网络和路由交换基础.docx

1、网络和路由交换基础网络和路由交换基础第1章网络技术基础 了解网络的发展 掌握网络术语和常见的网络设备 掌握OSI 七层参考模型 掌握TCP/IP 协议模型 理解数据封装和解封装的过程 一、计算机网络的产生和发展 第一代计算机网络的诞生 1946年产生第一台数字计算机 ENIAC 1954年收发器终端的产生，相当于显示器键盘鼠标等输入输出设备 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1954年，出现了收发器终端，人们使用这种终端实现了将穿孔卡片上的数据通过电话线路发送到远地的计算机的操作。此后，电传打字机也作为远程终端和计算机相连，用户可以在远程电传打字机上输入自己的程

2、序，而计算机计算出来的结果也可以传送到远程电传打字机上并打印出来，计算机网络的原型诞生。随着远程终端数量的增加，出现了多重线路控制器。它可以与多个远程终端相连接，构成面向终端的计算机通信网。第一代计算机网络形成。在这时，计算机是网络的控制中心，终端围绕着中心分布在各处，而计算机的主要任务是进行批处理，终端与计算机之间通过公用电话网进行通信。第一代计算机网络的缺点：单机系统的可靠性低，计算机发生故障，导致整个网络系统瘫痪。为提高可靠性和可用性，人们开始研究将多台计算机相互连接。在异地计算机之间建立物理通路时呼叫过程太漫长，于是提出存储转发的概念。 第二代计算机网络的诞生 1964年，Baran提

3、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 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参考模型出现二、网 络 拓 扑 线缆连接计算机和网络设备的布局 点对点 总线型 环型 星型及扩展的星型 网状1、点对点拓扑结构 两台设备之间有一条单独的连接 专用的广域网中电路连接的两台路由器2、总线型拓扑结构 一根线

4、缆连接所有的设备 广播式通讯方式，任何一个节点发送数据，其他节点均可以收到，根据目的地址是否是自己决定是否接收数据 建设组网成本较低 每个网段的两端都要安装终端电阻器 适合较小的网络，一般小于20台主机 网络的稳定性差，任何一个节点出现故障将会导致整个网络的瘫痪 主要用于10Mbit/s的共享网络 主线缆必须以终结器结束，吸收末端信号 早期局域网拓扑 使用铜轴线缆像一条公交线路穿过一个城市。3、环型拓扑结构 单环 所有设备共享一条线缆，数据沿一个方向传输，每个工作站相当于中继器，如果数据是发给自己则接收，如果不是，则恢复原有信号的强度，并继续向下传输，缺点：在环路中增加用户比较困难，且网络可靠

5、性差，不易管理，因此环形网络在中小型局域网中很少使用 IBM的令牌环网络 双环 数据可以双向传输 具有容错性 FDDI（光纤分布式数据接口），最早用于校园网络，属于已经淘汰的技术，在局域网中已经很少见到单环结构中，每台设备必须等待直到轮到它发送数据的时候，才可以发送数据。双环结构中，当其中一个环出现故障后，数据依然能够在别一个环中传输。如果两个环都出现故障，则故障点的“旁路系统”能自动使双环愈合成单环。令牌环和FDDI逐渐变以太星型和扩展星型网络所取代。4、星型及扩展的星型拓扑结构 有一个中心汇集点，所有的线缆在此汇集 网络中的每台主机都通过线缆连接中心点每台设备通过独立的线缆接入中心设备，所

6、以当该线缆出问题时，只会影响到该主机而网络中其余主机依然可以正常地工作。如果中心连接点出现故障，则整个网络都无法连通。5、网状拓扑结构 全网状 任何节点与其他所有节点相连 提供冗余性和容错性 用于广域网中路由器之间互连 部分网状 至少有一个节点与其他所有节点相连 用于通信骨干网阶 段 总 结 线缆连接计算机和网络设备的布局 点对点 总线型 环型 星型及扩展的星型 网状三、网络类型 局域网（Local-Area Network） 由计算机、外围设备、网络介质以及网络通信控制设备组成的本地通信环境 广域网（Wide-Area Network）LAN：在一个相对小的区域内的高速、低误码率的数据网络。

