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计算机网络基础张海涛华北区增值业务处2003 5 27 计算机网络基础知识培训 网络的定义和发展网络模型和标准网络组件和传输介质广域网技术局域网技术TCP IP协议网络操作系统 网络的定义和发展 计算机网络是指按照网络协议 以共享资源为主要目的 将地理上分散且独立的计算机相互联接起来形成的集合体 特点 一组连接在一起的计算机和设备按照网络协议进行数据通信共享资源 数据 应用软件 外部设备 通信和计算机领域的紧密融合 计算机网络的定义 网络的定义和发展 独立的计算机 网络协议 资源共享 网络的定义和发展 起源和发展 美国国防部高级研究计划局 ARPA AdvancedResearchProjectsAgency 的ARPANET 1970年 IBM的SNA SystemNetworkArchitecture 国际标准化组织 ISO 制定了开放系统互联 OSIOpenSystemInterconnection 参考模型 1983年 测量相关 位 bit 计算机中最小的数据单位 位等于0或1字节 byte 用来描述数据文件的大小 磁盘或其他存储介质上空间容量或通过网络发送的数据量测量单位KB 兆 千字节 等于1024BMB 千字节 等于1024KB千兆 等于1024MBMHz 每秒100万个周期 这是处理芯片的速度的常用测量单位 网络技术术语 按覆盖范围分按传输技术分按拓扑结构分 网络分类 网络分类 按覆盖范围分LAN LocalAreaNetworks局域网网络分布在有限的区域里 可以是一层楼 一栋楼或距离较近的几栋楼MAN MetropolitanAreaNetworks城域网由大致限制在对应于城市区域的某一空间内两个或多个连接在一起的LAN组成WAN WideAreaNetworks广域网分布在很大的地理区域中的网络 按传输技术分点对点式网络 Point to PointNetwork 广播式网络 BroadcastNetwork 每两个点都连接 向其他点广播 网络分类 按拓扑结构分总线型 按直线布局 具有一个起点和终点 两端需要终结环型 每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一个环状 数据绕着环向一个方向发送 单向的 星型 网络中的每个节点通过一个中央设备连接网状 网络中每个节点之间都有冗余连接 网络分类 网络拓扑结构 总线型 网络拓扑结构 总线型结构总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上 各工作站地位平等 无中心节点控制 公用总线上的信息多以基带形式串行传递 总线型结构的网络特点如下 结构简单 可扩充性好 但是总线故障会导致这个网络瘫痪 网络拓扑结构 星型 星型结构星型结构是指各工作站以星型方式连接成网 网络有中央节点 其他节点 工作站 服务器 都与中央节点直接相连 这种结构以中央节点为中心 因此又称为集中式网络 它具有如下特点 结构简单 便于管理 控制简单 便于建网 网络延迟时间较小 传输误差较低 但缺点也是明显的 成本高 可靠性较低 资源共享能力也较差 网络拓扑结构 网络拓扑结构 环形 环型结构环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环 这种结构使公共传输电缆组成环型连接 数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输 信息从一个节点传到另一个节点 环型结构具有如下特点 信息流在网中是沿着固定方向流动的 两个节点仅有一条道路 故简化了路径选择的控制 但环路是封闭的 不便于扩充 可靠性低 一个节点故障 将会造成全网瘫痪 网络拓扑结构 树型结构 网状结构 网状 树型 网络拓扑结构 复合型结构 复杂网络 网络拓扑结构 小结 计算机网络的特点是资源共享 并且网络中每一台计算机都是相对独立的 计算机网络拓扑是研究的基础 要熟悉最基本的3种网络拓扑结构 并了解每种结构的特点 模型用途帮助我们描述 