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1、 数据网络基础数据网络基础20232023年年2 2月月4 4日日1 网络层次网络层次n 局域网的地域范围一般只有几公里n 传输介质：网线局域网局域网城域网城域网n 地域范围从几公里至几百公里n 数据传输速率可以从几Kbit/s到几Gbit/sn 传输介质：光纤n WAN覆盖范围几百公里至几千公里n WAN分类：综合业务数字网：ISDN 数字数据网：DDN 帧中继：Frame Relay 异步传输模式：ATM广域网广域网1.1 网络拓朴网络拓朴星型网树型网网孔型网环型网总线型网复合型网络1.2 1.2 常见国际标准化组织常见国际标准化组织 国际标准化组织（ISO）国际电信联盟（ITU）电子电器
2、工程师协会（IEEE）美国国家标准局（ANSI）电子工业协会（EIA/TIA）Internet工程任务组（IETF）INTERNET架构委员会（IAB）Internet上的IP地址编号机构(IANA)2 TCP/IP与与OSI参考模型比较参考模型比较 网络数据传输主机间数据传输2.1 常见常见TCP/IP协议栈协议栈 n链路层协议包括：以太网协议、PPP协议、帧中继协议、ATM等；n网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互连网控制报文协议），ARP/RARP（地址解析/反向地址解析协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）；n传输层协议：TCP（传输控制
3、协议/提供可靠服务）和UDP（用户数据报协议/提供不可靠但高效服务）；n应用层：远程登录（Telnet）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、简单网络管理协议（SNMP）。2.2 TCP/IP协议栈协议栈 2.3 OSI2.3 OSI模型层次间的关系模型层次间的关系对等层通信/对等层相同协议传输层传输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 会话层会话层表示层表示层 应用层应用层 DataBitsFramePacketSegmentData传输层传输层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 物理层物理层 会话层会话层 表示层表示层 应用层应用层 Data上层数据上层
4、数据上层数据上层数据TCP HeaderIP HeaderLLC HeaderMAC HeaderSegment数据段数据段Packet数据包数据包Bits比特流比特流Frame数据帧数据帧Data 数据数据FCSFCS2.4 2.4 数据封装流程数据封装流程传输层传输层数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层表示层表示层应用层应用层会话层会话层上层数据上层数据上层数据上层数据上层数据上层数据上层数据上层数据LLC Hdr+IP+TCP+上层数据上层数据MAC HeaderIP+TCP+上层数据上层数据LLC HeaderTCP+上层数据上层数据IP Header上层数据上层数据TCP H
5、eader传输层传输层数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层表示层表示层应用层应用层会话层会话层2.5 2.5 数据解封装流程数据解封装流程集线器集线器主机主机10Base2以太细缆10Base5以太粗缆10BaseT双绞线3 3 物理层物理层n 所有的设备都处于同一个冲突域同一个冲突域n 冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽竞争同一带宽的节点集合任何一台主机发出的报文都会被同一冲突域中的所有其它机器接收到终端越多，意味着冲突的机会就会越多，所以需要启用CSMA/CD（载波监听多址访问/冲突检测）3.1 3.1 冲突域冲突
6、域数据数据源源MACFCS长度长度目的目的MAC可变长度域可变长度域2664后后24位由厂位由厂商自行分配商自行分配前前2424位由位由IEEE IEEE 分配的厂商代码分配的厂商代码MAC 层层-802.3 Ethernet帧帧前导符前导符Ethernet II 封装封装类型在此域使用类型在此域使用“类型类型”MAC Address8#字节字节4 4 数据链路层数据链路层注意：1.所有MAC地址在同一个局域网中都必需是唯一的。2.具有相同MAC地址的2台设备不能在同一广播域中。4.1 二层交换原理二层交换原理n二层交换技术可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MA
7、CMAC地址地址与对应的端口对应的端口记录在自己内部的一个MAC地址表中。n工作流程：当交换设备从某个端口收到一个数据包，首先读取包头中的源源MACMAC地址，这样它就知道源MAC地址的设备是连在哪个端口上的。读取包头中的目的目的MACMAC地址，并在地址表中查找相应的端口；如表中找不到相应的端口则把数据包广播到除源端口外的所有端口上，称作“FloodingFlooding”（泛洪）。4.2 二层交换原理细节二层交换原理细节nMAC地址学习是对数据帧的源MAC地址进行学习，而不是目的MAC地址nMAC地址学习只学习单播地址，对于广播和组播地址不进行学习4.3 单播、组播和广播单播、组播和广播n
