第一章计算机组网计算机网络概述要点课件

1、计算机组网技术12第一章 计算机网络概述 3学习目标 理解OSI参考模型的结构掌握TCP/IP参考模型结构了解计算机网络的分类掌握IPv4的地址的组成、分类和子网划分的方法掌握用VLSM的计算子网的方法了解IPv6的基本概念4主要章节1.1 OSI参考模型 1.2 TCP/IP参考模型 1.3 计算机网络的分类 1.4 IP地址 5计算机网络定义 以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合 即利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和数据通信的系统。 61.1 OSI参考模型 1984年国际标准化组织 ISO正式

2、颁布了OSI RM（Open System Interconnection Basic Reference Model，开放系统互连基本参考模型）标准，即著名的OSI七层模型。 OSI参考模型是一个纯理论分析的参考模型，而非实际的网络 该标准的制定和完善大大加速了计算机网络的发展 71.1.1 OSI参考模型计算机网络的分层结构具有以下优点。 (1)各层的功能明确，并且相互独立，可以阻止因为某一层的改变所引起的其他层的改变。 (2)在不同的层之间提供标准接口，便于公司集中精力进行某一层的产品开发，通过接口和其他公司开发的产品协调工作，有利于市场竞争和产品优化，更好地体现了开放性和标准化，并确保

3、不同类型的网络技术之间具有更好的兼容性和互操作性，。 (3)通过分层，可以将网络这样一个复杂的系统分解为若干相对简单的小便于学习和研究。OSI的每层都有自己的功能集，层与层之间既保持相互独立，又相互依靠，避免一个协议层的技术或功能变化而影响相邻的其他层。891.1.2. OSI的分层模型 1 物理层（Physical Layer） 物理层，位于OSI最底层，直接与传输介质相连主要作用是在传输介质上传送各种数据的比特流规定了介质的物理和电气属性，连接器的机械性能、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性 物理层包括物理上链接网络的媒介（如线缆、接口），在物理层传输电器信号的载体称为位或比

4、特流。101.1.2. OSI的分层模型 2 数据链路层（Data Link Layer） 为网络层服务，主要作用是把从网络层接收到的数据分割成数据帧。 数据帧中包含物理地址，即MAC地址、控制码、数据及校验码等信息。该层的协议数据单元为帧（Frame）。 111.1.2. OSI的分层模型 3 网络层（Network Layer） 网络层为传输层提供服务，协议数据单元为数据报，也称分组，主要作用确保每一个分组能够从源端传送到目的端。网络层协议，主要包括Internet协议(IP )、网间分组交换（IPX）、Apple计算机网络协议（AppleTalk）等 该层的协议数据单元为数据报，或分组(

5、Packet) 121.1.2. OSI的分层模型 4 传输层（Transport Layer）为终端设备之间的数据通信定义了分段、传输和重组服务，负责将报文准确、可靠、有顺序地从源端传送到目的端 包括传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP该层的协议数据单元为段（Segment） 131.1.2. OSI的分层模型 5 会话层（Session Layer） 负责会话的控制和同步。负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。 会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。 141.1.2. OSI的分层

6、模型 6 表示层（Presentation Layer） 对应用层数据进行编码与转换，提供数据的解码和编码，对传输数据进行加密和解密，对数据进行压缩和解压。它是应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。 151.1.2. OSI的分层模型 7 应用层（Application Layer）该层为应用程序提供接口，从而使得应用程序能够使用网络服务。常见的应用层协议包括：FTP、SMTP、Telnet协议等 161.1.3. OSI参考模型中的数据传输 171.2 TCP/IP参考模型 传输控制协议/Internet协议（T

