第二章_IP网络基础

1、 GEPON培训UT斯达康大学版权所有2课程介绍l本课程主要包含以下内容：本课程主要包含以下内容： 网络分类网络分类 OSI参考模型参考模型 TCP/IP与子网划分与子网划分 Ethernet工作原理工作原理 组播原理组播原理UT斯达康大学版权所有3课程目标l通过学习本课程，您可以完成以下任务：通过学习本课程，您可以完成以下任务： 能够描述出能够描述出OSI参考模型结构和各层功能；参考模型结构和各层功能； 能够独立完成网络能够独立完成网络IP地址规划；地址规划； 能够描述出能够描述出Ethernet工作原理；工作原理； 能够描述出能够描述出IGMP协议原理。协议原理。UT斯达康大学版权所有4课

2、程内容 OSI参考模型参考模型 TCP/IP与子网划分与子网划分 Ethernet工作原理工作原理 组播原理组播原理UT斯达康大学版权所有5网络的互联l计算机互连计算机互连l网络基本意义网络基本意义资源共享资源共享资料共用资料共用信息交换信息交换UT斯达康大学版权所有6网络的分类l按网络的距离和复杂性分类按网络的距离和复杂性分类 局域网局域网(Local Area Network, LAN) ： 范围最小、协议最简单。 典型代表企业网 城域网城域网(Metropolitan Area Network, MAN) ： 范围居中、协议复杂度居中 典型代表城市网 广域网广域网(Wide Area N

3、etwork, WAN)： 范围最大、协议最复杂 典型代表INTERNETUT斯达康大学版权所有7局域网lLAN定义定义 通常指通常指1000英尺以内的，可以通过某种介质互英尺以内的，可以通过某种介质互联的计算机、打印机、联的计算机、打印机、Modem或其它设备的或其它设备的集合；集合；lLAN常见设备常见设备 HUP 交换机交换机 路由器路由器HUB交换机路由器UT斯达康大学版权所有8lWAN定义定义 大范围内提供数据通信服务大范围内提供数据通信服务lWAN分类分类 PSTN / X.25 ISDN / Frame Relay DDN / ATMlWAN常见设备常见设备 Modem / 路由

4、器路由器 ATM Switch / WAN Switch Access Server广域网路由器ModemWAN SwitchAccess ServerATM SwitchUT斯达康大学版权所有9课程内容 网络分类网络分类 TCP/IP与子网划分与子网划分 Ethernet工作原理工作原理 组播原理组播原理UT斯达康大学版权所有10OSI参考模型物理层 Physical Layer数据链路层 Data Link Layer网络层 Network Layer传输层 Transport Layer会话层 Session Layer表示层 Presentation Layer应用层 Applicat

5、ion Layer应用层数据流层UT斯达康大学版权所有11应用层主要功能 分离不同应用程序的数据分离不同应用程序的数据 用户接口用户接口 数据是如何表示的数据是如何表示的 加密等功能加密等功能TelnetSMTPFTPHTTPASCIIMPEGJPEGQuick TimeMIDISQLNFSRPC传输层传输层数据链路层数据链路层 网络层网络层物理层物理层典型代表典型代表会话层会话层表示层表示层应用层应用层UT斯达康大学版权所有12数据流层主要功能TCPUDPSPX802.2802.3HDLCEIA/TIA-232V.35IPARPIPXICMP典型代表典型代表传输层传输层 数据链路层数据链路层

6、物理层物理层 可靠或不可靠的数据传输可靠或不可靠的数据传输 数据重传前的错误纠正数据重传前的错误纠正 将比特组合成字节进而组合成帧将比特组合成字节进而组合成帧 用用MAC地址访问介质地址访问介质 错误发现但不能纠正错误发现但不能纠正 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等网络层网络层 提供路由器用来决定路径的逻辑寻址提供路由器用来决定路径的逻辑寻址表示层表示层会话层会话层应用层应用层UT斯达康大学版权所有13数据的封装传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 上层数据上层数据上层数据上层数据TCP 头头TCP+数据数据IP

