《寬帶接入技術(shù)與應(yīng)用》課件第2章

項(xiàng)目2以太網(wǎng)寬帶接入技術(shù)2.1TCP/IP基本原理2.2以太網(wǎng)的基本工作原理2.3虛擬局域網(wǎng)技術(shù)2.4以太網(wǎng)接入面臨的問(wèn)題和解決方法2.5以太網(wǎng)技術(shù)寬帶接入方案設(shè)計(jì)2.6網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境搭建2.7以太網(wǎng)接入設(shè)備安裝2.8以太網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)據(jù)配置思考與練習(xí)

【教學(xué)目標(biāo)】

在掌握以太網(wǎng)基本原理、VLAN基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，組建典型中小型以太接入組網(wǎng)。

【知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)】

·

OSI參考模型；

·

TCP/IP協(xié)議棧；

·以太網(wǎng)的發(fā)展歷史；

·以太網(wǎng)的基本原理；

·

VLAN的基本知識(shí)；

·典型以太網(wǎng)接入組網(wǎng)。

2.1TCP/IP基本原理

2.1.1OSI參考模型

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自問(wèn)世以來(lái)，得到了飛速增長(zhǎng)。國(guó)際上各大廠商為了在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，紛紛推出了各自的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系和標(biāo)準(zhǔn)，例如IBM公司的SNA、NovellIPX/SPX協(xié)議，Apple公司的AppleTalk協(xié)議、DEC公司的DECnet，以及廣泛流行的TCP/IP協(xié)議。同時(shí)，各大廠商針對(duì)自己的協(xié)議生產(chǎn)出了不同的硬件和軟件。

但廠商之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大部分不能兼容，很難進(jìn)行通信。為了解決網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1984年提出了OSIRM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel，開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型)。OSI參考模型很快成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)模型。

OSI參考模型在設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)層之間有清晰的邊界，便于理解；每個(gè)層實(shí)現(xiàn)特定的功能；層次的劃分有利于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的制定；層的數(shù)目應(yīng)該足夠多，以避免各個(gè)層功能重復(fù)。

OSI參考模型自下而上分為七層，分別是：第一層物理層(PhysicalLayer)、第二層數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)、第三層網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)、第四層傳輸層(TransportLayer)、第五層會(huì)話層(SessionLayer)、第六層表示層(PresentationLayer)、第七層應(yīng)用層(ApplicationLayer)，如圖2-1所示。

圖2-1OSI七層參考模型

OSI參考模型第一層到第三層稱為底層(LowerLayer)，又叫介質(zhì)層(media)。底層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳送，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備往往位于下三層，以硬件和軟件相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。OSI參考模型的第五層到第七層稱為高層(UpperLayer)，又叫主機(jī)層(HostLayer)。高層用于保障數(shù)據(jù)的正確傳輸，以軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

OSI參考模型簡(jiǎn)化了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)操作，提供了即插即用的兼容性和不同廠商之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，使各個(gè)廠商能夠設(shè)計(jì)出互操作的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)化工作。同時(shí)，為防止一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的變化影響另一個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分隔，因此每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)能夠單獨(dú)快速升級(jí)，從而把復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題分解為小的簡(jiǎn)單問(wèn)題，易于學(xué)習(xí)和操作。

2.1.2TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP最早發(fā)源于20世紀(jì)60年代美國(guó)國(guó)防部的DARPA互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。它包含了一系列構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其中代表性的有兩個(gè)協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP(TransferControlProtocol)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP(InternetProtocol)，常用TCP/IP協(xié)議表示系列標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP協(xié)議參考模型與OSI參考模型十分相似，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-2所示。

圖2-2TCP/IP協(xié)議棧與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

與OSI參考模型一樣，TCP/IP協(xié)議也分為不同的層次開(kāi)發(fā)，每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能。但是，TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)化了層次設(shè)計(jì)，只有四層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路接口層。從圖2-2中可以看出，TCP/IP協(xié)議棧與OSI參考模型有清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系，覆蓋了OSI參考模型的所有層次。

1.各層常用協(xié)議

1)數(shù)據(jù)鏈路接口層

數(shù)據(jù)鏈路接口層涉及在通信信道上傳輸?shù)脑急忍亓?，它?shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)所需要的機(jī)械、電氣、功能性及過(guò)程等手段，提供檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、同步等措施，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層顯現(xiàn)一條無(wú)錯(cuò)線路，并且進(jìn)行流量調(diào)控。

2)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以決定傳輸報(bào)文的最佳路由，執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其關(guān)鍵問(wèn)題是確定數(shù)據(jù)包從源端到目的端如何選擇路由。網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議有IP(Internetprotocol)、ICMP(InternetControlMessageProtocol，互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議)、IGMP(InternetGroupManagementProtocol，互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議)、ARP(AddressResolutionProtocol，地址解析協(xié)議)、RARP(ReverseAddressResolutionProtocol，反向地址解析協(xié)議)等。

3)傳輸層

傳輸層的基本功能是為兩臺(tái)主機(jī)間的應(yīng)用程序提供端到端的通信。傳輸層從應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)，并且在必要的時(shí)候把它分成較小的單元，傳遞給網(wǎng)絡(luò)層，并確保到達(dá)對(duì)方的各段信息正確無(wú)誤。傳輸層的主要協(xié)議有TCP(TransferControlProtocol，傳輸控制協(xié)議)和UDP(UserDatagramProtocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)。

4)應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。應(yīng)用層顯示接收到的信息，把用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送到低層，為應(yīng)用軟件提供網(wǎng)絡(luò)接口。應(yīng)用層包含大量常用的應(yīng)用程序，例如HTTP(HypertextTransferProtocol，超文本傳輸協(xié)議)、Telnet(遠(yuǎn)程登錄)、FTP(FileTransferProtocol，文件傳輸協(xié)議)、TFTP(TrivialFileTransferProtocol，簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議)等。

TCP/IP各層協(xié)議對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-3所示。

圖2-3TCP/IP各層協(xié)議對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.各層協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝格式

1)?IP協(xié)議

I

P是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，處于網(wǎng)絡(luò)層。IP協(xié)議是盡力傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其提供的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)是不可靠的、無(wú)連接的。IP協(xié)議不關(guān)心數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，不能保證數(shù)據(jù)包是否成功到達(dá)目的地，也不關(guān)心任何關(guān)于前后數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息。面向連接的可靠服務(wù)由上層的TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP等數(shù)據(jù)都最終封裝在IP報(bào)文中傳輸。

