计算机局域网概论

,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,47,第1章,计算机局域网概论,学习目标,认知目标,：了解局域网的概念、发展及特点。基本掌握局域网的体系结构的概念与原理、OSI模型与TCP/IP体系结构、OSI与TCP/IP的关系、IP地址、子网与子网掩码及域名。理解局域网对等模式、Client/Server模式、Browser/Server模式以及基于,Windows DNA的分布式互连网应用结构。,情感目标,：对局域网的体系结构及工作模式产生兴趣，具有在局域网规划设计中运用相关知识的愿望。,动作技能,：能够画图说明TCP/IP体系结构、以太网拓扑结构，以及简单局域网的工作模式。,第1章,计算机局域网概论,学习重点,局域网的体系结构的概念与原理,OSI模型与TCP/IP体系结构,OSI与TCP/IP的关系,IP地址、子网与子网掩码及域名、局域网的Client/Server模式和Browser/Server模式。,学习难点,局域网的体系结构原理，OSI与TCP/IP的关系, IP地址、子网与子网掩码及域名。,1.1 局域网的发展及特点,局域网的概念,（1）背景,技术发展，成本减低，人们需求，资源共享。,（2）概念,体现,应用目的,的定义：“以相互共享资源方式连接起来，并且各自有独立功能的计算机系统之集合”；,体现,物理结构,的定义：“在网络协议的控制下，由一台或多台服务器、若干台终端机（,PC,）、数据传输设备（集线器、交换机），以及终端机与服务器间、终端机与终端机间、服务器与服务器间进行通信设备所组成的计算机复合系统”。,1.1.2,局域网的发展,1969,年，世界上最早的广域网（,Wais Area Network,，,WAN,）,ARPANET,的研制成功，展现了计算机网络的广阔应用前景。,1974,年英国剑桥大学计算机研究室研究成功了著名的剑桥环局域网络（,Cambridge-Ring,）。,1976,年美国,Xerox,公司,Palo Alto,研究中心利用夏威夷大学,ALOHA,无线电网络系统原理成功开发了以太网（,Ethernet,），,使之成为第一个共享总线式局域网。,1980,年美国,DEC,公司、,Intel,公司和,Xerox,公司联合公布了局域网,DIX,标准，即以太规范，使局域网的典型代表以太网进入规范阶段。,1980,年,2,月，,IEEE,学会下属的,802,局域网络标准委员会宣告成立，并相继提出了若干,802,局域网络协议标准,。,1984,年,IBM,公司推出它的,IBM PC NETWORK,宽带局域网产品，遵循以太规范，可以用来连接已经有广泛用户的环形局域网产品。,20,世纪,80,年代中后期到,90,年代，具有较高水平的局域网操作系统（,NOS,）,也得到了很大发展。,1.1 局域网的发展及特点,1.1.2,局域网的发展,进入,20,世纪,90,年代，局域网技术主要朝着两个方面发展：互联和高速。,一方面随着计算技术网络化的趋势，出现了多种新的网络计算（工作）模式，使局域网正朝着应用互联的方向发展。在网络高层协议和操作系统支持下，已实现了,LAN-LAN,互联和,LAN-WAN,的互联。局域网上的计算机也不再只是个人机，关键计算的任务，已经由高档计算机、工程工作站、小型机和专用服务器甚至大型主机组成的网络承担。互联扩大了局域网的应用范围，从某种意义上来说，局域网已不再是“局域”的了。,另一方面随着局域通信技术光纤化的趋势，出现了多种新的光以太网通信技术（例如,10Gbps,以太网标准,IEEE 802.3ae,），,使局域网正朝着高速率、大容量的方向发展。局域网上传输的信息也不再是文本数据，而是融合话音、数据和视频的多媒体信息。局域网速度已经从共享式,10Mbps,升级到交换式,100Mbps1000Mbps,，,目前最快的以太网交换机带宽可达到,10Gbps,。,1.1 局域网的发展及特点,1.1.3,局域网的特点,局域网是在较小地理范围之内的网络，其地理范围一般在,0.01km,20km,之间。这样的地理范围可以是一个跨中小城市的集团或是一个集团的建筑群，也可以是一栋楼或一个办公室。可见局域网联网非常灵活，甚至两台计算机就可以连成一个对等的局域网。,局域网是专用网。一般由一个部门专有，不需要使用公共通信设施联网，专线使得局域网具有较好的信道质量。,局域网的数据传输率高，误码率低。数据传输率一般在,10Mbps 1000Mpbs,之间，最高时可达,10Gbps,，,而误码率却在,10,-9,左右。,局域网使用共享信道技术，具有独特的介质访问控制方式。例如以太网的总线结构和基于,CSMA/CD,（,Carrier sense Multiple Access With Collision Detection,）,的介质访问控制。