网络基础知识与概念

Page,Chapter,/31,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,网络基础知识与概念,计算机网络的产生和发展,4,1,第一代计算机网络的诞生,1946,年产生第一台数字计算机,1954,年收发器终端的产生,60,年代初，由多重线路控制器参与组成的网络，被称为第一代计算机网络,Modem,Modem,Modem,Modem,Page,2,/31,计算机网络的产生和发展,4,2,第二代计算机网络的诞生,1964,年，,Baran,提出存储转发概念,D,A,B,C,data,暂存，查找转发表，,转发到相应的端口,Page,3,/31,计算机网络的产生和发展,4,3,分组首部,分组首部,分组首部,01011100,10100111,10111110,第二代计算机网络的诞生,1964,年，,Baran,提出存储转发概念,1966,年，,David,提出分组概念,1969,年，,DARPA,的计算机分组交换网,ARPANET,投入运行,Page,4,/31,计算机网络的产生和发展,4,4,1977,年,OSI,参考模型的提出，标志着计算机网络进入到第三个阶段,Page,5,/31,网络体系的演变过程,40,年代,中期,60,年代,初期,70,年代,初期,80,年代,初期,90,年代,初期,90,年代,末期,21,世纪,网络概念萌芽阶段,提出分组交换概念,稳步发展与应用,提出,OSI,参考模型,体系结构成熟发展,Internet,广泛应用,后,TCP/IP,模型时代,Page,6,/31,阶段总结,第一代计算机网络,由多重线路控制器参与组成的网络,面向终端的通信网计算机是网络的控制中心,第二代计算机网络,以资源子网为中心,ARPANET,的成功运行,第三代计算机网络,OSI,参考模型出现,Page,7,/31,什么是协议,什么是协议？,为了使数据可以在网络上从源传递到目的地，网络上所有设备需要“讲”相同的“语言”,描述网络通信中“语言”规范的一组规则就是协议,例如：两个人交谈，必须使用相同的语,言，如果你说汉语，他说阿拉伯语,数据通信协议的定义,决定数据的格式和传输的一组规则或者一组惯例,#&$,Page,8,/31,培训目标,网络概述,OSI,开放系统互联7层参考模型,识别集线器,hub、,交换机,switch,、路由器,router,的功能以及在网络中扮演的角色,.,描述数据封装与解除封装,Page,9,/31,计算机网络概述,网络：计算机与通信技术相结合，不同种类计算机通过同类,通信协议,相互通信，形成计算机网络。,Page,10,/31,网络拓扑结构,计算机网络的拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式,拓扑包括物理拓扑和逻辑拓扑,物理拓扑是指设备或介质的连接方式,逻辑拓扑是指数据传输的方式,Page,11,/31,Network Topology,Page,12,/31,各种标准化组织,国际标准化组织,ISO,：,OSI,参考模型、与,Internet,相关的标准等。,电子电气工程师协会,IEEE,：,主要提供网络硬件标准，,IEEE802,协议族定义了主要的,LAN,标准。802.3以太网标准、802.5令牌环网标准、802.11无线局域网标准等。,美国国家标准局,ANSI：,主要定义了光纤分布式数据接口,FDDI,标准。,电子工业协会,EIA/TIA：,定义网络联结线缆的标准，如,rs232、cat5、hssi、v.24、v.35,等，以及布线标准,EIA/TIA568B。,国际电信联盟,ITU：,定义了用作广域网络连接的电信网络标准，如,x.25、,帧中继等。,Internet,行动委员会,IAB：,下设,IETF,工程任务委员会、,IRTF,研究任务委员会、,IANA,号码分配委员会，负责各种,internet,标准的制定。,Page,13,/31,OSI,参考模型,计算机网络的功能,数据通信,Data,Page,15,/31,协议分层,2,1,网络通信的过程很复杂,数据以电子信号的形式穿越介质到达正确的计算机，然后转换成最初的形式，以便接收者能够阅读,为了降低网络设计的复杂性，将协议进行了分层设计,Page,16,/31,协议分层,2,2,分层设计的意义,用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和通信硬件接口的差别,而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用要求的不同,例如：文件传输或电子邮件服务模块的设计，不必关心底层通信线路是光纤还是双绞线,Page,17,/31,服务类型,面向连接的服务,先建立连接再传输数据，之后再断开连接,数据传输过程中，数据包不需要携