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第1章 网万丈高楼平地起 网络工程基础知识,21世纪全国高校应用人才培养网络技术类规划教材,网络工程实践教程,内容提要,网络工程实践教程,1.1 网络工程概述,1.1.1 网络工程的含义网络工程是研究网络系统的规划、设计与管理的工程科学，是网络建设过程中科学方法与规律的总结。在整个网络工程中，要求工程技术人员根据既定的目标，严格依照行业规范，制订网络建设的方案，协助工程招投标、设计、实施、管理与维护等活动。,网络工程实践教程,1.1 网络工程概述,1.1.2 网络工程建设各阶段准备阶段设计阶段逻辑设计物理设计施工阶段维护阶段,网络工程实践教程,1.1 网络工程概述,1.1.3 系统集成 系统集成则是指在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，整合用户原有系统，提出系统性的应用方案，并按照方案对组成系统的各个部件或子系统进行综合集成，使之成为一个经济高效的系统。计算机网络系统集成有3个主要层面：技术集成软硬件产品集成应用集成,1.2 OSI网络参考模型,1.2.1 OSI网络参考模型概述,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,1.2.2 各层功能物理层(Physical Layer)OSI参考模型的最低层，它是对物理设备通过物理介质互连的描述和规定。数据链路层(Data Link Layer)数据链路层主要工能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传输。数据封装数据链路的建立、维护和释放流量控制错误检测,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,网络层(Network Layer)网络层是OSI中最复杂的一层，也是通信子网最高一层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务，主要解决不同子网的通信。传输层(Transport Layer)传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。会话层(Session Layer)会话层是用户应用程序和网络之间的接口，不参与具体的数据传输，但对数据传输的同步进行管理。,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,表示层(Presentation Layer)表示层是处理有关被传送数据的表示方式。数据格式处理 数据的编码 压缩和解压缩 数据的加密和解密 应用层(Application Layer)应用层直接与用户和应用程序打交道，作为用户使用OSI功能的唯一窗口。负责对软件提供接口以使程序能使用各种网络应用服务。比如文件传输、电子邮件、远程访问等。,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,1.2.3 数据封装,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,1.2.4 TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型层次,网络工程实践教程,1.2 OSI网络参考模型,TCP/IP协议栈,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,网络互连设备协议层示意图,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,1.3.1 网络适配器网络适配器简称为网卡(Network Interface Card,NIC)，是连接计算机与网络的硬件设备，属于数据链路层设备。负责将计算机内部数据转换成适合在网络上传输的格式。每块网卡都有一个唯一的物理地址，称为MAC地址，在通信过程中，通过数据包中的MAC地址来识别相应的计算机。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,1.3.2 集线器集线器(HUB)是一种特殊的中继器，它与中继器的区别在于集线器能够提供多端口服务，故也称为多口中继器。集线器属于物理层设备。集线器具有以下两个功能：将信号放大，以支持更远的传输距离；将计算机互联，已组成一个星形的网络。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,1.3.3 交换机交换机(Switch)是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备，属于数据链路层设备，故也称为二层交换机。目前，根据市场需求，推出了三层交换机，即把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称三层交换机。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,交换机的关键技术：交换机最关键的技术就是交换机能识别连在网络上的节点的网卡MAC地址，并将地址同相应的端口建立映射，缓存在MAC地址表中。当数据帧到达交换机后，交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，如果目的MAC地址存在，则将数据帧向其对应的端口转发。如果在MAC地址表中找不到目的MAC地址，则将数据帧向除源端口外的所有端口转发。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,交换机转发数据是有针对性的，只有对找不到MAC地址的数据帧，或广播帧和组播帧进行广播。因此，交换机可以有效的过滤多余数据流，从而降低整个网络的数据传输量，提高整个网络的传输效率。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,1.3.4 路由器路由器(Router)是一种用于连接多个网络或网段的网络设备，属于网络层设备。它能将不同网络或网段的数据信息进行“翻译”，以使路由器之间能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器不是一个纯硬件设备，而是具有相当丰富的路由协议的软、硬结构设备。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,路由器的主要工作是路由选择和数据转发。为了完成这项工作，路由器中保存着各种传输路径的相关数据的路由表。