案例精解企业级网络构建.docx
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案例精解企业级网络构建
案例精解企业级网络构建
第1章网络基础知识博文精选
1.1.1秘书的苦恼
第1章 网络基础知识博文精选
网络技术的范围非常广泛，本章将精选出几篇通向网络世界大门的博客网志，每篇网志都非常有代表性地包含了很多网络入门的知识点。
本章从一家公司办公室发生的一系列的故事开始，介绍了计算机网络的定义，并对网络连接的基本条件进行分析。
接下来的事情更加让人发笑，由于网管员跳槽，公司安排财务人员填写一份网络设备调查表，这可难坏了他们，基建科的胖科长都来帮忙，谁也没有想到胖科长却是一位“资深专家”。
接下来的故事有点让人心酸，估计你也曾有过差2分就能及格的经历吧，我们将解决网管考试中可能遇到数学问题，把这2分补上。
最后一个故事是办公室里面的“带宽大战”，你可以参与他们的争论，激励得很。
故事讲完之后，我们认真地分析了一位网友的发言，解释了各种网络的特性及区分它们的方法。
在本章最后，重点讲解OSI参考模型和TCP/IP的重点知识，并且将介绍一个网络故障从发现到解决的完整过程。
本章学习要点
掌握计算机网络的定义，理解通信子网与资源子网的概念。
了解通信系统及网络连接的基本条件，初步掌握交换机、路由器等网络基础设备的定义。
掌握不同数制之间的换算，理解网络带宽的表达方法。
了解LAN、WAN、MAN、VPN和SAN网络的特点。
了解OSI参考模型的概念，掌握OSI各层的功能，以及层间通信的原理。
了解TCP/IP分层与OSI分层之间的对应关系。
理解ARP、IP、ICMP、IGMP数据包结构和特性。
掌握TCP工作原理和通信机制，了解UPD协议的基本内容。
知识点索引
关键词
描述
NIC
网络接口卡（NIC）：
提供计算机和网络之间通信连接的一种设备
Hub
集线器：
一种特殊的中继器，可作为多个网段的转接设备
Switch
交换机：
在通信系统中完成信息交换功能的设备
Router
路由器：
网络互连设备，为网络上的数据分组选择最佳传递路径
Firewall
防火墙：
在不同网络之间设置安全访问的控制设备
Gateway
网关：
又称网间连接器、协议转换器
Bandwidth
带宽：
在指定时间内通过某个网络连接的信息量
OSI
开放系统互连参考模型
MAC
MediaAccessControl：
每一台网络设备接口的唯一标识
PDU
ProtocolDataUnit：
协议数据单元，负责层间通信
Encapsulation
数据沿着堆栈向下传输并加入头和尾的方法称为“封装”
TCP/IP
传输控制协议/网际协议：
因特网的成功正是因为TCP/IP的应用和普及
ARP
地址解析协议：
负责将IP地址解析成LAN硬件使用的媒体访问控制地址
IP
网际协议：
它主要负责在主机之间为数据包进行寻址和路由
ICMP
Internet控制消息协议：
为数据通信中的源主机报告错误
TCP
传输控制协议：
它可以提供可靠的、面向连接的网络数据传递服务
UDP
用户数据报协议：
提供无连接的网络服务
1.1 办公室连网的故事
计算机网络是计算机技术和网络技术相结合的产物，在当今社会，无论是处理日常事务，还是进行信息传输，以及科研领域，人们都离不开计算机网络。
本节内容是发生在某公司办公室的小插曲，网络从无到有，杨经理的心里面也是有苦有甜。
1.1.1 秘书的苦恼
某建筑公司杨经理像往常一样拿着U盘走到小王（秘书）身边说：
“帮我把里面的文件送到楼上的孟总那里，他要看里面的销售合同。
”小王转身跑着上了楼，过了十分钟她又跑了回来说：
“经理，孟总说里面的合同是上个月的。
”杨经理重新复制了最新的销售合同，就这样，小王每天都在楼上楼下运动着，这样有一个好处，就是保持了很好的身材。
每天，楼下的餐厅都和打仗差不多，排队的时候都能在这里听见很多人发牢骚，突然听到小王气愤地说：
“我就纳闷了，公司干吗还不连网呀？
”
网络是不是可以解决小王的苦恼呢？
答案当然是肯定的，那么什么是计算机网络呢？
计算机通信网络是计算机技术和通信技术相结合而形成的一种通信方式，主要是满足数据通信的需要。
它将不同地理位置、具有独立功能的多台计算机、终端及附属设备用通信链路连接起来，并配备相应的网络软件，以实现通信过程中资源共享而形成的通信系统。
因此，计算机网络需要两个或两个以上的单机系统共享某些事物（数据），单机系统必须通过传输线路（传输介质）相连才能形成网络，如图1-1所示。
在通信的时候，为了使发送方和接收方都能理解彼此的数据，双方（包括网络上所有的单机系统）必须遵循一套公共的通信规则（协议），否则会陷入迷惑状态，就好像你在给英国人读一本法语书。
图1-1 两台相互连接的计算机
1.1.2 经理的电脑坏了
在小王、小李、小张等一群“小”字辈的要求下，公司终于建成了网络。
