課件計算機網(wǎng)絡基礎.ppt

計算機網(wǎng)絡基礎,第二部分 包傳輸,主要內容,包、幀和錯誤檢測 局域網(wǎng)技術和網(wǎng)絡拓撲 硬件編址 局域網(wǎng)布線 擴展局域網(wǎng) 廣域網(wǎng)技術和路由 網(wǎng)絡所有權,1. 包、幀和錯誤檢測,計算機網(wǎng)絡通常將數(shù)據(jù)分割成較小的數(shù)據(jù)塊進行傳輸，這些數(shù)據(jù)塊稱為packet，通常譯成分組或包。 使用包的兩個原因： 提高出錯重傳的效率，只需要重傳出錯的包即可。 保證公平訪問，防止某個應用程序長時間地占用共享信道。,包和硬件幀,每種硬件技術各自定義了在其硬件上傳送包的細節(jié)，包括包的大小和格式。術語幀（frame）指代特定硬件格式的包。 幀格式定義包括： 幀的開始與結束標記 區(qū)分數(shù)據(jù)信息和控制信息的辦法 檢測傳輸錯誤的辦法,幀格式及字節(jié)填充,幀定界,字節(jié)填充,檢測傳輸錯誤,檢測傳輸錯誤的一般方法： 在發(fā)送的數(shù)據(jù)中附加一小段數(shù)據(jù)，發(fā)送方通過對這段數(shù)據(jù)的計算和檢驗來確定數(shù)據(jù)是否被正確傳輸。 傳輸錯誤的檢測： 奇偶校驗位：不能檢測出偶數(shù)個錯誤。 校驗和：計算簡單，但檢錯能力較弱。 循環(huán)冗余校驗CRC：檢錯能力極強，且有簡單的硬件支持。,計算校驗和的例子,（1）由12位ASCII碼生成16位校驗和的例子,（2）包含CRC的幀,2. 局域網(wǎng)技術及網(wǎng)絡拓撲,早期的計算機通信系統(tǒng)采用直接的點對點通信，開銷大，可擴展性很差。 20世紀70年代初開發(fā)出稱為局域網(wǎng)的計算機通信方式，代替昂貴的專用點對點連接。 局域網(wǎng)技術依賴于共享網(wǎng)絡，每個局域網(wǎng)由一條許多計算機連接在其上的單一共享介質組成，計算機輪流使用介質發(fā)送包。 局域網(wǎng)技術開銷小，擴展性好，已成為計算機網(wǎng)絡中最普遍的形式。 共享網(wǎng)絡用于本地通信，點對點連接常用于遠距離網(wǎng)絡。,點對點連接,5臺計算機需要10條連接,局域網(wǎng)的拓撲結構,星形拓撲 所有計算機連接到一個中樞節(jié)點上，中樞節(jié)點常稱為網(wǎng)絡集線器。 環(huán)形拓撲 所有計算機通過計算機間的點到點鏈路連接成一個封閉的環(huán)。 總線拓撲 所有計算機連接到一根長電纜上。,局域網(wǎng)拓撲示例,總線網(wǎng)實例-以太網(wǎng)（Ethernet）,以太網(wǎng)最早由Xerox公司發(fā)明，隨后DEC、Intel和Xerox合作制定了一個生產(chǎn)標準，稱為DIX以太網(wǎng)。 最早的以太網(wǎng)由一根稱為以太（ether）、連接著多臺計算機的同軸電纜組成，速率10Mbps。,CSMA/CD,以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議協(xié)調節(jié)點的傳輸： 發(fā)送方通過檢測電纜上電的活動性來判斷電纜是否正在被使用，如果電纜空閑就可以發(fā)送。 發(fā)送的過程中檢測沖突，一旦檢測到?jīng)_突，立即停止發(fā)送。 隨機等待一段時間再重試。,環(huán)形網(wǎng)實例-IBM令牌環(huán),大多數(shù)使用環(huán)形拓撲的局域網(wǎng)使用令牌傳遞機制進行訪問控制，因而稱令牌環(huán)。 數(shù)據(jù)在環(huán)上沿一個方向傳播，每個節(jié)點收到數(shù)據(jù)比特后立即將其傳給下一個節(jié)點，直至到達發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點將數(shù)據(jù)從環(huán)上取消。 