課件計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ).ppt

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),第二部分 包傳輸,主要內(nèi)容,包、幀和錯(cuò)誤檢測(cè) 局域網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?硬件編址 局域網(wǎng)布線 擴(kuò)展局域網(wǎng) 廣域網(wǎng)技術(shù)和路由 網(wǎng)絡(luò)所有權(quán),1. 包、幀和錯(cuò)誤檢測(cè),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常將數(shù)據(jù)分割成較小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傳輸，這些數(shù)據(jù)塊稱為packet，通常譯成分組或包。 使用包的兩個(gè)原因： 提高出錯(cuò)重傳的效率，只需要重傳出錯(cuò)的包即可。 保證公平訪問，防止某個(gè)應(yīng)用程序長(zhǎng)時(shí)間地占用共享信道。,包和硬件幀,每種硬件技術(shù)各自定義了在其硬件上傳送包的細(xì)節(jié)，包括包的大小和格式。術(shù)語幀（frame）指代特定硬件格式的包。 幀格式定義包括： 幀的開始與結(jié)束標(biāo)記 區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息和控制信息的辦法 檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤的辦法,幀格式及字節(jié)填充,幀定界,字節(jié)填充,檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤,檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤的一般方法： 在發(fā)送的數(shù)據(jù)中附加一小段數(shù)據(jù)，發(fā)送方通過對(duì)這段數(shù)據(jù)的計(jì)算和檢驗(yàn)來確定數(shù)據(jù)是否被正確傳輸。 傳輸錯(cuò)誤的檢測(cè)： 奇偶校驗(yàn)位：不能檢測(cè)出偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤。 校驗(yàn)和：計(jì)算簡(jiǎn)單，但檢錯(cuò)能力較弱。 循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC：檢錯(cuò)能力極強(qiáng)，且有簡(jiǎn)單的硬件支持。,計(jì)算校驗(yàn)和的例子,（1）由12位ASCII碼生成16位校驗(yàn)和的例子,（2）包含CRC的幀,2. 局域網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?早期的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)采用直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，開銷大，可擴(kuò)展性很差。 20世紀(jì)70年代初開發(fā)出稱為局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)通信方式，代替昂貴的專用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 局域網(wǎng)技術(shù)依賴于共享網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)局域網(wǎng)由一條許多計(jì)算機(jī)連接在其上的單一共享介質(zhì)組成，計(jì)算機(jī)輪流使用介質(zhì)發(fā)送包。 局域網(wǎng)技術(shù)開銷小，擴(kuò)展性好，已成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最普遍的形式。 共享網(wǎng)絡(luò)用于本地通信，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接常用于遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)。,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,5臺(tái)計(jì)算機(jī)需要10條連接,局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),星形拓?fù)?所有計(jì)算機(jī)連接到一個(gè)中樞節(jié)點(diǎn)上，中樞節(jié)點(diǎn)常稱為網(wǎng)絡(luò)集線器。 環(huán)形拓?fù)?所有計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接成一個(gè)封閉的環(huán)。 總線拓?fù)?所有計(jì)算機(jī)連接到一根長(zhǎng)電纜上。,局域網(wǎng)拓?fù)涫纠?總線網(wǎng)實(shí)例-以太網(wǎng)（Ethernet）,以太網(wǎng)最早由Xerox公司發(fā)明，隨后DEC、Intel和Xerox合作制定了一個(gè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，稱為DIX以太網(wǎng)。 最早的以太網(wǎng)由一根稱為以太（ether）、連接著多臺(tái)計(jì)算機(jī)的同軸電纜組成，速率10Mbps。,CSMA/CD,以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的傳輸： 發(fā)送方通過檢測(cè)電纜上電的活動(dòng)性來判斷電纜是否正在被使用，如果電纜空閑就可以發(fā)送。 發(fā)送的過程中檢測(cè)沖突，一旦檢測(cè)到?jīng)_突，立即停止發(fā)送。 隨機(jī)等待一段時(shí)間再重試。,環(huán)形網(wǎng)實(shí)例-IBM令牌環(huán),大多數(shù)使用環(huán)形拓?fù)涞木钟蚓W(wǎng)使用令牌傳遞機(jī)制進(jìn)行訪問控制，因而稱令牌環(huán)。 