信息技术 第一册（五年制高职）教案 任务 2.2 绘制校园网络结构图

.2.1计算机网络的分类自计算机网络诞生至今，出现过许多类型的计算机网络，可以依据许多不同的分类标准来划分这些计算机网络。按覆盖的地域范围与规模可以被分为3类：局域网、城域网与广域网。局域网局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是最常见到的，也是应用最多的一种计算机网络。大到各行各业的企业内部网络，小到千家万户的家庭网络都属于局域网（仅指内部网络部分）。我们常说的校园网通常也是一种局域网。局域网是将一个比较小的区域内的各种通信设备互连在一起组成的计算机网络。LAN具有如下主要特点。（1）私有服务LAN属于个人或单位自建，所以其用途也是完全出于私用，不会为网络以外人员提供服务，如企业局域网通常只为本单位员工提供服务。在LAN中也是采用专门为LAN分配的私有IP地址（这种地址每个公司和个人都可直接拿来使用，无须购买，也无须注册）。（2）分布范围较小LAN中各计算机网络设备分布的地理范围较小，有的甚至只是在自己家里那几平方米范围内；当然也可以是较大范围内的设备相连，如分布在某公司不同建筑物中。LAN的地理分布范围通常最大在10公里范围内，可以分布在不同地理位置的建筑物内。（3）结构简单，布线容易因为LAN都为个人或单位私用，所以网络结构相对较为简单。没有，也无需太多、太复杂的网络设备和应用，只需要满足自身的网络应用需求即可。同时大多数LAN都采用比较廉价的双绞线布线（在较大公司的核心层或者汇聚层也有采用光纤作为传输介质的），且因为分布范围比较小，所以布线方式较为简单，容易实现。（4）网络速度较快目前以太网局域网技术的发展非常迅速，最快的以太网速率已达到了10Gbps，相对广域网和互联网来说具有非常大的优势，这也为企业局域网的集中应用提供了保证。（5）误码率低因为局域网的结构比较简单，而网络连接带宽又都很高，所以通信的误码率比较低。城域网城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）中各计算机网络设备的地理分布范围介于LAN和下面将要介绍的广域网（WAN）之间，主要遍布一个城市内部，所以称之为“城域网”。MAN主要是用来在一个较大的地理区域（通常是10~100公里）内提供数据、声音和图像的传输，一般用来提供公共服务。MAN的标准为IEEE802.6，通常采用ATM技术作为骨干网传输技术，目前光纤技术也在城域网中得到了广泛应用。ATM是一个可同时应用于数据、语音、视频和其他多媒体应用的网络传输技术。城域网通常为一个或几个组织所有，更多的是为公众提供公共服务的，如城市银行系统、城市消防系统、城市邮政系统、城市有线电视/广播网络等。广域网广域网（WideAreaNetwork，WAN）是规模最大的一种计算机网络，分布的地理范围可以非常广，如一个或多个城市，或者多个国家，甚至可以遍布全球。因特网（Internet）是最大的广域网。它遍及全球，由全球许多LAN、MAN互联组成。WAN主要也是为公众提供公共服务的，由不同ISP（Internet服务商）组建，为他们的广大用户提供各种网络接入和应用服务。WAN具有以下基本特性。（1）覆盖范围广WAN所覆盖的地理范围非常大，一般从几百公里到几千公里，可覆盖多个城市、整个国家，乃至全球。因特网（Internet）是最大的广域网，其他的WAN又是因特网（Internet）的核心。（2）构建成本高由于WAN地理范围广，网络线路很长，介质类型多种多样，而且铺设非常困难，所以单独组建一个WAN的成本非常昂贵，所以通常借用传统的公共传输（电报、电话）网这个平台来实现。（3）网络结构和类型复杂由于WAN连接了多个远程网络，所以网络结构非常复杂，网络类型也可能不一样，所以需要解决不同结构和不同类型网络之间互连的问题。（4）传输速率低，误码率高由于WAN的传输距离远，又依靠传统的公共传输网，所以误码率较高（一般在10-8~10-7之间），传输速率较低（通常是100Mbps以内）。局域网、城域网与广域网三者的关系如图1所示。图1局域网、城域网和广域网之间的关系2.2.2网络拓扑结构“拓扑”一词来源于拓扑学。拓扑学是几何学的一个分支，它是把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将点—点之间的连接抽象成线段，进而研究它们之间的关系。