IP報(bào)文的格式如圖2-4所示。普通的IP報(bào)文首部長(zhǎng)為20字節(jié)，不包含選項(xiàng)字段。圖2-4IP報(bào)文的格式

IP報(bào)文中各字段含義如下：

版本號(hào)(Version)：標(biāo)明了IP協(xié)議的版本號(hào)，目前的協(xié)議版本號(hào)為4。下一代IP協(xié)議的版本號(hào)為6。

報(bào)文長(zhǎng)度：指IP報(bào)頭部長(zhǎng)度，占4位。

服務(wù)類型(TOS，TypeOfService)：包括一個(gè)3位的優(yōu)先權(quán)字段(COS，ClassofService)，4位TOS字段和1位未用位。4位TOS分別代表最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。

總長(zhǎng)度(Totallength)：整個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度。字段長(zhǎng)16比特，數(shù)據(jù)報(bào)最長(zhǎng)可達(dá)65?535字節(jié)。

標(biāo)識(shí)符(Identification)：唯一地標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)每發(fā)送一份報(bào)文時(shí)，它的值就會(huì)加1。

標(biāo)志位：占3比特，是多種控制位。

片偏移：表明這個(gè)分片是屬于這個(gè)數(shù)據(jù)流的哪里。

生存時(shí)間(TTL，TimeToLive)：設(shè)置了數(shù)據(jù)包可以經(jīng)過(guò)的路由器數(shù)目。一旦經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，TTL值就會(huì)減1，當(dāng)該字段值為0時(shí)，數(shù)據(jù)包將被丟棄。

協(xié)議字段：確定在數(shù)據(jù)包內(nèi)傳送的上層協(xié)議，和端口號(hào)類似，IP協(xié)議用協(xié)議號(hào)區(qū)分上層協(xié)議。TCP協(xié)議的協(xié)議號(hào)為6，UDP協(xié)議的協(xié)議號(hào)為17。

報(bào)頭校驗(yàn)和(Headchecksum)：計(jì)算IP頭部的校驗(yàn)和，檢查報(bào)文頭部的完整性。

2)?UDP協(xié)議

UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議。UDP不提供可靠性，把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。UDP報(bào)文的格式簡(jiǎn)單，如圖2-5所示，只有源端口號(hào)、目的端口號(hào)、長(zhǎng)度、校驗(yàn)和數(shù)據(jù)字段。

圖2-5UDP報(bào)文的格式

源端口號(hào)(Sourceport)和目的端口號(hào)(Destinationport)：用于標(biāo)識(shí)和區(qū)分源端設(shè)備和目的端設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)程。TCP端口號(hào)與UDP端口號(hào)是相互獨(dú)立的。如果TCP和UDP同時(shí)提供某種服務(wù)，則兩個(gè)協(xié)議通常選擇相同的端口號(hào)。

UDP長(zhǎng)度字段：表明整個(gè)UDP報(bào)文的長(zhǎng)度，即UDP首部和UDP數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。該字段的最小值為8字節(jié)(發(fā)送一份0字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)是允許的)。這個(gè)UDP長(zhǎng)度是有冗余的。IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度指的是數(shù)據(jù)報(bào)全長(zhǎng)，因此UDP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度是全長(zhǎng)減去IP首部的長(zhǎng)度。

校驗(yàn)和(checksum)字段：用于校驗(yàn)UDP報(bào)頭部分和數(shù)據(jù)部分的正確性，如果有差錯(cuò)則直接丟棄該UDP報(bào)文。

TCP協(xié)議和UDP協(xié)議使用16bits端口號(hào)(或者socket)來(lái)表示和區(qū)別網(wǎng)絡(luò)中的不同應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP使用特定的協(xié)議號(hào)(TCP6，UDP17)來(lái)表示和區(qū)別傳輸層協(xié)議。

任何TCP/IP實(shí)現(xiàn)所提供的服務(wù)都是1～1023之間的端口號(hào)，這些端口號(hào)由IANA(InternetAssignedNumbersAuthority，Internet號(hào)碼分配機(jī)構(gòu))分配管理。其中，低于255的端口號(hào)保留用于公共應(yīng)用；255～1023的端口號(hào)分配給各個(gè)公司，用于特殊應(yīng)用；高于1023的端口號(hào)稱為臨時(shí)端口號(hào)，IANA未作規(guī)定。

常用的TCP端口號(hào)有：HTTP80、FTP20/21、Telnet23、SMTP25、DNS53等；常用的保留UDP端口號(hào)有：DNS53、BootP67(server)/68(client)、TFTP69、SNMP161等。

3)?TCP協(xié)議

TCP是一種基于連接、面向字節(jié)流的協(xié)議，可以保證端到端數(shù)據(jù)通信的可靠性。TCP報(bào)文封裝如圖2-6(a)所示。TCP報(bào)文的格式如圖2-6(b)所示。圖2-6TCP報(bào)文

源端口號(hào)(Sourceport)和目的端口號(hào)(Destinationport)：用于標(biāo)識(shí)和區(qū)分源端設(shè)備和目的端設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)程。在TCP/IP協(xié)議棧中，源端口號(hào)和目的端口號(hào)分別與源IP地址和目的IP地址組成套接字(socket)，唯一地確定一條TCP連接。

序列號(hào)(Sequencenumber)字段：用來(lái)標(biāo)識(shí)TCP源端設(shè)備向目的端設(shè)備發(fā)送的字節(jié)流，它表示在這個(gè)報(bào)文段中的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。如果將字節(jié)流看作在兩個(gè)應(yīng)用程序間的單向流動(dòng)，則TCP用序列號(hào)對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行計(jì)數(shù)。序列號(hào)是一個(gè)32bit的數(shù)字。

確認(rèn)號(hào)字段：既然每個(gè)傳輸?shù)淖止?jié)都被計(jì)數(shù)，確認(rèn)序號(hào)(Acknowledgementnumber，32bit)包含發(fā)送確認(rèn)的一端所期望接收到的下一個(gè)序號(hào)。因此，確認(rèn)序號(hào)應(yīng)該是上次已成功收到的數(shù)據(jù)字節(jié)序列號(hào)加1。

頭長(zhǎng)度字段：4比特TCP頭長(zhǎng)，單位為4字節(jié)(注意：TCP頭包括選項(xiàng))。該字段僅4bit，則可知TCP頭最大長(zhǎng)度為15?×?4?=?60字節(jié)。