數(shù)據(jù)在環(huán)上沿一個(gè)方向傳播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)比特后立即將其傳給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從環(huán)上取消。 發(fā)送許可通過令牌傳遞。令牌是一個(gè)特殊的幀，一直在環(huán)上巡游，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)允許發(fā)送一個(gè)幀，然后將令牌傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 環(huán)上任何時(shí)候最多只有一個(gè)令牌，因而不會(huì)發(fā)生沖突。 令牌繞環(huán)巡游，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)使用網(wǎng)絡(luò)。,令牌環(huán)示例,環(huán)形網(wǎng)實(shí)例-FDDI,FDDI使用光纖而不是電纜，可以達(dá)到100Mbps的速率。 FDDI網(wǎng)包含兩個(gè)完整的環(huán)，一個(gè)在正常情況下工作的主環(huán)，和一個(gè)在主環(huán)失效的情況下使用的次環(huán)，主環(huán)和次環(huán)上的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向相反。 在節(jié)點(diǎn)失效或環(huán)路中斷時(shí)，主環(huán)和次環(huán)被連接起來以繞過故障點(diǎn)。,FDDI的雙環(huán)結(jié)構(gòu),星形網(wǎng)實(shí)例-ATM網(wǎng)絡(luò),ATM網(wǎng)絡(luò)的核心是ATM交換機(jī)，互連的一臺(tái)或多臺(tái)交換機(jī)形成一個(gè)中樞集線器，所有計(jì)算機(jī)均連接在上面。 ATM網(wǎng)絡(luò)只把數(shù)據(jù)傳送給正在通信的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，而不是傳播給任何計(jì)算機(jī)。 ATM被設(shè)計(jì)用于提供高吞吐量，因而計(jì)算機(jī)和交換機(jī)之間使用一對(duì)光纖，每條光纖在一個(gè)方向上承載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為155Mbps及以上。,ATM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?3. 硬件編址,從物理上說，通過共享網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)到達(dá)所有節(jié)點(diǎn)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)如何通過這樣的介質(zhì)通信呢？ 大多數(shù)局域網(wǎng)使用編址模式提供直接的通信。每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配一個(gè)唯一的硬件地址（物理地址，MAC地址），每個(gè)幀包含發(fā)送者及期望接收者的硬件地址。 網(wǎng)卡分析幀的地址字段，只有目的地址與節(jié)點(diǎn)地址相匹配的幀才會(huì)被交給操作系統(tǒng)去進(jìn)一步處理，其余的幀被丟棄。 網(wǎng)卡還負(fù)責(zé)檢查幀的長(zhǎng)度是否在允許的范圍內(nèi)，以及檢查CRC以確保收到的幀是正確的。,DIX以太幀結(jié)構(gòu),MAC地址,MAC地址屬于網(wǎng)卡而不是主機(jī)，通常被固化在ROM中。 MAC地址的長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)，通常用由冒號(hào)分隔的6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示。比如，MAC 地址：00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010表示為 8:0:2b:e4:b1:2。 MAC地址有局部地址和全局地址之分： 全局地址由IEEE分配，沒有兩個(gè)網(wǎng)卡具有相同的全局地址 局部地址由網(wǎng)絡(luò)管理員分配，只在本網(wǎng)內(nèi)有效,MAC地址類型,MAC地址有三種類型： 單播地址：指示某一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù) 廣播地址：指示網(wǎng)上所有的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù) 多播地址：指示網(wǎng)上的一組節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù) 網(wǎng)卡分析幀的地址字段，如果幀的目的地址與節(jié)點(diǎn)地址相匹配、或者是廣播地址、或者在要監(jiān)聽的多播地址集合中，將幀交給操作系統(tǒng)做進(jìn)一步處理。,幀頭和幀格式,大多數(shù)局域網(wǎng)技術(shù)都規(guī)定幀由幀頭和載荷（payload）兩部分組成： 幀頭包含發(fā)送者地址和接收者地址等信息，每個(gè)字段都有固定的長(zhǎng)度和位置。 載荷包含要發(fā)送的信息，長(zhǎng)度一般是可變的。 幀格式的一個(gè)例子,4. 局域網(wǎng)布線,計(jì)算機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）處理分組收發(fā)的全部細(xì)節(jié)。 網(wǎng)絡(luò)接口卡插在計(jì)算機(jī)總線上，用一條電纜連接到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上。,網(wǎng)卡的安裝,雙絞線以太網(wǎng)（10BaseT）,集線器：作為網(wǎng)絡(luò)中樞的電子設(shè)備，其內(nèi)部的電子部件仿真一條物理電纜。 