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第1章网络互联基础学习目的与要求：所谓网络互联就是运用各种网络硬件和软件技术，把大大小小的网络连接起来，实现各网络之间的互连互通。本章介绍网络互联的模型、设备、IP地址的规划，以及可变长子网掩码的应用。学完本章，你将能够：描述网络互联的结构模型描述各种网络互联设备的功能和特点描述IP地址的结构、分类以及子网掩码的概念根据实际应用背景进行IP地址的子网规划第1章网络互联基础1.1网络互联的结构模型1.2网络互联设备1.3IP地址与子网规划本章小结本章习题网络互联的结构模型进行互联网络的规划与设计必须弄清网络互联的结构模型。本节从概念上阐述了计算机网络的定义与分类，计算机网络的体系结构，以及网络互联的结构。计算机网络的定义与分类计算机网络的定义：利用通信设备和传输线路，将分布在不同地理位置上的、功能独立的多个计算机系统连接起来的计算机集合。计算机网络的主要目的是实现资源共享和信息传递。共享的资源包括文件、数据库、应用程序或打印机等。根据覆盖的地理范围，可以将计算机网络分为局域网、城域网、广域网和互联网。局域网(LocalAreaNetwork，LAN)在一个较小的地理范围内存在的网络，一般在同一建筑物、同一单位内分布，网络覆盖的直径通常在几公里以下。传输速率很高，基于双绞线的局域网的数据传输速率为10/100/1000Mbps，基于光纤的网络数据传输速率可以达到100/1000/10000Mbps，无线局域网的数据传输速率常见的有11Mbps、54Mbps和108Mbps等三种。常用的局域网技术有：以太网技术(Ethernet)、令牌环网技术(TokenRing)、光纤分布数据接口技术(FiberDistributeDataInterface，FDDI)等。城域网(MetropolitanAreaNetwork，MAN)分布在一个城市里的网络，其覆盖范围通常为几公里到几十公里。城域网采用标准是分布式队列双总线(DistributedQueueDualBus，DQDB)，它已经成为国际标准，即IEEE802.6。广域网（WideAreaNetwork，WAN）由不同城市之间的LAN或MAN网络互联而成，所覆盖的地理范围可从几百公里到几千公里。一般要向电信服务商租用通信线路来实现网络的构建。互联网指由多个网络相互连接构成的网络集合，如局域网和广域网的连接、两个局域网的相互连接或多个局域网通过广域网连接起来。最大的互联网就是因特网(Internet)。计算机网络体系结构相互通信的两个计算机系统必须遵守相同的约定或规则，称为网络协议。目前有各种不同的网络协议，常见的有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议等。为了减小协议设计的复杂性，同时也为了描述清楚网络协议，以及以后更容易扩展，通常把计算机网络按照一定的功能与逻辑关系划分成一种层次结构，网络协议被分成层次来描述。计算机网络体系结构就是这种层次结构与协议的集合。参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层图1-1OSI参考模型(1)物理层负责在通信信道上传送原始比特流,保证发送方发送的是比特1，接收方收到的也必须是比特1而不是比特0。它定义的是各种机械和电气的接口，主要包括电缆、端口和附属设备，如双绞线、网卡、RJ-45接口、串口和并口都是工作在这个层次的。(2)数据链路层该层的功能包括建立与释放数据链路连接，封装数据帧、定界、同步，以及差错检测和流量控制等方面。它使用物理地址(MediaAccessControl，MAC)进行寻址，以帧为单位传输数据，在数据帧中包含地址、数据及各种控制信息，确保数据可以安全地到达目的地。(3)网络层该层它的主要功能是确定一个数据包从源端到目的端如何选择最佳路由，同时还要解决网络拥塞问题，防止出现网络传输瓶颈。网络层的数据传输单位是包（Packet)。(4)传输层该层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，用于提高网络层服务质量，提供可靠的端到端的数据传输。它从会话层接收数据，并且必要时把这些数据分割成适合在网络层传输的数据的大小，传送给网络层，再由网络层将数据传送到指定的目的地。传输层的数据传输单位是段(Segment)。(5)会话层用于建立、管理和终止两个通信主机之间的会话，会话可能是一个用户通过网络登录到一台主机，或一个正在建立的用于传输文件的会话。(6)表示层负责管理数据编码方式。其功能主要有数据语法转换、语法表示、数据加密和数据压缩。(7)应用层该层为用户的应用程序提供网络服务。包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等。参考模型图1-2TCP/IP参考模型及其与OSI参考模型的对比传输层(TCP或UDP)网际层(IP)网络接口层应用层(各种应用层协议，如TELNET、FTP、DNS等)应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层(1)应用层涵盖了OSI参考模型中最高的三层(应用层、表示层、会话层)的功能，负责处理高层协议和相关表示、编码及会话控制的问题。应用层协议主要有HTTP、FTP、TELNET、SMTP、DNS等。