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数据网络基础,2023年6月29日,1 网络层次,局域网的地域范围一般只有几公里 传输介质：网线,局域网,城域网,地域范围从几公里至几百公里 数据传输速率可以从几Kbit/s到几Gbit/s 传输介质：光纤,WAN覆盖范围几百公里至几千公里 WAN分类：综合业务数字网：ISDN 数字数据网：DDN 帧中继：Frame Relay 异步传输模式：ATM,广域网,1.1 网络拓朴,星型网,树型网,网孔型网,环型网,总线型网,复合型网络,1.2 常见国际标准化组织,国际标准化组织（ISO）国际电信联盟（ITU）电子电器工程师协会（IEEE）美国国家标准局（ANSI）电子工业协会（EIA/TIA）Internet工程任务组（IETF）INTERNET架构委员会（IAB）Internet上的IP地址编号机构(IANA),2 TCP/IP与OSI参考模型比较,网络数据传输,主机间数据传输,2.1 常见TCP/IP协议栈,链路层协议包括：以太网协议、PPP协议、帧中继协议、ATM等；网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互连网控制报文协议），ARP/RARP（地址解析/反向地址解析协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）；传输层协议：TCP（传输控制协议/提供可靠服务）和UDP（用户数据报协议/提供不可靠但高效服务）；应用层：远程登录（Telnet）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、简单网络管理协议（SNMP）。,2.2 TCP/IP协议栈,2.3 OSI模型层次间的关系,对等层通信/对等层相同协议,Data,Bits,Frame,Packet,Segment,Data,Data,上层数据,上层数据,TCP Header,IP Header,LLC Header,0101110101001000010,MAC Header,Segment数据段,Packet数据包,Bits比特流,Frame数据帧,Data 数据,2.4 数据封装流程,传输层,数据链路层,物理层,网络层,表示层,应用层,会话层,上层数据,上层数据,上层数据,上层数据,LLC Hdr+IP+TCP+上层数据,MAC Header,IP+TCP+上层数据,LLC Header,TCP+上层数据,IP Header,上层数据,TCP Header,0101110101001000010,传输层,数据链路层,物理层,网络层,表示层,应用层,会话层,2.5 数据解封装流程,集线器,主机,主机,10Base2以太细缆10Base5以太粗缆,10BaseT双绞线,3 物理层,所有的设备都处于同一个冲突域 冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽的节点集合,任何一台主机发出的报文都会被同一冲突域中的所有其它机器接收到终端越多，意味着冲突的机会就会越多，所以需要启用CSMA/CD（载波监听多址访问/冲突检测）,3.1 冲突域,数据,源MAC,FCS,长度,目的MAC,可变长度域,2,6,6,4,00.d0.d0 00-19-C6 xx.xx.xx,后24位由厂商自行分配,前24位由IEEE 分配的厂商代码,MAC 层-802.3 Ethernet帧,前导符,Ethernet II 封装类型在此域使用“类型”,MAC Address,8,#字节,4 数据链路层,注意：1.所有MAC地址在同一个局域网中都必需是唯一的。2.具有相同MAC地址的2台设备不能在同一广播域中。,4.1 二层交换原理,二层交换技术可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个MAC地址表中。工作流程：当交换设备从某个端口收到一个数据包，首先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的设备是连在哪个端口上的。读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；如表中找不到相应的端口则把数据包广播到除源端口外的所有端口上，称作“Flooding”（泛洪）。,4.2 二层交换原理细节,MAC地址学习是对数据帧的源MAC地址进行学习，而不是目的MAC地址MAC地址学习只学习单播地址，对于广播和组播地址不进行学习,4.3 单播、组播和广播,IP网络三种基本通信方式：单播、广播、组播 单播是一种点到点的通信方式，它要求在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。广播是一种点到所有点的通信，如果在IP子网内广播数据包，不论子网内部主机是否愿意接收该数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，通过路由器和交换机网络设备控制广播传输。组播介于单播和广播之间，属于点对多点通信方式。当主机向一组主机发送信息，存在于某个组的所有主机都可以接收到信息。广播和组播都能实现点到多点的通信，但是二者还是存在显著区别的：广播方式时主机是被动的接收者，而组播方式则需要主机有选择的权利，只有当主机加入组时，组播数据才会发给主机。,Memory,交换机,4.5 交换机工作原理,二层交换机工作在数据链路层，每个端口可以看成是一根单独的总线，连接的网段就是一个单独的冲突域，所有的网段处于同一个广播域；广播域：广播包能够覆盖的区域，所有能够接收其他广播的节点属于同一个广播域,5 网络层,网络层主要是路由、寻径功能，提供主机到主机的连接功能。网络层有IP(网际协议)、ICMP（Internet互连网控制报文协议）、ARP（地址解析协议）和RARP（反向地址解析协议）。IP同时被TCP和UDP使用，处于OSI参考模型的网络层。