7、ransmission Control Protocol，TCP/IP）是在20世纪70年代作为美国国防部（DoD)研究项目的一部分提出来的，其目的想让分组在任何时间，任何情况下，从任何地方到达任何目标位置。 TCP/IP协议已成为计算机网络体系结构事实上的实际标准，已成为业内公认的事实标准。 181.2.1 TCP/IP参考模型简介 1. TCP/IP参考模型 191.2.1 TCP/IP参考模型简介2. 数据的封装和解封装封装 封装(Encapsulation)就是在数据传输之前，在上一层的数据前面添上必要的协议信息，即报头。有些情况也会在尾部添加报尾。这就是所谓的封装。 当数据沿着TCP

8、IP参考模型结构向下传递时，会给数据添上数据报头和报尾。报头和报尾包含控制信息，以确保数据能够正确传送到接收方。封装包括下列几个步骤。(1)创建数据：例如，用户发送电子邮件时，邮件中的字母、数字字符需要转换为能够在网络上传输的数据。(2)在传输层将数据分段：为每个数据段都添加一个传输层报头。(3)在网络层添加IP地址信息：将传输层收到的数据分段，放人数据报(Packet)或分组中。(4)在数据链路层添加帧头和帧尾：每台网络设备(包括发送端主机)都会将数据报添加帧头和帧尾，封装为帧。(5)在物理层将数据转换为可以传输的比特：为了在介质上传输，帧被转换为只包含1和0的比特流。 2)解封装 在目的端

9、的设备接收到0、1比特流，将进行解封装(DeEncapsulation)。其过程和封装过程正好相反。当比特流到达数据链路层，将检查目标MAC地址是否和本设备的MAC地址相匹配，如果一致，将剥离帧头和帧尾，然后将数据上传至网络层。如果MAC地址不一致，则丢弃该帧。网络层、传输层收到数据后也会执行一个解封装的过程，直到数据到达应用层。2021数据封装的过程221.2.2 网络接口层 网络接口层又称为主机到网络层该层定义了计算机和网络设备是如何访问物理介质，向另一台网络设备发送0、1比特流。网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应，包括局域网和广域网技术。 231.2.3 网际互联层

10、网际互联层负责数据的传输该层使用网络层地址，即IP地址来选择数据传输的路径网际互联层对应OSI参考模型的网络层 网际互联层定义了许多协议，主要包括网际协议(Internet Protocol，IP)、地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)、反向地址解析协议(Reverse Address Resolution Protocol，RARP)和互联网控制报文协议(Internet Control Message Protocol，ICMP)。决定最佳路径和分组交换都是在该层完成。241.2.4 传输层 传输层对应于OSI参考模型的传输层，主要提供端到端的数据

11、传输服务。 1. 传输控制协议（TCP协议） 2. 用户数据报协议（UDP协议） 3. 端口号 251.2.4 传输层1. TCP协议 TCP提供一种可靠的面向连接的数据传输服务TCP通过三次握手机制、序列号、确认号和滑动窗口来实现可靠传输。26TCP “三次握手” 图中Seq代表TCP段首部中的“序号（Sequence Number）”：是TCP段所发送的数据部分第一个字节的序号。在TCP传送的数据流中，每一个字节都有一个序号。建立连接时，发送方将初始序号（Initial Sequence Number, ISN）填写到第一个发送的TCP段序号中。图中Ack代表TCP段首部中的“确认号”：是

12、期望收到对方下次发送的数据的第一个字节的序号，也就是期望收到的下一个TCP段的首部中的序号，等于已经成功收到的TCP段的最后一个字节序号加1。确认号在ACK标志为1时有意义，除了主动发起连接的第一个TCP段不设置ACK标志外，其后发送的TCP段都会设置ACK标志。三次握手的具体过程阐述如下：1.客户端主动与服务器联系，TCP首部控制位中的SYN设置为1，发送带有SYN的TCP段，并把初始序号告诉对方。2. 服务器端收到带有SYN的报文，记录客户端的初始序号，选择自己的初始序号，设置控制位中的SYN和ACK。因为SYN占用一个序号，所以确认序号设置为客户端的初始序号加1，对客户端的SYN进行确认

