网络技术及应用 信设备 终端设备等网络硬件和网络软件组成的大型计算机系统 网络中的各个计算机系统具有独 立的功能, 它们脱离网络时仍可单机使用 以后的章节若非特别指明, 网络 一词均指的是计算 机网络 计算机网络的精确定义并未统一, 主要有以下三种不同的观点 : (1) 广义的观点 将计算机网络定义

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1 项目一 项目一网络概述 1. 了解计算机网络的基本概念 产生与发展和基本组成 2. 理解网络分层的含义和 TCP/IP 结构模型 3. 掌握网络三层结构的含义及功能 4. 了解常用的网络设备及其用途 5. 掌握 IP 地址的结构 分类 使用规则 管理以及 IP 地址的子网划分 根据所学的 IP 地址使用规则 管理及子网划分知识, 能依据实际需要对公司部门进行网络划 分, 即每个部门有独立的网络, 并且不同部门的网络号不同 任务一 网络认知 任务要求 1. 掌握网络基本概念及 TCP/IP 结构模型 2. 理解并解释 TCP/IP 各层次的功能 相关知识 计算机网络的定义在信息高度发达的今天, 存在很多种网络, 包括电信网络 有线电视网络和计算机网络等 目前信息传播的核心网络是计算机网络, 而且它是发展最快的网络 计算机网络是由计算机设备 通

2 网络技术及应用 信设备 终端设备等网络硬件和网络软件组成的大型计算机系统 网络中的各个计算机系统具有独 立的功能, 它们脱离网络时仍可单机使用 以后的章节若非特别指明, 网络 一词均指的是计算 机网络 计算机网络的精确定义并未统一, 主要有以下三种不同的观点 : (1) 广义的观点 将计算机网络定义为 计算机技术与通信技术相结合, 通过远程信息处理 实现资源共享的系统 这种观点主要定义了计算机通信网络 (2) 用户透明性的观点 将计算机网络定义为 存在一个能为用户自动管理资源的网络操作 系统, 由它来调用完成用户任务所需的资源, 而整个系统中的各计算机对用户是透明的 这种观 点主要针对的是分布式计算机系统 (3) 资源共享的观点 将计算机网络定义为 以资源共享为目的, 用通信线路连接起来的具 有独立功能的计算机系统的集合 此观点符合目前计算机网络的基本特征, 但也不很全面 综上所述, 可以将计算机网络定义为 : 计算机网络是利用通信线路将和网络连接设备地理分散 的 具有独立功能的若干计算机系统连接起来, 按照网络协议进行数据通信, 实现资源共享, 为用 户提供各种应用服务的信息系统 从以上定义可以看出, 计算机网络涉及多个方面的问题 : (1) 至少有两台计算机互连 这些计算机系统在地理上是分布的, 可能在一个房间内 在一 个单位里的楼群里 在一个或几个城市里, 甚至在全国乃至全球范围 (2) 这些计算机系统是自治的, 即每台计算机既能单独进行信息加工处理, 又能在网络协议 控制下协同工作 (3) 资源共享是计算机网络的主要目的 (4) 计算机之间的互连通过网络连接设备及通信线路来实现 (5) 联网计算机之间的信息交换必须遵循统一的网络协议 计算机网络的分类 计算机网络的分类方法很多, 可以从不同的角度对计算机网络进行分类 1. 按照网络覆盖的地理范围 可以分为 : 局域网 (Local Area Network,LAN) 城域网 (Metropolitan Area Network,MAN) 和广域网 (Wide Area Network,WAN) 局域网是指将有限范围的各种计算机 终端和外部设备互连成网的网络 其作用距离为几米到 几公里, 具有数据传输速率高 低延迟和低误码率的特点 局域网传输速率为 10Mb/s~1Gb/s, 局 域网通常在一个园区 一座大楼甚至在一个办公室内, 主要用来构造一个单位的内部网, 如学校的 校园网 企业的企业网, 网络属于该单位所有并自主管理, 以资源共享为主要目的 城域网是介于广域网和局域网之间的一种高速网络, 其作用距离为几公里到几十公里 城域网 通常应用于一个城市内大量企业 机关 公司的多个局域网互连 广域网又称远程网, 是因特网的核心部分, 其作用范围为几十到几千公里 广域网通常通过跨 越国家进行远程数据通信 2. 按照网络的拓扑结构 可以分为 : 总线型网络 环型网络 星型网络 树型网络和网状网络等 3. 按照网络的传输介质 可以分为 : 铜线网络 光纤网络和无线网络 2

3 网络概述 项目一 4. 按照网络的逻辑功能可以分为 : 资源子网和通信子网 资源子网是指网络用户的接入部分, 主要提供共享的资源 ; 通信子网一般由电信部门组建管理, 主要提供传输用户数据的线路和设备 5. 按照网络的使用者可以分为 : 公用网和专用网 公用网是指国家的电信公司出资建造的大型网络, 如 163 网 ; 专用网是指以某个单位为本单位的工作需要而建立的网络, 一般不为外单位提供服务, 如校园网 企业网等 6. 按照网络的交换方式可以分为 : 电路交换网 报文交换网 分组交换网等 7. 按照网络的传输技术可以分为 : 广播式网络和点对点式网络 计算机网络的拓扑结构拓扑是几何学中的一个名词 网络拓扑就是指在网络中, 各节点相互连接的方法和形式 网络的拓扑结构对整个网络的设计 功能 性能以及费用等方面有很重要的影响 选用何种拓扑结构的网络要依据实际需要而定 计算机网络通常有以下几种拓扑结构 1. 总线型结构在总线型拓扑结构的网络中, 所有节点都通过相应的网络接口连接在一条高速公用传输介质上, 结构如图 1 1 所示 图 1 1 总线型拓扑结构 其中一个节点是网络服务器, 由它提供网络通信及资源共享服务, 其他节点是网络工作站 ( 即用户计算机 ) 总线型网络采用广播通信方式, 即由一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点所接收 由于多个节点连接到一条公用总线上, 因此必须采取某种介质访问控制规程来分配信息, 以保证在一段时间内, 只允许一个节点传送信息 目前最常用的且已列入国际标准的规程有 : CSMA/CD 访问规程和令牌传送访问控制规程 在总线结构网络中, 作为数据通信必经之路的总线负载能力是有限度的, 这由通信介质本身的物理性能决定 因此, 总线结构网络中工作站节点的个数是受限制的, 如果工作站节点的个数超出总线负载能力, 就需要采用分段等方法, 并加入相当数量的附加部件, 使总线负载符合容量要求 总线型网络结构简单灵活 可扩充 性能好, 进行节点设备的插入与拆卸非常方便 另外, 总线形网络可靠性高 网络节点间响应速度快 资源共享能力强 设备投入量少 成本低 安装使用方便 当某个工作站点出现故障时, 对整个网络系统影响小 总线结构网络是最普遍使用的一种网络 由于所有的工作站通信均通过一条共用的总线, 所以实时性较差, 并且总线任何一点出现故障, 都会造成整个网络瘫痪 3

4 网络技术及应用 2. 星型结构 星型结构由一个功能较强的管理控制中心节点设备以及一些各自连到中心的从节点组成 这种 网络从节点之间不能直接通信, 从节点间的通信必须经过中心节点设备, 结构如图 1 2 所示 中间设备 图 1 2 星型拓扑结构 星型结构有两类 : 一类是中心节点设备仅起到与各从节点连通的作用 ; 另一类的中心节点设备是一台功能很强的计算机, 从节点是性能一般的计算机或终端, 这时中心节点设备有转接和数据处理的双重功能 功能强大的中心节点设备既作为从节点共享的资源, 也可以按存储转发方式工作 星型结构的优点是建网容易 控制相对简单, 其缺点是属于集中控制, 对中心节点依赖性大, 一旦中心节点出现故障, 就会造成整个网络瘫痪 由于每个节点都与中心节点直接连接, 需要耗费大量电缆 3. 环型结构环型网络也是一种常见的网络类型 网络中各节点计算机通过一条通信线路连接起来, 信息按一定方向从一个节点传输到下一个节点, 形成一个闭合环路, 拓扑结构如图 1 3 所示 所有节点共享同一个环型信道, 环上传输的任何数据都必须经过所有节点 因此, 断开环中的一个节点意味着整个网络通信的终止, 这是环型拓扑结构的一个主要缺点 图 1 3 环型拓扑结构 4

