交换机-路由器-IP协议-ARP协议的工作流程 PPT课件

1 计算机网络基础知识 张华华 2 一 OSI模型及TCP IP 四 ARP协议的工作流程 二 MAC地址的特点 IP地址的分配 三 二层 三层交换机 路由器的区别 3 OSI模型及TCP IP 1 OSI七层模型及各层的作用 2 TCP IP使用的五层模型 4 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 7654321 二进制位流传输激活和维持系统间的物理链路 寻址和路由确定数据从一处传输到另一处的最佳路径 主机间通信建立 维持和管理应用系统之间的会话 数据表示提供数据表示 代码格式和数据传输语法协商 处理网络应用为应用系统提供网络服务 OSI网络层次模型 每一层包含一组协议 以及相应的语法 语义和交换规则 每层实现一组特定的通信功能 逻辑上相对独立 每一层代表着本层和底下所有各层的通信功能 并为上层提供通信服务 端到端连接数据流的分段和重组 提供可靠的端到端传输 介质访问控制提供通过介质的传输控制 如差错和流量控制 5 数据链路层数据链路层是OSI模型的第二层 它控制网络层与物理层之间的通信 它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递我们平常用的交换机就是工作在数据链路层的 网络层网络层是OSI模型中的第三层 在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择 Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加 而网络层正是管理这种连接的层 物理层主要定义物理设备标准 如网线的接口类型 光纤的接口类型 各种传输介质的传输速率等 它的主要作用是传输比特流 就是由1 0转化为电流强弱来进行传输 到达目的地后在转化为1 0 也就是我们常说的数模转换与模数转换 这一层的数据叫做比特 6 会话层负责在网络中的两节点之间建立 维持和终止通信 会话层的功能包括 建立通信链接 保持会话过程通信链接的畅通 同步两个节点之间的对话 决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送 表示层表示层管理数据的解密与加密 如系统口令的处理 例如 在Internet上查询你银行账户 使用的即是一种安全连接 应用层应用层最靠近用户的OSI层 这一层为用户的应用程序 例如电子邮件 文件传输和终端仿真 提供网络服务 传输层定义了一些传输数据的协议和端口号 WWW端口80等 如 TCP 传输控制协议 传输效率低 可靠性强 用于传输可靠性要求高 数据量大的数据 UDP 用户数据报协议 与TCP特性恰恰相反 用于传输可靠性要求不高 数据量小的数据 如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的 主要是将从下层接收的数据进行分段和传输 到达目的地址后再进行重组 7 TCP IP分层模型与OSI参考模型对照 应用层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 OSI参考模型 TCP IP模型 应用层 网络接口层 网络层 传输层 7654321 第2层交换机 HUB 以太网802 3等 路由器 第3层交换机 第4层交换机 第7层交换机应用层防火墙 相应网络设备 访问地址 MAC地址 IP地址 端口号 进程号 8 结合新格林交换机的特点的几点说明 1 我们在平常接触的主要是物理层 数据链路层 网络层 其中二层交换机就是工作在网路接口层 对应OSI模型是物理层和数据链路层 比如新格林的S5100系列全千兆二层智能交换机 S5100 24T TC S5100 28T S2000EI系列二层智能接入交换机 S2008EI S S2016EI S 和S2000B系列二层WEB管理交换机 2008B S2016B BF 这些都是二层交换机2 三层交换机是工作在网络层 对应的新格林机型主要有S8600 04 08 16 S3750系列万兆安全路由交换机 S3600系列千兆安全路由交换机 9 TCP协议栈不仅包括第3层和第4层的规范 如IP和TCP 也包括一些普通应用规范 即应用层规范 其中某些应用也能在网络设备如路由器和交换机上实现 TCP IP协议栈 应用层 网络接口层 网络层 