7、使得企业可以利用计算机技术有效地共享本地的文件和打印机进行内部通信。可以实现：在有限的地理范围内运作；允许多个用户同时接入高带宽介质；提供全时的本地服务的连接；互连物理上相信的设备。常用LAN技术：以太网、令牌环、光纤分布式数据接口。WAN：一种数据传输网络，它在广阔的地理范围内为用户提供服务，它通常使用公众通信公司提供的传输设备。可以实现：在很大的、地理上分隔的区域之间动作；允许用户之间进行实时的通信；提供远程资源与本地服务器的24小时连接；提供E-MAIL、WWW、FTP和电子商务等服务。常用WAN技术：调制解调器、综合业务数字网、数字用户线路、帧中继、TE传输系列、同步光纤网。1、带宽

8、在一定时间内通过某一网络连接的信息量 基本单位：比特每秒（ bit/s）带宽单位缩写等价换算比特每秒bit/s1bit/s = 带宽基本单位千比特每秒kbit/s1kbit/s = 1000bit/s = 103bit/s兆比特每秒Mbit/s1Mbit/s = 106bit/s吉比特每秒Gbit/s1Gbit/s= 109bit/s带宽就像水管的粗细、像高速公路的车道数。2、网络设备 设备 终端用户设备 网络设备终端用户设备：计算机、打印机、扫描仪和其他直接为用户提供服务的设备。网络设备：把终端用户连接起来使他们能进行通信的所有设备。为用户提供网络连接的终端用户设备为称为主机（HOST），通

9、过一个网络接口卡（NIC）与网络介质进行物理连接。每块网络接口卡都有一个MAC地址的惟一代码。网络设备为需要量在终端用户之间传输的数据提供传输服务，它们扩展线缆连接，汇集连接，转换数据格式以及管理数据传送。2.1中继器（repeater） 第1层（物理层）设备 （放大信号）对网络信号进行再生，延长传输距离 只有一个输入端口和一个输出端口当数据离开源在网络上传送时，它是转换为能够沿着网络介质传输的电脉冲或光脉冲（称之为信号）。当信号离开发送工作站时，信号是规则的而且容易辨认。但是，当信号沿着网络介质进行传送时，随着经过的经缆延长，信号就会变弱、变差。中继器的目的是在比特级别对网络信号进行再生从而

10、使得它们能够在网络上传输更长的距离。最初的中继器只有一个入口和一个出口，现在也有多端口的中继器了。它归类为OSI模型中的第1层，因为它仅仅工作在比特级上，而不查看其他信息。2.2集线器（hub） 第1层（物理层）设备 对网络信号进行再生，延长传输距离 多端口的中继器 CSMA/CD（未发先听，边发边听，遇忙则停，空闲再发）与中继器很相似，HUB是网络中各个设备的通用连接点，它通常用于连接LAN的分段。HUB有多个端口，每个数据包到达某个端口时，都会被复制到其他所有端口，以便所有的LAN分段都能看见所有的数据包。集线器的特性：放大信号；在整个网络传播信号；无需过滤；无需路径判定或交换；用作网络汇

11、集点。HUB为有线传输介质创建了一个中心连接点，它通过使单一电缆出故障而不中断整个网络来增强网络的可靠性。它仅仅是再生信号并复制到其他所有端口，HUB仅仅传输信号，并不认识信号、地址或数据中任何信息，是第1层的设备。在以太网中，所有的主机都连接到同一物理介质上。在这个公共介质上发送的信号都会被所有的设备接收到，因此会发生冲突。冲突（COLLISION）就是当2个比特同时在同一网络中传播时发生的情形。网络中产生数据包并发生冲突的区域就称为冲突域（COLLISION DOMAIN）2.3网桥（bridge） 第2层（数据链路层）设备 创建两个LAN分段、形成两个独立的冲突域 过滤LAN通信流，记录

