第1章 计算机网络工程概述

第1章

计算机网络工程基础马维旻1.1网络工程概述工程的定义简单地讲，工程是有一个明确的目标、在指定的组织领导下，按计划进行的工作。

借鉴软件工程的定义软件工程的定义1983

年

IEEE

的软件工程定义：

“软件工程是开发，运行、维护和修复软件的系统方法”。1993

年

IEEE

的一个更加综合的定义：

“将系统化的，规范的，可度量的方法应用于软件的开发

,

运行和维护的全过程，以及对上述方法的研究”。

计算机网络工程的含义计算机网络工程是工程的一个子概念，它是在信息系统工程方法和完善的组织机构指导下，根据网络应用的需求，按照计算机网络系统的标准、规范和技术，详细规划设计可行方案，将计算机网络硬件设备、软件和技术系统性地集成在一起，成为满足用户需求、高效性价比的计算机网络系统的组建工作。简单地说，计算机网络工程就是组建计算机网络的工作，凡与组建计算机网络有关的事情都可以归纳在计算机网络工程中。网络工程与系统集成所谓系统集成，就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备(如计算机、网络设备)、功能和信息等（服务器、数据库、应用系统）集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。系统集成应采用功能集成、网络集成、软件集成等多种集成技术。不同之处硬与软的比较网络工程师偏“硬”系统的集成（软硬件）软件工程师偏“软”系统的开发（软件编程）计算机网络工程的定义定义倾向“软件工程”“将系统化的，规范的，可度量的方法应用于计算机网络的设计

，运行和维护的全过程，以及对上述方法的研究”。

内容倾向“系统集成”网络工程的内容包括四个方面：1、网络规划与设计。对计划建设的网络系统的类型规模、体系结构、硬件与软件、管理与安全等方面提出一套完整的技术方案和实施方案。2、网络硬件系统建设。主要包括计算机设备、网络设备和布线系统等硬件的集成。3、网络软件系统建设。主要包括网络操作系统、工作站操作系统通信及协议软件、数据库管理系统、网络应用软件和开发工具软件等的选择与安装。4、网络安全管理建设。主要包括网络管理与安全体系以及相应软件系统的组建。网络工程的目标，就是工程的建设方和施工方，要在遵守国家相关法律、法规，遵循国家标准和国际标准的前提下，完成网络工程的规划、设计、施工和验收等工作。网络工程建设的主要内容与目标（1）网络工程的目标： 满足客户和系统集成商在时间、费用和质量或性能等方面的不同要求。（2）网络工程的原则： 是指围绕工程设计、工程支持以及工程管理在网络集成过程中必须遵循的原则，如总体规划分步实施原则、实用性原则、先进性原则、可靠性和安全性原则、灵活性和可扩充性原则、经济性和实用性原则等。网络工程的目标、原则、方法和工具网络工程的目标、原则、过程、方法和工具（3）网络工程的方法： 为网络系统集成提供了“如何做”的技术，是完成网络工程项目的技术手段。网络工程方法依赖于一组基本原则，这些原则控制了每一个技术领域。如安全性原则下的服务器或路由器的安全性配置和实施。（4）网络工程的工具： 是在网络系统集成的活动中智力和体力的扩展和延伸，为网络工程方法提供了自动或半自动的网络系统集成的支撑环境。但一个工具产生的信息被另一工具使用，就建立了一个支持网络开发环境。例如，网络嗅探器Sniffer产生的信息被利用，可以开发出一个网络管理软件。网络系统集成的层次从企业信息化建设的角度系统集成共享不同硬件资源应用集成共享不同部分资源信息集成共享不同应用系统资源企业集成共享不同企业实体资源网络系统集成体系结构计算机网络工程要有一个机构来负责组织、协调、实施和管理。由于计算机网络工程的实际情况各不相同，因此具体的组织机构也不可能完全相同。对所有的网络工程进行抽象，归纳出一种通用的组织形式，简称为三方结构，分别是工程甲方、工程乙方和工程监理方。这三方的基本关系如下图所示。