理解和研究网络通讯的处理过程模型是标准化的基础同样的模型由网络产品的生产商使用 其产品需要彼此兼容模型描述数据通讯发生的方式若生产网络产品的生产商遵循每一层的标准 那么网络组件就可以与其他生产商制造的产品一起工作 网络模型和标准 网络体系结构 计算机网络的各层及其协议的集合 称为网络的体系结构 NetworkArchitecture 第一个网络体系结构是IBM公司1974的提出的SNA OSI参考模型 早期的互联网网络标准较多 各个厂商的产品基于的网络协议各不相同 1983年 ISO InternationalOrganizationforStandardization国际标准化组织 提出了OSI OpenSystemInterconnection开放系统互联 网络体系结构模型 给所有的厂商和用户提供了一个完善的网络产品开发和应用的参考模型 应用层 表示层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 会话层 OSI七层示意图 UserA 物理介质 AllPeopleSeemToNeedDataProcessing OSI参考模型从上到下共分为七层 最上层为用户面对的应用层 任何一次两个用户之间的通信都需要经过这七层的数据转换 应用层表示层对话层传输层网络层数据链路层物理层 UserB 计算机网络层次结构说明 OSI上三层 OSI下四层 会话层 表示层 应用层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 物理层 承担着设备之间的比特流的传输对电压 线路速度 线缆类型进行定义 OSI第一层 物理层 OSI第一层 物理层 机械特性 连接器型式及接口 插针分配电器特性 接口电气信号特性介质特性 数据传送使用的介质规程特性 接口电路所使用之规程 数据链路层 将物理层比特流数据封装成数据采用MACaddress来对媒介层访问进行控制发现错误 改正错误或通知上层进行更改 物理层 承担着设备之间的比特流的传输对电压 线路速度 线缆类型进行定义 OSI第二层 数据链路层 OSI第二层 数据链路层 目的 保证数据在物理链路上实现可靠的传输任务 解决信道占用及流量控制 解决发送方占用信道的问题 我要传送数据 网络是否可以用呢 OSI第二层 数据链路层 流量控制目的 保证快速与慢速设备之间帧无误传输 注意 双方速率保持一致 快速设备 慢速设备 OSI第二层 数据链路层 MAC寻址 MAC地址 硬件生产厂商提供的唯一物理地址 physicaladdress MAC地址 为12位16进制数00070CXXXXXX如某一网卡的 physicaladdress 00 D0 B7 11 5E 07MAC地址 网络上区分各个设备 OSI第二层 数据链路层 OSI第三层 网络层 网络层 提供路由器可以识别的逻辑地址 为其寻找路径进行地址标示 数据链路层 将物理层比特流数据封装成数据采用MACaddress来对媒介层访问进行控制发现错误 改正错误或通知上层进行更改 物理层 承担着设备之间的比特流的传输对电压 线路速度 线缆类型进行定义 OSI第三层 网络层 目的 完成网络之间的数据传输任务 寻找网络地址 网络寻址完成网络间数据传输 交换传输路由选择算法 路径选择 交换传输 电路交换 cuicurtswitch 包交换 messageswitch 分组交换 packageswitch OSI第三层 网络层 电路交换 一旦通路建立 保持至数据传输完毕 路由器B 路由器C OSI第三层 网络层 包交换 数据被分成多个包 每个包独立选择路径 OSI第三层 网络层 分组交换 数据被分成多个分组 每个分组独立选择路径 OSI第三层 网络层 网络路径选择 Routing 路由发现路由选择 OSI第三层 网络层 传输层 为上层应用提供可靠或者非可靠的传输对数据链路层汇报的数据错误进行更正 网络层 提供路由器可以识别的逻辑地址 为其寻找路径进行地址标示 数据链路层 将物理层比特流数据封装成数据采用MACaddress来对媒介层访问进行控制发现错误 改正错误或通知上层进行更改 物理层 承担着设备之间的比特流的传输对电压 线路速度 线缆类型进行定义 OSI第四层 传输层 