5 网络概述 项目一 4. 树型结构树型网络其实是多级星型结构 如图 1 4 所示的树型网络是由多个层次的星型结构连接而成, 树的每个节点都是计算机或网络连接设备 一般来说, 越靠近树的根部, 要求节点设备就越好 与星型网络相比, 树型网络线路总长度短, 成本较低, 节点易于扩充, 但结构较复杂, 传输延迟大 图 1 4 树型拓扑结构 5. 网状结构 网状网络也叫分布式网络, 可分为全网格型和部分网格型结构, 它是由分布在不同地点的计算 机系统相互连接而成 网中无中心节点, 一般网上的每个节点都有多条线路与其他节点相连, 从而 增加了迂回通路 网状网络的通信子网是一个封闭式结构, 通信功能分布在各节点上 网状网络具 有可靠性高 节点共享资源容易 可改善线路的信息流量分配及负载均衡 可选择最佳路径 传输 延时小等优点, 但也存在其控制和管理复杂 软件复杂 布线工程量大 建设成本高等缺点 TCP/IP 结构 1.ISO/OSI 参考模型结构 开放系统互连参考模型 (Open System Interconnection Reference Model) 是由国际标准化组织 (ISO) 制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型, 又称 ISO/OSI 参考模型 开放 这个词 表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连 OSI 包括了体系结构 服务定义和协议规范三级内容 OSI 的体系结构定义了一个七层模型, 用以描述进程间的通信过程, 并作为一个框架来协调各层标准的制定 ;OSI 的服务定义描述了各层 所提供的服务, 以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语 ;OSI 各层的协议规范精确地定义 了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息 需要强调的是,OSI 参考模型并非具体现实的描述, 它只是一个为制定标准而提供的概念性框 架 在 OSI 中, 只有各种协议是可以实现的, 网络中的设备只有与 OSI 和有关协议相一致时才能 互连 如图 1 5 所示,OSI 七层模型从下到上分别为物理层 (Physical Layer,PH) 数据链路层 (Data Link Layer, DL) 网络层 (Network Layer, N) 传输层 (Transport Layer, T) 会话层 (Session Layer, S) 表示层 (Presentation Layer,P) 和应用层 (Application Layer,A) 需要注意的是, 只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能, 而在通信子网中的节点设备一 般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了 5

6 网络技术及应用 应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层 网络层协议 链路层协议 物理层协议 应用层协议表示层协议会话层协议运输层协议通信子网 网络层协议 链路层协议 物理层协议 应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层 图 1 5 OSI 参考模型 OSI 各层的主要功能简要介绍 : (1) 物理层 定义了为建立 维护和拆除物理链路所需的机械的 电气的 功能的和规程的特性, 其作用是 使原始的数据比特流能在物理媒体上传输 具体涉及接插件的规格 0 1 信号的电平表示 收发双方的协调等内容 (2) 数据链路层 比特流被组织成数据链路协议数据单元 ( 通常称为帧 ), 并以其为单位进行传输, 帧中包含地 址 控制 数据及校验码等信息 数据链路层的主要作用是通过校验 确认和反馈重发等手段, 将 不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路 数据链路层还要协调收发双方的数据传 输速率, 即进行流量控制, 以防止接收方因来不及处理发送方传送的高速数据而导致缓冲器溢出及 线路阻塞 (3) 网络层 数据以网络协议数据单元 ( 分组 ) 为单位进行传输 网络层关心的是通信子网的运行控制, 主 要解决如何使数据分组跨越通信子网从源主机传送到目的主机的问题, 这就需要在通信子网中进行 路由选择 另外, 为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞, 需要对流入的分组数量进行 控制 当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时, 还要解决网际互连的问题 (4) 运输层 运输层是第一个端 - 端 ( 主机 主机 ) 的层次 运输层提供端到端的透明数据运输服务, 使高 层用户不必关心通信子网的存在, 由此用统一的运输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网 上 运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题 (5) 会话层 会话层是进程 进程的层次, 其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信 ( 也称 为对话 ) 会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除 在半双工情况下, 会话 层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据 会话层还提供在数据流中插入同步点的机 制, 使得数据传输因网络故障而中断后, 可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据 (6) 表示层 为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示形式 为了让采用不同编码方法的计算机在通信 中能相互理解数据的内容, 可以采用抽象的标准方法来定义数据结构, 并采用标准的编码表示形式 6

7 网络概述 项目一 表示层管理这些抽象的数据结构, 并将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式 数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能 (7) 应用层是开放系统互连环境的最高层 不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 环境的手段 网络环境下, 不同主机间的文件传送访问和管理 (FTAM) 传送标准电子邮件的文电处理系统 (MHS) 使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端(VT) 协议等都属于应用层的范畴 2.TCP/IP 体系结构在讨论了 OSI 参考模型的基本内容后, 就要回到现实的网络技术发展状况来 OSI 参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构和协议的发展提供一种国际标准 但是, 大家不能不看到 Internet 在全世界的飞速发展, 以及 TCP/IP 协议的广泛应用对网络技术发展的影响 按照常规的理解, 网络技术和设备只有符合有关的国际标准才能大范围获得工程上的应用, 但由于历史的原因, 现在得到广泛应用的不是国际标准 OSI, 而是目前最流行的商业化网络协议 TCP/IP 尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准, 但它已经被公认为目前的工业标准或 事实标准 因特网之所以能迅速发展, 就是因为 TCP/IP 协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要 TCP/IP 协议具有如下几个特点 : (1) 开放的协议标准, 可以免费使用, 并且独立于特定的计算机硬件与操作系统 (2) 独立于特定的网络硬件, 可以运行于局域网 广域网以及互联网中 (3) 统一的网络地址分配方案, 使得整个 TCP/IP 设备在网中都具有唯一的地址 (4) 标准化的高层协议, 可以提供多种可靠的服务 (5)TCP/IP 不是一个协议, 而是众多协同工作的一组协议, 又称协议簇 3.TCP/IP 体系结构中的各层的功能在如何用分层模型描述 TCP/IP 参考模型的问题上争论很多, 但共同的观点是 TCP/IP 参考模型的层数比 OSI 参考模型的要少, 一般 TCP/IP 体系结构将网络划分为应用层 (Application Layer) 传输层 (Transport Layer) 网络互联层(Internet Layer) 和网络接口层 (Network Interface) 四层 实际上,TCP/IP 参考模型与 ISO/OSI 参考模型有一定的对应关系 其中,TCP/IP 参考模型的应用层与 OSI 参考模型的应用层 表示层及会话层相对应 ;TCP/IP 参考模型的传输层与 OSI 参考模型的传输层相对应 ;TCP/IP 参考模型的网络互联层与 OSI 参考模型的网络层相对应 ;TCP/IP 参考模型的网络接口层与 OSI 参考模型的数据链路层和物理层相对应 TCP/IP 参考模型各层的功能如下 : (1) 网络接口层在 TCP/IP 参考模型中, 网络接口层是参考模型的最低层, 它负责通过网络发送和接收 IP 数据报 TCP/IP 参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议, 例如局域网协议或其他一些协议 在 TCP/IP 的网络接口层中, 它包括各种物理网络协议, 如局域网的 Ethernet 局域网的令牌环 分组交换网的 X.25 等 当这种物理网络被用作传送 IP 数据报的通道时, 就可以认为是这一层的内容 这体现了 TCP/IP 协议的兼容性与适应性, 也为 TCP/IP 的成功奠定了基础 (2) 网络互联层在 TCP/IP 参考模型中, 网络互联层是参考模型的第二层, 它相当于 OSI 参考模型网络层 7