網(wǎng)絡(luò)接口卡 帶RJ-45連接器的雙絞線：連接網(wǎng)絡(luò)接口卡與集線器。,辦公室中的雙絞線以太網(wǎng)布線,物理拓?fù)渑c邏輯拓?fù)?10BaseT是總線拓?fù)溥€是星形拓?fù)洌?從物理布線來看， 10BaseT形成了星形拓?fù)洹?從邏輯結(jié)構(gòu)來看， 10BaseT采用了類似總線的工作方式。 所以，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)決定了邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線方案決定了物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物理拓?fù)渑c邏輯拓?fù)淇梢圆煌?網(wǎng)絡(luò)接口卡和布線方案,許多網(wǎng)絡(luò)接口卡支持多種布線方案，即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡上有幾種連接器，可以根據(jù)具體的布線方案選用。 但是一個(gè)給定的接口每次只能使用一種布線方案，即計(jì)算機(jī)軟件只能激活一個(gè)連接器，其它的不能使用。,5. 擴(kuò)展局域網(wǎng),距離限制是局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本部分： 局域網(wǎng)技術(shù)通常使用共享通信介質(zhì)（為節(jié)省費(fèi)用），共享介質(zhì)的訪問控制機(jī)制是限制局域網(wǎng)長(zhǎng)度的主要原因之一。 局域網(wǎng)硬件依照設(shè)定的最大電纜長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件在超過限制的線路上不能正確工作（如遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)收不到足夠強(qiáng)的信號(hào)）。,中繼器,中繼器用于連接兩個(gè)電纜段，它將從一個(gè)電纜段上收到的所有電信號(hào)放大后發(fā)送到另一個(gè)電纜段上，起到延長(zhǎng)電纜段的作用。 中繼器并不識(shí)別幀格式，也沒有物理地址，只是放大和轉(zhuǎn)發(fā)物理信號(hào)，會(huì)將沖突信號(hào)、噪聲等也發(fā)送到另一個(gè)電纜段上。,用中繼器連接網(wǎng)段,網(wǎng)橋,網(wǎng)橋是連接兩個(gè)局域網(wǎng)段的電子設(shè)備。 網(wǎng)橋接收每一個(gè)網(wǎng)段上的幀，驗(yàn)證幀的完整性，必要時(shí)將幀轉(zhuǎn)發(fā)到其它網(wǎng)段上。網(wǎng)橋不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)干擾或者出錯(cuò)的幀。 網(wǎng)橋?qū)τ谟脩魜碚f是透明的。 典型的網(wǎng)橋由一臺(tái)帶有CPU、存儲(chǔ)器和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成，CPU執(zhí)行ROM中的代碼，不運(yùn)行應(yīng)用軟件。,交換機(jī),交換機(jī)在物理上與集線器類似，但工作方式不同： 集線器模擬一個(gè)共享介質(zhì) 交換機(jī)模擬每段帶有一臺(tái)計(jì)算機(jī)的橋接局域網(wǎng)。 交換機(jī)允許多對(duì)端口之間同時(shí)通信，吞吐量高；另外采用專用集合電路芯片實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)速率快。,使用多種交換機(jī)組網(wǎng),6. 廣域網(wǎng)技術(shù)和路由,按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為： 局域網(wǎng)：跨越一個(gè)建筑物或校園 城域網(wǎng)：跨越一個(gè)城市 廣域網(wǎng)：跨越多個(gè)城市、國(guó)家甚至洲。 區(qū)分廣域網(wǎng)技術(shù)與局域網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是規(guī)模： 廣域網(wǎng)必須能夠根據(jù)需要增長(zhǎng)并連接分布在很大物理距離內(nèi)的計(jì)算機(jī)，同時(shí)必須為通信提供足夠的能力。（節(jié)點(diǎn)可以任意多，地理范圍可以任意大，可提供足夠的通信能力）,分組交換機(jī),為使廣域網(wǎng)具有成長(zhǎng)能力，廣域網(wǎng)由連接了許多計(jì)算機(jī)的交換機(jī)組成，交換機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線路連接。 分組交換機(jī)是廣域網(wǎng)的基本部件，它將完整的分組（包）從一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)端口。 幾乎每種形式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信都已被用來構(gòu)造廣域網(wǎng)。,構(gòu)建廣域網(wǎng),廣域網(wǎng)通過互連一組分組交換機(jī)并連接計(jì)算機(jī)而形成。 增大廣域網(wǎng)容量時(shí)可以添加另外的交換機(jī)或互連。 廣域網(wǎng)不需要是對(duì)稱的，交換機(jī)之間的互連和每條連接的容量是為了接收預(yù)期的通信并在故障情況下提供冗余而選定的。,存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā),廣域分組交換系統(tǒng)的基本機(jī)制是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)： 分組到達(dá)后首先在存儲(chǔ)器中緩存； 處理器分析每個(gè)分組的目的地址，選擇最佳的輸出端口，將分組從選定的端口發(fā)送出去。,廣域網(wǎng)內(nèi)的物理編址,從計(jì)算機(jī)的角度來看，廣域網(wǎng)的工作方式類似于局域網(wǎng)： 每項(xiàng)廣域網(wǎng)技術(shù)都定義了具體的幀格式 每臺(tái)計(jì)算機(jī)都被分配了一個(gè)物理地址 每個(gè)分組必須攜帶一個(gè)目的地址 為提高轉(zhuǎn)發(fā)效率，廣域網(wǎng)一般采用分層編址模式。