DiscoveryHomeSBChapter3CN（思科网络技术学院CCNA40 官方资料-CCNA Discovery- CAC建议版Discovery 中文版）

连接网络家庭和小型企业网络-第三章3.1网络简介3.1.1什么是网络网络有许多不同的类型，为我们提供各种效劳。在一天的生活中，我们可能要打、看电视、听收音机、上网搜索资料，甚至与另一个国家的人玩视频游戏。所有这些活动都要依赖稳定、可靠的网络来完成。3.1.1什么是网络在上世纪90年代及以前，通信技术不像现在这么兴旺，语音、视频和计算机数据通信都需要单独、专用的网络。每个网络都要使用不同的设备来访问。、电视和计算机使用特定的技术和不同的专用网络结构进行通信。3.1.2网络的优点安装在小型办公室、家里和家庭办公室内的网络称为SOHO网络。企业可以使用大型网络来宣传和销售产品、订购货物以及与客户通信。企业网络和SOHO网络通常提供到Internet的共享连接。3.1.3根本网络组件网络包含许多组件，例如个人计算机、效劳器、网络设备、电缆等。这些组件可以分为四大类：主机共享的外围设备网络设备网络介质参见电子版教

材练习3.1.4计算机在网络中的角色所有连接到网络并直接参与网络通信的计算机都属于主机。在现代网络中，计算机主机可以用作客户端、效劳器或同时用作两者。计算机上安装的软件决定了计算机扮演的角色。3.1.4计算机在网络中的角色效劳器可以同时向一个或多个客户端提供效劳。效劳器也可以运行多种类型的效劳器软件。一台计算机也可以运行多种类型的客户端软件。例如，用户在收发即时消息和收听Internet播送的同时，可以查收电子邮件和浏览网页。参见电子版教

材练习3.1.5点对点网络客户端和效劳器软件通常运行在单独的效劳器上，但一台计算机也可以同时兼任两个角色。在小企业和家庭中，许多计算机在网络中既是效劳器又是客户端。这种网络称为点对点网络。最简单的点对点网络由两台使用有线或无线连接方式直接相连的计算机组成。参见电子版教

材练习3.1.5点对点网络实验练习：使用两台PC和一条以太网交叉电缆创立一个简单的点对点网络。参见电子版教材3.1.6网络拓扑网络需要创立物理拓扑图来记录各台主机的位置及其与网络连接的方式。物理拓扑图显示电缆的安装位置，网络设备位置。3.1.6网络拓扑逻辑拓扑图对主机进行分组的依据是它们使用网络的方式，而不考虑它们的物理位置。主机名称、地址、组信息和应用程序都可以记录在逻辑拓扑图中。3.2.1源、通道和目的通信方式都有三个共同的要素。第一个要素是消息来源，或称发送方。消息来源是需要向其他人或设备传达消息的人或电子设备。第二个沟通要素是消息的目的地址的或接收方。目的地址接收并解释消息。第三个要素称为通道，是消息从源传送到目的地址的途径。3.2.2通信规那么成功的人际沟通所应遵守的协议包括：发送方和接收方的标识双方一致同意的介质或通道〔面对面、、信件、照片〕适当的沟通模式〔口头、书面、图示、互动或单向〕公共语言语法和句子结构传递的速度和时间3.2.2通信规那么协议由消息的源、通道和目的特性决定。不同介质采用不同的规那么协议定义消息传输和传递的详细方式。包括以下方面：消息格式消息大小时间封装编码标准消息模式3.2.3消息编码计算机通信要进行编码。主机之间的编码必须采用适合介质的形式。通过网络发送的消息先由发送主机转换成位。根据用来传输位的网络介质，将每个位编码成声音、光波或电子脉冲的样式。目的主机接收并解码信号，解释收到的消息。3.2.4消息格式当消息从源地址发送到目的地址时，必须使用特定的格式或结构。消息格式取决于消息的类型和传递通道。书信是人类书面交流最常用的方式之一。私人信件的格式数百年以来从未改变过。在许多文化中，私人信件都包含以下要素：收信人的标识称呼或问候信件正文结束语寄信人的身份标识将一种消息格式〔信件〕放入另一种消息格式〔信封〕的过程称为封装。收信人从信封中取出信件的过程就是解封。参见电子版教