13、。3. 服务器端的报文到达客户端，客户端设置ACK控制位，并把确认号设为服务器的初始序号加1，以确认服务器的SYN报文段，这个报文只是确认信息，告诉服务器已经成功建立了连接。271.2.4 传输层2. UDP协议UDP是一种无连接、不可靠的传输层协议，数据报在发送过程中不需要建立连接。 UDP不提供重传和流量控制机制，开销小，延迟少UDP是音频、视频流和VoIP等实时性要求高的应用程序的首选281.2.4 传输层3. 端口号端口是每个数据段内用于跟踪特定会话和所需目标服务的数字标识符。TCP和UDP报头中的端口号字段占16位，端口编号的取值范围是从065535。01023为公认端口，用于特定的

14、应用程序。 29常用的应用层协议及对应的的端口号 301.2.5 应用层 HTTP协议 即超文本传输协议，是一种Internet的基本协议，用于传输WWW网页文件。 FTP协议 即文件传输协议，是一种可靠的、面向连接的服务，用于客户端和服务器之间的文件传输。 311.2.5 应用层-2TELNET协议 是远程登录协议，也称为远程终端访问协议，用于远程访问服务器和网络设备。 SMTP/POP协议 SMTP是简单邮件传送协议，用于传输邮件及其附件信息。 电子邮件客户端使用POP协议从电子邮件服务器接收电子邮件消息。常用的POP3指的是第三版邮局协议。 321.2.5 应用层-3DNS 即域名服务器

15、，负责将主机名连同域名转换为IP地址。 DHCP 即动态主机配置协议，主要作用是为客户机分配动态的IP地址、子网掩码、网关以及其它IP网络参数，从而提供安全、可靠的TCP/IP网络配置。 331.2.6 TCP/IP模型和OSI模型的异同点 1. 相似点都采用分层的结构具有相似的传输层和网络层功能2. 不同点 OSI模型上三层的功能与TCP/IP模型的应用层功能对应。 OSI模型的底下两层论述处理物理网络访问以及本地网络主机之间的比特传输。 TCP/IP模型基于实际制定的协议和标准，而OSI模型并没有实际的协议341.3 计算机网络的分类 按照网络覆盖的的地理范围可分为局域网、城域网和广域网；

16、按照网络所使用的传输技术可分为广播式网络和点对点网络按照网络的拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形和网状形等；351.3.1 按网络的地理覆盖范围分类 1. 局域网（LAN， Local Area Network） 指一个本地网络，或者一组相互连接、接受统一管理的本地网络，在一个有限的地理范围内进行资源共享和信息交换，覆盖范围一般在几公里以内。 局域网通常使用以太网或无线网络协议，具有高数据传输速率（10Mbps10Gbps）、低误码率、组建方便、使用灵活等特点。361.3.1 按网络的地理覆盖范围分类 2.广域网（WAN，Wide Area Network）地理覆盖范围可以从几十公里到几千

17、公里利用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网将分布于不同地理位置的LAN互连起来。Internet（互联网）已成为全球最大的广域网。广域网的特点：传输距离远，通信速率比局域网低，误码率比局域网高。371.3.1 按网络的地理覆盖范围分类 3.城域网 （MAN，Metropolitan Area Network）覆盖的地理范围介于局域网与广域网之间，其目的是在一个较大的地理区域内提供数据，其范围可覆盖一个城市或几十千米内多个LAN。目前，城域网以宽带光传输网为平台，以TCP/IP协议为基础，通过网络互联设备，实现大量用户之间的数据、语音、图形和视频等多种信息传输的服务。381.3.2 按网络传