7、 头头IP+TCP+数据数据LLC 头头0101110101001000010LLC+IP+TCP+数据数据MAC 头头表示层表示层应用层应用层会话层会话层段段包包比特比特帧帧FCSFCSPDU发送发送UT斯达康大学版权所有14数据的解封装传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 表示层表示层应用层应用层会话层会话层接收接收上层数据上层数据LLC 头头 + IP + TCP + 上层数据上层数据MAC 头头IP + TCP +上层数据上层数据TCP+上层数据上层数据上层数据上层数据0101110101001000010LLC 头头IP 头头TCP 头头UT斯达康大学版权所有

8、15OSI模型第一层：物理层l物理层定义了物理层定义了 接口类型：连接器型式及插针分配接口类型：连接器型式及插针分配 电器特性：接口电气信号特性电器特性：接口电气信号特性 功能特性：数据传送、控制、定时、接地功能特性：数据传送、控制、定时、接地l介质类型：介质类型： 双绞线双绞线(Twisted-Pair)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(Unshielded Twist-Pair)屏蔽双绞线屏蔽双绞线(Shielded Twist-Pair) 同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable) 光纤光纤(Fiber)单模单模(Single Mode)多模多模(Multi-Mode) 无线无线(Wirel

9、ess)UT斯达康大学版权所有16物理层设备l集线器集线器 所有设备属于同一个冲突域，使用所有设备属于同一个冲突域，使用CSMA/CD机制机制 所有设备属于同一个广播域所有设备属于同一个广播域 多台设备之间共享同一带宽多台设备之间共享同一带宽ABCDHUPServerUT斯达康大学版权所有17OSI模型第二层：数据链路层l数据链路层定义了数据链路层定义了 源地址和目的地址源地址和目的地址 上一层协议的接口上一层协议的接口 网络的拓扑结构网络的拓扑结构 数据帧的顺序数据帧的顺序 流量控制流量控制 基于连接或者非连接基于连接或者非连接Data LinkPhysicalEIA/TIA-232v.35

10、EthernetFrame RelayHDLC802.2802.3UT斯达康大学版权所有18数据链路层帧格式lIEEE Ethernet数据链路层数据链路层 LLC子层子层(802.2): Logical Link Control MAC子层子层(802.3): Media Access ControlData源地址FCSLength目的地址可变2664Preamble80000.0C(24)厂商分配IEEE分配xx.xxxx(24)Ethernet使用Type用于标识网络层的协议类型UT斯达康大学版权所有19数据链路层设备l交换机交换机 一个广播域一个广播域,多个冲突域多个冲突域 每一个网段

11、属于一个冲突域每一个网段属于一个冲突域 所有网段属于一个广播域所有网段属于一个广播域l网桥网桥 多端口的交换机多端口的交换机1234UT斯达康大学版权所有20交换机和桥Memory交换机交换机l交换机和桥交换机和桥 隔离冲突域隔离冲突域 不能隔离广播域不能隔离广播域UT斯达康大学版权所有21OSI模型第三层：网络层l网络层定义了网络层定义了 定义了源设备和目的设备定义了源设备和目的设备 的逻辑地址的逻辑地址 定义了通过网络的路径定义了通过网络的路径 连接多条数据链路连接多条数据链路l网络层功能网络层功能 广播控制广播控制 组播控制组播控制 选择最优路径选择最优路径 流量管理流量管理 提供逻辑地

12、址提供逻辑地址NetworkIP, IPX，ICMPData LinkPhysicalEIA/TIA-232v.35EthernetFrame RelayHDLC802.2802.3UT斯达康大学版权所有22网络层功能路由表NETINT Metric124S0S0E01001.04.01.3E04.3S02.2E02.1S01.2路由表NETINTMetric124E0S0S0001UT斯达康大学版权所有23网络层设备l路由器路由器 隔离冲突域和广播域隔离冲突域和广播域 完成网络层各种功能完成网络层各种功能l三层交换机三层交换机 带有路由功能的交换机带有路由功能的交换机 隔离