發(fā)送許可通過令牌傳遞。令牌是一個特殊的幀，一直在環(huán)上巡游，只有獲得令牌的節(jié)點允許發(fā)送一個幀，然后將令牌傳遞給下一個節(jié)點。 環(huán)上任何時候最多只有一個令牌，因而不會發(fā)生沖突。 令牌繞環(huán)巡游，每個節(jié)點都有機會使用網(wǎng)絡。,令牌環(huán)示例,環(huán)形網(wǎng)實例-FDDI,FDDI使用光纖而不是電纜，可以達到100Mbps的速率。 FDDI網(wǎng)包含兩個完整的環(huán)，一個在正常情況下工作的主環(huán)，和一個在主環(huán)失效的情況下使用的次環(huán)，主環(huán)和次環(huán)上的數(shù)據(jù)流動方向相反。 在節(jié)點失效或環(huán)路中斷時，主環(huán)和次環(huán)被連接起來以繞過故障點。,FDDI的雙環(huán)結構,星形網(wǎng)實例-ATM網(wǎng)絡,ATM網(wǎng)絡的核心是ATM交換機，互連的一臺或多臺交換機形成一個中樞集線器，所有計算機均連接在上面。 ATM網(wǎng)絡只把數(shù)據(jù)傳送給正在通信的兩臺計算機，而不是傳播給任何計算機。 ATM被設計用于提供高吞吐量，因而計算機和交換機之間使用一對光纖，每條光纖在一個方向上承載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為155Mbps及以上。,ATM網(wǎng)絡拓撲,3. 硬件編址,從物理上說，通過共享網(wǎng)絡傳輸?shù)男盘枙竭_所有節(jié)點，兩臺計算機如何通過這樣的介質通信呢？ 大多數(shù)局域網(wǎng)使用編址模式提供直接的通信。每個節(jié)點被分配一個唯一的硬件地址（物理地址，MAC地址），每個幀包含發(fā)送者及期望接收者的硬件地址。 網(wǎng)卡分析幀的地址字段，只有目的地址與節(jié)點地址相匹配的幀才會被交給操作系統(tǒng)去進一步處理，其余的幀被丟棄。 網(wǎng)卡還負責檢查幀的長度是否在允許的范圍內，以及檢查CRC以確保收到的幀是正確的。,DIX以太幀結構,MAC地址,MAC地址屬于網(wǎng)卡而不是主機，通常被固化在ROM中。 MAC地址的長度為6個字節(jié)，通常用由冒號分隔的6個十六進制數(shù)表示。比如，MAC 地址：00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010表示為 8:0:2b:e4:b1:2。 MAC地址有局部地址和全局地址之分： 全局地址由IEEE分配，沒有兩個網(wǎng)卡具有相同的全局地址 局部地址由網(wǎng)絡管理員分配，只在本網(wǎng)內有效,MAC地址類型,MAC地址有三種類型： 單播地址：指示某一個節(jié)點接收數(shù)據(jù) 廣播地址：指示網(wǎng)上所有的節(jié)點接收數(shù)據(jù) 多播地址：指示網(wǎng)上的一組節(jié)點接收數(shù)據(jù) 網(wǎng)卡分析幀的地址字段，如果幀的目的地址與節(jié)點地址相匹配、或者是廣播地址、或者在要監(jiān)聽的多播地址集合中，將幀交給操作系統(tǒng)做進一步處理。,幀頭和幀格式,大多數(shù)局域網(wǎng)技術都規(guī)定幀由幀頭和載荷（payload）兩部分組成： 幀頭包含發(fā)送者地址和接收者地址等信息，每個字段都有固定的長度和位置。 載荷包含要發(fā)送的信息，長度一般是可變的。 幀格式的一個例子,4. 局域網(wǎng)布線,計算機使用網(wǎng)絡接口卡（NIC）處理分組收發(fā)的全部細節(jié)。 網(wǎng)絡接口卡插在計算機總線上，用一條電纜連接到網(wǎng)絡介質上。,網(wǎng)卡的安裝,雙絞線以太網(wǎng)（10BaseT）,集線器：作為網(wǎng)絡中樞的電子設備，其內部的電子部件仿真一條物理電纜。 