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学习单元1网络基础认知 任务1 2企业网络应用需求调研分析 引例描述 小张成功申请到同创网络公司实习 正好同创公司中标了龙华学校的校园网建设项目 项目负责人刘经理安排小张跟着项目组网络工程师徐工学习 并辅助其工作 徐工想了解一下小张对计算机网络系统的熟悉情况 对其进行了一番考察 包括网络拓扑图的识读和制作 网络的体系架构 TCP IPv4属性设置等 并安排其到客户企业进行了一次调研实践 如图1 1所示 1 3OSI参考模型 计算机网络是一个极其复杂的系统 要可靠地运行 就需要通过设计将复杂的系统划分成功能相对独立的部分 各个部分之间具有较低的关联性 并且遵守一整套合理而严谨的结构化管理规则 1 3OSI参考模型 网络体系结构 网络协议网络协议是指计算机通信网络中两台机器之间进行通信所必须共同遵守的规定或规则 也可简称协议 由三要素组成 1 语法 即数据与控制信息的结构或格式 2 语义 即需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 3 时序 即事件实现顺序的详细说明 1 3OSI参考模型 网络体系结构 分层与对等体分层设计是计算机领域甚至人类社会面对复杂问题时常用的方法 计算机网络就是按照高度结构化设计方法 采用功能分层原理来实现的 将整体功能划分为几个相对独立的子功能层次 每一层都建立在其下一层的基础之上 每一层的目的都是向上一层提供特定的服务 同时对上一层屏蔽本层的服务细节 不同机器上构成相应功能层次的实体称为对等体 对等体可能是软件 硬件设备 也可能是使用者 1 3OSI参考模型 网络体系结构 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 物理层位于OSI参考模型的最底层 目的是将数据通过实体的传输媒介进行传输 负责定义网络中所使用的信号编码方式 基带或宽带 传输介质规格 接头规格 电压和规格等 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 数据链路层此层的主要功能有同步 检测 制定介质访问控制方法 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 网络层此层的主要功能有定址 选择传送路径 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 会话层此层负责通信的双方在正式开始传输数据前进行沟通 其目的在于建立传输时所遵循的规则 使传输更顺畅 更有效率 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 表示层此层的主要功能有内码转换 压缩与解压缩 加密与解密 1 3OSI参考模型 OSI参考模型 应用层此层直接提供文件传输 电子邮件 网页浏览等服务 在实际操作中 大多数是被编制为成套的应用程序 如InternetExplorer Netscape OutlookExpress等 而且有些功能强大的应用程序甚至涵盖了会话层与表示层的功能 因此有人认为OSI模型的上3层 第5层至第7层 的分界很模糊 往往很难精确地将产品归类于某一层 1 3OSI参考模型 OSI参考模型通信描述 1 点到点和端到端的通信通常人们把OSI模型的下三层 物理层 数据链路层和网络层 划归为通信子网 它们的主要任务是实现网络通信 方法是进行网络节点到网络节点的控制 称为 点到点 的通信 传输层以上的层次主要是由通信两端的主机来实现的 称为 端到端 的通信 因此 传输层是第一个端到端的层次 1 3OSI参考模型 OSI参考模型通信描述 2 协议数据单元在OSI模型中 根据每一层协议在对等体之间交换的数据单元称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit 在不同的层次 协议数据单元的称谓有所不同 传输层以上层次的协议数据单元称为报文 