《计算机网络技》 课件全套 付军 第1-11章 计算机网络概述-网络空间安全基础

第1章计算机网络概述先看见整个网络，再理解每一层技术概念与组成→发展历史→分类与拓扑→OSI→TCP/IP本章目标：能看懂网络、会判断类型、会用分层方法解释通信第1章计算机网络概述02学习路线六个问题串起第1章每个问题都能落到一个真实网络场景01什么是网络定义与作用02网络怎样形成发展历史03网络有多大网络范围分类04设备怎样连接拓扑结构05通信怎样拆解OSI七层06互联网怎样运行TCP/IP四层学习结果能够用“组成—范围—拓扑—分层”四个维度描述一个网络，并初步定位常见故障。第1章学习路线031.1网络是什么设备连在一起只是起点，真正的网络还需要通信与协同。定义→作用→基本组成→场景识别11.1网络是什么041.1.1计算机网络的定义网络把分散且独立的设备连接起来，实现共享与交换定义中每个词都不可缺少分散设备位于不同位置独立各设备可自主工作互联依靠有线或无线介质协同遵守共同协议交换数据一句话理解：用通信技术把独立设备组织成能共同完成任务的系统。1.1计算机网络的定义与作用051.1.2计算机网络的作用资源共享解决“用什么”，数据通信解决“怎么送达”二者相互依赖资源共享共享硬件打印机、服务器、存储共享软件与数据应用程序、数据库、文件数据通信跨越距离传送信息邮件、即时通信、视频会议保证数据准确、高效、安全地到达互相支撑1.1计算机网络的定义与作用061.1.3计算机网络的基本组成终端、网络设备、传输介质和协议共同构成可用网络缺一项都会影响通信终端设备数据的发送方和接收方网络设备交换机和路由器负责转发传输介质网线、光纤或无线电波协议与软件规定通信语言和协作流程1.1计算机网络的定义与作用07场景应用从“上传作业”识别一次完整网络通信把抽象组成映射到真实操作学生电脑终端教室交换机局域网转发校园路由器跨网转发服务器资源提供方作业文件共享的数据判断网络是否完整：谁产生数据？谁负责转发？数据走什么介质？遵守什么协议？1.1计算机网络的定义与作用081.2网络怎样发展而来每一次演进都在解决上一阶段的瓶颈：共享、可靠、互联与普及。远程终端→ARPANET→TCP/IP→WWW与以太网→移动、物联与智能21.2网络怎样发展而来091.2.1初期发展阶段与远程终端大型主机集中计算，哑终端只负责输入和显示解决共享昂贵计算资源的问题计算集中程序和数据运行在大型主机终端简单主要承担键盘输入和屏幕显示多用户共享一台主机同时服务多个终端主要局限中心故障会影响全部用户1.2计算机网络的发展历史101.2.2ARPANET的诞生与分组交换把完整信息拆成分组，网络就能共享链路并绕开故障互联网“去中心化”思想的起点分组交换的三个关键拆分信息被分成带编号的数据包共享多个通信任务共同使用链路重组到达目的地后恢复原始信息容错某条路径故障时可选择其他路径1.2计算机网络的发展历史111.2.3—1.2.4统一协议与网络普及TCP/IP让不同网络互联，以太网与WWW让网络走向大众从“能连接”走向“都能使用”1969ARPANET分组交换验证1973以太网局域网高速共享1983TCP/IP异构网络统一互联1989WWWURL、HTML、HTTP1993Mosaic图形浏览器推动普及历史主线：共享计算资源→提高传输韧性→统一网络语言→降低使用门槛1.2计算机网络的发展历史121.2.5现代网络技术发展现代网络同时向高速、移动、物联和智能演进网络正从“传送数据”升级为“承载计算能力”现代网络高速全光网络、IPv64K/8K与低时延移动5G、Wi-Fi6/7随时随地接入物联IoT、工业互联网人机物全面互联智能云边协同、算力网络AI感知与调度1.2计算机网络的发展历史131.3网络有多大覆盖范围改变，速度、时延、管理方式和设备选择都会变化。PAN（个人）→LAN（建筑/园区）→MAN（城市）→WAN（跨地区/全球）31.3网络有多大14分类总览从个人到全球，网络覆盖范围逐级扩大范围越大，跨组织协调和路由复杂度通常越高PAN10m以内LAN建筑/园区，通常<10kmMAN城市，约10—100kmWAN跨城市、国家乃至全球判断方法先看覆盖范围，再结合所有权、速率、时延和核心技术交叉验证。1.3网络分类与结构151.3.1局域网（LAN）局域网覆盖范围小、速度高、时延低，通常由一个组织管理校园和企业内部网络的主体覆盖建筑、楼群或校园性能常见1—10Gbps，时延通常低设备交换机、无线AP、路由器管理通常归企业或学校所有1.3网络分类与结构161.3.2城域网（MAN）城域网把城市中的多个局域网连接成更大的网络处在局域网与广域网之间典型场景城市教育专网连接多所学校和数据中心政务网络连接区县、委办局与云平台运营商城域网提供光纤接入和骨干汇聚覆盖特征约10—100km1.3网络分类与结构171.3.3—1.3.4两个尺度的极端WAN跨越全球，PAN围绕个人；目标不同，技术选择也不同同一终端可以同时接入多个尺度的网络广域网WAN跨城市、国家和全球；依赖运营商骨干、路由与多种接入链路。个人区域网PAN围绕个人、短距离、低功耗；常用蓝牙、ZigBee。1.3网络分类与结构181.3.5四种网络对比不要只看距离：速率、时延、所有权和技术同样重要用多维证据判断网络类型维度PANLANMANWAN覆盖范围个人周围约10m建筑/园区通常<10km城市约10—100km跨城市/国家100km以上典型时延10—100ms通常<1ms数毫秒至数十毫秒数十至数百毫秒所有权个人学校/企业政府/运营商运营商/公共网络核心技术蓝牙、ZigBee以太网、Wi-Fi城域以太网、光纤MPLS、SD-WAN、路由典型场景耳机与手机校园网城市教育网互联网、跨省专网口诀只是起点：覆盖范围定大类，性能与管理方式做验证。1.3网络分类与结构191.4设备怎样连接拓扑不是“画得好看”，而是对成本、可靠性和故障范围的工程选择。物理拓扑与逻辑拓扑→五种典型结构→选型与故障分析41.4设备怎样连接201.4.1—1.4.2物理拓扑与逻辑拓扑同一网络可以“看起来是星型”，数据却按不同规则流动看得见的连接与看不见的路径物理拓扑设备、端口、线缆的实际安装关系交换机终端1终端2终端3终端4逻辑拓扑帧或数据包的实际传输路径与控制规则ABC1.4计算机网络拓扑结构21五种典型拓扑拓扑选择是在成本、扩展性和可靠性之间取平衡先识别结构，再分析故障影响总线型成本低，但主干故障影响全网星型易管理，中心设备是关键点树型便于分层扩展，依赖上层节点环型路径有序，扩展和维护较复杂网状冗余高、可靠性强，成本也高1.4计算机网络拓扑结构22拓扑选型可靠性越高，通常意味着更多链路和更高成本工程选择没有绝对最好，只有场景最合适低成本高成本高可靠可靠性总线型小型或历史系统星型办公室、校园接入树型分层园区网络环型特定骨干与工业网网状核心骨干、高可用场景1.4计算机网络拓扑结构23故障影响分析星型网络容易定位边缘故障，但中心设备必须重点保护拓扑决定故障会扩散到哪里场景A：一条终端链路断开交换机终端1终端2终端3终端4仅终端1受影响场景B：中心交换机故障故障终端1终端2终端3终端4全部终端通信中断1.4计算机网络拓扑结构241.5通信为什么要分层把复杂通信拆成七个职责清晰的层次，才能标准化、协作和定位故障。