材动画3.2.4消息格式就像信件封装在信封中进行投递一样，计算机消息也要进行封装。每条计算机消息在通过网络发送之前都以特定的格式封装，称为帧。帧就像信封一样；它提供预定的目的主机和源主机的地址。帧的格式和内容由消息类型及其发送通道决定。消息如果没有正确格式化，就无法成功发送或被目的主机处理。3.2.4消息格式练习：参见电子版教材3.2.5消息大小人们在相互交流时，他们发送的消息通常会分成较小的局部或较短的句子。将一条长消息通过网络从一台主机发送到另一台主机时，也必须将其分为许多小片段。控制网络中传送的消息片段〔帧〕大小的规那么非常严格，并且不同的渠道有不同的规那么。帧太长或太短都无法传送。帧大小限制规那么要求源主机将长消息分割为同时符合最小和最大长度要求的多个片段。每个片段都单独封装在包含地址信息的帧中，并通过网络发送。在接收主机上，这些消息将被解封和重新组合，以供加工和解释。参见电子版教材动画3.2.6消息时间时间也是影响对方接收和理解消息的因素之一。人们通过时间来确定讲话的时机、语速以及等待回应的时长。这些都是约定的规那么。访问方法：访问方法决定人们可以发送消息的时间。这种时间规那么取决于环境。流量控制：在网络通信中，发送主机发送消息的速度可能会快于目的主机接收和处理的速度。响应超时：网络主机也会使用规那么来指定等待响应的时长，以及在响应超时的情况下执行什么操作。参见电子版教材动画3.2.7消息模式一对一消息模式称为单播，即消息只有一个目的地址。如果主机需要用一对多模式发送消息，那么称为“组播〞。组播是指同时发送同一条消息到一组目的主机。如果网络上所有主机都需要同时接收该消息，那么使用播送。播送代表一对全体的消息模式。3.2.8通信中的协议使用协议由源主机、通道和目的主机的特性决定。协议根据来源、通道和目的，对消息格式、消息大小、时间、封装、编码和标准消息模式等问题作出详细规定。3.2.8通信中的协议使用练习，确定所属的通信问题是与消息格式、时间、消息模式还是消息大小相关。参见电子版教材3.3.1协议的重要性计算机像人一样，也要按照规那么或协议进行通信。协议在本地网络上尤其重要。在有线环境中，本地网络定义为所有主机必须“讲同一种语言〞〔用计算机术语表示就是“共享一个公共协议〞〕的区域。如果同一间房里的每个人都讲不同的语言，肯定无法交流。同样，如果本地网络中的设备不使用同一个协议，就无法互相通信。本地有线网络中最常用的协议集是以太网。以太网协议定义了本地网络通信的许多方面，包括：消息格式、消息大小、时间、编码和消息模式。3.3.2协议的标准化协议的标准化的益处：方便设计简化产品开发促进竞争提供一致的互连方式便于培训客户有更多的厂商可

以选择3.3.2协议的标准化电气电子工程师协会〔亦称IEEE〕负责维护网络标准，包括以太网和无线标准。IEEE委员会主要负责审批和维护连接标准、介质要求及通信协议。每项技术标准都有一个编号，指代负责审批和维护该标准的委员会。负责以太网标准的委员会是802.3。3.3.2协议的标准化以太网自从1973年创立以来，其标准经历了屡次开展，用于标准更快、更灵活的技术。每个以太网版本都有相关的标准。例如，802.3100BASE-T代表使用双绞线电缆标准的100兆以太网。此标准的具体解释为：100是以兆位每秒(Mbps)为单位的速度BASE代表基带传输T代表电缆类型，这里是指双绞线。