12、MAC地址，学习，安全（VLAN），转发每台网络设备在NIC中都有一个惟一的MAC地址。网桥会记录它每一边的MAC地址，然后基于这张MAC地址表作出转发决策。网桥通过检查源MAC地址来获知设备并只通过目的MAC地址来过滤网络通信流。网桥的特性：比集线器更为智能，能分析传入的帧，并且能够基于寻址信息进行转发或丢弃它们；网桥在两个LAN分段之间收集和转发数据；网桥创建更多的冲突域，使得多台设备能同时无冲突地发送；网桥维护MAC地址表。一个广播就是一个发送到网络中所有节点的数据包。一个广播域由连接到同一个网络的所有设备组成，它们都会接收由某个节点向同一网络的其他所有节点发送的数据包广播。由于网桥不能

13、获知广播MAC地址FFFF.FFFF.FFFF，故网桥面总是转发这些广播。因此，在网桥环境中的所有分段都被认为是处于同一个广播域。2.4交换机（switch） 第2层（数据链路层）设备 创建多个LAN分段、形成多个独立的冲突域 过滤LAN通信流，记录MAC地址，学习，安全，转发交换机连接LAN分段，利用MAC地址表对通信帧进行转发和泛洪，从而减少通信量，而交换机的处理速度比网桥要高得多。每一个交换端口当作一个微型网桥，从而为每一台主机提供介质的全部带宽。这种方法叫做微分段。微分段：允许创建专用的分段一台主机一个分段。每一台主机都可以立即获得全部带宽，而不必跟随其他主机竞争可用带宽。在全双式交换

14、机中，由于只有一台设备连接到一个交换机的端口，所以不会发生冲突。交换机把广播消息转发到所有分段，所有分段处于同一广播域。2.5路由器（router） 第3层（网络层）设备 检查数据包，为它们选择穿过网络的最佳路径，将它们发送到适当的出口在大型网络中，路由器是最重要的通信调节设备。实际上，路由器可以使计算机与世界上任何地方的其他计算机进行通信。三、计算机网络的功能 数据通信网络的功能是数据通信，那么数据通信的双方需要使用相同的协议，才能正常地通信，什么是协议？四、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

15、议 决定数据的格式和传输的一组规则五、协议分层 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六、服务与服务类型 服务 是网络中各层向其相邻上层提供的一组操作 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

16、的地址 不保证报文传输的可靠性七、OSI 协议模型服务：是网络中各层向其相邻上层提供的一组操作。OSI只是参考框架，只定义了各层的功能但没定义功能的实现方法。 物理层：完成相邻节点之间比特流的传输。使用什么样的物理信号来表示数据和，如持续时间、传输方向、建立终止方式、接口类型。数据链路层：负责将上层数据封装成固定格式的帧，在数据帧内封装发送和接收端的数据链路层地址（MAC地址网卡的物理标识），在帧尾部加上校验信息（防止数据传输中产生误码），发现数据错误，可以重传数据帧。在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传输。网络层：实现数据从源端到目的端的传输。在网络层将上层数据封装成数据包，在包的头部封装源

17、和目的端的逻辑地址。网络层根据数据包的逻辑地址选择最佳路径。传输层：实现网络中不同主机上用户进程之间的数据通信。当主机上有多个程序开启，意味着有多条连接进程，因此需要以某种方式区别报文属于哪条连接。识别这些连接的信息放入传输层的报文头。会话层：允许不同机器上的用户之间建立会话关系。表示层：定义一种标准的编码方法，用来表达网络线路上所传递的数据。还涉及到数据压缩和解压、加密和解密等工作。应用层：包含了各种各样针对用户需求的协议。各层功能及实例图表名 称功 能实 例应用层提供网络与用户的应用程序接口服务HTTP、Telnet表示层提供格式化的表示和转换数据服务(加密、压缩)ASCII、JPEG会话