这是局域网区别于广域网最主要的特点。,局域网价格低廉，联网容易，使用方便。,1.1 局域网的发展及特点,1.2 局域网的结构及功能,1.2.1,基本概念与原理,1. 网络协议,Protocol-,为网络数据交换而制定的规则、约定和标准统称为网络协议,。,网络协议三要素：,语法,、,语义,和,时序,。语法确定通信双方之间“如何讲”，由逻辑说明构成，确定通信时采用的数据格式、编码、信号电平及应答结构等；语义确定通信双方之间“讲什么”，由通信过程的说明构成，要对发布请求、执行动作及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息；时序则确定事件的顺序以及速度匹配、排序等。,2.,体系结构,（1）,概念,-,为了完成计算机间的协同工作，把计算机简互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。将这些同层次进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。,（2）,网络分层,-,大多数网络在设计时是将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次，然后针对每个层次及层次间的关系制定相应的协议,这样可以减少协议设计的复杂性。像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合，也称为计算机网络体系结构(Network Architecture)。,（3）,业界标准,-,世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为“系统网络体系结构SNA”。,开放系统互连参考模型（OSI/RM）就是在这样一个背景下提出和研究的。,1.2 局域网的结构及功能,2.,分层原理,在网络分层结构中，,N,层是,N-1,层的用户，同时是,N+1,层的服务提供者。,N+1,层的用户直接使用的是,N,层提供的服务，而事实上,N+1,层的用户是通过,N,层的服务享用了,N,层内的所有的服务。,1.2 局域网的结构及功能,分层结构的好处是,：,（,1,）独立性强。独立性是指被分层的具有相对独立功能的每一层，它不必知道下一层是如何实现的，只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么，本层向上一层提供的服务是什么就可以了。,（,2,）功能简单。网络系统分层后，整个复杂的系统就被分解成若干个小范围的、功能简单的部分，使每一层功能变得比较简单。这样就方便了各层的研制，每一层均有相应的标准，使不同厂商的设备可以互换。,（,3,）适应性强。当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不影响其他任何一层。这就意味着可以对分层中的任何一层的内部结构进行修改，甚至可以取消某层。,（,4,）易于实现和维护。分层之后使得实现和调试一个大的、复杂的网络系统变得简单和容易。,1.2 局域网的结构及功能,1.2.2 OSI,模型,OSI,采用三级抽象，即,体系结构,、,服务定义,和,协议规格,说明。体系结构部分定义,OSI,的层次结构、各层间关系及各层可能提供的服务；服务定义部分详细说明了各层所具备的功能；协议规格部分的各种协议精确定义了每一层在通信中发送控制信息及解释信息的过程。提供各种网络服务功能的计算机网络系统是非常复杂的。根据分而治之的原则，,ISO,将整个通信功能划分为七个层次,.,1. TCP/IP,协议,(1)协议集,1.2.3 TCP/IP,体系结构,FTP,文件传输协议；,HTTP,-,超文本传输协议；,SMTP,简单邮件传输协议；,DNS,域名解析服务系统；,TFTP,-,一般文件传输协议；,SNM,P -,简单网络管理协议；,TCP,文件传输控制协议；,UDP -,用户报文协议；,IP ,网际互连协议。,TCP/IP模型,TCP/IP,起源于美国国防部高级研究规划署,(DARPA),的一项研究计划,实现若干台主机的相互通信,。,现在,TCP/IP,已成为,Internet,上通信的标准。,TCP/IP,模型包括,4,个概念层次：,应用层（,application,）,传输层（,transport,）,网际层（,internet,）,网络接口（,network interface,）,TCP/IP,与,OSI,参考模型的对应关系,TCP/IP,与,与应用层,应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用。