参见电子版教材动画3.3.3物理寻址以太网当中的主机都会获得一个物理地址，用于在网络中标识自己。每个以太网络接口在制造时都有一个物理地址。此地址称为介质访问控制(MAC)地址。MAC地址用于标识网络中的每台源主机和目的主机。3.3.3物理寻址实验练习：用ipconfig/all命令显示您的计算机的MAC地址3.3.4以太网通信以太网协议定义帧格式、帧大小、时间和编码等。以太网络上的主机将消息格式化为标准指定的帧结构。帧也称为协议数据单元(PDU)。以太网帧的格式指定目的和源MAC地址的位置以及其它信息，包括：定序和定时的前导码帧首定界符帧的长度和类型用于检测传输错误的帧校验序列。3.3.4以太网通信以太网帧的大小限制为最大1518个字节和最小64个字节。如果帧不符合这一限制，接收主机将不作处理。除了帧的格式、大小和时间以外，以太网标准还定义组成帧的位是如何编码到通道中。位作为电子脉冲通过铜缆传输，或作为光脉冲通过光缆传输。3.3.4以太网通信练习：3.3.5以太网的层次设计层次式分层设计提高了效率，优化了功能，加快了速度。层次式设计有三个根本层：接入层-提供到本地以太网络中主机的连接。分布层-相互连接较小的本地网络。核心层-分布层设备之间的高速连接。3.3.6逻辑寻址对于主机，其MAC地址不会改变；它是以物理方式分配到主机网卡的地址，称为物理地址。无论主机在网络中哪个位置，其物理地址都保持不变，就像人的名字一样。IP地址那么类似于人的住址，它称为逻辑地址，因为它是根据主机位置以逻辑方式分配的。IP地址或网络地址由网络管理员根据本地网络分配给每台主机。IP地址包含两局部。一局部标识本地网络。IP地址的网络局部对于所有连接到同一本地网络的主机都是一样的。第二局部标识特定主机。在同一个本地网络中，IP地址的主机局部是每台主机所独有的。3.3.6逻辑寻址在层次网络中通信的主机同时需要物理MAC地址和逻辑IP地址，就像寄送信件同时需要收信人的名字和地址一样逻辑寻址实验练习：用ipconfig/all命令显示您的计算机的IP地址3.3.7接入层、分布层和设备IP通信量根据与以下各层相关的特性和设备来管理：接入层、分布层接入层为终端用户设备连接到网络提供连接点，允许多台主机通过网络设备〔通常是集线器或交换机〕连接到其它主机。和核心层。分布层为不同的网络提供连接点，并且控制信息在网络之间的流动。它通常包含比接入层功能更强大的交换机，以及用于在网络之间路由的路由器。分布层设备控制从接入层流到核心层的通信量的类型和大小。核心层是包含冗余〔备份〕连接的高速中枢层。它负责在多个终端网络之间传输大量的数据。核心层设备通常包含非常强大的高速交换机和路由器。核心层的主要目标是快速传输数据。3.3.7接入层、分布层和设备练习：确定完成每项任务分别需要哪些地址、网络组件和层。参见电子版教材3.4.1接入层接入层是网络最根本的层级，是供用户访问其它主机和共享文件与打印机的网络局部。接入层包含主机设备及其连接的第一级网络设备。在接入层中，每台主机都连接到网络设备。在以太网络中，每台主机都可以使用点对点电缆直接连接到接入层网络设备。3.4.2集线器的功能集线器是一种安装在以太网络接入层的网络设备。它具有多个端口，用于将主机连接到网络。从一个端口接受电子信号，然后在所有其它端口重新生成〔或重复〕同一消息并发出。3.4.2集线器的功能连接到集线器的两台或更多主机同时发送消息，组成消息的电子信号会在集线器中相互冲突。冲突会造成消息损坏，无法为主机所理解。集线器不会对消息进行解码，因此无法检测到消息是否已损坏，于是它在所有端口重复该消息并发出。