传输层 TCP IP应用层 文件传输 TFTP FTP NFS电子邮件 SMTP远程登录 Telnet rlogin网络管理 SNMP域名管理 DNS 10 TCP IP传输层 TCP IP协议栈 应用层 网络接口层 网络层 传输层 TCPUDP 主要功能 流量控制 由滑动窗口实现流量控制 可靠通信 由序列号和确认机制实现端到端的可靠通信 两种协议 TCP TransmissionControlProtocol 面向连接的可靠传输协议 为用户应用端之间提供一个虚拟电路 UDP UserDatagramProtocol 无连接的非可靠传输协议 11 TCP IP网络层 TCP IP协议栈 应用层 网络接口层 网络层 传输层 IPICMPARPRARP IP 对数据分组进行无连接的最佳传送路由选择 即提供全网范围的寻址功能 ICMP InternetControlMessageProtocol 提供控制和传递消息的功能 但通信时需用IP封装 ARP AddressResolutionProtocol 为已知的IP地址确定网络接口层的MAC地址 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 为已知的网络接口层MAC地址确定对应的IP地址 4个协议中仅IP具有全网的寻址能力 而ICMP ARP和RARP均无全网的寻址能力 ICMP需要在不同网络之间传递 因此必须用IP封装 ARP和RARP只在一个网络的内部进行通信 不需要在网络之间寻址 所以无须用IP封装 12 二 MAC地址的特点 IP地址的分配 1 MAC地址的相关知识 2 IP地址 1 Mac地址定义2 MAC地址的作用3 如何获取本机的MAC地址 13 MAC地址的定义 MAC地址MediaAccessControl或称为MAC位址 硬件地址 用来定义网络设备的位置 由48比特长 12位的16进制数字组成 是识别LAN 局域网 结点的标志在OSI模型中 第三层网络层负责IP地址 第二层数据链路层则负责MAC位址因此一个主机会有一个IP地址 而每个网络位置会有一个专属于它的MAC位址 一个网卡会有一个全球唯一固定的MAC地址 但可对应多个IP地址 注意 1 普通设备网卡或者路由器设备路由接口的MAC地址一定是单播的MAC地址才能保证其与其它设备的互通 2 MAC地址是一个以太网络设备在网络上运行的基础 也是链路层功能实现的立足点 14 MAC地址的作用 举个简单的例子理解MAC地址的作用通过人类社会与网络的类比来理解MAC地址的作用无论是局域网 还是广域网中的计算机之间的通信 最终都表现为将数据包从某种形式的链路上的初始结点出发 从一个结点传递到另一个结点 最终传送到目的结点 数据包在这些节点之间的移动都是由ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的 其实人类社会和网络也是类似的 试想在人际关系网络中 甲要捎个口信给丁 就会通过乙和丙中转一下 最后由丙转告给丁 在网络中 这个口信就好比是一个网络中的一个数据包 数据包在传送过程中会不断询问相邻节点的MAC地址 这个过程就好比是人类社会的口信传送过程 相信通过这个例子 我们就可以进一步理解MAC地址的作用 15 获取MAC地址的方法 在Windows2000 XP Vista 7中单击开始 点击运行 输入cmd 进入后输入ipconfig all即可 如下图 16 Vista系统下查看MAC地址单击开始 点击运行 输入cmd 进入后输入getmac即可 获取MAC地址的方法 17 linux unix系统下查看MAC地址在命令行输入ifconfig即可看到MAC地址 获取MAC地址的方法 18 IP协议 Ip地址概述是设备的逻辑地址 位于OSI参考模型的第3层 全网唯一标识 分级地址结构 多维地址空间 由软件设定 具有很大的灵活性 可在全网范围内寻址 IP协议提供了一种全球统一的编址方式 屏蔽了物理网络地址的差异 使路由查找成为可能 IP协议提供了一种全球统一的报文格式 屏蔽了网络链路层差异 使网络互联成为可能不同于OSI的七层模型 TCP IP使用更为简单的五层模型 如图 19 IP地址的组成IP地址长度 32bits 4个字节 IP地址的组成 网络地址 主机地址 网络地址 NetworkID 标识主机所在的网络主机地址 HostID 标识在该网络上的主机 IP地址的格式 网络地址主机地址 