《宽带IP网络》教案北邮.docx
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《宽带IP网络》教案北邮
《宽带IP网络》教案
第1章概述
1.1宽带IP网络的概念及发展过程
1.1.1宽带IP网络的概念
1、IP网络的概念
P1
2、宽带IP网络的概念
（1）窄带IP网络的概念
P1
（2）宽带IP网络的概念*
P2
1.1.2宽带IP网络的发展过程
1、Internet发展的三个阶段
Internet的基础结构大体上经历了三个阶段的演进（是有部分重叠的）。
（1）Internet发展的第一阶段
单个的分组交换网ARPANET（1969年建立）
采用网络互连技术和TCP/IP协议
1983年，形成了Internet
（2）Internet发展的第二阶段（1986年）
由美国国家科学基金会（NSF）建立的三级结构的Internet。
P3图1-1
（3）Internet发展的第三阶段（1995年）
多级结构的Internet——Internet服务提供者（ISP）网络
P3图1-2
2、宽带IP网络的发展
随着信息技术的发展，人们对信息的需求不断提高。
初期的Internet提供文件传输、电子邮件等数据业务，如今的Internet集图像、视频、声音、文字、甚至动画等为一体，即以传输多媒体宽带业务为主，由此Internet的发展趋势便是宽带化——向宽带IP网络发展，宽带IP网络技术则应运而生。
讨论：
●各种IP网络的宽带传输技术和宽带接入技术以及高速路由器技术不断涌现和完善，为宽带IP网络的发展提供了良好的基础。
1.2宽带IP网络的组成
从宽带IP网络的工作方式上看，它可以划分为两大块：
边缘部分和核心部分。
*
P4图1-3
1.2.1IP网络的边缘部分
1、组成*
边缘部分由所有连接在IP网络上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
2、通信方式
●客户服务器方式（C/S方式）
●对等方式（P2P方式）
讨论：
●IP网边缘部分的主机可以组成局域网。
1.2.2IP网络的核心部分*
组成——核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。
作用——为边缘部分提供连通性和交换。
1、核心部分的网络
核心部分的网络根据覆盖范围可分为广域网（WAN）和城域网（MAN）。
广域网（WAN）——在广域网内，通信的传输装置和媒介由电信部门提供，其作用范围通常为几十到几千公里。
城域网（MAN）——其作用范围在广域网和局域网之间（一般是一个城市），作用距离为5∽50km。
核心部分的网络根据采用的通信方式不同包括分组交换网、帧中继网、ATM网等。
2、核心部分的路由器
路由器是IP网络中实现网络互连的关键构件，其任务是根据某种路由选择算法进行路由选择并转发收到的分组。
1.3宽带IP网络的特点
P10
1.4宽带IP网络的QoS
1.4.1宽带IP网络的QoS性能指标
1、IP网服务质量（QoS）的概念
P11
IP网服务质量（QoS）是指IP数据包在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，它是对各种性能参数的具体描述。
2、宽带IP网络的QoS性能指标*
反映宽带IP网络的QoS性能指标主要有：
（1）带宽
（2）时延
（3）时延抖动
（4）吞吐量
（5）包丢失率
1.5宽带IP网络的关键技术及发展趋势
1.5.1宽带IP网络的关键技术
宽带IP网络的关键技术主要包括宽带传输技术、宽带接入技术和高速路由器技术。
1、宽带传输技术
目前常用的宽带传输技术主要有IPoverATM（POA）、IPoverSDH（POS）、IPoverDWDM和千兆以太网技术。
2、宽带接入技术
宽带接入技术主要有ADSL、HFC、FTTX+LAN和无线宽带接入等。
第2章宽带IP网络的体系结构
2.1TCP/IP参考模型
2.1.1TCP/IP分层模型
1、OSI参考模型
（1）OSI—RM的概念P18
（2）OSI-RM的分层结构*
P19图2-1
（3）各层功能概述
①物理层（数据传送单位——比特）
功能P19
物理层典型的协议P20
②数据链路层（数据传送单位——帧）
功能P20
数据链路层常用的协议P20
③网络层（数据传送单位——分组）
功能P20
网络层的协议——X.25分组级协议
④运输层（数据传送单位——报文）
功能P20
⑤会话层
功能P20
讨论：
