路由与交换型网络基础与实践教程_第一章

第1章计算机网络基础•1.1计算机网络概述–1.1.1计算机网络的定义–1.1.2计算机网络的分类–1.1.3计算机网络的组成•1.2以太网技术标准–1.2.1十兆以太网标准–1.2.2快速以太网标准–1.2.3千兆以太网标准–1.2.4万兆以太网标准•1.3IP地址–1.3.1结构与分类–1.3.2保留IP地址–1.3.3子网与子网掩码–1.3.4CIDR和VLSM•1.4MAC地址–1.4.1MAC地址概述–1.4.2地址解析•思考与练习•1.1计算机网络概述1.1.1计算机网络的定义概括起来说，一个计算机网络必须具备以下3个基本要素：至少有两个具有独立操作系统的计算机，且它们之间有相互共享某种资源的需求；两个独立的计算机之间必须有某种通信手段将其连接；网络中的各个独立的计算机之间要能相互通信，必须制定相互可确认的规范标准或协议。以上3条是组成一个网络的必要条件，三者缺一不可。1.1.2计算机网络的分类1.按网络拓扑结构划分2.按网络的覆盖范围划分•根据计算机网络所覆盖的地理范围、信息的传输速率及其应用目的，计算机网络通常被分为接入网（AN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。这种分类方法也是目前较为流行的一种分类方法。•（1）广域网（WAN，WideAreaNetwork）•（2）城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）•（3）局域网（LAN，LocalAreaNetwork）•（4）接入网（AN，AccessNetwork）•3.按传输方式分类•4.按通信传输介质划分•5.按使用网络的对象分类•6.按网络组件的关系分类–1.1.3计算机网络的组成•1.网络的逻辑组成•计算机网络按逻辑功能可分为资源子网和通信子网两部分。。2.网络的物理组成•网络软件系统和网络硬件系统是网络系统赖以存在的基础,在网络系统中，硬件对网络的选择起着决定性作用，而网络软件则是挖掘网络潜力的工具•计算机网络的物理组成由网络硬件和网络软件两大系统组成。•1.2以太网技术标准–1.2.1十兆以太网标准10M以太网在物理层可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆等多种传输介质，并且在IEEE802.3i标准中，规定了介质访问控制规则为CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问），为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，IEEE803.3i体系结构如图1.4所示。图1.410M以太网的体系结构AUI10Base-5粗缆10Base-2细缆10Base-T双绞线10Base-F光缆以太网CSMA/CD–1.2.2快速以太网标准•快速以太网技术是由10BASE-T标准以太网发展而来，其协议标准为1995年颁布的IEEE802.3u，可支持100Mbps的数据传输速率，并且与10Base-T一样可支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信。•IEEE802.3u在MAC子层仍采用CSMA/CD作为介质访问控制方法，并保留了IEEE802.3的帧格式。但是，为了实现100Mbps的传输速率，在物理层作了一些重要的改进。例如在编码上，采用了效率更高的4B/5B编码方式，而没有采用曼彻斯特编码。•IEEE802.3u标准同时规定了不同物理层标准的传输特性，这些传输特性见表1.2所示。表1.2IEEE802.3u标准物理层传输特性物理层协议线缆类型线缆对数最大分段长度编码方式优点100BASE-T43/4/5类UTP4对100M8B/6T3类UTP100BASE-TX5类UTP/RJ-45接头1类STP2对100M4B/5B全双工100BASE-FX62.5µm单模/125µm多模1对2000M4B/5B全双工距离–1.2.3千兆以太网标准•千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据传输率为1000Mbps即1Gbps，因此也称吉比特以太网。千兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和以太网与快速以太网完全兼容，从而原有的10Mbps以太网或快速以太网可以方便地升级到千兆以太网。千兆位以太网标准实际上包括支持光纤传输的IEEE802.3z和支持铜缆传输的IEEE802.3ab两大部分。IEEE802.3z标准在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法。在物理层定义了千兆介质专用接口（GMII，GigabitMediaIndependentInterface。•IEEE802.3z千兆以太网标准定义了三种介质系统，其中两种是光纤介质标准，包括1000Base-SX和1000Base-LX，另一种是铜线介质标准，称为1000Base-CX。IEEE802.3ab千兆以太网标准定义了双绞线标准，称为1000Base-T。图1.6给出了千兆以太网协议的体系结构。图1.6千兆以太网协议标准的体系结构1.3IP地址•1.3.1结构与分类•1.IP地址结构IP地址以32位二进制位的形式存储于计算机中。32位的IP地址结构由网络标识和主机号两部分组成网络标识主机号32位图1.8IP地址的组成•由于32位的IP地址不太容易书写和记忆，通常又采用带点十进制标识法（DottedDecimalNotation）来表示IP地址。在这种格式下，将32位的IP地址分为4个8位组（Octet），每个8位组以一个十进制数表示，取值范围由0到255；代表相邻8位组的十进制数以圆点分割。所以点十进制表示的最低IP地址为0.0.0.0，最高IP地址为255.255.255.255。•2.IP地址分类为适应不同规模的网络，可将IP地址分类，称为有类地址。每个32位的IP地址的最高位或起始若干位标识地址的类别，通常IP地址被分为A、B、C、D和E五类，如图1.9所示。