网络知识综合篇.docx

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网络知识综合篇

　网络知识综合篇

　　壹.网络基础知识

　　一.计算机网络的分类

　　1.按照网络的分布范围分类

　　a.局域网LAN（LocalAreaNetwork）

　　局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起的网络，其分布范围局限在一个办公室、一幢大楼或一个校园内，用于连接个人计算机、工作站和各类外围设备以实现资源共享和信息交换。

它的特点是分布距离近（通常在1000m到2000m范围内），传输速度高（一般为1Mbps到20Mbps），连接费用低，数据传输可靠，误码率低等。

　　b.广域网WAN（WideAreaNetwork）

　　广域网也称远程网，它的联网设备分布范围广，一般从数公里到数百至数千公里。

因此网络所涉及的范围可以是市、地区、省、国家，乃至世界范围。

由于它的这一特点使得单独建造一个广域网是极其昂贵和不现实的，所以，常常借用传统的公共传输（电报、电话）网来实现。

此外，由于传输距离远，又依靠传统的公共传输网，所以错误率较高。

　　c.城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）

　　城域网的分布范围介于局域网和广域网之间，其目的是在一个较大的地理区域内提供数据、声音和图像的传输。

　　2.网络的交换方式分类

　　a.电路交换网

　　电路交换方式是在用户开始通信前，先申请建立一条从发送端到接收端的物理信道，并且在双方通信期间始终占用该信道。

此方式类似于传统的电话交换方式。

　　b.报文交换网

　　报文交换方式是把要发送的数据及目的地址包含在一个完整的报文内，报文的长度不受限制。

报文交换采用存储-转发原理，每个中间节点要为途径的报文选择适当的路径，使其能最终到达目的端。

此方式类似于古代的邮政通信，邮件由途中的驿站逐个存储转发一样。

　　c.分组交换网

　　分组交换方式是在通信前，发送端先把要发送的数据划分为一个个等长的单位（即分组），这些分组逐个由各中间节点采用存储-转发方式进行传输，最终到达目的端。

由于分组长度有限，可以比报文更加方便的在中间节点机的内存中进行存储处理，其转发速度大大提高。

　　除了以上二种分类方法外，还可按采用的传输媒体分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网;按网络传输技术可分为广播式网络和点到点式网络;按所采用的拓扑结构将计算机网络分为星形网、总线网、环形网、树形网和网形网;按信道的带宽分为窄带网和宽带网;按不同的用途分为科研网、教育网、商业网、企业网等。

　二.计算机网络的拓扑结构

　　网络拓扑结构是指抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，是指网络电缆构成的几何形状，它能从逻辑上表示出网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接。

　　网络拓扑结构按形状可分为：

星型、环型、总线型、树型及总线/星型及网状拓扑结构。

　　1.星型拓扑结构：

　　星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点与点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也重。

以星型拓扑结构组网，其中任何两个站点要进行通信都要经过中央结点控制。

　　中央结点主要功能有：

　　*为需要通信的设备建立物理连接;

　　*为两台设备通信过程中维持这一通路;

　　*在完成通信或不成功时,拆除通道。

　　在文件服务器/工作站（FileServers/Workstation）局域网模式中，中心点为文件服务器，存放共享资源。

由于这种拓扑结构，中心点与多台工作站相连,为便于集中连线，目前多采用集线器（HUB）。

　　星型拓扑结构优点：

网络结构简单,便于管理、集中控制,组网容易，网络延迟时间短，误码率低。

缺点：

网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。

　　2.环型拓扑结构

　　环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。

请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。

环形网中的数据可以是单向也可是双向传输。

由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。

　　环形网的优点：

信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制;某个结点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。

　　缺点：

由于信息是串行穿过多个结点环路接口，当结点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长;由于环路封闭故扩充不方便。

　　3.总线拓扑结构

　　用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工站连接起来的布局方式，称为总线形拓扑。

在总线结构中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个结点所接收。

由于其信息向四周传播，类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络。

总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。

　　总线布局的特点：

结构简单灵活，非常便于扩充;可靠性高，网络响应速度快;设备量少、价格低、安装使用方便;共享资源能力强，非常便于广播式工作，即一个结点发送所有结点都可接收。

　　在总线两端连接的器件称为端结器（末端阻抗匹配器、或终止器）。

主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。

　　总线形网络结构是目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。

　　4.树型拓扑结构

　　树形结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，树形网是一种分层网，其结构可以对称，联系固定，具有一定容错能力，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作，任何一个结点送出的信息都可以传遍整个传输介质，也是广播式网络。