●会话层及以上各层中，数据的传送单位一般都称为报文，但与运输层的报文有本质的不同。
⑥表示层
主要功能P20
⑦应用层
功能P20
（4）信息在OSI参考模型各层的传递过程
P21图2-2
（5）OSI参考模型的基本概念
①实体概念P19
讨论：
●OSI模型每一层都有相应的若干实体，每个实体完成该层功能的一部分。
●实体的表现形式：
硬件实体
软件实体
●对等实体——同一层相互交互的实体。
②（N）服务概念P19
③服务访问点概念P19*
④协议数据单元PDU
概念——第Ｎ层的数据传送单位。
组成——本层的用户数据，记为（N）用户数据；
本层的协议控制信息，记为（N）PCI。
2、TCP/IP分层模型
（1）TCP/IP分层模型
TCP/IP模型及与OSI参考模型的对应关系P22图2-3*
（2）TCP/IP模型各层功能及协议*
①应用层
作用P22
协议P22
数据传送单位是报文。
②运输层
作用P22
运输层提供了两个并列的协议：
（特点及适用场合P22）
●传输控制协议TCP
●用户数据报协议UDP
数据传送单位是TCP报文段或UDP报文（统称为报文段）。
③网络层（数据传送单位——IP数据报）
作用P22
网络层的核心协议是IP协议——特点P22
网络层的辅助协议是协助IP协议更好地完成数据报传送，主要有：
●地址转换协议ARP
●逆向地址转换协议RARP
●Internet控制报文协议ICMP
●Internet组管理协议IGMP
各辅助协议的作用P22
④网络接口层（数据传送单位——物理网络帧，简称物理帧或帧）
主要功能P23
网络接口层没有规定具体的协议。
2.2IP及辅助协议
2.2.1IP协议（IPv4）
1、IP协议的特点*
P24
2、IP地址（分类的IP地址）*
Internet为每一个上网的主机分配一个唯一的标识符，即IP地址。
（1）IP地址的结构
P24图2-5
IP地址长32bit，包括两部分：
●网络地址（网络号）——用于标识连入Internet的网络；
●主机地址（主机号）——用于标识特定网络中的主机。
（2）IP地址的表示方法
IP地址用点分十进制表示。
例题P24
讨论：
●点分十进制表示的好处P24
（3）IP地址的类别
P25图2-6
A、B、C三类地址归纳P25表2-1
几点说明：
P25
（4）子网地址和子网掩码
①划分子网和子网地址
●划分子网的目的P26
●子网编址技术的概念P26
②子网掩码
子网掩码的作用：
P26
子网掩码的长度也为32比特，与IP地址一样用点分十进制表示。
子网掩码32比特的二进制:
“1”代表网络地址和子网地址字段；“0”代表主机地址字段。
例1P26
例2：
某单位采用A类地址，子网掩码为255.248.0.0,
（1）求子网地址和主机地址各占多少位？
（2）该单位最多能容纳的主机数。
（子网号和主机号全0、全1不用）
例3：
某主机IP地址采用B类，为165.22.90.16，子网掩码为255.255.240.0，求子网地址。
3、IP数据报格式
P29图2-8
首部各字段的作用：
P29
4、IP数据报的传输
（1）在发送端
源主机在网络层将运输层送下来的报文组装成IP数据报，然后将IP数据报送到网络接口层。
在网络接口层对IP数据报进行封装，形成可以在物理网络中传输的帧，然后送到物理网络上传输。
讨论：
●每个物理网络都规定了物理帧的大小，物理网络不同，帧的大小限制也不同，物理帧的最大长度称为最大传输单元MTU。
一个物理网络的MTU由硬件决定，通常情况下是保持不变的。
（2）在网络中传输
①路由选择
每个路由器都要根据目的主机的IP地址对IP数据报进行路由选择。
②传输延迟控制
传输延迟控制的原因及方法P30
③分片*
●分片的概念P31
分片——是在MTU不同的两个网络交界处路由器中进行的
片重组——是由目的主机完成
●分片方法
每片与原始数据报具有相同的格式，每片中包括片头和部分数据报数据。
片数据≤MTU-片头，另外在求片数据大小时，注意分片必须发生在8字节的整倍数。
例题P31
偏移量是指在原始数据报中每片数据首字节与报头最后一个字节的间隔。
●分片控制
数据报报头中，与控制分片和重组有关的三个字段为标识、标志和片偏移。
各部分的作用:
P32
（3）在接收端
当所传数据流到达目的主机时，首先在网络接口层识别出物理帧，然后去掉帧头，抽出IP数据报送给网络层。
如果IP数据报在传输过程中进行了分片，目的主机要进行重组。
2.2.2Internet控制报文协议（ICMP）
1、ICMP的作用