目的 保证端到端无误的传输向高层用户屏蔽下面通信各层的细节补偿下层传输的缺陷 使得端与端之间传输透明任务 将上层数据分段重组传给下层为保证端到端的传输 连接服务 OSI第四层 传输层 OSI第四层 传输层 段重组 上层协议 下层协议 报文 传输层 数据帧 我将上下层之间的报文进行重组 OSI第五层 会话层 建立 维持会话 并使会话双方同步 会话层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 OSI第五层 会话层 目的 逻辑地址 低层提供 服务地址任务 对话控制会话管理 对话控制 单工通信看电视 只能接收信号 半双工通信步话机 你说完了我再说 全双工通信手机通话 两个人都可以说 OSI第五层 会话层 会话管理建立连接数据传输释放连接 登录名 口令 验证通过 传送数据 传送结束 释放 OSI第五层 会话层 建立 维持会话 并使会话双方同步 会话层 对下层数据采用不同的数据格式进行表示对数据进行一些特殊的处理例如 加密等 表示层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 OSI第六层 表示层 OSI第六层 表示层 目的 将数据转换成计算机应用程序相互理解的格式任务 翻译加密 翻译 Howdoyoudo 说得是什么我不懂 我来当翻译 OSI第六层 表示层 建立 维持会话 并使会话双方同步 会话层 对下层数据采用不同的数据格式进行表示对数据进行一些特殊的处理例如 加密等 表示层 应用层 用户接口 提供具体的应用方式 OSI第七层 应用层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 OSI第七层 应用层 目的 完成网络服务应用任务 网络服务的协议网络应用程序网络服务通告 服务通告 告诉你们 我可以打印 OSI第七层 应用层 对OSI参考模型的评价 采用了层次式的结构 将复杂的网络数据传输分解到各层来实现 但是在这个参考模型中 会话层在大多数应用中很少用到 表示层几乎是空的 对OSI参考模型的评价 小结 网络结构使用层次式的结构模型具有先进性ISO定义了OSI七层参考模型 其具体功能 网络组件 网卡网络介质有线介质无线介质网络设备交换机路由器 网卡 NIC 网络接口卡 NIC 是一种连接设备 它们能够使计算机通过网络介质接收并发送数据 网络接口卡常被称为网络适配器 因为它们只传输信号而不分析高层数据 它们属于OSI模型的物理层 网络传输介质 模拟信号 用波形来表示 可以按周期来测量 模拟与数字 数字信号 从一种状态到另一种状态的变化通常是瞬时的 在两种状态之间没有中间状态停顿 传输计算机数据的方法 模拟传输使用传统电话线路进行传输数字传输双绞线 同轴电缆 光纤 无线 网络传输介质 网络传输介质 常用的网络传输媒介可分为两类 一类是有线的 一类是无线的 有线传输媒介主要有同轴电缆 双绞线及光缆 无线媒介有微波 无线电 激光和红外线等 有线传播介质 同轴电缆双绞线光纤 同轴电缆 Coaxialcable 及有关设备 同轴电缆可分为两类 粗缆和细缆有线电视网使用的就是同轴电缆 细缆 铜轴电缆同轴电缆 英文简写为 Coax 在20世纪80年代 它是Ethernet网络的基础 并且多年来是一种最流行的传输介质 然而 随着时间的推移 在现在的局域网中 双绞线电缆已经取代了同轴电缆 同轴电缆 Coaxialcable 双绞线 Twisted pair 屏蔽双绞线 STP ShieldedTwistedPair 非屏蔽双绞线 UTP UnshildedTwistedPair 1991年 两个标准组织 TIA 电信工业协会 和EIA 电子工业协会 在TIA EIA568标准中制定了双绞线规范 TIA EIA568目前覆盖的内容包括电缆介质 设计以及安装规范 TIA EIA568标准将双绞线电线分割成若干类 因此你可能听说双绞线被称为 5类 超5类 6类 所有这些电缆都必须符合TIA EIA568标准 局域网经常使用超5类或6类电缆 双绞线 Twisted pair 使用双绞线组网 网卡必须带有RJ45接口 RJ 45连接器 1 8 双绞线 