第13章 计算机网络体系结构 和网络设备简介.ppt

1、微型计算机原理与接口技术,主 编 何 超,中国水利水电出版社,计算机网络的定义及其功能 1、定义 将位于不同地址位置的具有独立功能的计算机，通过信息传输介质和通信设备相互连接起来，实现资源共享的目的，就形成了计算机网络。 2、功能 资源共享 信息交换 分布式处理,第13章 计算机网络体系结构 和网络设备简介,3、计算机网络分类 1）按照覆盖范围划分： 局域网（Local Area Network，LAN） 园区网（Campus Area Network，CAN） 城域网（Metropolitan Area Network，MAN） 广域网（Wide Area Network，WAN） 2）按照

2、网络结构划分： 以太网 令牌环网（Token Ring Networks） 光纤分布式接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI） 异步传输网络（Asynchronous Transfer Mode，ATM） 帧中继网络（Frame Relay）,4、网络拓扑结构 星型拓扑结构 环型拓扑结构 总线型拓扑结构 树型拓扑结构 网状拓扑结构 蜂窝拓扑结构 混合型拓扑结构 分布式拓扑结构,网络体系结构 1、网际互连模型 为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（Organization for Standard

3、ization，ISO）于1978年创建了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。 OSI/RM模型是为网络而构建的最基本的层次结构模型，参考模型是一种概念上的蓝图，它描述了一台计算机向另一台计算机发送数据，实现有效通信所需要的所有过程，并将这些过程划分为逻辑上的组，称为层。当一个通信系统以这种方式进行设计时，就称为是分层的体系结构。,OSI/RM模型的主要优点 ： 将网络的通信过程划分为功能明确的、单一的各个部分（层），防止对某一层所做的改动影响到其它层，有助于各层的分别开发、设计和故障排除

4、。 通过网络组件的标准化，允许多个供应商进行开发。 定义在模型的每一层实现的功能，有助于产业的标准化。 允许各种类型的网络硬件和软件相互通信。,OSI/RM 的7层模型 ：,TCP/IP协议和DoD模型 传输控制协议/因特网协议（TCP/IP）组是由美国国防部（即DoD，ARPAnet也是由其创建）所创建的，主要用来确保数据完整性及在重大灾难发生时仍能维持通信。 DoD模型基本上是OSI/RM模型的一个浓缩版本，同样将网络进行分层，不同的是只有四层,DoD模型和OSI/RM模型之间的比较 ：,网络地址 为了识别和区分每一台主机，必须为互联网中的每台主机分配唯一的网络地址，称为IP地址。 IP地

5、址用二进制表示，便于在计算机中使用。长32位，分为4组，每组8位。为了方便读写也常用十进制表示，同样分为四组，称作“点分十进制”。 IP地址是一个结构化的或者说分层的地址，这样的地址方案有很多优点： 可以处理数量巨大的地址空间，几乎达到43亿个地址（232）。 方便路由器（一种网络设备，容后述）进行路由计算和路由选择。,IP地址采用二级分层方案，用32位二进制的前一部分来表示一个IP地址所属的网络号，称为网络标识；后面的部分用来表示该网络的特定主机，称为主机标识。 因此因特网设计者根据网络内主机数量的多少规定网络的类别，依次为A、B、C、D、E五类网络。 在互联网上使用的地址只有A、B、C三类

6、，D类用于组播地址，不在互联网上使用，E类保留，用于科学实验。,IP地址分类 ：,D类和E类网络地址： D类网网络地址必须以1110开头，用作组播地址；E类网络地址必须以1111开头，用于科学实验。D类网网络地址第一个字节能够表示的十进制数值范围为224到239，E类网网络地址第一个字节能够表示的十进制数值范围为240到255，。 显然，拥有相同网络号的主机属于同一个网络，比如IP地址00和IP地址00，根据第一个分组192我们能够确定这两个IP地址都是C类网络地址，二者的IP地址的网络号均为，由此可知这两个IP地址属于同一个网