,应用层,传输层,网络接口,网际层,文件传输,FTP、TFTP、NFS,电子邮件,SMTP、POP3,WWW应用,HTTP,远程登录,Telnet、rlogin,网络管理,SNMP,名字管理,DNS,TCP/IP,与,传输层,传输层的两项主要功能：,流量控制：通过滑动窗口实现；,可靠传输：由序号和确认来实现。,传输层提供了TCP和UDP两种传输协议：,TCP,是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段，必要时重新发送没有收到的段。,UDP,是无连接的。由于对发送的段不进行校验和确认，因此它是“不可靠”的,。,应用层,传输层,网络接口,网际层,面向连接的,TCP,无连接的,UDP,传输层提供了两种传输协议,端口号,TCP和UDP都用端口(socket)号把信息传到上层。,端口号指示了正在使用的上层协议。,F,T,P,S,M,T,P,T,F,T,P,D,N,S,T,e,l,n,e,t,S,N,M,P,21,23,25,53,69,161,TCP UDP,应用层,传输层,保留的端口号：,255，公共应用,255-1023，公司,1023，未规定,应用层,传输层,网络接口,网际层,IP,ICMP,ARP,RARP,TCP/IP网际层的四个主要协议,TCP,UDP,6,17,IP,传输层,网际层,IP数据报的协议域确定目的端的上层协议,（,1,）网络接口层。该层,是整个体系结构的基础部分，负责接收IP层的IP数据报，通过网络向外发送；或接收处理从网络上来的物理帧，抽出IP数据报，向IP层发送。,（,2,）网络互联层。该层,是整个体系结构的核心部分，负责处理互联网中计算机之间的通信，向传输层提供统一的数据报。,（,3,）传输层。该层,是整个体系结构的控制部分，负责应用进程之间的端到端通信。传输层定义了两种协议：传输控制协议TCP与用户数据报协议UDP,（,4,）应用层。该层,是整个体系结构的协议部分，它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。,TCP/IP,体系结构,各层的功能,IPv4,、,IPv6,。,目前正在使用的,IP,协议是第四版的，称之为“,IPv4,”,，,新版本的,IP,协议正在完善过程中，它就是经常可以在各大,IT,媒体中见到的,IPv6,。,IPv6,所要解决的主要是,IPv4,协议中,IP,地址远远不够的问题。,IPv4,地址采用,32,位，,IPv6,地址采用,128,位，是,IPv4,的,4,倍。,IP,地址,。,按照,IP,协议规定,Internet,上的地址共有,A,、,B,、,C,、,D,、,E,五类,。,3. IP地址及域名,类别,第一字节范围,网络地址长度,最大的主机数目,适用的网络规模,A,1,126,1,个字节,16,，,387,，,064,大型网络,B,128,191,2,个字节,64,，,516,中型网络,C,192,223,3,个字节,254,小型网络,IP,地址的类别与规模,IP,数据报（,IP,分组、,IP,包）,版本号,报头长度,服务类型,数据报长度,DF,MF,段偏移,0 3 7 15 19 31,标识,生存时间TTL,协议,报头校验和,源IP地址,目的IP地址,选项和填充（最大为40字节）,数据区,保留的IP地址,00.00,0000 . 0000,11.11,1111 . 1111,本机,本网中的主机,局域网中的广播,对指定网络的广播,回路,00.00,主 机 号,1111 . 1111,网络号,127,任 意 值,以下这些IP地址具有特殊的含义:,一般来说，主机号部分为全“1 ”的IP地址保留用作广播地址；,主机号部分为全“0 ”的IP地址保留用作网络地址。,0000 . 0000,网络号,网络地址,子网,（,Subnet,）,划分,因特网规模的急剧增长，对,IP,地址的需求激增。带来的问题是,：,IP,地址资源的严重匮乏,路由表规模的急速增长,解决办法：,从主机号部分拿出几位作为子网号,这种在原来,IP,地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。,前提：网络规模较小,IP,地址空间没有全部利用,。,例如：三个,LAN,，,主机数为,20,，,25,，,48,，均少于,C,类地址允许的主机数。为这三个,LAN,申请,3,个,C,类,IP,地址显然有点浪费。,子网划分举例,例如：C类网络，主机号部分的前三位用于标识子网号，即：,11000000 00001010 00000001,xxx,yyyyy,网络号+子网号,新的主机号部分,子网号为全“0”全“1”不能使用，于是划分出2,3,-2=6个子网，子网地址分别为：,11000000 00001010 00000001,001,11000000 00001010 00000001,010,11000000 00001010 00000001,011,11000000 00001010 00000001,100,11000000 00001010 00000001,101,11000000 00001010 00000001,110,子网掩码（,Subnet Mask,）,子网划分后，如何识别不同的子网？