1-互連網(wǎng)概念綜述

1、 第一章互連網(wǎng)概念 Lingda Kong 本章目標(biāo)本章目標(biāo) 1. 網(wǎng)絡(luò)的分類 2. 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 3. OSI參考模型 4. 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)OSI的基礎(chǔ)了解(深入理解） 網(wǎng)絡(luò)的分類網(wǎng)絡(luò)的分類 按覆蓋范圍分 1.局域網(wǎng)（Local area network，LAN）：局域網(wǎng)一般在幾 十米到幾千米范圍內(nèi)，一般據(jù)有以下特性：分布在比較 小的地理范圍內(nèi)；局域網(wǎng)一般用戶某一群體，如一個公 司、一個單位、一棟樓、一個學(xué)校 2.城域網(wǎng)（Metropolis area network，MAN）：城域網(wǎng)是 規(guī)模局限在一座城市范圍內(nèi)的區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)，城域網(wǎng)的覆 蓋范圍介于10100KM之間。 3.廣域網(wǎng)（Wide are

2、a network，WAN）：廣域網(wǎng)是將分布 在各地的局域網(wǎng)絡(luò)連接起來的網(wǎng)絡(luò)，廣域網(wǎng)的范圍非常 大，可以跨越國界，甚至全球范圍 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分 1.物理拓?fù)?總線型拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)共享一條數(shù)據(jù)通道，總線 兩端有終結(jié)點(diǎn)，如圖，總線型網(wǎng)絡(luò)安裝方便，成本低， 某個節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)，但介質(zhì)的故障會造 成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓?？偩€型網(wǎng)絡(luò)安全性低，不易監(jiān)控， 所以基本上已被淘汰 環(huán)形拓?fù)洌涵h(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的個站點(diǎn)通過通信介質(zhì)連成一個 封閉的環(huán)形，如圖，環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)容易安裝和監(jiān)控，但容量 有限，網(wǎng)絡(luò)建成后，難以增加新節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)基本已 不使用。 星型拓?fù)洌簜€站點(diǎn)通過點(diǎn)到達(dá)的鏈路與中心站點(diǎn)相連， 如圖，星型網(wǎng)絡(luò)

3、很容易在網(wǎng)絡(luò)中增加新節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的安 全性高，易監(jiān)控，一個節(jié)點(diǎn)出了問題，不會影響整個網(wǎng) 絡(luò)的運(yùn)行，但中心節(jié)點(diǎn)的故障會影響整個網(wǎng)絡(luò)，星型拓 撲是現(xiàn)在最常用的拓?fù)洹?2.邏輯拓?fù)?.廣播拓?fù)洌好颗_主機(jī)都把所要發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址設(shè)為 網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上某個特定網(wǎng)絡(luò)接口卡的地址、多播地址或者 廣播地址，然后把該數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸介質(zhì)中，每臺主機(jī) 使用傳輸介質(zhì)時不必遵守某種次序，即先來先服務(wù)?，F(xiàn) 在用的最多的以太網(wǎng)就是采用這種方式來工作的。 .令牌環(huán)網(wǎng)：令牌拓?fù)湎蚋髋_主機(jī)順序傳遞一個電子令牌 來控制網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的訪問，當(dāng)一臺主機(jī)接收到令牌就能發(fā) 送數(shù)據(jù)，如果該主機(jī)沒有數(shù)據(jù)就把令牌傳給下一臺主機(jī) ，如此循環(huán)，使用令牌傳遞的

4、主要有令牌環(huán)和光纖分布 數(shù)據(jù)接口（FDDI），他們都是在物理環(huán)形拓?fù)渖鲜褂昧?牌環(huán)傳遞的。 按傳輸介質(zhì)分 1.雙絞線 非屏蔽雙絞線（Unshielded twisted paired，UTP）:價 格低廉，容易安裝，是最常用的傳輸介質(zhì)，一共有4股， 每股中的細(xì)線已固定的間隔彼此絞合在一起，絞合的目 的是低效電脈沖在傳輸介質(zhì)中所形成的電磁場。UTP被廣 泛用于局域網(wǎng)，傳輸距離理論上是100M，速率一般在 100MB/S 屏蔽雙絞線（Foil twisted pair，F(xiàn)TP）：帶寬較大， 抗干擾能力強(qiáng)，價格高，每一對雙絞線都有一個鋁箔屏 蔽層，四對線絞合在一起，還有一個共用的金屬編制屏 蔽層，是