网络层的协议数据单元称为分组或包 数据链路层的协议数据单元称为帧 任务1 2企业网络应用需求调研分析 在一定程度上 需求决定一切 所以在组建新网络或改造原有网络前一定要详尽了解企业当前情况 乃至未来3 5年内主要的网络应用需求情况 必须详细地列出所有可能的应用 找各个部门具体负责网络应用的人员进行分析和询问 并做好记录 课外访问和调查的时间为1周 1 3 4人组成一个需求分析调查小组 确定人员分工 设计 小组访问调查表 2 选择一个企业实地查看和调查 并记录现有网络组成及需求情况 3 访问网络中心负责人和网管人员 了解网络的使用情况 建设和维护成本 或者通过访问互联网 估算网络软件和硬件设备的成本 企业进一步的网络组建需求等 4 完成所设计 调查表 参考附件B 综述网络的用户应用需求 1 设计 用户需求分析调查表 可参考附件B中的 企事业单位网络需求调查表 完成 用户需求分析调查表 的设计 交教师审核通过 2 实地调查企事业单位中的网络 了解其网络组成设备和网络改造需求 了解使用的网络硬件设备的类型 数量和型号 习惯或期望使用的操作系统平台 熟练或期望使用的办公系统 熟练或期望使用的数据库系统 按列表方式 在 用户需求分析调查表 中予以记录 3 调查网络应用的主要内容 在 调查表 中记录该部门使用网络处理的日常业务和工作人员使用网络的情况 是否需要在企业内 外 部Web网站上分配模块 是否需要内外部邮件服务 经常要与外部网络连接的方式和用户数 4 与外部网络连接的主要应用 其他应用需求 5 完成 用户需求分析调查表 的填写 给出综述 分析网络对企事业单位的重要性和企业目前对网络的需求情况 书写格式要规范 每个小组一份 小组所有成员均要签字 并简述每位成员所做的工作 无 学习单元1网络基础认知 任务1 3网络客户端TCP IPv4属性设置 引例描述 小张成功申请到同创网络公司实习 正好同创公司中标了龙华学校的校园网建设项目 项目负责人刘经理安排小张跟着项目组网络工程师徐工学习 并辅助其工作 徐工想了解一下小张对计算机网络系统的熟悉情况 对其进行了一番考察 包括网络拓扑图的识读和制作 网络的体系架构 TCP IPv4属性设置等 并安排其到客户企业进行了一次调研实践 如图1 1所示 1 4DoD模型 OSI模型在诞生之初便被认为可以统领整个网络世界 成为公认的通用标准 但由于OSI模型先有模型再有协议 在层次模型设计上的复杂性 使得其协议实现庞大而笨拙 效率很低 OSI模型相关协议没有得到广泛应用 DoD模型源于美国国防部资助的ARPANET网络而研究出来的 与OSI模型正好相反 DoD模型是先有协议后有模型 模型只是已有协议的描述 所以DoD模型和协议高度吻合 此外 运行DoD模型相关协议的ARPANET后来发展为全球范围的Internet 从实践层面推动了DoD模型的广泛应用 1 4DoD模型 层次及功能 DoD模型是在ARPANET网络实践的基础上形成的 它以一个可运行在不同网络之上的无连接网际层为基础 根据实际应用中的协议功能形成了4个层次 类似于OSI模型 自下往上依次为网络接口层 networkaccessLayer 网际层 internetLayer 传输层 transportLayer 应用层 applicationLayer 如图1 16所示 1 4DoD模型 层次及功能 网络接口层 这不是真正意义上的一个层 而是主机与传输线路之间的一个接口 负责与硬件的沟通 该层描述了传输链路必须完成什么功能才能满足上层需求 比如以太网 Ethernet 链路 串行链路 广域网帧中继 FrameRelay 链路等 因此也称该层为链路层 linklayer 1 4DoD模型 层次及功能 网际层 又称为互联网 internet 层 是将整个网络体系结构贯穿在一起的关键层 这里的互联网 internet 是指一般意义上的互联网络 不是单指因特网 Internet 该层允许主机将数据包送到任何网络 并让这些数据包独立到达接收方 该层定义了数据包的格式和协议 协议功能上包括编定地址 选择路径 路径探测等 因特网协议 IP InternetProtocol 便是此层最著名的通讯协议 