8、IP网络三种基本通信方式：单播、广播、组播 n单播是一种点到点的通信方式，它要求在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。n广播是一种点到所有点的通信，如果在IP子网内广播数据包，不论子网内部主机是否愿意接收该数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，通过路由器和交换机网络设备控制广播传输。n组播介于单播和广播之间，属于点对多点通信方式。当主机向一组主机发送信息，存在于某个组的所有主机都可以接收到信息。n广播和组播都能实现点到多点的通信，但是二者还是存在显著区别的：广播方式时主机是被动的接收者，而组播方式则需要主机有选择的权利，只有当主机加入组
9、时，组播数据才会发给主机。Memory交换机交换机4.5 4.5 交换机工作原理交换机工作原理二层交换机工作在数据链路层，每个端口可以看成是一根单独的总线，连接的网段就是一个单独的冲突域，所有的网段处于同一个广播域；广播域：广播包能够覆盖的区域，所有能够接收其他广播的节点属于同一个广播域 5 5 网络层网络层n网络层主要是路由、寻径功能，提供主机到主机的连接功能。网络层有IP(网际协议)、ICMP（Internet互连网控制报文协议）、ARP（地址解析协议）和RARP（反向地址解析协议）。nIP同时被TCP和UDP使用，处于OSI参考模型的网络层。nICMP（Internet互连网控制报文协议
10、）是IP协议的附属协议，主要被用来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。应用程序ping和traceroute，都使用了ICMP协议。nARP（地址解析协议）和RARP（反向地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。5.1 ARP工作机制工作机制nARP协议实现IP向MAC地址的映射。nARP过程如下：ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播，ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。n连接到同一LAN的所有主机都接收并处理A
11、RP广播，目的主机的ARP层收到这份广播报文后，根据目的IP地址判断出这是发送端在寻问它的MAC地址。于是发送一个单播ARP应答。这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址。收到ARP应答后，发送端就知道接收端的MAC地址了。n每个主机上都有一个ARP高速缓存。存放了最近IP地址到硬件地址之间的映射记录。当主机查找某个IP地址与MAC地址的对应关系时首先在本机的ARP缓存表中查找，只有在找不到时才进行ARP广播。5.2 三层设备三层设备n路由器路由器 和三层交换机和三层交换机n路由器：划分广播域，路由器的接口做为子网的网关，路由器：划分广播域，路由器的接口做为子网的网关，路由器的两个端口在不同
12、网段，起到了隔离广播域的路由器的两个端口在不同网段，起到了隔离广播域的作用，实现跨广播域之间的通信。软件式查找转发方作用，实现跨广播域之间的通信。软件式查找转发方式是瓶颈。式是瓶颈。n三层交换机：不仅具备了路由器的功能，而且还提高三层交换机：不仅具备了路由器的功能，而且还提高了二层交换机的能力。了二层交换机的能力。SADAHDRDATA6 IPv46 IPv4地址介绍地址介绍nIP地址唯一标识一台网络设备n点分十进制表示n同一个路由器的不同接口必须配置不同网段的IP地址n相邻路由器的对接端口的IP地址必须是在同一网段内的不同地址6.1 6.1 网络地址与主机地址网络地址与主机地址172.161
13、212NetworkHost.Fei_1/1Fei_1/21Class A:Bits:0Network（8bit）Host8 916 1724 2532Range(1-126)1Class B:Bits:10 Network(16bit)Host8 916 1724 2532Range(128-191)1Class C:Bits:110 Network(24bit)Host8 916 17242532Range(192-223)1Class D:Bits:1110组播组播8 916 17242532Range(224-239)6.2 IP6.2 IP地址分类地址分类1Class E:Bits:
14、111108 916 17242532Range(240-255)保留地址保留地址6.3 6.3 非主机非主机IPIP地址地址私有地址：192.168.255.255 用于广播而非主机主机地址全1用于指定网络本身而非主机，称之为网络地址或者网络号主机地址全0指本地节点(一般为127.0.0.1)，用于测试网卡及TCP/IP软件网络用途用途地址地址 111111116.4 6.4 可用主机地址数量计算可用主机地址数量计算 172 16 0 0 10101100 00010000 00000000 0000000016151413121110 987654321NetworkHost 000000
15、00 00000001 11111111 11111111 11111111 11111110.00000000 00000011 11111101123655346553565536-.265534N2N-2=216-2=655342的N次方得出的是这个网段中IP地址的数量，主机位全为0和主机位全为1的网络地址和广播地址不可以被分配给主机使用，所以要将这2个地址减掉，得到的即是本网段可容纳的主机数量。6.5 6.5 自然掩码编址自然掩码编址172160025525500IP 地址地址缺省掩码缺省掩码网络位网络位主机位主机位也可写作也可写作“/16”其中其中16表示掩码的位数表示掩码的位数 1
