《计算机网络LAN》PPT课件

周营烽zhouyingfenghz,局域网设计与组网,2020/5/21,2,参考书目,局域网设计与组网实用教程，王宝智等编，清华大学出版社。计算机网络，谢希仁编著，电子工业出版社。局域网组建于WindowsServer2003的使用，张磊等著，高等教育出版社。,2020/5/21,3,主要内容,局域网概述局域网硬件局域网体系结构以太网技术主要网络通信协议IP地址及应用,2020/5/21,4,1局域网概述,1.1局域网的含义局域网(LocalAreaNetwork，LAN)是由分布在几百米内的计算机以及其他设备互联组成的网络。计算机的互联通过集线器(Hub)或局域网交换机(LANSwitch)的专用设备实现，这样的局域网如图所示。,2020/5/21,5,由计算机、打印机、Hub/LANSwitch和双绞线组成的局域网,2020/5/21,6,1.2局域网的作用,本地用户之间的数据和其他资源的共享局域网可以作为本地用户计算机连接到远程计算机网络的基础接入设施,2020/5/21,7,1.3局域网的基本组成,局域网的硬件系统服务器用户节点机网络设备传输介质局域网的软件系统网络操作系统相应的管理软件,2020/5/21,8,1.4局域网组网结构,局域网组网结构(拓扑结构)是指网络中计算机及其它设备之间的连接关系局域网典型的拓扑结构包括四种，即总线型、环型、星型和树型，分别如图所示。,2020/5/21,9,局域网拓扑结构,2020/5/21,10,总线型结构,主要特点:共用一条通信介质.这样同时发送数据时会导致数据“碰撞”(冲突)计算机与总线的连接比较笨拙，可靠性不高。网络布线成本较高，施工不方便。某个计算机的故障不会影响其他计算机的工作。,2020/5/21,11,环型结构,主要特点:(1)计算机在发送数据之前必须获得信道的使用权(2)优点是没有信道冲突问题，缺点是网络管理比较复杂，网络吞吐量小，不适合大信息流量的应用。,2020/5/21,12,星型结构,主要特点:(1)计算机之间的通信都要通过汇接设备(2)优点是使用双绞线作为通信介质，便于网络布线，而且成本较低；(3)缺点是汇接设备出故障时会导致整个系统瘫痪。,2020/5/21,13,树型结构,主要特点:(1)在局域网中存在主干通信介质和分支通信介质。(2)计算机和网络设备之间的连接存在分级关系，连接关系呈树状。,2020/5/21,14,拓扑结构的选择原则,可靠性扩充性费用高低,2020/5/21,15,1.5局域网的常见应用结构,对等网(PeertoPeer)组建和维护容易，使用简单；无需专用服务器；数据保密性差，文件存放分散客户机/服务器结构(C/S)有效利用工作站资源；减少服务器工作量；工作效率高,2020/5/21,16,2局域网组成设备,2.1网络服务器文件服务打印服务通信服务务电子邮件(E-mail)服务WWW服务,2020/5/21,17,网络服务器的分类及选型,低端服务器：PC服务器或NT服务器。高端服务器：如RISC/UNIX服务器等。选型原则：MAPSS,2020/5/21,18,2.2网络工作站,按照配置的不同，工作站可以分成以下四类第一类，商用台式个人计算机(含笔记本)。第二类，无盘工作站(disklessworkstation)。第三类，网络计算机(NetworkComputer，NC)。第四类，移动网络终端(mobilenetworkterminal)。,2020/5/21,19,2.3网络适配器,作用：是主机系统与局域网之间的硬件接口，因此，网络适配器又称网络接口卡(NetworkInterfaceCard，NIC)，简称网卡。最常见的是ISA和PCI的网卡。,2020/5/21,20,具有不同类型接口的网卡,2020/5/21,21,2.4中继器,中继器使两个远程主机互联,2020/5/21,22,2.5集线器,Hub的功能集线器具有两个功能第一，实现中继功能(它实质上是一个多端口的中继器)；第二，汇接多台主机，因此，它被形象地称为Hub。,2020/5/21,23,2.6网桥,局域网网桥的作用局域网网桥的作用是互联两个局域网，如图所示。,扩展式局域网：LAN通过网桥互联,2020/5/21,24,2.7交换机,1、交换机的作用工作在OSI参考模型的第二层相当于一个多端口的网桥。交换机还具有提高局域网性能的作用。,2020/5/21,25,交换机的基本用途,2020/5/21,26,交换机的基本作用,2020/5/21,27,交换机的分类,(1)桌面交换机：主要特点是端口密度低。桌面型交换机广泛用于办公室、小型计算机机房和业务量较为集中的业务部门。(2)工作组交换机：工作组型交换机的端口密度更高，端口数据率更大。(3)部门交换机：通常在所有端口上支持全双工操作。部门交换机的性能要好于工作组交换机。(4)园区交换机：一般作为网络的骨干交换机，并具有快速数据交换能力和全双工能力。(5)企业交换机：企业交换机的扩展性较好，通常具有非常强大的管理功能，但是它的成本非常高。,2020/5/21,28,交换机应用环境,2020/5/21,29,2.8路由器,路由器的作用工作在OSI参考模型的第三层。当要互联的局域网之间需要对信息交换施加比较严格的控制或者把局域网通过广域网（WAN）与远程的局域网互联时，一般采用路由器作为互联设备。,2020/5/21,30,路由器的分类,按照路由器支持的网络层协议的种类，可以把路由器分成单协议路由器和多协议路由器。按照用途的不同可以把路由器分成内部路由器、接入路由器、汇聚路由器和核心路由器(骨干路由器)。以上三种路由器在网络中的分布关系如图所示。,2020/5/21,31,路由器在网络中的分布关系,2020/5/21,32,集线器、交换机和路由器的区别,集线器：工作在物理层、纯硬件、用于连接网络终端、不能打破冲突域和广播域；交换机：工作在数据链路层、拥有软件系统、用于连接网络终端、能够打破冲突域，但是不能分割广播域。路由器：工作在网络层、拥有软件系统、用于连接网络、可以打破冲突域也可以分割广播域，是连接大型网络的必备设备。,2020/5/21,33,3计算机网络的体系结构3.1计算机网络体系结构的形成,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,2020/5/21,34,两种国际标准,法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。