带目的地址,保证数据传输的可靠性,无连接的服务,不需要事先建立连接，直接发送数据,每个报文都带有完整的目的地址,不保证报文传输的可靠性,Page,18,/31,服务元素,元素,意义,举例,请求,（,Request,）,用户请求建立一个连接,用户拨号,指示,（,Indication,）,服务提供者向被呼叫方示意有人请求建立连接,被呼叫用户电话振铃,响应,（,Response,）,被呼叫方用来表示接受建立连接的请求,被呼叫方摘机,确认,（,Confirm,）,服务提供者通知呼叫方建立连接的请求已被接受,呼叫方听到拨号音停止，对方摘机,面向连接的服务在建立连接和断开连接过程中，使用以下几个服务元素,Page,19,/31,服务元素举例,1111,2222,拨号,2222,，,请求,建立连接,振铃，得到建立连接的,指示,摘机，对连接请求的,响应,听到振铃音停止，得到建立连接的,确认,连接已建立，这时可以通电话了,关于面向连接和无连接的服务，在传输层协议中将有应用,Page,20,/31,OSI,协议模型,通信,协议,协议,分层,OSI7,层,模型,通信的双方需要,“,讲,”,相同的语言,网络通信的过程很复杂，为了降低复杂性,1974,年，,ISO,组织发布了,OSI,参考模型,OSI(Open,System,Internetwork,),是开放的通信系统互联参考模型,Page,21,/31,邮局实例,2,2,写信人,邮局,运输部门,收信人,邮局,甲地,乙地,Page,22,/31,邮局实例,2,2,邮局对于写信人来说是下层,运输部门是邮局的下层,下层为上层提供服务,写信人与收信人之间使用相同的语言,邮局之间的约定,同层次之间使用相同的协议,Page,23,/31,OSI,的七层框架,2,1,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,传输层,传输层,会话层,会话层,表示层,表示层,应用层,应用层,物理层协议,数据链路层协议,网络层协议,传输层协议,会话层协议,表示层协议,应用层协议,比特,帧,报文,TPDU,SPDU,PPDU,APDU,1,接口,2,接口,3,接口,4,接口,5,接口,6,接口,主机,A,主机,B,数据单元,层,Page,24,/31,OSI,的七层框架,2,2,名称,功能,实例,应用层,用户接口,HTTP,Telnet,表示层,数据的表现形式、特定功能的实现如,-,加密,ASCII,、,EBCDIC,JPEG,会话层,对应用会话的管理、同步,操作系统,/,应用读取,传输层,可靠与不可靠的传输、传输前的错误检测、流控,TCP,、,UDP,网络层,提供逻辑地址、选路,IP,数据链路层,成帧、用,MAC,地址访问媒介、错误检测与修正,802.3 / 802.2,HDLC,物理层,设备之间的比特流的传输、物理接口、电气特性等,EIA/TIA-232V.35,Page,25,/31,数据的封装与解封装过程,3,1,Internet,H,ello!,Page,26,/31,IP,包头,数据的封装与解封装过程,3,2,H,ello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,H,ello,TCP/UDP,头,H,ello,IP,包头,LLC,子层,TCP/UDP,头,H,ello,IP,包头,LLC,子层,MAC,子层,TCP/UDP,头,H,ello,TCP/UDP,头,高层数据,MAC,子层,LLC,子层,FCS,Page,27,/31,IP,包头,数据的封装与解封装过程,3,3,H,ello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,H,ello,TCP/UDP,头,H,ello,IP,包头,LLC,子层,MAC,子层,TCP/UDP,头,H,ello,IP,包头,LLC,子层,MAC,子层,FCS,TCP/UDP,头,H,ello,TCP/UDP,头,高层数据,LLC,子层,Page,28,/31,阶段练习,什么是协议？,OSI,参考模型包含哪,7,层？其中物理层的作用是什么？数据链路层的作用是什么？,数据在传输时，传输层的数据到网络层后，网络层会做什么动作？