计算机网络系统培训资料

2010.12计算机网络系统讲解内容Computer Network System目录一、概述二、计算机网络分类三、计算机网络体系结构和协议四、计算机网络拓扑结构五、计算机网络设备 计算机网络系统不仅仅是指原来单纯的计算机工作站连网,而是牵涉到大量系统的集成。一个好的网络,不但可实现数据、软件、打印机以及Internet等资源的共享,而且可与楼宇控制、安防报警、智能卡等系统连接起来,实现更方便、快捷的管理、维护和扩充。计算机网络包括前期布线工作(在综合布线系统中、网络交换设备、网络接入设备、网络互连设备、网络服务器、工作站、网络外部设备、网络操作系统、网络应用平台和应用软件、网络管理系统、网络安全软硬件等。不同的计算机网络之间通过网际协议实现相互访问,不同的网际协议之间通讯可以通过路由实现,网络的安全通过软硬件防火墙保护,网络应用平台和软件在应用层工作,布线系统确保网络物理连通。一、概述LANPA系统安保系统楼控系统门禁系统AP&PDA各类工作站专业服务器主服务器共享数据库通信系统能源监控wan二、计算机网络分类计算机分类可以从不同的角度进行,常见的分类的有:1、从通讯手段上来分:有线网络、无线网络、光纤网络、人造卫星网络等2、从应用角度来分:专用网络、公共数据网络、综合业务网络等3、从覆盖范围大小来分类:局域网(LAN、广域网(WAN、城域网(MAN等局域网(LAN:一个有限的范围内(一般是几公里到几十公里范围,将各种计算机、外设和通信设备互联在一起的网络系统;广域网(WAN:几十、几百公里的网络系统;城域网(MAN :专指覆盖一个城市的网络系统;三、计算机网络结构和协议目前世界上存在两种类型的标准:国际标准(ISO的OSI参考模型和工业标准(TCP/IP协议标准。常用的几个标准化组织有:ISO(国际标准化组织、IEEE(电气与电子工程师学会、ITU-T(国际电信联盟的电信标准化委员会、ANSI(美国国家标准学会ISO(国际标准化组织:OSI的七层参考模式到各层协议及其相关技术的一系列标准;(1物理层(Physical Layer(2数据链路层(Data Link Layer(3网络层(Network Layer(4传输层(Transport Layer(5会话层(Session Layer(6表示层(Presentation Layer(7应用层(Application Layer常常把上面的7个层次分为低层与高层。低层为14层,是面向通信的,高层为57层,是面向信息处理的。7个层次主要功能描述如下:(1物理层(Physical Layer物理层是OSI参考模型的最低层,它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流。(2数据链路层(Data Link Layer数据链路层是为网络层提供服务的,该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段,将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。此外,数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率,即进行流量控制,以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。(3网络层(Network Layer网络层是为传输层提供服务的,传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题,即通过路径选择算法(路由将数据包送到目的地。另外,为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞,需要对流入的数据包数量进行控制(拥塞控制。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时,还要解决网际互连的问题。(4传输层(Transport Layer传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务,包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节,使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。传输层传送的协议数据单元称为段或报文。(5会话层(Session Layer会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信(对话,即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如,一个交互的用户会话以登录到计算机开始,以注销结束。(6表示层(Presentation Layer表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题,以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要,该层可提供一种标准表示形式,用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。(7应用层(Application Layer应用层是OSI参考模型的最高层,是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求,如文件传输、收发电子邮件等。