网络工程的组织机构及其职责工程说明工程监督工程报告工程咨询需求分析工程目标甲方乙方监理方工程甲方是网络工程中的用户，即网络工程的提出者和投资方。例如，某校园网建设工程中的学校就是工程甲方。甲方的人员组成主要包括行政联络人和技术联络人。行政联络人是甲方的工程负责人，一般由甲方的行政领导担任，他负责甲方的组织协调工作。技术联络人是甲方的工程技术负责人，工程中有关技术问题，乙方和监理方可以与甲方技术联络人协调。甲方的职责：（1）可行性论证（2）编制标书、招投标

（3）工程监督工程甲方工程乙方工程乙方是计算机网络工程的承建者。例如，校园网由A公司承建，则A公司就是工程乙方。有时候，由于网络工程的量比较大，可以由多个公司各承担网络工程的建设任务。那么，此时就存在着多个乙方。乙方在承建计算机网络工程时多采用项目经理制。项目经理制的人员结构如图所示。

项目经理设备工程师布线系统工程师软件系统工程师布线技术工人网络程序设计人员（1）编制投标书。（2）签订工程合同。（3）进行用户需求调查。（4）进行规划设计。（5）制订实施计划。（6）产品选型。（7）系统集成。（8）合同规定的其他工作。乙方的职责

