項(xiàng)目1 開啟網(wǎng)絡(luò)工程師之路

負(fù)責(zé)人：知識(shí)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1.1目錄1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展2網(wǎng)絡(luò)的組成3網(wǎng)絡(luò)的分類4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)5網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念將分布在不同地理位置并具有獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)通信設(shè)備和線路連接起來(lái)，在功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件支持下，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享和數(shù)據(jù)傳輸為目的的系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的歷史不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，它經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演變過(guò)程。一般將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展進(jìn)程分為以下4代，但這四個(gè)階段在時(shí)間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)是逐漸的，而非在某個(gè)日期發(fā)生了突變。1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展第1代面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代中期至60年代末期以單臺(tái)計(jì)算機(jī)為中心的遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)系統(tǒng)美國(guó)IBM公司在1963年投入使用的飛機(jī)訂票系統(tǒng)SABRE-1,就是這類系統(tǒng)的典型代表之一。以一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)為網(wǎng)絡(luò)的主體，將全美范圍內(nèi)的2000多個(gè)終端通過(guò)電話線連接到中央計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并完成了訂票業(yè)務(wù)。1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展第2代初級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代末期至70年代中后期。以交換機(jī)為通信子網(wǎng)的中心，并由若干個(gè)主機(jī)和終端構(gòu)成了用戶的資源子網(wǎng)。世界上公認(rèn)的第一個(gè)最成功的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是在1969年，由美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃局(Advanced

Research

ProjectAgency,ARPA)組織和成功研制的ARPAnet網(wǎng)絡(luò)，它具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)。ARPAnet網(wǎng)絡(luò)首先將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為“通信子網(wǎng)”和“資源子網(wǎng)”兩大部分，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的許多概念和方法都來(lái)源于它。1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展第3代開放式的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期至90年代中期。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在解決了計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了開放系統(tǒng)的互聯(lián)參考模型與協(xié)議，促進(jìn)了符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展?！伴_放式”是相對(duì)于那些只能符合獨(dú)家網(wǎng)絡(luò)廠商要求的各自封閉的系統(tǒng)而言的目前存在著兩種占主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，一種是ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的OSI(開放式系統(tǒng)互聯(lián))體系結(jié)構(gòu)，另一種是TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)體系結(jié)構(gòu)。1.1.1網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展第4代新一代綜合性、智能化、寬帶高速網(wǎng)絡(luò)在20世紀(jì)90年代初期，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與Internet

(即因特網(wǎng))向著全面互聯(lián)、高速和智能化發(fā)展，

并得到了廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)面臨的帶寬限制問(wèn)題更加突出，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題日益增加，多媒體信息(尤其是視頻信息)傳輸?shù)膶?shí)用化和因特網(wǎng)上IP地址緊缺等困難逐步顯現(xiàn)。第4代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是以千兆交換式以太網(wǎng)技術(shù)、ATM技術(shù)、幀中繼技術(shù)、波分多路復(fù)用等技術(shù)為基礎(chǔ)的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)為核心來(lái)建立的，其中的ATM技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)通信子網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)。1.1.2網(wǎng)絡(luò)的組成從組成部分來(lái)看一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要由硬件、軟件和協(xié)議三大部分組成，缺一不可。硬件主要由主機(jī)，通信鏈路、交換設(shè)備和通信處理機(jī)等組成。

軟件主要包括各種實(shí)現(xiàn)資源共享的軟件和方便用戶使用的各種工具軟件。

協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所遵循的規(guī)范。1.1.2網(wǎng)絡(luò)的組成從工作方式來(lái)看計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(主要指Internet)可分為邊緣部分和核心部分。邊緣部分由所有連接到因特網(wǎng)上、供用戶直接使用的主機(jī)組成，用來(lái)進(jìn)行通信(如傳輸數(shù)據(jù)、音頻或視頻)和資源共享。核心部分由大量的網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器組成，它為邊緣部分提供連通性和交換服務(wù)。1.1.2網(wǎng)絡(luò)的組成從功能組成來(lái)看一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)構(gòu)成的。資源子網(wǎng)負(fù)責(zé)信息處理,通信子網(wǎng)負(fù)責(zé)全網(wǎng)中的信息傳遞。1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理范圍分類廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork,WAN），也稱遠(yuǎn)程網(wǎng)。通常是幾十千米到幾千千米的區(qū)域城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork,MAN）。覆蓋范圍跨越幾個(gè)街區(qū)甚至整個(gè)城市，覆蓋范圍約5~50km。

局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork,LAN）。范圍幾十米到幾千米的區(qū)域。

個(gè)人區(qū)域網(wǎng)

(Personal

Area

Network,PAN)，就是在個(gè)人工作的地方把屬于個(gè)人使用的電子設(shè)備(

如便攜式電腦等)用無(wú)線技術(shù)連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，其范圍很小，大約在10

m左右。1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按傳輸技術(shù)分類根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以分為“廣播式網(wǎng)絡(luò)”和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)”兩個(gè)大類廣播網(wǎng)絡(luò)(