比如，將一個(gè)地址分成兩部分，分別標(biāo)識(shí)分組交換機(jī)和連接在分組交換機(jī)上的計(jì)算機(jī)。,下一跳轉(zhuǎn)發(fā),分組交換機(jī)根據(jù)分組的目的地址為分組選擇外出路徑。 分組交換機(jī)不保留關(guān)于如何到達(dá)目的地的完整信息，只是確定為到達(dá)目的地而需要被轉(zhuǎn)發(fā)到的下一個(gè)地點(diǎn)（稱下一跳）的信息。 下一跳信息被組織在一個(gè)表中，交換機(jī)利用分組的目的地址查找匹配的表項(xiàng)，然后將分組發(fā)給該表項(xiàng)指定的下一跳。,下一跳轉(zhuǎn)發(fā)圖示,Switch 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表,分層地址與路由,存儲(chǔ)下一跳信息的表稱為路由表，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳的過程稱為路由。 分層編址對(duì)路由的影響： 除最后一個(gè)分組交換機(jī)以外，其它分組交換機(jī)只使用目的地址的第一部分轉(zhuǎn)發(fā)分組。 路由表中對(duì)每個(gè)目的分組交換機(jī)只包含一個(gè)表項(xiàng)，從而大大減小了路由表的規(guī)模，縮短了查表時(shí)間。,基于分層編址的路由,廣域網(wǎng)內(nèi)的路由,為了讓廣域網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，交換機(jī)中的路由表必須滿足下列要求： 必須包含到每個(gè)可能目的地的下一跳路由 下一跳路由必須是最佳的 每個(gè)路由表中允許有一個(gè)默認(rèn)項(xiàng)，它的優(yōu)先級(jí)比其它表項(xiàng)都低。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不能發(fā)現(xiàn)到指定目的地的顯式表項(xiàng)時(shí)，使用默認(rèn)項(xiàng)。,廣域網(wǎng)內(nèi)路由示例,默認(rèn)路由示例,路由表計(jì)算,計(jì)算路由表的一般方法： 將路由器抽象為頂點(diǎn)，路由器之間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路抽象為邊，數(shù)據(jù)包在鏈路上的傳輸代價(jià)抽象為權(quán)，計(jì)算每一對(duì)頂點(diǎn)之間的最小代價(jià)通路。 靜態(tài)路由： 路由表在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)安裝，此后不再改變。 計(jì)算簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)開銷小，缺點(diǎn)是不靈活。 動(dòng)態(tài)路由： 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的變化動(dòng)態(tài)更新路由表。 靈活性強(qiáng)，但計(jì)算復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)開銷大。,廣域網(wǎng)技術(shù)實(shí)例,ARPANET：世界上第一個(gè)分組交換廣域網(wǎng)。 X.25：早期的技術(shù)，速度很低。 幀中繼（Frame Relay）：可提供遠(yuǎn)程局域網(wǎng)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，4Mbps100Mbps。 交換式多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)（SMDS）：速度高于幀中繼。 異步傳輸模式（ATM）：希望集成語音、視頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，并提供服務(wù)質(zhì)量保證，155Mbps以上。,7. 網(wǎng)絡(luò)所有權(quán),專用網(wǎng)絡(luò)： 網(wǎng)絡(luò)的使用限制在公司或個(gè)人。 專用局域網(wǎng)能被完全擁有，專用廣域網(wǎng)只能完全擁有基本的分組交換硬件，專用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字電路從公共通信公司租用。 公用網(wǎng)絡(luò)： 由服務(wù)提供商擁有并運(yùn)營(yíng)，任何用戶可以使用。 公用網(wǎng)絡(luò)幾乎都是廣域網(wǎng)。,優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),專用網(wǎng)絡(luò)： 優(yōu)點(diǎn)：所有者完全控制技術(shù)選擇和策略，安全性好（專用網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)隔離）。 缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)的安裝與維護(hù)費(fèi)用高，需要培訓(xùn)專門的技術(shù)人員。 公用網(wǎng)絡(luò)： 優(yōu)點(diǎn)：靈活性好（用戶可在任何時(shí)間和地點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)），公司內(nèi)部不需要專門的技術(shù)人員。 缺點(diǎn)：安全性差。,虛擬專用網(wǎng)（VPN）,虛擬專用網(wǎng)結(jié)合了專用網(wǎng)和公用網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)： 允許擁有多個(gè)站點(diǎn)的公司使用公用網(wǎng)絡(luò)承載站點(diǎn)間的通信，安裝和維護(hù)的費(fèi)用少。 數(shù)據(jù)通信被限制在公司的各個(gè)站點(diǎn)之間，而且分組在通過公用網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)被加密，安全性好。 VPN的構(gòu)建： 在專用網(wǎng)