U字段：表示URG緊急指針(Urgentpointer)有效。

A字段：表示ACK確認(rèn)序號(hào)有效。

P字段：表示PSH接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文段交給應(yīng)用層。

R字段：表示RST重建連接。

S字段：SYN同步序號(hào)用來(lái)發(fā)起一個(gè)連接，一般在建立連接時(shí)使用。

F字段：表示FIN發(fā)端完成發(fā)送任務(wù)，斷開(kāi)連接時(shí)使用。

窗口大小用數(shù)據(jù)包來(lái)表示，例如Windowssize?=?3，表示一次可以發(fā)送三個(gè)數(shù)據(jù)包。窗口大小起始于確認(rèn)字段指明的值，是一個(gè)16bit字段。窗口大小可以調(diào)節(jié)。

緊急指針(Urgentpointer)：只有當(dāng)URG標(biāo)志置1時(shí)才有效。緊急指針是一個(gè)正的偏移量，和序列號(hào)字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。TCP的緊急方式是發(fā)送端向另一端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)時(shí)采用，通知接收方緊急數(shù)據(jù)已放置在普通的數(shù)據(jù)流中。

校驗(yàn)和(checksum)字段：用于校驗(yàn)TCP報(bào)頭部分和數(shù)據(jù)部分的正確性。

選項(xiàng)字段(可變長(zhǎng)度)：最常見(jiàn)的可選字段是MSS(MaximumSegmentSize)。MSS指明本端所能夠接收的最大長(zhǎng)度的報(bào)文段。常見(jiàn)的MSS有1024(以太網(wǎng)可達(dá)1460字節(jié))字節(jié)。

4)?ARP/RARP協(xié)議

ARP協(xié)議主要用于實(shí)現(xiàn)三層IP地址與MAC地址之間的動(dòng)態(tài)映射。在局域網(wǎng)中，當(dāng)主機(jī)或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一個(gè)設(shè)備時(shí)，先要知道對(duì)方的IP地址，但僅僅有IP地址還不夠，IP數(shù)據(jù)報(bào)文必須封裝成幀才能通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，因此需要一個(gè)從IP地址到物理地址的映射。

RARP協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)MAC地址到IP地址的映射。RARP常用于X終端和無(wú)盤工作站等，這些設(shè)備知道自己的MAC地址，需要獲得IP地址。為了使RARP能工作，在局域網(wǎng)上至少有一個(gè)主機(jī)要充當(dāng)RARP服務(wù)器。

5)?ICMP協(xié)議

ICMP(InternetControlMessageProtocol)是IP層的一個(gè)組成部分，它傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其他需要注意的信息。ICMP報(bào)文通常被IP層或更高層協(xié)議(TCP/UDP)使用。一些ICMP報(bào)文把差錯(cuò)報(bào)文返回給用戶進(jìn)程。

ICMP報(bào)文使用基本的IP報(bào)頭(即20字節(jié))。ICMP報(bào)文封裝在IP報(bào)文中，數(shù)據(jù)報(bào)的前64bit數(shù)據(jù)表示ICMP報(bào)文。因此ICMP報(bào)文實(shí)際是IP報(bào)文加上該數(shù)據(jù)報(bào)的前64bit數(shù)據(jù)。ICMP報(bào)文的基本格式由Type、Code、Checksum和unused字段組成。

3．TCP/IP工作原理

TCP/IP的工作原理就是其數(shù)據(jù)流封裝的過(guò)程，如圖2-7所示。

圖2-7TCP/IP數(shù)據(jù)流封裝的過(guò)程

TCP/IP工作過(guò)程如下：

(1)在源主機(jī)上，應(yīng)用層將一串應(yīng)用數(shù)據(jù)流傳送給傳輸層。

(2)傳輸層將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)流截成分組，并加上TCP報(bào)頭形成TCP段，送交網(wǎng)絡(luò)層。

(3)在網(wǎng)絡(luò)層給TCP段加上包括源、目的主機(jī)IP地址的IP報(bào)頭，生成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包，并將IP數(shù)據(jù)包送交鏈路層。

(4)鏈路層在其MAC幀的數(shù)據(jù)部分裝上IP數(shù)據(jù)包，再加上源、目的主機(jī)的MAC地址和幀頭，并根據(jù)其目的MAC地址，將MAC幀發(fā)往目的主機(jī)或IP路由器。

(5)在目的主機(jī)，鏈路層將MAC幀的幀頭去掉，并將IP數(shù)據(jù)包送交網(wǎng)絡(luò)層。

(6)網(wǎng)絡(luò)層檢查IP報(bào)頭，如果報(bào)頭中校驗(yàn)和與計(jì)算結(jié)果不一致，則丟棄該IP數(shù)據(jù)包；若校驗(yàn)和與計(jì)算結(jié)果一致，則去掉IP報(bào)頭，將TCP段送交傳輸層。

(7)傳輸層檢查順序號(hào)，判斷是否是正確的TCP分組，然后檢查TCP報(bào)頭數(shù)據(jù)。若正確，則向源主機(jī)發(fā)確認(rèn)信息；若不正確或丟包，則向源主機(jī)要求重發(fā)信息。

(8)在目的主機(jī)，傳輸層去掉TCP報(bào)頭，將排好順序的分組組成應(yīng)用數(shù)據(jù)流送給應(yīng)用程序。這樣目的主機(jī)接收到的來(lái)自源主機(jī)的字節(jié)流，就像是直接接收來(lái)自源主機(jī)的字節(jié)流一樣。

2.1.3IP編址

網(wǎng)絡(luò)連接要求設(shè)備必須有一個(gè)全球唯一的IP地址(IPAddress)。IP地址為邏輯地址，它與鏈路類型、設(shè)備硬件無(wú)關(guān)，是由管理員人為分配指定的。而數(shù)據(jù)鏈路層的物理地址——MAC地址則是全球唯一的。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備查詢對(duì)端設(shè)備的MAC地址，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)去。然而，MAC地址通常沒(méi)有清晰的地址層次，只適合于本網(wǎng)段主機(jī)的通信，另外，MAC地址固化在硬件中，靈活性較差。對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)通信，通常使用基于軟件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層地址——IP地址來(lái)通信，以提供更大的靈活性。

1．IP地址的格式及表示方法

IP地址的長(zhǎng)度為二進(jìn)制32位，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，IP地址是用二進(jìn)制表示的，共32位。例如：11000000101010000000010101111011。

然而，使用二進(jìn)制表示法不方便記憶，因此通常采用點(diǎn)分十進(jìn)制方式表示，即把32位的IP地址分成四段，每8個(gè)二進(jìn)制位為一段，每段二進(jìn)制分別轉(zhuǎn)換為人們習(xí)慣的十進(jìn)制數(shù)，并用點(diǎn)隔開(kāi)。這樣，IP地址就表示為以小數(shù)點(diǎn)隔開(kāi)的4個(gè)十進(jìn)制整數(shù)，如。