,2020/5/21,35,3.2划分层次的必要性,计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。,2020/5/21,36,划分层次的概念举例,计算机1向计算机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。,2020/5/21,37,两个计算机交换文件,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,2020/5/21,38,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方,把文件交给下层模块进行发送,把收到的文件交给上层模块,通信服务模块,通信服务模块,2020/5/21,39,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,计算机1,计算机2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络接口,网络接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,2020/5/21,40,分层的好处,各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。,2020/5/21,41,层数多少要适当,若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,2020/5/21,42,3.3五层协议的体系结构,TCP/IP是四层的体系结构：应用层、传输层、网络层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。,2020/5/21,43,五层协议的体系结构,应用层(applicationlayer)传输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer),数据链路层,5应用层,4传输层,3网络层,2数据链路层,1物理层,2020/5/21,44,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层PDU,2020/5/21,45,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层PDU再传送到传输层,加上传输层首部，成为传输层报文,2020/5/21,46,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,传输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）,2020/5/21,47,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,IP数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,2020/5/21,48,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,2020/5/21,49,计算机1向计算机2发送数据,应用层(applicationlayer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,计算机1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层,计算机2,2020/5/21,50,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,2020/5/21,51,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层,2020/5/21,52,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,网络层剥去首部，取出数据部分上交给传输层,2020/5/21,53,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,传输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层,2020/5/21,54,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程,2020/5/21,55,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,我收到了AP1发来的应用程序数据！,2020/5/21,56,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用程序数据,10100110100101比特流110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应用程序数据,2020/5/21,57,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,10100110100101比特流110101110101,计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层,2020/5/21,58,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,2020/5/21,59,H3,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给传输层,2020/5/21,60,H4,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,传输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,2020/5/21,61,应用程序数据,H5,应用程序数据,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程,2020/5/21,62,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,我收到了AP1发来的应用程序数据！