分层思想→OSI七层职责→端到端通信→封装与解封装51.5通信为什么要分层251.5.1为什么需要分层分层让每个团队只解决一类问题，并通过标准接口协作复杂系统的通用组织方法写内容应用需求装信封格式与会话分批寄送可靠传输选择路线跨网寻址本地派送链路交付车辆与道路比特传输降低复杂度｜便于标准化｜支持互操作｜方便分层排障1.5OSI参考模型261.5.2OSI七层参考模型上层面向用户与应用，下层面向网络与介质每层解决一种核心通信问题7应用层为用户应用提供网络服务6表示层编码、加密、压缩和格式转换5会话层建立、管理和终止会话4传输层端到端传输、可靠性与端口3网络层IP寻址与跨网络路由2数据链路层帧、MAC地址与本地交付1物理层比特、信号与传输介质资源子网应用层、表示层、会话层、传输层更接近用户、数据和应用进程通信子网网络层、数据链路层、物理层更接近转发设备、链路和介质1.5OSI参考模型27端系统与中间设备端系统处理完整七层，中间设备只处理转发所需层次每一跳完成本地交付，端到端完成应用通信主机从应用层一直处理到物理层路由器通常重点处理物理、链路和网络层交换/链路设备主要关注物理层和数据链路层核心规律越接近用户，处理层次越高1.5OSI参考模型28封装与解封装发送端逐层加控制信息，接收端按相反顺序解析数据名称随层次变化应用数据用户内容段Segment端口、序号包Packet源/目的IP帧Frame源/目的MAC比特Bits0和1的信号发送端：封装→←接收端：解封装每层只读取并处理属于自己的控制信息，然后把剩余数据交给相邻层。1.5OSI参考模型29OSI七层速查用“职责—对象—典型例子”理解层次，不死记名称排障时从现象对应到层次层次核心职责数据对象/标识典型协议、设备或技术7应用层直接提供网络服务应用数据HTTP、FTP、DNS6表示层格式、编码、加密、压缩数据格式TLS、JPEG、ASCII5会话层建立与管理会话会话状态Cookie、SessionID4传输层端到端传输段、端口号TCP、UDP3网络层寻址与路由包、IP地址IP、ICMP、路由器2数据链路层相邻节点交付帧、MAC地址以太网、Wi-Fi、交换机1物理层传送比特信号比特网线、光纤、无线电波记忆方法：用户看应用，进程看端口，主机看IP，网卡看MAC，介质传比特。1.5OSI参考模型301.6互联网实际怎样分层TCP/IP不是纸面蓝图，而是在互联网运行中形成并验证的协议体系。模型由来→四层结构→与OSI映射→网页访问全过程61.6互联网实际怎样分层311.6.1—1.6.2TCP/IP四层模型TCP/IP把OSI七层合并为四层，职责更贴近互联网实现层数不同，通信任务并没有消失应用层整合OSI应用、表示、会话层传输层TCP可靠传输，UDP快速传输互联网层IP寻址与跨网络路由网络接口层帧、信号和具体接入技术1.6TCP/IP模型32用TCP/IP解释一次网页访问一个点击背后，四层协议按顺序协同从浏览器请求到屏幕显示应用层DNS解析域名HTTP/HTTPS组织请求传输层TCP建立连接端口区分服务互联网层IP确定源和目的地址路由器逐跳转发网络接口层以太网/Wi-Fi成帧转为信号发送服务器响应时，数据沿相反方向返回，并在客户端逐层解封装。1.6TCP/IP模型331.6.3OSI与TCP/IP模型对比OSI帮助理解，TCP/IP支撑运行；两者视角不同但职责可映射理论框架与工程标准结论：学习OSI建立分层思维，使用TCP/IP解释真实互联网。1.6TCP/IP模型34分层排障：网页打不开时从哪里查按层检查能快速缩小问题范围从最基础的链路逐步走向应用1物理/接口网线、Wi-Fi、端口灯是否正常？2数据链路是否接入正确VLAN？MAC学习是否正常？3互联网层IP、网关、路由、ping是否正常？4传输层TCP端口是否可达？防火墙是否放行？5应用层DNS、HTTP服务和浏览器配置是否正常？原则：先确认底层是否可用，再检查上层服务；避免一开始就重装软件。第1章综合应用35课堂检验把概念用于判断、解释与排障答案不只要选对，还要说明依据1.仅有物理连接，没有统一协议，网络为什么不能正常工作？2.蓝牙耳机、校园网和互联网分别属于哪类网络？3.星型拓扑中，终端链路故障与中心设备故障的影响有何不同？4.一次网页访问至少会使用TCP/IP模型中的哪些层？5.能ping通IP但打不开域名，应优先检查什么？第1章课堂练习37本章知识地图用四个维度看懂一个网络组成终端、网络设备介质、协议与软件范围PAN、LANMAN、WAN拓扑物理与逻辑成本、扩展、可靠性分层OSI七层TCP/IP四层最终能力：能描述网络、判断类型、分析拓扑，并沿协议层次解释一次数据通信。第1章本章小结36第2章数据通信基础追踪一段数据，从信息到信号，再到目的地模型→理论上限→编码→传输→复用→交换第2章数据通信基础02学习路径用七个问题贯穿数据通信全过程每个问题都对应一个可观察、可计算或可判断的结论01通信由谁完成？02速率上限在哪里？03比特怎样变成信号？04信号怎样双向传输？05多路数据怎样共享？06结点怎样选择出口？07如何逼近香农极限？核心能力：看懂通信过程｜算出理论上限｜比较技术取舍｜解释工程选择第2章数据通信基础032.1数据通信的基本模型一次通话中，信息、数据与信号分别在哪里？信源→发送设备→传输系统／信道→接收设备→信宿12.1数据通信的基本模型042.1数据通信的基本模型五个角色串成通信链路，噪声始终可能介入先识别角色，再追踪转换信源与信宿信息从哪里产生，最终由谁使用发送与接收设备完成信号转换与恢复传输系统／信道承载信号，也会引入衰减、失真与噪声通信是双向角色切换应答时，发送端与接收端互换2.1数据通信的基本模型05场景映射一段语音会多次改变表现形式，但信息目标保持不变声音→数据→电磁信号／光信号→数据→声音采样与编码无线传输骨干光纤无线传输解调与还原2.1数据通信的基本模型06角色与职责每个角色只回答一个问题，组合后才能完成通信把复杂链路拆成五个清晰职责信源产生信息人、传感器、应用发送设备形成信号编码器、调制器信道承载信号铜线、光纤、空气接收设备恢复信息解调器、解码器信宿使用信息人、程序、设备噪声：改变信号2.1数据通信的基本模型072.1.2数据、信息和信号三者不是同义词：含义、载体与物理表现各不相同理解边界，才能准确描述通信过程信息要表达的内容与含义“明天9点上课”数据表示信息的符号集合文字、数字、图像、声音信号数据在介质中的物理表现电信号、光信号、电磁波信息数据信号表达编码／调制2.1数据通信的基本模型08信号形态数字信号取值离散，模拟信号随时间连续变化不是“数字设备只能传数字信号”数字信号离散电平｜边界清晰｜便于再生01模拟信号连续变化｜易受噪声叠加｜适合载波调制示例：以太网电信号示例：无线电波、光信号2.1数据通信的基本模型09端到端转换通信的本质是“信息—数据—信号”的往返转换传输介质只看到信号，用户最终获得信息原始信息语音含义数据采样后的比特发送信号电磁波／光接收数据恢复的比特还原信息扬声器声音表示编码／调制解调／解码解释成功通信=含义正确+数据完整+信号可辨认2.1数据通信的基本模型102.2数据通信的理论基础一条信道的速度为什么不可能无限提高？