《计算机网络实验教程》-第1章

1、 ISBN 7-5084-3131-6 第第第第第第1 1 1章章章章章章 计算机网络引论计算机网络引论计算机网络引论计算机网络引论计算机网络引论计算机网络引论 学习要点：学习要点：计算机网络协议的层次划分方法及计算机网络的拓扑结构TCP/IP协议中的一些基本概念。网络测试的一些基本命令Cisco路由器与交换机的一些基本概念 1.1 计算机网络的基本概念计算机网络的基本概念 1. 计算机网络的定义 把分布在不同地理位置上的具有独立功能的多把分布在不同地理位置上的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备在物理上互连，按照台计算机、终端及其附属设备在物理上互连，按照网络协议相互通信，以共享硬件、

2、软件和数据资源网络协议相互通信，以共享硬件、软件和数据资源为目标的系统称作计算机网络。为目标的系统称作计算机网络。 2. 计算机网络的功能 （1）数据通信 传输文件。电子邮件（E-mail）。（2）资源共享资源共享包括硬件、软件和数据资源的共享。 2. 计算机网络的功能 （1）数据通信 传输文件。电子邮件（E-mail）。（2）资源共享资源共享包括硬件、软件和数据资源的共享。 （3）计算机系统可靠性和可用性的提高）计算机系统可靠性和可用性的提高（4）易于进行分布处理）易于进行分布处理开放系统互连基本参考模型开放系统互连基本参考模型OSI/RM 。“开放开放”是指按照是指按照OSI参考模型建立的

3、任意两系统之参考模型建立的任意两系统之间的连接或操作。间的连接或操作。 “系统系统”是指计算机、终端、外部设备、信息传是指计算机、终端、外部设备、信息传输设备、操作员及相应的集合；输设备、操作员及相应的集合；当一个系统能按照当一个系统能按照OSIOSI标准与另一个系统进行通信标准与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。时，就称该系统为开放系统。 开放系统互连基本参考模型开放系统互连基本参考模型OSI/RM好处：好处：（1 1）各层之间是独立的。）各层之间是独立的。（2 2）灵活性好。）灵活性好。（3 3）结构上可分割开。）结构上可分割开。（4 4）易于实现和维护。）易于实现和维护。（5

4、5）能促进标准化工作。）能促进标准化工作。开放系统互连基本参考模型开放系统互连基本参考模型主要功能主要功能：1. 1. 物理层物理层 物理层传输数据的单位是比特。物理层传输数据的单位是比特。物理层主要关心的是在连接各种计算机的传输媒体物理层主要关心的是在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流。上传输数据的比特流。 2. 数据链路层数据链路层 数据链路层传输数据的单位是帧。数据链路层传输数据的单位是帧。数据帧的帧格式中包括的信息有：地址信息、数据帧的帧格式中包括的信息有：地址信息、控制信息、数据信息、校验信息。控制信息、数据信息、校验信息。 数据链路层的主要作用是通过数据链路层协议数据链路层

5、的主要作用是通过数据链路层协议（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。现可靠的数据传输。 2. 数据链路层数据链路层 数据链路层要解决以下一些主要问题：数据链路层要解决以下一些主要问题：（1）代码透明性的问题。）代码透明性的问题。（2）流量控制的问题。）流量控制的问题。 （3 3）帧重复问题。）帧重复问题。 3. 网络层网络层网络层传送的数据单位是报文分组或数据包。网络层传送的数据单位是报文分组或数据包。 网络层的主要功能是路由选择。网络层的主要功能是路由选择。一个好的路由选择应有以下特点：一个好的路由选择应有以下特点： 信息传

6、送所用时间最短；信息传送所用时间最短； 使网络负载均衡；使网络负载均衡； 通信量均匀；通信量均匀；路由选择算法应简单易实现，可适应网络拓扑路由选择算法应简单易实现，可适应网络拓扑的变化。的变化。 4. 运输层运输层运输层的基本功能是从会话层接收数据报文运输层的基本功能是从会话层接收数据报文 。互连网所采用的互连网所采用的TCP/IP协议中的协议中的TCP（传输控制协（传输控制协议）协议就是属于运输层。议）协议就是属于运输层。 5. 会话层会话层 会话层就是用户和网络的接口，这是进程到进程会话层就是用户和网络的接口，这是进程到进程之间的通信。之间的通信。 会话层的主要功能：允许在不同主机上的各种

7、会话层的主要功能：允许在不同主机上的各种进程间进行会话。进程间进行会话。 6. 表示层表示层 表示层管理抽象数据结构，并且在计算机内部表示表示层管理抽象数据结构，并且在计算机内部表示和网络的标准表示法之间进行转换。和网络的标准表示法之间进行转换。表示层的另一功能是数据的加密和解密，为了防止表示层的另一功能是数据的加密和解密，为了防止数据在通信子网中传输时被敌意地窃听和篡改数据在通信子网中传输时被敌意地窃听和篡改 7. 应用层应用层应用层是计算机网络与最终用户的界面，为网络用应用层是计算机网络与最终用户的界面，为网络用户之间的通信提供专用的程序。户之间的通信提供专用的程序。 应用层的另一个功能是

