网络互联技术第1章网络互联技术概述87.docx

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网络互联技术第1章网络互联技术概述87

第1章网络互联技术概述

网络互联技术基础

1.1.1计算机网络定义

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为基础目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合，一个计算机网络组成包括传输介质和通信设备。

从用户角度看，计算机网络是存在着一个能为用户自动管理的网络操作系统。

由它调用完成用户所调用的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样，对用户是透明的。

从整体上来说计算机网络就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。

简单来说，计算机网络就是由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。

1.1.2网络通信协议体系结构

国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）在80年代提出了开放系统互联参考模型OSI（OpenSystemInterconnection），将计算机网络通信协议分为七层，如图1-1所示。

这个模型是一个定义异构计算机连接标准的框架结构，其具有如下特点：

①网络中异构的每个节点均有相同的层次，相同层次具有相同的功能。

②同一节点内相邻层次之间通过接口通信。

③相邻层次间接口定义原语操作，由低层向高层提供服务。

④不同节点的相同层次之间的通信由该层次的协议管理，

⑤每层次完成对该层所定义的功能，修改本层次功能不影响其它层

⑥仅在最低层进行直接数据传送。

⑦协议定义的是抽象结构，并非具体实现的描述。

OSI模型各层的功能划分如下：

1）物理层：

建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特（bit）流传输。

只有该层为真实物理通信，其它各层为虚拟通信。

物理层实际上是设备之间的物理接口，物理层传输协议主要用于控制传输媒体。

2）数据链路层：

为网络层相邻实体间提供传送数据的功能和过程；提供数据流链路控制；检测和校正物理链路的差错。

物理层不考虑位流传输的结构，而数据链路层主要职责是控制相邻系统之间的物理链路，传送数据以帧为单位，规定字符编码、信息格式，约定接收和发送过程，在一帧数据开头和结尾附加特殊二进制编码作为帧界识别符，以及发送端处理接收端送回的确认帧，保证数据帧传输和接收的正确性，以及发送和接收速度的匹配，流量控制等。

3）网络层：

控制分组传送操作，即路由选择，拥塞控制、网络互联等功能，根据传输层的要求来选择服务质量，向传输层报告未恢复的差错。

网络层传输的信息以报文分组为单位，它将来自源的报文转换成包文，并经路径选择算法确定路径送往目的地。

网络层协议用于实现这种传送中涉及的中继节点路由选择、子网内的信息流量控制以及差错处理等。

4）传输层：

独立于所使用的物理网络，提供传输服务的建立、维护和连接拆除的功能；选择网络层提供的最适合的服务。

传输层接收会话层的数据，分成较小的信息单位，再送到网络层，实现两传输层间数据的无差错透明传送。

5）会话层：

提供不同系统间两个进程建立、维护和结束会话连接的功能；提供交叉会话的管理功能。

会话层是用户连接到网络的接口。

6）表示层：

为用户提供执行会话层服务原语的手段；提供描述负载数据结构的方法；管理当前所需的数据结构集和完成数据的内部与外部格式之间的转换。

例如，确定所使用的字符集、数据编码以及数据在屏幕和打印机上显示的方法等。

表示层提供了标准应用接口所需要的表示形式。

7）应用层：

作为用户访问网络的接口层，给应用进程提供了访问OSI环境的手段。

借助于应用实体（AE）、实用协议和表示服务来交换信息，应用层的作用是在实现应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务功能。

当然这些服务功能与所处理的业务有关。

现在一般在制定网络协议和标准时，都把ISO/OSI参考模型作为参照基准，并说明与该参照基准的对应关系。

例如，在IEEE802局域网LAN标准中，只定义了物理层和数据链路层，并且增强了数据链路层的功能。

在广域网WAN协议中，CCITT的X.25建议包含了物理层、数据链路层和网络层等三层协议。

一般来说，网络的低层协议决定了一个网络系统的传输特性，例如所采用的传输介质、拓扑结构及介质访问控制方法等，这些通常由硬件来实现；网络的高层协议则提供了与网络硬件结构无关的，更加完善的网络服务和应用环境，这些通常是由网络操作系统来实现的.