網(wǎng)絡接口卡 帶RJ-45連接器的雙絞線：連接網(wǎng)絡接口卡與集線器。,辦公室中的雙絞線以太網(wǎng)布線,物理拓撲與邏輯拓撲,10BaseT是總線拓撲還是星形拓撲？ 從物理布線來看， 10BaseT形成了星形拓撲。 從邏輯結構來看， 10BaseT采用了類似總線的工作方式。 所以，網(wǎng)絡技術決定了邏輯拓撲結構，布線方案決定了物理拓撲結構，物理拓撲與邏輯拓撲可以不同。,網(wǎng)絡接口卡和布線方案,許多網(wǎng)絡接口卡支持多種布線方案，即一個網(wǎng)絡接口卡上有幾種連接器，可以根據(jù)具體的布線方案選用。 但是一個給定的接口每次只能使用一種布線方案，即計算機軟件只能激活一個連接器，其它的不能使用。,5. 擴展局域網(wǎng),距離限制是局域網(wǎng)設計的基本部分： 局域網(wǎng)技術通常使用共享通信介質（為節(jié)省費用），共享介質的訪問控制機制是限制局域網(wǎng)長度的主要原因之一。 局域網(wǎng)硬件依照設定的最大電纜長度進行設計，硬件在超過限制的線路上不能正確工作（如遠端節(jié)點收不到足夠強的信號）。,中繼器,中繼器用于連接兩個電纜段，它將從一個電纜段上收到的所有電信號放大后發(fā)送到另一個電纜段上，起到延長電纜段的作用。 中繼器并不識別幀格式，也沒有物理地址，只是放大和轉發(fā)物理信號，會將沖突信號、噪聲等也發(fā)送到另一個電纜段上。,用中繼器連接網(wǎng)段,網(wǎng)橋,網(wǎng)橋是連接兩個局域網(wǎng)段的電子設備。 網(wǎng)橋接收每一個網(wǎng)段上的幀，驗證幀的完整性，必要時將幀轉發(fā)到其它網(wǎng)段上。網(wǎng)橋不會轉發(fā)干擾或者出錯的幀。 網(wǎng)橋對于用戶來說是透明的。 典型的網(wǎng)橋由一臺帶有CPU、存儲器和兩個網(wǎng)絡接口的傳統(tǒng)計算機組成，CPU執(zhí)行ROM中的代碼，不運行應用軟件。,交換機,交換機在物理上與集線器類似，但工作方式不同： 集線器模擬一個共享介質 交換機模擬每段帶有一臺計算機的橋接局域網(wǎng)。 交換機允許多對端口之間同時通信，吞吐量高；另外采用專用集合電路芯片實現(xiàn)，轉發(fā)速率快。,使用多種交換機組網(wǎng),6. 廣域網(wǎng)技術和路由,按照網(wǎng)絡規(guī)模，計算機網(wǎng)絡分為： 局域網(wǎng)：跨越一個建筑物或校園 城域網(wǎng)：跨越一個城市 廣域網(wǎng)：跨越多個城市、國家甚至洲。 區(qū)分廣域網(wǎng)技術與局域網(wǎng)技術的關鍵是規(guī)模： 廣域網(wǎng)必須能夠根據(jù)需要增長并連接分布在很大物理距離內的計算機，同時必須為通信提供足夠的能力。（節(jié)點可以任意多，地理范圍可以任意大，可提供足夠的通信能力）,分組交換機,為使廣域網(wǎng)具有成長能力，廣域網(wǎng)由連接了許多計算機的交換機組成，交換機之間采用點對點線路連接。 分組交換機是廣域網(wǎng)的基本部件，它將完整的分組（包）從一個端口轉發(fā)到另一個端口。 幾乎每種形式的點對點通信都已被用來構造廣域網(wǎng)。,構建廣域網(wǎng),廣域網(wǎng)通過互連一組分組交換機并連接計算機而形成。 增大廣域網(wǎng)容量時可以添加另外的交換機或互連。 廣域網(wǎng)不需要是對稱的，交換機之間的互連和每條連接的容量是為了接收預期的通信并在故障情況下提供冗余而選定的。,存儲轉發(fā),廣域分組交換系統(tǒng)的基本機制是存儲轉發(fā)： 分組到達后首先在存儲器中緩存； 處理器分析每個分組的目的地址，選擇最佳的輸出端口，將分組從選定的端口發(fā)送出去。