带宽与速率→码元与波特→奈奎斯特→信噪比→香农22.2数据通信的理论基础112.2.1关键概念“带宽”在模拟通信与数字通信中表达的量不同先确认语境，再看单位模拟通信中的带宽Hz可传输的频率范围高频上限-低频下限；强调频谱宽度低频高频数字通信中的带宽bit/s单位时间的数据能力常用于描述链路速率或运营商接入能力2.2数据通信的理论基础12码元与速率波特率数“车辆”，比特率数“货物”一个码元可以携带多个比特波特率每秒传输多少个码元码元码元码元码元4个码元比特率每秒传输多少个二进制位00011011每个码元携带2bit→4个码元共携带8bit比特率=波特率×log₂V2.2数据通信的理论基础13换算示例状态数决定每个码元能够携带多少比特先算每码元信息量，再乘波特率已知条件码元状态数V=4波特率=2400baud求：比特率①每码元携带信息量log₂4=2bit②比特率2400×2=4800bit/s答案：4.8kbit/s2.2数据通信的理论基础142.2.2奈奎斯特定理理想低通信道的上限由带宽和码元状态共同决定无噪声，但仍不能无限加快Rmax=2Wlog₂VW：信道带宽（Hz）｜V：码元离散状态数｜Rmax：最高比特率（bit/s）2W最高码元速率码元上限：2Wbaudlog₂V每码元信息量提高调制阶数可以增加每个码元携带的比特乘积最高比特率扩大带宽或增加状态数，都可提高理论速率2.2数据通信的理论基础15奈奎斯特例题3kHz理想信道采用四状态码元，最高比特率为12kbit/s公式应用必须同时看W与VW=3000HzV=4Rmax=2×3000×log₂4=2×3000×2=12000bit/s工程含义：增加“车道数”或增加“每辆车载货量”都能提高理想上限2.2数据通信的理论基础162.2.3信噪比带宽像车道数，信噪比像能见度：两者共同限制现实速度高带宽不等于高容量带宽W车道越多，理论通行能力越大信号功率S有效车辆更容易被识别噪声功率N浓雾与杂波降低辨认能力S/N比值越高，信号越清晰2.2数据通信的理论基础17分贝不是线性比值30dB对应的线性信噪比是1000，而不是30代入香农公式前必须完成换算SNR(dB)=10log₁₀(S/N)分贝用于压缩很大的功率比；香农公式中的S/N使用线性比值已知30dBS/N=10³=1000易错点：不能把“30dB”直接作为S/N代入C=Wlog₂(1+S/N)2.2数据通信的理论基础18香农定理现实信道的容量由带宽与信噪比共同决定噪声存在时，调制再复杂也不能突破容量上限C=Wlog₂(1+S/N)W：带宽（Hz）｜S/N：线性功率比｜C：极限数据传输速率（bit/s）W频谱资源增加带宽可直接提高容量，但频谱和介质成本有限S/N信号清晰度提高信号或降低噪声能够提高容量，但收益呈对数增长log₂边际收益递减功率增加很多，容量只按对数缓慢增加2.2数据通信的理论基础19香农例题3kHz信道、30dB信噪比的容量约为29.9kbit/s先把dB换为线性比值1①换算信噪比30dB→S/N=10³=10002②代入公式C=3000×log₂(1+1000)3③得到结果C≈29901bit/s≈29.9kbit/s容量是理论上限；实际协议开销、编码冗余和设备性能会使有效速率更低2.2数据通信的理论基础20两大定理的边界奈奎斯特回答“无噪声能多快”，香农回答“有噪声最多多快”工程设计必须同时满足两个约束比较维度奈奎斯特定理香农定理信道条件无噪声、理想低通信道存在随机噪声的现实信道核心变量带宽W、状态数V带宽W、信噪比S/N回答问题码元与比特率的理想上限可靠传输的绝对容量上限工程启示提高调制阶数可增大速率功率收益递减，噪声决定天花板常见错误把波特率等同比特率把dB值直接代入S/N实际最高速率≤min（奈奎斯特上限，香农容量）2.2数据通信的理论基础21工程决策提升速率有三条杠杆，但每一条都有成本与边界带宽、调制与信噪比必须联合设计扩大带宽更宽频谱或更高规格介质代价成本高，频谱稀缺提高调制阶数每码元携带更多比特代价对信噪比和设备精度要求更高改善信噪比增强信号、降低噪声、优化编码代价功率收益递减，可能带来干扰商业网络的性能来自“多种技术共同逼近理论边界”，不是单点突破2.2数据通信的理论基础222.3编解码与调制解调抽象的0和1，怎样变成介质中真实存在的信号？编码／解码→NRZ同步难题→曼彻斯特→差分曼彻斯特32.3编解码与调制解调232.3.1基本概念编码面向数字信号，调制把数据装载到连续载波两组操作都包含发送端与接收端的逆过程编码⇄解码二进制数据⇄数字信号典型场景：以太网基带传输典型设备：有线网卡调制⇄解调二进制数据⇄模拟信号典型场景：光纤、无线宽带传输典型设备：光猫、无线收发器共同目标：让数据适配信道，并在接收端可可靠恢复2.3编解码与调制解调24教材波形对照同一比特序列，可以映射为完全不同的电平变化规则不同，时钟同步与抗干扰能力也不同不归零编码NRZ电平直接表示0或1，效率高但同步困难曼彻斯特编码每个比特中间必有跳变，自带时钟差分曼彻斯特编码中间跳变同步，起始有无跳变表示数据2.3编解码与调制解调252.3.2NRZ的同步难题长串相同比特没有跳变，接收端容易“数不清”简单并不等于可靠发送比特11111111高电平时钟漂移接收端无法从长时间不变的电平中判断究竟包含多少个比特周期解决方向：让波形定期产生可观察的跳变2.3编解码与调制解调262.3.3曼彻斯特编码每个比特中间强制跳变，让数据信号自带时钟用带宽换同步与可靠性10110每位中点必跳变优点自同步、可靠性高代价跳变更多，编码效率约50%2.3编解码与调制解调272.3.4差分曼彻斯特中间跳变负责同步，位开始处的变化关系负责表示数据看“变化”，不依赖绝对电平1中间必跳变起始跳变1中间必跳变起始跳变0中间必跳变起始不变1中间必跳变起始跳变0中间必跳变起始不变优势：对线路极性反转不敏感，抗干扰能力更强；典型应用为令牌环网2.3编解码与调制解调28编码方式比较选择编码不是只看简单程度，而是平衡效率、同步与抗干扰同一场景没有万能最优解编码方式数据表示规则时钟同步编码效率典型特征NRZ高低电平直接表示0/1弱高长串相同比特易失步曼彻斯特位中跳变同时表示数据强约50%标准以太网曾广泛采用差分曼彻斯特位中同步，位首变化表示数据强约50%抗极性反转，令牌环使用技术取舍：更多跳变→更可靠的时钟恢复，但需要更多带宽2.3编解码与调制解调292.4数据传输方式信号可以向哪里走？一条信道又该怎样使用？