18、输技术分类1. 广播式网络 所有联网的计算机都共享一个公共信道。在广播通信信道中，多个结点共享一个通信信道，结点以广播的形式发布信息，一个结点发出的信息被其他所有结点接收。局域网、城域网、广域网中的无线、卫星通信网络基本上采用广播式的通信技术 。2. 点对点式网络 在点对点式网络中，两台终端设备通过连接的中间结点和线路进行数据的存储和转发。从源端到目的端可能存在多条路径，需要通过路由选择算法来选择最佳路径。广域网基本上采用点对点的通信技术。391.3.3 按拓扑结构分类 拓扑学：基于图论，将网络中的实体抽象为与其大小、形态无关的点、将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。计算机

19、网络拓扑：引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构，用以反映网络中各实体之间的结构关系。广播式网络的基本拓扑结构主要有3种：总线型、环型和星型。40点对点式网络的基本拓扑结构主要有4种：星型、树型、环型和网状型1. 总线型拓扑(Bus Topology)网络结点通过相应的硬件接口连接到一条称为总线的公共传输介质上，该公共传输媒体称为总线。任何一个站点发送的信号都沿着总线传播，能被所有其他站点所接收。41总线型拓扑示意图总线型拓扑结构通常包含以下特点。(1)所有结点都通过网卡

20、直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。(2)总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。(3)所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线传输介质以“广播”方式发送数据时，其他的结点只能以“收听”方式接收数据。 (4)由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”(Collision)导致传输失败。冲突现象如下所示。总线拓扑结构优缺点分析：优点是：连接形式简单，布线简单，成本低廉，易于扩充，增加或减少用户比较方便。缺点是：传输能力低，总线的故障会导致整个网络瘫痪，

21、故障诊断和隔离较困难，增加或撤销结点时会使网络发生暂时中断。2.星型拓扑：(Star Topology)是局域网中最常用、最流行的物理拓扑结构。以一台设备为中心结点，其他结点必须与中心结点相连。各结点之间的通信都要通过中心结点，中心结点控制全网的通信。在这个星型拓扑结构单元中，所有服务器和工作站等网络设备都集中连接在同一台交换机上。星型拓扑结构主要优缺点星型拓扑结构的优点：（1）节点扩展、移动方便。在星型拓扑结构网络中，节点扩展与移除时，只需将网络设备在交换机等集中设备的端口接入与拔出即可。上述过程并不影响其他任何已有设备的连接和使用，这是星型拓扑结构的最大优势。（2）网络传输数据快。因为整个

22、网络呈星型连接，网络的传输通道不是共享的，所以每个节点的数据传输对其他节点的数据传输影响非常小，这样就加快了网络数据传输速度。（3）维护容易。在星型网络中，每个节点都是相对独立的，一个节点出现故障不会影响其他节点的连节点的正常工作。星型拓扑结构的缺点：对中心节点的要求较高，中心节点的单点故障会造成整个网络的瘫痪，因而对中心节点的可靠性和冗余度方面的要求很高，同时对网络布线较复杂。星型拓扑容易扩展，多个小型星型拓扑互联可构成扩展星型拓扑。星型和扩展星型拓扑都可能由于中心结点的单点故障而导致整个网络的瘫痪。 3.环型拓扑 (Ring Topology)是指网络中的各结点通过链路在网络中形成一个首尾

23、相接的闭合环路，环中数据沿环的一个方向逐站传播。这种链路可以是单向的，也可以是双向的。环形拓扑结构网络的一个典型代表就是采用同轴电缆作为传输介质的令牌环网(Token Ring Network)。该环形拓扑网在物理上是一个由一系列环接口(称之为中继转发器，即RPU)和这些接口间的点对点链路构成的闭合环路，各站点Pc通过环接口连到网上。环形拓扑结构的优缺点这种拓扑结构的优点是：数据传输的延迟时问相对固定，每个结点的通信机会均等。缺点是：网络建成后，结点的增加和删除过程复杂，任何一个结点或链路发生故障，都可能造成整个网络瘫痪。4.树形拓扑(Tree Topology)树型拓扑形状像一棵倒置的树，顶