5、7類線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。 雙絞線的做法雙絞線的做法 先來了解下水晶頭（RJ-45）的引腳，RJ-45有8根 針腳用于以太網(wǎng)，RJ-11只有4根針腳，用戶電話線。 EIA/TIA-568標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種連接標(biāo)準(zhǔn)，即EIA/TIA-568A 和EIA/TIA-568B，下面是兩種連接方式所對應(yīng)的線序： T568A： 綠-白 綠 橙-白 藍(lán) 藍(lán)-白 橙 棕-白 棕 綠 藍(lán) 橙 棕 T568B： 橙-白 橙 綠-白 藍(lán) 藍(lán)-白 綠 棕-白 棕 橙 藍(lán) 綠 棕 RJ-45引腳作用表 針腳編號針腳編號作用作用 針腳1發(fā)送 針腳2發(fā)送 針腳3接收 針腳4不使用 針腳5不使用 針腳6接收 針腳7不使用 針腳8不使用

6、雙絞線有雙絞線有3種類型種類型 直通線（Straight-through）：雙絞線兩端線序相同，主 要用與不同設(shè)備間的互連。 交叉線（Crossover）：雙絞線兩端線序不同，主要用 于相同設(shè)備間的互連。 全反線（Rollover）：雙絞線兩端線序完全相反，這種線 主要用戶對路由器和交換機(jī)進(jìn)行初始配置使用。 什么是網(wǎng)絡(luò)什么是網(wǎng)絡(luò)? 作為一個整體看待的、由相互連接的電路元件所 構(gòu)成的集(電力學(xué)角度) 在物理上或/和邏輯上,按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起 的多個節(jié)點(diǎn)和鏈路的集合（通信科學(xué)角度） 能交換信息的兩臺設(shè)備組成了最簡單的網(wǎng)絡(luò)! 郵政系統(tǒng)分層模型郵政系統(tǒng)分層模型 用戶 （寫信人） 用戶 （收信人）

7、 郵局郵局 運(yùn)輸部門運(yùn)輸部門 用戶間約定 郵局間約定 運(yùn)輸部門間約定 用戶與郵局 的約定 用戶與運(yùn)輸 部門的約定 用戶與郵局 的約定 用戶與運(yùn)輸 部門的約定 網(wǎng)際互連模型網(wǎng)際互連模型 OSI的概念 Open System Interconnect開放系統(tǒng)互連參考模型，是由 ISO（International Organization for Standardization國際 標(biāo)準(zhǔn)化組織）定義的。 OSI模型的目的 規(guī)范不同系統(tǒng)的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn) 提供不同廠商間的接口標(biāo)準(zhǔn) OSI模型分為七層 OSI把網(wǎng)絡(luò)按照層次分為七層，由下到上分別為物理層、數(shù) 據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。 網(wǎng)

8、絡(luò)分層的優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分層的優(yōu)點(diǎn) layer：描述了所有需求的有效的通訊過程，并把這些過程 邏輯上的組叫做層 分層的優(yōu)點(diǎn)： 1.各層間相互獨(dú)立.把復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)操作分成低復(fù)雜性單元 2.靈活性好.某一層變化不會影響到別層，設(shè)計(jì)者可專心設(shè) 計(jì)和開發(fā)模塊功能。促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作(多廠商的設(shè)計(jì)與研 發(fā)) OSIOSI參考模型體系結(jié)構(gòu)參考模型體系結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) OSI模型每層都有自己的功能集； 層與層之間相互獨(dú)立又相互依靠； 上層依賴于下層，下層為上層提供服務(wù) 4.傳輸層傳輸層 2.數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 3.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 1.物理層物理層 5.會話層會話層 6.表示層表示層 軟件工程師 網(wǎng)絡(luò)工程師 7.應(yīng)用層應(yīng)用層 OS

9、IOSI參考模型參考模型 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的過程是按照OSI參考模型的層次結(jié)構(gòu)運(yùn)動的 5.會話層會話層 6.表示層表示層 7.應(yīng)用層應(yīng)用層 4.傳輸層傳輸層 2.數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 1.物理層物理層 4.傳輸層傳輸層 2.數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 3.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 1.物理層物理層 5.會話層會話層 6.表示層表示層 7.應(yīng)用層應(yīng)用層 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 3.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 應(yīng)用層應(yīng)用層 應(yīng)用層的作用 為應(yīng)用軟件提供接口，使應(yīng)用程序能夠使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 常見的應(yīng)用層協(xié)議 http、ftp、smtp(簡單郵件傳輸協(xié)議)、pop3（郵局協(xié)議）、 telnet、dns等 應(yīng)用層 用戶 L7數(shù)據(jù) 到表示層 FTP 應(yīng)用