主机可以接收因冲突而损坏的消息的网络区域称为冲突域。在冲突域内部，当主机收到损坏的消息时，就会检测到发生了冲突。每台发送主机都会等待较短时间，然后再次尝试发送或重新传输该消息。当连接到集线器的主机数量增加时，冲突的概率也会增大。冲突越多，重新传输的次数也越多。过多的重新传输会阻塞网络，降低网络通信速度。因此，必须限制冲突域的大小。参见电子版教材动画3.4.2集线器的功能练习：参见电子版教材3.4.2交换机的功能以太网交换机是一种用于接入层的设备。像集线器一样，交换机也可将多台主机连接到网络。但与集线器不同的是，交换机可以转发消息到特定的主机。当一台主机发送消息到交换机上的另一台主机时，交换机将接受并解码帧，以读取消息的物理(MAC)地址局部。3.4.2交换机的功能如果交换机收到的帧是发送到尚未列入MAC地址表的新主机，结果会如何？如果目的MAC地址不在表中，交换机就没有创立电路所需的信息。当交换机无法确定目的主机的位置时，就会采用“泛洪〞处理方式将消息转发到所有连接的主机。每台主机都将消息中的目的MAC地址与其MAC地址进行比较，但只有地址匹配的主机才会处理该消息并响应发送方。新主机的MAC地址如何进入MAC地址表？交换机检查主机之间发送的每个帧的源MAC地址，然后创立MAC地址表。当新主机发送消息或响应“泛洪〞式消息时，交换机就会立即获取其MAC地址及其连接的端口。交换机每次读取新的源MAC地址时，地址表都会自动更新。通过这种方式，交换机可以迅速获取所有相连的主机的MAC地址。3.4.2交换机的功能当一台集线器连接到一个交换机端口时，交换时机将连接到该集线器的所有主机的MAC地址与交换机的相应端口进行关联。交换机也像集线器一样接收损坏的消息，但与集线器不同的是，它不会转发因冲突而损坏的消息。参见电子版教材动画3.4.2交换机的功能练习：此场景显示了集线器和交换机如何通过网络转发数据帧，参见电子版教材练习3.4.4播送消息在本地网络中，某台主机需要将消息同时发送到所有其它主机可以通过“播送〞消息来实现。当主机需要查找信息，但又不确切了解其它主机可以提供的信息时，播送非常有用。可以发送播送消息到所有主机都能够识别的唯一MAC地址。播送MAC地址实际上是一个全部由1组成的48位地址。鉴于其长度，MAC地址通常用十六进制表示。十六进制的播送MAC地址为，其中每个F代表二进制地址中的四个1参见电子版教材动画3.4.4播送消息当一台主机收到发送给播送地址的消息时，它会接受并处理该消息，就像该消息是直接发送给它一样。当某台主机发出一条播送消息时，集线器和交换时机将该消息转发到同一本地网络连接的每台主机。因此，本地网络也称为播送域。3.4.5交换机行为练习：确定交换机如何根据源MAC和目的MAC地址以及交换机MAC表中的信息转发帧。参见电子版教材练习3.4.6MAC和IP在本地以太网络中，仅当帧所包含的目的地址是播送MAC地址或者与网卡的MAC地址对应，网卡才会接受该帧。但大多数网络应用程序依靠逻辑目的IP地址来标识效劳器和客户端的位置。3.4.7地址解析协议〔ARP〕ARP将通过三个步骤来发现和存储该主机的MAC地址。1.发送主机创立并发送一个播送帧，该帧以播送MAC地址作为其目的地址。帧中的消息含有预定目的主机的IP地址。2.网络中每台主机都会收到该播送帧，并将消息中的IP地址与其配置的IP地址进行比较。两者相匹配的主时机将其MAC地址传递给原始发送主机。3.发送主机收到消息后，将该MAC地址和IP地址信息存储到ARP表中。参见电子版教材动画3.5.1分布层随着网络的扩大，应该将一个本地网络分成多个接入层网络。