Twisted pair 双绞线两端线序一致 直通双绞线 1 8 8 双绞线 Twisted pair 1 8 8 8 wg g wb wo b o br wbr 交叉双绞线 1 3 2 6对调 双绞线两端线序有些许差别 1 双绞线 Twisted pair 当要连接的两个端口的都标有 x 或者都没有标 x 时 使用交叉线 当要连接的两个端口之间其中一个端口标有 x 而另一个端口没标 x 时 使用直通线 1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 1x 2x 3x 4x 直通和交叉双绞线使用场合 双绞线 Twisted pair 光纤 FiberOpticalCable 光纤光导纤维简称为光纤 在它的中心部分包括了一根或多根玻璃纤维 通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维进行全反射来传输数据 这种反射允许纤维的拐角处弯曲而不会降低通过光传输的信号的完整性 各种类型的光缆最终分成两大类 单模式和多模式 单模光缆 携带单个频率的光将数据从光缆的一端传输到另一端 多模光缆 可以在单根或多根光缆上同时携带几种光波 光纤 FiberOpticalCable 同轴电缆 双绞线 光缆的性能比较 无线介质 微波传输卫星传输地球同步卫星低轨道人造卫星红外线传输射频传输无线网 WireLessLAN 小结 信号分为模拟和数字两种传输介质是网络中连接收发双方的物理通路 也是信息的载体 网络中常用的传输介质有 双绞线 同轴电缆 光纤 无线和卫星通信这几种 它们各自有各自的特点 广域网技术 广域网的特点 覆盖范围广数据传输速率低可使用多种传输介质数据传输时延大数据传输质量不高管理 维护困难 广域网示意图 广域网技术 广域网的类型 广域网 广域网的协议 HDLC PPP Multi linkPPP Frame Relay X 25 SLIP LAPB IP服务 ARP 静态域名解析 NAT IP包过滤IP路由 静态路由 RIP v1 v2 OSPF IPX路由 协议 广域网遵守OSI7层模型结构 广域网的产品 路由器 Router 访问服务器 AccessServer 防火墙 FireWall 调制解调器 Modem 各种交换机 Switch 网络管理软件 Software 小结 了解集中广域网技术的特点和相关产品 局域网技术 局域网的基本组成网络硬件网络服务器 网络工作站 网络接口卡 网络设备 传输介质网络软件网络系统软件 网络应用软件 主要的局域网分类 标准以太网快速以太网千兆以太网交换以太网令牌环网FDDI网 IEEE802标准 局域网上的标准 ISO的OSI七层模型对应于广域网 在局域网上为IEEE802标准 IEEE802 1 通用网络概念及网桥IEEE802 2 逻辑链路控制等IEEE802 3 CSMA CD访问方法及物理层规定 即以太网规定 802 3 10Mb 802 3u 100Mb 802 3z 1Gbps IEEE802 4 令牌总线结构及访问方法 物理层规定IEEE802 5 令牌环访问方法及物理层规定等 IEEE802标准 IEEE802 6 城域网的访问方法及物理层规定IEEE802 7 宽带局域网IEEE802 8 光纤局域网 FDDI IEEE802 9 ISDN局域网IEEE802 10 网络的安全IEEE802 11 无线局域网 IEEE802标准 以太网技术 以太网采用的媒体访问控制方法就是后来成为IEEE802 3标准的载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD 技术 在IEEE802 3标准中规定了总线网的CSMA CD访问方法和物理层技术规范 其工作原理是 先听后发 边听边发 冲突就停 延迟后重发 争用 冲突 冲突 以太网技术 那我可以发送了 现在网络空闲 我来监听 以太网技术 空闲 监听 Ethernet网络的各项标准如下 通信标准 IEEE802 3 传输速率 10Mbps 传送数据方法 CSMA CD 网络拓朴 以10Base2与10BaseT而言 前者实体与逻辑拓朴均为Bus 