10、層 用戶 L7數(shù)據(jù) 到表示層 FTP 表示層表示層 表示層的作用： 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成接收設(shè)備可以接收的格式。 數(shù)據(jù)的解碼和編碼 數(shù)據(jù)的加密和解密 數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮 L7數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的編碼、 加密和壓縮 表示層 從應(yīng)用層 H6 L6數(shù)據(jù) 到會話層 L7數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的解碼、 解密和解壓 表示層 到應(yīng)用層 H6 L6數(shù)據(jù) 從會話層 會話層會話層 會話層的作用：建立、維護(hù)、管理應(yīng)用程序之 間的會話。 功能：主要由操作系統(tǒng)來完成，把不同的應(yīng)用程 序設(shè)置內(nèi)存區(qū)間，分配相應(yīng)的內(nèi)存，CPU資源， 保持不同的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。 L6數(shù)據(jù) 會話層 從表示層 syn L5數(shù)據(jù) 到傳輸層 synsyn H5 L6數(shù)據(jù)

11、會話層 到表示層 syn L5數(shù)據(jù) 從傳輸層 synsyn H5 傳輸層傳輸層 傳輸層的作用 負(fù)責(zé)建立端到端的連接，保證報(bào)文在端到端之間的傳輸，端口號 的確定 傳輸層的功能 服務(wù)點(diǎn)編址、分段與重組、連接控制、流量控制、差錯控制 L5數(shù)據(jù) 傳輸層 從會話層 H4 L4數(shù)據(jù) 到網(wǎng)絡(luò)層 H4H4 L4數(shù)據(jù) L4數(shù)據(jù) L5數(shù)據(jù) 傳輸層 到會話層 H4 L4數(shù)據(jù) 從網(wǎng)絡(luò)層 H4H4 L4數(shù)據(jù) L4數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的作用 負(fù)責(zé)將分組數(shù)據(jù)從源端傳輸?shù)侥康亩?網(wǎng)絡(luò)層功能 為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供邏輯地址（IP） 進(jìn)行路由選擇、分組轉(zhuǎn)發(fā) L4數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)層 從傳輸層 H3 包 L3數(shù)據(jù) 到數(shù)據(jù)鏈路層 L4數(shù)據(jù) 網(wǎng)

12、絡(luò)層 到傳輸層 H3 包 L3數(shù)據(jù) 從數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的作用 為網(wǎng)絡(luò)層提供透明和可靠的傳輸服務(wù)，在不可靠的物理鏈路上， 提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) 數(shù)據(jù)鏈路層的功能 組幀、物理編址、流量控制、差錯控制、接入控制 L3數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)鏈路層 從網(wǎng)絡(luò)層 H2T2 幀 L2數(shù)據(jù) 到物理層 L3數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)鏈路層 到網(wǎng)絡(luò)層 H2T2 幀 L2數(shù)據(jù) 從物理層 物理層物理層 物理層的作用 負(fù)責(zé)發(fā)送和接收二進(jìn)制信號 物理層功能 定義接口和媒體的物理特性 定義位的表示、數(shù)據(jù)傳輸速率、信號的傳輸模式 定義網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)?L2數(shù)據(jù) 0101010000111100 傳輸媒體傳輸媒體 物理層 從數(shù)據(jù)鏈

13、路層 L2數(shù)據(jù) 0101010000111100 到數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 允許接入網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用層應(yīng)用層 表示層表示層 會話層會話層 傳輸層傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 物理層物理層 建立、管理和終止會話 將分組從源端傳送到目的端； 提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 在媒體上傳輸比特； 提供機(jī)械的和電氣的規(guī)約 對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、 加密和壓縮 提供可靠的端到端的 報(bào)文傳輸和差錯控制 將分組數(shù)據(jù)封裝成幀； 提供節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)方式的傳輸 各層間的聯(lián)系各層間的聯(lián)系 封裝封裝 封裝 （ encapsulate/encapsulation）：數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行傳輸，要從高層一層一層的向下傳送，如果一個主 機(jī)要傳送數(shù)據(jù)到

14、別的主機(jī)，先把數(shù)據(jù)包裝到一個特殊協(xié) 議報(bào)頭中，這個給數(shù)據(jù)打包的過程就叫封裝 PDU PDU（protocol data unit):每一層使用自己層的 協(xié)議和別的系統(tǒng)的對應(yīng)層相互通信，協(xié)議層的協(xié) 議在對等層之間交換的信息叫協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 上三層 : message（消息） transport layer : segment(段) Network layer: packet(包) Data-link layer: Frame(幀) Physical layer: bit(位) Hello TCP/UDP報(bào)頭 IP報(bào)頭 LLC報(bào)頭 MAC 報(bào)頭FCS 應(yīng)用層 表示層 會話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈

