网络基础知识

第1章网络基础知识1.1网络的概念1.1.1网络的定义计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。如下图1-1计算机网络的组成所示，一个个节点通过线路连接，形成小范围的网络，一个个小范围的网络再连接，最终形成全球互联的网络。图1-1计算机网络的组成1.1.2LAN和WAN按照网络的作用范围进行分类主要有：广域网WAN(WideAreaNetwork)广域网的作用范围通常为几十到几千公里，是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。局域网LAN(LocalAreaNetwork)局域网一般用微型计算机或工作站，地理上局限在较小的范围（如1km左右）。1.1.3网络传输设备网桥工作于数据链路层，是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁，依赖于MAC地址。网桥没有连接网段个数的限制，基本上只用于连接相同网络类型的网络，但有时也可以连接传输速率不同的网络。集线器（Hub）工作于物理层，主要功能是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。集线器实物图如下图1-2所示图1-2集线器路由器工作于网络层设备，主要用于寻址和转发数据包，是三层设备。路由器实物图如下图1-3所示。图1-3路由器交换机工作于数据链路层设备，可以通过检查收到的数据包的目的地址，并从MAC地址表中查得目的设备所在的端口，将数据包传送到目的端口。Hub和交换机的区别：Hub本身不能识别数据包的目的地址，当集线器接收到数据包时，它以广播的方式播送到各个端口，由每一台主机通过验证数据包的目的地址来决定是否接收。交换机本身就有MAC地址表，收到数据包时查看Mac地址表，选择转发端口。网关工作于网络层，一个网络连接到另一个网络的“关口”，对于处于不同网段的两个地址在通信时，用以标识所处网段，在数据转发时起到协调的作用。A为：，B为：，A在向B发送数据时，A要先发送到自己的网关，再由A的网关转发给B的网关，再由B的网关转发给B。1.1.4网络传输介质同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同轴电缆实物图如下图1-4所示。图1-4同轴电缆双绞线一种综合布线工程中最常用的传输介质，由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。双绞线实物图如下图1-5所示。图1-5双绞线单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。光纤示意图如下图1-6所示。图1-6光纤多模光纤多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄，色散大，损耗也大，只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。1.1.5网络类型网络拓扑包括物理拓扑和逻辑拓扑。逻辑拓扑描述的是设备是如何通过物理拓扑进行通信，注重的是应用系统的运行状况物理拓扑是指物理结构上各种设备和传输介质的布局。物理拓扑通常有总线型、星型、环型、树型、网状型等几种。总线型将所有的节点都连接到一条电缆上，把这条电缆成为总线。它的连接形式简单、易于安装、成本低，增加和撤销网络设备都比较灵活。但由于总线型的拓扑结构中，任意的节点发生故障，都会导致网络的阻塞。同时，这种拓扑结构还难以查找故障。总线型拓扑图如下图1-7所示。图1-7总线型拓扑图星型网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点，由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。星型拓扑图如下图1-8所示。图1-8星型拓扑图环型入网设备通过转发器接入网络，一个转发器发出的数据只能被另一个转发器接收并转发，所有的转发器及其物理线路构成的环状网络系统。节点的故障会引起全网故障，故障检测困难。环型拓扑图如下图1-9所示。图1-9环型拓扑图树型树形网络可以包含分支，每个分支又可包含多个结点。树形拓扑是总线拓扑的扩充形式，传输介质是不封闭的分支电缆，树形拓扑和总线拓扑一样，一个站点发送数据，其他站点都能接收。树型拓扑图如下图1-10所示。图1-10树型拓扑图网状型各节点通过传输线互联连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连网状拓扑结构具有较高的可靠性，但其结构复杂，实现起来费用较高，不易管理和维护，不常用于局域网。网状型拓扑图如下图1-11所示。图1-11网状型拓扑图1.1.6传输模式信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。双向通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。1.1.7通信类型对于使用IPv4地址进行通信时，通信类型有单播，组播和广播三种单播主机之间一对一的通讯模式，如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用单播模式。单播的优点：服务器及时响应客户机的请求服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。单播的缺点：服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。广播主机之间一对所有的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是广播型网络。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。广播的优点：网络设备简单，维护简单，布网成本低廉由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低广播的缺点：无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务广播禁止允许在Internet宽带网上传输组播主机之间一对一组的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。组播的优点：需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制，其提供的服务可以非常丰富。此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。组播的缺点：与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中1.2OSI七层模型OSI参考模型（OSI/RM）的全称是开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM），它是由国际标准化组织ISO提出的一个网络系统互连模型。它是网络技术的基础，也是分析、评判各种网络技术的依据。OSI模型的设计目的是成为一个所有销售商都能实现的开放网络模型，来克服使用众多私有网络模型所带来的困难和低效性。OSI模型共分为七层，每一层功能不同，包含的协议也不同。下表1-1对OSI七层模型按照自上到下的顺序对名称、功能和对应的协议做了详细介绍。表1-1OSI七层模型详解名称主要功能相关协议应用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DHCP、DNS、Telnet、HTTP、FTP、SNMP表示层信息的语法语义以及它们的关联，如加密解密、转换翻译、压缩解压缩会话层对通信的双方用户建立会话并管理会话PAP、SSH传输层接收上一层数据，在必要的时候把数据进行分割，并把这些数据交给网络层，且保证这些数据段能有效的到达对端TCP、UDP、RSVP、网络层封装源IP和目的IP，根据路由表对收到的数据包进行选路并转发，对无法查找到路由的数据包进行丢弃，完成不同网段之间通信的任务。IP(IPv4、IPv6)、RIP、ICMP、IGMP、ARP、IS-IS、IPsecBGP、OSPF、RARP数据链路层定义了如何让格式化数据以进行传输，以及如何控制对物理介质的访问，这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。STP、帧中继、PPP物理层确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性IEEE802.2、Ethernetv21.2.1数据在七层的称呼通信双方在互相发送数据，如发送一段文字时，计算机需要对这段文字进行处理，最终转换成机器能够识别的语言甚至转换成信号以便完成在物理链路上的传输。在七层模型的每一层，对这段文字处理后的称呼都各不相同，表示方式也不同，具体对应关系参见下表1-2。表1-2数据在七层的称呼模型层数名称英文表示中文表示上层（应用层、表示层、会话层）message信息、数据传输层（transportlayer）Segment段、网段网络层（Networklayer）packet数据包、数据分组数据链路层（Data-linklayer）frame帧物理层（Physicallayer）bit比特（8个比特组成1个字节、字节合成frame）1.2.2数据的封装和解封装发送方发送数据给接受方时，会按照七层模型的顺序从上至下层层封装，每一层根据需要选择对应的协议，然后通过物理链路传输到接收方；接收方收到之后，会按照七层模型从下至上的顺序层层解封装，从每一层获取到不同的内容，获知是谁发送给自己的，通过什么样的协议进行传输的，最终在应用层看到对方发送的文字、图片或视频等消息。OSI数据封装与