可以采用许多方式，根据不同的标准划分网络，包括：物理位置逻辑功能平安要求应用要求分布层连接这些独立的本地网络，并且控制它们之间的通信量流动。它负责确保本地网络上主机之间的通信量保存在本地，而只允许发往其它网络的通信量通过。分布层还可以过滤输入和输出的通信量，以进行平安性和通信量管理。3.5.1分布层组成分布层的网络设备用于连接网络，而非单独的主机。单独的主机通过接入层设备〔例如集线器和交换机〕连接到网络。接入层设备通过分布层设备〔例如路由器〕相互连接。3.5.2路由器的功能路由器是一种用于连接不同本地网络的网络设备。在网络的分布层，路由器转发通信量和执行对网络有效运行至关重要的其它功能。路由器与交换机一样，都可以解码和读取所收到的消息。但交换机只能解码〔解封〕包含MAC地址信息的帧，而路由器可以解码帧中封装的数据包。数据包格式包含目的主机和源主机的IP地址，以及在它们之间发送的消息数据。路由器读取IP地址的网络局部，并用它来查找转发消息到目的主机的最正确途径。参见电子版教材动画3.5.2路由器的功能实验练习：在点对点网络上分配不同的IP地址，并查看网络通信的效果。参见电子版教材练习3.5.2路由器的功能路由器如何确定发送消息到目的网络时采用的路径？路由器上的每个端口或接口都连接到一个独立的本地网络。每个路由器都包含一个表，上面列出了所有本地连接的网络及其使用的接口。这些路由表还可能包含有关路线或路径的信息，路由器使用这些路线来连接其它非本地网络。当路由器收到一个帧时，就会对该帧进行解封装，然后将IP地址的数据包中目的地址与路由表中的所有网络进行匹配，如果目的网络地址在表中，路由器就会将数据包封装在一个新的帧中，然后将新的帧从与路径相关的接口转发至目的网络。转发数据包到其目的网络的过程称为路由。参见电子版教材动画3.5.3默认网关当主机发送消息到远程网络时，必须使用路由器。主机将目的主机的IP地址包含在数据包中。但当它将数据包封装到帧中时，将使用路由器的MAC地址作为帧的目的地址。这样，路由器就会根据MAC地址接收并接受帧。源主机如何确定路由器的MAC地址？主机通过其TCP/IP设置中配置的默认网关地址获取路由器的IP地址。默认网关地址是连接到路由器主机所在网络的路由器接口的地址。本地网络上的所有主机都使用默认网关地址发送消息到路由器。当主机知道默认网关IP地址之后，便可以使用ARP确定MAC地址。然后，它将路由器的MAC地址参加要发送到其它网络的帧中。3.5.3默认网关必须在本地网络的每台主机上配置正确的默认网关。如果没有在主机TCP/IP设置中配置默认网关，或者指定了错误的默认网关，便无法将消息发送到远程网络上的主机。3.5.3默认网关练习：一个路由器连接了三个本地网络，请在TCP/IP配置每台主机的默认网关。参见电子版教材练习3.5.4路由器维护的表格路由器在本地网络与远程网络之间传送信息。为此，路由器必须同时使用ARP表和路由表来存储信息。3.5.4路由器维护的表格路由表与个别主机的地址无关。它包含网络的地址以及到达这些网络的最正确路径。可以通过两种方式在路由表中参加条目：用从网络中其它路由器收集到的信息动态更新，或由网络管理员手动输入信息。路由器使用路由表确定要用哪个接口来转发消息到其预定的目的地址。如果路由器无法确定消息的转发目的，就会丢弃该消息。网络管理员使用默认路由来配置路由表，以防止路由器丢弃数据包。默认路由是路由器用来转发目的IP网络地址未知的数据包的接口。此默认路由通常连接到另一个可以转发数据包到其最终目的网络的路由器。3.5.4路由器维护的表格路由器将帧转发到以下两个位置之一：直接连接、含有实际目的主机的网络，或目的主机路径上的另一台路由器。