让装有不同操作系统的不同类型计算机互相通讯,而建立起来的统一标准协议(TCP/IP;而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为:OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较应用层:应用程序间沟通的层,如简单电子邮件传输(SMTP、文件传输协议(FTP、网络远程访问协议(Telnet等。传输层:在此层中,它提供了节点间的数据传送,应用程序之间的通信服务,主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。如传输控制协议(TCP、用户数据报协议(UDP等,TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中,这一层负责传送数据,并且确定数据已被送达并接收。互连网络层:负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收,如网际协议(IP。网络接口层(主机-网络层:接收IP数据包并进行传输,从网络上接收物理帧,抽取IP数据报转交给下一层,对实际的网络媒体的管理,定义如何使用实际网络(如Ethernet、Serial Line 等来传送数据。IEEE标准针对OSI模型的物理层与链路层IEEE委员会制定局域网的一系列标准,常用的几个标准如下:802.1-提供高层标准的框架,包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。802.2-连接链路控制LLC,提供OSI数据链路层的高子层功能,提供LAN 、MAC子层与高层协议间的一致接口。802.3-以太网规范,定义CSMA/CD标准的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范。802.4-令牌总线网。定义令牌传递总线的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范。802.5-令牌环线网,定义令牌传递环的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范。802.6-城域网MAN,定义城域网(MAN的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范(DQDB分布队列双总线。802.7-宽带技术咨询组,为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询。802.8-光纤技术咨询组,为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议和咨询。802.9-综合话音/数据局域网(IVD LAN 。定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据局域网(包括IVD LAN、MAN、WAN 的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范。802.10-可互操作局域网安全标准(SILS 。定义局域网互连安全机制。802.11-无线局域网。定义自由空间媒体的媒体访问控制(MAC子层和物理层规范。802.12-按需优先(100VG-ANYLAN 。定义使用按需优先访问方法的100Mpbs 的以太网标准。无线网络的标准如下IEEE 802.11a:使用5GHz频段,传输速度54Mbps,与802.11b不兼容IEEE 802.11b :使用2.4GHz频段,传输速度11MbpsIEEE 802.11g :使用2.4GHz频段,传输速度主要有54Mbps、108Mbps,可向下兼容802.11bIEEE 802.11n草案:使用2.4GHz频段,传输速度可达300Mbps,目前标准尚为草案,但产品已层出不穷计算机网络的拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式,在局域网中服务器、工作站和电缆等的连接形式。现在最主要的拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑以及它们的混合型。1、总线拓扑结构将网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到公共总线上,结点之间按广播方式通信,一个结点发出的信息,总线上的其它结点均可接收到。优点:结构简单、布线容易、可靠性较高,易于扩充,节点的故障不会殃及系统,是局域网常采用的拓扑结构。缺点:所有的数据都需经过总线传送,总线成为整个网络的瓶颈;出现故障诊断较为困难。另外,由于信道共享,连接的节点不宜过多,总线自身的故障可以导致系统的崩溃。最著名的总线拓扑结构是以太网(Ethernet。2. 星型拓扑结构是一种以中央节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局域网,特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。这种连接方式以双绞线或同轴电缆作连接线路。优点:结构简单、容易实现、便于管理,通常以集线器(Hub作为中央节点,便于维护和管理。缺点:中心结点是全网络的可靠瓶颈,中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。3. 