,解决：采用子网掩码来分离网络号和主机号。,子网掩码格式：32比特，网络号(包括子网号)部分全为“1”，主机号部分全为“0”。,“网络号+子网号”部分,“主机号”部分,11 11 00 . 00,子网掩码计算,前面的例子中：网络号24位，子网号3位，总共27位。所以子网掩码为：,11111111,11111111,11111111,11100000,即 255 . 255 . 255 . 224,缺省子网掩码：A类：255.0.0.0,B类：255.255.0.0,C类：,子网地址计算,子网掩码 IP地址，结果就是该 IP地址的网络号。,例如：IP地址，子网掩码,11001010 01110101 00000001 110,01111, 11111111 11111111 11111111 111 00000,11001010 01110101 00000001 110 00000,子网地址为：,主机号为：15,主机之间要能够通信，它们必须在同一子网内，否则需要使用路由器（或网关）实现互联。,子网规划举例,网络分配了一个C类地址：。假设需要20个子网，每个子网有5台主机。,试确定各子网地址和子网掩码。,1）对C类地址，要从最后8位中分出几位作为子网地址：,2,4,202,5,，选择5位作为子网地址，共可提供,30个子网地址。,2）检查剩余的位数能否满足每个子网中主机台数的要求：, 子网地址为5位，故还剩3位可以用作主机地址。而,2,3,5+2，所以可以满足每子网5台主机的要求。,3）子网掩码为。,（11111000B = 248 ）,4）子网地址可在8、16、24、32、240共30个地,址中任意选择20个。,网际控制报文协议（,ICMP,）,ICMP消息被封装在IP数据报里，用来发送差错报告和控制信息。,ICMP定义了如下消息类型：,目的端无法到达（Destination unreachable）,数据报超时（Time exceeded）,数据报参数错（Parameter problem）,重定向（Redirect）,回声请求（Echo）,回声应答（Echo reply）,信息请求（Information request）,信息应答（Information reply）,地址请求（Address request）,地址应答（Address reply）,最常用的是“,目的无法到达,”和“,回声,”消息,。,A,B,数据网,发数据给Z,到Z的数据,我不知道如何,到达Z？,用ICMP通知A,目的端无法到达,路由器用ICMP通知目的地不可达的示意图,A,B,B可以到,达吗？,ICMP回声请求,可以，,我在这里。,ICMP回声应答,用PING命令产生的回声及其应答示意图,地址解析协议,(,ARP, Address Resolution Protocol,),ARP用于将一个已知的IP地址映射到MAC地址。方法：,1）检查ARP高速缓存表；,2）若地址不包含在表中，就向网上发广播来寻找。具有该IP地址的目的站用其MAC地址作为响应。,ARP,只能用于具有广播能力的网络,。,A,C,我需要,的MAC地址,IP = 10.1.0.5,MAC = ?,我就是。,这是我的MAC地址,MAC =,B,反向地址解析协议,(RARP, Reversed ARP),RARP用于将一个已知的MAC地址映射到IP地址。,RARP,要依赖于,RARP,服务器，该服务器中有一张,MAC,地址与,IP,地址的映射表。,需要查找自己,IP,地址的站点向网上发送包含有其,MAC,地址的,RARP,广播，,RARP,服务器收到后将该,MAC,地址翻译成,IP,地址予以响应。,RARP,同样只能用于具有广播能力的网络。,A,C,我的IP地址,是什么？,MAC:,IP = ?,我听到广播了。,这是你的IP地址,MAC =,B,RARP Server,DNS,用于将主机名转换为,IP,地址。,采用名字来标记一台主机便于记忆。,DNS服务主要基于,UDP,来实现，端口号,=53,。,三个组成部分：域名空间、名字服务器、解析程序,域名空间：分布式的、层次型（分级）的树形结构，根没有名字，顶层域由组织域（如,org,、,com,、,edu,）,和国家域（如,cn,）,构成。在往下分还可分为若干层,子域,，如下页图。