,2020/5/21,63,3.4协议参考模型层功能,应用层传输层网络层数据链路层物理层,2020/5/21,64,应用层功能,应用层主体是一些与用户网络应用程序配套的协议，例如支持网络管理的简单网络管理协议(SimpleNetworkManagementProtocol，SNMP)，支持电子邮件(E-mail)的简单邮件传输协议(SimpleMailTransferProtocol，SMTP)和邮局协议(ProtocolOfPostoffice，POP)，支持WWW应用的超文本传送协议(HyperTextTransferProtocol，HTTP)，支持域名解析的DNS(DomainNameSystem)等。应用层负责建立应用程序进程之间的连接关系(如用户拨号上网的连接)，提供网络与用户应用软件之间的接口服务。,2020/5/21,65,DNS的功能,DNS的功能是进行域名解析(domainnameresolution)。域名解析的作用是由计算机的名字求解该计算机的网络层协议地址，例如IP协议的IP地址。应用层的数据必须（经传输层）封装到网络层的PDU中才能继续发送，而PDU的头部中包含标识该PDU的发送方和接收方的地址字段。网络层PDU的地址字段中要放入网络层地址，应用层的PDU中放入的是应用层的地址，应用层的地址就是计算机的名字。显然，在封装网络层PDU时要先由计算机名字计算对应的网络层地址。采用的是客户/服务器模式,2020/5/21,66,传输层功能,传输层的核心功能是要在计算机之间提供无差错的数据传输服务。换句话说，接收方传输层提交给高层的数据必须是没有差错的。传输层的下层结构在传送数据时，由于网络拥塞和通信介质上的故障会产生一些差错，例如数据丢失和误码。这些差错是不可避免的。然而，高层结构不能允许数据中存在差错，因此，就需要它采取办法消除下层结构中存在的差错，保证它交给高层的数据是正确无误的。,2020/5/21,67,传输层中的两个协议,传输控制协议TCP传送的数据单位：TCP报文段提供面向连接的服务，提供全双工的和可靠的交付服务。适合于一次传输大批数据的情况不提供广播或多播服务。用户数据报协议UDP传送的数据单位：UDP报文段或用户数据报在传输数据之前不需要事先建立连接。适用于一次传输小量数据提供不可靠的、“尽力而为”的初步传送。数据报的到达和传送包的正确顺序都不能保证,2020/5/21,68,网络层功能,网络层的核心功能是互联不同类型的局域网，例如以太网数据格式与令牌环网数据的格式不一样，要想使它们能够通信，就必须在两种数据格式之间进行转换。路由选择地址解析(addressresolution)拥塞控制(congestioncontrol),2020/5/21,69,数据链路层功能,一条通信介质可以同时传输几路数据，那么它就包含了几条数据链路即多路复用。多路复用包括时分复用(timedivision)和频分复用(frequencydivision)两种。与数据链路相对应，通信介质也称为物理链路，因为它是物理存在的，有没有数据发送它都存在。而数据链路是逻辑存在的，有数据发送时它才产生，数据发送完毕它就被撤掉。数据链路层的主要功能就是数据链路的管理(建立、撤销、标识)和链路复用。另外，数据链路层还具有差错校验功能，以发现数据发送过程中出现的误码。,2020/5/21,70,物理层功能,物理层是协议参考模型中的最低层，它是连接数据终端设备(DTE)和数据电路端接设备(DCE)的接口。典型的DTE是计算机，典型的DCE是Modem和网卡。物理层的功能与发送二进制数据流（比特流）所应遵循的规则有关。把计算机要发送的数据编码成信号，或把从通信介质上接收的信号译码成数据；编码信号对应的比特流的发送与接收；处理用于发送与接收同步的前同步码(preamble)。,2020/5/21,71,4以太网技术,以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法等。,2020/5/21,72,以太网的一般特征,共享媒体：所有网络设备依次使用同一通信媒体广播域：采用CSMA/CD(带冲突检测的载波侦听多路访问机制)介质访问控制方法MAC地址：NIC都采用48位网络地址,2020/5/21,73,以太网分类,2020/5/21,74,以太网的连接,拓扑结构总线型：所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构。星型：管理方便、容易扩展采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上。星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此被绝大部分的以太网所采用。,2020/5/21,75,以太网的连接,传输介质同轴缆双绞线非屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)CAT-3/CAT-5/CAT-5E/CAT-6光纤,2020/5/21,76,以太网的连接,接口的工作模式半双工半双工传输模式实现以太网载波侦听多路访问冲突检测。全双工全双工传输是采用点对点连接这种安排没有冲突，因为它们使用双绞线中两个独立的线路，这等于没有安装新的介质就提高了带宽,2020/5/21,77,以太网的工作原理,CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多路访问机制以太网中主机传输数据的步骤：侦听信道上收否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续侦听，直到信道空闲为止。