16、1111111 111111110000000000000000网络位网络位主机位主机位很多情况下，特别是对于A类与B类网络，没有子网划分的网络对地址空间的利用是不经济的，而过多的主机处在一个广播域中会严重影响网络和主机的性能。7 7 带子网划分编址带子网划分编址n在有子网的编址中，主机位可以被细分为子网位与主机位。划分出来了不同的子网，即划分出了不同的逻辑网络。这些不同网络之间的通讯通过路由器来完成，也就是说将原来一个大的广播域划分成了多个小的广播域。n网络设备使用子网掩码确定哪些部分为网络位，哪些部分为子网位，哪些部分为主机位。网络设备根据自身配置的IP地址与子网掩码，可以识别出一个IP数
17、据包的目的地址是否与自己处在同一子网，或处在同一主类网络但处于不同子网，或处于不同的主类网络。n在有子网的编址中，主机位可以被细分为子网位与主机位。在有子网的编址中，主机位可以被细分为子网位与主机位。7.1 7.1 带子网划分编址举例带子网划分编址举例16网络位网络位主机位主机位 255.255.255.017220101011001111111110101100000100001111111100010000111111110000001010100000000000000000000000000010子网位子网位网络地址网络地址1281922242402482522542557.2 7.2
18、 带子网划分编址举例带子网划分编址举例2 216172216010101100000100001010000000000010HostMaskSubnetBroadcastLastFirst417.3 7.3 地址计算示例地址计算示例1010110011111111000100001111111111111111101000001100000000000010HostMaskSubnetBroadcastLastFirst121617221607.3 7.3 地址计算示例地址计算示例10101100111111110001000011111111111111111010000011000000
19、00000010HostMaskSubnetBroadcastLastFirst12377.3 7.3 地址计算示例地址计算示例161722160101011001111111100010000111111111111111110100000110000001000000000000010HostMaskSubnetBroadcastLastFirst12347.3 7.3 地址计算示例地址计算示例16172216010101100111111110001000011111111111111111010000011000000100000000000001010111111HostMaskSu
20、bnetBroadcastLastFirst1234567.3 7.3 地址计算示例地址计算示例1617221601010110011111111000100001111111111111111101000001100000010000000000000101011111110000001HostMaskSubnetBroadcastLastFirst1234561621607.3 7.3 地址计算示例地址计算示例1617221607.3 7.3 地址计算示例地址计算示例10101100111111110001000011111111111111111010000011000000100000
21、0000000010101111111000000110111110HostMaskSubnetBroadcastLastFirst12345671617221607.3 7.3 地址计算示例地址计算示例10101100111111111010110000010000111111110001000011111111000000101010000011000000100000000000001010101100000100000000001010111111101011000001000000000010 1000000110101100000100000000001010111110HostM
22、askSubnetBroadcastLastFirst123456781617221607.3 7.3 地址计算示例地址计算示例10101100111111111010110000010000111111110001000011111111000000101010000011000000100000000000001010101100000100000000001010111111101011000001000000000010 1000000110101100000100000000001010111110HostMaskSubnetBroadcastLastFirst12345678916
23、17221607.4 7.4 子网掩码练习子网掩码练习AddressSubnet MaskClassSubnetAddressSubnet MaskClassSubnetBAA7.4 7.4 子网掩码练习子网掩码练习7.5 7.5 计算广播地址练习计算广播地址练习AddressClassSubnetBroadcast201.222.10.60 Subnet Mask15.16.193.6 128.16.32.13 153.50.6.27 7.5 7.5 计算广播地址练习计算广播地址练习AddressClassSubnetBroadcast201.222.10.60 CSubnet Mask15.16.193.6 A128.16.32.13 B153.50.6.27 Bn参考资料参考资料n1.ZXR10_02_200904 TCPIP原理和子网规划原理和子网规划.docn2.ZXR10_03_200904 局域网基础局域网基础.doc