路由表就像我们平时使用的地图一样，标识着各种路径，路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,路由信息表示意图,网络工程实践教程,1.3 网络互联设备,1.3.5 网关网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关是最复杂的网络互连设备，仅使用于两个高层协议不同的网络互联。网关在OSI模型的上层工作传输层、会话层、表示层和应用层。网关通常由实际的计算机承担，运行网关软件，该软件负责转换两个不同网络环境之间的数据。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,1.4.1 IP地址概述IP地址的含义Internet上基于TCP/IP协议的网络中的众多主机在通信时能够相互识别，因为每一台主机都分配有一个唯一的32位地址，即IP地址，也称为网际地址。IP地址的结构IP地址是32位的二进制无符号数。每个IP地址被分为两个部分，网络ID和主机ID。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,IP地址的表示方法IP地址是用32位二进制表示的。为了方便，国际通行一种点分十进制表示法。如下描述：32位地址按字节分为4段，高字节在前，每个字节用十进制数表示，并且各字节之间用点号“.”隔开。每组数的取值范围为0255。例如：IP地址“11000000 10101000 00000000 00000010”用点分十进制“192.168.0.2”表示。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,1.4.2 IP地址分类IP协议规定了IP地址分为五类：A类、B类、C类、D类和E类，其中A、B、C三类是基本类型。每类地址中定义了它们的网络ID和主机ID各占用32位地址中的多少位，也就是说每一类中，规定了可以容纳多少个网络，以及这样的网络中，可以容纳多少台主机。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,A类 A类IP地址的最高位为“0”，接下来7位表示网络ID，剩下的24位表示主机ID。A类网络地址范围为0000000101111110，用十进制表示A类地址的网络地址在1126之间（0和127留作它用）。A类地址用于少数的拥有众多主机的大型网络。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,B类 B类IP地址的前两位为“10”，接下来14位表示网络ID，剩下的16位表示主机ID。用十进制表示，B类地址的第一个字节在128191之间。B类地址用于中等规模的网络。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,C类 C类IP地址的前3位为“110”，其后21位表示网络ID，最后的8位表示主机ID，C类地址的第一个字节在192233之间。C类地址共有2,097,152个网络，它用于小型网络，每个网络的主机数少于254台。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,D类 D类地址为组播地址，可以通过组播地址将数据发送给多个主机。D类地址以“1110”开头，说明第一个字节在224239之间。发送组播需要特殊的路由配置，默认情况下，不会转发。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,E类 E类是实验性地址，用于科学研究并不分配给用户使用。E类地址最高位为“1111”，代表第一个字节从240254。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,常用IP地址范围表,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,特殊用途IP地址,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,1.4.3 子网划分 现在Internet中，有限的IP地址资源已经被分配的差不多了。IP地址消耗如此之快原因在于IP地址的巨大浪费。根据用户的需求IP地址需要进一步划分，划分成更小的网络，称为子网（Subnet）。即对IP地址的主机ID进一步划分为子网ID和主机ID。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,子网掩码 子网掩码(Mask)是网络地址对应网络标识编码的各位为1，对应主机标识编码的各位为0的一个4字节整数，也叫做子网屏蔽码。不同的子网掩码将网络分割成不同的子网。子网掩码的作用是确定IP地址中的网络ID。将掩码与IP地址得相应各位进行“与”操作的结果就是该IP地址的网络ID。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,缺省子网掩码,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,通过子网掩码计算网络ID例如，网络A中主机A1的IP地址为192.168.2.183，子网掩码为255.255.255.240,网络A的网络ID是多少？,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,子网划分 下面介绍子网划分的步骤：第1步，将要划分的子网数目转换为2的m次方。如要分8个子网，8=23。如果恰好不是2的多少次方，则取大为原则，如要划分为6个，则同样要考虑23。第2步，将上一步确定的幂m按高序占用主机地址m位后，转换为十进制。如m为3表示主机位中有3位被划为“网络标识号”占用，因网络标识号对应全为“1”，所以主机号对应的字节段为“11100000”。转换成十进制后为224，这就最终确定的子网掩码。如果是C类网，则子网掩码为255.255.255.224；如果是B类网，则子网掩码为255.255.224.0；如果是A类网，则子网掩码为255.224.0.0。子网掩码将网络分割成不同的子网。