计算机网络基础知识(一)

计算机网络基础知识（一）计算机网络的由来60年代初，美国和原苏联之间的冷战状态随之升温。美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一这个中心被原苏联的核武器摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，其后果将不堪设想，因此有必要设计这样一个分散的指挥系统——它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后其它点仍能正常工作，而这些分散的点又能通过某种形式的通讯网取得联系。1969年，美国国防部高级研究计划管理局（ARPA--AdvancedResearchProjectsAgency）开始建立一个命名为ARPAnet的网络，把美国的几个军事及研究用电脑主机联接起来。1983年，ARPA和美国国防部通信局研制成功了用于异构网络的TCP/IP协议。1986年，美国国家科学基金会建立了NSFnet广域网，如今，NSFnet已成为Internet的重要骨干网之一。计算机网络的演进主机主机互连把主机与主机通过Modem和PSTN等已有的通信系统互联起来主机主机主机主机主机主机主机局域网把一定范围内的主机互联起来成为一个局网因特网（Internet）把多个地理位置分散的骨干网互联起来形成一个庞大的网络PSTNLANLANWANLAN互联网（internet）把多个局域网通过通过路由互联起来成为一个互联网ISP企业企业ISP校园ISP计算机网络的类型LAN（LocalAreaNetwork）通常指几千米以内的，可以通过某种介质互联的计算机、打印机、modem或其他设备的集合MAN（MetropolitanAreaNetwork）MAN覆盖范围为中等规模，介于局域网和广域网之间，通常是在一个城市内的网络连接（距离为10KM左右）WAN（WideAreaNetwork）分布距离远，它通过各种类型的串行连接以便在更大的地理区域内实现接入总线型星型树型环型全网状部分网状交换技术和网络性能指标电路交换：基于电话网的电路交换优点：延迟小、透明传输缺点：带宽固定，网络资源利用率低，初始连接建立慢报文交换：以报文为单位存储转发优点：多路复用，网络资源利用率较高，消息完整缺点：延迟大，实时性差，设备功能较复杂分组交换：以分组为单位存储转发优点：多路复用，网络资源利用率高缺点：延迟较大，实时性较差，设备功能复杂带宽（bandwidth）描述在一定时间范围内能够从一个节点传送到另一个节点的数据量通常以bps为单位例如以太网带宽为10Mbps，快速以太网为100Mbps延迟（delay）描述网络上数据从一个节点传送到另一个节点所经历的时间OSI参考模型层次结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567提供应用程序间通信处理数据格式、数据加密等建立、维护和管理会话建立主机端到端连接寻址和路由选择提供介质访问、链路管理等比特流传输对等通信•每一层都使用自己的协议•每一层都利用下层提供的服务与对等层通信HostAHostBAPDUPPDUSPDUSegment（段）Packet（包）Frame（帧）Bit（比特）应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层数据封装与解封装DataData第7层头+第7层头+第6层头Data第7层头第6层头+第5层头Data第7层头第6层头第5层头+第4层头Data第7层头第6层头第5层头第4层头+第3层头Data第7层头第6层头第5层头第4层头第3层头+第2层头Data第7层头第6层头第5层头第4层头第3层头第2层头+第1层头应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层Data第2层头第3层头第4层头第5层头第6层头第7层头二进制的数据流第1层头Data第2层头第3层头第4层头第5层头第6层头第7层头Data第3层头第4层头第5层头第6层头第7层头Data第4层头第5层头第6层头第7层头Data第5层头第6层头第7层头Data第6层头第7层头Data第7层头封装解封装物理层物理层：定义电压、接口、线缆标准、传输距离等物理层介质：•同轴电缆（coaxialcable）：细缆和粗缆•双绞线（twistedpair）：UTP、STP•光纤（fiber）：单模、多模•无线（wireless）：红外线、蓝牙BlueTooth、WLAN技术应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层•物理层介质•双绞线、同轴电缆、光纤、无线电信号等•局域网物理层•常见标准：10Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX•常见设备：中继器、集线器•广域网物理层•常见标准：RS-232、V.24、V.35•常见设备：Modem数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层数据链路层的功能：•编帧和识别帧•数据链路的建立、维持和释放•传输资源控制•流量控制•差错验证•寻址•标识上层数据局域网数据链路层分为LLC子层和MAC子层网络层应用层表示层会话层传输层物理层网络层的功能：•编址•路由•拥塞控制•异种网络互连网络层数据链路层IP地址IPX地址网络地址主机地址10.8.2.48网络地址主机地址1aceb0b1.0000.0c00.6e25网络层地址通常由两部分组成网络地址主机地址网络层地址是全局唯一的传输层传输层功能：•分段上层数据•建立端到端连接•透明、可靠传输•流量控制传输层协议：•主要有TCP/IP协议族的TCP协议和UDP协议，以及IPX/SPX协议组的SPX协议等。