7、络。但主机号分别为100和200。,特殊地址 ： A类、B类和C类地址主要是用来分配给网络上的主机使用的。但这三类地址中有部分地址被保留用于某些特殊目的，网络管理员不能将这些地址分配给主机。,私有地址 InterNIC从各类网络中划出了一部分IP地址给企事业内部使用，称作私有地址（Private address）。能够在互联网上直接使用的IP地址称作公网IP地址，这类地址需要向InterNIC申请，且公网IP地址IPv4（IP版本4）目前已接近耗尽，地址资源非常紧张，很难申请，一个企事业子网只能申请几个。 私有地址不用申请，由企事业用户自行分配，属于非注册地址，只能在内部使用，不能在互联网上使

8、用（不能直接被访问，也不能直接访问网络）。 A类私有地址：55 B类私有地址：55 C类私有地址：55,子网掩码 子网掩码的作用是帮助界定一个IP地址的网络部分和主机部分，也是32位二进制数，为了方便书写和记忆，也用“点分十进制”格式表示。互联网上常用的A、B、C类地址的子网掩码分别为： A类： B类： C类：,子网划分 为了克服某类网络过大以及广播风暴问题，就有必要将一类大网络进行子网划分，产生小

9、一些的子网络。很明显，子网络内的主机数目会少很多，并且同一网络中的各个子网络彼此之间也需要一些代码区分，自然就会将主机号的高端的若干位拿出来作为子网络标识。为了方便地分辨IP地址中哪是网络号，哪是子网络号，哪是主机号，人们设计了子网掩码与IP地址配套。子网掩码的构造很简单：网络号有几位，就用几个“1”表示；主机号有几位，就用几个“0”表示。,DHCP和DNS,DHCP和DNS是网络上的两种常见协议，为主机接入网络和访问网络资源提供服务。 DHCP称为动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），用来为网络上的主机提供必要的网络配置信息，如IP地址、

10、网关地址、DNS服务器地址等。在规模较大的网络中发挥重要作用。 DNS称为域名系统（Domain Name System），提供的服务就是将用户提交的域名转换为对应的IP地址。,DHCP和DNS,DHCP服务器的作用及原理 DHCP是一种网络协议，运行模式为客户端/服务器模式，即DHCP Client/DHCP Server。在客户端主机上运行的是DHCP Client，提出网路服务请求；响应客户端请求并运行DHCP Server网络方的主机称作DHCP服务器。,DHCP和DNS,IP地址的获取方式 1）手工设置IP地址 手工设置IP地址用于用户使用固定IP地址的场合，用户需向网络管理员申请I

11、P地址，然后自行设置。 2）自动获得IP地址 在规模比较大的网络中，如果管理员使用手工方式为每台计算机设置IP地址，若再考虑到主机更换或位置改变等，是一件很耗时，极易出错且效率不高的事情。 在DHCP的典型应用中，一般包含一台DHCP服务器和多台客户端。DHCP是动态主机配置协议，采用客户端/服务器端通信模式，由客户端向服务器提出配置申请，服务器返回为客户端分配的IP地址等相应的配置信息，以实现IP地址等信息的动态配置。管理员在服务器上配置相应的DHCP服务，并划分合适的地址空间，响应网络上传来的请求，并给予回应。,DHCP和DNS,DNS的作用及原理 域名系统的作用： DNS的全称是Doma

12、in Name System，即域名系统，它的作用是用来作域名解析的。 IP地址通常使用二进制或十进制表示，要记忆这些数字对大多数人来说是很难的事。为此，就要使用域名来代替主机的IP地址。域名是一串具有识别含义的字符串，如我们在浏览网页时输入地址：，表明它是某个区域内某个机构中的一台服务器。 域名系统里存储的是域名和此域名对应的IP地址，客户机在访问一台服务器时，首先输入这台服务器的域名（容易记忆），这时，客户机会发送一条请求信息到指定的DNS服务器（域名解析服务器），指定的DNS服务器便会在数据库中查找所对应的IP地址，并将查询结果发送回到客户机，客户机便能根据查询到的IP地址来访问响应的服