网络工程监理，是指为了帮助用户建设一个性能价格比最优的网络系统，在网络工程建设过程中，给用户提供前期咨询、网络方案论证、确定系统集成商、网络质量控制等服务。提供工程监理服务的机构就是监理方，工程监理方的人员组织包括总监理工程师、监理工程师、监理人员等。工程监理方的职责：（1）帮助用户做好需求分析。（2）帮助用户选择好的系统集成商。（3）帮助用户控制工程进度。（4）帮助用户控制工程质量。（5）帮助用户作好各项测试工作。工程监理方网络工程建设的过程 是一个最终能满足需求且达到工程目标的网络集成项目所需要的步骤。基本的网络工程过程包括可行性研究与计划、需求分析、系统设计、系统集成、系统测试及运行与维护等活动。下图给出了工程建设的大致过程，图中的实线表示组织方必须参与其过程，虚线表示组织方可以参与也可不参与其过程。计算机网络工程的作用计算机网络工程是城市信息化、政府信息化、企业信息化、教育信息化的基础数字化城市建设移动通信网络的建设计算机网络安全体系建设数字广播电视系统建设……网络工程项目的利害关系者客户系统集成商网络工程监理网络工程项目经理网络工程师系统集成商信息产业部《计算机信息系统集成资质管理办法》文件将集成商分四个等级：一级独立承担国家级及其以下等各类计算机信息系统建设二级独立承担省部级及其以下等各类计算机信息系统建设合作承担国家级计算机信息系统建设三级独立承担中、小型企业级计算机信息系统建设合作承担大型企业级计算机信息系统建设四级独立承担小型企业级计算机信息系统建设合作承担中型企业级计算机信息系统建设网络工程监理主要是对信息系统工程的质量、进度和投资进行监督，对项目合同和文档资料进行管理，协调有关单位间的工作关系的独立企业法人资格的第三方机构，其目的是帮助用户建设一个性价比最优的网络系统信息系统工程监理的等级甲、乙、丙《信息系统工程监理资质证书》计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试证书（直接在学院报名）考试分5个专业类别：计算机软件、计算机网络、计算机应用技术、信息系统、信息服务。每个专业又分三个层次：高级资格（高级工程师）、中级资格（工程师）、初级资格（助理工程师、技术员）。每年将举行2次考试。每年上半年（今年5月21日）和下半年考试的级别不尽相同。相关：高级：信息系统项目管理师网络规划设计师（1年1次）中级：网络工程师信息系统监理师系统集成项目管理工程师信息系统管理工程师数据库系统工程师（1年1次）初级：网络管理员程序员信息处理技术员CISCO职业认证CCNACCNPCCIE网络工程师的知识和技能(1)环境支持平台应具备的知识和技能综合布线、强弱点、UPS、机房、安防或智能建筑等基本知识熟悉各种电信线路了解电信的各种信令掌握综合布线系统各部件的组成和连接，以及光缆和电缆的熔接和测量。网络工程师的知识和技能(2)数据交换和数据传输平台应具备的知识和技能具备网络基本知识，例如：ISO/OSI模型、TCP/IP协议、局域网协议、广域网协议、交换机技术（VLAN、SpanningTree等）、路由协议等。熟悉Cisco、华为等公司的路由器和交换机的产品线和配置。网络工程师的知识和技能(3)网络应用基础平台应具备的知识和技能具备服务器的基本知识，例如计算机体系结构、RAID、SCSI。掌握UNIX、Linux或MSWindows等OS安装、配置、使用、管理和排错。掌握Oracle、IBM、HP或DELL等公司的服务器的产品线及IBM/AIX、LinuxAS、HP-UX的使用。具备数据库的基本知识，会使用简单的SQL语句，了解数据库复制、数据仓库等概念。掌握Oracle、SQLServer、MySQL、DB2等数据库的安装、配置、维护、排错、复制。熟悉OracleApplicationServer、IBMWebSphere和Tomcat等应用服务器在Windows、UNIX或Linux下的安装、配置和维护。网络工程师的知识和技能(4)网络应用基础平台应具备的知识和技能具备存储和备份的基本知识，特别是网络存储的概念和种类。掌握Oracle、IBM或EMC等公司的存储产品的安装和配置，以及ARCServer、NetBackup等主流备份软件的安装、配置和使用，并熟悉上述数据库的备份策略和方法。理解高可用性的基本知识，掌握IBMHACMP双机服务器系统、SunCluster群集系统的安装、配置和维护。基本基本服务器以及MS的ActiveDirectory和LDAP协议的基本知识。掌握Web、FTP、DNS或E-Mail等服务器以及相应客户端软件的安装、配置、使用、管理和排错。基本网络管理和网络协议（SNMP、RMON等）的基本知识，能够使用CiscoCiscoworks、NrotelOptivity、HPOpenView等产品，或使用Sniffer等工具软件对网络进行监控和排错。网络工程师的知识和技能(5)网络应用系统应具备的知识和技能具备常用应用系统的基本知识、如视频点播、视频会议、流媒体、VoIP、ERP/MRP和呼叫中心等的基本概念、协议和组成部分。掌握常用应用系统服务器的软硬件的安装、配置、使用、管理和排错。网络工程师的知识和技能(6)安全平台应具备的知识和技能具备网络安全的基本知识，熟悉网络安全标准。掌握防火墙、入侵检测系统、VPN系统、加密/解密系统、身份认证系统、日志审计系统、网络杀毒系统、网络安全隔离产品或邮件反病毒、反垃圾邮件系统的安装、配置、使用、管理和排错。网络工程师的知识和技能(7)项目应具备的知识和技能基本项目管理的基本知识，会使用MSProject等项目管理软件来管理网络工程项目，以及会使用Visio、AutoCAD或Photoshop等制图软件。考核方式实验30分平时成绩20分期末考试50分教材作者：石炎生，羊四清，谭敏生主编出版社：电子工业出版社出版时间：2007-8-11.2计算机网络体系结构ISO/RM七层参考模型

ISO/OSIRMISO/OSIRM分层原则功能要明确分开层数合适下层对上层是透明的开放系统互连环境7层模型数据封装与解封开放系统互连参考模型TCP/IP的4层模型