ICMP（Internet互连网控制报文协议）是IP协议的附属协议，主要被用来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。应用程序ping和traceroute，都使用了ICMP协议。ARP（地址解析协议）和RARP（反向地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。,5.1 ARP工作机制,ARP协议实现IP向MAC地址的映射。ARP过程如下：ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播，ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。连接到同一LAN的所有主机都接收并处理ARP广播，目的主机的ARP层收到这份广播报文后，根据目的IP地址判断出这是发送端在寻问它的MAC地址。于是发送一个单播ARP应答。这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址。收到ARP应答后，发送端就知道接收端的MAC地址了。每个主机上都有一个ARP高速缓存。存放了最近IP地址到硬件地址之间的映射记录。当主机查找某个IP地址与MAC地址的对应关系时首先在本机的ARP缓存表中查找，只有在找不到时才进行ARP广播。,5.2 三层设备,路由器 和三层交换机路由器：划分广播域，路由器的接口做为子网的网关，路由器的两个端口在不同网段，起到了隔离广播域的作用，实现跨广播域之间的通信。软件式查找转发方式是瓶颈。三层交换机：不仅具备了路由器的功能，而且还提高了二层交换机的能力。,172.18.0.2,172.18.0.1,172.17.0.2,172.17.0.1,172.16.0.2,172.16.0.1,SA,DA,HDR,DATA,10.13.0.0,192.168.1.0,10.13.0.1,192.168.1.1,6 IPv4地址介绍,IP地址唯一标识一台网络设备点分十进制表示同一个路由器的不同接口必须配置不同网段的IP地址相邻路由器的对接端口的IP地址必须是在同一网段内的不同地址,6.1 网络地址与主机地址,172.16.2.1,172.16.3.10,172.16.12.12,10.1.1.1,10.250.8.11,10.180.30.118,172.16,12,12,Network,Host,.,.,172.16.2.1,10.6.24.2,Fei_1/1,Fei_1/2,1,Class A:,Bits:,0Network（8bit）,Host,8,9,16,17,24,25,32,Range(1-126),1,Class B:,Bits:,10 Network(16bit),Host,8,9,16,17,24,25,32,Range(128-191),1,Class C:,Bits:,110 Network(24bit),Host,8,9,16,17,24,25,32,Range(192-223),1,Class D:,Bits:,1110,组播,8,9,16,17,24,25,32,Range(224-239),6.2 IP地址分类,1,Class E:,Bits:,11110,8,9,16,17,24,25,32,Range(240-255),保留地址,6.3 非主机IP地址,私有地址：10.0.0.010.255.255.255172.16.0.0172.31.255.255192.168.0.0192.168.255.255,用于广播而非主机,主机地址全1,用于指定网络本身而非主机，称之为网络地址或者网络号,主机地址全0,指本地节点(一般为127.0.0.1)，用于测试网卡及TCP/IP软件,网络127.0.0.0,用途,地址,11111111,6.4 可用主机地址数量计算,172 16 0 0,10101100,00010000,00000000,00000000,16151413121110 9,87654321,Network,Host,00000000,00000001,11111111,11111111,11111111,11111110,.,.,00000000,00000011,11111101,1,2,3,65534,65535,65536,-,.,2,65534,N,2N-2=216-2=65534,2的N次方得出的是这个网段中IP地址的数量，主机位全为0和主机位全为1的网络地址和广播地址不可以被分配给主机使用，所以要将这2个地址减掉，得到的即是本网段可容纳的主机数量。,6.5 自然掩码编址,255,255,0,0,IP 地址,缺省掩码,网络位,主机位,也可写作“/16”其中16表示掩码的位数,11111111,11111111,00000000,00000000,网络位,主机位,很多情况下，特别是对于A类与B类网络，没有子网划分的网络对地址空间的利用是不经济的，而过多的主机处在一个广播域中会严重影响网络和主机的性能。,7 带子网划分编址,在有子网的编址中，主机位可以被细分为子网位与主机位。划分出来了不同的子网，即划分出了不同的逻辑网络。这些不同网络之间的通讯通过路由器来完成，也就是说将原来一个大的广播域划分成了多个小的广播域。网络设备使用子网掩码确定哪些部分为网络位，哪些部分为子网位，哪些部分为主机位。网络设备根据自身配置的IP地址与子网掩码，可以识别出一个IP数据包的目的地址是否与自己处在同一子网，或处在同一主类网络但处于不同子网，或处于不同的主类网络。,在有子网的编址中，主机位可以被细分为子网位与主机位。