ICMP是IP协议正常工作的辅助协议，是TCP/IP提供的用以解决差错报告与控制的主要手段。
ICMP的控制功能包括：
P32
2、ICMP报文的封装及格式
（1）ICMP报文的封装
P33图2-13
（2）ICMP报文格式
P33图2-14
ICMP报文分为报头和数据区两大部分，其中报头包含：
类型字段、代码字段和校验和字三项。
各部分的作用P33
3、ICMP报文的类型*
ICMP报文包括两种类型：
ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
P34
2.2.3ARP和RARP
1、地址转换协议ARP*
地址转换协议ARP的作用是将IP地址转换为物理地址。
2、逆向地址转换协议RARP
逆地址解析协议RARP的作用是将物理地址转换为IP地址。
2.2.4IP多播及IGMP
1、IP多播的基本概念
IP多播就是在IP网上进行一对多的通信，即由一个源点发送到许多个终点。
IP多播可以分为两种：
一种是只在本局域网上进行硬件多播，另一种是在IP网的范围进行多播。
2、Internet组管理协议IGMP
IGMP的作用——路由器为建立多播转发路由必须了解每个多播组成员在Internet中的分布，所以主机应该能将其所在的多播组通知给本地路由器。
主机与本地路由器之间使用IGMP来进行多播组成员信息的交互。
在此基础上，本地路由器再与其他多播路由器通信，传播多播组的成员信息，并建立多播路由。
2.3UDP和TCP协议
2.3.1运输层可靠传输的原理
运输层几种保证可靠传输的协议:
●停止等待协议
●连续ARQ协议——重发方式是返回重发*
●选择重发ARQ协议——重发方式是选择重发*
2.3.2协议端口
1、协议端口的概念*
P47
2、端口的作用
P47
2.3.3用户数据报协议UDP
1、UDP的特点*
P48
2、UDP报文格式
P48图2-25
UDP报文由UDP报头和UDP数据组成，其中UDP报头由4个16比特字段组成，各部分的作用：
P48
2.3.4传输控制协议TCP
1、TCP的特点*
P48
2、TCP报文段的格式
P49图2-26
TCP报文段包括两个字段：
首部字段和数据字段。
首部各字段的作用：
P49
3、TCP通信过程的三个阶段
采用TCP协议时数据通信经历连接建立、数据传送和连接释放三个阶段。
*
（1）运输连接建立
P50图2-27
（2）数据传输
①正常数据传输
P51图2-28
②数据丢失与重发——TCP处理数据丢失与重发采用的是选择重发ARQ协议。
*
P52图2-29
几个要点：
P52
（3）运输连接释放
4、TCP的流量控制
TCP协议中，数据的流量控制是由接收端进行的，即由接收端决定接收多少数据，发送端据此调整传输速率。
接收端实现控制流量的方法是采用“滑动窗口”，在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。
滑动窗口一般原理：
发送窗口的尺寸
代表在还没有收到对方确认的条件下，发送端最多可以发送的报文段个数。
*
TCP采用滑动窗口进行流量控制，窗口大小的单位是字节，道理与滑动窗口一般原理是一样的。
为了便于理解，我们在分析时往往将以字节为单位的窗口值等效成报文段个数。
TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。
在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值（可增大或减小），这样使传输高效且灵活。
P53图2-30
5、TCP的拥塞控制
（1）拥塞控制与流量控制的区别P54*
（2）拥塞控制的原理P54
第3章局域网技术
3.1局域网概述
3.1.1局域网的定义及特征
1、局域网的定义
P71
2、局城网的特征
P72
3.1.2局域网的组成
局域网的组成包括硬件和软件两部分。
1、硬件
局域网的硬件由三部分组成：
（1）传输介质
（2）工作站和服务器
（3）工作站和服务器与局域网相连的接口（通信接口）。
2、软件
为了使网络正常工作，除了网络硬件外，还必须有相应的网络协议和各种网络应用软件，构成完整的网络系统。
3.1.3局域网的分类*
1、按传输媒介分类
●有线局域网——是使用双绞线、同轴电缆和光纤等有线传输媒介传输数据的局域网。
●无线局域网——是利用无线电波或红外线等传输数据的局域网。
2、按用途、速率分类
●常规局域网LAN——它的传输速率相对较低，一般为1∽20Mbit/s。
●高速局域网HSLN——其传输速率大于等于100Mbit/s。