TCP/IP参考模型是首先由ARPANET所使用的网络体系结构。

这个体系结构在它的两个主要协议出现以后被称为TCP/IP参考模型（TCP/IPReferenceModel）。

这一网络协议共分为四层：

网络接口层、网络层、传输层和应用层，如图1-2所示。

各层的功能划分如下：

网络接口层（NetworkAccessLayer）在TCP/IP参考模型中并没有详细描述，只是指出主机必须使用某种协议与网络相连。

网络层（InternetLayer）是整个体系结构的关键部分，其功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标。

这些分组可能经由不同的网络，到达的顺序和发送的顺序也可能不同。

高层如果需要顺序收发，那么就必须自行处理对分组的排序。

互联网层使用因特网协议（IP，InternetProtocol）。

TCP/IP参考模型的互联网层和OSI参考模型的网络层在功能上非常相似。

传输层（TramsportLayer）使源端和目的端机器上的对等实体可以进行会话。

在这一层定义了两个端到端的协议：

传输控制协议（TCP，TransmissionControlProtocol）和用户数据报协议（UDP，UserDatagramProtocol）。

TCP是面向连接的协议，它提供可靠的报文传输和对上层应用的连接服务。

为此，除了基本的数据传输外，它还有可靠性保证、流量控制、多路复用、优先权和安全性控制等功能。

UDP是面向无连接的不可靠传输的协议，主要用于不需要TCP的排序和流量控制等功能的应用程序。

应用层（ApplicationLayer）包含所有的高层协议，包括：

虚拟终端协议（TELNET，TELecommunicationsNETwork）、文件传输协议（FTP，FileTransferProtocol）、电子邮件传输协议（SMTP，SimpleMailTransferProtocol）、域名服务（DNS，DomainNameService）、网上新闻传输协议（NNTP，NetNewsTransferProtocol）和超文本传送协议（HTTP，HyperTextTransferProtocol）等。

OSI模型与TCP/IP模型的关系

OSI模型与TCP/IP模型的关系

TCP/IP参考模型是因特网（Internet）的基础。

TCP/IP是一组协议的总称，TCP和IP是其中最主要的两个协议，TCP/IP体系还包含其他协议。

和OSI的7层协议比较，TCP/IP参考模型中没有会话层和表示层。

而其网络接口层的功能包括了OSI的物理层与数据链路层两层协议功能。

OSI参考模型一开始是由ISO来制定，但后来的许多标准都是ISO与原来的CCITT联合制定，更多的是从通信思想考虑模型的设计，很多选择不适合于计算机与软件的工作方式。

人们普遍希望网络标准化，但OSI参考模型过程中总是着眼于一次达到完美，所以的制定过程中考虑的方面比较多，导致OSI迟迟没有成熟的产品推出，妨碍了第三方厂家开发相应的硬件各软件，从而影响了OSI产品的市场占有率与今后的发展。

TCP/IP参考模型是因特网（Internet）的基础。

TCP/IP是一组协议的总称，TCP和IP是其中最主要的两个协议，TCP/IP体系还包含其他协议。

和OSI的7层协议比较，TCP/IP参考模型中没有会话层和表示层。

而其网络接口层的功能包括了OSI的物理层与数据链路层两层协议功能。

OSI参考模型一开始是由ISO来制定，但后来的许多标准都是ISO与原来的CCITT联合制定，更多的是从通信思想考虑模型的设计，很多选择不适合于计算机与软件的工作方式。

人们普遍希望网络标准化，但OSI参考模型过程中总是着眼于一次达到完美，所以的制定过程中考虑的方面比较多，导致OSI迟迟没有成熟的产品推出，妨碍了第三方厂家开发相应的硬件各软件，从而影响了OSI产品的市场占有率与今后的发展。

另一方面，TCP/IP协议的成功促进了Internet的发展，Internet的发展又进一步扩大了TCP/IP协议的影响。

TCP/IP不仅在学术界争取了一大批用户，同时也越来越受到计算机产业的青睐。

IBM、DEC等大公司纷纷宣布支持TCP/IP协议，局域网操作系统NetWare、LANManager争相将TCP/IP纳入自己的体系结构，数据库Oracle支持TCP/IP协议，UNIX、POSIX操作系统也一如既往地支持TCP/IP协议。

相比之下，OSI参考模型与协议显得有些势单力薄。

最终TCP/IP协议簇成为事实上行业标准的局面。

1.1.3IP地址与子网划分

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。

IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。

例：

点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

IP地址编址方案将IP地址空间划分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用，如下图所示。

A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”。

A类IP地址中网络的标识长度为8位，主机标识的长度为24位，A类网络地址数量较少，有126个网络，每个网络可以容纳主机数达1600多万台。

B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。

B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，有16384个网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。