单工／半双工／全双工→基带传输／宽带传输42.4数据传输方式302.4.1按通信方向分类区别不在于“能否双向”，而在于“能否同时双向”方向与时间是判断关键单工只有一个固定方向，角色不互换半双工双方都能发送，但必须交替使用信道全双工双方可以同时发送和接收2.4数据传输方式31场景判断广播、对讲机与电话，分别对应三种方向组织方式从“谁能发送”和“能否同时”判断→广播电台→收音机单工只有电台发送⇄对讲机半双工按下说话，松开收听⇆电话与交换式以太网全双工双方可同时收发网络接口通常采用全双工，但共享无线介质仍可能需要协调发送时机2.4数据传输方式322.4.2基带与宽带基带独占整条信道，宽带把总带宽划分为多个子信道一条专用铁轨vs.一条多车道城市道路基带传输直接传输未调制的数字信号单一路信号近距离、技术简单、成本低｜典型：以太网宽带传输多路调制信号并行占用不同子信道远距离、共享信道、需要调制解调｜典型：光纤、Wi-Fi、5G2.4数据传输方式33选择传输方式先判断方向，再判断信号是否需要共享频带用两个维度快速定位方案通信需求方向组织频带使用单工半双工全双工基带宽带是否双向／能否同时直接数字信号／多子信道调制2.4数据传输方式342.5多路复用技术怎样让成百上千路数据共享一条高容量链路？复用／分用→FDM→TDM／STDM→WDM→CDM52.5多路复用技术352.5.1多路复用的定义发送端合并，接收端分离：一条链路承载多路业务共享的是物理信道，区分依据由复用方式决定AABBCCDD复用器MUX分用器DEMUX共享高容量信道多路输入按规则区分多路还原2.5多路复用技术362.5.2频分多路复用FDM不同用户长期占用不同频带，彼此并行传输在频率轴上“分车道”用户A用户B用户C用户D频率f保护频带典型应用：广播电台｜有线电视｜无线网络频段划分2.5多路复用技术372.5.3时分多路复用固定TDM按轮次分配，统计TDM按需求分配空闲用户是否占用时间片，决定利用率固定时分复用TDMABCDABCD若B空闲，B的时间片仍被保留并浪费统计时分复用STDMACDACADC只给有数据的用户分配时间片，提高链路利用率2.5多路复用技术382.5.4波分多路复用WDM多种波长在同一根光纤中并行传播本质是光通信领域的频分复用不同波长输入光复用器共享光纤光分用器不同波长输出DWDM可在单根光纤中承载几十到上百路不同波长的光信号2.5多路复用技术392.5.5码分多路复用CDM所有用户可同时同频发送，接收端用正交码序列分离像多人用不同语言同时交谈A用户A++++B用户B+-+-C用户C++--同频叠加信道相关解码正交码的核心：与自己的码相关时得到强响应，与其他码相关时接近02.5多路复用技术40四种复用方式比较它们都在共享信道，只是选择了不同的“区分维度”频率、时间、波长与码序列复用方式区分维度用户关系典型应用主要注意点FDM不同频带同时并行广播、有线电视需要保护频带TDM／STDM不同时间片轮流使用数字载波、交换转发固定时隙可能轮空WDM不同光波长同时并行光纤骨干网光器件精度与成本CDM／CDMA不同正交码同时同频无线通信码设计与功率控制复杂选择依据：业务连续性｜介质类型｜调度复杂度｜频谱与设备成本2.5多路复用技术412.6数据交换技术数据到达十字路口后，结点该怎样“指路”和转发？电路交换→分组交换→数据报／虚电路→报文交换62.6数据交换技术422.6.1电路交换先建立专用通路，再稳定传输，结束后释放资源三阶段缺一不可01建立连接选择并独占端到端通路02数据传输时延稳定，不与其他业务争用03释放连接通信结束后归还线路资源优势固定时延、无排队冲突代价空闲时仍独占，利用率低2.6数据交换技术432.6.2分组交换数据被切成独立分组，共享链路并可选择不同路径打包—分发—重组源R1R2R3R4目的123451打包2独立选路与存储转发3按序重组共享率高、健壮性好；代价是排队时延、抖动和可能乱序2.6数据交换技术44分组交换的两种模式数据报逐包独立选路，虚电路沿预先建立的逻辑链路传输物理线路都仍然是共享的数据报Datagram无连接通信前不建立逻辑链路逐包独立每个分组携带完整地址并独立选路可能乱序到达后需要排序与重组虚电路VirtualCircuit面向连接通信前建立逻辑链路沿链传输所有分组遵循相同逻辑路径顺序稳定转发状态更复杂，但便于服务保障共同点：不建立专用物理电路，链路资源仍由多个通信共享2.6数据交换技术452.6.3报文交换整份报文逐站存储再转发，等待时间和缓存压力都很大分组交换出现后逐渐被取代源结点1完整存储结点2完整存储结点3完整存储目的问题：每个结点必须等整份报文接收完毕才能转发大报文→大缓存→大时延→出错时需要重传整份报文2.6数据交换技术46三种交换方式比较互联网选择分组交换，因为突发业务更需要共享率与健壮性没有绝对最好，只有场景匹配比较维度电路交换报文交换分组交换连接准备必须建立专用电路无需建立电路可无连接或建立逻辑连接数据组织连续比特流完整报文标准化小分组资源使用通信期间独占共享高度共享时延特征建立后稳定且低大且随报文增长排队与抖动，但可流水转发健壮性路径中断则通信中断可存储转发可动态绕路典型应用传统电话网早期存储转发网络互联网互联网的核心选择：把独占资源改为统计共享，把单一路径改为可变路径2.6数据交换技术47本章知识地图从“谁在通信”到“数据怎样共享并转发”，形成一条完整逻辑链六类技术共同服务于可靠、高效的数据传输基本模型角色与转换信源—信道—信宿理论基础能力边界带宽、奈奎斯特、香农编解码信号表示NRZ、曼彻斯特、差分传输方式方向与频带单工／双工、基带／宽带多路复用共享信道FDM、TDM、WDM、CDM数据交换结点转发电路、报文、分组第2章数据通信基础49课堂挑战用五道问题检验：是否真正理解，而不是只会背术语先独立判断，再说明理由01为什么Wi-Fi传输二进制数据，却使用模拟电磁信号？024kHz、8状态理想信道的奈奎斯特上限是多少？03为什么曼彻斯特编码可靠，但编码效率较低？04固定TDM与统计TDM的利用率差异来自哪里？05互联网为什么选择分组交换，而不是电路交换？离开课堂前：用一句话解释“可靠通信的速度为什么有上限”第2章数据通信基础502.7职业素养与拓展阅读挑战香农极限的中国5G极化码把理论边界变成可工程实现的编码方案理论香农定义有噪声信道容量上限突破极化码提供可证明逼近容量的构造工程华为投入长期研发，解决复杂实现问题标准5G控制信道采用极化码5G控制信道极化码2.7职业素养与拓展阅读48第3章网络硬件与传输介质让每一个比特，找到合适的物理通道介质选择→信号传递→设备处理→工程制作铜缆光纤无线第3章网络硬件与传输介质02学习路径从“比特怎样走”到“链路怎样做”四个任务，形成完整工程闭环01识别边界物理层负责什么，不负责什么02选择介质按距离、速率、环境和成本匹配03认识设备判断设备如何处理物理信号04完成制作按标准制作并测试双绞线最终能力：能看、能选、能解释、能动手、能排错第3章网络硬件与传输介质033.1物理层概述网络分层的最底层，究竟向上层承诺什么？