3、按是否共享带宽分类
●共享式局域网——各站点共享传输媒介的带宽。
●交换式局域网——各站点独享传输媒介的带宽。
4、按拓扑结构分类
如果按拓扑结构的不同进行分类，局域网有：
星形网、总线形网、环形网、树形网等，
其中用得比较多的是星形、总线形和环形。
3.1.4局域网标准
1、局域网参考模型
P74图3-4
（1）物理层*
主要功能：
P75
（2）数据链路层*
局域网的数据链路层划分为两个子层，即：
介质访问控制或媒体接入控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。
功能P75
讨论：
●不同类型的局域网，其LLC子层协议都是相同的。
（3）服务访问点SAP
在LLC子层的顶部有多个服务访问点LSAP；
MAC子层的顶部只有一个服务访问点MSAP；
物理层的顶部分别只有一个服务访问点PSAP。
（4）协议数据单元PDU
P76图3-6
2、IEEE802标准*
P76
3.2传统以太网
3.2.1以太网的概念
传统以太网典型的特征：
P77
3.2.2CSMA／CD技术
1、CSMA／CD控制方法
归纳起来CSMA／CD的控制方法为：
P78*
2、争用期
概念P78
3、数据帧的最短帧长
因为发送数据的站最长经过争用期这段时间即可检测到碰撞，所以合法数据帧的最短帧长则应是争用期时间2τ内所发送的比特（或字节）数。
例题P79
4、CSMA/CD总线网的特点
P79
3.2.3以太网的MAC子层协议
1、以太网的MAC子层功能
以太网的MAC子层的主要功能：
P80
2、MAC地址（硬件地址）*
IEEE802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，即MAC地址（MAC帧的地址），它是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址，所以也叫硬件地址或物理地址。
MAC地址的前3个字节由IEEE的注册管理委员会RAC负责分配，凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE的RAC购买由这三个字节构成的一个号（即地址块）这个号的正式名称是机构唯一标识符OUI。
地址字段的后3个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符。
3、MAC帧格式
以太网的两个标准
●IEEE802.3标准
●DIXEthernetV2——没有LLC子层（TCP/IP体系经常使用）
以太网MAC帧格式有两种标准：
IEEE的802.3标准和DIXEthernetV2标准。
3.2.4几种传统以太网
1、10BASE5（粗缆以太网）
10BASE5的名字的含义为：
信号传输速率10Mbit／s（10），基带传输（BASE），一个网段上的最大长度为500m（5）。
P84图3-13
组成及作用P84
讨论：
●10BASE5任意两个站之间最多可以有5个同轴电缆段，即可以最多有4个中继器。
可见10BASE5允许的最大网络直径为
。
2、10BASE2（细缆以太网）
10BASE2与10BASE5的区别P85
3、10BASE-T（双绞线以太网）*
10BASE-T的标准IEEE802.3i。
（1）10BASE-T以太网的拓扑结构
P86图3-15
讨论：
●集线器一般集线器（所连局域网为共享式以太网）
交换集线器（具有交换功能，所连局域网为交换式以太网）
●图中的集线器为一般集线器（简称集线器）功能P86
●采用一般集线器连接的以太网物理上是星形拓扑结构，但从逻辑上看是一个总线形网，各工作站仍然竞争使用总线。
所以这种局域网仍然是共享式网络，它也采用CSMA/CD规则竞争发送。
10BASE-T以太网的几点说明：
P87
（2）10BASE-T以太网的组成P87
4、10BASE-F（光缆以太网）
光缆以太网采用单模或多模光缆作为传输介质，也是星型拓扑结构，最大网段长度根据不同的情况可以是500m，1000m或2000m。
每个集线器所连的站点理论上最多也为30个，且最多允许使用4个中继器。
3.3扩展的以太网
3.3.1在物理层扩展以太网
在物理层扩展以太网，可以使用转发器和集线器。
1、使用转发器扩展以太网
转发器（即中继器）工作在物理层，利用转发器连接网段是在物理层扩展以太网。
2、使用集线器扩展以太网
集线器也工作在物理层。
P88图3-18
3.3.2在数据链路层扩展以太网
在数据链路层扩展以太网使用网桥。