TCP/IP的4层模型

TCP/IP分层协议OSI分层应用层FTPSMTPTelnetDNSSNMP7传输层TCPUDP4网络层IP，ICMP，(RIP，OSPF)3ARP,RARP链路层EthernetTokenBusTokenRingFDDIWLAN1，2网络体系结构的基本概念层次协议服务层次“整体”与“局部”的关系计算机网络为什么需要分层体系结构？采用分层结构的好处协议每个层次都按照自己的协议进行工作对等实体间按该层协议建立通信关系并进行通信例：建立数据链路过程服务服务和协议的区别服务：上下层之间协议：对等实体之间服务通过协议实现几个概念：实体对等实体服务访问点数据单元计算机网络协议、分层、服务和数据封装关系面向连接和无连接服务Connection-OrientedServiceConnectionlessService“可靠性”和“差错恢复功能”一般是通过确认和重传机制实现的服务类型与服务质量通信协议四种类型：面向连接与确认服务；面向连接与不确认服务；无连接与确认服务；无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。

网络体系结构的标准化计算机网络标准化的必要性标准化组织及主要工作1.国际标准化组织（ISO）2.国际电信联盟（ITU）3.电气和电子工程师协会（IEEE）4.Internet协会ISOC（InternetSociety）数据封装与解封TCP/IP协议简介IEEE802标准系列局域网的特点IEEE802标准系列简介LAN参考模型与实现模型LAN层次结构IEEE802.3局域网的特点共享传输介质覆盖范围拓扑结构速率高、延迟低、差错率低IEEE802标准系列简介LAN参考模型与实现模型SAP：服务访问点NSAP：网际服务访问点MSAP：MAC服务访问点LSAP：LLC服务访问点PSAP：物理层服务访问点A、B、C、D、E、F：上层应用进程实现模型（L&MAN/IM）MDI：依赖于介质的接口MAU：介质访问单元PMA：物理介质附件PLS：物理收发信号PHY：物理层MAC：介质服务控制子层LLC：逻辑链路控制子层INTNWK：网际层DTE：数据终端设备AUI：连接单元接口LAN层次结构局限一个局域网时：物理层+数据链路层由于TCP/IP协议使用非常广泛物理层+数据链路层+TCP/IPIEEE802.3CSMA/CD冲突强化信号：jam物理层MDIAUI数据链路层MACLLC“1坚持”在监听到信道空闲时，就以概率1发送数据

产生背景：开放式系统互连参考模型是由ISO制定的一个参考模型，提供了一个参考建议；TCP/IP是产生于早期ARPA网的一组协议，但由于各厂家主动遵守而变成了一个事实上的工业标准。共同点：解决异构网络的互连问题；采用了分层结构的思想；各层次的划分和所应用的协议功能大体相同。不同点：①OSI参考模型体协结构清晰，TCP/IP把功能描述与实现细节混杂起来。如想分析更普遍的网络通信问题，OSI模型能起到更好的效果。②OSI详细的定义和划分了各个层次的功能，特别是区分了物理层和数据链路层；TCP/IP却只用一个网络接口层来代替。③OSI提供了面向连接和面向无连接的服务，提供了较高的可靠性；TCP/IP降低了可靠性。④OSI造成了协议复杂、效率低下和现实困难；TCP/IP设计目的单一协议简单而有效，可操作性强。OSI和TCP/IP模型的比较1.3IP地址

1．IP地址的组成IP地址是与物理地址相对应的一种逻辑地址，由两个部分组成：网络标识（netid）和主机标识（hostid）。网络标识用于区分不同的网络，主机标识用于在一个网络中区分主机。2．IP地址的表示IP地址有两种表示法：二进制和十进制。二进制的IP地址有32位，由4个8位的二进制数组成，每8位之间用圆点隔开。由于二进制数不利于记忆，通常转换成十进制数表示，其取值范围为0～255。二进制10100110011011110000010001010000十进制