,7.1 带子网划分编址举例,16,网络位,主机位,172.16.2.160,255.255.255.0,172,2,0,10101100,11111111,10101100,00010000,11111111,00010000,11111111,00000010,10100000,00000000,00000000,00000010,子网位,网络地址,128192224240248252254255,7.2 带子网划分编址举例2,16,172,2,160,10101100,00010000,10100000,00000010,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,4,1,7.3 地址计算示例,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,00000010,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,16,172,2,160,7.3 地址计算示例,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,00000010,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,7,7.3 地址计算示例,16,172,2,160,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,10000000,00000010,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,4,7.3 地址计算示例,16,172,2,160,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,10000000,00000010,10111111,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,4,5,6,7.3 地址计算示例,16,172,2,160,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,10000000,00000010,10111111,10000001,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,4,5,6,16,2,160,7.3 地址计算示例,16,172,2,160,7.3 地址计算示例,10101100,11111111,00010000,11111111,11111111,10100000,11000000,10000000,00000010,10111111,10000001,10111110,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,4,5,6,7,16,172,2,160,7.3 地址计算示例,10101100,11111111,10101100,00010000,11111111,00010000,11111111,00000010,10100000,11000000,10000000,00000010,10101100,00010000,00000010,10111111,10101100,00010000,00000010,10000001,10101100,00010000,00000010,10111110,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,1,2,3,4,5,6,7,8,16,172,2,160,7.3 地址计算示例,10101100,11111111,10101100,00010000,11111111,00010000,11111111,00000010,10100000,11000000,10000000,00000010,10101100,00010000,00000010,10111111,10101100,00010000,00000010,10000001,10101100,00010000,00000010,10111110,Host,Mask,Subnet,Broadcast,Last,First,172.16.2.160,255.255.255.192,172.16.2.128,172.16.2.191,172.16.2.129,172.16.2.190,1,2,3,4,5,6,7,8,9,16,172,2,160,7.4 子网掩码练习,Address,Subnet Mask,Class,Subnet,172.16.2.10,10.6.24.20,10.30.36.12,255.255.255.0,255.255.240.0,255.255.255.0,Address,Subnet Mask,Class,Subnet,172.16.2.10,10.6.24.20,10.30.36.12,255.255.255.0,255.255.240.0,255.255.255.0,B,A,A,172.16.2.0,10.6.16.0,10.30.36.0,7.4 子网掩码练习,7.5 计算广播地址练习,Address,Class,Subnet,Broadcast,201.222.10.60,255.255.255.248,Subnet Mask,15.16.193.6,255.255.248.0,128.16.32.13,255.255.255.252,153.50.6.27,255.255.255.128,7.5 计算广播地址练习,153.50.6.127,Address,Class,Subnet,Broadcast,201.222.10.60,255.255.255.248,C,201.222.10.63,201.222.10.56,Subnet Mask,15.16.193.6,255.255.248.0,A,15.16.199.255,15.16.192.0,128.16.32.13,255.255.255.252,B,128.16.32.15,128.16.32.12,153.50.6.27,255.255.255.128,B,153.50.6.0,参考资料1.ZXR10_02_200904 TCPIP原理和子网规划.doc2.ZXR10_03_200904 局域网基础.doc,