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层会话层、表示层和应用层•应用层协议：•为应用程序进程（比如文字处理、邮件、电子表格）提供网络服务•SQL、NFS、RPC等•表示层协议：•定义数据格式与结构•协商上层数据格式•ASCII、MPEG、JPEG等•会话层协议：•主机间通信•建立、维护、终结应用程序之间的会话•文字处理、邮件、电子表格等应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层TCP/IP模型的层次结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567应用层传输层网络层网络接口层1234OSI参考模型TCP/IP模型网络接口层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型负责处理与传输介质相关的细节物理线路和接口链路层通信主要协议以太网/FDDI/令牌环SLIP/HDLC/PPPX.25/帧中继/ATM网络层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型负责提供端到端通信•数据完整性校验•差错重传•数据的重新排序主要协议•TCP•UDP传输层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型负责提供端到端通信数据完整性校验差错重传数据的重新排序主要协议TCPUDP传输层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型负责处理特定的应用程序细节远程访问资源共享主要协议TelnetFTP/TFTPSMTP/POP3SNMP/HTTP早期以太网技术介绍名称速率介质类型最大线缆长度10BASE510Mbps粗同轴电缆500m10BASE210Mbps细同轴电缆200m10BASE-T10Mbps双绞线100mHub10BASE5/10BASE210BASE-TMDI/MDIX•同类接口互连用交叉线，异类接口互连用直连线•现大部分设备支持MDI/MDIX自适应，不必考虑连线类型主机网卡(MDI)路由器以太口(MDI)交换机/集线器接入口(MDIX)交换机/集线器级连口(MDI)主机网卡(MDI)交叉线交叉线直连线N/A路由器以太口(MDI)交叉线交叉线直连线N/A交换机/集线器接入口(MDIX)直连线直连线交叉线直连线交换机/集线器级连口(MDI)N/AN/A直连线交叉线CSMA/CD载波侦听侦听到线路上有载波时，不发送数据侦听不到载波时，说明线路已经空闲侦听到载波侦听到载波不发送侦听到载波不发送侦听不到载波侦听不到载波侦听不到载波抢占发送线路空闲时，任一主机都可以抢占线路CSMA/CD冲突检测和退避两台主机同时发送数据导致冲突全部主机停止发送，等待一个随机退避时间退避期满的主机首先开始发送检测到冲突检测到冲突MAC地址•MAC地址为48位二进制数，常用12位16进制数表示24位OUI24位EUI00-E0-FC-01-23-45操作系统网络接口卡RAMIP:10.1.1.3ROMMAC:00-E0-FC-01-23-4548位MAC地址单播与广播•接收地址包括本卡MAC地址、广播地址和本机所属组播组地址•网卡丢弃与本卡接收地址不匹配的帧•网卡解开与本卡接收地址匹配的帧，将数据递交上层处理接收DMAC=00E0.FC01.2222不接收MAC:00E0.FC01.1111MAC:00E0.FC01.2222MAC:00E0.FC01.3333接收DMAC=FFFF.FFFF.FFFF接收MAC:00E0.FC01.1111MAC:00E0.FC01.2222MAC:00E0.FC01.3333单播广播以太网流量控制在半双工线路上采用背压式流控•接收方反向发送电压信号制造冲突，使发送方停止发送在全双工线路上采用802.3PAUSE流控•接收方向保留组播地址01-80-C2-00-00-01发送PAUSE帧，通知发送方停止发送DMAC=0180.C200.0001半双工Hub反向发送电压信号全双工反向发送PAUSE帧背压式流控PAUSE流控中继器中继器（repeater）中继器是位于第1层（OSI参考模型的物理层）的网络设备。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的——这些脉冲称为信号（signal）。当信号离开发送工作站时，信号是规划的，而且很容易辨认出来。但是，当信号沿着网络介质进行传送时，随着经过的线缆越来越长，信号就会变得越来越弱，越来越差。中继器的目的是在比特级别对网络信号进行再生和重定时，从而使得它们能够在网络上传输更长的距离。Hub集线器集线器（hub）集线器的目的是对网络信号进行再生和重定时。它的特性与中继器很相似（被称为多端口中继器multiportrepeater）。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含有多个端口。每一个分组到达某个端口时，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分组。集线器并不认识信号、地址或数据中任何信息模式。中继器与集线器的区别在于连接设备的线缆的数量。一个中继器通常只有两个端口，而一个集线器通常有4至20个或更多的端口。以下是集线器最为重要的特性：•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•用作网络会集点冲突域网桥网桥网桥是第2层的设备，它设计用来创建两个或多个LAN分段。其中，每一个分段都是一个独立的冲突域。网桥设计用来产生更大可用宽带。它的目的是过滤LAN的通信流，使得本地的通信流保留在本地，而让那些定向到LAN其他部分（分段）的通信流转发到那里去。每一台网络设备在NIC（网络接口卡）中都有一个惟一的MAC（介质访问控制）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。以下是网桥的一些重要特性：•网桥比集线器更为智能。它只运行在第2层，就是说，它能分析传入的帧，并且能基于寻址信息进行转发或丢弃它们。•网桥在两个或多个LAN分段之间收集和转发分组。•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。•网桥维持MAC地址表，称为网桥表。交换机（2层）第2层交换机第2层交换机，也称为LAN交换机或工作组交换机，通常替代共享式集线器而与现存的线缆基础设施一起工作，以保证交换机安装后现存网络的中断达到最小。像网桥一样，交换机也连接LAN的分段。它利用一张MAC地址表来决定帧需要转发到哪个分段，从而减少通信量。但交换机的处理速度比网桥要高得多。交换机是数据链路层的设备，它像网桥一样把多个物理上的LAN分段互连成单个更大的网络。与网桥相似，交换机也是基于MAC地址对通信帧进行转发和泛洪。由于交换是在硬件中执行的，所以交换机的交换速度要比网桥中用软件执行的交换