功能边界→透明传输→四类接口特性→兼容性判断13.1物理层概述043.1.1物理层功能物理层处在协议栈底部，直接面向传输介质上接数据链路层，下接真实世界应用层传输层网络层数据链路层物理层向上交付向数据链路层提供可使用的比特流传输服务，不暴露介质细节。向下控制规定接口、信号、电平、时序和连接过程，使设备能够真正互联。核心对象：比特0/13.1物理层概述05透明传输物理层只搬运比特，不解释比特对上层而言，不同介质的差异被隐藏TX发送端上层交付10110010RX接收端上层获得10110010电信号光信号电磁波介质可以改变，交付给上层的比特序列不应改变易错点：透明≠没有编码；透明是“上层无需感知介质细节”3.1物理层概述06职责边界物理层解决“能不能传”，不解决“传给谁”边界清晰，分层才能协作物理层负责•规定接口形状与尺寸•规定信号电平与编码•规定针脚或光接口功能•规定建立、维持与释放连接的步骤物理层不负责•不识别MAC地址•不划分或校验数据帧•不选择IP路由•不解释应用数据含义判断口诀：看到接口、信号、介质、比特→优先想到物理层3.1物理层概述073.1.2物理层特性接口兼容需要同时满足四个维度外形、电信号、作用、顺序缺一不可01机械特性能否插得上形状、尺寸、针脚、排列02电气特性信号能否识别电压、电流、阻抗、速率03功能特性每根线做什么发送、接收、控制、地线04规程特性何时怎样动作建立、维持、释放、时序四者共同回答：两个设备的物理接口是否真正兼容？3.1物理层概述08机械特性机械兼容先决定“能不能连接”接口形状、尺寸和排列必须一致形状匹配接口形状插头与插座的轮廓、卡扣和方向。尺寸与固定方式宽度、深度、螺钉或卡扣位置。触点数量与排列针脚数量、顺序和接触位置。3.1物理层概述09电气特性电气兼容决定“信号能不能被正确识别”不仅看电压，还看阻抗、速率与时序高电平低电平电平范围0和1如何区分阻抗匹配减少反射和失真传输速率单位时间传多少比特时钟与波形何时采样、怎样判决电气参数不匹配，可能导致误码甚至损坏设备3.1物理层概述10功能特性功能特性为每个触点分配明确职责同一个针脚不能“各说各话”1发送+2发送-3接收+4备用5备用6接收-7备用8备用功能特性关注“这个位置的信号代表什么”，不是接口长什么样3.1物理层概述11规程特性规程特性定义通信动作的先后顺序有正确接口，也要按正确节奏使用01建立检测接口与链路状态02协商确认速率、双工等能力03维持按时序持续发送和接收04释放结束连接并恢复空闲规程=动作+顺序+条件+时序3.1物理层概述12兼容性诊断排查接口故障时，从外到内逐层验证不要只盯着“插上了没有”01机械接口是否匹配、触点是否变形02电气电平、阻抗、速率是否支持03功能针脚或通道用途是否一致04规程协商与动作时序是否一致案例：外形相同却链路灯不亮→继续检查电气、功能与规程，而不是反复插拔3.1物理层概述133.2传输介质铜缆、光纤和无线，为什么没有一种方案包打天下？结构与信号→性能边界→环境适配→成本与运维23.2传输介质14选择框架介质选择不是比“谁最快”，而是匹配场景约束六个问题决定工程方案01距离需要覆盖多远02速率需要多大带宽03干扰电磁环境复杂吗04安全泄漏风险多高05施工布线与维护难度06成本设备与生命周期投入优秀方案不是单项冠军，而是约束条件下的综合最优3.2传输介质153.2.1双绞线两根绝缘铜线相互绞合，用结构抵消干扰常见、经济、易施工的局域网介质为什么要绞合？相邻线段受到的外界干扰趋于相互抵消。为什么要成对？差分传输比较两根线的电位差，增强抗干扰能力。为什么广泛使用？成本低、端接容易，适合楼内与桌面接入。绞距与制造质量会影响串扰和传输性能3.2传输介质16结构比较UTP轻便经济，STP增强抗干扰但施工更严格是否屏蔽，要看环境而不是“越多越好”UTP非屏蔽双绞线优点：轻、便宜、端接简单适用：普通办公室、教室、家庭STP屏蔽双绞线优点：抗电磁干扰更强要求：屏蔽层连续并正确接地3.2传输介质17性能等级线缆类别越高，支持频率与速率通常越高性能提升伴随材料、施工与测试要求提高类别典型频率典型能力常见定位超五类Cat5e100MHz1Gbit/s千兆桌面接入六类Cat6250MHz短距离10Gbit/s新建综合布线超六类Cat6A500MHz100m10Gbit/s高性能楼宇布线七类Cat7600MHz以上更强屏蔽能力高干扰或高规格场景工程提示：链路能力由线缆、模块、跳线、端接质量共同决定3.2传输介质18线序标准T568A与T568B使用相同八根芯线，但排列不同端接时必须从统一观察方向确认1—8号位置T568A1白绿2绿3白橙4蓝5白蓝6橙7白棕8棕T568B1白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕3.2传输介质19线缆类型直通线两端同序，交叉线两端异序传统规则仍有教学价值，现代设备多支持自动翻转B↔B直通线两端均采用T568B（或均采用T568A）传统用途：连接不同类型设备例：计算机—交换机A↔B交叉线一端T568A，另一端T568B传统用途：连接相同类型设备例：计算机—计算机提示：AutoMDI-X可自动适配，但考核与制作仍要掌握两种线序3.2传输介质203.2.2同轴电缆同轴结构用屏蔽层包围中心导体几何同轴带来良好的屏蔽与稳定阻抗中心导体传输电信号绝缘介质保持间距与阻抗金属屏蔽降低外部干扰与信号辐射外护套提供机械与环境保护常见场景：有线电视、视频传输、射频连接3.2传输介质21介质定位同轴电缆不是“淘汰品”，而是从以太网主角转向专业场景结构优势仍然服务于射频与视频同轴电缆01有线电视02监控视频03射频馈线04仪器连接3.2传输介质223.2.3光纤光纤用纤芯与包层共同约束光的传播高带宽、低损耗、抗电磁干扰纤芯折射率较高，主要承载光信号。包层折射率较低，使光在边界发生全反射。涂覆与护套保护玻璃纤维，增强机械与环境适应性。3.2传输介质23传播原理全反射让光沿弯曲光纤前进，但弯曲仍有极限入射角与折射率共同决定是否被约束纤芯条件从高折射率介质射向低折射率介质，且入射角足够大。结果光在边界被反射回纤芯，能量沿轴向传播。工程提示：弯曲半径过小会增加光损耗，严重时造成断纤3.2传输介质24光纤类型单模追求远距离，多模强调短距离与成本平衡区别来自纤芯尺寸、光源与模式色散LONG单模光纤SMF纤芯细｜激光光源传播模式少｜模式色散小适合长距离、高带宽骨干SHORT多模光纤MMF纤芯较粗｜LED或VCSEL光源多条路径传播｜模式色散较大适合楼内、机房等短距离链路维度单模多模典型距离长短光源与成本较高较低3.2传输介质25有线介质对比没有绝对最好，只有对场景更合适用性能与实施两个维度共同判断介质带宽/距离抗干扰施工典型场景双绞线中/短中最容易桌面接入、楼内布线同轴电缆中/中较强中等电视、视频、射频光纤高/长最强要求高骨干、数据中心、跨楼宇教室电脑→双绞线跨楼宇骨干→光纤有线电视→同轴3.2传输介质263.2.4无线传输无线以电磁波穿越空间，用灵活性换取可控性挑战覆盖、方向性、障碍物与干扰共同决定效果无线介质无线电波可全向、绕射与穿透微波方向性强、视距传播红外线短距离、受障碍物阻挡共同挑战干扰、衰减、安全与共享3.2传输介质27无线电波全向覆盖与一定穿透能力，适合移动接入覆盖越广，干扰管理与安全控制越重要AP终端穿墙后衰减优势覆盖灵活，支持移动终端与非视距场景。