图1.9IP地址的类及其格式1.网络地址用于表示网络本身，具有正常的网络号部分，主机号部分为全“0”的IP地址代表一个特定的网络，即作为网络标识之用，如102.0.0.0、138.1.0.0和198.10.1.0分别代表了一个A类、B类和C类网络。2.广播地址用于向网络中的所有设备广播分组。具有正常的网络号部分，主机号部分为全“1”的IP地址代表一个在指定网络中的广播，被称为广播地址1.3.2保留IP地址•3.公用地址和私有地址Internet的稳定直接取决于网络地址公布的唯一性。现在已被IANA（Internet地址分配中心)分配。IANA管理着剩余IP地址的分配，以确保不会发生公用地址重复使用的问题。公有IP地址是唯一的，没有任何两台连到公共网络的主机拥有相同的IP地址。公有IP地址是从Internet服务供应商（ISP）或地址注册处获得的。私有地址（PrivateAddress）的地址资源供内部实现IP网络时使用。RFC1918因特网标准留出3块IP地址空间（1个A类地址段，16个B类地址段，256个C类地址段）作为私有的内部使用的地址，即10.0.0.0～10.255.255.255、172.17.0.0～172.31.255.255和192.168.0.0～192.168.255.255。根据RFC1918标准规定，所有以私有地址为目的地址的IP数据报都不能被路由至Internet上，这些以私有地址作为逻辑标识的主机若要访问外面的Internet，必须采用网络地址翻译（NetworkAddressTranslation，简称NAT）或应用代理（proxy）方式。1.3.3子网与子网掩码1.子网的概念有类IP的缺点：（1）IP地址的空间利用率低（2）路由表条目急剧增加（3）两级的IP地址不够灵活。为解决上述问题，从1985年起在1P地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的IP地址变成为三级的IP地址，它能够较好地解决上述问题。这种做法叫作划分子网，或子网寻址或子网路由选择。划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号，而主机号也就相应减少了若干个比特。可以用以下方法来表示：IP地址∷=｛网络号，子网号，主机号｝注意，子网号同主机号规定一样，二进制位不能全为0或者1，所以子网号最少用两位主机位数代表，最多用六位主机位数代表。•2.子网掩码子网掩码（Subnetmask）通常与IP地址配对出现，其功能是告知主机或路由设备，IP地址的哪一部分代表网络号部分，哪一部分代表主机号部分。子网掩码使用与IP地址相同的编址格式，即32位长度的二进制比特位，也可分为4个8位组并采用点十进制来表示。但在子网掩码中，与IP地址中的网络位部分（包括子网位部分）对应的位取值为“1”，而与IP地址主机部分对应的位取值为“0”。这样通过将子网掩码与相应的IP地址进行求“与”操作，就可决定给定的IP地址所属的网络号（包括子网）。划分位数23456子网掩码255.255.255.192255.255.255.224255.255.255.240255.255.255.248255.255.255.252表1.4C类网络进行子网划分后的子网掩码例如，102.2.3.3/255.0.0.0表示该地址中的前8位为网络标识部分，后24位表示主机部分，从而网络号为102.0.0.0；而102.2.3.3/255.255.248.0则表示该地址中的前21位为网络标识部分，后11位表示主机部分。1.3.4CIDR和VLSM1.VLSM子网划分技术可以从某种程度上解决网络地址规模与产生的广播信息的问题，可以将网络规模控制在一个合理的范围内，但这种技术对地址分配的灵活性不足，不能很好适应用户网络规模的实际情况。在某些情况下，对IP地址的浪费是很严重的。为了解决这个问题，1987年IETF提出了一个方案，这就是RFC1009。这个文件主要用来规范如何在一个网络中使用多个不同的子网掩码。这样每一个网络中所能够提供的主机地址数目可能是不同的，这与子网划分所讲的在一个网络中只允许使用相同的子网掩码完全不同，所以这种技术又被称为可变长子网掩码(VLSM，VariableLengthSubnetMask)。•根据用户的不同需求给用户分配合适大小的地址块，而不再像子网划分那样，每次划分子网所分配的地址块的大小是固定的。如果给用户分配的地址块大小是可变化的，那么用户所使用的子网掩码必然是不同的，因此这种技术又被称为可变长子网掩码。可变长子网掩码与子网划分所使用的子网掩码完全不同，在子网划分中，整个网络中所使用的子网掩码是完全相同的。下面来看一下在C类地址中，如果使用可变长子网掩码技术来划分地址块，使用不同的子网掩码则能够提供的有效主机地址也是不同的。2.CIDR•无类域间路由（ClasslessInter-DomainRouting，CIDR）在RFC1517～RFC1520中做出了描述，现已称为internet标准。提出CIDR的初衷是为了解决IP地址空间不足（特别是B类地址）的问题，全球的B类IP地址已经在1995年耗尽。CIDR是在VLSM的基础上提出无分类编址方法，并不使用传统的有类网络地址的概念。在分配IP地址段时也不再按照有类网络地址的类别进行分配，而是将IP网络地址空间看成是一个整体，并划分成连续的地址块，然后，采用分块的方法进行分配。•CIDR地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。无分类的两级编址的记法为：CIDR地址::={网络前缀，主机号}，该技术将网络前缀都相同的连续IP地址组成CIDR地址块。•在CIDR技术中，常使用子网掩码中表示网络号二进制位的长度来区分一个网络地址块的大小，称为CIDR前缀。如IP地址210.31.233.1，子网掩码255.255.255.0可表示成210.31.233.1/24；•CIDR可以用来做IP地址汇总（或称超网，Supernetting；或称路由汇聚，routeaggregation）。在未作地址汇总之前，路由器需要对外声明所有的内部网络IP地址空间段。这将导致Internet核心路由器中的路由条目非常庞大（接近10万条）。采用CIDR地址汇总后，可以将