8、文件传输协议应用层的另一个功能是文件传输协议FTP。 传输媒体也称为传输介质或传输媒介。传输媒体也称为传输介质或传输媒介。 数据的传输介质指传送信息的载体，即通信线路。数据的传输介质指传送信息的载体，即通信线路。常见的传输介质：常见的传输介质： 双绞线、同轴电缆、光纤。双绞线、同轴电缆、光纤。1. 双绞线双绞线 双绞线是一种由双绞线是一种由4对线（即对线（即8根线）组成的，其根线）组成的，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 一般来说，双绞线电缆中的一般来说，双绞线电缆中的8根线是成对使用根线是成对使用的，而且每一对都相互绞合在一起，绞合的目的是的，而

9、且每一对都相互绞合在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。为了减少对相邻线的电磁干扰。 1. 双绞线双绞线 表1-1 双绞线的引脚定义线路线号12345678线路色标白橙橙白绿蓝白蓝绿白褐褐引脚定义Tx+Tx-Rx+ Rx- 1. 双绞线双绞线 另外，双绞线适合于传输基带信号，也可用来传输另外，双绞线适合于传输基带信号，也可用来传输频带信号。频带信号。2.4.2 同轴电缆 同轴电缆的结构，它的中央是铜质的芯线，铜质的芯线外包着一层绝缘层，绝缘层外是一层网状编织的金属丝作外导体屏蔽层,屏蔽层把电线很好地包起来，再往外就是外包皮的保护塑料外层了 内 导 体 铜 芯 线绝 缘 层外 导 体

10、屏 蔽 线塑 料 保 护 外 层 目前经常用于局域网的同轴电缆有二种：一种是50的电缆，只用于数字信号发送，称为基带同轴电缆；另一种是用于频分多路复用FDM的模拟信号发送，阻抗为75的电缆，称为宽带同轴电缆。3 光纤 光纤是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，一根光缆中包含有多条光纤。光纤上是利用有光脉冲信号表示1，没有光脉冲来表示0。光纤通信系统是由光端机、光纤（光缆）和光纤中继器组成。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类（所谓“模”是指以一定的角度进入光纤的一束光）。 光纤不仅具有通信容量非常大的特点，而且还具有其他的一些特点：抗电磁

11、干扰性能好；保密性好，无串音干扰；信号衰减小，传输距离长；抗化学腐蚀能力强。1.2.1 TCP/IP协议的层次化分 TCP/IP体系共分成四个层次。它们分别是：网络接口层、网际层、运输层和应用层。 1.2.1 TCP/IP协议的层次化分1. 网络接口层网络接口层与OSI参考模型的网络层、数据链路层和物理层相对应.TCP/IP对网络接口层没有给出具体的规定。 1.2.1 TCP/IP协议的层次化分2. 网际层网际层有5个主要的协议：网际协议IP、Internet控制报文协议ICMP、互连网组管理协议IGMP、地址解析协议APR和逆地址解析协议RARP。 网际层的主要功能是使主机可以把分组发往任何

12、网络并使分组独立地传向目标（可能经由不同的网络）。 1.2.1 TCP/IP协议的层次化分3. 运输层TCP/IP的运输层提供了两个主要的协议，即传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，它的功能是使源主机和目的主机的对等实体之间可以进行会话。 1.2.1 TCP/IP协议的层次化分4. 应用层在TCP/IP体系结构中并没有OSI的会话层和表示层，TCP/IP把它都归结到应用层。所以，应用层包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传送协议（SMTP）和域名服务（DNS）等等。 1.2.2 IP协议1. IP地址IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段：

13、（1）分类的IP地址；（2）子网的划分；（3）构成超网。 1.2.2 IP协议1. IP地址在Internet上路由的方法是：先按IP地址中的网络ID号找到相应的网络，再在这个网络上利用主机ID号找到相应的主机。 IP地址为32位地址，一般以4个字节表示。每个字节的数字又用十进制表示，即每个字节的数的范围是 0 2 5 5 ， 且 每 个 数 字 之 间 用 点 隔 开 ， 例 如 ：55，这种标记方法称为“点分”十进制记号法。1.2.2 IP协议2. IP地址的分类1.2.2 IP协议特殊的IP地址 回传地址 广播地址网络地址私有地址的范围是： 10.