166.111.4.80专用IP地址（或者称为：保留地址、私有地址）类地址范围总数A～551B～5516C～55256IP地址与网络接口的关系

IP地址与网络接口的关系连接到Internet的每一台主机或路由器至少有一个IP地址；连接到Internet的任何两台主机或路由器不能使有相同的IP地址；IP地址是与网络接口相关联的，如果一台主机或路由器分别连接到两个或更多的网络上，那么它必须有两个或更多的IP地址。子网划分和超网子网和超网的基本概念为什么要研究子网和超网IP地址的有效利用率问题路由器的工作效率问题子网（subnet）将一个大的网络划分成几个较小的网络，而每一个网络都有其自己的子网地址；超网（supernet）将一个组织所属的几个C类网络合并成为一个更大地址范围的逻辑网络。

划分子网技术的要点是:标准的A类、B类与C类IP地址是两层结构：

net

ID-hostID子网IP地址是三层结构：

net

ID-subnet

ID-host

ID同一个子网中所有的主机必须使用相同的网络号-子网号netID-subnetID子网的概念可以应用于A类、B类或C类中任意一类IP地址中；分配子网是一个组织和单位内部的事，它既不要向Internet地址管理部门申请，也不需要改变任何外部的数据库；在Internet文献中，一个子网也称为一个IP网络或一个网络。掩码的概念子网掩码的概念

子网掩码表示方法：网络号与子网号置1，主机号置0。

一个B类地址划分为64个子网的例子

子网掩码与子网地址空间的划分方法未划分子网的结构

划分为3个子网的结构

三级层次的IP地址是：网络号.子网号.主机号；第一级网络号定义了网络的位置；第二级子网号定义了物理子网；第三级主机号定义了主机和路由器；三级层次的IP地址，一个IP分组的路由选择的过程为三步：第一步转发给网络第二步转发给物理子网第三步转发给主机。掩码运算

二进制的IP地址与掩码按位进行“与”运算的过程

子网地址空间的划分

划分子网就是将一个大网分成几个较小的网络；A类、B类与C类IP地址都可以划分子网；划分子网是在IP地址编址的层次结构中增加了一个中间层次，使IP地址变成了三级层次结构。例：一个大型跨国公司的管理者从网络管理中心获得一个A类IP地址；需要划分1000个子网。

分析：该公司需要有1000个物理网络，加上主机号全0和全1的两种特殊地址，子网数量至少为1002；选择子网号的位长为10，可以用来分配的子网最多为1024，满足用户要求。A类地址子网划分后的结构

划分子网后的地址范围

划分子网后的网点内部结构

采用子网划分的好处：Subnetting减少网络中不必要的流量通过路由器增加广播域的数量，减小广播域的大小优化网络性能减少流量建立合理的子网简化网络管理如何根据主机的IP地址判断是否属于同一个子网

在划分子网的情况下，判断两台主机是不是在同一个子网中，看它们的网络号与子网地址是不是相同。实例：主机1的IP地址为1主机2的IP地址为10子网掩码为92判断它们是不是在同一个子网上。

主机1的IP地址与子网掩码做与运算：主机2的IP地址与子网掩码做与运算：结论:子网号都是0001101101，因此它们属于同一个子网。

无类域间路由CIDR技术

ClasslessInter-DomainRoutingCIDR用区别于传统标准分类的IP地址与划分子网的概念的“网络前缀（network-prefix）”，代替“网络号+主机号”二层地址结构，形成新的无分类二层地址结构。CIDR使用网络前缀去代替了标准分类的IP地址的网络号与主机号，也不再使用子网的概念。CIDR地址采用“斜线记法”，即：<网络前缀>，<主机号>。CIDR将网络前缀相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。CIDR及对应的掩码

无类域间路由（CIDR）对应的掩码/8/9/10/11/12/13/14/15/16/17/18/19/20/21/22/23/24/2528/2692/2724/2840/2948/3052为什么没有“/31”和“/32”/31