8 网络技术及应用 网络互联层的主要功能包括以下几点 : 1 接收到分组发送请求后, 将分组装入 IP 数据报, 填充报头并选择发送路径, 然后发送到相应的网络输出线 2 接收到其他主机发送的数据报后, 检查目的地址, 如果要转发, 则选择发送路径并转发出去 如目的地址为本节点 IP 地址, 则除去报头, 将分组交送传输层处理 3 处理网络互联层的路径选择 流量控制和拥塞控制问题 (3) 传输层在 TCP/IP 参考模型中, 传输层是参考模型的第三层, 它负责在应用进程之间的端 端通信 传输层的主要目的是 : 在互联网中, 源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端 端连接 从这一点上讲,TCP/IP 参考模型的传输层与 OSI 参考模型的传输功能是相似的 TCP/IP 体系结构的传输层定义了传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol) 和用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol) 两种协议 (4) 应用层在 TCP/IP 体系结构中, 传输层之上是应用层 它包括了所有的高层协议, 并且总是不断有新的协议加入, 其主要协议包括 : 1 远程终端协议 (Telnet): 实现互联网中的远程登录功能 2 文件传输协议 (File Transfer Protocol,FTP): 用于实现互联网中的交互式文件传输功能 3 简单邮件传输协议 (Simple Mail Transfer Protocol,SMTP): 实现互联网中电子邮件的传送功能 4 域名系统 (Domain Name System,DNS): 实现网络设备名字到 IP 地址映射的网络服务 5 简单网络管理协议 (Simple Network Management Protocol,SNMP): 管理与监视网络设备 6 超文本传输协议 (HyperText Transfer Protocol,HTTP): 用于 WWW( 万维网 ) 服务 7 路由信息协议 (Routing Information Protocol,RIP): 在网络设备 ( 路由器 ) 之间交换路由信息 应用层协议可以分为三类 : 一类依赖于面向连接的 TCP 协议 ; 一类依赖于面向无连接的 UDP 协议, 而另一类则既可依赖 TCP 协议, 也可依赖 UDP 协议 其中, 依赖 TCP 协议的主要有网络终端协议 电子邮件协议 文件传送协议等 ; 依赖 UDP 协议的主要有简单网络管理协议 简单文件传输协议等 ; 既依赖于 TCP 又依赖于 UDP 协议的主要有域名系统等 4.OSI 与 TCP/IP 体系结构的比较 OSI 参考模型采用了 7 个层次的体系结构, 而 TCP/IP 参考模型采用了 4 个层次的体系结构 由于 OSI 参考模型过于复杂, 现在流行的因特网体系结构中已经不再使用 OSI 的表示层和会话层了 在图 1 6 中给出了 TCP/IP 与 OSI 这两种体系结构的对比, 图 (a) 是 OSI 的体系结构, 图 (b) 是目前因特网使用的 TCP/IP 体系结构, 根据两种结构的对比, 结合实际情况, 给出了一种建议的参考模型, 即图 (c) 的体系结构 ( 也有资料称之为原理体系结构 ), 方便于对网络原理的理解与学习 值得注意的是, 在以下一些问题的处理上,TCP/IP 与 OSI 是不同的 : (1)TCP/IP 一开始就考虑到多种异构网的互连问题, 并将网际协议 IP 作为 TCP/IP 的主要组成部分 但 ISO 最初只考虑到全世界都使用一种统一的标准公用数据网将各种不同的系统互连在一起 后来,ISO 才认识到了网际协议 IP 的重要性, 只好在网络层中划分出一个子层来完成类似 TCP/IP 中的 IP 作用 8

9 网络概述 项目一 7. 应用层 6. 表示层 5. 会话层 4. 传输层 3. 网络层 2. 链路层 1. 物理层 应用层 ( 各种应用协议, 如 Telnet FTP SMTP 等 ) 传输层 (TCP 或 UDP) 互联层 网络接口层 5. 应用层 4. 运输层 3. 网络层 2. 链路层 1. 物理层 (a) (b) (c) 图 1 6 OSI 与 TCP/IP 参考模型比较 (2)TCP/IP 一开始就面向连接服务和无连接服务并重, 而 OSI 在开始时只强调面向连接这一种服务 (3)TCP/IP 较早就有较好的网络管理功能, 而 OSI 到后来才考虑这个问题 当然,TCP/IP 也有不足之处 例如,TCP/IP 的模型对 服务 协议 和 接口 等概念并没有很清楚地区分开 因此在使用一些新的技术来设计新的网络时, 采用这种模型可能会遇到一些麻烦 另外,TCP/IP 模型的通用性较差, 很难用它来描述其他种类的协议栈 还有,TCP/IP 的网络接口层严格来说并不是一个层次, 而仅仅是一个接口 对于 TCP/IP 的体系结构, 还有一种表示方法, 就是分层给出具体使用的协议来表示 TCP/IP 的协议簇, 如图 1 7 所示 应用层 HTTP SMTP DNS SMTP 运输层 TCP TCP 网络互联层 IP 网络接口层 网络接口 1 网络接口 2 网络接口 3 图 1 7 TCP/IP 协议簇 它的特点是上下两头较大而中间相对协议较少, 这种情况可以表明 :TCP/IP 可以为各种各样的应用提供服务 ( 即所谓的 everything over IP), 同时也可以连接到各式各样的网络上 ( 即所谓的 IP over everything) 正因为如此, 因特网才会发展到今天的全球规模 从图中也看到了 IP 协议在因特网中的核心作用 任务分析与实施 任务分析 OSI 参考模型和 TCP/IP 模型的比较 9

10 网络技术及应用 1. 共同点 (1)OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型都采用了层次结构的概念 (2) 两者都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制 2. 不同点 (1) 前者是七层模型, 后者是四层结构 (2) 对可靠性要求不同 ( 后者更高 ) (3)OSI 模型是在协议开发前设计的, 具有通用性 TCP/IP 是先有协议集然后建立模型, 不 适用于非 TCP/IP 网络 (4) 实际市场应用不同 (OSI 模型只是理论上的模型, 并没有成熟的产品, 而 TCP/IP 已经成 为 实际上的国际标准 ) 任务实施 1. 应用层 应用层对应于 OSI 参考模型的高层, 为用户提供所需要的各种服务, 例如 : FTP Telnet DNS SMTP 等 2. 传输层 传输层对应于 OSI 参考模型的传输层, 为应用层实体提供端到端的通信功能, 保证了数据包 的顺序传送及数据的完整性 该层定义了两个主要的协议 : 传输控制协议 (TCP) 和用户数据报协 议 (UDP) TCP 协议提供的是一种可靠的 面向连接的数据传输服务 ; 而 UDP 协议提供的则是不可靠的 无连接的数据传输服务 3. 网际互联层 网际互联层对应于 OSI 参考模型的网络层, 主要解决主机到主机的通信问题 它所包含的协 议设计数据包在整个网络上的逻辑传输 注重重新赋予主机一个 IP 地址来完成对主机的寻址, 它 还负责数据包在多种网络中的路由 该层有 4 个主要协议 : 网际协议 (IP) 地址解析协议 (ARP) 互联网组管理协议 (IGMP) 和互联网控制报文协议 (ICMP) IP 协议是网际互联层最重要的协议, 它提供的是一个不可靠 无连接的数据报传递服务 4. 网络接入层 ( 即主机 网络层 ) 网络接入层与 OSI 参考模型中的物理层和数据链路层相对应, 它负责监视数据在主机和网络之 间的交换 事实上,TCP/IP 本身并未定义该层的协议, 而由参与互连的各网络使用自己的物理层 和数据链路层协议, 然后与 TCP/IP 的网络接入层进行连接 任务二 网络工程整体概述 任务要求 某公司根据业务的需要将公司划分为三个部门, 每个部门有 300 台主机需要使用, 根据要求划 分子网 10

11 网络概述 项目一 相关知识 三层网络结构三层网络结构是采用层次化架构的三层网络 三层网络架构采用层次化模型设计, 即将复杂的网络设计分成几个层次, 每个层次着重于某些特定的功能, 这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题 三层网络架构设计的网络有三个层次 : 核心层 ( 网络的高速交换主干 ) 汇聚层( 提供基于策略的连接 ) 接入层 ( 将工作站接入网络 ) (1) 核心层 : 核心层是网络的高速交换主干, 对整个网络的连通起到至关重要的作用 核心层应该具有如下几个特性 : 可靠性 高效性 冗余性 容错性 可管理性 适应性 低延时性等 在核心层中, 应该采用高带宽的千兆以上交换机 因为核心层是网络的枢纽中心, 重要性突出 核心层设备采用双机冗余热备份是非常必要的, 也可以使用负载均衡功能来改善网络性能 (2) 汇聚层 : 汇聚层是网络接入层和核心层的 中介, 就是在工作站接入核心层前先做汇聚, 以减轻核心层设备的负荷 汇聚层具有实施策略 安全 工作组接入 虚拟局域网 (VLAN) 之间的路由 源地址或目的地址过滤等多种功能 在汇聚层中, 应该选用支持三层交换技术和 VLAN 的交换机, 以达到网络隔离和分段的目的 (3) 接入层 : 接入层向本地网段提供工作站接入 在接入层中, 减少同一网段的工作站数量, 能够向工作组提供高速带宽 接入层可以选择不支持 VLAN 和三层交换技术的普通交换机 在中间部分, 有的连线直接接到了蓝色的交换机上, 而下面也没有了, 怎么数都只有两层 这其实告诉我们, 在网络结构中可以没有汇聚层, 只有核心层和接入层, 如图 1 8 所示 图 1 8 三层网络架构 从二层交换技术的网络架构调整到三层交换技术的网络架构, 网络的优化效果明显, 配之以网 11