2．IP地址的分類

如何區(qū)分IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址呢？最初互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小規(guī)定了地址類，把IP地址分為A、B、C、D、E五類，如圖2-8所示。

圖2-8IP地址的分類

A類IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址為第一個(gè)八位數(shù)組(octet)，第一個(gè)字節(jié)以“0”開(kāi)始。因此，A類網(wǎng)絡(luò)地址的有效位數(shù)為8?-?1?=?7位，A類地址的第一個(gè)字節(jié)在1～126之間(127留作他用)。例如、8等為A類地址。A類地址的主機(jī)地址位數(shù)為后面的三個(gè)字節(jié)24位。A類地址的范圍為～55，每一個(gè)A類網(wǎng)絡(luò)共有224個(gè)A類IP地址。

B類IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址為前兩個(gè)八位數(shù)組(octet)，第一個(gè)字節(jié)以“10”開(kāi)始。因此，B類網(wǎng)絡(luò)地址的有效位數(shù)為16?-?2?=?14位，B類地址的第一個(gè)字節(jié)在128～191之間。例如、8等為B類地址。B類地址的主機(jī)地址位數(shù)為后面的兩個(gè)字節(jié)16位。B類地址的范圍為～55，每一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)共有216個(gè)B類IP地址。

C類IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址為前三個(gè)八位數(shù)組(octet)，第一個(gè)字節(jié)以“110”開(kāi)始。因此，C類網(wǎng)絡(luò)地址的有效位數(shù)為24?-?3?=?21位，C類地址的第一個(gè)字節(jié)在192～223之間。例如、8等為C類地址。C類地址的主機(jī)地址部分為后面的一個(gè)字節(jié)8位。C類地址的范圍為～55，每一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)共有28個(gè)C類IP地址。

D類地址第一個(gè)8位數(shù)組以“1110”開(kāi)頭，因此，D類地址的第一個(gè)字節(jié)在224～239之間。D類地址通常作為組播地址。

E類地址第一個(gè)字節(jié)在240～255之間，主要用于科學(xué)研究。

實(shí)踐中經(jīng)常用到的是A、B、C三類地址。IP地址由國(guó)際網(wǎng)絡(luò)信息中心組織(InterNIC，InternationalNetworkInformationCenter)根據(jù)公司大小進(jìn)行分配。過(guò)去通常把A類地址保留給政府機(jī)構(gòu)，B類地址分配給中等規(guī)模的公司，C類地址分配給小單位。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，再加上IP地址的浪費(fèi)，IP地址已經(jīng)非常緊張。

IP地址用于唯一地標(biāo)識(shí)一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但并不是每一個(gè)IP地址都是可用的，一些特殊的IP地址被用于各種各樣的用途，不能用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如表2-1所示。

主機(jī)部分全為“1”的IP地址稱為網(wǎng)段廣播地址，廣播地址用于標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)。例如55、55等。路由器可以在或者等網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)廣播包。廣播地址用于向本網(wǎng)段的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)部分為127的IP地址，例如，往往用于環(huán)路測(cè)試。

全“0”的IP地址代表所有的主機(jī)。

全“1”的IP地址55，也是廣播地址，但55代表所有主機(jī)，用于向網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣的廣播不能被路由器轉(zhuǎn)發(fā)。

3．子網(wǎng)劃分

早期的Internet是一個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接入Internet的機(jī)構(gòu)由一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，該物理網(wǎng)絡(luò)包括機(jī)構(gòu)中需要接入Internet網(wǎng)絡(luò)的全部主機(jī)。自然分類法將IP地址劃分為A、B、C、D、E類。每個(gè)32位的IP地址都被劃分為由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)構(gòu)成的二級(jí)結(jié)構(gòu)。為每個(gè)機(jī)構(gòu)分配一個(gè)Internet網(wǎng)絡(luò)地址，能夠很好地適應(yīng)并滿足當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算逐漸成熟，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)被許多大型組織所認(rèn)知，Internet中出現(xiàn)了很多大型的接入機(jī)構(gòu)。

這些機(jī)構(gòu)中需要接入的主機(jī)數(shù)量眾多，單一物理網(wǎng)絡(luò)容納主機(jī)的數(shù)量有限，因此在同一機(jī)構(gòu)內(nèi)部需要?jiǎng)澐侄鄠€(gè)物理網(wǎng)絡(luò)。早期解決這類大型機(jī)構(gòu)接入Internet的方法是為機(jī)構(gòu)內(nèi)的每一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，即對(duì)每一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)都分配一個(gè)按照自然分類法得到的Internet網(wǎng)絡(luò)地址。但這種“物理網(wǎng)絡(luò)—自然分類IP網(wǎng)段”的對(duì)應(yīng)分配方法存在以下嚴(yán)重問(wèn)題：

(1)

IP地址資源浪費(fèi)嚴(yán)重。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)公司只有1個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，其中需要300個(gè)IP地址。一個(gè)C類地址能提供254個(gè)主機(jī)IP地址，不能滿足需要，因此需要使用一個(gè)B類地址。1個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)能提供65?534個(gè)IP地址，網(wǎng)絡(luò)中的地址得不到充分利用，大量的IP地址被浪費(fèi)。

(2)

IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不敷使用。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)公司擁有100個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要10個(gè)IP地址。雖然需要的地址量?jī)H有1000個(gè)，但該公司仍然需要100個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)。很多機(jī)構(gòu)都面臨類似問(wèn)題，其結(jié)果是，在IP地址被大量浪費(fèi)的同時(shí)，IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)量卻不能滿足Internet的發(fā)展需要。

(3)業(yè)務(wù)擴(kuò)展缺乏靈活性。例如，一個(gè)公司擁有1個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)，其中只有10個(gè)地址被使用。如需要增加一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，就需要向IANA申請(qǐng)一個(gè)新的C類網(wǎng)絡(luò)，在得到這個(gè)合法的Internet網(wǎng)絡(luò)地址前，他們就無(wú)法部署這個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入Internet。這顯然無(wú)法滿足企業(yè)發(fā)展的靈活性需求。

綜上所述，僅依靠自然分類的IP地址分配方案，對(duì)IP地址進(jìn)行簡(jiǎn)單的兩層劃分，無(wú)法應(yīng)對(duì)Internet的爆炸式增長(zhǎng)。