,网络工程实践教程,1.4 IP地址与子网划分,子网划分例子 借2位产生了4个子网过程：,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,1.5.1 网络适配器网卡分类对于有线网络 根据网络接口卡分为：细缆口、粗缆口、双绞线口和光缆口根据网卡带宽分为：10Mbps、100Mbps、10/100Mbps自适应、1000Mbps、10/100/1000Mbps自适应、10Gbps根据网卡总线类型分为：ISA接口、PCI接口、EISA接口和MCA接口对于无线网络 根据网卡带宽分为：11Mbps、54Mbps、11/54Mbps自适应、1000Mbps、10/100/1000Mbps自适应、10Gbps根据网卡总线类型分为：PCMCIA接口、PCI接口、USB接口等,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,网卡产品选型普通工作站网卡 普通工作站以太网网卡在技术上基本没有太多考虑，只需选择 10/100Mbit/s自适应的RJ-45接口快速以太网网卡即可。选购时可以考 虑 市场最常见的品牌如3Com、IBM、Intel、SMC、联想、D-Link等。服务器网卡 服务器网卡相对复杂一些，网卡的接入速率提高到了1000Mbps,另一方 面也支持光纤作为传输介质，所以服务器以太网卡的网络接口有RJ-45 接口和单模SX、多模SC光纤接口。,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,1.5.2 集线器集线器分类按处理信号的方式，分为被动无源集线器、主动有源集线器和智能集线器。按配置形式，分为独立式集线器、堆叠式集线器、模块式集线器。按外型尺寸，分为机架式集线器和桌面式集线器。按传输速率，分为10Mbps集线器、100Mbps集线器、10/100Mbps自适应集线器,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,集线器产品选择 主要考虑以下性能指标带宽 可扩展性网管功能配置形式接口类型品牌和性价比,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,1.5.3 交换机交换机类型企业级核心交换机 部门级汇聚交换机工作组接入层交换机桌面级接入层交换机,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,交换机的选购 主要参考下列性能指标背板带宽 包转发率MAC地址表容量VLAN能力网管能力堆叠支持的协议和标准,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,1.5.4 路由器路由器分类按性能档次划分，路由器分为高、中、低档3类 按结构划分，路由器分为模块化结构和非模块化结构从功能上划分，分为核心层（骨干级）路由器、分发层（企业级）路由器、访问层（接入级）路由器。按所处的网络位置划分，分为边界路由器和中间节点路由器按性能上划分，分为线速路由器和非线速路由器,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,路由器选购路由器所支持的路由协议路由器就是用来连接不同网络的，这些所连接的不同网络可能采用的是同一种通信协议，也可能采用的是不同的通信协议。因此，路由器支持的路由协议越多，通用性就越强。丢包率丢包率就是在一定的数据流量下路由器不能正确进行数据转发的数据包在总的数据包中所占的比例。丢包率的大小会影响到路由器线路的实际工作速率，严重时甚至会使线路中断，通常正常工作所需的路由器丢包率应小于1。背板能力背板能力通常是指路由器背板容量或者总线带宽能力，这个性能对于保证整个网络之间的连接速度是非常重要的。如果所连接的两个网络速率都较快，而由于路由器的带宽限制，这将直接影响整个网络之间的通信速率。,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,吞吐量吞吐量是路由器对数据包的转发能力。较高档的路由器可以快速正确的转发大的数据包，而较低档的路由器只能转发较小的数据包，遇到大数据包时需要先将其拆分成小数据包后才能转发。高速路由器的包转发能力至少达到20Mpps以上。吞吐量主要包括两个方面：设备吞吐量，指设备整机的包转发能力，是设备性能的重要指标。路由器的工作在于根据IP包头或者MPLS 标记选路，因此性能指标是指每秒转发包的数量。设备吞吐量通常小于路由器所有端口吞吐量之和。端口吞吐量，指路由器在某端口上的包转发能力。转发时延路由器的转发时延是指数据包第一个比特进入路由器到最后一个比特从路由器输出的时间间隔。该时间间隔是路由器的处理时间。它与背板能力、吞吐量参数紧密相关。,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,路由表容量路由表容量是指路由器运行中可以容纳的路由数量。路由器通常依靠所建立及维护的路由表来决定包的转发。这一参数与路由器自身所带的缓存大小有关，一般而言，高速路由器应该能够支持至少25万条路由，因为它可能要面对非常庞大的网络。可靠性可靠性是指路由器的可用性、无故障工作时间和故障恢复时间等指标，这一指标一般无法测试。可以选购信誉较好、技术先进的品牌作保障。网管能力 同交换机的管理能力相比，路由器的网管能力更加强大。尤其在大型网络中，网络的维护和管理负担就越来越重，在路由器这一层上支持标准的网管系统尤为重要。选择路由器时，务必要关注网络系统的监管和配置能力是否强大，设备是否可以提供统计信息和深层故障检测的诊断功能等。,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,1.5.5 服务器服务器分类 从包含处理器的个数来分，分为单路服务器、双路服务器、四路服务器、8路服务器等等，其中将4路以上统称多路服务器。从处理器架构来分，包括RISC服务器和X86服务器，一般我们对通用基于X86服务器称为PC服务器。从应用来分，分为Web服务器、邮件服务器、数据库服务器等。从服务器的结构上可以将服务器分为塔式服务器和机架式服务器，其中机架式服务器按照机器的厚度又分为1U服务器、2U服务器、3U服务器、4U服务器等等。按照服务器的集约化的方式可以分为刀片服务器、集群系统等等。,网络工程实践教程,1.5 网络设备选型,服务器选购适当的处理器架构适宜的可扩展能力适当的服务器架构合适的品牌,网络工程实践教程,网络工程实践教程,1.6 动动脑筋,网络工程建设过程中要经历那几个阶段？OSI网络参考模型各层都有哪些功能？集线器、交换机和路由器在网络连接中起什么作用？IP地址和MAC地址都可以标识网络中的一台计算机，两者之间有什么区别和联系？某网络有3个网段，网络中的每一个网段只有30台主机，现在只申请了一个C类网络地址211.208.2.0，利用子网络划分的方法为其进行IP地址的分配，怎样分合理？,网络工程实践教程,1.7 总结反思,通过本章的学习，读者对网络基础及网络工程基础知识有了初步的了解，对OSI参考模型和TCP/IP参考模型的分层结构及每层的功能有了初步的认识。同时掌握了IP地址相关技术，对网络互连设备的基本工作原理和分类以及设备选购有了深入认识。本章的学习为后面几章的学习做了铺垫。,Thank You!,