15、 路層 物理層 LLC MAC 表示層 會話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈 路層 物理層 HelloTCP/UDP報(bào)頭IP報(bào)頭LLC報(bào)頭 MAC 報(bào)頭FCS 應(yīng)用層 LLC MAC 封裝過程封裝過程 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)頭數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)頭 源端口、 目的端口 源IP、目的 IP、協(xié)議號 二進(jìn)制流 “0、1” 傳輸層報(bào)頭傳輸層報(bào)頭 FCSFCS 沖突域沖突域 廣播域廣播域 沖突 （collision）：在以太網(wǎng)中，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時傳輸 數(shù)據(jù)時，從兩個設(shè)備發(fā)出的幀將會碰撞，在物理介質(zhì)上 相遇，彼此數(shù)據(jù)都會被破壞 沖突域（collision domain）一

16、個支持共享介質(zhì)的網(wǎng)段 廣播域 (broadcast domain)：廣播幀傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)范圍， 一般是路由器來設(shè)定邊界（因?yàn)閞outer不轉(zhuǎn)發(fā)廣播）。 中繼器：主要功能是通過對數(shù)據(jù)信號的重新發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)，來擴(kuò) 大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x（一個廣播域，一個沖突域） 集線器（HUB）：集線器的主要功能是對接收到的信號進(jìn)行再生 整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時把所有節(jié)點(diǎn)集中在以它 為中心的節(jié)點(diǎn)上。（一個廣播域，一個沖突域） 網(wǎng)橋：一種在鏈路層實(shí)現(xiàn)中繼，常用于連接兩個或更多個局域 網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（一個廣播域，分隔沖突域） 交換機(jī)：廣義上就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備 （一個廣播域，分隔沖突域） 路

17、由器：用來連接各種網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)路由到另 一個網(wǎng)絡(luò)。（分隔廣播域，分隔沖突域） 路由：把數(shù)據(jù)從源端移動到目的端的過程。 以太網(wǎng)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)定義了第一層和第二層技術(shù)，雖然以太網(wǎng)支持不 同的媒體、帶寬，但所有以太網(wǎng)的幀格式和地址的結(jié)構(gòu) 是相同的。1985年IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會為局域網(wǎng)和城域網(wǎng)制 定了標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)以802開頭，以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)是802.3 以太網(wǎng)在共享傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)中，有一種方法來避免沖 突，就是CSMA/CD CSMA/CD技術(shù)技術(shù) 載波偵聽多路訪問/沖突檢測 CSMA/CD（carrier sense multiple access/collision detect)：

18、 如果沒有 就發(fā)送但是還要監(jiān)聽線路，如有其他 主機(jī)想發(fā)送，就發(fā)出一個加強(qiáng)阻塞的JIM信號， 通知停止發(fā)送。作為對JIM信號的響應(yīng),網(wǎng)絡(luò)上的 節(jié)點(diǎn)會在試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)之前先等一會. 如果試圖15次之后還有沖突,試圖發(fā)送的節(jié)點(diǎn)將 會出現(xiàn)超時. 概括如下： 先聽后說，邊聽邊說； 一旦沖突，立刻停說； 等待時機(jī)，然后再說； （聽，即監(jiān)聽、檢測之意；說，即發(fā)送數(shù)據(jù)之意） MAC子層子層 MAC子層（子層（media access control):負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)MAC尋址和定義介質(zhì)訪問尋址和定義介質(zhì)訪問 控制方法；控制方法； MAC子層一般的訪問控制方式：子層一般的訪問控制方式： 1爭用式：沖突不可避免；爭用

19、式：沖突不可避免； CSMA/CD ；FCFS（first come first service) 2輪流式：訪問時間可預(yù)見，不發(fā)生沖突；但是要有輪流式：訪問時間可預(yù)見，不發(fā)生沖突；但是要有Token 令牌令牌 MAC子層協(xié)議有：子層協(xié)議有：802.3 802.5 FDDI（fiber distributed data interface)這三個這三個LAN技術(shù)的不同在于幀結(jié)構(gòu)和訪問機(jī)制的不同技術(shù)的不同在于幀結(jié)構(gòu)和訪問機(jī)制的不同 LLC子層子層 LLC子層（logical link control):為上層協(xié)議提供SAP （服 務(wù)訪問點(diǎn)），并為數(shù)據(jù)加上控制信息 LLC子層協(xié)議：802.2 802.2協(xié)議只在LLC子層，為以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)提供了通 用功能 SAP（ Serv