,Page,29,/31,TCP/IP,协议参考模型,TCP/IP,是,20,世纪,70,年代中期美国国防部为,ARPANET,开发的网络体系结构,网络接口层,互联网层,传输层,应用层,TCP/IP,4,层模型,物理层,数据链路层,网络层,OSI,7,层模型,会话层,表示层,应用层,传输层,互联网层,传输层,应用层,物理层,数据链路层,TCP/IP 5,层模型,Page,30,/31,TCP/IP,模型与,OSI,模型的比较,相同点,两者都是以协议栈的概念为基础,协议栈中的协议彼此相互独立,下层对上层提供服务,不同点,OSI,是先有模型；,TCP/IP,是先有协议，后有模型,OSI,适用于各种协议栈；,TCP/IP,只适用于,TCP/IP,网络,层次数量不同,Page,31,/31,数据链路层与交换机,数据链路层的功能,2,1,数据链路层,位于网络层与物理层之间,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,数据链路层协议,比特（,Bit,）,帧（,Frame,）,包,(Packet,）,主机,A,主机,B,数据单元,Page,33,/31,数据链路层的功能,2,2,数据链路层的功能,数据链路的建立、维护与拆除,帧包装、帧传输、帧同步,帧的差错恢复,流量控制,Page,34,/31,以太网,以太网工作在数据链路层,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,物理层协议,数据链路层协议,网络层协议,比特,帧,包,1,2,主机,A,主机,B,数据单元,层,以太网,Page,35,/31,什么是以太网,我们平常使用的局域网就是以太网,如果中间的线路是共享的，这条链路在同一时间由谁来使用呢？如何来保证这些主机能有序的使用共享线路，不发生数据的冲突？, 如果主机,A,发出一个数据包给主机,B,，如何标识主机,A,和主机,B,呢？这就是主机的地址问题。, 主机之间发送的数据，需要保证双方互相都能读懂，那么它们发送的数据的格式，是不是需要有一个统一的规范呢？,Page,36,/31,以太网采用,CSMA/CD,CSMA/CD,带冲突检测的载波监听多路访问,以太网采用,CSMA/CD,避免信号的冲突,工作原理,发送前先监听信道是否空闲，,若空闲则立即发送数据。,在发送时，边发边继续监听,若监听到冲突，则立即停止,发送,等待一段随机时间（称为退,避）以后，再重新尝试,Page,37,/31,以太网,MAC,地址,以太网地址用来识别一个以太网上的某个单独的设备或一组设备,例如：,00,06,1b,e3,93,6c 00,0d,28,be,b6,42,IBM,CISCO,24,比特,（供应商,标识,）,24,比特,（供应商对网卡的唯一编号）,对于目的地址,：,0,物理地址（单播地址）,1,逻辑地址（组播地址）,Page,38,/31,以太网帧格式,802.3,以太网帧格式,数据链路层封装,7,字节,6,字节,6,字节,前导码,目的地址,源地址,类型,/,长度,数据,帧校验,序列,46,1500,字节,4,字节,1,字,节,2,字,节,帧启始定界符,物理层封装,大于,0600H,表示类型，小于,0600H,表示长度,Page,39,/31,以太网标准,物理层,数据链路层,逻辑链路控制子层,（,LLC),介质访问控制子层,（,MAC),以太网,IEEE802.2,IEEE802.3,Page,40,/31,MAC,子层与,LLC,子层,2,1,介质访问控制（,MAC,）子层（,802.3,）,将上层交下来的数据封装成帧进行发送,(,接收时进行相反的过程，将帧拆卸,),；,实现和维护介质访访问控制协议，例如,CSMA/CD,；,比特差错检测；,MAC,帧的寻址，即,MAC,帧由哪个站（源站）发出，被哪个站哪些站接收（目的站）。,Page,41,/31,MAC,子层与,LLC,子层,2,2,逻辑链路控制（,LLC,）子层（,802.2,）,建立和释放数据链路层的逻辑连接；,提供与上层的接口；,给帧加上序号。,Page,42,/31,以太网命名方法,N,信号物理介质,N,：以兆位为单位的数据速率，如,10,、,100,、,1000,信号：基带还是宽带,物理介质：标识介质类型,例如：,100BASE-TX,数据速率为,100M,基带，即物理介质为以太网专用,UTP,或,STP,Page,43,/31,以太网交换机,交换机是用来连接局域网的主要设备,交换机能够根据以太网帧中目标地址智能的转发数据，因此交换机工作在数据链路层,交换机分割冲突域，实现全双工通信,Page,44,/31,交换机数据转发原理,12,1,11,B,33,44,22,AA,BB,A,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,data,端口,3,端口,3,主机,11,给主机,33,发送一个数据帧：,目标地址：,33,源地址：,11,Page,45,/31,交换机数据转发原理,12,2,A,MAC,地址,端口号,交换机,A,在接收到数据帧后，执行以下操作：,交换机,A,查找,MAC,地址表,交换机,A,学习主机,11,的,MAC,地址,交换机,A,向其他所有端口发送广播,11 