,廣域網(wǎng)內的物理編址,從計算機的角度來看，廣域網(wǎng)的工作方式類似于局域網(wǎng)： 每項廣域網(wǎng)技術都定義了具體的幀格式 每臺計算機都被分配了一個物理地址 每個分組必須攜帶一個目的地址 為提高轉發(fā)效率，廣域網(wǎng)一般采用分層編址模式。比如，將一個地址分成兩部分，分別標識分組交換機和連接在分組交換機上的計算機。,下一跳轉發(fā),分組交換機根據(jù)分組的目的地址為分組選擇外出路徑。 分組交換機不保留關于如何到達目的地的完整信息，只是確定為到達目的地而需要被轉發(fā)到的下一個地點（稱下一跳）的信息。 下一跳信息被組織在一個表中，交換機利用分組的目的地址查找匹配的表項，然后將分組發(fā)給該表項指定的下一跳。,下一跳轉發(fā)圖示,Switch 2 的轉發(fā)表,分層地址與路由,存儲下一跳信息的表稱為路由表，把分組轉發(fā)到下一跳的過程稱為路由。 分層編址對路由的影響： 除最后一個分組交換機以外，其它分組交換機只使用目的地址的第一部分轉發(fā)分組。 路由表中對每個目的分組交換機只包含一個表項，從而大大減小了路由表的規(guī)模，縮短了查表時間。,基于分層編址的路由,廣域網(wǎng)內的路由,為了讓廣域網(wǎng)正常運轉，交換機中的路由表必須滿足下列要求： 必須包含到每個可能目的地的下一跳路由 下一跳路由必須是最佳的 每個路由表中允許有一個默認項，它的優(yōu)先級比其它表項都低。當轉發(fā)機制不能發(fā)現(xiàn)到指定目的地的顯式表項時，使用默認項。,廣域網(wǎng)內路由示例,默認路由示例,路由表計算,計算路由表的一般方法： 將路由器抽象為頂點，路由器之間的點到點鏈路抽象為邊，數(shù)據(jù)包在鏈路上的傳輸代價抽象為權，計算每一對頂點之間的最小代價通路。 靜態(tài)路由： 路由表在交換機啟動時安裝，此后不再改變。 計算簡單，網(wǎng)絡開銷小，缺點是不靈活。 動態(tài)路由： 根據(jù)網(wǎng)絡的變化動態(tài)更新路由表。 靈活性強，但計算復雜，網(wǎng)絡開銷大。,廣域網(wǎng)技術實例,ARPANET：世界上第一個分組交換廣域網(wǎng)。 X.25：早期的技術，速度很低。 幀中繼（Frame Relay）：可提供遠程局域網(wǎng)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，4Mbps100Mbps。 交換式多兆位數(shù)據(jù)服務（SMDS）：速度高于幀中繼。 異步傳輸模式（ATM）：希望集成語音、視頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務，并提供服務質量保證，155Mbps以上。,7. 網(wǎng)絡所有權,專用網(wǎng)絡： 網(wǎng)絡的使用限制在公司或個人。 專用局域網(wǎng)能被完全擁有，專用廣域網(wǎng)只能完全擁有基本的分組交換硬件，專用網(wǎng)絡中的數(shù)字電路從公共通信公司租用。 公用網(wǎng)絡： 由服務提供商擁有并運營，任何用戶可以使用。 公用網(wǎng)絡幾乎都是廣域網(wǎng)。,優(yōu)點和缺點,專用網(wǎng)絡： 優(yōu)點：所有者完全控制技術選擇和策略，安全性好（專用網(wǎng)與外部網(wǎng)絡隔離）。 缺點：網(wǎng)絡的安裝與維護費用高，需要培訓專門的技術人員。 公用網(wǎng)絡： 優(yōu)點：靈活性好（用戶可在任何時間和地點接入網(wǎng)絡），公司內部不需要專門的技術人員。 缺點：安全性差。,虛擬專用網(wǎng)（VPN）,虛擬專用網(wǎng)結合了專用網(wǎng)和公用網(wǎng)的優(yōu)點： 允許擁有多個站點的公司使用公用網(wǎng)絡承載站點間的通信，安裝和維護的費用少。 數(shù)據(jù)通信被限制在公司的各個站點之間，而且分組在通過公用網(wǎng)絡傳輸時被加密，安全性好。 VPN的構建： 在專用網(wǎng)