，但价格低廉。按网卡支持的传输速率大小，可以分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡与1000Mbps网卡等；按网卡支持的传输介质类型，可以分为双绞线网卡、粗缆网卡、细缆网卡、光纤网卡和无线网卡等。常见网卡类型如下图。图十常见新型网卡类型网卡的MAC地址：每一个网卡都有一个全球唯一的，长度为48bit的MAC地址(又叫做物理地址)。网卡的MAC地址以16进制数的形式表示，如：06-50-43-0A-18-19。MAC地址的前24bit是由ICANN分配置，这一部分是需要购买的，后面24bit由公司自行分配。2.2交换机1.什么是交换机交换机的英文名称为Switch,交换机是局域网的主要连接设备，校园网建设的技术核心就是以交换机为中心的网络拓朴结构。以太网交换机类似于一台专用的计算机，它由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、背板总线和接口组成，用于连接工作站、服务器、路由器、集线器和其他交换机。2.交换机的功能交换机有两大功能：一是交换数据帧，将从某一端口收到的数据帧转发到该帧的目的地端口；二是维护交换操作，构造和维护动态MAC地址表。对于交换机而言，它能够认识连接到自己身上的每一台电脑，就是凭每块网卡物理地址，俗称MAC地址。交换机内有一张MAC地址表，表的每一条表项存放着一个连接在交换机端口上的设备的MAC地址及其相应端口号。在交换机加电启动进行初始化时，其MAC地址表为空的。当自检成功后，交换机开始侦测各端口连接的设备，把连接到自己身上的设备的MAC地址记住，形成一个节点与MAC地址对应表。如图三，计算机A将数据发给计算机D的过程是，计算机A将数据及目标机的MAC打包发住交换机端口E0，交换机从MAC表中查询目标MAC所对应端口为E3,就可在交换机E1和E3端口之间建立一个虚连接，将该数据包从E1端口转发到E3端口，则计算机D就可收到该数据包，而其它端口则收不到该数据包，防止了网络风暴产生。图十一交换机工作原理3.交换机的分类交换机按网络覆盖范围划分，可以分为广域网交换机和局域网交换机。按传输介质和传输速度划分，分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、万兆以太网交换机和ATM交换机等。按交换机工作的协议层次划分，分为第二层交换机、第三层交换机、第四层交换机。按交换机的结构划分，可分为固定端口交换机、模块化交换机。按网络互连三层模型划分，可分为核心层交换机、汇聚层交换机、接入层交换机。按外观进行划分，可分为机箱式交换机机架式交换机桌面型交换机。常见交换机类型图十二中小型校园网常用交换机校园网的交换机，一般核心交换机选择网管型或三层交换机。楼层交换机选择千兆网管型交换机或低端三层交换机。学生机房、教师电子备课室等计算机较多的专用教室采用百兆/千兆网管理型交换机，一般办公室采用普通交换机或桌面交换机。在计算机数量超过200台的中大型校园网、城域教育网中，必须使用三层交换机，否则整个网络计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。同时，三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，使得路由过程效率提高，解决了传统路由器的速度问题。交换机基本功能演示：使用Packet Tracer模拟思科交换机，演示交换机是如何学习到MAC地址的及数据交换。2.3路由器1、什么是路由器路由器英文名Router，路由器就是一专用台计算机，具有四个要素：输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。路由器是互联网的主要节点设备，在地区网、乃至整个Internet中，路由器技术始终处于核心地位。路由器的基本功能是寻址、转发数据包。与宽带路由器相比，专业路由器一般采用性能强劲的通信专业RISC CPU和大容量内存，总线宽度、Cache容量、内部总线结构、运算模式更复杂，能够用于更多负载的网络，内置了专业防火墙、QoS、VPN等功能。2、路由器的分类互联网各种级别的网络中随处都可见到路由器。根据路由器所处网络位置，可分为接入路由器、企业级路由器、骨干级路由器。宽带路由器就是一种接入路由器。3、宽带路由器宽带路由器是入门级校园网的互联网接入设备，也可作为中小型校园网互联网接入的补充方式。宽带路由器接入、配置简单灵活，集成了简单的路由器、防火墙、带宽控制和管理等功能，具备快速转发能力，灵活的网络管理和丰富的网络状态等特点。宽带路由器的重要指标是带机量，一般家用机宽带路由器带机1-10台；超过10台以上建议选购企业级宽带路由器或使用家用宽带路由器多线接入。4.路由协议演示操作：使用Packet Tracer模拟思科路由器，演示路由器的工作原理。2.4网络传输介质2.4.1双绞线双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。校园网布线中非主干网主要采用双绞线。双绞线由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波也会被另一根线上发出的电波抵消。局域网中常用的五类、六类、七类双绞线是由4对双绞线组成的。常用的五类线和六类线，在线的外包皮上标注为CAT 5、CAT 6，超五类线标注为CAT 5e。图十三双绞线水晶头制作相关设备双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两种。屏蔽双绞线在线径上要明显精过非屏蔽双绞线，而且由于它具有较好的屏蔽性能，所以也具有较好的电气性能。但由于屏蔽双绞线的价格较非屏蔽双绞线贵，且非屏蔽双绞线的性能对于普通的企业局域网来说影响不大，甚至说很难察觉，所以在局域网组建中所采用的通常是非屏蔽双绞线。双绞线可以用于10-10000兆网络，常用于建立100兆局域网。运行在100兆时单根网线长度一般不得超过100米。国内外主流双绞线品牌有：安普(AMP)、康普(AVAYA)、西蒙、朗讯；DINTEK、IBMNET、TCL等。2.4.2光纤在校园网建设中，楼层与网络中心之间的交换机一般使用光纤连接，距离超过双绞线组网范围的信息点也采用光纤连接。光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤传输距离20公里至120公里；多模光纤传输距离2公里到5公里。光纤两端需要使用光纤收发器或光交换机、光网卡来组网。单纤光纤收发器：接收发送的数据在一根光纤上传输，双纤光纤收发器：接收发送的数据在一对光纤上传输。图十四光纤跳线及收发器2.4.3同轴电缆及无线传输介质同轴电缆又有粗缆与细缆之分，早期的总线型以太网使用的就是同轴电缆。无线网络是能无线电波进行数据传输。3.组建网络3.1案例一：组建一个计算机教室1.组网前的规划分析：根据学校信息技术教学、教师工作与学习的需求及学校的实际情况，计算机教室配置30台学生机，一台教师机，配置多媒体教室软件，操作系统均安装Windows XP Professional，选用一台TP-Link的48智能交换机。2.设备预算与采购网络的需求与作用确定下来后，我们就可以选择相关设备，由上面的规划，我们需要以下设备及施工工具：设备名称设备品牌与型号数量备注交换机TL-SF10481计算机联想家悦31操作系统Windo