限制同频干扰、障碍衰减与共享信道竞争。工程关注信道规划、功率控制、漫游和安全认证。3.2传输介质28微波定向、视距、高容量，适合点到点链路路径规划必须考虑遮挡与地球曲率障碍物会阻断视距路径方向性强能量集中，链路可控带宽较高适合点到点回传依赖视距需评估遮挡与气象3.2传输介质29红外线短距离、方向明确、难以穿墙空间隔离既是限制，也是安全与复用优势发射端接收端障碍物阻断遥控器短距数据传输空间隔离3.2传输介质30无线介质对比从方向性、穿透、距离和场景快速定位先判断传播特性，再讨论速率类型方向性穿透/绕射典型距离代表场景无线电波可全向较强近—中Wi-Fi、移动通信微波强定向弱，需视距中—远点到点回传红外线方向明确不能穿墙短遥控、室内短距选择逻辑：是否需要移动？是否有视距？是否允许信号穿越空间边界？3.2传输介质31决策树用四个问题快速形成介质候选集最终方案还需结合标准、预算与现场测试是否可以铺设实体线路？可以不便距离长/带宽高/强干扰？是→光纤；否→双绞线或同轴是否具备稳定视距？是→微波；否→无线电波有线候选：双绞线/同轴/光纤无线候选：无线电波/微波/红外最后复核：成本｜施工｜接口｜维护｜安全3.2传输介质323.3物理层设备这些设备是在放大、再生、转换，还是提供接口？中继器→集线器→调制解调器→网络接口卡33.3物理层设备333.3.1中继器中继器对信号进行整形、再生与转发核心不是简单放大，而是恢复可判决的波形整形修正波形边沿与幅度。再生重新判决0和1，生成干净信号。转发把恢复后的信号送入下一段介质。不能识别MAC地址，也不能隔离冲突域3.3物理层设备343.3.2集线器集线器是多端口中继器：收到一份，复制到其余端口简单共享，也意味着共享冲突与带宽HUB主机A主机B主机C主机D广播到其他所有端口3.3物理层设备35共享介质效应集线器端口增多，不会增加共享链路的总容量同时发送会竞争介质，并可能发生冲突总带宽100Mbit/s主机1主机2主机3主机4示意：多个主机共享同一容量池冲突域所有端口属于一个冲突域；同时发送可能相互干扰。半双工与共享传统集线器网络不能像交换机端口那样独享带宽并全双工工作。结论：集线器解决连接数量，不解决智能转发3.3物理层设备363.3.3调制解调器调制解调器连接不同信号世界本质是按接入介质完成信号形式转换3.3物理层设备3701用户数据以太网比特流02调制/转换改变信号形式03接入线路电话线、光纤等04解调/恢复还原用户数据光猫：光信号↔电信号设备名称可能沿用“猫”，核心仍是接入信号转换3.3.4网络接口卡网卡是主机进入网络的物理入口与帧处理边界横跨物理层，并承担部分数据链路层功能物理层功能接口、信号编码/解码、链路状态与速率协商。数据链路层功能MAC地址、帧收发、差错检测与缓冲。主机连接通过总线与操作系统、驱动程序和应用协同。3.3物理层设备38物理层设备对比用一个动词抓住设备本质再生、复制、转换、接入设备核心动词处理对象是否选择目的端口典型位置中继器再生物理信号否链路延伸集线器复制物理信号否早期共享以太网调制解调器转换不同形式信号否用户接入边界网卡接入/收发信号与数据帧面向本机终端或服务器如果设备需要读取MAC地址并按端口转发，应想到交换机而不是集线器3.3物理层设备393.4双绞线制作实验一根“看起来没问题”的网线，为什么可能链路不通？工具准备→统一方向→排线剪齐→插入压接→测试排错43.4双绞线制作实验40实验准备工具、材料与安全检查缺一不可先准备，再动手，减少返工网线超五类或六类双绞线，长度满足任务要求。RJ45水晶头规格与线缆匹配，触点无变形。网线钳剥线、剪线、压接功能状态正常。测试仪主机与远端电池、电源、接口正常。3.4双绞线制作实验41操作基准牢记T568B顺序，更要牢记观察方向水晶头金属触点朝上、卡扣朝下时，从左到右1—81白橙2橙3白绿4蓝5白蓝6绿7白棕8棕白橙—橙—白绿—蓝—白蓝—绿—白棕—棕先统一观察方向，再背颜色顺序3.4双绞线制作实验42步骤1—3剥线、解绞、排线决定后续端接质量动作精细，比速度更重要3.4双绞线制作实验4301剥护套约2—3cm，避免伤及芯线02解绞整理只解开端接所需长度03按序排直T568B排列并夹紧步骤4—6剪齐、插到底、压到位，三个动作决定接触可靠性水晶头必须同时咬住芯线与外护套3.4双绞线制作实验44剪齐芯线端面平整、长度一致插入八根芯线到达水晶头最前端压接金属片刺入芯线，压片夹紧护套测试诊断测试仪的1—8号灯，是线缆内部连接关系的可视化观察顺序、缺失、错位与重复01正确12345678两端同步顺序点亮02断路某一编号不亮检查芯线是否到位或压接失败03错序两端编号不一致检查颜色排列与观察方向04短路/串线多个编号异常或同时亮检查铜丝外露和触点排错顺序：读灯号→定位芯线→检查线序→检查到底→重新压接3.4双绞线制作实验45交付检查一根合格网线，要同时通过外观、连通与稳定性检查从“能亮”提升到“可长期使用”OK线序两端标准与任务一致OK到底八根芯线到达水晶头前端OK护套压片夹紧外护套而非裸芯线OK解绞端接处解绞长度尽可能短OK连通测试仪1—8对应正确OK标识长度、用途、端点清晰可追溯职业素养：安全操作｜工具归位｜碎屑清理｜结果记录｜同伴复核3.4双绞线制作实验463.5职业素养与拓展海底光缆：连接世界的“深海骨干”路由勘测制造与测试海上敷设系统验收监测与维护工程价值：可靠性、协同、规范、责任3.5海底光缆47本章知识地图用一张图连接“标准—介质—设备—制作”从概念回到工程任务比特的物理传输物理层特性机械｜电气｜功能｜规程传输介质双绞线｜同轴｜光纤｜无线物理层设备中继器｜集线器｜调制解调器｜网卡工程制作T568B｜压接｜测试｜排错第3章网络硬件与传输介质48考核重点判断、比较、解释、操作四类任务都要会把知识点转化为可回答的问题01判断区分物理层与其他层职责识别四类接口特性02比较比较双绞线、光纤、无线比较中继器、集线器与交换机03解释说明绞合抗干扰、光纤全反射说明中继器不是简单放大04操作默写T568B线序制作、测试并诊断网线易错提醒：透明传输≠不处理｜中继器≠放大器｜Hub≠Switch第3章网络硬件与传输介质49课堂挑战为“跨楼宇实训中心”设计一条可靠网络链路约束：距离350m｜强电设备较多｜要求10Gbit/s｜需可维护、可验收01选介质为什么选它？02选设备两端需要哪些接口与设备？03定验收用哪些指标证明可用？