32Bits 8Bits 8Bits 8Bits 8Bits 202 112 0 36 IP地址的表示每个字节以十进制数表示4个十进制数之间用小数点区分 1100101001110000000000000100110 20 A1 0 0 0 127 255 255 255B128 0 0 0 191 255 255 255C192 0 0 0 223 255 255 255D224 0 0 0 239 255 255 255E240 0 0 0 255 255 255 255 A类地址 E类地址 D类地址 C类地址 1 1 0 1 1 1 0 1 1 组播地址 保留 0 网络地址 主机地址 B类地址 1 网络地址 主机地址 0 1 网络地址 主机地址 1 0 IP地址的分类 共分5类 A B C D E 21 常用IP地址 A B C类是常用地址 IP地址的编码规定全0表示本地地址 即本地网络和本地 全1表示广播地址 任何网络都能接收 所以除去全0和1地址外 A类有126个网络地址 1600万个主机地址 B类有16382个网络地址 64000个主机地址 C类有200万个网络地址 254个主机地址 A1 0 0 0 127 255 255 255B128 0 0 0 191 255 255 255C192 0 0 0 223 255 255 255 22 特殊IP地址 网络地址 00000000 主机地址 表示网络地址 用于标识一个网络 一般不分配给主机 11111111 直接广播地址 directbroadcast 不可作为源主机地址 直接广播地址 网络号 主机地址部分为全 1 如 211 80 129 255 一台主机可以用直接广播地址向任何指定的网络直接广播它的分组报文 即使发送和接站点不在同一个子网内 也可以用广播地址向某个子网上所有的主机广播信息 每台主机和路由器等设备都会接收和处理目的地址为本网广播地址的分组报文 网络地址 1 2 23 00000000000000000000000000000000 全0地址表示本主机 不可作为有效目的地址使用 3 特殊IP地址 24 01111111XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 回送地址 loopbackaddress A类地址 任何一个以数字127开头的IP地址如 127 any any any127 0 0 1任何程序用回送地址作为目的地址时 计算机上的协议软件不会把该数据报向网络上发送 而是把数据直接返回给本主机 不可作为有效地址出现在网络上 问题 当网络地址部分 全1时 该地址是否有效 6 主机地址 111111111111111111111111 特殊IP地址 25 二层 三层交换机与路由器的区别 二层交换机二层交换技术是发展比较成熟 二层交换机属数据链路层设备 可以识别数据包中的MAC地址信息 根据MAC地址进行转发 并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中 具体如下 1 当交换机从某个端口收到一个数据包 它先读取包头中的源MAC地址 这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上 2 再去读取包头中的目的MAC地址 并在地址表中查找相应的端口 3 如表中有与这目的MAC地址对应的端口 把数据包直接复制到这端口上 26 三层交换机 三层交换技术就是将路由技术与交换技术合二为一的技术 在对第一个数据流进行路由后 它将会产生一个MAC地址与IP地址的映射表 当同样的数据流再次通过时 将根据此表直接从二层通过而不是再次路由 从而消除了路由器进行路由选择而造成网络的延迟 提高了数据包转发的效率 路由器传统地 路由器工作于OSI七层协议中的第三层 其主要任务是接收来自一个网络接口的数据包 根据其中所含的目的地址 决定转发到下一个目的地址 因此 路由器首先得在转发路由表中查找它的目的地址 若找到了目的地址 就在数据包的帧格前添加下一个MAC地址 同时IP数据包头的TTL TimeToLive 域也开始减数 并重新计算校验和 当数据包被送到输出端口时 它需要按顺序等待 以便被传送到输出链路上 27 二层交换机与三层交换机的区别 二层交换机工作在数据链路层 三层交换机工作在网络层 路由器工作在网络层二层交换机和三层交换机的区别 三层交换机使用了三层交换技术 