13、务器。,DHCP和DNS,域名的等级结构 域名的命名具有一定的规则，通过域名应该能够反映出此主机所处的地理位置、机构类型、域名名称即主机名等信息。 域名系统的结构像一棵倒放的树，树根称作根节点（root），用点（.）表示。根节点下面是叶子节点，每个叶子节点下面还有叶子节点。,DHCP和DNS,人们将Internet上的命名空间有组织的划分为7个部分，称为顶级域名： com：商业组织，如，。 edu：教育机构，如，。 gov：政府机构，如。 mil：军事机构，如，。 net：早期为提供网络服务的组织，如，

14、自1996年开始，向所有商业组织开放，同com。 org：早期为非盈利性机构，如，自1996年开始，向所有机构开放。 int：国际性组织，如。,DHCP和DNS,常见的国家和地区的顶级域名：,DHCP和DNS,二级域名是指顶级域名之下的域名，有国际和国家内的区别。在国际顶级域名下，它是指注册人的网上名称，比如sohu，ibm，intel，microsoft等。在国家地区顶级域名下，它是指注册企业的类别，如com（商业），edu（教育），gov（政府）等。 三级域名用字母（如AZ，az）、数字（09）和连接符（-）组成，各级域名之间用点（.）连接，三级域名的长度不超

15、过20个字符。,常见网络设备,网卡（Network Interface Card-NIC） 网络适配器也叫网卡，是计算机连接到网络的最常见设备。网络适配器按照传输介质可分为有线网卡和无线网卡。 1）有线网卡 有线网卡通过电缆和网络连接，电缆可以是常见的双绞线也可以是同轴电缆。 2）无线网卡 无线网卡通过无线电波传送和接收数据，少了电缆的束缚，可以在信号覆盖范围内自由移动，多用在笔记本电脑等便携设备上。,常见网络设备,网卡工作模式 一般情况下主机上的网卡工作在自适应模式下，也可以手工指定特定的工作模式。自适应工作模式是指网络两端的网络接口根据对方的特性自动调整自己的工作模式，以达到参数一致，保证

16、数据传输能正常进行。,常见网络设备,以太网（Ethernet）中网卡的应用 1）CSMA/CD CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即载波监听多路访问/冲突检测方法。在以太网中，所有节点（主机）共享传输介质。如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是CSMA/CD要解决的问题。 CSMA/CD的工作原理是：多台主机处于同一个以太网中，共享传输介质。任一台主机发送数据前，先侦听通信线路是否空闲，若空闲，则立即发送数据，在发送数据过程中，边发送边继续侦听，若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间再重新

17、尝试发送。 因此，这种方法也叫竞争型介质访问方法。称这些主机处于同一个冲突域中，一个冲突域中主机数量越多，出现冲突的概率就越大，等待的时间就越长，会降低网络效率，影响网络性能。,常见网络设备,2）以太网寻址 在因特网中主机之间依靠IP地址来传送数据，而在以太网中交换数据的主机，除了要知道对方的IP地址外，还必须知道对方的MAC（Media Access Control）地址。 MAC地址也叫网卡物理地址，是网卡的标识，此地址固化在网卡的芯片中，每块网卡的MAC地址都是唯一的。可以通过如下方法查看本机网卡的MAC地址。 MAC地址用12位十六进制数表示，前6位为为厂商代码，称为组织唯一标识符（O