13、冲突域和广播域隔离冲突域和广播域Internet路由器交换机UT斯达康大学版权所有24OSI模型第四层：传输层网络层网络层IPXIP传输层传输层SPXTCPUDPl网络层功能网络层功能 区分上层协议区分上层协议 在应用程序之间建在应用程序之间建立端到端的连接立端到端的连接 流量控制流量控制 提供可靠的或可靠提供可靠的或可靠的数据传输的数据传输UT斯达康大学版权所有25课程内容 网络分类网络分类 OSI参考模型参考模型 Ethernet工作原理工作原理 组播原理组播原理UT斯达康大学版权所有26TCP/IP协议族应用层应用层表达层表达层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理

14、层物理层应用层应用层传输层传输层网际层网际层网络接入层网络接入层OSI参考模型参考模型TCP/IP协议族协议族HTTP、FTP、Telnet、SMTP等TCP、UDPIP、ICMP、ARP、RARPEthernet、Token RingUT斯达康大学版权所有27IP报文结构Version(4)Destination IP Address (32)Options (0 or 32 if any)Data (varies if any)Bit 0Bit 15Bit 16Bit 31HeaderLength (4)Priority & Type of Service (8)Total Len

15、gth (16)Identification (16)Flags(3)Fragment offset (13)Time to live (8)Protocol (8)Header checksum (16)Source IP Address (32)20BytesUT斯达康大学版权所有28协议字段传输层传输层网际层网际层TCPUDPIP176UT斯达康大学版权所有29IP地址255255255255IP地址格式地址格式点分十进制点分十进制网络号网络号主机号主机号1286432168421 10101100 00010000 01111010 11001100二进制二进制 172 16 122

16、204例子例子128643216842112864321684211286432168421255255255255255255 11111111 11111111 11111111 1111111118 916 1724 253225532 Bits1 Bits32 BitsUT斯达康大学版权所有30IP地址分类A类类B类类C类类D类类范围（范围（224239）组播使用）组播使用0NNNNNNN主机号主机号主机号主机号主机号主机号网络号网络号主机号主机号主机号主机号网络号网络号主机号主机号主机号主机号组播组号组播组号组播组号组播组号组播组号组播组号范围（范围（192223）范围（范围（128

17、191）范围（范围（1126）10NNNNNN110NNNNN1110MMMM32 Bits1 Bits32 BitsUT斯达康大学版权所有31计算可用的主机地址 11111111 10101100 00010000 00000000 0000000016151413121110 987654321 00000000 00000001 11111111 11111111 11111111 11111110. 00000000 00000011 11111101123655346553565536-.2655342N-2 = 216-2 = 65534网络号网络号网络号网络号主机号主机号主机号主

18、机号1721600UT斯达康大学版权所有32子网掩码IP地址地址2552558018025516172网络号网络号主机号主机号 缺省子网掩码缺省子网掩码 11111111 11111111 00000000 0000000025525500网络号网络号主机号主机号 80/16255255111111111111111111000000000000002位子网掩码位子网掩码255255网络号网络号主机号主机号 0子网号子网号 19280/18UT斯达康大学版权所有33子网计算开始多少个有效子网？每个子网有效主机数量每个有效子网地址每个子网广播地址每个子

19、网有效主机地址801801617280/18192025525511000000000000001111111111111111编号编号1234子网地址子网地址0.064.0128.0192.0广播地址广播地址63.255127.255191.255255.255第一个主机第一个主机地址地址0.164.1128.1192.1最后一个主最后一个主机地址机地址63.254127.254191.254255.254UT斯达康大学版权所有34TCP报文结构Source port (16)Destination port (16)Sequence number (32)Header

20、length (4)Acknowledgement number (32)Reserved (6)Code bits (6)Window (16)Checksum (16)Urgent (16)Options (0 or 32 if any)Data (varies)20BytesBit 0Bit 15Bit 16Bit 31UT斯达康大学版权所有35端口号TCPFTPTELNETDNSSNMPTFTPSMTPUDP2123255369161RIP520UT斯达康大学版权所有36TCP包的发送、确认和滑动窗口滑动窗口 = 2发送发送 1 1接收接收 1 1接收接收 ACK 3ACK 3发送发送