简单地说 三层交换技术就是 二层交换技术 三层转发技术 它解决了局域网中网段划分之后 网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面 解决了传统路由器低速 复杂所造成的网络瓶颈问题 28 三层交换机与路由器的区别 主要功能不同三层交换机虽然具备路由的功能 但是的主要功能还是交换数据 它仍然是交换机只不过是具备一些基本路由功能的交换机 也就是说它同时具备了数据交换和路由由发两种功能路由器仅具有路由转发这一种主要功能 主要适用的环境不一样三层交换机的路由功能通常比较简单 路由路径远没有路由器那么复杂 它用在局域网中的主要用途还是提供快速数据交换功能 满足局域网数据交换频繁的应用特点路由器不仅适用于局域网之间的连接 但它的路由功能更多的体现在不同类型网络之间的互联上 如局域网与广域网之间的连接 不同协议的网络之间的连接等 所以路由器主要是用于不同类型的网络之间 29 小结 二层交换机用于小型的局域网络 在小型局域网中 广播包影响不大 二层交换机的快速交换功能 多个接入端口和低谦价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案 路由器的优点在于接口类型丰富 支持的三层功能强大 路由能力强大 适合用于大型的网络间的路由 它的优势在于选择最佳路由 负荷分担 链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等等路由器所具有功能 30 ARP协议的工作流程 ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议 是一个位于TCP IP协议栈中的低层协议 负责将某个IP地址解析成对应的MAC地址 在局域网中 网络中实际传输的是 帧 帧里面是有目标主机的MAC地址的 在以太网中 一个主机要和另一个主机进行直接通信 必须要知道目标主机的MAC地址 但这个目标MAC地址是如何获得的呢 它就是通过地址解析协议获得的 所谓 地址解析 就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程 ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址 查询目标设备的MAC地址 以保证通信的顺利进行 31 ARP地址解析协议 1 源主机A要向目的主机B发送数据 为什么主机A除知道目的主机B的IP地址外 源主机A还必须要知道目的主机B的MAC地址 IP地址具有全网范围内的寻址能力 主机A和B可能分别处在不同网络 主机A要访问主机B首先要知道主机B的IP地址 不然找不到主机B所在的网络 在现行寻址机制中 主机的以太网网卡只能识别MAC地址 而不能识别IP地址 若数据帧中不指明主机B的MAC地址 主机B的网卡不能识别该帧是发给自己的 因此主机A仅知道主机B的IP地址还不够 还必须知道主机B的MAC地址 才能完成对主机B的访问 网络之间是用IP地址寻址 网络之内 同一物理网段或称IP子网 是用MAC地址寻址 且尽管MAC地址和IP地址一样都是在全网范围内唯一定义的 但MAC的寻址能力仅局限在一个物理网段 一个IP子网 中 IP寻址范围 MAC寻址范围 物理网段 互联网络 网络1 网络2 网络3 32 2 主机A如何通过主机B的IP地址解析得到主机B的MAC地址 ARP AddressResolutionProtocol 主要任务是根据IP地址解析对应的MAC地址 1 源主机A与目的主机B位于同一物理网段 主机A 主机B 主机AMAC主机BMAC 广播地址主机BIP主机BMAC ARPrequest ARPreply 当主机A不知道主机B的MAC地址时 发送ARPrequest广播包 主机B收到ARPrequest广播包后 发现目的IP地址是自己 于是将自己的MAC地址通过ARPreply包送回主机A 同时主机B将广播包中主机A的IP地址和MAC地址存入本地的ARPcache中 以备后用 网上其他主机不作响应 主机A收到ARPreply包后将包中主机B的IP地址和MAC地址存入本地ARPcache中 并开始向主机B发送数据 33 2 源主机A与目的主机B位于不同物理网段 主机A 主机B 主机AMAC路由器MAC 广播地址主机BIP主机BMAC ARPrequest ARPreply 当主机A不知道主机B的MA