此外还有一组辅助性的协议 如因特网报文控制协议 ICMP InternetControlMessageProtocol 1 4DoD模型 层次及功能 传输层 该层的目的是允许源主机和目标主机上对等实体进行对话 负责传输过程的流量控制 错误处理 数据重传等工作 该层定义了两个端到端的协议 分别是传输控制协议 TCP TransportControlProtocol 和用户数据报协议 UDP UserDatagramProtocol TCP协议是一个可靠的 面向连接的协议 保障发出的字节流正确无误地传送到另一台主机 这包括差错控制 流量控制等功能 它把要传输的字节流分割成报文 将每个报文传递给网际层处理 UDP协议是一个不可靠的 无连接的协议 不具备顺序传输 流量控制等功能 适用于哪些及时传递比正确传递更重要的应用 如语音或视频传输 1 4DoD模型 层次及功能 应用层 该层定义应用程序如何提供服务 包含了所有的高层协议 如超文本传输协议 HTTP 远程登录协议 TELNET 文件传输协议 FTP 域名系统 DNS 等 1 4DoD模型 TCP IPv4协议簇 1 4DoD模型 TCP IPv4协议簇 TCP报文头部 1 4DoD模型 TCP IPv4协议簇 三次握手 1 4DoD模型 TCP IPv4协议簇 IP头部 任务1 2企业网络应用需求调研分析 普通网络用户最为简便的联网方式是通过动态主机配置协议 DHCP DynamicHostConfigurationProtocol 在本机设置TCP IPv4属性为自动获取 除此之外 将计算机连入网络需要手动设置TCP IPv4协议属性 请在有物理网络连接的计算机机房 设置机器的TCP IPv4属性 实现计算机之间的相互连接和访问 参考教材 思考 1 访问华东 北 地区网络中心网站 学习单元2网络通信设备准备 任务2 1Windows7系统无线网卡安装 引例描述 小张在徐工的指导下完成了网络拓扑绘制的任务 很是得意 徐工提醒他 之前的任务中 拓扑图只是对实际网络连接的示意绘制 便于网络的分析设计 虽然对网络工程来说比较重要 但终归是纸上谈兵 要想着手网络建设 必须熟悉网络的硬件设备 包括网线 光纤等传输介质 网卡 交换机 路由器等连接设备 这些设备在网络工程中涉及到品牌 价格 功能 技术等一系列知识 这些设备有一个共同的特征就是一般采用了数字通信技术 所组成的网络一般也称为数据通信网络 设备的许多技术参数和数据通信技术有关 徐工给小张安排了网卡安装 网线制作 交换机和路由器配置4个任务 让他从网络的表象逐步走进网络的核心技术 如图2 1所示 2 1数据通信基础 计算机网络的两大功能中 数据通信功能是首要的 数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种通信方式 通信的内容为二进制编码的字母 数字 符号以及数字化的语音和图像等数据 2 1数据通信基础 数据通信系统 1 通信系统一般模型通信系统一般模型概括反映了通信系统的共性 通信系统包括由信息源和发送设备构成的发送端 传送信号的信道以及由接收设备和受信者构成的接收端 如图2 2所示 目的是传递各种各样带有信息的数据 2 1数据通信基础 数据通信系统 2模拟通信与数字通信顾名思义 数字 泛指一切可数的信息 模拟 则是那些只能通过比较进行区分的不可数信息 以数据为例 数字数据状态是可数的或离散的 如符号 文字等 数字数据也称为离散数据 模拟数据状态是连续变化的 如语音 活动图像等 数字数据也称为连续数据 模拟信号是信号参数在时间上和数值上都连续变化的信号 数字信号是指信号参数在时间上和数值上呈离散状态的信号 如果用一个以时间t为自变量的单值函数f t 来表示电压或者电流 就可以对信号进行数学建模分析 如傅立叶级数就是信号分析的数学理论基础之一 信号在数学模型分析 一般以波的形式呈现 如正弦波 方波 如图2 4所示 2 1数据通信基础 数据通信系统 数字通信系统模型 2 1数据通信基础 数据通信方式 并行传输与串行传输 2 1数据通信基础 数据通信方式 串行传输根据传送方向又可进一步可以分为单工 