12 网络技术及应用 管软件, 网络的安全性和可防护性大为提高 通过合理配置核心交换机, 充分发挥了核心交换机的 硬件性能, 调整核心交换机在带宽 网络流量处理能力位置结构, 具备良好的扩展性, 根据业务需 求划分 VLAN, 控制广播范围, 抑制广播风暴, 提高了局域网的整体性能和安全性 整个网络的 可靠性得到加强 核心交换机采用双机热备份 负载平衡方式, 即两台核心交换机正常情况下都参 与工作, 当其中的任何一台发生故障时, 另外一台可以自动 无缝地接管它的工作, 这对网络管理 员和用户来说都是透明的, 无须人工干预故障切换 提高网络对突发事故的自动容错能力, 最小化 网络的失效时间 而网络的扩展能力满足了网吧今后一段时间内对网络发展的需求, 支持了大型网 吧在今后拓展与网络变迁的需求 IP 地址 IP(Internet Protocol, 网络之间互连的协议 ) 就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协 议, 是一种在 Internet 上给主机编址的方式, 也称为 网际协议地址 在因特网中, 它是能使连 接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则, 规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵 守的规则 任何厂家生产的计算机系统, 只要遵守 IP 协议就可以与因特网互连互通 正是因为有 了 IP 协议, 因特网才得以迅速发展, 成为世界上最大的 开放的计算机通信网络 因此,IP 协议 也可以叫做 因特网协议 IP 地址被用来给 Internet 上的计算机一个编号 大家日常见到的情况是每台联网的 PC 上都需 要有 IP 地址, 才能正常通信 我们可以把个人电脑比作一台电话, 那么 IP 地址就相当于电话号码, 而 Internet 中的路由器就相当于电信局的程控式交换机 IP 地址是一个 32 位的二进制数, 通常被分割为 4 个 8 位二进制数 ( 也就是 4 个字节 ) IP 地 址通常用 点分十进制 表示成 (a.b.c.d) 的形式, 其中,a,b,c,d 都是 0~255 之间的十进制整数 例如 : 点分十进 IP 地址 实际上是 32 位二进制数 二进制与十进制之间的转换 一个十进制数一般可以分为整数和小数两个部分 在将十进制数转换为二进制数时, 通常把整 数部分和小数部分分别进行转换, 然后再组合起来 例 1: 将十进制 (93) 10 转换成二进制 因为二进制整数各权位 ( 从高位到低位 ) 为 2 n,,256,128,64,32,16,8,4,2,1 因此只要从分解数 中确定哪一位为 1, 哪一位为 0 即可 93= (64,16,8,4,1 为分解数 ) 再根据分解数 (64,16,8, 4,1), 从高位到低位写出二进制数 对于本例, 分解数最大为 64, 则 对应二进制数的最高位为 1; 接下来是 32, 无对应数, 故对应位为 0, 即该二进制输的前两位为 10; 再接下来是 16, 因为有分解数, 则对应二进制位为 1, 即该二进制数前三位为 101; 依此类推, 可 以写出前六位为 ; 最后一位为 1, 因为有分解数, 对应位为 1, 故最终结果为 例 2: 将二进制数 (10010) 2 转换为十进制数 (10010) 2 =(1*2 4 +0*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +0*2 0 ) 10 =( ) 10 =(18) 10 2.IP 地址的构成 常见的 IP 地址分为 IPv4 与 IPv6 两大类, 目前应用最广泛的是 IPv4 协议 IP 地址编址方案 :IP 地址编址方案将 IP 地址空间划分为 A B C D E 五类, 其中 A B C 是基本类,D E 类作为多播和保留使用 12

13 网络概述 项目一 IPv4 就是有四段数字, 每一段最大不超过 255 由于互联网的蓬勃发展,IP 地址的需求量愈来 愈大, 使得 IP 地址的发放愈趋严格, 各项资料显示全球 IPv4 地址可能在 2005~2010 年间全部发 完 ( 实际情况是在 2011 年 2 月 3 日 IPv4 地址分配完毕 ) 地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展 为了扩大地址空间, 拟通过 IPv6 重新定义地 址空间 IPv6 采用 128 位地址长度 在 IPv6 的设计过程中, 除了一劳永逸地解决了地址短缺问题 以外, 还考虑了在 IPv4 中解决不好的其他问题 Internet 上的每台主机 (Host) 都有一个唯一的 IP 地址 IP 协议就是使用这个地址在主机之间 传递信息, 这是 Internet 能够运行的基础 IP 地址的长度为 32 位 ( 共有 2^32 个 IP 地址 ), 分为 4 段, 每段 8 位, 用十进制数字表示, 每段数字范围为 0~255, 段与段之间用句点隔开 例如 IP 地址可以视为网络标识号码与主机标识号码两部分, 因此 IP 地址可分两部分组成, 一部分为网络地址, 另一部分为主机地址 IP 地址分为 A B C D E 五类, 它们适用的类型 分别为大型网络 ; 中型网络 ; 小型网络 ; 多目地址 ; 备用 常用的是 B 和 C 两类 IP 地址就像是我们的家庭住址一样, 如果你要写信给一个人, 你就要知道他 ( 她 ) 的地址, 这样邮递员才能把信送到 计算机发送信息就好比是邮递员, 它必须知道唯一的 家庭地址 才能不致于把信送错人家 只不过我们的地址是用文字来表示的, 计算机的地址用二进制数字 表示 众所周知, 在电话通信中, 电话用户是靠电话号码来识别的 同样, 在网络中为了区别不同的 计算机, 也需要给计算机指定一个连网专用号码, 这个号码就是 IP 地址 将 IP 地址分成了网络号和主机号两部分, 设计者就必须决定每部分包含多少位 网络号的位 数直接决定了可以分配的网络数 ( 计算方法 :2^ 网络号位数 2); 主机号的位数则决定了网络中最 大的主机数 ( 计算方法 :2^ 主机号位数 2) 然而, 由于整个互联网所包含的网络规模可能比较大, 也可能比较小, 设计者最后聪明地选择了一种灵活的方案 : 将 IP 地址空间划分成不同的类别, 每 一类具有不同的网络号位数和主机号位数 3.IP 地址的分配 TCP/IP 协议需要针对不同的网络进行不同的设置, 且每个节点一般需要一个 IP 地址 一个子 网掩码 一个默认网关 不过, 可以通过动态主机配置协议 (DHCP), 给客户端自动分配一个 IP 地址, 避免了出错, 也简化了 TCP/IP 协议的设置 那么, 互联网怎么分配 IP 地址呢? 互联网上的 IP 地址统一由 ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers, 互联网赋名和编号公司 ) 组织来管理 4.IP 地址分类 最初设计互联网络时, 为了便于寻址以及层次化构造网络, 每个 IP 地址包括两个标识码 (ID), 即网络 ID 和主机 ID 同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络 ID, 网络上的一个主机 ( 包 括网络上工作站 服务器和路由器等 ) 有一个主机 ID 与其对应 Internet 委员会定义了 5 种 IP 地 址类型以适合不同容量的网络, 即 A 类 ~E 类 其中 A B C 三类由 InternetNIC 在全球范围内统一分配,D E 两类为特殊地址, 见表 1 1 (1)A 类 IP 地址 A 类 IP 地址是指在 IP 地址的四段号码中, 第一段号码为网络号码, 剩下的三段号码为本地计 算机的号码 如果用二进制表示 IP 地址的话,A 类 IP 地址就由 1 字节的网络地址和 3 字节主机地 址组成, 网络地址的最高位必须是 0 A 类 IP 地址中网络的标识长度为 8 位, 主机标识的长度 13