杨经理只要每次将文件放在“共享文件夹”里，其他人都可以从“网上邻居”访问到这些文件了。
随着公司的网络发展，公司临时招聘了一位网管员，在他的努力下，公司的网络应用也逐渐开始完善，并且增加了服务器和很多连网设备。
突然有一天，杨经理的电脑坏了，是不是所有人都无法访问到这些文件了呢？
这次你猜错了，杨经理早已经成为公司里的“网络高手”了，他将所有文件都放在公司的文件服务器上了（事情的真相：
网管员要求每个人必须使用服务器存储重要文件）。
服务器是专门为用户提供网络服务的网络设备，为什么将它也称为网络设备呢？
这就需要进一步了解网络的组成部分。
计算机网络可以划分成通信子网和资源子网两部分。
各计算机之间通过通信媒体、通信设备进行数据通信，在此基础上各计算机又可以通过网络软件共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源。
从计算机网络各组成部件的功能来看，各部件主要完成两种功能，即网络通信和资源共享。
我们常把计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网，而把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。
由图1-2可以看出，计算机网络系统以通信子网为中心。
通信子网处于网络的内层，是由网络中的各种通信设备及其用做信息交换的物理介质构成，通信子网的重要任务是负责全网的信息传递。
从通信子网向外发散的是服务器和终端设备，它们都处于网络的外围，构成了资源子网。
（点击查看大图）图1-2 通信子网和资源子网
具体而言，通信子网由网卡、线缆、集线器、中继器、网桥、路由器、交换机及一些专用远程通信设备和相关软件组成。
资源子网由连网的服务器、工作站、共享的打印机和其他设备及相关软件所组成。
本书中的内容将围绕通信子网的规划设计和管理展开。
1.1.3 网管员的维修记录
就在办公室所有人都在庆祝上网成为现实的同时，公司网络管理员的维修记录却是记录得满满的，图1-3是公司2007年9月的维修登记表。
图1-3 网管员的维修记录
由于办公室的网络建设比较仓促，网络布线环境比较混乱，管理机制也不完善，网络经常会出现各种各样的问题，可真让杨总头疼，尤其是网络建设的负责人已经不在公司了，这群人消失在中关村茫茫的人海中了。
杨经理公司的网络故障归纳起来和网络连接的3个条件有关：
物理连接（PhysicalConnection）、逻辑连接（LogicalConnection）、应用程序（Application），只有这3个方面的条件都满足的时候，网络的功能才能发挥出来。
下面我们分析一下这些故障出现的原因：
1）物理连接故障
计算机是Internet的根基，没有计算机也就没有了信息的制造者和收发者。
而计算机要连接网络必须先具有一个专门的扩展卡（调制解调器或者网络接口卡“NetworkInterfaceCard,NIC”），其次是连接线路，如电话线路、网络连接线、光纤和无线等。
图1-3中的前两个故障都是属于物理故障：
网卡损坏和线路脱落。
2）逻辑连接故障
由于公司没有严格的计算机使用规定，使用人员的操作水平也比较低，随意性较大，因此，删除操作系统文件的事情常有发生。
如果删除了一些网络硬件的驱动程序或者网络协议文件计算机肯定是无法正常通信了。
那么，什么是网络协议呢？
协议：
是用来描述进程之间信息交换数据时的规则术语。
在计算机网络中，两个相互通信的实体处在不同的地理位置，其上的两个进程相互通信，需要通过交换信息来协调它们的动作达到同步，而信息的交换必须按照预先共同约定好的过程进行。
计算机网络的协议主要由语义、语法和交换规则3部分组成，即协议三要素。
语义：
规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息，执行的动作和返回的应答。
语法：
规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式。
交换规则：
规定了信息交流的次序。
3）应用程序故障
公司既没有进行上网限制，也没有安装统一的防毒系统，所以饱受网络病毒困扰；尤其针对IE（InternetExplorer）浏览器的病毒，一旦IE被病毒侵蚀，那么上网浏览信息必定不会正常。
这说明了一个问题，要访问网络，还必须在计算机中安装必要的应用程序，并保证应用程序正常运行。
程序：
简单来讲就是系统中一套有序动作的系列指令，它完成网络之间数据的解释和转换功能，这些功能是使计算机正常接收或发送通信数据。
如Web浏览器和网络下载工具等都是应用程序。
1.2.1财务人员的困惑
1.2 填写网络设备调查表引发的趣事
直接连接到网络的器件也称为设备（Device），这些设备分为两类：
终端设备和网络设备。