4.?IP子網(wǎng)及子網(wǎng)掩碼

20世紀(jì)80年代中期，IETF在RFC950和RFC917中針對(duì)簡(jiǎn)單的兩層結(jié)構(gòu)IP地址所帶來(lái)的日趨嚴(yán)重的問(wèn)題提出了解決方法。這個(gè)方法稱為子網(wǎng)劃分(Subnetting)，即允許將一個(gè)自然分類的網(wǎng)絡(luò)分解為多個(gè)子網(wǎng)(Subnet)。

如圖2-9所示，劃分子網(wǎng)的方法是從IP地址的主機(jī)號(hào)(host-number)部分借用若干位作為子網(wǎng)號(hào)(subnet-number)，剩余的位作為主機(jī)號(hào)(host-number)。于是兩級(jí)的IP地址就變?yōu)槿?jí)的IP地址，包括網(wǎng)絡(luò)號(hào)(network-number)、子網(wǎng)號(hào)(subnet-number)和主機(jī)號(hào)(host-number)。這樣，擁有多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)可以將所屬的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子網(wǎng)。圖2-9子網(wǎng)劃分的方法

子網(wǎng)劃分是一個(gè)組織的內(nèi)部事務(wù)。外部網(wǎng)絡(luò)可以不必了解機(jī)構(gòu)內(nèi)由多少個(gè)子網(wǎng)組成，因?yàn)檫@個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)外仍可以表現(xiàn)為一個(gè)沒(méi)有劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。從其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本機(jī)構(gòu)某個(gè)主機(jī)的數(shù)據(jù)，可以仍然根據(jù)原來(lái)的選路規(guī)則發(fā)送到本機(jī)構(gòu)連接外部網(wǎng)絡(luò)的路由器上。此路由器接收到IP數(shù)據(jù)包后，再按網(wǎng)絡(luò)號(hào)及子網(wǎng)號(hào)找到目的子網(wǎng)，將IP數(shù)據(jù)包交付給目的主機(jī)。要求路由器具備識(shí)別子網(wǎng)的能力。子網(wǎng)劃分使得IP網(wǎng)絡(luò)和IP地址出現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，這種層次結(jié)構(gòu)便于地址的有效利用、分配和管理。

只根據(jù)IP地址本身無(wú)法確定子網(wǎng)號(hào)的長(zhǎng)度。為了把主機(jī)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)區(qū)分開(kāi)，就必須使用子網(wǎng)掩碼(subnetmask)。子網(wǎng)掩碼和IP地址一樣都是32位長(zhǎng)度，由一串二進(jìn)制1和跟隨的一串二進(jìn)制0組成。子網(wǎng)掩碼可以用點(diǎn)分十進(jìn)制表示。子網(wǎng)掩碼中的1對(duì)應(yīng)于IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)，子網(wǎng)掩碼中的0對(duì)應(yīng)IP地址中的主機(jī)號(hào)。將子網(wǎng)掩碼和IP地址進(jìn)行逐位邏輯與運(yùn)算，就能得出該IP地址的子網(wǎng)地址。事實(shí)上，所有網(wǎng)絡(luò)都必須有一個(gè)掩碼(addressmask)。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有劃分子網(wǎng)，那么該網(wǎng)絡(luò)使用默認(rèn)掩碼：

A類地址的默認(rèn)掩碼為；

B類地址的默認(rèn)掩碼為；

C類地址的默認(rèn)掩碼為。

將默認(rèn)子網(wǎng)掩碼和不劃分子網(wǎng)的IP地址進(jìn)行逐位邏輯與運(yùn)算，就能得出該IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址。需要注意的是，IP子網(wǎng)劃分并不改變自然分類地址的規(guī)定。例如：有一個(gè)IP地址為，其子網(wǎng)掩碼為，這仍然是一個(gè)A類地址，而并非C類地址。習(xí)慣上有兩種方式來(lái)表示一個(gè)子網(wǎng)掩碼：

(1)點(diǎn)分十進(jìn)制表示法：與IP地址類似，將二進(jìn)制的子網(wǎng)掩碼劃分為點(diǎn)分十進(jìn)制形式。例如：C類默認(rèn)子網(wǎng)掩碼11111111111111111111111100000000可以表示為。

(2)位數(shù)表示法：也稱為斜線表示法，即在IP地址后面加上一個(gè)斜線“?/?”，然后寫上子網(wǎng)掩碼中的二進(jìn)制1的位數(shù)。例如：C類默認(rèn)子網(wǎng)掩碼11111111111111111111111100000000可以表示為?/24。

例如：IP地址的子網(wǎng)掩碼可表示為40，也可表示為/28，如圖2-10所示。

圖2-10子網(wǎng)掩碼的表示方法

5．子網(wǎng)劃分的方法

由于子網(wǎng)劃分的出現(xiàn)，使得原本簡(jiǎn)單的IP地址規(guī)劃和分配工作變得復(fù)雜起來(lái)?，F(xiàn)有幾種典型問(wèn)題：

1)計(jì)算子網(wǎng)內(nèi)的可用主機(jī)數(shù)

這是子網(wǎng)劃分計(jì)算中比較簡(jiǎn)單的一類問(wèn)題，與計(jì)算A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)可用主機(jī)數(shù)的方法相同。如果子網(wǎng)的主機(jī)號(hào)位數(shù)為N，那么該子網(wǎng)中可用的主機(jī)數(shù)目為2N?-?2個(gè)。減2是因?yàn)橛袃蓚€(gè)主機(jī)地址不可用，即主機(jī)號(hào)為全0和全1。當(dāng)主機(jī)號(hào)為全0時(shí)，表示該子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址；當(dāng)主機(jī)號(hào)為全1時(shí)，表示該子網(wǎng)的廣播地址。

例如：已知一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)劃分成子網(wǎng)后為24，子網(wǎng)掩碼為40，計(jì)算該子網(wǎng)內(nèi)可供分配的主機(jī)地址數(shù)量。

要計(jì)算可供分配的主機(jī)數(shù)量，就必須要知道主機(jī)號(hào)的位數(shù)。計(jì)算過(guò)程如下：

①計(jì)算掩碼的位數(shù)。將十進(jìn)制掩碼40換算成二進(jìn)制掩碼為11111111.11111111.11111111.11110000，掩碼的位數(shù)是28。

②計(jì)算主機(jī)號(hào)位數(shù)。主機(jī)號(hào)位數(shù)N?=?32?-?28?=?4。

③計(jì)算主機(jī)數(shù)。該子網(wǎng)內(nèi)可用的主機(jī)數(shù)量為24?-?2?=?14個(gè)。

這14臺(tái)主機(jī)可用的主機(jī)地址分別是25、26、27、…、38。其中地址24為整個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址，而39為整個(gè)子網(wǎng)的廣播地址，都不能分配給主機(jī)使用。