若没有侦听到任何信号，就传输数据传输的时候继续侦听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新侦听若未发现冲突则发送成功，计算机会返回到侦听信道状态。,2020/5/21,78,共享式以太网和交换式以太网,共享式以太网的典型代表是使用10Base2/10Base5的总线型网络和以集线器为核心的星型网络。从本质上讲，以集线器为核心的以太网同原先的总线型以太网无根本区别。共享式以太网存在的弊端：由于所有的节点都接在同一冲突域中，不管一个帧从哪里来或到哪里去，所有的节点都能接受到这个帧。随着节点的增加，大量的冲突将导致网络性能急剧下降。而且集线器同时只能传输一个数据帧，这意味着集线器所有端口都要共享同一带宽。,2020/5/21,79,共享式以太网和交换式以太网,在交换式以太网中，交换机根据收到的数据帧中的MAC地址决定数据帧应发向交换机的哪个端口。因为端口间的帧传输彼此屏蔽，因此节点就不担心自己发送的帧在通过交换机时是否会与其他节点发送的帧产生冲突。交换式以太网的优点：减少冲突：交换机将冲突隔绝在每一个端口（每个端口都是一个冲突域），避免了冲突的扩散。提升带宽：接入交换机的每个节点都可以使用全部的带宽，而不是各个节点共享带宽。,2020/5/21,80,5-4-3规则,由于通信介质最大长度的限制，因此，较大范围的以太网可以由若干网段通过中继器（或Hub）连接构成。参加联网的网段和中继器(或Hub)的数量是有限制的，它们的数量和连接方法遵守5-4-3规则。,2020/5/21,81,5-4-3的含义,“5”是指网段的最大个数；“4”是指连接网段的中继器的最大个数；“3”是指只有3个网段上有主机。5-4-3规则的示意图如下图所示。,2020/5/21,82,以太网互联的5-4-3规则,2020/5/21,83,5主要网络通信协议,TCP/IP协议IPX/SPX协议NETBEUI协议,2020/5/21,84,TCP/IP协议,灵活性强，支持任意规模的网络，几乎可以连接所有的工作站和服务器使用前要进行配置：IP地址、子网掩码、默认网关、主机名DHCP：动态主机配置协议,2020/5/21,85,IPX/SPX及其兼容协议,网际包交换/顺序包交换IPX：网络层协议，提供分组寻址和选择路由的功能SPX：传输层协议，面向连接的通信方式适用于大型网络，尤其当用户接入NetWare服务器时，IPX/SPX及其兼容协议是最好的选择。,2020/5/21,86,NETBEUI协议,NetBIOS扩展用户接口，是传输层协议NETBEUI专为小型局域网而设计，不具备跨网段功能，即不具备路由功能。优点：占用内存少，无需配置。,2020/5/21,87,6IP地址及其应用,IP地址表示IP地址的编址方法,2020/5/21,88,IP地址及其表示方法,IP地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是惟一的32bit的标识符。IPV4与IPV6地址：32-128带宽安全性和QoS,2020/5/21,89,IP地址的编址方法,分类的IP地址。这是最基本的编址方法，在1981年就通过了相应的标准协议。子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准RFC950在1985年通过。,2020/5/21,90,分类IP地址,每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号host-id，它标志该主机（或路由器）。两级的IP地址可以记为：IP地址:=,(6-1),2020/5/21,91,net-id24bit,host-id24bit,net-id16bit,net-id8bit,IP地址中的网络号字段和主机号字段,0,A类地址,host-id16bit,B类地址,C类地址,0,1,1,D类地址,1110,多播地址,E类地址,保留为今后使用,11110,0,1,2020/5/21,92,点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,1,12811331,将每8bit的二进制数转换为十进制数,2020/5/21,93,常用的三种类别的IP地址,IP地址的使用范围,网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数A126(272)112616,777,214B16,384(214)128.0191.25565,534C2,097,152(221)192.0.0223.255.255254,2020/5/21,94,划分子网,从两级IP地址到三级IP地址在ARPANET的早期，IP地址的设计确实不够合理。IP地址空间的利用率有时很低。给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。两级的IP地址不够灵活。,2020/5/21,95,从1985年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的IP地址变成为三级的IP地址。这种做法叫作划分子网(subnetting)。划分子网已成为因特网的正式标准协议。,三级的IP地址,2020/5/21,96,划分子网纯属一个单位内部的事情。这个单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个比特作为子网号subnet-id，而主机号host-id也就相应减少了若干个比特。IP地址:=,(6-2),划分子网的基本思路,2020/5/21,97,凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网。最后就将IP数据报直接交付给目的主机。,划分子网的基本思路（续）,2020/5/21,98,当没有划分子网时，IP地址是两级结构，地址的网络号字段也就是IP地址的“因特网部分”，而主机号字段是IP地址的“本地部分”。划分子网后IP地址就变成了三级结构。划分子网只是将IP地址的本地部分进行再划分，而不改变IP地址的因特网部分。,划分子网后变成了三级结构,2020/5/2