14 网络技术及应用 为 24 位,A 类网络地址数量较少, 可以用于主机数达 1600 多万台的大型网络 表 1 1 常用 IP 地址范围 网络类别 最大网络数 IP 地址范围 最大主机数 私有 IP 地址范围 A 126(2^7 2) ~ ~ B 16384(2^14) ~ ~ C (2^21) ~ ~ A 类 IP 地址范围 到 [1]( 二进制表示为 : ~ ) 最后一个是广播地址 A 类 IP 地址的子网掩码为 , 每个网络支持的最大主机数为 = 台 (2)B 类 IP 地址 B 类 IP 地址是指在 IP 地址的四段号码中, 前两段号码为网络号码 如果用二进制表示 IP 地 址的话, B 类 IP 地址就由 2 字节的网络地址和 2 字节主机地址组成, 网络地址的最高位必须是 10 B 类 IP 地址中网络的标识长度为 16 位, 主机标识的长度为 16 位,B 类网络地址适用于中等规模 的网络, 每个网络所能容纳的计算机数为 6 万多台 B 类 IP 地址范围 ~ [2]( 二进制表示为 : ~ ) 最后一个是广播地址 B 类 IP 地址的子网掩码为 , 每个网络支持的最大主机数为 =65534 台 (3)C 类 IP 地址 C 类 IP 地址是指在 IP 地址的四段号码中, 前三段号码为网络号码, 剩下的一段号码为本地计 算机的号码 如果用二进制表示 IP 地址的话,C 类 IP 地址就由 3 字节的网络地址和 1 字节主机地 址组成, 网络地址的最高位必须是 110 C 类 IP 地址中, 网络的标识长度为 24 位, 主机标识的 长度为 8 位,C 类网络地址数量较多, 适用于小规模的局域网络, 每个网络最多只能包含 254 台计 算机 C 类 IP 地址范围 ~ [3]( 二进制表示为 : ~ ) C 类 IP 地址的子网掩码为 , 每个网络支持的最大主机数为 256 2=254 台 (4)D 类 IP 地址 D 类 IP 地址在历史上被叫做多播地址 (Multicast Address), 即组播地址 在以太网中, 多播 地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点 多播地址的最高位必须是 1110, 范围从 到 特殊的网址 : 每一个字节都为 0 的地址 ( ) 对应于当前主机 ; IP 地址中的每一个字节都为 1 的 IP 地址 ( ) 是当前子网的广播地址 ; IP 地址中凡是以 开头的 E 类 IP 地址都保留, 用于将来和实验使用 IP 地址中不能以十进制 127 作为开头, 该类地址中, 数字 到 用 于回路测试, 如 可以代表本机 IP 地址, 用 就可以测试本机中配置的 Web 服务器 14

15 网络概述 项目一 网络 ID 的第一个 6 位组也不能全置为 0, 否则表示本地网络 5.IP 地址的管理 IP 地址要唯一, 否则会产生冲突 因此 IP 地址需要有一个授权机构统一管理, 管理 IP 地址的 机构就是 InterNIC, 它负载管理和分配 IP 地址 如果某台机器要联入因特网就要向它申请 IP 地址, 这些地址也成为注册地址, 一旦在 InterNIC 注册后, 这个地址就不能再被其他设备申请使用 但 如果是隔离在因特网之外的网络 ( 指未连接到 Internet 的网络 ), 就没有必要向其申请地址, 实际 上相互隔离的网络之间没有必要使地址保持唯一, 因为它们之间互不通信 所以, 在这些隔离的网 络中分配 IP 地址时可以使用私有地址 (Private Address) 所谓私有地址是指 InterNIC 保留给隔离 网络中使用的地址, 这些地址不能在因特网上使用 比如在企业内部联网时会用到私有地址, 前提 是这些主机不访问因特网 私有地址范围是 : ~ ~ ~ IP 地址的子网划分 最初设计 IP 地址时并没有考虑到互联网络发展如此迅速, 更没有想到因特网的规模如此巨大, 随着网络规模的扩张, 对 IP 地址的需求越来越大, 地址空间变得紧缺起来, 最初的这种分类方法 逐渐暴露出一些缺陷 以 B 类地址为例, 共有 个 B 类网络号, 每个 B 类网可容纳 台 主机, 试想 6 万多台主机公用一个网络号, 如此大规模的单一网络几乎是不可能出现的 InterNIC 向申请者分配的是网络号, 如果将某个 B 类地址中的网络号分配出去, 其他人就不能再使用这个 网络号, 而申请者通常不会拥有 6 万多台主机, 因此当他得到一个 B 类地址后, 将会造成 IP 地址 的严重浪费 子网是指将网络进一步划分为独立的组成部分, 每个部分称为这一网络 ( 或更高一级子网 ) 的 子网 划分子网, 就是利用 IP 地址和子网掩码技术将一个含有较多主机的大网划分成若干个含有 较少主机的小网, 以实现优化网络性能, 提高网络安全的目的 (1) 子网掩码 子网掩码 (Subnet Mask Address) 也是一个 点分十进制 表示的 32 位二进制数, 通过子网 掩码可以指出一个 IP 地址中的哪些位对应于网络地址 ( 包括子网地址 ), 哪些位对应于主机地址 并说明该 IP 地址是在局域网上还是在远程网上 子网掩码的表示对于子网掩码的取值, 通常是将 对应于 IP 地址中网络地址 ( 网络号和子网号 ) 的所有位都设置为 1, 对应于主机地址 ( 主机号 ) 的所有位都设置为 0 由子网掩码的定义, 我们可以很容易得出 A 类地址 B 类地址和 C 类地址的标准子网掩码, 见表 1 2 表 1 2 A B C 三类地址子网掩码 地址类型点分十进制表示二进制子网掩码表示 A B C (2) 子网划分的规则 在 RFC 文档中, RFC950 规定了子网划分的规范, 其中对网络地址中的子网号作了如下的规定 : 15

16 网络技术及应用 由于网络号全为 0 代表的是本网络, 所以网络地址中的子网号也不能全为 0, 子网 号全为 0 时, 表示本子网网络 由于网络号全为 1 表示的是广播地址, 所以网络地址中的子网号也不能全为 1, 全 为 1 的地址用于向子网广播 (3) 子网划分步骤 1) 方法一 在划分子网之前, 需要确定所需要的子网数和每个子网的最大主机数, 有了这些信息后, 就可 以定义每个子网的子网掩码 网络地址 ( 网络号 + 子网号 ) 的范围和主机号的范围, 划分子网的步 骤如下 : 1 确定需要多少子网号来唯一标识网络上的每一个子网 2 确定需要多少主机号来标识每个子网上的每台主机 3 定义一个符合网络要求的子网掩码 4 确定标识每一个子网的网络地址 5 确定每一个子网上所使用的主机地址的范围 将一个 C 类的地址划分为两个子网, 必然要从代表主机号的第四个字节中取出若干个位用于 划分子网 若取出 1 位, 根据子网划分规则无法使用 若取出 3 位, 可以划分 6 个子网, 似乎可行, 但子网的增多也表示了每个子网容纳的主机数减少,6 个子网中, 每个子网容纳的主机数为 30, 而 实际的要求是每个子网需要 51 个主机号 若取出 2 位, 可以划分两个子网, 每个子网可容纳 62 个主机号 ( 全为 0 和全为 1 的主机号不能分配给主机 ) 因此, 取出 2 位划分子网是可行的, 子网 掩码为 , 然后确定每个子网的主机范围 2) 方法二 用标准的子网掩码划分的 A B C 类网络, 每一类网络中的主机数是固定的, 造成了地址空 间的很大浪费 为了提高 IP 地址的使用效率, 通过定制子网掩码, 从主机地址高位中再屏蔽出子 网位, 可将一个网络划分为子网 方法如下 : 从主机位最高位开始借位变为新的子网位, 剩余的部 分仍为主机位 通过这种划分方法可建立更多的子网, 而每个子网的主机数相应地有所减少 划分子网要兼顾子网的数量以及主机的最大数量而定 子网划分通常可采用如下方法 : 将要划 分的子网数目转换为最接近的 2 x 例如, 要划分 6 个子网, 则 x=3; 要划分 5 个子网,x 也取 3; 从主机位最高位开始借 x 位, 即为最终确定的子网掩码 例如, x=3, 则该段的掩码是 , 转换为十进制为 224 所以, 对 C 类网, 子网掩码为 ; 对 B 类网, 子网掩码为 ; 对 A 类网, 子网掩码为 注意 : 由于每个子网中的主机数量为 2n 2(n 为未屏蔽的主机位数 ), 则子网掩码的最大表现 形式为 ( ), 此时主机位只有 2 位, 即每个子 网只有两台主机 范围 例如 : 将一个 C 类网络地址 划分为 4 个子网, 并确定各子网的子网地址及 IP 地址 分析 : 要划分为 4 个子网,4=2 2, 从主机位最高位开始借 2 位, 即该段的掩码是 , 转换为十进制为 192 因此, 该 C 类网络的子网掩码为 个子网的子网号分别为 : , 转换为十进制为 0 16