当路由器封装帧转发出以太网接口时，必须包含目的MAC地址。如果目的主机属于与路由器相连的本地网络，那么该地址是实际目的主机的MAC地址。如果路由器必须将数据包转发到另一个路由器，就必须使用所连接的路由器的MAC地址。路由器从ARP表获取这些MAC地址。每个路由器接口都属于其连接的本地网络，并为该网络维护ARP表。ARP表包含该网络中各台主机的MAC地址和IP地址。参见电子版教材动画3.5.4路由器维护的表格练习：确定路由器如何根据原地址和目的地址以及路由表中的信息转发数据包。参见电子版教材练习3.5.5局域网局域网(LAN)是指一个本地网络，或者一组相互连接、接受统一管理控制的本地网络。在网络的早期开展阶段，局域网被定义为位于同一物理位置的小型网络。虽然局域网可以是安装在家庭或小型办公室中的单个网络，但其定义已经开展为包括那些相互连接、有数百台主机、安装于多幢大楼和多个地点中的本地网络。重要一点是，一个局域网中的所有本地网络都受到统一的管理控制。局域网的其它常见特征包括：通常使用以太网或无线协议、支持高数据速率。“内部网〞通常用于表示一个组织的专用局域网，只有该组织的成员、员工或其他获得授权的人员可以访问。3.5.5局域网3.5.5局域网3.5.6添加主机到本地和远程网络在局域网中，可以将所有主机都安装到一个本地网络中，或者分开安装到由分布层连接的多个网络中。将所有主机放在一个本地网络中可便于它们相互查找，这是因为在同一个播送域中，主机可以使用ARP来相互查找。3.5.6添加主机到本地和远程网络将一些主机划分到远程网络可以减小通信量需求的影响。但如果不使用路由，两个网络之间的主机无法进行通信。路由器会增加网络配置的复杂性，并且可能在不同网络之间发送数据包时产生延迟或时滞。3.5.7学习使用PacketTracerPacketTracer是Cisco开发的一个图形化学习和模拟工具，可以帮助用户创立模型和了解网络工作原理。用户可以使用PacketTracer创立网络拓扑，然后设备之间发送数据包，观察所用协议的交互，以测试该网络拓扑。参见电子版教材动画3.5.7学习使用PacketTracerPacketTracer练习熟悉PacketTracer的用户界面。创立一个简单网络模型，观察网络的运作方式。用两台主机和一个集线器创立一个以太网络，观察ARP、播送和ping(ICMP)通信量。参见电子版教材

练习3.6.1规划以太网并整理成文档大多数本地网络都采用以太网技术。此技术用于正确设计和构建的网络时，快速而有效。前期规划对于构建一个有效的网络非常关键。网络规划的第一步是收集网络使用方式的信息，包括：网络要连接的主机数目和类型要使用的应用程序共享和Internet连接要求平安性和隐私保护事项可靠性和正常运行时间预期连接要求，包括有线和无线3.6.1规划以太网并整理成文档主机的数量和类型-最终用户处于哪些位置？他们使用什么类型的硬件？效劳器、打印机及其它网络设备处于哪些位置？应用程序-网络上运行哪些类型的应用程序？要共享的数据和效劳-谁需要访问哪些文件和网络资源〔如打印机〕？带宽要求〔速度〕-最终用户可以接受的速度为多少？所有用户是否需要相同的吞吐量？应用程序对吞吐量有何影响？平安性-网络上移动的数据属于私人或机密性质吗？未获授权者访问此信息是否会损害他人？可靠性-网络重要性如何？是否需要全天候运作〔称为最长运行时间〕？可以容忍的关闭时间为多长？无线要求-是否有任何或所有最终用户需要无线连接？3.6.1规划以太网并整理成文档在规划网络时，必须考虑许多事项。在购置网络设备