环形拓扑结构各结点通过通信线路组成闭合回路,环中数据只能单向传输,信息在每台设备上的延时时间是固定的。特别适合实时控制的局域网系统。优点:结构简单,适合使用光纤,传输距离远,传输延迟确定。缺点:环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈,任意结点出现故障都会造成网络瘫痪,另外故障诊断也较困难。最著名的环形拓扑结构网络是令牌环网(Token Ring4. 树型拓扑结构是一种层次结构,结点按层次连结,信息交换主要在上下结点之间进行,相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。优点:连结简单,维护方便,适用于汇集信息的应用要求。缺点:资源共享能力较低,可靠性不高,任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运行。5. 网状拓扑结构又称作无规则结构,结点之间的联结是任意的,没有规律。优点:系统可靠性高,比较容易扩展,但是结构复杂,每一结点都与多点进行连结,因此必须采用路由算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。6.混合型拓扑结构就是两种或两种以上的拓扑结构同时使用。优点:可以对网络的基本拓扑取长补短。缺点:网络配置挂包那里难度大。7.蜂窝拓扑结构蜂窝拓扑结构是无线局域网中常用的结构。它以无线传输介质(微波、a卫星、红外线、无线发射台等点到点和点到多点传输为特征,是一种无线网,适用于城市网、校园网、企业网,更适合于移动通信。8.卫星通信拓扑结构五、计算机网络设备该部分主要分为以下三个方面考虑:网络传输介质网络连接设备网络互连设备1、网络传输介质双绞线光纤同轴电缆分为两种:一种为50欧电缆,用于数字传输,称为基带同轴电缆;另一种为75欧电缆用于传输模拟信号,主要用于有线电视系统,也可以传输高速数字信号无线传输媒体通过红外线、激光、微波、无线电波将信号发送出去;目前常用到的为微波。2、网络连接设备中继器(REPEATER 作用:中继器是网络物理层上面的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连,主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发,来扩大网络传输的距离。中继器是对信号进行再生和还原的网络设备OSI 模型的物理层设备。集线器(Hub 作用:对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI参考模型第一层,即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样,属于局域网中的基础设备,采用CSMA/CD(一种检测协议访问方式。1、按结构和功能分类(1未管理的集线器最简单的集线器通过以太网总线提供中央网络连接,以星形的形式连接起来。这称之为未管理的集线器,只用于很小型的至多12个节点的网络中(在少数情况下,可以更多一些。未管理的集线器没有管理软件或协议来提供网络管理功能,这种集线器可以是无源的,也可以是有源的,有源集线器使用得更多。(2堆叠式集线器堆叠式集线器是稍微复杂一些的集线器。堆叠式集线器最显著的特征是8个转发器可以直接彼此相连。这样只需简单地添加集线器并将其连接到已经安装的集线器上就可以扩展网络,这种方法不仅成本低,而且简单易行。(3 底盘集线器底盘集线器是一种模块化的设备,在其底板电路板上可以插入多种类型的模块。有些集线器带有冗余的底板和电源。同时,有些模块允许用户不必关闭整个集线器便可替换那些失效的模块。集线器的底板给插入模块准备了多条总线,这些插入模块可以适应不同的段,如以太网、快速以太网、光纤分布式数据接口(Fiber Distributed Data Interface,FDDI和异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM中。有些集线器还包含有网桥、路由器或交换模块。有源的底盘集线器还可能会有重定时的模块,用来与放大的数据信号关联。2、按局域网的类型分类(1单中继网段集线器最简单的集线器,是一类用于最简单的中继式LAN网段的集线器,与堆叠式以太网集线器或令牌环网多站访问部件(MAU等类似。(2多网段集线器从单中继网段集线器直接派生而来,采用集线器背板,这种集线器带有多个中继网段。其主要优点是可以将用户分布于多个中继网段上,以减少每个网段的信息流量负载,网段之间的信息流量一般要求独立的网桥或路由器。(3端口交换式集线器该集成器是在多网段集线器基础上,将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化,并通过增加端口交换矩阵(PSM来实现的集线器。PSM可提供一种自动工具,用于将任何外来用户端口连接到集线器背板上的任何中继网段上。端口交换式集线器的主要优点是,可实现移动、增加和修改的自动化特点。(4网络互联集线器端口交换式集线器注重端口交换,而网络互联集线器在背板的多个网段之间可提供一些类型的集成连接,该功能通过一台综合网桥、路由器或LAN交换机来完成。目前,这类集线器通常都采用机箱形式。(5交换式集线器目前,集线器和交换机之间的界限已变得模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板,采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市,并且混合的(中继/交换集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出,这类集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。