24、端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。树型拓扑结构优缺点：这种拓扑结构的优点是：易于扩展，故障隔离较容易；可以延伸出很多分支和子分支，这些新结点和新分支都能容易地加入网内缺点是：各个结点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。5. 网状型拓扑(Mesh Topology)由分布在不同地点、各自独立的结点互联组成的网状结构，结点之间的连接是任意的，每两个结点间可通过多条链路相连。额外的通信链路为数据传输提供了冗余链路，增加了网络的可靠性和复杂性。网状型拓扑分全网状和局部网状拓扑。在全网状拓扑中，每个结点都与所有其他结点互联

25、。这是最能防止网络故障的拓扑，也是成本最高的解决方案。网状型拓扑的优点是：可靠性高，灵活性好，量大。缺点是：结构复杂，管理复杂，成本高。通过冗余链路可以平衡网络流量，并确保端和端之间的连通性。网状型结构是广域网常用的拓扑结构，Internet采用的就是部分网状型拓扑。网状型拓扑示例：1.4 IP地址TCPIP协议的网络层使用IP地址，IP地址是网络层的逻辑地址。网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址，在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址。如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络，那么它可以拥有两个或多个IP地址。1.4 IP地址 TCP/IP网络协议：54TCP/I

26、P是一个协议簇，其中文名称为传输控制/网际协议，其实它包括了两个部分，一个是TCP协议，一个是IP协议。TCP协议主要是负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头，包头上有相应的编号，以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式，IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址，这样数据找到自己要去的地方。 55互连网协议IP（Internet Protocol）：IP的基本任务是通过互连网传送数据报，各个IP数据报之间是相互独立的。在传送时，高层协议将数据传给IP，IP再将数据封装为互连网数据报，并交给数据链路层协议通过局域网传送。 561.4 IP地址 1.4.1 IP协议 ICMP(Int

27、ernet Control Message Protocol) Internet 控制报文协议，用于在IP主机与路由器之间传递控制消息，本身并不传输用户数据，但对数据传递其主要作用。IGMP(Internet Group Management Protocol)Internet组管理协议，用于IP主机向往一个直接相邻的路由器报告他们组成员的情况。PPP：点对点协议（PPP：Point to Point Protocol）PPP（点到点协议）这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通

28、的解决方案。光纤分布式数据接口（英文：Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是美国国家标准学会制定的在光缆上发送数字信号的一组协议。TCP/IP参考模型IP协议是TCPIP协议族中最重要的协议之一，所有其他的协议如TCP、UDP、ICMP都是以IP协议为基础的，应用层协议和网络接口层的协议都汇聚到IP协议.应用层协议和低层协议形成了从上到下的依赖关系：应用层协议传输层协议：1.依赖面向连接的TCP协议；2.依赖面向无连接的UDP协议；3.既依赖TCP协议又依赖UDP协议。网络层的核心协议是IP协议，不管传输层使用TCP协议还是UDP协议，到了网络层都将被封

29、装为IP数据报。IP协议向传输层屏蔽了物理网络的差异，不管是广域网还是局域网，其物理层和介质访问控制层协议都有很大差异，而通过IP协议，网络层向传输层提供统一的IP数据报，使得各种异构网络的互联变得容易。581.4 IP地址1.4.2 IP报头的格式 一个IP数据报由报头和数据两部分组成，其中，报头包含20个字节的固定长度1.4.2 IP报头的格式 版本 标识了IP协议的版本，一共4位，0100表示IPV4，0110表示IPV6报头长度该字段占4b，以4B为单位，取值范围为515。最小为5个单位，因此IP报头的头部，长度范围为2060B。当头部长度不是4B的整数倍时，必须使用填充字段加以填充。