1、网桥的工作原理
网桥有2-4个端口，其工作原理示意图:
P89图3-19
网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
网桥具有过滤帧的功能。
当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。
2、使用网桥扩展局域网的优缺点
（1）优点P89
（2）缺点P90
3、网桥的类型
网桥有两种类型：
透明网桥和源站选路网桥，它们分别遵循IEEE802．1和IEEE802．5标准。
3.4高速以太网概念*
3.4.1100BASE-T快速以太网
1、100BASE-T的特点
P92
2、100BASE-T的标准
100BASE-T快速以太网的标准为IEEE802．3u，是现有以太网IEEE802．3标准的扩展。
*
●MAC子层——100BASE-T快速以太网的MAC子层标准与802．3的MAC子层标准相同。
所以，100BASE-T的帧格式、帧携带的数据量、介质访问控制机制、差错控制方式及信息管理等，均与10BASE-T的相同。
●物理层标准——IEEE802．3u规定了100BASE-T的四种物理层标准：
100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4和100BASE-T2。
3、100BASE-T快速以太网的组成
P94
讨论：
●由于在100BASE-T中，网络信号速度已加快10倍，最多只能由2个快速以太网中继器级联在一起。
3.4.2千兆位以太网
千兆位以太网的标准——IEEE802．3z标准。
*
1、千兆位以太网的要点
P94
2、千兆位以太网的物理层标准
千兆位以太网的物理层标准：
P95
3.4.310Gbit/s以太网
10Gbit/s以太网的标准——802.3ae标准。
*
1、10Gbit/s以太网的特点
P95
2、10Gbit/s以太网的物理层标准
10吉比特以太网的物理层标准包括局域网物理层标准和广域网物理层标准。
P96
3.5交换式局域网
3.5.1交换式局域网的基本概念
1、交换式局域网的概念
交换式局域网所有站点都连接到一个局域网交换机上。
P96图3-22
局域网交换机具有交换功能，其特点：
P97
交换式局域网无论是从物理上，还是逻辑上都是星形拓扑结构，多台局域网交换机可以串接，连成多级星形结构。
如果局域网交换机和用户连接的带宽为M，用户数为N，则网络总的可用带宽*
2、交换式局域网的功能
P97
3.5.2局域网交换机的基本原理
1、局域网交换机的分类*
P98
2、二层交换技术
二层交换的原理P100
3、三层交换技术
三层交换的原理P103
3.5.3全双工局域网
1、全双工局域网的概念
P105
讨论：
●交换技术是实现全双工局域网的必要前提。
●交换式局域网并不自动就是全双工操作，只有在交换机中设置了全双工端口以及做一些相应的改进，交换式局域网才是全双工局域网。
2、全双工局域网的优点
P105
3.6虚拟局域网（VLAN）
3.6.1VLAN的概念*
VLAN并没有严格的定义，它的大致概念：
P108
讨论：
●交换式局域网的发展是VLAN产生的基础。
●VLAN与子网的区别：
●子网是按物理位置划分的。
●VLAN是逻辑上划分的，一个VLAN中的设备可以位于交换区块中的任何地方。
3.6.2划分VLAN的好处
1、VLAN的技术特点
P108
2、划分VLAN的好处*
P108
3.6.3划分VLAN的方法*
1、根据端口划分VLAN
（1）单交换机端口定义VLANP109图3-34
（2）多交换机端口定义VLANP109图3-35
2、根据MAC地址划分VLAN
3、根据IP地址划分VLAN
3.6.4VLAN标准
1、IEEE802．1Q
IEEE802．1Q是IEEE802委员会制定的VLAN标准。
2、Cisco公司的ISL协议
ISL（InterSwitchLink）协议是由Cisco开发的，它支持实现跨多个交换机的VLAN。
3.6.5VLAN之间的通信*
解决VLAN之间的通信主要采用路由器技术。
VLAN之间通信一般采用两种路由策略，即集中式路由和分布式路由。
1、集中式路由
集中式路由的概念P110
2、分布式路由
分布式路由的概念P110
第4章宽带IP城域网
4.1宽带IP城域网基本概念
4.1.1宽带IP城域网的概念
P128
讨论：
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