一般树形网上的链路相对具有一定的专用性，无须对原网做任何改动就可以扩充工作站。

　　5.总线/星型拓扑结构

　　用一条或多条总线把多组设备连接起来，相连的每组设备呈星型分布。

采用这种拓扑结构，用户很容易配置和重新配置网络设备。

总线采用同轴电缆，星型配置可采用双绞线。

　　6.网状拓扑结构

　　将多个子网或多个局域网连接起来构成网际拓扑结构。

在一个子网中,集线器、中继器将多个设备连接起来，而桥接器、路由器及网关则将子网连接起来。

　　根据组网硬件不同,主要有三种网际拓扑：

　　a.网状网：

　　在一个大的区域内，用无线电通信连路连接一个大型网络时，网状网是最好的拓扑结构。

通过路由器与路由器相连，可让网络选择一条最快的路径传送数据。

　　b.主干网：

　　通过桥接器与路由器把不同的子网或LAN连接起来形成单个总线或环型拓扑结构，这种网通常采用光纤做主干线。

　　c.星状相连网：

　　利用一些叫做超级集线器的设备将网络连接起来，由于星型结构的特点，网络中任一处的故障都可容易查找并修复。

　　应该指出,在实际组网中,为了符合不同的要求，拓扑结构不一定是单一的,往往都是几种结构的混用。

　三.OSI参考模型

　　1,物理层（physicallayer）

（1）主要作用:

实现相邻节点之间比特数据流的透明传送,尽可能屏蔽具体传输介质和物理设备的差异.利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接（物理信道）,为数据链路层提供比特流服务.

　　物理层是所有网络的基础,主要关心的问题有:

　　用多少伏特电压表示"1",多少伏特电压表示"0";一个比特持续多少微秒;

　　是单工,半双工还是全双工;

　　最初的连接如何建立和完成,通信后连接如何终止

　　网络接插件有多少针以及各针的用途.

　　信道的最大带宽;

　　传输介质（例如,是有导线的还是无导线的等）;

　　传输方式:

是基带传输还是频带传输,或者二者均可;

　　多路复用技术（FDM,TDM和WDM波分多路复用Wave-lengthDivisionMultiplexing）;

　　等等.

（2）物理层的主要功能:

　　物理连接的建立,维持和拆除.

　　实体之间信息的按比特传输.

　　实现四大特性的匹配（机械特性,电气特性,功能特性,规程特性）

　　（3）物理层标准

　　物理层标准主要任务就是要规定DCE设备和DTE设备的接口,包括接口的机械特性,电气特性,功能特性和规程特性.

　　DTE是数据终端设备.数据电路端接设备DCE.DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立,保持和释放数据链路的连接.DTE通过DCE与通信传输线路相连,如图所示.是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准.

　　物理或机械特性:

规定了DTE和DCE之间的连接器形式,包括连接器形状,几何尺寸,引线数目和排列方式等.

　　电气特性:

规定了DTE和DCE之间多条信号线的连接方式,发送器和接收器的电气参数及其他有关电路的特征.电气特性决定了传送速率和传输距离.

　　功能特性:

对接口各信号线的功能给出了确切的定义,说明某些连线上出现的某一电平的电压表示的意义.

　　规程特性:

规定了DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输的操作过程（顺序）.

　　物理层标准举例

　　EIARS-232C/V.24接口标准

　　RS是RecommendedStandard的缩写,即推荐标准.RS-232-C接口标准与国际电报电话咨询委员会CCITT的V.24标准兼容,是一种非常实用的异步串行通信接口.

　　RS-232-C建议使用25针的D型连接器DB-25,但是在微型计算机的RS-232C串行端口上,大多使用9针连接器DB-9,如下图所示.

　　（4）常见物理层设备与组件

　　物理传输中存在的主要问题

　　第一大问题:

　　信号衰减

　　信号衰减限制了信号的传输距离

　　信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形

　　采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变形问题.

第二大问题:

　　噪声干扰

　　噪声可能导致信号传输错误,即接收端难以从混杂了较大噪声的信号中提取出正确的数据.

　　减少噪声的措施,如抵消与屏蔽,良好的端接和接地技术等

　　常见物理组件

　　RJ-45插座

　　RJ-45头

　　DB-25到DB-9的转换器

　　常见物理层设备

　　中继器（repeater）和集线器（hub）

　　功能:

连接相同的LAN网段;对从入口输入的物理信号进行放大和整形,然后再从出口输出（转发）.