Broadcasting

Network

)中的計(jì)算機(jī)或設(shè)備使用一個(gè)共享的通信介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能收到任何節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(

Point

to

Point

Network

)中的計(jì)算機(jī)或設(shè)備以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可能有多條單獨(dú)的鏈路1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有如下幾種：總線型、星型、環(huán)型、樹型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按使用者分類根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用類型，可以把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為公用網(wǎng)和專用網(wǎng)。公用網(wǎng)（PublicNetwork）。也稱公眾網(wǎng)。一般由電信部門組建、管理和控制，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳輸和交換裝置可以租給任何部門和單位使用。專用網(wǎng)（PrivateNetwork）。指某個(gè)部門為滿足本單位特殊業(yè)務(wù)需要而建造的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)不向本單位以外人提供服務(wù)。如鐵路、典禮、軍隊(duì)等部門專用網(wǎng)絡(luò)。1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按交換技術(shù)分類根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的交換功能，可以將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為電路交換網(wǎng)、報(bào)文交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)。電路交換網(wǎng)絡(luò)，在源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間建立起一條專用的通路用于傳輸數(shù)據(jù)。最典型的電路交換網(wǎng)是傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)。報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)，也稱存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。用戶數(shù)據(jù)加上源地址、目的地址、校驗(yàn)碼等輔助信息，封裝成報(bào)文傳送到相鄰結(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

分組交換網(wǎng)絡(luò)，也稱包交換網(wǎng)絡(luò)。其原理是將數(shù)據(jù)分成較短的固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊，在每個(gè)數(shù)據(jù)塊中加上目的地址、源地址等輔助信息組成分組（包），以儲(chǔ)存-轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸。三種交換技術(shù)對(duì)比1.1.3網(wǎng)絡(luò)的分類按傳輸介質(zhì)分類按傳輸介質(zhì)可分為有線和無(wú)線兩大類。有線網(wǎng)絡(luò)可分為雙絞線網(wǎng)絡(luò)、同軸電纜網(wǎng)絡(luò)等。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可分為藍(lán)牙、微波、無(wú)線電等類型。有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)帶寬“帶寬”(bandwidth)本來(lái)是指信號(hào)具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語(yǔ)，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。更常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)——帶寬在時(shí)間軸上信號(hào)的寬度隨帶寬的增大而變窄。1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)吞吐量吞吐量(throughput)表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。吞吐量更經(jīng)常地用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測(cè)量，以便知道實(shí)際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限制。1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)時(shí)延發(fā)送時(shí)延發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀從結(jié)點(diǎn)進(jìn)入到傳輸媒體所需要的時(shí)間。也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)比特算起，到該幀的最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間。1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)——時(shí)延傳播時(shí)延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。信號(hào)發(fā)送速率和信號(hào)在信道上的傳播速率是完全不同的概念。1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)——時(shí)延處理時(shí)延交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長(zhǎng)短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延之和：1.1.4網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)——時(shí)延四種時(shí)延所產(chǎn)生的地方，從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)

1.1.5網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用數(shù)據(jù)傳送資源共享

提高計(jì)算機(jī)的可靠性和可用性

易于進(jìn)行分布式處理網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與協(xié)議1.2目錄1TCP/IP體系結(jié)構(gòu)2IP協(xié)議3傳輸層協(xié)議4其他常見協(xié)議1.2.1TCP/IP體系結(jié)構(gòu)相互通信的兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱?fù)雜的問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問(wèn)題，而這些較小的局部問(wèn)題就比較易于研究和處理?，F(xiàn)今規(guī)模最大的、覆蓋全球的、基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)并未使用OSI標(biāo)準(zhǔn)。圖1?2TCP/IP四層協(xié)議的表示方法舉例1.2.1TCP/IP體系結(jié)構(gòu)圖1?3TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的另一種表示方法圖1?4沙漏計(jì)時(shí)器形狀的TCP/P協(xié)議簇示意圖1.2.2IP協(xié)議IP協(xié)議的簡(jiǎn)介IP(InternetProtocol)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中的核心協(xié)議。IP協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)包(Packet)中的IP地址，為上層協(xié)議提供一種無(wú)連接(Connection-less),盡力而為(Best-effortDelivery)的數(shù)據(jù)傳輸功能。圖1?5IP數(shù)據(jù)傳送上傳來(lái)的數(shù)據(jù)1.2.2IP協(xié)議IP協(xié)議的功能