终端用户设备包括计算机、打印机、扫描仪和其他直接为用户提供服务的设备，也称主机（Host）或工作站；而网络设备是指把终端用户连接起来使他们能够通信的所有设备，如网卡、中继器、网桥、交换机、路由器和防火墙等。
这些网络中的专用术语，对于一个有经验的网管员来说没有什么，但对于一些刚学习网络的人来说却是一头雾水，这次倒霉的人轮到了公司的财务部。
1.2.1 财务人员的困惑
杨经理的公司是事业单位，有在事业单位或政府机关工作经历的人都知道，一般年初和年底有个习惯，每次都要填无数的表格。
这些表格主要调查各单位的网络建设情况，网络使用情况等，比如：
局域网建设、因特网接入、网站建设、办公自动化，以及网络设备的数量等情况，表格的最后一般是问题与建议。
图1-4显示了这种网络调查表中网络设备部分的摘要信息。
（点击查看大图）图1-4 网络调查表
杨经理公司的网络建立没有多久，就接到了这样的通知：
要求填报单位的真实情况。
通知中一段话引起了所有领导们的重视：
“本调查表将作为全区科技基础条件平台建设和网络科技环境工程建设的重要依据，请各单位按调查表所列内容认真选择、填报，此表将作为今后设备下拨的主要依据。
”
重视是重视了，可填这个表格的难度确实不小，最主要的一个问题是：
由于网管员在混乱的网络故障压力下不堪重负，跳槽走人了。
公司开了个会，大家觉得除了网管员之外，熟悉这些名称就是当初和网管一起采购的财务部门，因此决定由财务部负责完成此项工作。
1.2.2 解读表格填写内容
这次网络调查表填写的事情，落到财务部门不是意外，而是财务部门的人逞强所造成的，在没见到表格内容就在会议上说“网卡”什么的，这肯定成为领导关注的对象了。
当真的看到表格之后，可难坏了他们，什么“交换机、路由器、防火墙”等一堆专业术语后面应该填什么呀？
如果财务部门的同事和你一起看完下面的内容，估计也能正确填入这些信息了。
1．不用填表的设备
1）网络接口卡
财务部对网卡很熟悉，因为他们的计算机网卡就曾经坏过，而且也见过网管员拆过网卡。
当然，另外一个熟悉的词是“网线”。
但对于一般的调查表来说，“网卡”可能是各种调查表中唯一不用填写的网络设备了。
网卡的全称是：
网络接口卡（NIC），如图1-5所示，它是提供计算机和网络之间通信连接的一种设备。
图1-5 网络接口卡
NIC在物理层（第一层）和数据链路层（第二层）规范的支持下执行其功能。
NIC中基本定义了电缆物理连接方法和利用比特流传输网络数据帧的方法。
此外还定义了提供网络数据传输定时的控制信号。
最常见的数据链路层协议有以太网CSMA/CD和令牌环（TokenRing）等。
2）中继器
中继器（Repeater）在现在的调查表中几乎是看不到了，不过翻阅很早以前的调查表，还真的能够发现它的身影。
中继器工作于OSI的物理层，是局域网上所有节点的中心，它的作用是：
放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。
中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。
中继器是最简单的网络互连设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。
由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器就是为了解决这一问题而设计的。
它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。
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。
从理论上讲，中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。
但在事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。
如以太网常常利用中继器扩展总线的电缆长度，标准细缆以太网的每段长度最长185m，最多可有5段，但是增加中继器后，最长网络电缆长度可提高到925m。
2．有可能填表的设备
1）集线器
集线器（Hub）是一种特殊的中继器，可作为多个网段的转接设备，因为几个集线器可以级联起来。
智能集线器，还可将网络管理、路径选择等网络功能集成于其中，不过在最新的调查表中，Hub应该被“交换机”这个词替代了。
“集线器”一词来自英文Hub，本意是中枢或多路交汇点。
它对工作站进行集中管理，不让出问题的区段影响整个网络的正常运行。
Hub是局域网中应用最广的连接设备，目前若按配置形式可分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器3种。
市场上常见到的是10Mbps、100Mbps或用于千兆以太网的1000Mbps速率集线器。
集线器的连接应考虑所使用的网络传输介质，一般集线器应具有：
BNC和RJ-45两个接口，或BNC、RJ-45和AUI3个接口。