(2)传输层对应于OSI参考模型的传输层，可以提供源主机到目的主机之间端到端的传输服务。主要包括两个协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。前者是一种面向连接的传输协议，可以确保这个通信过程是可靠的；后者是一个无连接协议，靠应用层的协议控制发送和接收的正确性。(3)网际层对应于OSI参考模型的网络层，负责数据报文的路由。主要协议包括：网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、逆向地址解析协议(RARP)、Internet控制信息协议(ICMP)等。(4)网络接口层对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，负责在进行数据分组传送时，建立与网络介质的物理连接。网络互联的结构将多个网络相互连接在一起的技术称为“网络互联(Internetworking)”。将两个网络连接在一起并保证在两个网络中的主机能够进行相互通信的设备就称为互联网网关(Gateway)或互联网路由器(Router)。在包含许多网络和路由器的实际互联网中，每个路由器都需要知道它们所连接的网络以外的互联网拓扑结构。网络1网络2网络3RTBRTA图1-3由两个路由器互联的三个网络网桥上海分公司北京分公司广州分公司广域网路由器交换机集线器路由器路由器令牌环LAN令牌环LAN到以太网终端ATM图1-4企业互联网络网络互联设备OSI层名称该层功能地址类型网络互联设备应用层为用户提供操作功能网关(协议转换器)表示层提供字符表示、数据压缩和安全性等方面功能网关(协议转换器)会话层建立、管理和结束会话网关(协议转换器)传输层在应用程序进程之间传输消息应用程序进程地址(端口)网关(协议转换器)网络层通过网络发送单个的数据包网络地址路由器、第三层交换机数据链路层将数据帧发送到目的节点网卡地址(硬件地址)网桥，交换机物理层通过物理介质传输表示比特的信号线缆、无线信道，中继器和集线器等网络互联设备与OSI模型各层对应关系中继器图1-5中继器工作原理帧比特信号在线缆传输过程中变弱比特流101010101010101比特流101010101010101中继器创建与原始信号匹配的新的更强信号中继器数据链路层物理层中继器可以将局域网的一个网段和另一个网段相连，而且可以连接不同类型的物理介质。但是由于中继器只是一种信号放大设备，它不能连接两种不同的介质访问类型，比如令牌环网和以太网。另外中继器不能识别数据帧的格式和内容，也不能将一种数据链路报头转换成另外一种类型。作为以太局域网的网络互联设备，中继器只适用于较小地理范围内的相对较小的局域网(小于100个节点)。由于中继器逐比特地将数据复制到所有相连的网段，所有的数据都能双向通过中继器，所以如果用中继器将多个局域网网段连接在一起，由于中继器不能过滤任何数据，可能会遇到性能方面的问题。以太网“543”标准：每个以太网最多可以分成5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以连接计算机。集线器图1-6集线器工作原理集线器的分类按总线带宽分类：10Mbps、100Mbps和10/100Mbps等按工作方式分类：智能型、非智能型按体系结构分类：固定式、模块式、可堆叠式按端口数目分类：4口、8口、12口、16口、24口等集线器网络的特点使用集线器构成的网络呈现星型拓扑结构。当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。通过集线器连接的网络是一个大的冲突域，即集线器不能隔离冲突域。由于多个用户共享相同的冲突域，会使网络性能逐渐下降，这种情况发生时，通常使用以太网交换机来提高性能。网桥网桥(Bridge)也称为桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以实现具有相同或相似体系结构网络系统的连接。不但可以扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。网桥工作在数据链路层。它监听所连接的每个网段上传输的数据，并将每个数据帧的目的网卡地址(MAC地址)和自身软件维护的一个地址表进行比较。当一个数据帧的目的网卡地址和它的发送网卡地址在同一网段时，网桥会将该数据帧丢弃，否则，网桥将该帧转发到和目的网段相连的端口。由于只转发目的地址在其他网段的数据帧，网桥增加了整个网络有效吞吐率。网桥按照其软件创建网桥表的方法或算法来分类，可分为透明网桥和源路由网桥两种。透明网桥用于连接以太网段，也可用于令牌环网和FDDI网络。透明网桥具有三种重要特性：过滤、转发和学习。它将每个数据帧的目的地址和自身的地址数据库(MAC地址与端口的映射表)进行比较：»如果目的地址和源地址在同一网段，网桥就不转发此数据帧；»如果目的地址和源地址在不同的网段，网桥就会查出哪个端口和目的地址相关，并将该帧转发到相应端口；»如果目的地址不在地址数据库中，网桥将该帧发往所有与之相连的端口，以保证该帧在下一步可以被正确地送往它的目的地；»如果源地址不在数据库中，网桥会将它加入其中，同时加入的还有接收该数据帧的端口号，通过这种方式，网桥学习并知道了网络中设备的地址。源路由网桥源路由网桥只能用于令牌环网和FDDI网络。核心思想：假定每个帧的发送者都知道接收者是否在同一局域网中。当发送一数据帧到另外的网段时，源主机将