半双工 全双工三种工作方式 1 单工 是单方向传输数据 不能反向传输 2 半双工 既可单方向传输数据 也可以反方向传输 但不能同时进行 3 全双工 可以在两个不同的方向同时发送和接收数据 2 1数据通信基础 数据通信方式 基带传输与频带传输基带基带信号基带传输 在信道中直接传送基带信号时 称为基带传输 由于在近距离范围内基带信号的衰减不大 从而信号内容不会发生变化 因此在传输距离较近时 计算机网络都采用基带传输方式 频带频带信号频带传输 在信道中直接传输频带信号时 称为频带传输 频带传输克服如电话线路之类的长距离模拟线路不能直接传输基带信号的缺点 而且能够实现多路复用 从而提高了通信线路的利用率 2 1数据通信基础 数据通信方式 多路复用技术 1 频分多路复用 FDM FrequencyDivisionMultiplexing 2 时分多路复用 TDM TimeDivisionMultiplexing 3 波分多路复用 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 4 码分多址 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 2 1数据通信基础 数据通信方式 同步通信与异步通信在数据通信过程中 收发双方要交换数据 需要高度的协同工作 例如在数字通信中 当发送端发出一串二进制位后 接收端需要准确地判断何时接收信号 以及接收的信号表示 0 还是 1 数据通信中一般通过同步通信或异步通信机制实现信号的准确接收 2 1数据通信基础 编码与调制技术 1 数字数据的数字信号编码 2 1数据通信基础 编码与调制技术 2 数字数据的模拟信号编码 2 1数据通信基础 编码与调制技术 3 模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制 PCM PulseCodeModulation 就是把一个时间连续 取值连续的模拟信号变换成时间离散 取值离散的数字信号后在信道中传输 脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样 再对样值幅度量化 编码的过程 2 1数据通信基础 主要通信技术指标 1 传输速率码元 用波形表示数字信号时 代表不同离散数值的基本波形就称为码元 码元是承载数据的基本波形单位 波特率 又称为码元传输速率 是指单位时间 每秒 传送码元的数目 单位为波特 Baud 简记为B 式中RB为波特率 T为码元的持续时间 s 比特率 又称为信息传输速率 是指单位时间内 每秒 传递的二进制比特数量 单位为比特 秒 简记为b s 波特率和比特率的关系 当一个码元表示一个二进制位 或者一个比特时 波特率和比特率在数值上是相等的 2 1数据通信基础 主要通信技术指标 2 信道容量带宽 指物理信道的频带宽度 即信道允许的最高频率和最低频率之差 单位为赫兹 Hz 信道容量 一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力 它表征一个信道传输数据的能力 单位也用比特 秒 b s 表示 奈奎斯特 HenryNyquist 定理美国电信公司AT T的工程师奈奎斯特最早认识到即使一条理想的信道 其传输能力也是有限的 他推导出一个公式 用来推算一个有限带宽的无噪声信道的最大数据传输速率 最大数据传输速率 2F log2M b s 香农 ClaudeShannon 定理最大数据传输速率 F log2 1 S N b s 2 1数据通信基础 主要通信技术指标 3 误码率数据通信要求传输过程具有高度的可靠性 但是信号在传输过程中由于噪声 干扰 损耗等因素 不可避免要产生一些差错 信号在传输过程中出现的差错表现为根据接收信号不能还原出原始信号 通常用误码率来衡量数据通信系统正常工作状态下传输可靠性 误码率的计算公式为 误码率 传输出错码元数传输的码元总数 2 1数据通信基础 差错控制 1 奇偶校验码 2 1数据通信基础 差错控制 2 循环冗余校验码参考教材 2 1数据通信基础 