18、层会话的管理和数据传输的同步操作系统/应用读取传输层可靠的传输、提供建立、维护和取消传输TCP、UDP网络层分组传输和路由选择IP数据链路层负责无错传输数据，确认帧、发送重传等xDSL、HDLC物理层设备之间比特流的传输、物理接口、电气特性等EIA/TIA-232、V.35八、数据的封装与解封装过程九、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 TCP/IP 4层模型 应用层：处理高层协议对表达、编码和对话控制，如 Telnet、FTP、DNS、E-mail； 传输层：提供 网络中数据的可靠通信，如 TCP、UDP； 互联网层：提供

19、 网络中数据报文 的传输服务，如 IP、ARP、RARP、ICMP； 网络接口层：提供 主机连接到网络 的方法。十、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 层次数量不同本 章 总 结 网络术语 常见的网络设备 OSI 七层参考模型 TCP/IP 协议模型 数据封装和解封装的过程练 习 什么是协议？ OSI 参考模型包含哪7层？其中物理层作用是什么？数据链路层的作用是什么？ 数据在传输进程中，传

20、输层的数据到网络层后，网络层会做什么动作？第2章 物理层 了解物理层的概念 了解物理层传输的信号和使用的接口 掌握如何区分不同的物理层传输介质 了解线缆的规范 掌握双绞线的连接方式 掌握制作直通网线和交叉网线并进行测试一、物理层网络的基础 物理层是TCP/IP模型的最底层 物理层为数据传输提供可靠环境 为数据通信的介质提供规范和定义 传输单位为比特，物理层主要讨论的是在通信线路上比特流的问题物理层是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。由于物理层的协议非常复杂（因为物理连接的方式和传输介质种类非常多），所以在学习物理层时，应当将重点放在

21、对基本概念的掌握上。 二、物理层的功能 功能一：为数据端设备提供传送数据的通路 功能二：传输数据 三、信号 一种变化的电流，表示编码信息 模拟信号和数字信号数字信号是不连续的物理量，信号参数也不连续变化 模拟信号是信号参数（幅度、频率等）的大小连续变化的电磁波，可以按不同的频率在媒体上传输 四、信号的指标 频率和带宽 在一固定时间段内信号幅度变化的次数值，用每秒周期数或者Hz（赫兹）表示 信号在信道中传输可使用的最高频率与最低频率之差，单位为Hz（赫兹） 数据传输速率 单位时间内传输实际信息的比特数五、信号在传输过程中产生的失真 噪声和衰减 在信号的传输、处理过程中设备自身、环境（湿，水，电，

22、磁，温度）干扰等原因而产生的、与输入信号无关的信号 随着信号的传播，能量逐渐减少 数字信号的优点：1、抗干扰能力强、2、远距离传输仍能保证质量 。模拟信号在传输过程中噪声会随信号一起被传输、放大，严重影响通信质量。数字信号是脉冲的有、无，只要噪声绝对值不超过某一限值，接收端就可以判别。六、串行接口的分类 同步接口对应于同步通信，异步接口对应于异步通信 同步通信和异步通信同步通信是指发送方和接收方同时、同步调进行数据的发送和接收异步通信是发送方和接收方不要求同时进行数据的发送和接收 七、以太网接口 RJ-45 RJ是公用电信网络的接口 光纤接口 用以稳定地连接两根或多根光纤的无源组件 FC 圆形

23、带螺纹光纤接头 ST 卡接式圆形光纤接头 SC 方型光纤接头 LC 窄体方形光纤接头 MT-RJ 收发一体的方型光纤接头 八、物理层的传输介质 有线介质 同轴电缆Thicknet（10Base5）同轴电缆（粗缆）10 - 10Mb/sBase - 基带传输 5 - 最大网段长度500米Thicknet（10Base2）同轴电缆（细缆）11 - 10Mb/sBase - 基带传输 2 - 最大网段长度185米 双绞线 由若干对双绞线构成的电缆被称为双绞线电缆（Twisted Pair） 由两根绝缘铜导线相互缠绕组成，以减少对邻近线对的电气干扰 非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP） 光纤