集线器接口数通常有：
8口、12口、16口或者具有更多的端口，如图1-6所示。
2）网桥
网桥工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连接起来，根据MAC地址（网桥维护MAC地址表，称为网桥表）来转发帧，可以看做一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址，如IP地址进行转发），如图1-7所示。
图1-7 网桥
网桥的实际外观产品也很像集线器，如图1-8所示的低成本的交换式以太网桥。
这是一种高性能、自学习式远程以太网桥。
它体积小、成本低，很适宜对成本敏感的桥接应用，或作为比特流基础结构上的局域网延伸器或分段器。
设备能不间断地学习与其相连的局域网上的MAC地址，并根据数据帧的目的MAC地址来决定是否能发还是过滤。
图1-8 HN-10交换式以太网桥
3．必填设备
1）交换机
交换机（Switch）是集线器的升级换代产品。
如图1-9可以看出来，从外观上对比，它与集线器基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方形盒状体。
交换机是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。
广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。
交换机完全克服了集线器的上述种种不足之处，所以在短时间内得到业界广泛的认可和应用。
目前最快的以太网交换机端口带宽可达到10Gbps，千兆（G位）级的交换机在各企业骨干网络中早已得到广泛应用。
（点击查看大图）图1-9 交换机
交换机提供了桥接能力，以及在现存网络上增加带宽的功能。
用于LAN上的交换机与网桥相似，因为它们都运作在数据链路层的MAC子层上，检验着所有进入的网络流量的设备地址。
与网桥还有一点相似，交换机保持一张有关地址的信息表，并利用该信息来决定如何过滤并转发LAN流量。
而与网桥不同，交换机则采用交换技术来增加数据的输入/输出总和安装介质的带宽。
新的使用存储转发交换技术的交换机（有时称为路由交换机），由于组合了路由和交换技术，因此可以在网络层（第三层）上操作，以建立到达目标的最快的路径。
组合了路由功能的交换机的优点之一是在网络流量分段方面具有更大的灵活性，从而可以避免在以太网应用中的广播风暴。
可管理的交换机大多数可以实施虚拟局域网（VirtualLAN，VLAN）技术。
VLAN是一种基于软件将网络逻辑地划分为子网的方法，这些逻辑的子网相当独立于真实的物理网络拓扑结构。
关于路由交换机是否真如公认的那样是严格的第二层设备，在网络互连专家中还存在一些争议。
根据20世纪80年代发展的交换机的定义，第三层的交换机实际上是路由器，这个路由器采用交换技术来发送包，速度要高于传统的路由器。
2）路由器
路由器（Router）是网络互连设备，属于第三层设备，如图1-10所示。
（点击查看大图）图1-10 路由器
路由器能做出决定为网络上的数据分组选择最佳传递路径。
简单地讲，路由器主要有以下几种功能。
网络互连：
路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于局域网互连和广域网，实现不同网络互相通信。
数据处理：
提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能。
网络管理：
路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。
路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址（即IP地址）来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。
路由器不转发广播消息，而把广播消息抑制在各自的网络内部。
发送到其他网络的数据先被送到路由器，再由路由器转发出去。
在后续章节中会更详细地介绍路由器和第三层协议的功能。
3）网关
网关（Gateway）又称为网间连接器，或者说协议转换器。
网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。
网关的结构也和路由器类似，不同的是网关主要用于广域网互连。
在早期的因特网中，网关即指路由器，是网络中超越本地网络的标记。
公共的基于IP的广域网的出现和成熟促进了路由器的成长，现在路由器变成了多功能的网络设备，失去了原有的网关概念，然而作为网关仍然沿用了下来，它不断地应用到多种不同的服务功能中。
目前主要有3种类型的网关：
协议网关、应用网关和安全网关。
4）防火墙
财务部的所有人正在聚精会神地研究调查表的各个陌生的名词，这时候基建科的胖科长凑来，一眼就看见了“防火墙”这个词，自豪地说：