2)根據(jù)主機(jī)地址數(shù)劃分子網(wǎng)

在子網(wǎng)劃分計(jì)算中，有時(shí)需要在已知每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)需要容納的主機(jī)數(shù)量的前提下來(lái)劃分子網(wǎng)。要想知道如何劃分子網(wǎng)，就必須知道劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼，那么該問(wèn)題就變成了求子網(wǎng)掩碼。此類問(wèn)題的計(jì)算方法總結(jié)如下：

(1)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)主機(jī)號(hào)的位數(shù)：假設(shè)每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)需要?jiǎng)澐殖鯵個(gè)IP地址，當(dāng)Y滿足公式2N≥Y?+?2≥2N-1時(shí)，N就是主機(jī)號(hào)的位數(shù)。其中Y?+?2是因?yàn)樾枰紤]主機(jī)號(hào)為全0和全1的情況。在這個(gè)公式中也存在這樣的含義：在滿足主機(jī)數(shù)量符合要求的情況下，能夠劃分更多的子網(wǎng)。

(2)計(jì)算子網(wǎng)掩碼的位數(shù)：計(jì)算出主機(jī)號(hào)的位數(shù)N后，可得出子網(wǎng)掩碼的位數(shù)為32?-?N。

(3)根據(jù)子網(wǎng)掩碼的位數(shù)計(jì)算出子網(wǎng)號(hào)的位數(shù)M。該子網(wǎng)就有2M種劃分方法，也可以理解為根據(jù)子網(wǎng)位數(shù)計(jì)算子網(wǎng)個(gè)數(shù)的公式為：子網(wǎng)個(gè)數(shù)?=?2M，其中M為子網(wǎng)位數(shù)。

例如：要將一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)子網(wǎng)，要求每個(gè)子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)為62臺(tái)，計(jì)算過(guò)程如下：

①根據(jù)子網(wǎng)劃分要求，每個(gè)子網(wǎng)的主機(jī)地址數(shù)量為62。

②計(jì)算網(wǎng)絡(luò)主機(jī)號(hào)：根據(jù)公式2N≥Y?+?2≥2N-1計(jì)算出

N?=?6。

③計(jì)算子網(wǎng)掩碼的位數(shù)：子網(wǎng)掩碼位數(shù)為32?-?6?=?26，子網(wǎng)掩碼為92。

根據(jù)子網(wǎng)掩碼位數(shù)得知子網(wǎng)號(hào)位數(shù)為6，劃分后子網(wǎng)掩碼為92，子網(wǎng)數(shù)為4個(gè)。每個(gè)子網(wǎng)的可用主機(jī)數(shù)為62。

每個(gè)子網(wǎng)的具體信息如下：

A子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)地址為；開(kāi)始IP為；結(jié)束IP為2；廣播地址為3。

B子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)地址為4；開(kāi)始IP為5；結(jié)束IP為26；廣播地址為27。

C子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)地址為28；開(kāi)始IP為29；結(jié)束IP為90；廣播地址為91。

D子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)地址為92；開(kāi)始IP為93；結(jié)束IP為54；廣播地址為55。

3)根據(jù)子網(wǎng)數(shù)劃分子網(wǎng)

子網(wǎng)劃分計(jì)算中，有時(shí)要在已知需要?jiǎng)澐肿泳W(wǎng)數(shù)量的前提下，來(lái)劃分子網(wǎng)。當(dāng)然，這類劃分子網(wǎng)問(wèn)題的前提是每個(gè)子網(wǎng)需要包括盡可能多的主機(jī)，否則該子網(wǎng)劃分就沒(méi)有意義了。因?yàn)椋绻灰笞泳W(wǎng)包括盡可能多的主機(jī)，那么子網(wǎng)號(hào)位數(shù)可以隨意劃分成很大，這樣就浪費(fèi)了大量的主機(jī)地址。

比如，將一個(gè)B類地址劃分成10個(gè)子網(wǎng)，那么子網(wǎng)號(hào)位數(shù)應(yīng)該是4，子網(wǎng)掩碼為。如果不考慮子網(wǎng)包括盡可能多的主機(jī)，子網(wǎng)號(hào)位數(shù)可以隨意劃分成5、6、7、…、14，這樣的話，主機(jī)號(hào)位數(shù)就變成11、10、9、…、2，可用主機(jī)地址就大大減少了。同樣，劃分子網(wǎng)就必須知道劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼，需要計(jì)算子網(wǎng)掩碼。此類問(wèn)題的計(jì)算方法總結(jié)如下：

(1)計(jì)算子網(wǎng)號(hào)的位數(shù)。假設(shè)需要?jiǎng)澐諼個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)包括盡可能多的主機(jī)地址。那么當(dāng)X滿足公式2M≥X≥2M-1時(shí)，M就是子網(wǎng)號(hào)的位數(shù)。

(2)由子網(wǎng)位數(shù)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)掩碼并劃分子網(wǎng)。

例如：需要將B類網(wǎng)絡(luò)劃分成30個(gè)子網(wǎng)，要求每個(gè)子網(wǎng)包括盡可能多的主機(jī)。計(jì)算過(guò)程如下：

①按照例子中的子網(wǎng)規(guī)劃需求，需要?jiǎng)澐值淖泳W(wǎng)數(shù)

X?=?30。

②計(jì)算子網(wǎng)號(hào)的位數(shù)。根據(jù)公式2M≥X≥2M-1，計(jì)算出M?=?5。

③計(jì)算子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼位數(shù)為16?+?5?=?21，子網(wǎng)掩碼為。

④由于子網(wǎng)號(hào)位數(shù)為5，所以該B類網(wǎng)絡(luò)總共能劃分成25?=?32個(gè)子網(wǎng)。這些子網(wǎng)分別是、、、…、。任意取其中的30個(gè)即可滿足需求。

6．VLSM和CIDR

1)變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼VLSM

變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼(VLSM，VariableLengthSubnetMasking)是相對(duì)于不同類的IP地址來(lái)說(shuō)的。A類地址的第一段是網(wǎng)絡(luò)號(hào)(前8位)，B類地址的前兩段是網(wǎng)絡(luò)號(hào)(前16位)，C類地址的前三段是網(wǎng)絡(luò)號(hào)(前24位)。而VLSM的作用就是在不同類的IP地址的基礎(chǔ)上，從它們的主機(jī)號(hào)部分借出相應(yīng)的位數(shù)來(lái)做網(wǎng)絡(luò)號(hào)，也就是增加網(wǎng)絡(luò)號(hào)的位數(shù)。各類網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)再劃分子網(wǎng)的位數(shù)為：