交换机 概念:交换机,英文名称为Switch,也称为交换式集线器,它是一种基于MAC地址(网卡的硬件地址识别,能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。特点:拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵所有的端口都挂接在这条背板总线上控制电路收到数据包以后,处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC地址的网卡(NIC挂接在哪个端口上,通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口目的MAC若不存在广播到所有的端口,接收端口回应后交换机会“学习”新的地址,并把它添加入内部MAC地址表中。交换机的交换模式:存储转发(Store and Forward特点:交换机接收到数据包后,首先将数据包存储到缓冲器中,进行CRC循环冗余校验,如果这个数据包有CRC错误,则该包将被丢弃;如果数据包完整,交换机查询地址映射表将其转发至相应的端口。优点:没有残缺数据包转发,可减少潜在的不必要的数据转发缺点:转发速率比直接转发方式慢。适用环境:存储转发技术适用于普通链路质量或质量较为恶劣的网络环境,这种方式要对数据包进行处理,所以,延迟和帧的大小有关。直通交换(CutThrough特点:交换机只读出数据帧的前6个字节,即通过地址映射表中查找目标地址,将数据帧传送到相应的端口上。直通交换能够实现较少的延迟,因为在数据帧的目的地址被读出,确定了转发端口后马上开始转发这个数据帧。优点:转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率缺点:会给整个交换网络带来许多垃圾通信包适用环境:网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境,延迟时间跟帧的大小无关。碎片丢弃(Fragmentfree特点:这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节,如果小于64字节,说明是假包,则丢弃该包;如果大于等于64字节,则发送该包。优点:数据处理速度比存储转发方式快缺点:比直通式慢适用环境:一般的通讯链路交换机与集线器的主要区别:(1在OSI/RM网络体系结构中的工作层次不同集线器工作在物理层,而交换机工作在数据链路层。更高级的交换机可以工作在第三层(网络层、第四层(传输层或更高层。(2数据传输方式不同集线器的数据传输方式是广播(broadcast方式,即所有端口处在一个冲突域中;而交换机的数据传输一般只发生在源端口和目的端口之间,即交换机的每个端口处在不同的冲突域。(3带宽占用方式不同集线器所有端口共享集线器的总带宽,而交换机的每个端口都具有自己独立的带宽。(4传输模式不同集线器采用半双工方式进行数据传输;交换机采用全双工方式来传输数据。Hub冲突域Switch冲突域1冲突域2交换机的分类从应用区域划分:广域网交换机和局域网交换机广域网交换机: 主要应用于电信领域,提供通信基础平台。局域网交换机则: 应用于局域网络,用于连接终端设备,如PC机及网络打印机等。按组建园区网的网络拓扑结构层次,可划分为:接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。核心层交换机: 一般采用机箱式模块化设计,机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等,具有很高的背板容量;汇聚层交换机: 可以是机箱式模块化交换机,也可以是固定配置的交换机,具有较高的接入能力和带宽,一般会包含光端口、高速电口等端口;接入层交换机: 一般是固定配置的交换机,端口密度较大,具有较高的接入能力,以10/100M 端口为主,以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。根据传输介质、传输速度以及发展历史上看,局域网交换机有这样一些类型: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FDDI交换机ATM交换机令牌环交换机根据架构特点,人们还将局域网交换机分为机架式带扩展槽固定配置式不带扩展槽固定配置式按照OSI的七层网络模型,交换机又可以分为:第二层交换机第三层交换机第四层交换机第七层交换机基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍,用于网络接入层和汇聚层。基于IP地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层,也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能,可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。第四层以上的交换机称之为应用型交换机,主要用于互联网数据中心。