也就是将计算机网络中的计算机和通信设备抽象成节点，将节点与节点之间的通信线路抽象成链路，因此，计算机网络被抽象成由一组节点和若干链路组成，这种由节点和链路组成的几何图形称为计算机网络拓扑结构或网络结构。计算机网络拓扑结构是组建各种网络的基础。不同的网络拓扑结构涉及不同的网络技术，对网络性能、系统可靠性与通信费用等都有重要的影响。（1）星型网络拓扑结构星型拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。如网络中以集线器或交换机作为中央结点，其他入网的计算机工作站、服务器等节点都与中央结点直接相连。中心节点采用分时或轮询的方法为入网机器服务，所有的数据都必须经过中央节点。星型拓扑结构图如图1所示：图1星型拓扑结构图①优点：结构简单、连接方便、管理和维护都相对容易，扩展性强；一个站点出了问题，不会影响整个网络的运行。②缺点：中心结点是全网络的可靠瓶颈，中心结点出现故障会引起整个网络的瘫痪；每台入网机均需物理线路与中心处理机互连，线路利用率低。③适用场合：局域网、广域网。（2）环形网络拓扑结构入网设备通过转发器接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路。环形网的数据传输具有单向性，一个转发器发出的数据只能被另一个转发器接收并转发。所有的转发器及其物理线路构成了一个环状的网络系统。环形拓扑结构图如图2所示：图2环形拓扑结构图①优点：结构简单，信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，简化了路径选择的控制；实时性较好，信息在网络中传输的最大时间固定。②缺点：环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈，任意结点出现故障都会造成网络瘫痪；单个环网的节点数有限。③适用场合：局域网，实时性要求较高的环境。最著名的环形结构网络是令牌环网（TokenRing）。（3）总线型网络拓扑结构总线型结构是将所有入网设备通过相应的硬件接口直接连接到一条公共物理传输线路上，网络中所有的站点共享一条数据通道，所有的数据发往同一条线路。由于各个节点之间通过电缆直接连接，所以总线型拓扑结构中所需要的电缆长度是最小的，但总线只有一定的负载能力，因此总线长度又有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。总线型拓扑结构图如图3所示：图3总线型拓扑结构图①优点：结构简单、布线容易、成本低，易于扩充；多台机器共用一条传输信道，信道利用率较高；某个站点的故障一般不会影响整个网络。②缺点：同一时刻只能由两台计算机通信；所有的数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的瓶颈；出现故障诊断较为困难；另外，由于信道共享，连接的节点不宜过多，总线自身的故障会导致网络瘫痪。③适用场合：局域网，对实时性要求不高的环境。（4）树型网络拓扑结构树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支,每个分支还可再带子分支。树型拓扑结构是一种层次结构，结点按层次连结，信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。树型拓扑结构图如图4所示：图4树型拓扑结构图①优点：网络中节点扩充方便灵活；管理维护方便，故障隔离较容易。②缺点：根节点依赖性大，如发生故障，则全网不能正常工作。③适合场景：局域网环境。（5）网状网络拓扑结构利用专门负责数据通信和传输的节点机构成的网状网络，入网设备直接接入节点机进行通信。网状网络通常利用冗余的设备和线路来提高网络的可靠性，因此，节点机可以根据当前的网络信息流量有选择地将数据发往不同的线路。网状拓扑结构图如图5所示：图5树型拓扑结构图①优点：网络可靠性高，一般通信子网任意两个节点之间，存在着两条或两条以上的通信路径；可扩充性好。②缺点：网络结构复杂，成本高，不易维护。③适用场合：主要用于地域范围大、入网主机多的环境，常用于构造广域网络。2.2.3OSI/RM体系结构OSI/RM体系结构是第一个标准化的计算机网络体系结构。