A類有24位可以借，B類有16位可以借，C類有8位可以借(可以再劃分的位數(shù)就是主機(jī)號(hào)的位數(shù)。實(shí)際上不可以都借出來(lái)，因?yàn)镮P地址中必須要有主機(jī)號(hào)的部分，而且主機(jī)號(hào)部分剩下一位是沒(méi)有意義的，所以在實(shí)際中可以借的位數(shù)是在上面那些數(shù)字中再減去2，借的位作為子網(wǎng)部分)。

這是一種產(chǎn)生不同大小子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分配機(jī)制，指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以配置不同的掩碼。開(kāi)發(fā)可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼的想法就是在每個(gè)子網(wǎng)上保留足夠的主機(jī)數(shù)的同時(shí)，把一個(gè)子網(wǎng)進(jìn)一步分成多個(gè)小子網(wǎng)，使其具有更大的靈活性。如果沒(méi)有VLSM，一個(gè)子網(wǎng)掩碼只能提供給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這樣就限制了要求的子網(wǎng)數(shù)上的主機(jī)數(shù)。另外，VLSM是基于比特位的，而類網(wǎng)絡(luò)是基于8位組的。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，能夠進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)劃分成三級(jí)或更多級(jí)子網(wǎng)，同時(shí)，能夠考慮使用全0和全1子網(wǎng)以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)地址空間。某局域網(wǎng)上使用了27位的掩碼，則每個(gè)子網(wǎng)可以支持30臺(tái)主機(jī)(25?-?2?=?30)；而對(duì)于WAN連接而言，每個(gè)連接只需要2個(gè)地址，理想的方案是使用30位掩碼(25?-?2?=?30)，然而與主類別網(wǎng)絡(luò)相同掩碼的約束相同，WAN之間也必須使用27位掩碼，這樣就浪費(fèi)了28個(gè)地址。

2)無(wú)類域間路由CIDR

通過(guò)定長(zhǎng)子網(wǎng)劃分或可變長(zhǎng)度子網(wǎng)劃分的方法，在一定程度上解決了Internet在發(fā)展中遇到的困難。但I(xiàn)nternet仍然面臨三個(gè)必須盡早解決的問(wèn)題：

(1)

B類地址在1992年已經(jīng)分配了將近一半，目前已經(jīng)全部分配完畢。

(2)

Internet主干網(wǎng)路由表中的路由條目數(shù)急劇增長(zhǎng)，從

幾千個(gè)增加到幾萬(wàn)個(gè)。

(3)

IPv4地址即將耗盡。

IETF很快就研究出無(wú)分類編址的方法來(lái)解決前兩個(gè)問(wèn)題；而第三個(gè)問(wèn)題由IETF的IPv6工作組負(fù)責(zé)研究。無(wú)類域間路由CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)是在VLSM基礎(chǔ)上研究出來(lái)的，現(xiàn)在已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CIDR不再使用“子網(wǎng)地址”或“網(wǎng)絡(luò)地址”的概念，而使用“網(wǎng)絡(luò)前綴(network-prefix)”這個(gè)概念。網(wǎng)絡(luò)前綴不同于8位、16位、24位長(zhǎng)度的自然分類網(wǎng)絡(luò)號(hào)，可以有各種前綴長(zhǎng)度，它有其相應(yīng)的掩碼標(biāo)識(shí)。

CIDR前綴既可以是一個(gè)自然分類網(wǎng)絡(luò)地址，也可以是一個(gè)子網(wǎng)地址，還可以是由多個(gè)自然分類網(wǎng)絡(luò)聚合而成的“超網(wǎng)”地址。所謂超網(wǎng)，就是利用較短的網(wǎng)絡(luò)前綴將多個(gè)使用較長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)前綴的小網(wǎng)絡(luò)聚合為一個(gè)或多個(gè)較大的網(wǎng)絡(luò)。

例如，某機(jī)構(gòu)擁有2個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)和，而其需要在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署500臺(tái)主機(jī)，那么可以通過(guò)CIDR的超網(wǎng)化將這2個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)聚合為一個(gè)更大的超網(wǎng)，掩碼為。

例如，一個(gè)ISP被分配了一些C類網(wǎng)絡(luò)，～。這個(gè)ISP準(zhǔn)備把這些C類網(wǎng)絡(luò)分配給各個(gè)用戶群，目前已經(jīng)分配了三個(gè)C類網(wǎng)段給用戶。如果沒(méi)有實(shí)施CIDR技術(shù)，ISP路由器的路由表中會(huì)有三條下聯(lián)網(wǎng)段的路由條目，并且會(huì)把它通告給Internet上的路由器。通過(guò)實(shí)施CIDR技術(shù)，可以在ISP的路由器上把這三條網(wǎng)段、、匯聚成一條路由/16。這樣ISP路由器只向Internet通告/16這一條路由，大大減少了路由表的數(shù)目。

2.2以太網(wǎng)的基本工作原理

2.2.1以太網(wǎng)的發(fā)展歷史

以太網(wǎng)是ETHERNET的中文譯名，是世界上應(yīng)用最廣泛、最為常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。在不涉及網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議細(xì)節(jié)時(shí)，有人把802.3局域網(wǎng)簡(jiǎn)稱為以太網(wǎng)，是一種基帶總線局域網(wǎng)。以太網(wǎng)的發(fā)展歷史如圖2-11所示。圖2-11以太網(wǎng)的發(fā)展歷史

1973年，美國(guó)斯樂(lè)(Xerox)公司的PaloAlto研究中心(簡(jiǎn)稱為PARC)開(kāi)始開(kāi)發(fā)，并于1975年研制成功，當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)率為2.94Mb/s。它以無(wú)源的電纜作為總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)幀，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太(Ether)來(lái)命名。

1979年，Xerox、Intel和DEC公司正式發(fā)布了世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品的規(guī)約DIX(DIX是這三個(gè)公司名的縮寫)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)就成為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

1980年，IEEE成立了802.3工作組。

1983年，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。初期的以太網(wǎng)是基于同軸電纜的，到80年代末期，基于雙絞線的以太網(wǎng)完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作，即通常說(shuō)的10BASE-T。第一個(gè)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)并正式發(fā)布。

1986年，IEEE802.3發(fā)布10BASE-2細(xì)纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

1990年，基于雙絞線介質(zhì)的10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.1D網(wǎng)橋標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。LAN交換機(jī)出現(xiàn)，逐步淘汰共享式網(wǎng)。