通常用点来分隔域的层次，如,域名服务,DNS,根,INT,CN,MIL,NET,COM,JP,IBM,intel,eng,www,jack,edu,net,sxtu,www,ftp,山西师大的Web服务器：,DNS,名字服务器,：存放域树结构和主机信息的数据库。为减小查询流量负载，提高可靠性，,DNS,名字空间被划分成若干不交叉的区域（,Zone,），,分别存放在该区域的,DNS,服务器中。,解析程序,：从名字服务器中提取信息把主机域名翻译成,IP,地址。,解析过程为,：首先从本地,Hosts,文件查找。没找到就向本地,DNS,名字服务器发出请求；若本地,DNS,服务器也找不到，它就把请求发给负责该域的顶层域名字服务器，然后由顶层域名字服务器把请求传递给相应子域的名字服务器。最后由该名字服务器把域名对应的,IP,地址按相反的路径传递给发出请求的站点。,域名服务,DNS,例如：,想要知道的IP地址，则查询过程如下：,edu-,原始服务器,eng，ibm,服务器,edu服务器,sxtu，edu,服务器,cn服务器,星形,有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接,中心节点可以是智能设备，也可以是非智能设备,树形,一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成,总线,所有节点挂接到一条总线上,广播发送,需要有介质访问控制规程以防止冲突,环形,所有节点连接成一个闭合的环,结点之间为点到点连接,不规则,点到点部分连接,多用于广域网,全连接,点到点全连接,随节点数的增长，建造成本急剧增长，所以只适用于节点数很少的广域网中,1.2.4 局域网拓扑结构,1.2.5 局域网的功能,数据通信,(Communication Medium),文件传输、,IP,电话、,email,、,视频会议、,ICQ,信息广播、交互式娱乐、音乐,资源共享,(Resource Sharing),软件、硬件、数据（数据库）,高可靠性,(High Reliability),利用可替代的资源，提供连续的高可靠服务,节省投资,(Save Money),替代昂贵的大中型机系统，,Down-sizing,分布处理,(Distribution Processing),网络管理,(Network Management),网络设备配置、安全、业务、故障分析、性能管理,1.3 局域网的工作模式,1.3.1,对等网模式,对等网络也称点对点,（,Peer-to-Peer,）,网络。在对等式网络结构中，没有专用服务器。在这种网络模式中，每一个工作站既可以是客户机也可以是服务器。有许多网络操作系统可应用于点对点网络，如微软的,Windows95/98,、,Windows 2000 Professional/XP,等。,Client/Server模式,1.3.3 Browser/Server,模式,在,Browser/Server,模式中，一般可分为：表示层（,Presentation,）、功能层（,Business Logic,）、数据层（,Data Service,）等三个相对独立的单元。,1.3.4 Browser/Application/Server,模式,微软提出的DNA,（,Windows Distributed Internet Applications Architecture,，,分布式互连网应用结构,）,概念是借助生命科学中脱氧核糖核酸（DNA,）,的寓意来诠释现代企业信息结构的真谛。,比尔盖茨称之为数字神经系统，寓示信息系统可以灵活适应外界环境因素的变化，作出相应的反应。那些能灵活适应客观环境变化、调节系统功能并可有效重用的软件单位应当像神经细胞一样充满生命的活力，而这些软件的细胞就是组件对象模型COM,（,Component Object Model,）,的各种衍生物。,1.3.4 Browser/Application/Server,模式,本章小结,局域网的概念、发展、功能与特点,局域网的体系结构的基本概念与原理,OSI,模型与,TCP/IP,模型,OSI,模型与,TCP/IP,的关系,以太网拓扑结构,局域网对等模式,Client/Server,模式,Browser/Server,模式,基于,Windows DNA,的,分布式互连网应用结构。,思考与练习,1.,关于计算机局域网的定义，一般有几种说法？,各种说法强调的特征是什么？,2.,局域网的主要特点有哪些？,3.,什么是,网络协议，网络协议有哪三要素？,4.,什么是网络体系结构，网络系统为什么要分层？,5. 画图表示TCP/IP,模型的体系结构。,6.,画图,对比OSI模型与TCP/IP模型的关系。,7. 画图表示IP地址结构，并说明各类地址的范围和缺省掩码。,8. 什么是子网？举例说明如何划分子网及确定子网掩码。,9. 局域网有几种工作模式，各种模式的特征,是什么,？,