21、 ACK 3ACK 3发送发送3 3接收接收 3 3接收接收 ACK4ACK4发送发送 4 4接收接收 4 4接收接收 ACK 5ACK 5发送发送 ACK 5ACK 5发送发送 2 2接收接收 2 2滑动窗口 = 2滑动窗口 = 2发送发送4 4发送发送 ACK 4ACK 4滑动窗口 =1滑动窗口 = 2滑动窗口 = 2滑动窗口 = 2滑动窗口 =1UT斯达康大学版权所有37UDP报文格式UDP报文中没有序列号和确认字段Source port (16)Destination port (16)Length (16)Data (if any)Bit 0Bit 15 Bit 16Bit 31Ch

22、ecksum (16)8BytesUT斯达康大学版权所有38课程内容 网络分类网络分类 OSI参考模型参考模型 TCP/IP与子网划分与子网划分 组播原理组播原理UT斯达康大学版权所有39Ethernet原理lCSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测l数据发送过程数据发送过程 C和和S检测当前网络是否空闲；检测当前网络是否空闲； 开始发送数据；开始发送数据； 检测到冲突后，停止发送数据检测到冲突后，停止发送数据 等待一个随机时间，继续发送数据等待一个随机时间，

23、继续发送数据. .ABCSUT斯达康大学版权所有40帧交换方式l直接转发直接转发 交换机检测到目标地址后即转发帧交换机检测到目标地址后即转发帧l存储转发存储转发 完整地收到帧并检查无错后才转发完整地收到帧并检查无错后才转发l片段转发片段转发 交换机检测到帧的前交换机检测到帧的前64字节后即转发字节后即转发FrameFrameFrameFrameFrameUT斯达康大学版权所有41交换机主要功能l交换机的三个功能交换机的三个功能 地址学习地址学习 帧的转发和过滤帧的转发和过滤 回路预防回路预防UT斯达康大学版权所有42交换机学习主机位置MAC地址表地址表0260.8c01.11110260.8c

24、01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCDl开机时交换机的开机时交换机的MAC地址表是空的地址表是空的UT斯达康大学版权所有43交换机学习主机位置(Con.)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBAMAC地址表地址表l主机主机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机Cl交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机A的的MAC地址地址 对应端口对应端口E0l该数据帧转发到除端口该

25、数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口以外的其它所有端口 (不清楚不清楚目标主机位置，采用用泛洪发送数据目标主机位置，采用用泛洪发送数据)UT斯达康大学版权所有44交换机学习主机位置(Con.)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E3: 0260.8c01.4444E0E1E2E3DCABMAC地址表地址表l主机主机D发送数据帧给主机发送数据帧给主机Cl交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机D的的MAC地址对应端口地址对应端口E03l

26、该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口以外的其它所有端口 (不清楚不清楚目标主机位置，采用用泛洪发送数据目标主机位置，采用用泛洪发送数据)UT斯达康大学版权所有45过滤数据帧E0: 0260.8c01.1111E2: 0260.8c01.2222E1: 0260.8c01.3333E3: 0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMAC地址表地址表l交换机如何过滤数据帧交换机如何过滤数据帧 交换机交换机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 在地址

27、表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转发接转发UT斯达康大学版权所有46冗余的拓扑结构l优势优势 冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题通问题l问题问题 广播风暴广播风暴 重复帧重复帧 MAC地址表不稳定地址表不稳定UT斯达康大学版权所有47服务器服务器 X X路由器路由器 R R 广播广播交换机交换机 A A交换机交换机 B Bl广播风暴的产生广播风暴的产生 服务器服务器X发送一个广播发送一个广播 交换机交换机A收到广播后，将转发广播收到广播后，将转发广播广播风暴UT斯达康大学版权所有48服务器服务器 X

28、 X路由器路由器 Y Y 广播广播交换机交换机 A A交换机交换机 B B 交换机交换机B收到交换机收到交换机A的广播后将转发广播的广播后将转发广播 交换机交换机A收到交换机收到交换机B的广播后将转发广播的广播后将转发广播 引起广播风暴引起广播风暴广播风暴(Con.)UT斯达康大学版权所有49生成树协议STPSegment 1Segment 1Segment 2Segment 2服务器服务器 X X路由器路由器 R R阻塞阻塞xl生成树协议生成树协议 Spanning Tree Protocol 通过关闭网络中部分交换机的部分端口来避免通过关闭网络中部分交换机的部分端口来避免网络中出现环路网络

