理解计算机网络概念、CSMA-CD、MAC

第2章计算机网络基础第2章本章关键价值：本章主要以描述CCNA的网络基础知识为目标，其中包括：认识计算机网络、计算机网络拓扑与服务结构、常见的IEEE标准、CSMA/CD、MAC地址、IP地址、OSI七层模型等，以及对各部分的试题分析。本章的内容属于CCNA认证的起步知识。任务2.1理解计算机网络计算机网络的定义：通过各类不同的通信设备和线材介质将处于不同地理位置且功能独立的多个计算机系统连接起来，然后通过成熟和完善的网络软件体系，比如：网络协议（TCP/IP、IPX/SPX）、各类网络操作系统（Windows、Linux）等，实现网络中资源共享和信息传递的系统。计算机网络的典型应用如下。个人家庭领域：涉及的产品包括个人计算机，支持网络功能的电视机、PDA（智能手机），宽带路由器、无线AP，以及未来支持互联网技术的家电设备等。对于这些产品的应用，如现今PDA智能手机的应用基本上接近PC（比如：可以安装类似于计算机上的软件，如QQ软件、浏览器等），并且PDA已经可以通过计算机无线网络设备AP，直接访问计算机网络资源。公司企业领域：涉及的产品包括个人计算机、打印机、IP电话、路由器、交换机、防火墙、服务器、存储设备，以及各类安全设备等。对于企业中设备的应用实例很多，这里以不常见的IP电话的应用为例，所谓的IP电话就是将语音信息封装在IP数据包中，然后通过已经存在的网络传递到目的地。换而言之，IP电话已经被作为类似于计算机终端设备接入计算机网络。任务2.1.1计算机网络的分类计算机网络结构从地理位置层面上讲，可以分为“局域网”、“城域网”和“广域网”三种结构。下面分别来描述这三种网络结构的差异与特点。局域网：局域网可以由两台或两台以上的计算机组成，传输距离可以在一个特定的区域内。通常将一个校园的教学楼和宿舍楼的计算机使用传输介质及网络设备连接在一起并实现资源共享，称之为局域网。局域网环境结构如图2.1所示。组建局域网的目的是为了实现计算机与计算机之间的通信，以及实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、电子邮件和传真通信服务等功能。图2.1局域网环境结构局域网的特点：覆盖范围有限。实现资源共享、服务共享。维护简单。组网开销低。主要传输介质为双绞线，并使用少量的光纤。任务2.1.1城域网：一种介于局域网与广域网之间，覆盖一个城市的地理范围，用来将同一个区域内的多个局域网互联在一起，因此称之为城域网。城域网环境结构如图2.2所示。以教育网为例，县中学A、县中学B、县中学C都各自有自行维护的局域网，并且都上行连接到市教育局的核心网络上，在市教育局的核心网络有教育局办公网，以及应用服务器及视频服务器等，这样将地理位置分散的各所学校的计算机连接起来实现资源共享，这就是城域网。城域网的特点：组网方式相对复杂。组网开销大。可实现资源互联。主要传输介质：光缆。可提供高速率、高质量的数据传输。图2.2城域网环境结构任务2.1.1广域网：广域网就是人们通常所说的Internet，它是一个遍及全世界的网络。广域网通常跨接很大的物理范围，它能连接多个城市和国家，并能提供超远距离通信。广域网内的交换机一般采用点到点之间的专用线路连接起来。广域网的组网方式有虚电路方式和数据报方式两种，分别对应面向连接和无连接两种网络服务模式。广域网是一种用来实现不同地区的局域网或城域网的互联，可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的网络。广域网环境结构如图2.3所示。广域网的特点：适应大容量与突发性通用性的要求。适应综合业务服务要求。具有完善的通信服务与网络管理。可提供高速率、高质量的数据传输。主要传输介质是光缆、光纤。拥有重量级的冗余措施。图2.3广域网环境结构任务2.1.2理解计算机网络服务结构计算机网络结构从提供伺服功能层面上讲，可以分为“对等网”与“服务器-客户机”两种结构。下面分别来描述这两种网络结构的差异与特点。对等网：对等网也称“工作组网”，使用双绞线作为传输介质将两台或者多台计算机通过集线器或交换机连接在一起实现资源互访。对等网通常由10台以下的计算机组建而成，也是当今最简单的一种网络结构。