24、无线介质 无线电 激光 红外线z九、双绞线的标准 EIA/TIA-568 商用建筑物电信布线标准 Cat 5 支持高达100MHz的数据通信 用于语音传输和最高传输速率为1000Mbps的数据传输 主要用于100base-T和10base-T网络 Cat 5e：超五类双绞线 Cat 6 传输频率为200MHz十、光传输系统 光传输系统由三个部分组成：光纤传输介质、光源和检测器 十一、光信号在光纤中的传输 光脉冲在光纤中的传输是利用了光的全反射原理 光纤分为多模光纤和单模光纤 单模光纤多模光纤用于高速度、长距离用于低速度、短距离成本高成本低端接较难端接较易窄芯线，需要激光源宽芯线，聚光好，光源可

25、采用激光或发光二极管耗散极小，高效耗散大，低效十二、无线通信 无线介质是指信号通过空气传输，信号不能被约束在一个物理导体内 无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括 无线电 利用地面发射的无线电波通过电离层的反射，或电离层与地面的多次反射而到达接收端的一种远距离通信方式 红外线 激光 卫星通信各种传输介质总结传输介质成本传输距离传输速率抗噪性可扩展性施工难易优点总结缺点总结双绞线低100m高STP较好UTP一般好易价格便宜，使用广泛技术成熟，安装简单易受电磁干扰和窃听，传输距离短光缆高70km高优好难传输速率高，传输距离远，不易受电磁干扰，保密性强，使用范围正在逐步扩大成本较高，安装较难无线电

26、高可达数百公里较高差好较易几乎不受传输距离的限制，适合于复杂地形衰减大，造价较高保密性差，抗干扰能力差，有时需要申请使用频段十二、线缆的连接 EIA/TIA 568A和568B 线缆的连接 直通网线（两头均是568A或568B）-568A线继：白绿绿、白橙蓝、白蓝橙、白棕棕 交叉网线（两头分别568A和568B）-568B线继：白橙橙、白绿蓝、白蓝绿、白棕棕 全反线管脚号用途颜色1接收 +白色和桔黄色2接收 -桔黄色3发送+白色和绿色4不被使用蓝色5不被使用白色和蓝色6发送 -绿色7不被使用白色和棕色8不被使用棕色T568B标准中RJ-45连接器的管脚号和颜色编码交叉线、直通线使用规范示意图十

27、三、物理层的设备 中继器 能放大信号、延长网络传输距离 只有一个输入端口和一个输出端口 不能识别传输的数据内容 成本低 5/4/3规则 集线器 最初只是一个多端口的中继器 可用于星形拓扑结构 能够支持各种不同的传输介质和数据传输速率 有些集线器具有内部处理能力，例如，可以接受远程管理、过滤数据或提供网络诊断信息 被交换机所取代十四、网络接口卡类型 网络接口卡 连接计算机和网络硬件 有一个惟一的网络节点地址 按照速率可分为10M、10/100M自适应和1000M网卡 按照总线类型可分为ISA网卡、PCI网卡等 按照提供的线缆接口类型可分为RJ-45接口、光纤网卡等 便携式电脑可使用PCMCIA网

28、络接口卡 USB有线无线网卡本 章 总 结 物理层的概念 物理层传输的信号和使用的接口 如何区分不同的物理层传输介质 线缆的规范 双绞线的连接方式 制作交叉网线和标准网线并进行测试实验：制作网线 任务一：制作标准网线连接交换机和计算机 任务二：制作交叉网线连接计算机和计算机第3章 数据链路层与交换机 掌握数据链路层的功能 了解以太网帧格式 了解交换机的数据转发原理 熟悉Cisco交换机的几种操作模式一、数据链路层的功能 数据链路层 位于网络层与物理层之间 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 IEEE Ethemet 的数据链路层有两个子层 介质访问控制（Media Access Control,MAC）802.3它定义了数据包怎样在介质