1,Page,46,/31,交换机数据转发原理,12,3,11,B,33,44,22,AA,BB,A,端口,1,端口,1,端口,2,data,端口,2,端口,3,端口,3,data,Page,47,/31,交换机数据转发原理,12,4,交换机,B,在接收到数据帧后，执行以下操作：,交换机,B,查看,MAC,地址表,交换机,B,学习源,MAC,地址和端口号,交换机,B,向所有端口广播数据包,主机,22,，查看数据包的目标,MAC,地址不是自己，丢弃数据包,B,MAC,地址,端口号,11 3,22,data,Page,48,/31,交换机数据转发原理,12,5,B,33,44,22,AA,BB,A,端口,1,端口,1,端口,2,data,端口,2,端口,3,端口,3,data,11,data,Page,49,/31,交换机数据转发原理,12,6,主机,33,，接收到数据帧,主机,44,，丢弃数据帧,33,44,data,data,在这个过程中，交换机的,MAC,地址表中没有需要的条目，交换机通过广播的方式，转发了数据帧,Page,50,/31,交换机数据转发原理,12,7,B,33,44,22,AA,BB,A,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,data,11,这时，主机,44,要给主机,11,发送一个数据帧：,目标地址：,11,源地址：,44,Page,51,/31,交换机数据转发原理,12,8,B,MAC,地址,端口号,11 3,交换机,B,在接收到数据帧后，执行以下操作：,交换机,B,学习源,MAC,地址和端口号,交换机,B,查看,MAC,地址表，根据,MAC,地址表中的条目，单播转发数据到端口,3,44 2,Page,52,/31,交换机数据转发原理,12,9,A,MAC,地址,端口号,11 1,交换机,A,在接收到数据帧后，执行以下操作：,交换机,A,学习源,MAC,地址和端口号,交换机,A,查看,MAC,地址表，根据,MAC,地址表中的条目，单播转发数据到端口,1,主机,11,，收到数据帧,44 3,Page,53,/31,交换机数据转发原理,12,10,B,33,44,22,AA,BB,A,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,11,data,在这个过程中，交换机的,MAC,地址表中已经学到了需要的条目，交换机通过单播的方式，转发了数据帧,Page,54,/31,交换机数据转发原理,12,11,A,MAC,地址,端口号,11 1,44 3,22 2,33 3,MAC,地址,端口号,11 3,44 2,22 3,33 1,交换机最终的,MAC,地址表,B,Page,55,/31,交换机数据转发原理,12,12,转发,交换机根据,MAC,地址表单播转发数据帧,学习,MAC,地址表是交换机通过学习接收的数据帧的源,MAC,地址来形成的,广播,如果目标地址在,MAC,地址表中没有，交换机就向除接收到该数据帧的端口外的其他所有端口广播该数据帧,更新,交换机,MAC,地址表的老化时间是,300,秒,交换机如果发现一个帧的入端口和,MAC,地址表中源,MAC,地址的所在端口不同，交换机将,MAC,地址重新学习到新的端口,Page,56,/31,单工、半双工与全双工,单工,只有一个信道，传输方向只能是单向的,半双工,只有一个信道，在同一时刻，只能是单向传输,全双工,双信道，同时可以有双向数据传输,A,B,A,B,A,B,例如：寻呼机,例如：对讲机,例如：电话,Page,57,/31,冲突与冲突域,如果冲突过多，则传输效率就会降低,. . . . . .,主机,A,主机,B,主机,C,冲突域,Page,58,/31,分割冲突域,为了提高传输效率，分割冲突域,. . . . . .,冲突域,1,冲突域,2,冲突域,3,Page,59,/31,交换机背板交换矩阵结构,交换机的每个端口访问,另一个端口时，都有一条,专有的线路，不会产生冲,突。,Page,60,/31,冲突域与广播域,广播域指接收同样广播消息的节点的集合，如：在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则所有其他能收到这个帧的节点都被认为是该广播帧的一部分,交换机分割冲突域，但是不分割广播域，即交换机的所有端口属于同一个广播域,. . . .,广播域,广播域,冲突域,冲突域,广播,Page,61,/31,交换机产品介绍,产品编号,描述,WS-C2950-24,24 port, 10/100 Catalyst Switch, Standard Image only,WS-C2950C-24,24 10/100 ports with 2 100BASE-FX uplinks, Enhanced Image,WS-C2950T-24,24 10/100 ports w/ 2 10/100/1000BASE-T ports, Enhanced Image,WS-C2950G-24-EI,Catalyst 