它是针对广域网通信（也就是不同网络之间的通信）进行设计的，将整个网络通信的功能划分为七个层次，由低到高分别是物理层（PhysicalLayer）、数据链路层（DataLinkLayer）、网络层（NetworkLayer）、传输层（TransportLayer）、会话层（SessionLayer）、表示层（PresentationLayer）、应用层（ApplicationLayer），如图1所示。但任何广域网其实都是由多个远程局域网连接而成的，所以在OSI/RM中不仅包括了广域网中不同局域网间通信的功能层次（上面五层），也给出了局域网内部通信所必需的两个层次（最下面两层）。图1OSI/RM七层参考模型OSI/RM低四层（从物理层到传输层）定义了如何进行端到端的数据传输，也就是定义了如何通过网卡、物理电缆、交换机和路由器进行数据传输；而高三层（从会话层到应用层）定义了终端系统的应用程序和用户如何彼此通信，也即定义了如何重建从发送方到目的方的应用程序数据流。更多的是把OSI/RM的七层结构分成低三层和高四层的，低三层负责创建网络通信所需的网络连接（面向网络），属于“通信子网”部分，高四层具体负责端到端的用户数据通信（面向用户），属于“资源子网”部分。OSI/RM结构中各层功能如图2所示。图2OSI/RM各层基本功能有了这样一个结构模型，就把整个计算机网络软、硬件技术和设备串起起来了，所有软、硬件技术都围绕在这个中心周围。OSI/RM对各个层次的划分遵循下列原则：❏同一层中的各网络节点都有相同的层次结构，具有同样的功能。❏同一节点内相邻层之间通过接口（可以是逻辑接口）进行通信。❏七层结构中的每一层使用下一层提供的服务，并向其上层提供服务。❏不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。❏网络设备（不包括计算机主机）间自身的通信仅需要低三层，用来构建数据通信的网络平台。网络平台构建好后，用户应用数据就可以利用这个平台进行各种网络应用通信，但所有网络应用通信都需要经过网络体系结构中的所有层次，其中最上面的四层用来为用户的网络应用通信提供各种服务支持，构建数据通信平台。2.2.4TCP/IP协议体系结构TCP/IP协议体系结构（又称TCP/IP协议参考模型）是专门针对使用TCP/IP协议簇的广域计算机网络而开发的，可以说是OSI/RM的改进版本，但也不能简单地认为是改进版，因为它与OSI/RM所针对的网络类型存在较大区别，所以这两种体系结构中各层所采用的通信协议，以及功能实现原理上都存在非常大的差异。这一点，在后面章节中都会有相应的体现。现在我们常用的通信协议，绝大多数都不是很适用于OSI/RM，而是适用于TCP/IP协议体系结构，因为它们都是应用于TCP/IP网络中。TCP/IP协议体系结构起源于20世纪60年代末，首先由美国国防部高级研究规划署（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）作为其研究的一部分，所以又称DARPA参考模型。不仅广域网鼻祖ARPANET使用的是TCP/IP协议体系结构，现在使用最广的因特网（Internet）也是基于这一模型设计的，因为目前的因特网（Internet）基本上都是采用TCP/IP协议簇的，包括企业内部局域网。TCP/IP协议体系结构只划分了四层，从高到低分别是：应用层（ApllicationLayer）、传输层（TransportLayer）、网际互连层（InternetLayer，又称互联网层）和网络访问层（NetworkAccessLayer，又称网络接入层、网络接口层或者主机-网络层）。虽然只有四层，但它却包含了OSI/RM中的所有七层的功能，同样包括了局域网和广域网通信所需要的全部功能。图1描绘了TCP/IP协议体系结构与OSI/RM层次间的关系。图1TCP/IP协议体系结构及与OSI/RM的比较从图中可以看出，在TCP/IP协议体系结构中对原来OSI/RM的七层结构进行了进一步的简化，主要体现在以下两个方面：❏把原来的“物理层”和“数据链路层”这两层结构合并为一层，即网络访问层，它提供局域网中的功能。❏合并了原来OSI/RM中的最高的三层，成为新的应用层。因为事实上，在OSI/RM中会话层和表示层的功能都非常单一，完全可以合并到应用层之中。其他两层，“传输层”与OSI/RM中的功能划分是一样的，而网际互连层实际上也与OSI/RM的网络层是一样的，只不过名称不一样而已。但要注意的是，这里仅是从功能划分上来说的，实际上这两个体系结构存在相当大的差异。