在对等网网络中的计算机相互之间共享与访问资源，没有明确的服务器与客户机的区别。对等网的资源访问如图2.4所示。它们相互之间都可以共享硬件介质如光驱、硬盘，还包括文件夹等。对等网无须专业级服务器支持，无须专业的网络工程师对网络进行维护，组建网络的成本低。图2.4对等网的资源访问适用范围：家庭和小型办公区域非常适合。优点：组建对等网络成本低，配置简单，网络维护开销小，实现快速。缺点：无法完成统一的资源管理、集中的安全验证。任务2.1.2服务器-客户机：服务器能为客户机提供伺服功能。为了更明确地说明服务器的伺服功能，这里以资源访问服务器为例说明“服务器-客户机”的特点。服务器-客户机模式如图2.5所示，原本被分散在对等网模式中的各种资源，包括文件、文件夹、打印机等，现在被集中地部署到一台计算机上，并且这台计算机给网络中的其他计算机提供伺服功能，那么这台计算机就叫作服务器。这样做的好处在于：适用范围：现代化企业及园区网络的标准。优点：便于集中管理、统一验证。缺点：投入成本提高，管理的专业程度更深入。图2.5服务器-客户机模式可以变分散的资源共享与访问为集中资源管理，变分散的安全验证为统一的安全验证。客户机通过访问服务器来获取想要的数据和文件，以及相关的硬件资源。服务器-客户机模式又将称为C/S模式，即Client/Server模式。任务2.1.2注意：充当服务器的计算机的性能一般高于网络中的常规客户机，原因在于它需要提供整个网络的相关伺服功能，并且需要长时间不间断地稳定运行。所以，它理所应当具备更强的运算能力与稳定性。在企业网络中常见的服务器类型很多，从它们所提供的相关伺服功能大致可以分为：文件服务器、邮件服务器、集中安全验证服务器、病毒防御服务器、补丁升级服务器、OA服务器等。任务2.1.3理解计算机网络拓扑

计算机网络拓扑是指使用计算机网络的传输介质(如：光纤、双绞线等)把各种网络设备(如：计算机、路由器、交换机)连接起来的物理布局，最终使所有计算机能够互相通信。在这里主要讨论的计算机网络拓扑包括：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑。总线型拓扑：总线型拓扑是一种老式传统的计算机网络连接方式，它将所有的入网计算机连接到一条同轴线缆上。总线型网络拓扑如图2.6所示，其组网元件包括：同轴线缆、T型头、50Ω终端电阻、BNC接口网卡。图2.6总线型网络拓扑任务2.1.3同轴线缆：是连接总线型网络的线缆介质，该线缆分为“粗缆”和“细缆”。“粗缆”可获得500m的传递距离，“细缆”可获得175m的传递距离。通过同轴线缆可以获得基带10MB的带宽。通常标准10Base-2表示：使用“细缆”获得基带10MB的带宽；标准10Base-5表示：使用“粗缆”获得基带10MB的带宽。T型头：用于连接计算机上的BNC接口网卡。T型头的作用如图2.7所示。50Ω终端电阻：Ω（欧姆）是电阻阻抗的单位，在总线型网络拓扑中终端电阻的作用是吸收总线型网络上的干扰（噪声）。50终端电阻如图2.8所示。BNC接口网卡：用于将计算机连接入总线型网络拓扑中，如图2.9所示。图2.7T型头的作用图2.850Ω终端电阻任务2.1.3图2.9BNC接口网卡总线型拓扑的优点：造价低，实现简单，无源工作。总线型拓扑的缺点：传输距离有限，网络延伸距离有限。稳定性差，只要其中一个通信点发生故障，整个网络总线将全部瘫痪。注意：总线型网络标准（10Base-2、10Base-5、）已被国际标准组织所废除，它被下面所描述的星型拓扑所替代，所以只作了解，不作深入研究。任务2.1.3星型拓扑：星型拓扑是代替总线型网络连接方式的新方式，由中心节点（集线器、网桥、交换机）通过双绞线介质的方式连接到其他分支节点（计算机、工作站、服务器、IP电话等）。星型拓扑如图2.10所示。分支节点间的通信必须通过中心节点，分支节点与中心节点的距离为100m。现今大多数企业网络首选星型拓扑。星型拓扑的优点：结构简单，组网容易。故障诊断和隔离故障容易。某一个分支节点出现故障，不会影响网络中的其他节点，这与总线型网络完全不同。星型拓扑的缺点：中心节点的负担较重，所以提高中心节点设备的传输吞吐率是关键。中心节点瘫痪全网将不能通信。