29、中出现环路UT斯达康大学版权所有50lSTP工作方式工作方式 在每个网络中选择一个根交换机在每个网络中选择一个根交换机(root bridge) 每个交换机中选择一个根端口每个交换机中选择一个根端口(root port) 每个网段中选择一个指定端口每个网段中选择一个指定端口(designated port)x指定端口指定端口 (F)(F)根端口根端口 (F)(F)根交换机根交换机非根交换机非根交换机SW XSW Y100baseT 10baseT指定端口指定端口 (F)(F)非指定端口非指定端口 (F)(F)STP工作方式UT斯达康大学版权所有51l共享式共享式Ethernet 在在当一台主机

30、发送数据的时候，其他主机只能接收此数当一台主机发送数据的时候，其他主机只能接收此数据，此时其他网上主机都不能发送数据据，此时其他网上主机都不能发送数据l冲突域冲突域 域内不同设备同时发出的以太网帧会互相冲突，每台主域内不同设备同时发出的以太网帧会互相冲突，每台主机得到的可用带宽很低，网上冲突成倍增加，信息传输机得到的可用带宽很低，网上冲突成倍增加，信息传输安全得不到保证安全得不到保证l广播域广播域 网络中的一组设备集合；当这些设备中的一个发出一个网络中的一组设备集合；当这些设备中的一个发出一个广播时，所有其它的设备都能接收到这个广播帧广播时，所有其它的设备都能接收到这个广播帧交换基本概念UT斯

31、达康大学版权所有52VLANl虚拟局域网，虚拟局域网，Virtual Local Area Networkl一个一个VLAN =一个广播域一个广播域 = 一个逻辑网段一个逻辑网段 (子网子网) UT斯达康大学版权所有53l分类分类 静态静态VLAN，如：基于端口，如：基于端口VLAN 动态动态VLAN，如：基于，如：基于MAC、IP地址地址VLAN Super VLANl优势优势 VLANVLAN划分不受物理位置限制划分不受物理位置限制 限制广播域限制广播域 增强局域网安全性增强局域网安全性 可灵活构建工作组可灵活构建工作组VLAN分类和优势UT斯达康大学版权所有54lVLAN Trunk 在

32、交换机之间或交换机与路由器之间，互相连接在交换机之间或交换机与路由器之间，互相连接的端口上配置中继模式，使得属于不同的端口上配置中继模式，使得属于不同VLAN的的数据帧都可以通过这条中继链路进行传输。数据帧都可以通过这条中继链路进行传输。lVLAN协议协议 IEEE 802.1QIEEE 802.1Q国际标准协议，几乎所有网络设备生产商都支持 ISLISLInter-switch Link，是Cisco交换机独有的协议VLAN TrunkUT斯达康大学版权所有55VLAN帧格式Ethernet V2帧结构目的地址源地址长度类型数据/填充6B6B2B461500B4B帧校验序列带802.1Q T

33、ag目的地址源地址长度类型数据/填充6B6B4B461500B4B帧校验序列2BTagTPID16 bitsVLAN ID12 bits802.1P3 bitsCFI1 bitUT斯达康大学版权所有56VLAN ID范围VLAN 范围范围范围范围说明说明0，4095保留系统使用1保留EPON缺省管理VLAN21005普通VLAN正常使用10064094扩展VLAN正常使用UT斯达康大学版权所有57课程内容 网络分类网络分类 OSI参考模型参考模型 TCP/IP与子网划分与子网划分 Ethernet工作原理工作原理UT斯达康大学版权所有58单播、广播和组播UT斯达康大学版权所有59单播和组播实现服务器服务器路由器路由器单播单播服务器服务器路由器路由器组播组播UT斯达康大学版权所有60组播体系结构l协议分类协议分类 主机主机-路由器之间的组成员关系协议路由器之间的组成员关系协议 路由器路由器-路由器之间的组播路由协议路由器之间的组播路由协议l组成员关系协议组成员关系协议 互连网组管理协议，互连网组管理协议，Inte