数据交换技术 1 电路交换 2 1数据通信基础 数据交换技术 2 报文交换 2 1数据通信基础 数据交换技术 3 分组交换 任务2 1Windows7系统无线网卡安装 网卡是计算机连接网络的必须设备 也是数据通信信号产生和接收的位置 通过网卡安装及设置 认识网卡关于通信方面的性能参数 如信道 速率及工作模式等设置 虽然网卡在很多情况下都被视为计算机不可缺少的外部设备 但无线网卡在不少机器上特别是台式机上不是标准配置 这里选择无线网卡安装 有线网卡安装类似 参考教材 无 学习单元2网络通信设备准备 任务2 3交换机基础配置 引例描述 小张在徐工的指导下完成了网络拓扑绘制的任务 很是得意 徐工提醒他 之前的任务中 拓扑图只是对实际网络连接的示意绘制 便于网络的分析设计 虽然对网络工程来说比较重要 但终归是纸上谈兵 要想着手网络建设 必须熟悉网络的硬件设备 包括网线 光纤等传输介质 网卡 交换机 路由器等连接设备 这些设备在网络工程中涉及到品牌 价格 功能 技术等一系列知识 这些设备有一个共同的特征就是一般采用了数字通信技术 所组成的网络一般也称为数据通信网络 设备的许多技术参数和数据通信技术有关 徐工给小张安排了网卡安装 网线制作 交换机和路由器配置4个任务 让他从网络的表象逐步走进网络的核心技术 如图2 1所示 2 3网络设备 2 3网络设备 服务器 服务器是计算机的一种 它是在网络操作系统的控制下为网络环境里的多用户提供共享资源和相关应用服务的高性能计算机 和普通的PC相比 它的高性能主要体现在对多用户多任务的支持 强大的CPU运算能力 7 天 x24 小时 长时间的可靠运行 强大的I O扩展能力等方面 2 3网络设备 服务器 服务器分类根据处理器架构不同 服务器可分为x86通用服务器 非x86服务器 2 3网络设备 服务器 服务器分类根据服务器外形不同通常可以分为塔式服务器 机架式服务器以及刀片服务器 2 3网络设备 调制解调器 在数据通信部分 介绍了 调制 和 解调 的功能 调制解调器是专属调制 modulation 和解调制 demodulation 的设备 通过这项功能 就可以将数字信号转变为其他适合在远距离通信中传输的信号 最典型的应用就是在电话线路中用模拟信号传递数字数据 2 3网络设备 网卡 网卡一般是内嵌在计算机或联网设备上 连接计算机或联网设备与传输介质的接口 不仅能实现与传输介质之间的物理连接和电信号匹配 还涉及帧的封装与拆封 帧的发送与接收 介质访问控制以及数据缓存等功能 2 3网络设备 交换机 交换机是网络设备中的重要角色 在数据通信中有很重要的作用 学习单元2前面介绍了数据交换技术 交换机是实现数据交换技术的设备之一 从硬件角度看 交换机类似于一台专用的特殊的计算机 它包括中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 和操作系统等软硬件系统 交换机工作在OSI模型中的第二层 用于连接终端 服务器 路由器 集线器和其他交换机 2 3网络设备 交换机 一般而言 交换机负责根据数据链路层帧头部的MAC地址进行转发 因此属于OSI模型中的数据链路层 DataLinkLayer 设备 但很多厂商根据市场和应用需要 在2层交换的基础上 又增加了3层路由功能 这样的交换机被称为3层交换机 由于交换机的默认功能是2层交换 因此本教材中如无特殊说明 交换机均指2层交换机 2 3网络设备 交换机 1 交换机的物理结构 1 处理器 2 内存交换机采用了以下几种不同类型的内存 每种内存以不同方式协助交换机工作 有只读内存 ROM 闪存 Flash 随机存取内存 RAM 和非易失性随机存取内存 NVRAM 3 端口外观上 交换机前面板有很多不同功能的接口 可能有若干10M 100M自适应的普通以太网口 也有若干1000M以太网口 也可能有光纤接入接口等 2 3网络设备 交换机 2 交换机的连接 2 3网络设备 路由器 路由器路由器 router 工作于OSI模型中的网络层 NetworkLayer 路由器通过所知的不同网络之间的路径状况 选择最佳路径转发经过的数据 转发策略