17 网络概述 项目一 , 转换为十进制为 , 转换为十进制为 , 转换为十进制为 个子网的 IP 地址范围 ( 不包括全 0 和全 1 的地址 ) 分别为 : ~ , 转换为十进制为 1~ ~ , 转换为十进制为 65~ ~ , 转换为十进制为 129~ ~ , 转换为十进制为 193~254 网络地址 通过 子网掩码划分的子网如下 : 子网 子网地址 IP 地址范围 ~ ~ ~ ~ 检查子网地址是否正确的简便方法是 : 检查它们是否为第一个非 0 子网地址的倍数 例如 : 上例中 128 和 192 都是 64 的倍数 3) 方法三 a 表示获得的 IP 地址总数 n 表示即将划分出的子网个数 a 表示即将划分出的单个子网中的 IP 地址个数 ( 包括全 0 和全 1) b 主机标识所占的位数 n a=a a=2b m+2b=256 7.IPv4 和 IPv6 现有的互联网是在 IPv4 协议的基础上运行的 IPv6 是下一版本的互联网协议, 也可以说是下一代互联网的协议, 它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展,IPv4 定义的有限地址空间将被耗尽, 而地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展 为了扩大地址空间, 拟通过 IPv6 重新定义地址空间 IPv4 采用 32 位地址长度, 只有大约 43 亿个地址, 估计在 2005~2010 年间将被分配完毕, 而 IPv6 采用 128 位地址长度, 几乎可以不受限制地提供地址 按保守方法估算 IPv6 实际可分配的地址, 整个地球的每平方米面积上仍可分配 1000 多个地址 在 IPv6 的设计过程中除解决了地址短缺问题以外, 还考虑了在 IPv4 中解决不好的其他一些问题, 主要有端到端 IP 连接 服务质量 (QoS) 安全性 多播 移动性 即插即用等 与 IPv4 相比,IPv6 主要有如下优势 : 第一, 明显地扩大了地址空间 IPv6 采用 128 位地址长度, 几乎可以不受限制地提供 IP 地址, 从而确保了端到端连接的可能性 第二, 提高了网络的整体吞吐量 由于 IPv6 的数据包可以远远超过 64KB 字节, 应用程序可以利用最大传输单元 (MTU), 获得更快 更可靠的数据传输, 同时在设计上改进了选路结构, 采用简化的报头定长结构和更合理 17

18 网络技术及应用 的分段方法, 使路由器加快数据包处理速度, 提高了转发效率, 从而提高网络的整体吞吐量 第三, 使得整个服务质量得到很大改善 报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控 制和 QoS 保障, 从而极大改善了 IPv6 的服务质量 第四, 安全性有了更好的保证 采用 IPSec 可以 为上层协议和应用提供有效的端到端安全保证, 能提高在路由器水平上的安全性 第五, 支持即插 即用和移动性 设备接入网络时, 通过自动配置可自动获取 IP 地址和必要的参数, 实现即插即用, 简化了网络管理, 易于支持移动节点 而且 IPv6 不仅从 IPv4 中借鉴了许多概念和术语, 它还定义 了许多移动 IPv6 所需的新功能 第六, 更好地实现了多播功能 在 IPv6 的多播功能中增加了 范 围 和 标志, 限定了路由范围和可以区分永久性与临时性地址, 更有利于多播功能的实现 重视 随着互联网的飞速发展和互联网用户对服务水平要求的不断提高, IPv6 在全球将会越来越受到 物理层的网络设备主要完成一个或多个物理媒体的连接和信号的转换, 其相对较为简单, 一般 没有网管功能, 价格便宜 下面介绍几种常见的设备 中继器 数据信号在网络传输介质上传输时, 由于衰减和噪声使有效数据信号变得越来越弱, 而且传输 线也增加了波形失真, 因此它只能在有限的距离内传输 中继器 (Repeater) 是工作在物理层最简 单的网络互联设备 它实际上是一种信号放大器, 将接收到的弱信号对其波形进行整形和放大, 使 输出信号比原信号的强度大大提高了 由于中继器工作在物理层, 因此只能用来连接具有相同物理层协议的 LAN, 即它仅用来连接 同类型的 LAN 网段, 主要用于扩展网络的范围 ( 延长传输距离 ) 例如,10BASE 5 粗缆以太网的 收发器只能提供 500m 的驱动能力, 而 MAC 协议允许粗缆最长为 2.5km, 这样就可以利用中继器 将几个网段互联起来, 如图 1 9 所示 计算机 收发器电缆 计算机 外部收发器 终端电阻 计算机 中继器 计算机 终端电阻 计算机 计算机 图 1 9 中继器连接 100Base 5 和 10Base 2 网段的结构 一般情况下, 中继器的两端连接的是相同的媒体, 但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工 作 例如一个粗缆以太网 10Base 5 和一个细缆以太网 10Base 2 用中继器连接在一起 中继器的主要优点是安装简单 使用方便 价格相对低廉, 并能保持原来的传输速率, 然而, 中继器并不具有差错检查和纠正功能, 也不具有隔离冲突的功能, 它只负责将一种信号从一种电缆 段传输到另一端电缆段上, 而不管信号是否正常, 即错误的数据经中继器后仍被复制到另一电缆段 由于中继器双向传输电缆段间的所有信息, 故很容易形成 广播风暴, 导致网路上的信号拥挤 ; 18

19 网络概述 项目一 同时, 当某个网段有问题时, 会引起网段的中断 另外, 中继器还会引起时延, 影响网络性能 中继器工作在物理层, 对于高层协议是完全透明的 使用中继器时需要注意 :1 中继器主要用于网段间的延伸, 如以太网, 使用中继器的以太网不能形成环路 ;2 必须遵守 MAC 协议规则, 即不能用中继器将多个网段无限制地连接起来, 如在以太网中要遵守 规则, 即在以太网中最多使用 4 个中继器, 连接 5 个网段, 而且其中只能有 3 段电缆线上可以连接计算机 ;3 中继器工作在最底层, 与上层协议和访问方式无关, 因此被连接的网段必须使用同种介质访问方法 ;4 当网络负载较重, 网段间使用不同的访问方式或者需要数据过滤时, 不能使用中继器 集线器集线器 (HUB) 是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备, 是对网络进行集中管理的最小单元, 如图 1 10 所示 HUB 就是中心的意思, 像树的主干一样, 它是各分支的汇集点 许多种类型的网络都依靠集线器来连接各种设备, 并把数据分发到各个网段 HUB 基本上是一个共享设备, 其实质是一个多端口中继器, 主要提供信号放大和中转的功能, 它把一个端口接收的全部信号向所有端口分发出去 一些集线器在分发之前将弱信号加强后重新发出, 一些集线器则排列信号的时序, 以提供所有端口间的同步数据通信 图 1 10 集线器 集线器主要用于星型以太网, 它是解决从服务器直接到桌面的最经济的方案 使用 HUB 组网灵活, 它处于网络的一个星型节点, 对节点相连的工作站进行集中管理, 不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行, 并且用户的加入和退出也很自由 如果你想建立星型网络, 且有两台以上的主机 ( 含服务器 ), 那么就需要集线器 当然也可以通过给服务器多加网卡的方式解决 1.HUB 的种类集线器有多种类型, 各个种类具有特定的功能, 提供不同等级的服务 依据总线带宽的不同, HUB 分为 10M 100M 和 10/100M 自适应三种 ; 若按配置形式的不同可分为独立型 ( 固定端口 ) 模块化和堆叠式三种 ; 根据端口数目的不同主要有 8 口 16 口和 24 口几种 ; 根据工作方式可分为智能型和非智能型两种 目前所使用的 HUB 基本是前三种分类的组合, 如经常看到的 10/100M 自适应智能型 可堆叠式 HUB 依据工作方式区分有较普遍的意义, 可以进一步划分为被动集线器 主动集线器 智能集线器和交换集线器四种 (1) 被动集线器 (passive HUB) 被动集线器只把多段网络介质连接在一起, 允许信号通过, 不对信号做任何处理, 它不能提高网络性能, 也不能帮助检测硬件错误或性能瓶颈, 只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口 19