14、255.255.254 （A类）； 54 （B类）； 54 （C类）。1.2.2 IP协议3. IP数据报的格式 1.2.3 划分子网和超网1. 子网及子网掩码（1）子网子网是指在一个IP地址上生成的逻辑网络 .IP地址结构变成如下三层结构： 1.2.3 划分子网和超网（2）子网掩码。子网掩码是一个32位地址，它用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络ID和主机ID；用来将网络分割为多个子网；判断目的主机的IP地址是在本局域网或是在远程网。 1.2.3 划分子网和超网（2）子网掩码。具体的运算步骤如下：例如：

15、的二进制表示为 11000000 10101000 01100101 00000101B；子网掩码为，其二进制值为11111111 11111111 11111111 00000000，则当和进行逻辑与运算.1.2.3 划分子网和超网例如，某单位需要构建4个分布于不同地点的局域网络，每个网络都各有约20台主机，而其仅向NIC申请了一个C类的网络ID号，其号码为202.204.60。给出子网掩码,并分配各网络地址.1.2.3 划分子网和超网2. IP路由路由是数据从一个节点传输到另一个节点的过

16、程。 在网络中要实现IP路由必须使用路由器 1.2.3 划分子网和超网3. 超网几个网络合并成为一个超网。使用这种方法时，一个机构可申请一组C类地址块，而不是申请一个C类地址。（1）指派地址从这些地址块构成一个超块（superblock），使得每一个路由器的路由表中只有一个项目。 1.2.3 划分子网和超网3. 超网（2）超网掩码当一个机构把分配到的几个地址块组合成一个超块时，需要知道这个块的第一个地址和超网掩码。其中超网掩码可以确定构成超网的地址范围。某超网的第一个地址是：，而超网掩码是，问这个超网有几个地址块？地址的范围是多少？ 1.2.3

17、 划分子网和超网4. 无分类编址 无分类域间路由选择CIDR（Classless Inter-Domain Routing）。CIDR的主要特点是： （1）CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念 （2）CIDR将网络前缀都相同的连续IP地址组成“CIDR地址块”。 1.2.4 ARP和RARP协议 1. 什么是ARP协议 ARP协议是“Address Resolution Protocol”（地址解析协议）的缩写。 “地址解析”就是主机在发送数据帧之前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通

18、信的顺利进行。 1.2.4 ARP和RARP协议 2. ARP协议的数据报格式1.2.4 ARP和RARP协议 3. ARP数据报的封装 1.2.4 ARP和RARP协议 4. APR的工作原理 当主机A欲向本局域网上的主机B发送一个IP数据报时，先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址，若有，就可查出其对应的物理地址，将物理地址写入MAC帧，然后通过局域网发送此物理地址。1.2.4 ARP和RARP协议 5. ARP命令（1）arp -a或arp g用于查看高速缓存中的所有项目。（2）arp -a IP如果有多个网卡，那么使用arp -a加上接口的IP地址，就可以只显示与该接口相关的A

19、RP缓存项目。（3）arp -s IP 物理地址可以向ARP高速缓存中人工输入一个静态项目。（4）arp -d IP使用本命令能够人工删除一个静态项目。1.2.4 ARP和RARP协议 6. RARP协议RARP协议是无盘工作站在引导时用来获取IP地址的 RARP服务器有一个事先做好的从无盘工作站的硬件地址到IP地址的映射表，当收到某个主机发送的RARP请求分组后，RARP服务器就从这映射表查出该无盘工作站的IP地址，然后写入RARP响应分组，发回给无盘工作站。无盘工作站用此方法获得自己的IP地址。 1.2.5 TCP和UDP协议1. 用户数据报协议UDP（1）UDP概述UDP是在IP数据报的

20、基础上加了端口和差错检测功能。UDP的优点如下：发送数据之前不需要建立连接。UDP没有拥塞控制，也不保证可靠交付。UDP用户数据报只有8个字节的首部开销。由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。1.2.5 TCP和UDP协议（2）用户数据报首部格式1.2.5 TCP和UDP协议2. 传输控制协议TCPTCP是运输层中面向连接的协议，提供全双工的和可靠交付的服务。TCP的数据传送单位称为“报文段”，记为TPDU。1.2.5 TCP和UDP协议（2）TCP的运输连接管理TCP是运输层中面向连接运输连接就有三个阶段：连接建立、数据传送、连接释放。 采用三次握手.1.3.

21、1 Ping命令测试当前主机到目的主机的网络连接状态测试当前主机到目的主机的网络连接状态。Ping命令在Windows中的使用语法如下：ping -t -a -n count -l size -f -i TTL -v TOS -r count -s count -j host-list | -k host-list-w timeout target_name1.3.3 Tracert命令 tracert 最常见的用法如下： tracert IP address -d 1.3.4 netstat命令netstat命令语法格式如下：netstat -r -s -n -a1.3.5 Route命令Route命令的