按照交换机的可管理性,可分为:可管理型交换机和不可管理型交换机两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管理型交换机便于网络监控、流量分析,但成本也相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机,在接入层视应用需要而定,核心层交换机则全部是可管理型交换机。从应用的角度划分,交换机又可分为:电话交换机(PBX:主要应用于电信领域,提供语音通讯。数据交换机(Switch:应用于计算机网络。交换机的主要性能指标:背板带宽与端口速率模块化与固定配置专用芯片与通用芯片单/多MAC地址类型背板带宽与端口速率背板带宽和端口速率是衡量交换机的交换能力的主要参数。背板带宽:指通过交换机所有通信的最大值。交换机的端口速率:每秒通过的比特数。10Mbps100Mbps1000Mbps10000Mbps模块化与固定配置模块化交换机:具有很强的可扩展性,可在机箱内提供一系列扩展模块,如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等,所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机一般作为骨干交换机来使用。固定配置交换机:一般具有固定端口配置,固定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机,但是价格要低得多。专用芯片与通用芯片X86:通用计算机芯片ASIC:(Application-Specific-Integrated Circuit NP:专用网络处理器单/多MAC地址类型单MAC交换机:每个端口只有一个MAC地址多MAC交换机:每个端口捆绑有多个MAC硬件地址单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共享资源或非桥接路由器,它们不能用于连接集线器或含有多个网络设备的网段;多MAC交换机的每个端口可以看作是一个集线器,而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。交换机的接口类型交换机的接口是随着网络类型的变化和传输介质的发展而产生的不同的接口规格,主要有:双绞线RJ-45接口光纤接口AUI接口与BNCConsole接口FDDI接口双绞线RJ-45接口数量最多、应用最广的一种接口类型,它属于以太网接口类型。它不仅在最基本的10Base-T以太网网络中使用,还在目前主流的100Base-TX快速以太网和1000Base-TX千兆以太网中使用。光纤接口目前光纤传输介质发展相当迅速,各种光纤接口也是层出不穷,分别应用于100Base-FX、1000Base-FX等网络中。在局域网交换机中,SC类型是一种常见的光纤接口,SC接口的芯在接头里面,右图所示的是一款100Base-FX网络的SC光纤接口模块。AUI接口这是专门用于连接粗同轴电缆的,目前这种网络在局域网中已不多见。现在部分交换机保留了AUI接口。AUI接口是一个15针“D”形接口,类似于显示器接口。这种接口在其他网络设备中也可以见到,如路由器,甚至服务器中。右图中所示的是交换机上的AUI接口示意图。BNC 接口这是专门用于连接细同轴电缆的接口,目前提供这种接口的交换机比较少见。个别交换机保留BNC接口,主要是用于与细同轴电缆作为传输介质的令牌网络连接。右图是BNC接口的网卡。Console接口用于配置交换机而使用的接口。不同交换机的Console接受有所不同,有些与Cisco路由器一样采用RJ-45类型Console接口,而有的则采用串口作为Console接口。FDDI接口在早期的100Mbps时代,还有一种FDDI网络类型,即“光纤分布式数据接口”,其传输介质也是光纤,其接口类型如右图。目前由于它的优势不明显,已经很少见了。交换机的连接方式我们常见的网络都是多台网络设备连接在一起,我们来看交换机之间有哪些连接方式:级联冗余堆叠级联是最常见的连接方式,即使用网线将两个交换机连接起来。有使用光纤介质连接和双绞线介质连接两种情况。光纤介质连接:直接连接的两个交换机端口要保证一致的光纤规格、端口速率,发送信号光纤端口与接收信号光纤端口相连。双绞线介质连接:分普通端口和使用Uplink端口级联两种情况。普通端口之间相连,使用交叉双绞线;一台交换机使用UPlink端口相连使用直通双绞线。冗余Spanning Tree冗余连接:工作方式是Stand By,一条链路在工作,其余链路处于待机(Stand By状态,效率没有提高,可靠性提高。Port Trunking连接:多条冗余连接链路实现负载分担。交换机之间联结带宽成倍提高,可靠性已得到增强。堆叠只有支持堆叠的交换及之间才可进行堆叠,使用专用的堆叠线通过交换机上提供的堆叠接口使用一定的连接方式连接起来。多台交换机的堆叠是靠一个提供背板总线带宽的多口堆叠母模块与单口的堆叠子模块相连实现的,并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。堆叠与级联的区别:连接方式不同:级联是两台交换机通过两个端口互联,而堆叠是交换机通过专门的背板堆叠模块相连。堆叠可以增加设备总带宽,而级联是不能增加设备的总带宽。通用性不同:级联可通过光纤或双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间进行连接,而堆叠只有在自己厂家的设备之间,且设备必须具有堆叠功能才可实现。连接距离不同:级联的设备之间可以有较远的距离(100米-几百米,而堆叠的设备之间距离十分有限,必须在几米以内。路由器: 定义:路由器是工作在OSI参考模型第三层网络层的数据包转发设备。路由器通过转发数据包来