20 网络技术及应用 分发, 这是集线器可以做的最简单的事情 被动集线器是星型以太网的入门级设备 被动集线器通常有一个 10Base 2 端口和一些 RJ 45 接口 10Base 2 接头可以用于连接主干 有些集线器还有可连到收发器的 AUI 端口以建立网络主干 (2) 主动集线器 (active HUB) 主动集线器拥有被动集线器的所有性能, 此外还能监视数据 在以太网实现存储转发功能中, 主动集线器在转发之前检查数据, 纠正损坏的分组并调整时序, 但不区分优先次序 如果信号比较弱但仍然可读, 主动集线器在转发前将其恢复到较强的状态 这使得一些性能不 是特别理想的设备也能正常使用 如果某个设备发出的信号不够强, 使得被动集线器无法识别, 那 么主动集线器的信号放大器可以使该设备继续正常使用 此外, 主动集线器还可以报告哪些设备失 效, 从而提供了一定的诊断能力 主动集线器提供一定的优化性能和一些诊断能力, 还可以配以多种端口, 因此, 价格上它比简 单的被动集线器贵 (3) 智能集线器 (intelligent HUB) 智能集线器比前两种提供更多的功能, 可以使用户更有效地共享资源 除了具有主动集线器的 特性外, 智能集线器还提供了集中管理功能 如果连接到智能集线器上的设备出了问题, 可以很容 易地识别 诊断和修补 智能集线器另一个出色的特性是可以为不同设备提供灵活的传输速率 除了上连到高速主干端 口外, 智能集线器还支持到桌面的 10/16/100Mbps 的速率, 即支持以太网 令牌环和 FDDI (4) 交换集线器 (switching HUB) 交换集线器就是在一般智能集线器功能上又提供了线路交换能力和网络分段能力的一种智能 集线器 高端集线器还提供其他一些特性, 如冗余交流电源 内置直流电源 冗余风扇, 还有线缆连接 的自动中断 模块的热插拔 自动调整 10Base T 接头的极性, 再如冗余配置存储 冗余时钟, 有 些集线器还集成了路由和桥接功能 2. 选择 HUB 现在有一款 10M 非智能型 HUB 的价格较低, 并且 10M 的网络对传输介质及布线的要求也不 高, 所以许多喜欢 DIY 的网友完全可以自己动手, 组建自己的家庭局域网或办公局域网 (1) 以外形尺寸为选择依据 集线器的选购一般是在综合布线结束 骨干设备已经定型之后 如果系统比较简单, 局域网内 的用户比较少,SOHO 系列的 HUB 就比较适合 它们一般都有 8 个 10Base TX 端口 为了能够利 用以前铺设的介质 ( 如粗缆 细缆 ), 有些集线器留出了 BNC 端口 AUI 端口 如果准备将网络 设备置于机柜中, 需要选购几何尺寸符合机架标准的集线器 如它们符合 19 英寸的工业规范, 就 可以轻松地安装在机柜中, 现在该类集线器以 12 口和 24 口的设备为主流 有些厂商目前还遵循 8~ 16 口规范, 两者工业标准相同, 兼容性上不会存在问题 用户可依据自己站点数的不同选择不同 端口数的集线器 (2) 以带宽为选择依据 集线器带宽的选择主要决定于三个因素 1 上连设备带宽 如果上连设备的端口带宽为 100M, 可购买 100M 集线器 ; 否则 10M 集线器 应是理想的选择 20

21 网络概述 项目一 2 站点数 由于连在集线器上的所有工作站均争用同一个上行总线, 处于同一冲突域内, 所以站点数目太多会形成广播风暴 依据经验,10M 冲突域内的站点不宜超过 25 个,100M 冲突域内的站点不宜超过 35 个, 如果有超出的趋势或已经超出, 应使用交换机来代替集线器 3 应用需求 一般来说, 传输的内容不涉及语音 图像, 传输量相对较小时, 带宽选 10M 就够了 如果传输量较大, 且涉及多媒体应用 ( 注意集线器不适于用来传输时间敏感性信号 ) 时, 应当选择 100M 的 现在厂商又提供了一种新的解决方案 双速集线器, 它已经内置 10M 和 100M 两条内部总线 双速集线器分为手动 10/100M 切换和自动 10/100M 切换 手动切换为每台集线器转换 per HUB, 自动切换为每个端口切换 per Port 双速集线器中由于内置两条总线, 它们间的互通有两种解决方案 : 一是利用内部网桥将两条总线连通, 并将 10M 和 100M 数据包互译 ; 二是集线器无内置网桥, 需要上连的数据链路层设备进行互通 有无内置网桥的集线器在价格上略有差异 (3) 以是否可管理为选择依据由于 HUB 最初是较低端的产品, 且不可管理 随着技术的发展, 部分集线器可通过增加网管模块实现对集线器的简单管理, 提供对 SNMP 支持 需要指出的是, 尽管同是对 SNMP 提供支持, 但不同厂商的模块是不能混用的, 甚至同一厂商的不同产品的模块也不同 (4) 以是否可以扩展为选择依据如果在组网时端口不够, 有两种扩展方式可增加端口数 1 堆叠所谓可堆叠集线器, 就是指一个集线器中一般同时具有 UP 和 DOWN 堆叠端口 当多个 HUB 连接在一起时, 其作用就像一个模块化集线器一样, 堆叠在一起的集线器可以当作一个单元设备来进行管理 可堆叠集线器一般价格较贵 前面已经讲过, 在一冲突域内的站点数不宜太多, 堆叠层数也不能太多 但一般可堆叠的层数越多, 说明集线器的稳定性越高 如图 1 11 所示 图 1 11 集线器堆叠端口 2 级联现行 HUB 有两种级联方式 : 若 HUB 本身带级联口, 则两 HUB 间用正常线序连接 ; 若 HUB 上无级联口, 可用 RJ45 交叉线连接两 HUB 的任意两个端口 市场上还有一种内置 HUB, 即 Nicin HUB 可以将它插在 PC 机或服务器上, 这样就可以多几个 RJ45 口, 其他 LAN 用户可直接插在这些 RJ45 口上, 很适合小型办公室用 3. 使用 HUB 在 HUB 正面的面板上有多个端口 ( 即 RJ45 插孔 ), 在连网时, 只要把网线上做好的 RJ45 接头插进去就可以了, 在这些 RJ45 端口中一般有一个特殊的端口, 称作级联端口, 用于连接其他 HUB, 级联端口通过旁边的转换开关在级联功能和普通连接功能之间转换, 有些集线器在 RJ45 端口旁边单独设计一个级联端口以备集线器间的连接 面板上还有各个端口的状态指示灯和集线器本身的通电及工作状况指示灯等 21