C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。

C类IP地址中网络的标识长度为24位，主机标识的长度为8位，C类网络地址数量较多，有209万余个网络。

适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。

D类IP地址在历史上被叫做多播地址（multicastaddress），即组播地址。

在以太网中，多播地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点。

多播地址的最高位必须是“1110”，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。

需要注意的一些特殊地址：

每一个字节都为0的地址（“0.0.0.0”）对应于当前主机；

IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址；

IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。

IP地址中不能以十进制“127”作为开头，该类地址中数字127．0．0．1到127．255．255．255用于回路测试，如：

127.0.0.1可以代表本机IP地址，用“http:

//127.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器。

网络ID的第一个8位组也不能全置为“0”，全“0”表示本地网络。

传统IP地址分类的缺点是不能在网络内部使用路由，这样一来，对于比较大的网络，例如一个A类网络，会由于网络中主机数量太多而变得难以管理。

为此，引入子网掩码（NetMask），从逻辑上把一个大网络划分成一些小网络。

与二进制IP地址相同，子网掩码由1和0组成，且1和0分别连续。

子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。

这样做的目的是为了让掩码与ip地址做按位与运算时用0遮住原主机数，而不改变原网络段数字，而且很容易通过0的位数确定子网的主机数（2的主机位数次方-2，因为主机号全为1时表示该网络广播地址，全为0时表示该网络的网络号，这是两个特殊地址）。

只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作。

对于A类地址来说，默认的子网掩码是255.0.0.0；对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0.0；对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。

例如，如果要将一个B类网络166.111.0.0划分为多个C类子网来用的话，只要将其子网掩码设置为255.255.255.0即可，这样166.111.1.1和166.111.2.1就分属于不同的网络了。

如此，通过较长的子网掩码将一个网络划分为多个网络的方法就叫做划分子网（Subnetting）。

通常情况下，不要采用过大的子网掩码，每个网段的计算机数量都不要超过250台计算机。

同一网段的计算机数量越多，广播包的数量越大，有效带宽就损失得越多，网络传输效率也越低。

1.2.1按地理范围划分

1按网络覆盖的地理范围，可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。

21）局域网

3局域网（LocalAreaNetwork；LAN）通常我们常见的“LAN”就是指局域网，这是我们最常见、应用最广的一种网络。

局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。

很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。

局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。

一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。

在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内，局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。

1.2.1按地理范围划分

2）城域网

城域网（MetropolitanAreaNetwork；MAN）这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。

这种网络的连接距离可以在10-100公里，它采用的是IEEE802.6标准。

MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。

在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。

如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。

由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互联成为可能。

城域网多采用ATM技术做骨干网。

ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。

ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。

ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。

ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。

ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。

3）广域网

广域网（WideAreaNetwork；WAN）也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。

因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构。

这种城域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9.6Kbps-45Mbps。

1.2.2按拓扑结构划分

网络拓扑结构是指抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，按照网络电缆构成的几何形状，从逻辑上表示出网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接。

网络拓扑结构按形状可分为：

星型、环型、总线型、树型及总线/星型及网状拓扑结构。

1）星型拓扑结构

星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点与点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也较重。

以星型拓扑结构组网，其中任何两个站点要进行通信都要经过中央结点控制。

中央结点主要功能有：

为需要通信的设备建立物理连接；为两台设备通信过程中维持这一通路；在完成通信或不成功时,拆除通道。

在文件服务器/工作站（FileServers/Workstation）局域网模式中，中心点为文件服务器，存放共享资源。

由于这种拓扑结构，中心点与多台工作站相连,为便于集中连线，目前多采用集线器（HUB）。

星型拓扑结构优点：

网络结构简单,便于管理、集中控制,组网容易，网络延迟时间短，误码率低。

缺点：

网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。

2）环型拓扑结构

环型网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。

请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。

环形网中的数据可以是单向也可是双向传输。

由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。

环型网的优点：

信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制；某个结点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。

缺点：

由于信息是串行穿过多个结点环路接口，当结点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长；由于环路封闭故扩充不方便。