“这个我可熟悉的很。
”为什么基建科科长会熟悉防火墙呢？
“防火墙”一词来自建筑结构里的安全技术。
在楼宇里用来起分隔作用的墙，用来隔离不同的公司或房间，尽可能地起防火作用。
一旦某个单元起火，这种方法会保护其他的居住者。
然而，多数防火墙里都有一个重要的门，允许人们进入或离开大楼。
因此，防火墙保护了人们的安全，也在提供增强安全性的同时允许必要的访问。
网络中的防火墙（Firewall）是指设置在不同网络（如可信任的企业内部网和不可信的公共网）或网络安全域之间的一系列部件的组合。
它是不同网络或网络安全域之间信息的唯一出入口，能根据企业的安全政策控制（允许、拒绝、监测）出入网络的信息流，且本身具有较强的抗攻击能力。
它是提供信息安全服务，实现网络和信息安全的基础设施。
防火墙技术可根据防范的方式和侧重点的不同而分为很多种类型，但总体来讲可分为两大类：
包过滤（分组过滤）和应用代理。
网络安全中系统安全产品使用最广泛的技术就是防火墙技术，即在Internet和内部网络之间设一个防火墙。
目前在全球连入Internet的计算机中约有三分之一是处于防火墙保护之下。
1.3 网络工程师考试中的数学题
纯粹的数学也叫基础数学，专门研究数学本身的内部规律。
学校课本里介绍的代数、几何、微积分、概率论知识，都属于纯粹数学。
纯粹数学的一个显著特点就是暂时撇开具体内容，以纯粹形式研究事物的数量关系和空间形式。
网络中遇到的数学却是实实在在解决具体问题的算法。
1.3.1 糟糕的考试
我国的网络工程师考试一年考两次，5月份和11月份各一次，我们单位的小李（网管员）在上半年的考试中没有顺利通过。
这位老兄只差2分就通过考试了，我能理解他收到成绩单时郁闷的心情。
在聊天时，他回忆“计算机科学基础”部分中的很多数制计算题都拿不准，好像其中一道题就是让写出168的二进制数是多少？
没有想到这么基础的知识他却没有通过，看来需要补补课了。
其实数制计算题并不难，我找出很早以前的复习笔记交给了他，希望能对他在下半年的考试复习中有所帮助。
1.3.2 考试复习笔记
数据制式就是数据的进位计数原则，也是人们利用符号来计数的科学方法，又称为进位计数制，简称“数制”或“进制”。
简单地说，数制就是用一组固定的数码和一套统一的规则来表示数值的方法。
我们最熟悉的应该是十进制数进行计数，其实在现实生活中也使用其他进制，如用六十进制计时，用十二进制作为月到年的进制等。
在计算机通信中，最常用到的就是二进制数，有时需要在不同制式中相互转换，如在配置注册表、计算机IP地址、子网掩码、IPv6、路由器寄存器地址等，所以数据制式的转换就成为了网络管理员所必须掌握的一项基本功。
第1课：
数制的表示
复习笔记中的第1课数制表示，常用的数制包括如下几个：
1）二进制
计算机利用电子开关（On或Off）来对数据进行操作和存储。
在计算机系统中采用的是二进制数，只有“0”和“1”两个数，其主要原因是便于进行电路设计，使数据运算更简单，可靠性更强。
二进制的数即基数为2。
二进制的特点为：
逢二进一，借一当二。
一个二进制数各位的权是以2为底的幂。
例如：
二进制数1101表示十进制数13
（1101）2=1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+0+1=13
2）十进制
十进制数是人们最熟悉的一种进位计数制，它由0、1、2…、8、9共10个数码组成，即基数为10。
十进制的特点为：
逢十进一，借一当十。
一个十进制数各位的权是以10为底的幂。
3）八进制
由0、1、2、3、4、5、6、7共8个数码组成，即基数为8。
八进制的特点为：
逢八进一，借一当八。
4）十六进制
由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F16个数码组成，即基数为16。
十六进制的特点为：
逢十六进一，借一当十六。
表1-1中是四位二进制数与其他数制的对应关系。
表1-1 二进制与其他数制的对应
二进制
十进制
八进制
十六进制
0000
0
0
0
0001
1
1
1
0010
2
2
2
0011
3
3
3
0100
4
4
4
续表
二进制
十进制
八进制
十六进制
0101
5
5
5
0110
6
6
6
0111
7
7
7
1000
8
10
8
1001
9
11
9
1010
10
12
A
1011
11
13
B
1100
12
14
C
1101
13
15
D
1110
14
16
E
1111
15
17
F
第2课：
数制转换与运算
复习笔记中的第2课数制转换与运算。
需要掌握数制间的转换有：
二→十进制、八→十进制、十六→十进制、二→八→十六进制的转换。
至于数制之间的运算，很多时
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