图2.10星型拓扑任务2.1.3环型拓扑：环型拓扑是各个节点的首尾互相连接形成一个闭合的环路，然后通过一种叫作“令牌”的访问控制方式完成通信。在任意一个时刻，“令牌”只能产生在环路中的某一台具体的主机上，也只有获得“令牌”的主机才能发送数据，当完成数据发送后，该主机释放“令牌”。令牌环网如图2.11所示。由于“令牌”这样的一种访问机制存在，使得这种网络结构不存在以太网的“竞争机制”，稳定性较强，但利用率相对较低，最早该网络类型始于20世纪70年代的IBM公司，但是现在这种网络比较少见。在传统的令牌环网中，数据传输速度为4Mbps或者16Mbps，新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。图2.11令牌环网任务2.1.3根据图2.11可以很清晰地看出，从物理视角去看，它更像是一个星型拓扑。与传统星型拓扑的区别在于，传统的星型网络的中心节点是由以太网集线器、交换机实现的；而令牌环网是物理视角上的星型拓扑，是由一种叫作“多站访问单元”（MultistationAccessUnit，MAU）的专业中心设备构成的，它的外形与以太网集线器和交换机特别相似，但是关键技术区别于MAU，它在内部是将计算机连接成了一个闭合的环路。注意：令牌环网所使用的这个环型拓扑是逻辑上的环型，从物理视角去看，它更像是一个星型拓扑，令牌环网的逻辑拓扑与物理拓扑如图2.11所示。环型拓扑的优点：造价低，实现容易。由于没有“竞争机制”存在，所以该网络较为稳定。环型拓扑的缺点：一个节点出现故障导致全网瘫痪。因为令牌访问机制的约束，当环中节点数量过多时，信息传递的延时增大。任务2.1.4理解IEEE802的各个标准理解IEEE标准化组织美国电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE），是世界上最大的专业技术组织之一，专为相关的电气及电子产品制订标准，当然网络的相关电子及电气特性也在其中，该组织在计算机、电信、电力及消费性电子产品等领域中都有主要的权威，IEEE定义的各种标准在工业界有极大的影响。理解IEEE802IEEE802委员会成立于1980年年初，是IEEE旗下的一个专门从事局域网标准制定工作的机构。IEEE802定义的是一个与计算机局域网相关的体系，其中包括：网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），如何在传输介质上传输数据，如何在传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE802标准的产品包括网卡、网桥、交换机、路由器等，以及其他一些用来建立局域网络的组件。任务2.1.4标准名称标准意义IEEE802局域网标准系列，它将包含多个具体标准IEEE802.1A

局域网体系结构标准IEEE802.1B寻址、网络互联与网络管理标准IEEE802.3CSMA/CD访问控制方法与物理层规范标准（以太网）IEEE802.5令牌环网（Token-Ring）访问控制标准IEEE802.6城域网访问控制方法与物理层规范标准IEEE802.11无线局域网访问控制方法与物理层规范标准表2.1常见的IEEE802的标准系列常见的IEEE802的标准系列如表2.1所示。注意：表2.1中的IEEE802的相关标准，并不是所有的IEEE802标准，由于篇幅有限，笔者只列举出了和思科CCNA认证的网络基础部分相关的常见标准，如果需要了解更多关于IEEE各项标准的信息，请参看/。任务2.1.4理解IEEE标准的最终目标与实用意义前面描述了IEEE的定义，以及常见的IEEE802相关标准，要认识并理解这些标准的最终目标与实用意义，而不能单纯地对各个标准进行记忆。最终目标与实用意义是帮助用户在网络工程项目中阅读产品参数与技术指标，比如：购买一台网络设备，通常在设备的说明书或者技术文档中指示某一设备接口支持802.3标准，另一设备接口支持802.5标准，那么用户就可以很明确地知道，支持802.3标准的接口是一个以太网接口，而支持802.5标准的接口是一个令牌环网（Token-Ring）的接口，如果还指示了设备支持IEEE802.11标准，那么就说明该设备还支持无线局域网的功能。