3）总线拓扑结构

用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工站连接起来的布局方式，称为总线形拓扑。

在总线结构中，所有网上终端都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个结点所接收。

由于其信息向四周传播，类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络。

总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。

总线布局的特点：

结构简单灵活，非常便于扩充；可靠性高，网络响应速度快；设备量少、价格低、安装使用方便；共享资源能力强，非常便于广播式工作，即一个结点发送所有结点都可接收。

在总线两端连接的器件称为端结器（末端阻抗匹配器、或终止器）。

主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。

总线形网络结构是目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。

4）树型拓扑结构

树型结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，树形网是一种分层网，其结构可以对称，联系固定，具有一定容错能力，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作，任何一个结点送出的信息都可以传遍整个传输介质，也是广播式网络。

一般树形网上的链路相对具有一定的专用性，无须对原网做任何改动就可以扩充工作站。

5）总线/星型拓扑结构

用一条或多条总线把多组设备连接起来，相连的每组设备呈星型分布。

采用这种拓扑结构，用户很容易配置和重新配置网络设备。

总线采用同轴电缆，星型配置可采用双绞线。

6）网状拓扑结构

将多个子网或多个局域网连接起来构成网际拓扑结构。

在一个子网中,集线器、中继器将多个设备连接起来，而桥接器、路由器及网关则将子网连接起来。

根据组网硬件不同,主要有三种网际拓扑：

网状网：

在一个大的区域内，用无线电通信连路连接一个大型网络时，网状网是最好的拓扑结构。

通过路由器与路由器相连，可让网络选择一条最快的路径传送数据。

主干网：

通过桥接器与路由器把不同的子网或LAN连接起来形成单个总线或环型拓扑结构，这种网通常采用光纤做主干线。

星状相连网：

利用一些叫做超级集线器的设备将网络连接起来，由于星型结构的特点，网络中任一处的故障都可容易查找并修复。

应该指出,在实际组网中,为了符合不同的要求，拓扑结构不一定是单一的,往往都是几种结构的混用。

1.2.3按传输介质划分

网络传输介质是网络中发送方与接收方之间的物理通路，它对网络的数据通信具有一定的影响。

常用的传输介质有：

双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介。

1）双绞线

双绞线简称TP，将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，也因此把它称为双绞线。

双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP，适合于短距离通信。

非屏蔽双绞线价格便宜，传输速度偏低，抗干扰能力较差。

屏蔽双绞线抗干扰能力较好，具有更高的传输速度，但价格相对较贵。

双绞线需用RJ-45或RJ-11连接头插接。

市面上常见的UTP分为3类，4类，5类和超5类四种：

3类：

传输速率支持10Mbps，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”

4类：

网络中不常用

5类（超5类）：

传输速率支持100Mbps或10Mbps，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”

超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，受干扰程度只有普通5类线的1/4，这类以较少应用。

STP分为3类和5类两种，STP的内部与UTP相同，外包铝箔，抗干扰能力强、传输速率高但价格昂贵。

双绞线一般用于星型网的布线连接，两端安装有RJ-45头（水晶头），连接网卡与集线器，最大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500米。

国际上常用的制作双绞线的标准包括EIA/TIA568A和568B两种。

EIA/TIA568A的线序定义依次为绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；其标号依次为1到8，对应关系如下表所示。

表1-2EIA/TIA568A线序表

表1-3EIA/TIA568B线序表

100BASE-T4RJ-45对双绞线的规定如下：

1、2用于发送，3、6用于接收，4、5用于语音，7、8是双向线。

1、2线必须是双绞线对，3、6为双绞线对，4、5为双绞线对，7、8为双绞线对。

通过双绞线对设备进行连接时又需要使用使用Straight-Throughcable（直连线）或Crossovercable（交叉线）两种连接线类型。

所谓的交叉线是指：

一端是568A标准，另一端是568B标准的双绞线。

直连线则指：

两端都是568A或都是568B标准的双绞线。

当以下设备互联时，需使用直连线：

交换机或HUB与路由器连接；PC与交换机或HUB连接。

而需使用交叉线的场合：

交换机与交换机级连；HUB与交换机连接；HUB与HUB连接；两台PC网卡与网卡之间的直连；路由器接口与其它路由器接口的连接；

2）同轴电缆

同轴电缆由绕在同一轴线上的两个导体组成。

具有抗干扰能力强，连接简单等特点，信息传输速度可达每秒几百兆位，是中、高档局域网的首选传输介质。

同轴电缆的结构一般由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。

按直径的不同，