输出：一张链路草图+三条选择理由+一份验收清单第3章课堂挑战50第4章数据链路层与局域网交换技术让每一帧都找到正确的出口成帧→寻址→访问→交换→隔离第4章数据链路层与局域网交换技术02学习路径用五个问题理解局域网二层通信从帧到广播域形成完整逻辑链01帧怎样形成？02地址怎样找到？03谁可以发送？04交换机怎样选择？05广播怎样隔离？核心能力：看懂帧｜推演ARP｜解释交换｜规划VLAN｜验证配置第4章数据链路层与局域网交换技术034.1数据链路层概述物理层只传比特，二层如何让传输变得有边界、可识别？链路与帧→五项功能→LLC/MAC14.1数据链路层概述044.1.1数据链路层功能链路是物理线路，数据链路是加入协议后的逻辑通道相邻结点之间，一段一段完成可靠交付链路两个相邻结点之间的物理线路数据链路链路加上控制传输的硬件与软件帧网络层分组经过封装后的二层协议单元4.1数据链路层概述054.1.1数据链路层功能数据链路层承上启下：上接分组，下接比特流发送端封装，接收端解封装发送端接收网络层分组添加帧头与帧尾形成帧后交给物理层接收端接收物理层比特流识别帧边界并检错解封装后交给网络层4.1数据链路层概述06核心职责五项功能共同把“比特通路”变成“可控链路”边界、地址、差错、流量、访问封装与解封装定义帧边界并承载网络层分组物理寻址使用源和目的MAC标识局域网结点差错检测与控制FCS检测损坏，特定链路可确认重传流量控制协调发送速率，避免接收端过载访问控制共享介质上决定谁可以发送4.1数据链路层概述07封装过程帧头负责识别与分派，帧尾负责完整性检查数据链路层为网络层分组加上可传输边界网络层分组待交付的数据加帧头源/目的MAC与类型加帧尾FCS校验值形成帧交给物理层发送4.1数据链路层概述08功能协作可靠链路不是一个机制完成，而是多机制协作不同介质对可靠性的实现程度不同检错CRC/FCS发现传输错误控速避免发送速度超过接收处理能力争用共享信道需协调发送时机链路管理建立、维持并释放逻辑连接4.1数据链路层概述094.1.2两个子层LLC向上提供统一接口，MAC向下控制介质一个屏蔽差异，一个解决共享与寻址LLC子层逻辑链路管理、流量与差错控制、协议复用MAC子层介质访问、MAC寻址、帧封装与差错检测分工关系LLC更靠近网络层，MAC更靠近物理层4.1数据链路层概述104.2MAC地址与以太网帧局域网中的设备如何识别彼此，并把数据装成标准帧？MAC结构→地址类型→帧字段→MTU24.2MAC地址与以太网帧114.2.1物理地址MAC地址用48bit标识局域网接口前24bit表示厂商，后24bit由厂商分配格式6字节，常写成12位十六进制OUI前24bit由IEEE分配给制造商设备标识后24bit由厂商保证产品范围内唯一软件覆盖操作系统可逻辑修改或随机化显示地址4.2MAC地址与以太网帧12地址类型单播、广播、组播决定帧的接收范围一对一、一对全体、一对一组单播目的MAC指向一台特定设备广播FF:FF:FF:FF:FF:FF，广播域内全部接收组播目的MAC代表一个成员组，仅组成员处理4.2MAC地址与以太网帧13组播标识组播地址用首字节最低位标记“一对一组”标志位帮助网卡快速识别接收范围标志位第一个字节最低位为1表示组播处理方式交换机转发到相关成员端口应用价值比广播更精确，比逐个单播更高效4.2MAC地址与以太网帧144.2.2以太网帧以太网把IP分组装入统一的二层信封帧结构让接收端知道给谁、是什么、是否损坏目的MAC接收者源MAC发送者类型上层协议数据IP分组FCS完整性检查4.2MAC地址与以太网帧15以太网V2帧字段长度固定，数据字段在46—1500字节之间最小帧长64字节，MTU通常为1500字节地址字段目的和源MAC各6字节类型字段2字节，标识上层协议数据与FCS数据46—1500字节，FCS4字节4.2MAC地址与以太网帧16字段职责接收端按字段逐步完成过滤、分派与检错字段不是库存清单，而是一条处理链看目的MAC是否接收看类型交给哪个上层协议取出数据得到网络层分组核对FCS错误则丢弃4.2MAC地址与以太网帧17MTUMTU限制帧中有效载荷的最大长度以太网常见MTU为1500字节不超过MTU一个网络层分组可直接装入数据字段超过MTU需要由网络层分片或采用其他适配机制4.2MAC地址与以太网帧184.3数据链路层核心协议地址怎样解析？共享介质上的设备怎样协调发送？ARP→CSMA/CD→CSMA/CA34.3数据链路层核心协议194.3.1ARPARP只做一件事：在本地网络把IP解析成MAC已知逻辑地址，寻找二层交付地址已知目标IP来自上层通信需求查ARP缓存优先使用近期映射广播请求询问谁拥有该IP单播应答目标返回自己的MAC4.3数据链路层核心协议20ARP流程先判断是否同网段，再查询目标或网关的MACARP不跨越广播域工作同网段查询目标主机MAC不同网段查询默认网关MAC缓存命中直接封装帧，避免重复广播4.3数据链路层核心协议21ARP请求ARP请求使用广播：让局域网内所有设备都听到问题询问“谁拥有这个IP？”主机A缓存没有目标映射广播帧目的MAC全F所有主机接收只有目标IP主机响应交换机泛洪请求进入广播域其他端口4.3数据链路层核心协议22ARP应答ARP应答使用单播：答案只返回给询问者请求广而问，应答精准回请求阶段Host1广播查询Host2的MAC应答阶段Host2单播返回自身MAC缓存更新Host1保存IP—MAC映射4.3数据链路层核心协议23本地与远程访问远程主机时，帧的目的MAC是网关而不是远端主机IP目标不变，逐跳二层地址会改变同一局域网ARP解析目标主机MAC帧直接交给目标主机不同局域网ARP解析默认网关MAC帧先交给路由器4.3数据链路层核心协议24RARP到DHCPRARP解决“已知MAC求IP”，DHCP进一步完成主机配置技术演进来自配置需求的扩展RARP根据MAC获取IPBOOTP引导阶段提供网络参数DHCP动态分配IP、掩码、网关、DNS4.3数据链路层核心协议254.3.2CSMA/CD共享有线介质遵循“先听后说，边说边听”载波侦听、多路访问、冲突检测载波侦听先判断信道是否空闲多路访问所有站点平等竞争介质冲突检测发送同时持续监听随机退避冲突后等待随机时间重发4.3数据链路层核心协议26冲突处理检测到冲突后，停止发送、发阻塞信号、随机退避退避减少下一次再次相撞的概率立即停止避免继续浪费介质发送阻塞让所有站点明确冲突随机退避每个站点等待不同时间重新侦听信道空闲后再次尝试4.3数据链路层核心协议27现代意义交换式全双工以太网基本消除了冲突CSMA/CD仍是理解共享以太网的重要基础集线器时代共享总线、半双工、存在冲突域交换机时代端口独享链路、全双工、基本无冲突4.3数据链路层核心协议284.3.3CSMA/CA无线难以可靠检测冲突，因此尽量在发送前避免冲突先听、等待、预约、确认载波侦听先听信道帧间间隔按优先级等待随机退避错开竞争时间RTS/CTS与ACK预约并确认可靠交付4.3数据链路层核心协议29隐藏站问题A和B互相听不到，却可能同时向AP发送发送端无法感知对方，冲突发生在接收端根因两个站点不在彼此覆盖范围冲突点两路信号在AP处重叠缓解RTS/CTS预约信道并结合ACK确认4.3数据链路层核心协议30协议对比CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突介质不同，访问控制策略也不同CSMA/CD传统共享有线以太网能边发送边检测冲突冲突后停止并退避CSMA/CA无线局域网难以可靠检测冲突通过等待、预约和ACK降低冲突4.3数据链路层核心协议314.4数据链路层设备交换机如何学习、选择、转发或过滤数据帧？