任务2.1.5理解以太网的介质访问协议（CSMA/CD）理解以太网以太网是由Xerox、DEC、Intel三家公司联合开发的一种基于以太制式数学算法的网络通信标准。以太网是现今应用最为广泛的局域网，由于互联网技术的不断更新，现在的以太网包括：传统速率的以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)和吉比特以太网(1Gbps)。无论它是何种速率标准，请记住以太网都是采用CSMA/CD介质访问控制协议进行工作的，它们都符合IEEE802.3的标准，所以通常将IEEE802.3等同于以太网。任务2.1.5理解CSMA/CDCSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）即载波监听多路访问/冲突检测方法，它在以太网中为所有的节点共享传输介质，并保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务。基于以太制式数学算法的网络都会产生一个问题：不管是10Mbps、100Mbps、1000Mbps，甚至万兆以太网都会存在冲突。这是因为只要是以太网，就都必须遵守CSMA/CD（载波监听）协议，它是以太网的访问介质协议。载波监听协议的工作原理如图2.12所示。A、B、C、D四台主机都处于一个冲突域内，且都连接在一个集线器上，如果B主机要发送数据给C主机，那么B主机会在正式发送数据之前向网络中发送一个载波监听信号，查看网络总线是否繁忙。如果繁忙，如A主机正在给D主机发送数据，那么B主机就不能发送数据给C主机；否则就会产生一个冲突。因此得出一个结论：以太网上的多台主机在一个冲突域内，同一时刻只能有一台主机向另一台主机发送数据，如果违反了该原则就会有冲突产生。而CSMA/CD正是用于冲突检测的协议。任务2.1.5注意：使用过集线器后会发现，在集线器上连接4台主机后，“同一时间”内所有的计算机都可以相互复制文件，并不用等待某台主机将文件传送完成后，另外的主机再传送数据，视觉上连接到一个集线器上的多台主机是同时在发送数据。所以会质疑上述对CSMA/CD的定义。图2.12CSMA/CD的工作原理任务2.1.5事实上，这是因为人类的视觉器官对真相的理解永远是有限的，在“同一时刻”只有一台主机向另一台主机发送数据。如图2.13所示，当主机A发送数据给主机C时，如果该数据报文很大，那么发送的延时（从源主机传送数据到目标主机所使用时间的总和）就很大，占用以太总线的时间就会很长。而其他的主机，比如：主机B与主机D等待发送的时间就会很长。如果主机A要利用10分钟来完成与主机C的数据传递，那么在主机B与主机D发送数据之前，需要等待10分钟才能进行，这显然是一种不科学的方法。所以，OSI传输层将主机A发送给主机C的较大数据报文分割成若干小块进行发送，主机B给主机D发送数据时也使用相同的方式。因此，真实的情况是：主机A发送一小块数据报文，主机B再发一小块数据报文，然后如此交替进行。而这一小块数据报文发送延时是基于微秒级别进行计算的，所以人们的视觉感受是主机A与主机B同时进行发送，但事实上在同一时刻只有一台主机发送数据报文。任务2.1.5图2.13传输示意图任务2.2理解计算机的MAC地址MAC（Medium/MediaAccessControl）地址，是计算机网络中的硬件地址，用来定义网络设备的位置。属于OSI模型的数据链路层，该地址被烧录到网卡的ROM中，换而言之，在默认情况下这个地址是不可改写的，因此一个网卡会有一个全球唯一的MAC地址。如图2.14所示，MAC地址使用十六进制来表示，一个十六进制等于4个位的二进制，所以完整的MAC地址将是48位。在不久的将来MAC地址可能会被扩展为64位，但是现在市场上的网卡多数还是以48位的MAC地址为主。图2.14MAC地址任务2.2.1理解MAC地址的构成事实上，48位的MAC地址由两部分组成，分别是机构唯一性标识（OUI）和扩展标识（EUI），如图2.15所示。其中的MAC地址从左至右数的前24位00-0C-29为OUI标识，通常指示某个生产商，所以也叫作公司标识符，而后