　　中继器具有典型的单进单出结构.

　　集线器是多端口中继器.集线器常见的端口规格有4口,8口,16口和24口等.如下图所示:

　　2,数据链路层（Datalinklayer）

（1）主要任务是负责相邻节点之间的可靠传输,通过加强物理层传输原始比特的功能,使之网络层表现为一条无错线路,数据链路层的传输单元为帧.

　　主要关心:

　　成帧与拆帧.以帧（frame）为单位（产生帧,识别帧的边界）;

　　差错控制;

　　（流量控制（防止高速的发送方的数据将低速的接收方"淹没"）.

　　广播式网络在数据链路层还要处理:

如何控制对共享信道的访问等等.

（2）主要设备:

交换机网桥

　　3,网络层（Networklayer）

（1）网络层的任务就是要选择合适的路由,使发送站传输层所传下来的数据能够正确无误地按地址送到目的站.网络层的传输单元被称为分组（或称包）.

　　执行路径选择算法,使分组在通信子网中有一条最佳路径;

　　拥塞控制.防止子网中同时出现过多的分组而相互阻塞通路,形成瓶颈;

　　记帐功能;

　　异种网络互联.

（2）主要设备:

路由器:

三层交换机

　　4,传输层（Transportlayer）（核心层）

　　主要任务:

负责端到端节点间数据传输和控制功能.

　　传输层是OSI中承上启下层,下三层面向网络通信,确保信息准确传输;上三层面向用户主机,为用户提供各种服务.

　　传输层不涉及中间转发节点,即与使用的网络无关.

　　主要功能:

弥补网络层服务质量的不足,为会话层提供端-端的可靠数据传输服务.包括两端主机之间的流量控制.

　　5,会话层（Sessionlayer）

　　主要目的是组织和同步在两个通信的会话用户之间的对话,并管理数据的交换.

　　会话层的功能是在两个节点间建立,维护和释放面向用户的连接.会话连接的建立是在传输连接的基础上进行的.

　　6,表示层（Presentationlayer）

　　主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式.它包括数据格式变换,数据加密与解密,数据压缩与恢复等功能.

　　7,应用层（Applicationlayer）

　　应用层是OSI的最高层,它为OSI模型以外的应用程序提供服务.

　　应用层中包含大量的,人们普遍需要的协议.如网络虚拟终端（VT,VirtualTerminal,文件传输,电子邮件,目录服务,远程数据库访问等.

　　常用设备:

网关

　　网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备.在使用不同的通信协议,数据格式或语言,甚至体系结构完全不同的两种系统之间,网关是一个翻译器.与网桥只是简单地传达信息不同,网关对收到的信息要重新打包,以适应目的系统的需求.同时,网关也可以提供过滤和安全功能.大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层.

　四.TCP/IP参考模型

　　1,TCP/IP分为四层

　　TCP/IP模型是Internet事实上标准.

　　统一的网络地址分配方案,使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的IP地址.

　　标准化的高层协议,可以提供多种可靠的用户服务.

　　TCP/IP独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网,广域网,更适用于互联网.

　　2,OSI参考模型与TCP/IP参考模型

　　应该指出,TCP/IP是OSI模型之前的产物,所以两者间不存在严格的对应关系.

　　3,互联网层（Internetlayer）（网际层）

（1）互联网层涉及协议:

　　互联网络协议,即IP协议（InternetProtocol）,规定互联网层数据分组格式.

　　因特网控制消息协议（ICMP）:

提供网络控制和消息传递功能.

　　地址解释协议（ARP）:

提供IP地址和网卡MAC地址转换功能.

　　反向地址转换协议（RARP）:

macIP

（2）互联网层主要功能:

　　①处理来自传输层发送请求;

　　②处理接收的IP分组.根据目的IP地址转发该IP分组,或者当目的主机就是本主机时,将IP分组上交给其传输层.

　　③处理互联的路径,流量控制和拥塞问题.

　　因为IP分组独立地传送到目标主机,所以一个报文的不同分组可能经过不同的路径.

　　4,传输层（Transportlayer）:

（1）功能:

使源端和目的端主机对等实体进行会话.

（2）使用的协议:

传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）和用户数据报协议UDP（UserDataProtocol）.

　　TCP是一个面向连接的协议,使从源机器发出的字节流无差错地发往目的机器.