30、服务类型字段长度为8位，它用来表示特殊报文的处理方式 ，由4b的服务类型子域与3b的优先级构成，用来获得更好的服务质量。路由器根据该值，可以决定哪些数据先发，哪些数据后发。该字段如图113所示，含义如下。4.总长度该字段占16b，定义整个数据报的长度，包含报头和数据。最大值是65 535B，即64KB。如果数据报大于网络的数据链路层可传输的数据帧的最大长度，则需要分段，这就要涉及标识、标志和分段偏移3个字段。 5标识该字段占16b，用于数据报的分片和重组。它是一个计数器，当数据报进行分片时，将该值复制到每一个分片后的数据报片中。这些数据报片到了接收端，就按照该值使分片后的数据报片重组为原来的数

31、据报。6标志该字段占3b，但只有前2b有意义，表示数据报是否分段的信息。第1位记为MF(More Fragment)，第2位记为DF(Dont Fragment)。(1)MF=1表示后面还有分片的数据；MF=0表示最后一个分片。(2)DF=1表示不允许分片，只有当DF=0时才允许分片。 7分段偏移该字段占13b，表示本分片在数据报中的相对位置，以8B为偏移单位，即每个分片是8B的整数倍。具有相同标识的数据报的所有分片，根据其分片偏移值，在目的站点就可被重新组装为原来的数据报。608生存时间生存时间(Time To Live，TTL)，该字段占8b，指数据报在网络中的生存时间，通常用一个数据报可

32、以经过最多的路由器的个数表示。数据报在网络中传输，每经过一个路由器，TTL值就减1。一旦TTL值为0，则丢弃该数据报，并向源端发送一个数据报超时的ICMP报文，从而防止一些无法找到目的地的IP数据报一直在网络中漫游，避免过多的网络垃圾影响网络性能。 9协议该字段占8b，表示数据报携带的数据是哪个协议产生的，即位于IP层之上的协议是什么协议。当目的主机收到IP数据报，则根据该协议字段的值将该数据上交给相应的上层协议处理。 10 报头校验和该字段占16b，只用于对数据报报头进行检验。若正确，则保留该数据报；反之则丢弃该数据报。 1 1源IP地址和目的IP地址这两个字段各占32b，即4B，分别说明发

33、送站点和接收站点的IP地址。 12任选字段该字段的长度是可变的，提供网络的测试、排错和安全措施等可供选择的服务。13填充字段因为报头长度以4B为度量单位，当报头长度不是4B的整数倍时，需用一串“0”来进行填充，来保证报头是4B的倍数。61621.4 IP地址1.4.3 IP地址的组成 IPv4协议的IP地址长度为4个字节，即32个二进制位。 将32位划分为四个八位字节，并将每个八位字节用十进制数表示，以小数点加以分隔，这种表示方法称为点分十进制记法（dotted decimal notation） 二进制形式的IP地址：11000000.10101000.00000000.00011001点分

34、形式的IP地址： 192 . 168 . 0 . 25IP地址具有层次性，由网络ID和主机ID两部分组成。网络ID用来识别不同的网络。所有连接在同一本地网络主机的IP地址的网络部分都是一样的，通过不同的主机ID来区分。在同一个本地网络中，IP地址的主机部分是每台主机所独有的。63大型网络（数量不多，网络内主机多）中型网络小型网络（数量众多，网络内主机较少）IP地址一般包括两部分：一个网络地址，用来标识网络部分；一个主机地址，用来标识网络上的一台计算机 。（232） 网络地址主机地址641.4 IP地址（IP地址=网络地址+主机地址）根据不同的取值范围，将IP地址划分为5类。其中，A类、B类和C类地址可分配给主机。D类为组播地址，E类则用于实验研究，如表12所示。通过首个8位字节的值，就可以确定地址的类别。656667681.4 IP地址1.4.5 公有和私有IP地址 在A、B 和C类每个类别中都保留数个私有地址范围IP地址分配原则69701.4 IP地址1.4.6 子网和子网划分子网（subnet）是在TCP/IP网络上，用路由器连接的网段。同一子网内的IP地址