后者实际拓朴为Star 但逻辑拓朴为Bus 传输媒介 同轴电缆 UTP双绞线 光纤 以太网技术 快速以太网 快速以太网 FastEthernet 的数据传输速率为100Mbit s 快速以太网保留着传统的10Mbit s速率Ethernet的所有特征 即相同的帧格式 相同的介质访问控制方法CSMA CD 相同的组网方式 而只是把Ethernet每个比特发送时间由100ns降低到10ns IEEE802委员会为快速以太网制定了标准 IEEE802 3u 千兆以太网 千兆以太网的数据传输速率为1000Mbit s 千兆以太网标准由IEEE802标准委员会的802 3工作组创建并维护 近几年 802 3z工作组致力于光纤和屏蔽跨接电缆集合 短距离铜线 的千兆以太网解决方案 1997年春天 新的工作组802 3ab成立 研究基于4对5类缆线的 长距铜线 解决方案 其标准为4对5类UTP 最大长度100米的千兆以太网连接 普通以太网使用集线器作为网络设备 交换式以太网 A B C D 其特点如下 所有的数据转发工作在同一碰撞域内进行 所有连接的设备处于同一广播域里 所有链路共享同一带宽 集线器 更多的接入端 意味着更多碰撞产生的几率 采用CSMA CD 载波侦听 多路访问 技术来处理数据传输时所面临的碰撞和重发问题 以太网工作方式 交换式以太网 其特点如下 每一条链路都属于一个单独的碰撞域 所有的连接的设备属于同一广播域 1 2 3 交换式以太网使用交换机作为网络设备 交换式以太网 每一条链路都有属于自己的碰撞域 任何一个广播都将发给所有的接入端 交换机的工作方式 交换式以太网 三种以太网对比 三种以太网比较 令牌环 TokenRing TokenRing是令牌通行环 TokenPassingRing 的简写 其主要技术指标是 网络拓扑为环形布局 基带网 数据传送速率4Mbps 采用单个令牌 或双令牌 的令牌传递方法 环形网络的主要特点的 只有一条环路 信息单向沿环流动 无路径选择问题令牌环与广播方式的Ethernet不同 它是一种顺序向下一站广播的LAN 与Ethernet不同的另一个诱人的特点是 即使负载很重 仍具有确定的响应时间 令牌环所遵循的标准是IEEE802 5 令牌 TokenPassing 我有令牌 只有我能发 等发完了把令牌给我 令牌环 TokenRing TokenRing网络的各项标准如下 通信标准 IEEE802 5传输速率 每秒4 16Mbps 传送数据方法 Tokenpassing 网络拓朴 物理以Star连接 但逻辑以Ring传输 传输媒介 IBMType6电缆 STP UTP双绞线 光纤 令牌环 TokenRing 令牌环 TokenRing 光纤分布式数据接口 FDDI FDDI符合IEEE802 5和IEEE802 8协议标准 运行速度可以达到100Mb s甚至更高 使用多模光纤站间距离可以达到2km FDDI线缆由两根光纤环组成 一根顺时针传输 另外一根逆时针传输 当一根断掉时 另一根可作为后备使用 光纤分布式数据接口 FDDI FDDI作为互联多个局域网的主干网 光纤分布式数据接口 FDDI 小结 IEEE802标准定义了几种典型的网络几种典型网络的特点 以太网 令牌环 FDDI等 CSMA CD技术 以太网核心技术 的内容重要的局域网组网设备 TCP IP协议 在网络中 术语 协议 用于指示一组联合作用的单个协议 一组中的各个协议均被安排了不同的任务 例如数据翻译 数据处理 错误校验以及编址 这些协议对应用于OSI模型的不同层 OSI模型各层的任务实际上是由网络协议来执行的 以下协议是目前比较流行的协议堆栈 TCP IPNetBIOS NetBEUISPX IPX 协议简介 应用层 传输层TCPUDP协议 网际层IP协议 网络接口协议 TCP IP模型图 TCP IP协议配置较为复杂 是一组小的 专业化协议 包括TCP IP UDP ARP ICMP以及其他的一些被称为子协议的协议 整组协议称为TCP IP协议堆栈 简称为IP TCP IP还具有灵活性 可在多个网络操作系统 NOS 或网络介质的联合系统中运行 然而由于它的灵活性 TCP IP需要更多的配置 TCP