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网络基础知识与概念 Page2 31 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 Page3 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 data 暂存 查找转发表 转发到相应的端口 Page4 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 Page5 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 Page6 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 Page7 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 Page8 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 Page9 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 Page10 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 Page11 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 Page12 31 NetworkTopology Page13 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 OSI参考模型 Page15 31 计算机网络的功能 数据通信 Page16 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 Page17 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 Page18 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 Page19 31 服务元素 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 Page20 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 Page21 31 OSI协议模型 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 OpenSystemInternetwork 是开放的通信系统互联参考模型 Page22 31 邮局实例2 2 运输部门 甲地 乙地 Page23 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 Page24 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 Page25 31 OSI的七层框架2 2 Page26 31 数据的封装与解封装过程3 1 Internet Hello Page27 31 IP包头 数据的封装与解封装过程3 2 Hello 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 Hello LLC子层 MAC子层 TCP UDP头 高层数据 MAC子层 LLC子层 FCS Page28 31 IP包头 数据的封装与解封装过程3 3 Hello 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 Hello LLC子层 MAC子层 MAC子层 FCS TCP UDP头 高层数据 LLC子层 Page29 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 Page30 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 Page31 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 数据链路层与交换机 Page33 31 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 Page34 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 Page35 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 Page36 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 Page37 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 Page38 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 6c00 0d 28 be b6 42 IBM CISCO Page39 31 以太网帧格式 802 3以太网帧格式 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 大于0600H表示类型 小于0600H表示长度 Page40 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 Page41 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 Page42 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 Page43 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 Page44 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 Page45 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 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 Page46 31 交换机数据转发原理12 2 A 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 111 Page47 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 端口2 端口3 端口3 Page48 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 113 22 Page49 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 端口2 端口3 端口3 11 Page50 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 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 Page51 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 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 Page52 31 交换机数据转发原理12 8 B 113 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3 442 Page53 31 交换机数据转发原理12 9 A 111 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 443 Page54 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 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 Page55 31 交换机数据转发原理12 11 A 111 443 222 333 113 442 223 331 交换机最终的MAC地址表 B Page56 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 Page57 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 Page58 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 Page59 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 Page60 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 Page61 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 Page62 31 交换机产品介绍 Page63 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 CiscoCatalyst2900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 Page64 31 A B C D Physical AlldevicesinthesamecollisiondomainAlldevicesinthesamebroadcastdomainDevicessharethesamebandwidth HubsOperateatPhysicallayer Page65 31 EachsegmenthasitsowncollisiondomainAllsegmentsareinthesamebroadcastdomain DataLink OR 1 2 3 1 2 SwitchesandBridgesOperateatDataLinkLayer Page66 31 ConceptofSwitches 每个岔路口都有专用车道EachsegmenthasitsowncollisiondomainBroadcastsareforwardedtoallsegments Memory Switch Page67 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Interconnectsmultipledatalinks网络层的主要设备 路由器 三层交换机等 Network IP IPX DataLink Physical EIA TIA 232v 35 Ethernet FrameRelay HDLC 802 2 802 3 NetworkLayerFunctions Page68 31 Routers OperateattheNetworkLayer BroadcastcontrolMulticastcontrolOptimalpathdeterminationTrafficmanagementLogicaladdressingConnectstoWANservices Page69 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 TransportLayerFunctions Page70 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 Page71 31 连接与无连接 可靠与不可靠 2