18、UI，Organizationally Unique Identifier），由指定机构分配给厂商，后6位为网卡编号，由厂商自主分配，由此确定网卡的唯一性。MAC地址用来标识以太网中的每一台主机。,常见网络设备,以太网上传输的数据都按照一定的格式进行“包装”，一般称为数据封装。如图所示。数据从主机发出时，系统给即将发送出的数据加上“接收方MAC地址”和“发送方MAC地址”。“包装”好的数据称为数据帧。数据帧属于数据链路层的数据封装格式。,常见网络设备,集线器 集线器（Hub）也叫做多端口中继器，工作在OSI模型中的第一层即物理层，只能简单的对通信线路中的信号进行放大，在早期用于小型的局域网中，

19、由于工作效率地下、安全性低，现已被交换机取代。 集线器通过广播方式转发数据，数据由一个端口进入，然后通过所有端口发出。 集线器的所有端口都处于同一个冲突域中，在集线器内相当于一条总线型线路，所有接口共享集线器的带宽。在含有集线器的网络里，线路只能工作在半双工模式，且网络效率因主机数量的增加而降低。,常见网络设备,交换机 交换机（Switch）的外形和集线器相似，工作于OSI模型的的第二层，即数据链路层，数据链路层上传输的是数据帧，其中包含了重要的寻址信息：MAC地址。 交换机不仅仅同集线器一样，将数据信号放大，它还能够识别数据帧里的MAC信息，并根据MAC进行智能转发。 交换机里有专门用于保存

20、ARP地址表的部件，并且具有学习功能，可以将所连接主机的MAC地址保存起来，并建立一张映射表，将主机MAC地址和主机所接入的交换机端口对应起来。,常见网络设备,交换机对比集线器优点： 由于交换机能够根据ARP地址和端口对应表来转发数据，数据帧只会转发到某一特定端口，避免了向所有端口转发，各个端口的工作不会相互影响，可以同时传输数据，因此交换机上的每个端口都是一个单独的冲突域。因此，常用交换机将网络分段，把一个大冲突域划分为若干个小冲突域。 在同一局域网中，会存在多台交换机，每台交换机的每个端口使用独立的数据通道发送数据，每个数据通道独享带宽。 相比集线器，交换机的另一个优越性是它的每个端口都是

21、独享带宽的，因为不用竞争访问网络介质，所以各个端口都可以工作在全双工模式下，大大提高网络效率。 交换机的安全性相对集线器来说提高了很多。在集线器组建的网络里，所有数据都通过广播方式发送，网络上的所有主机都能够检测到线路上传输的数据，即使这些数据并不是发给自己的。这些数据很容易被监听，产生预想不到的后果。而交换机是将数据帧转发到指定的端口，对其他端口而言，这些数据帧是不存在的，这样就提高了数据的保密性。,常见网络设备,路由器 1）广播域 在IP地址部分我们介绍了一类特殊的地址广播地址，将主机位的二进制全部置为1，便得到该网段的广播地址，比如IP地址55就是网络192.168

22、.0.0的广播地址。以这个广播地址向此网络上的所有主机发送数据，此网络上的所有主机都将接收到此数据并进行处理。此网络形成一个广播域。,常见网络设备,2）划分广播域 划分广播域的常用方法有两种：一是使用交换机划分虚拟局域网（VLAN），二是使用路由器。 虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network），是使用网络设备（一般用支持VLAN功能交换机）在逻辑上将一个局域网划分为多个网段，达到抑制广播风暴，并提高网络安全的目的。 用于划分VLAN的交换机必须支持VLAN功能，否则是无法实现分割广播域的。 本来处于同一个广播域中的主机是可以直接相互访问的，将其划分为多个网段，使不同网段内的主机不能直接互访。,常见网络设备,使用路由器划分网络的广播域 路由器（Router）工作在OSI模型的第三层网络层，作用是连接不同的网络，并且根据自身存储的网络拓扑数据库，把接收到的数据包通过最佳路径转发出去。 路由器可以连接不同类型的网络，如以太网和令牌环网，并且能够相互通信，路由器的每个接口连接一个网络，因此