2个IP地址如何给主机分配？

/32

有没有地址可分配？IP子网0允许使用第1个和最后一个子网Cisco命令ipsubnet-zero举例：对，占用第4段的2个比特作为网络，可用的子网是：4,28，如果打开该命令，则还可用子网：和92IP子网0（续）CiscoIOSversion12.x以后缺省是打开的举例192(/26)192=110000001代表子网0代表子网中的主机得到4个子网00000000=0(allhostbitsoff)01000000=64(allhostbitsoff)10000000=128(allhostbitsoff)11000000=192(allhostbitsoff)子网0子网64子网128子网192举例2：24(/27)subnetmask24Howmanysubnets?224：11100000,2^3=8.Howmanyhosts?2^5–2=30Whatarethevalidsubnets?256–224=320,32,64,96,128,160,192,224举例2：24(/27)What’sthebroadcastaddressforeachsubnet?31,63,95,127,159,191,223,255总结举例3：40(/28)subnetmask40Howmanysubnets?240：11110000,2^4=16.Howmanyhosts?2^4–2=14Whatarethevalidsubnets?256–240=160163248648096112128144160176192208224240举例3：40(/28)What’sthebroadcastaddressforeachsubnet?153147637995111127143159175191207223239255总结举例3：48(/29)subnetmask48Howmanysubnets?248：11111000,2^5=32.Howmanyhosts?2^3–2=6Whatarethevalidsubnets?256–248=80,8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128,136,144,152,160,168,176,184,192,200,208,216,224,232,240,and248.举例3：48(/29)What’sthebroadcastaddressforeachsubnet?7152331…231239247255总结举例4(/18)192=110000001代表子网0代表子网中的主机得到4个子网00000000=0(allhostbitsoff)01000000=64(allhostbitsoff)10000000=128(allhostbitsoff)11000000=192(allhostbitsoff)举例4Subnets?2^2=4.Hosts?2^14–2=16,382Validsubnets?0.0,64.0,128.0,and192.0举例4举例5=Networkaddress=Subnetmask(/24)256-255=1Hosts=2^8-2=254练习13=Nodeaddress24=Subnetmask处于哪个子网？广播地址是多少？2，3练习255/20处于哪个子网？广播地址是多少？，55VLSM的使用=Network24=Maskclassfulrouting:AllhostsandrouterinterfaceshavethesamesubnetwastesvaluableIPaddressspace!举例6：14个子网（未采用VLSM）=Network40=Mask举例6：14个子网（采用VLSM）主机数与子网掩码的长度表举例7：采用VLSM表进行子网划分AVLSMtableAVLSMtablecreating-topology练习A:/27B:/28C:/28D:/30E:/30F:/30G:/28H:/26I:/28J:/26K:/28给定条件ipsubnet-zero超网（路由汇总）Supernet或Summarization或routeaggregation将多个网络号通告为1个网络目的减小路由表的大小，这样占用内存少，查找也快路由汇总举例1对到进行汇总16个子网刚好块大小为16，故采用240所以用于通告的网络地址（networkaddress）是，采用的子网掩码为路由汇总举例2对到进行汇总18个子网可选的块大小16,32选择块大小为1632～47，48到50为单个网络通告选择块大小为3232～63，51到63的网络今后会存在路由问题网络传输介质是指从一个网络设备（如计算机）连接到另外一个网络设备传递信息的介质，是网络的基本构件。网络传输介质可分为有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质分为双绞线、同轴电缆和光纤等，无线传输介质分为红外线、无线电波和通信卫星等。

1.4网络传输介质概述常用3种传输介质特性与结构示意图电话用户线路通信介质介质连接器1同轴电缆50Ω同轴电缆75Ω同轴电缆同轴电缆（CoaxialCable）是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。它是计算机网络中使用广泛的另外一种线材，