独立冲突域→MAC学习→泛洪/转发/过滤44.4数据链路层设备324.4.1交换机的诞生交换机为每个端口建立独立通信路径从共享冲突域走向端口级并发端口独享每个端口形成独立冲突域并发通信多组主机可同时传输安全提升单播帧不再无差别广播给所有端口4.4数据链路层设备33Hub与Switch集线器复制信号，交换机依据MAC选择端口差别不只是速度，而是是否理解帧地址集线器Hub物理层设备收到信号复制到其他端口一个冲突域、共享带宽交换机Switch数据链路层设备读取目的MAC选择端口每端口独立冲突域4.4数据链路层设备344.4.2工作原理交换机通过源MAC自学习建立地址表学习源地址，转发目的地址初始状态MAC表为空学习动作记录源MAC与入端口持续更新每个新帧都会刷新学习结果4.4数据链路层设备35泛洪目的MAC未知时，交换机向除入端口外的其他端口泛洪未知单播与广播都会触发泛洪未知单播MAC表没有目的地址记录广播帧目的地址为全F关键边界不会沿原入端口回送4.4数据链路层设备36转发与过滤已知目的MAC后，交换机只在必要端口转发同端口则过滤，不同端口则定向转发读取目的MAC查询MAC地址表记录不存在泛洪记录在其他端口定向转发记录在入端口过滤丢弃4.4数据链路层设备37工作模式存储转发更可靠，直通转发更低时延现代交换机以存储转发为主存储转发接收完整帧并通过CRC后转发直通转发读到目的地址即可转发，时延低但不检错碎片无冲突读完最小有效长度后转发，折中处理4.4数据链路层设备384.5虚拟局域网如何把一套物理网络划分成多个逻辑广播域？广播域→VLAN→802.1Q→Access/Trunk54.5虚拟局域网394.5.1广播域交换机隔离冲突域，却默认不会隔离广播域网络越大，广播消耗的带宽与CPU越多广播传播ARP等广播会经过多台二层交换机性能影响占用链路并唤醒大量终端处理治理目标把一个大广播域拆成多个小广播域4.5虚拟局域网40VLAN价值VLAN在一套物理网络上划分多个逻辑广播域灵活分组、限制广播、提升安全逻辑隔离同一交换机端口可属于不同VLAN广播控制广播帧只在所属VLAN内部传播组织灵活可按部门、业务或安全等级划分通信边界不同VLAN不能直接二层互通4.5虚拟局域网414.5.2划分方法基于端口的VLAN最直观：端口归属决定广播域终端接入哪个端口，就进入哪个VLANVLAN表记录VLANID与成员端口Access端口通常连接终端，只属于一个业务VLAN优点规划清晰、配置简单、易于验收4.5虚拟局域网424.5.3802.1Q802.1Q在以太网帧中加入4字节VLAN标签交换机根据VLANID控制帧的传播范围TPID标识这是带802.1Q标签的帧TCI包含优先级、CFI与VLANIDVLANID12bit，可表示4096个编号空间4.5虚拟局域网43端口类型Access连接终端，Trunk在交换机之间承载多个VLAN标签何时添加、保留、剥离由端口规则决定Access端口面向不识别VLAN标签的终端入方向按PVID归类出方向通常剥离标签Trunk端口面向交换机等网络设备可允许多个VLAN通过多数业务帧保留标签4.5虚拟局域网44跨VLAN通信不同VLAN之间必须借助三层转发二层隔离，三层互通先交网关主机发现目标位于其他网段三层转发网关在VLAN间路由数据包重新封装到达目标VLAN后生成新的二层帧4.5虚拟局域网454.6TCP/IP模型中的网络接口层实际互联网模型如何融合二层与物理层能力？ARP与成帧→编码与传输64.6TCP/IP模型中的网络接口层464.6网络接口层TCP/IP网络接口层融合OSI的数据链路层与物理层从实践出发，把成帧与信号传输视为一个接入层数据链路功能ARP解析、MAC寻址、以太网封装、FCS检错物理层功能编码、信号传输、接口与介质4.6TCP/IP模型中的网络接口层474.7VLAN配置实验怎样证明配置不仅存在，而且真正实现了隔离目标？规划→配置→查看→连通性验证74.7VLAN配置实验484.7.1基本配置实验VLAN实验先规划，再配置，最后用连通性验证隔离配置命令必须服务于明确的网络目标规划PC1/PC3进VLAN10，PC2/PC4进VLAN20配置创建VLAN并把Access端口加入对应VLAN验证同VLAN互通，不同VLAN不通4.7VLAN配置实验49Access配置逻辑创建VLAN、进入接口、设为Access、加入VLAN理解命令层级比死记命令更重要创建VLANvlan10/vlan20进入接口interface...设为Accessportlink-typeaccess指定VLANportdefaultvlan...4.7VLAN配置实验504.7.2部门隔离实验Trunk让同一VLAN跨越多台交换机交换机互连链路需要同时承载多个VLAN互连端口配置为Trunk允许列表明确允许VLAN10和VLAN20通过端到端效果跨交换机同VLAN互通，不同VLAN仍隔离4.7VLAN配置实验51实验验证show与ping共同证明“配置存在”且“业务符合预期”只看命令回显，不能替代结果验证查看VLAN确认VLAN存在和端口归属查看端口确认Access/Trunk类型与允许列表同VLAN测试应当跨端口或跨交换机互通异VLAN测试无三层网关时应当不通4.7VLAN配置实验52本章知识地图一条二层主线贯穿地址、成帧、访问、交换与隔离每个机制都在回答“帧如何正确到达”MAC与帧识别和封装ARP与访问解析和争用交换机学习与选择转发VLAN限制广播与逻辑隔离第4章总结53考核重点第4章既考原理，也考交换机与VLAN配置逻辑本章是课程重点章节必须理解五项功能、LLC/MAC、以太网帧、ARP流程必须比较CSMA/CD与CA、Hub与Switch、Access与Trunk必须解释MAC学习、泛洪、转发、过滤、VLAN隔离必须操作VLAN规划、端口配置、连通性验证第4章总结54课堂挑战为三部门办公网设计二层隔离与互联方案约束：两台交换机｜三个VLAN｜同部门跨交换机互通｜部门间默认隔离画拓扑标出终端、Access端口和Trunk链路列规划给出VLANID、端口归属和允许列表定验证设计同VLAN与异VLAN测试矩阵讲理由说明广播域、MAC学习与标签如何协同第4章综合应用55第5章IP寻址与路由能够规划IPv4/IPv6地址、划分子网、理解路由和完成基础配置。网络层概述→IPv4地址→IPv4子