IP协议与低层的数据链路层和物理层无关 这也是TCP IP的重要特点 正因为如此 它能广泛地支持由低两层协议构成的物理网络结构 TCP IP协议堆栈 应用层 解释层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络接口层 互连网络层 传输层 应用程序 处理层 OSI模型 TCP IP协议堆栈 对应关系 TCP IP TCP IP模型与OSI模型比较 应用层 应用层协议在文件传输 电子邮件和远程登录中发挥着作用 在应用层 网络管理也同样得到了支持 传输层 运输层主要有3个协议 TCP 传输控制协议 UDP 用户数据报协议 TCP利用端对端错误检测与纠正功能为两台主机提供可靠的数据传输服务 UDP只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机 但并不保证该数据报能到达另一端协议提供无连接数据报传输服务 时钟同步 通讯请求 协调时钟同步 应答 分段传输数据 发起端 接手端 TCP 建立连接 传输层 发起端 接手端 邮寄独立的带有地址标示的数据段 数据段 带有地址标示 UDP 传输层 网络层 TCP IP网络层对应于OSI中的网络层 网际控制报文协议ICMP InternetControlMessagesProtocol TCP和IP能确保数据包到达正确的目标点 但当发送过程出了某些问题时 网际控制报文协议 ICMP 将通知发送方且数据不再被传送 ICMP位于TCP IP模型的IP协议和TCP协议之间 它不提供错误控制服务 而是仅仅报告哪一个网络是不可到达的 哪一个数据包因分配的生存时间 它们的TTL 过期而被抛弃 ICMP常用于诊断实用程序中 如Ping和Tracert 网络层 网际协议IP InternetProtocol IP协议属于TCP IP模型互连网层和OSI模型的网络层 提供关于数据应如何传输以及传输到何处的信息 IP是一种使TCP IP可用于网络连接的子协议 即TCP IP可跨越多个局域网段或通过路由器跨越多种类型的网络 IP协议是一种不可靠的 无连接的协议 即意味着它不保证数据的可靠传输 然而 TCP IP协议堆栈中更高层协议可使用IP信息确保数据包按正确的地址进行传输 网络层 地址解析协议ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 ARP 是一个互连网层协议 它获取主机或节点的MAC地址 物理地址 并创建一个本地数据库以将MAC地址映射到主机IP 逻辑 地址上 ARP协议与IP协议紧密协作 因为IP再指导发送数据到目标主机之前必须具有目标主机的地址 网络层 IP地址 地址系统实际地址 物理地址 MAC地址 逻辑地址 IP地址 MAC地址被嵌入进一个设备的网络接口卡中 是不可变的 逻辑地址依赖于协议标准所制定的规则 在TCP IP协议中 IP协议是负责逻辑编址的核心 所以 在TCP IP网络中地址也被称为 IP地址 IP地址依据非常特定的参数进行分配和使用 IP地址共分5类 包括A类 B类 C类 D类 E类 在互联网及局域网中使用A类 B类 C类三类IP地址 D类地址用于组播应用 E类地址用于实验 以下我们主要讨论A B C三类地址 地址类型开始的8位字节网络数目每个网络中的主机数A1 12612616777214B128 191 1600065534C192 223 2000000254示例 A类10 1 1 1255 0 0 0B类172 16 1 1255 255 0 0C类192 168 1 1255 255 255 0 TCP IP网络编址 IP地址 A类地址A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示 网络中的主机标识占3组8位二进制数 A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为 0 A类地址允许有126个网段 每个网络大约允许有1670万台主机 通常分配给拥有大量主机的网络 如电信主干网及大型跨国集团 1 0NNNNNNN Host Host Host 8 9