　　UDP是一个无连接协议.它不检查所收到的分组的次序,也不对这些分组进行排序,而是交给应用层完成.

　　5,应用层（Applicationlayer）

　　它包含所有高层协议.例如,虚拟终端协议TELNET（远程登录）,文件传输协议FTP,电子邮件协议SMTP（简单邮件传输协议）,域名系统服务DNS,网络新闻传输协议NNTP,超文本传输协议HTTP等.

　　TIPS:

　　网络体系结构是一种分层结构

　　分层的目的是把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的,单一的问题,在不同层上予以解决

　　协议是通信双方对等层的会话规则

　　上层通过下层的服务来与对方的对等层会话

　　层和协议就构成了网络体系结构

　　OSI/RM是一种"官方"的国际标准

　　TCP/IP是一种"事实上"的国际标准

　贰.局域网和城域网

　　一.CSMA/CD

　　1.CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问控制）

　　CSMA/CD是一种常用争用的方法来决定对媒体访问权的协议，这种争用协议只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。

在总线网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站同时发送帧，就会产生冲突，导致所发送的帧都出错。

因此，一个用户发送信息成功与否，在很大程度上取决于监测总线是否空闲的算法，以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突后所使用的中断传输的方法。

总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD两大类。

　　2.载波监听多路访问CSMA

　　载波监听多路访问CSMA的技术，也称做无听后说LBT（ListemBeforeTalk）。

要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。

如果媒体空闲，该站点便可传输数据;否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。

这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1-坚持、P-坚持三种。

　　a、非坚持算法

　　算法规则为：

　　⑴如果媒本是空闲的，则可以立即发送。

　　⑵如果媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。

　　采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

非坚持算法的缺点是：

即使有几个着眼点为都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。

　　b、1-坚持算法

　　算法规则：

　　⑴如果媒体空闲的，则可以立即发送。

　　⑵如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。

　　⑶如果有冲突（在一段时间内未收到肯定的回复），则等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。

　　这种算法的优点是：

只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失;其缺点是：

假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

　　c、P-坚持算法

　　算法规则：

　　⑴监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。

一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。

　　⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。

　　⑶如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。

　　P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。

问题在于如何选择P的有值，这要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定状态。

假如媒体是忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站的总期望数为NP。

如果选择P过大，使NP>1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。

最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。

所以必须选择适当P值使NP<1。

当然P值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。

　3.具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD

　　在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。

由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发和，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。

　　一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。

如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。

一于检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。

这样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。

这种方案称做载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。

　　CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。

对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。

从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。

信号传播时延（μs）=两站点的距离（m）/信号传播速度（m/μs）。

假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。

当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发生。

发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一份最大传播时延tp后，才能检测出冲突。

也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍（2tp）。

　　数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延;同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。

数据传输时延（s）=数据帧长度（bit）/数据传输速率（bps）。

若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。

　　由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。

所以，

　　对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。

　　在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法试图传输。

为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避和算法，其规则如下：

（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2;

（2）退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个小时片等于两站之间的最大传播时延的两倍;

　　（3）当数据帧再次发生冲突，由将参量L加倍;

　　（4）设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。

　　二进制指数退避算法是按后进先出LIFO（ListInFirstOut）的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧，具有优先发送的概率;而发生过多次冲突的数据帧，发送成功的概率就更少。

　　IEEE802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。

这种方法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送数据帧的站点能立即发送;在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。

由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500米。

　　二.IEEE802.x标准

　　IEEE802StandardsIEEE802标准电气和电子工程师协会（IEEE）802委员会或802工程定义了局域网（LAN）标准。

标准中的大部分是在80年代由委员会制订的，当时个人计算机联网刚刚兴起。

　　1.IEEE802.1为IEEE的一个工作组（WorkingGroup）。

此工作组负责IEEE802.1标准的制定。

　　IEEE802.1标准提供了一个对整个IEEE802系列协议的概述，描述了IEEE802标准和开放系统基本参照模型（即ISO的OSI7层模型）之间的联系，解释这些标准如何和高层协议交互，定义了标准化的媒体接入控制层（MAC）地址格式，并且提供一个标准用于鉴别各种不同的协议。

　　2.802.2逻辑链路控制定义了IEEE逻辑链路控制（LLC）协议，这些协议确保数据在一条通信链路上可靠地传输。

OSI协议栈中的数据链路层被分成了介质访问控制（MAC）子层和LLC子层。

在桥接器中，这两层作为一个模块化交换机制服务，如图I-5所示。

一幅到达