2950, 24 10/100 with 2GBIC slots, Enhanced Image,WS-C2950G-48-EI,Catalyst 2950, 48 10/100 with 2 GBIC slots, Enhanced Image,Page,62,/31,本章总结,数据链路层与交换机,以太网,启动信息,数据转发原理,全双工工作原理,基本配置,工作原理,访问方法,产品概述,Cisco Catalyst 2900,系列,数据链路层,链路层设备,交换机,CSMA/CD,配置模式,功能,帧格式,MAC,地址,背板使用交换矩阵结构，保证每个端口都有收发专用通道,用户模式,特权模式,全局配置模式,接口配置模式,根据,MAC,地址表转发数据，,MAC,地址表是通过学习帧的源,MAC,地址生成的,目的地址、源地址、类型、数据、帧校验,48,位，前,24,位是厂商编号，后,24,位是网卡编号,发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。,Page,63,/31,A,B,C,D,Physical,All devices in the,same collision domain,All devices in the,same broadcast domain,Devices,share the same bandwidth,Hubs Operate at Physical layer,Page,64,/31,Each segment has its,own collision domain,All segments are in the,same broadcast domain,Data Link,OR,1,2,3,1,2,4,Switches and Bridges Operate at Data Link Layer,Page,65,/31,Concept of Switches,每个岔路口都有专用车道,Each segment has its own collision domain,Broadcasts are forwarded to all segments,Memory,Switch,Page,66,/31,逻辑地址：定义与具体协议相关的,逻辑源和目的地址,路由：选择报文从源到目的的最佳网络路径，转发数据流量,Interconnects multiple data links,网络层的主要设备：路由器、三层交换机等,Network,IP, IPX,Data Link,Physical,EIA/TIA-232,v.35,Ethernet,Frame Relay,HDLC,802.2,802.3,Network Layer Functions,Page,67,/31,Routers: Operate at the Network Layer,Broadcast control,Multicast control,Optimal path determination,Traffic management,Logical addressing,Connects to WAN services,Page,68,/31,对上层数据进行分段，区分上层不同的应用。,在应用间建立端到端的逻辑连接以便传送数据。,将数据从一端主机传到另一端的主机，计算校验和进行差错检测，通过流量控制避免缓冲区溢出。,提供可靠或者不可靠的数据传递服务。部分传输层协议可保证同一数据既不多次传送也不丢失，并保证数据包的接收顺序与发送顺序一致。,Network,IPX,IP,Transport,SPX,TCP,UDP,Transport Layer Functions,Page,69,/31,连接与无连接、可靠与不可靠（1）,面向连接的服务：在开始传输数据之前需要在两端设备之间,建立逻辑连接,，然后进行,数据传输,，传输完成后要,断开连接,。保证数据包的有序可靠传输。适合于对延迟比较敏感的应用。,无连接的服务：两个实体之间的通信,无需事先建立连接,，因此，下层资源不需要事先进行预留，,资源可以动态分配,。不能防止报文的丢失、重复或者无序。适合于允许延迟的应用。,可靠传输：传输过程具有差错检测和恢复功能。,差错检测：使用帧校验和,FCS,检测协议数据单元,PDU,中的数据，从而发现错误，并丢弃该,PDU。,差错恢复：对因发现错误而丢失的数据要作出响应，重传该数据。,注意：面向连接的协议不一定提供差错恢复，而具有差错恢复的协议并不一定是面向连接的。,Page,70,/31,连接与无连接、可靠与不可靠（2）,连接,可靠,协议例子,面向连接,可靠传输,LLC802.2,TCP,SPX,不可靠传输,PPP,FrameRelay,虚电路,无连接,可靠传输,TFTP Netware NCP,不可靠传输,UDP,IP IPX,等,Page,71,/31,