因为OSI/RM是开放型的标准，所以适用于所有类型网络设计参考，而TCP/IP协议体系结构是专门针对TCP/IP网络的，各种通信协议和功能实现原理更加具体。2.2.5IP地址IP是TCP/IP协议中的网络层协议，是TCP/IP的核心协议。整个因特网（Internet）就是一个单一的逻辑网络。IP地址就是给因特网（Internet）中的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个全世界范围内唯一的32位标识符。IP地址的结构使人们可以在Internet中很方便地进行寻址。（1）IP地址的表示形式由于IP地址是以32位二进制代码的形式表示的，这种形式非常不适合阅读和记忆，为了便于用户阅读和理解IP地址，因特网（Internet）管理委员会采用了一种“点分十进制”表示方法来表示IP地址。也就是说，将IP地址分为4字节（每个字节8位），且每个字节用十进制数表示，并用点号“.”隔开，如图1所示。1100000010101000000001110010000011000000101010000000011100100000计算机存放的IP地址是32位十进制代码11000000101010000000011100100000每隔8位插入一个空格能够提高可读性将每8位的二进制数转换为十进制数192168732采用点分十进制记法可以进一步提高可读性192.168.7.32图1点分十进制的IP地址表示方法（2）IP地址的分类由于源主机和目的主机都位于某个网络中，要寻找一个主机，要先找到它所在的网络，因此IP地址结构由网络号（Net-ID）和主机号（Host-ID）两部分组成。网络号标识了主机（或路由器）所连接到的网络，主机号标识了该主机（或路由器），网络号和主机号也可分别称为网络地址和主机地址。IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，即A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。如表1所示。表1IP地址分类地址类别第1个8位位组的格式最大网络数网络中最大主机数有效IP地址范围A类0×××××××27-2最小可用网络：1最大可用网络：126224-21.0.0.1~126.255.255.254B类10××××××214最小可用网络：128.0最大可用网络：191.255216-2128.0.0.1~191.255.255.254C类110×××××221最小可用网络：1192.0.0最大可用网络：223.255.25528-2192.0.0.1~223.255.255.254D类1110××××1110后跟28位的多路广播地址224.0.0.0~239.255.255.255E类11110×××以11110开始，为将来使用保留240.0.0.0~247.255.255.254A类地址首位为“0”，网络号占8位，主机占24位，适用于大型网络；B类地址前两位为“10”，网络号占16位，主机号占16位，适用于中型网络；C类地址前3位为“110”，网络号占24位，主机号占8位，适用于小型网络；D类地址前4位为“1110”，用于多路广播；E类地址前5位为“11110”，为将来使用保留，通常不用于实际工作环境。各类IP地址的网络号字段和主机号字段如图2所示。A类地址0Host-IDHost-ID24位Net-ID8位Net-ID8位B类地址10Host-ID16位Net-ID16位Host-ID16位Net-ID16位C类地址110Host-ID8位Net-ID24位Host-ID8位Net-ID24位D类地址1110多播地址E类地址11110保留为今后使用图2各类IP地址的网络号字段和主机号字段有一些IP地址具有专门用途或特殊意义。IP地址的分配、使用应遵循以下规则：①网络号必有是唯一的；②网络号的首字节不能是127，此数保留给内部回送函数使用，主要用于诊断；③主机号对应的网络号必须是唯一的；④主机号的各位不能全为“1”，全为“1”时用作广播地址；⑤主机号的各位不能全为“0”，全为“0”时表示本地网络。（3）特殊IP地址IP地址空间中的某些地址已经为特殊用途而保留，通常并不允许作为主机的IP地址，如表2所示。表2特殊IP地址网络号主机号源地址使用目的地址使用代表的意思全0全0可以不可以本网络中的本主机全0特定可以不可以本网络中特定的主机全1全1不可以可以只在本网络中进行广播