①將上層數(shù)據(jù)(如TCP,

UDP數(shù)據(jù))或同層的其他數(shù)據(jù)(如ICMP數(shù)據(jù))封裝到IP數(shù)據(jù)報(bào)中。②將IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送到最終目的地。③為了使數(shù)據(jù)能夠在鏈路子上進(jìn)行傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段。④確定數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)中的目的地的路徑。1.2.2IP協(xié)議IP數(shù)據(jù)報(bào)格式1.2.2IP協(xié)議IP地址的分類類別網(wǎng)絡(luò)位主機(jī)位地址范圍私有地址段A824-55-5B1616-55-55C248-55-55D

-55

E

-55

傳輸端口傳輸層如何識(shí)別多個(gè)不同應(yīng)用進(jìn)程？在TCP/IP協(xié)議中采用端口，為每一端口分配一個(gè)端口號(hào)，是應(yīng)用進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí)。TCP和UDP都使用端口進(jìn)行尋址，它們分別擁有自己的端口號(hào)，這些端口號(hào)可以共存一臺(tái)主機(jī)而互不干擾。TCP/IP的端口值長(zhǎng)度為16位，取值范圍0~65535。端口的分配方式有兩種，一是保留端口，二是自由端口。小于1024的端口號(hào)為保留端口，保留端口采用全局分配方式。

傳輸端口常見熟知的TCP端口常見熟知的UDP端口

TCP協(xié)議TCP協(xié)議的簡(jiǎn)介TCP(TransmissionControlProtocol)是傳輸控制協(xié)議的縮寫，是一種面向連接、提供可靠傳輸服務(wù)的傳輸層協(xié)議。基于TCP協(xié)議的上層協(xié)議包括SMTP，Telnet，HTTP，F(xiàn)TP等。

TCP協(xié)議TCP協(xié)議的功能①建立和釋放連接；②基本數(shù)據(jù)傳輸；③可靠性控制；④多路復(fù)用。

TCP協(xié)議TCP報(bào)文格式UDP協(xié)議UDP協(xié)議的簡(jiǎn)介UDP(UserDatagramProtocol)是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的縮寫，是一種無(wú)連接、提供盡最大努力交付的傳輸層協(xié)議?；赨DP協(xié)議的上層協(xié)議包括TFTP，SNMP，DHCP，NTP等。UDP協(xié)議圖1?8UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)的首部和偽首部地址解析協(xié)議ARPARP協(xié)議的簡(jiǎn)介地址解析協(xié)議，即ARP（AddressResolutionProtocol），是根據(jù)IP地址獲取物理地址的一個(gè)TCP/IP協(xié)議。其出現(xiàn)的原因是在以太網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)的傳輸所依賴的是MAC地址而非IP地址。圖1?9ARP協(xié)議的作用地址解析協(xié)議ARP

在網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)層中，同一中的一臺(tái)要和另一臺(tái)進(jìn)行通信，需要通過(guò)MAC地址進(jìn)行，然后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。而在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層中，之間是通過(guò)IP地址目標(biāo)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文只包含目標(biāo)的IP地址，而沒有MAC地址。

因此，在發(fā)送之前需要根據(jù)IP地址獲取MAC地址，然后才能將數(shù)據(jù)包發(fā)送到正確的目標(biāo)，而這個(gè)獲取過(guò)程是通過(guò)協(xié)議完成的。為什么需要ARP地址解析協(xié)議ARPARP協(xié)議的工作流程主機(jī)B向A發(fā)送ARP響應(yīng)分組主機(jī)A廣播發(fā)送ARP請(qǐng)求分組

地址解析協(xié)議ARP地址解析協(xié)議ARP在請(qǐng)求目標(biāo)的MAC地址時(shí)，每次獲取目標(biāo)MAC地址都需要發(fā)送一次請(qǐng)求，然后根據(jù)響應(yīng)獲取到MAC地址。為了避免重復(fù)發(fā)送請(qǐng)求，每臺(tái)都有一個(gè)高速緩存。當(dāng)?shù)玫巾憫?yīng)后，將目標(biāo)的IP地址和物理地址存入本機(jī)緩存中，并保留一定時(shí)間。只要在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，下次請(qǐng)求MAC地址時(shí)，直接查詢緩存，而無(wú)須再發(fā)送請(qǐng)求，從而節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源。ARP緩存

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMPICMP協(xié)議的簡(jiǎn)介ICMP（InternetControlMessageProtocol）Internet控制報(bào)文協(xié)議。它是TCP/IP協(xié)議簇的一個(gè)子協(xié)議，用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對(duì)于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMPICMP報(bào)文格式

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMPICMP報(bào)文種類認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)工程師工作環(huán)境1.3目錄1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知2網(wǎng)絡(luò)工程師常見軟硬件1.3.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知交換機(jī)交換機(jī)是一種基于MAC

(網(wǎng)卡的硬件地址)識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。工作在數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中。1.3.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備認(rèn)知路由器路由器(Router）是網(wǎng)絡(luò)之間互連的設(shè)備，工作在網(wǎng)絡(luò)層。路由器通過(guò)路由決定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)策略稱為路由選擇(Routing