22 网络技术及应用 在集线器背面有用于连接电源的电源插座, 可堆叠式集线器还有上下两个堆叠端口 连接好网线, 打开 HUB 的电源, 从物理上来讲网络就开始工作了 当然, 计算机上的网络软 件需要安装好 协议配置好以后才能真正完成网络的安装 调制解调器 调制解调器 (Modulator/Demodulator,Modem) 是在发送端通过调制将数字信号转换为模拟信 号, 而在接收端通过解调再将模拟信号转换为数字信号的一种装置 计算机内的信息是由 0 和 1 组成数字信号, 而在电话线上传递的却只能是模拟电信号 于是, 当两台计算机要通过电话线进行数据传输时 ( 比如拨号上网 ), 就需要一个设备负责数模的 转换 这个数模转换器就是 Modem 计算机在发送数据时, 先由 Modem 把数字信号转换为相应的 模拟信号, 这个过程称为 调制 经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前, 也要 经由接收方的 Modem 负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号, 这个过程称为 解调 正是通过这样一个 调制 与 解调 的数模转换过程, 从而实现了两台计算机之间的远程通信 最常见的 Modem 就是通过电话线拨号方式上网的调制解调器 这种上网方式对 ISP 和上网者 而言初期投资比较少, 无须改造线路, 安装也比较简单, 因此早期上网基本都采用这种方式 随着 宽带网络的流行, 更多的高速 Modem( 也称之为基带 Modem) 会越来越多地进入人们的生活 目前调制解调器的分类有多种, 按照安装方式可分为 : 内置式 外置式和 PCMIC 三种 (1) 内置式调制解调器其实就是一块计算机的扩展卡, 插入计算机内的一个扩展槽即可使用, 它无须占用计算机的串行端口 它的连线相当简单, 把电话线接头插入卡上的 Line 插口, 卡上 另一个接口 Phone 则与电话机相连, 平时不用调制解调器时, 电话机使用一点也不受影响 (2) 外置式调制解调器则是一个放在计算机外部的盒式装置, 它需占用电脑的一个串行端口, 还需要连接单独的电源才能工作, 外置式调制解调器面板上有几盏状态指示灯, 可方便监视 Modem 的通信状态, 并且外置式调制解调器安装和拆卸容易, 设置和维修也很方便, 还便于携带 外置式 调制解调器的连接也很方便,Phone 和 Line 的接法同内置式调制解调器 但是外置式调制解调器 得用一根串行电缆把计算机的一个串行口和调制解调器串行口连起来, 这根串行线一般随外置式调 制解调器配送 最近出现了 USB 接口 Modem, 只需将其接在主机的 USB 接口就可以, 支持即插 即用, 这比内置式 Modem 和外置式 Modem 在安装上都具有优越性 (3)PCMCIA 卡式 Modem 是笔记本电脑专用产品 功能同普通 Modem 相同 按照调制信号的类型, 调制解调器可分为基带 Modem 和频带 Modem 两大类 (1) 基带 Modem 基带 Modem 又称为短程调制解调器, 是在相对短的距离内, 如楼宇 校园内部或市内, 连接 计算机 网桥 路由器和其他数字通信设备的装置 基带传输是一种重要的数据传输方式, 基带 Modem 作用是形成适当的波形, 使数据信号在带宽受限的传输线路上通过时, 不会由于波形迭起 而产生码间干扰 即基带 Modem 用于数字信号间的调制解调 (2) 频带 Modem 频带 Modem 是利用给定线路中的频带 ( 如一个或多个电话所占用的频带 ) 进行数据传输, 它 的应用范围要比基带广泛得多, 传输距离也较基带要长 家庭日常所用的 56K Modem 就是频带 Modem 频带 Modem 用于数字 / 模拟信号间的调制解调 调制解调器的一个重要性能参数是传输速率, 目前市面上 28.8K 33.6K 和 56K 的频带调制解 调器都有, 而且 56K 的频带调制解调器已经成为市场的主流产品 基带调制解调器采用的技术不 22

23 网络概述 项目一 同, 可选择的速率也有很大的差别 Modem 工作时先以最高速率连接, 然后会根据连接质量迅速调整连接速率, 所以线路好坏是影响 Modem 连接速率的一个关键因素 任务分析与实施 任务分析某公司根据业务的需要划分为三个部门, 要求每个部门有独立的网络, 有 300 台主机, 即需要有 3 个 IP 网络号, 而且每个网络中不少于 300 个 IP 地址 考虑到主机数的要求, 根据 IP 地址 A B C 类的规则, 只有 A 类和 B 类地址满足主机数不少于 300 个 IP 地址的要求 我们选择 3 个 B 类网络, 这样既能满足需要有 3 个 IP 网络号的要求, 又能满足每个网络中不少于 300 个 IP 地址的要求, 但是经过分析发现, 每个 B 类地址中可容纳 台主机, 而该公司只用了其中的 300 台, 因为地址的唯一性, 其他人无权使用这个 B 类网络中另外的 =65234 个地址, 因而造成地址浪费 任务实施假定选择了 这个 B 类地址进行划分, 根据要求保留 9bit 作为主机位, 所以借 7 个比特网位表示子网 ( 注意, 规则规定借位必须连续, 并且要从高位借起 ), 共需要 3 个这样的子网, 写成二进制的格式即 : 子网位主机位把所借的 7 个比特位排列组合如下 : = = = = =254 一共有 128 个子网, 写成十进制格式 : 从中选出三个分配给公司的三个部门即可满足要求 接下来的任务就是确定每个子网的地址范围 习题一 一 选择题 1.OSI 模型数据链路层的主要功能是 ( ) 23

24 网络技术及应用 A. 利用不可路由的物理地址建立平面网络模型 B. 通过物理媒体以比特流格式传输数据 C. 利用逻辑地址建立多个可路由网络 D. 建立 管理和终止应用层实体之间的会话 2. 网络类型号 127.x.y.z 表示 ( 其中 x y z 表示小于或等于 255 的一个任意十进制数字 ) ( ) A. 一个专用地址 B. 一个组播地址 C. 一个回送地址 D. 一个实验地址 3.TCP/IP 模型的网络接口层对应于 OSI 模型的 ( ) A. 物理层和数据链路层 B. 数据链路层和网络层 C. 物理层 数据链路层和网络层 D. 仅网络层 4.IP 报头的最大长度是 ( ) 个字节 A.20 B.60 C.64 D 下列 ( ) 协议可提供 Ping 和 traceroute 这样的故障诊断功能 A.ICMP B.IGMP C.ARP D.RARP 6. 下列对于 IP 地址的描述不正确的是 ( ) A. 主机部分全为 1 的 IP 址址称为有限广播 B.0.x.y.z 表示本网络的指定主机 C. 一个 A 类网的 IP 址址 x 表示 x 这个网络 D.IP 地址 ~ 属于保留地址 7. 下列 ( ) 属于有效的 C 类 IP 地址范围 ( hhh 表示可分配的主机地址部分 ) A hhh~ hhh B.192.hhh.hhh.hhh~ C ~ D hhh.hhh~ hhh.hhh 8. 为了确定将数据发送到下一个网络的路径, 网络层必须首先对接收到的数据帧 ( ) A. 封装数据包 B. 改变其 IP 地址 C. 改变其 MAC 地址 D. 拆分数据包 9. 从一个 C 类网络的主机地址借 3 位时, 可建立 ( ) 个可用子网 A.3 B.6 C.8 D 位于同一子网内的每台主机的 IP 地址满足 ( ) A. 网络部分与主机部分相同 B. 网络部分与子网部分相同 C. 子网部分与主机部分相同 D. 只需网络部分相同即可 11. 下面 ( ) 是错误的 IP 地址格式 A B C D TCP/IP 协议的含义是 ( ) A. 局域网传输协议 B. 拨号入网传输协议 C. 传输控制协议和网际协议 D.OSI 协议集 13. 不能作为计算机网络中传输介质的是 ( ) A. 微波 B. 光纤 C. 光盘 D. 双绞线 24

25 网络概述 项目一 14. 电子邮件地址的一般格式是 ( ) A. 地址 B. 域名 C. 用户名 D.IP 域名 15.Internetde 的域名中, 顶级域名 gov 代表的是 ( ) A. 教育机构 B. 商业机构 C. 政府部门 D. 军事部门二 填空题 1. 计算机网络主要功能是 : 和 2. 计算机网络有很多种拓扑结构, 最常用的网络拓扑结构有 : 和 3.Internet 地址包括 和, 是 Internet 地址的两种表示方式 4. 双绞线的电气特性参数中, 衰减 是指信号传输时在一定长度的线缆中的损耗, 是一个信号损失的度量 ; 传输延迟 是指信号从信道的一端到达另一端所需要的时间 5. 在计算机网络中, 拓扑结构中的每个节点设备都以中央节点为中心, 通过连接线与中央节点相连 6. 在网址 中, 表示超文本传输协议 7. 局域网中, 是计算机与网络传输介质的接口, 用来进行数据传输 8. 电子公告板的英文缩写是, 它提供一块公关电子白板, 每个用户都可以在上面书写内容 发布信息和提出看法 9. 按网络的作用范围, 可以分为 局域网和城域网 10. 是运行 TCP/IP 协议的唯一标识符,TCP/IP 是上层协议, 无论下层是何种拓扑结构的网络, 均应统一在上层 上 三 简答题 1. 计算机网络由哪些元素构成? 在计算机网络中, 为什么需要网络协议? 2.OSI 参考模型和 TCP/IP 模型有哪些区别? 3. 什么是计算机的网络拓扑结构? 常见的网络拓扑结构有哪些? 各有什么特点? 4.IP 地址由多少位二进制位数组成?C 类网络共包含多少个网络? 一个 C 类网络可以容纳多少台主机? 5. 子网和子网掩码的概念是怎样提出的? 请写出 C 类网络的默认子网掩码 6. 路由器的主要功能是什么? 25