1997年，通過(guò)100BASE-T標(biāo)準(zhǔn)802.3u(快速以太網(wǎng))，把以太網(wǎng)帶寬擴(kuò)大到100Mb/s，可以支持3、4、5類雙絞線和光纖，開(kāi)啟以太網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的新時(shí)代。

1997年，全雙工以太網(wǎng)(IEEE97)出現(xiàn)。

1998年，1000Mb/s千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3z)問(wèn)世。千兆以太網(wǎng)開(kāi)始迅速發(fā)展。

1999年，銅纜吉比特標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3ab)發(fā)布。

2002年，10GE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3ae)發(fā)布。

2003年，以太網(wǎng)線供電標(biāo)準(zhǔn)802.3af誕生。

2004年，同軸電纜萬(wàn)兆標(biāo)準(zhǔn)802.3ak發(fā)布。

2006年，非屏蔽雙絞線萬(wàn)兆標(biāo)準(zhǔn)802.3an通過(guò)。

2010年，40/100G標(biāo)準(zhǔn)802.3ba問(wèn)世，同年節(jié)能以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3az通過(guò)。

2011年，40G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3az通過(guò)，同年100?G以太網(wǎng)背板、銅纜標(biāo)準(zhǔn)802.3bj開(kāi)始研究。

2013年，400G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組成立。

2.2.2以太網(wǎng)的分類與標(biāo)準(zhǔn)

以太網(wǎng)通常是指基帶局域網(wǎng)。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，應(yīng)用已非常普及，也成為局域網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)眾多，大體上可以分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、萬(wàn)兆以太網(wǎng)和下一代以太網(wǎng)。

1．標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)剛提出時(shí)，只有10Mb/s的吞吐量，使用的是帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)的訪問(wèn)控制方法，這種早期的10Mb/s以太網(wǎng)稱為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)可以使用粗同軸電纜、細(xì)同軸電纜、非屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線、光纖等多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行連接，并且在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中，為不同的傳輸介質(zhì)制定了不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，在這些標(biāo)準(zhǔn)中前面的數(shù)字表示傳輸速度，單位為“Mb/s”，最后的一個(gè)數(shù)字表示單段網(wǎng)線長(zhǎng)度(基準(zhǔn)單位是100m)，Base表示“基帶”，Broad代表“寬帶”。

10Base-5使用直徑為0.4英寸、阻抗為50Ω的粗同軸電纜，也稱粗纜以太網(wǎng)，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為500m，采用基帶傳輸方法，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。10Base-5組網(wǎng)主要的硬件設(shè)備有：粗同軸電纜、帶有AUI插口的以太網(wǎng)卡、中繼器、收發(fā)器、收發(fā)器電纜、終結(jié)器等。

10Base-2使用直徑為0.2英寸、阻抗為50Ω的細(xì)同軸電纜，也稱細(xì)纜以太網(wǎng)，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為185m，采用基帶傳輸方法，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。10Base-2組網(wǎng)的主要硬件設(shè)備有：細(xì)同軸電纜、帶有BNC插口的以太網(wǎng)卡、中繼器、T型連接器、終結(jié)器等。

10Base-T使用雙絞線電纜，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為100m，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型。10Base-T組網(wǎng)的主要硬件設(shè)備有：3類或5類非屏蔽雙絞線、帶有RJ-45插口的以太網(wǎng)卡、集線器、交換機(jī)、RJ-45插頭等。

2．快速以太網(wǎng)

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)已難以滿足日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量速度的需求?？焖僖蕴W(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后，IEEE802工程組規(guī)范了100Mb/s以太網(wǎng)的各種標(biāo)準(zhǔn)，如100Base-TX、100Base-FX、100Base-T4等?？焖僖蕴W(wǎng)技術(shù)可以支持3、4、5類雙絞線以及光纖的連接，能有效地利用現(xiàn)有的設(shè)施。其不足是仍然基于CSMA/CD技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，會(huì)造成效率的降低。

100Base-TX是一種使用5類無(wú)屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。傳輸中使用4B/5B編碼方式，信號(hào)頻率為125MHz。符合EIA586的5類布線標(biāo)準(zhǔn)和IBM的SPT1類布線標(biāo)準(zhǔn)，使用同10Base-T相同的RJ-45連接器。它的最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為100m，并支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。

100Base-FX是一種使用光纜的快速以太網(wǎng)技術(shù)，可使用單模和多模光纖(62.5μm和125μm)。多模光纖連接的最大距離為550m。單模光纖連接的最大距離為3000m。在傳輸中使用4B/5B編碼方式，信號(hào)頻率為125MHz。它使用MIC/FDDI連接器、ST連接器或SC連接器，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為150m、412m、2000m或更長(zhǎng)至10km，這與所使用的光纖類型和工作模式有關(guān)，并支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。100Base-FX特別適合于有電氣干擾的環(huán)境、較大距離連接或高保密環(huán)境等情況下使用。

100Base-T4是一種可使用3、4、5類無(wú)屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。100Base-T4使用4對(duì)雙絞線，其中的三對(duì)用于在33MHz的頻率上傳輸數(shù)據(jù)，每一對(duì)均工作于半雙工模式。第四對(duì)用于CSMA/CD沖突檢測(cè)。在傳輸中使用8B/6T編碼方式，信號(hào)頻率為25MHz，符合EIA586結(jié)構(gòu)化布線標(biāo)準(zhǔn)。它使用與10Base-T相同的RJ-45連接器，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為100m。

3．千兆以太網(wǎng)

千兆以太網(wǎng)技術(shù)繼承了傳統(tǒng)以太技術(shù)價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，采用了與10M以太網(wǎng)相同的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統(tǒng)，可與10M或100M的以太網(wǎng)很好地配合工作。升級(jí)到千兆以太網(wǎng)不必改變網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、網(wǎng)管部件和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，能夠最大程度地保護(hù)投資。此外，IEEE標(biāo)準(zhǔn)將支持最大距離為550m的多模光纖、最大距離為70km的單模光纖和最大距離為100m的銅軸電纜。

千兆以太網(wǎng)技術(shù)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z基于光纖和短距離銅纜的1000Base-X，采用8B/10B編碼技術(shù)，信道傳輸速度為1.25Gb/s，去耦后可實(shí)現(xiàn)1000Mb/s傳輸速度。IEEE802.3z具有下列千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：

(1)

1000Base-SX只支持多模光纖，可以采用直徑為62.5μm或50μm的多模光纖，工作波長(zhǎng)為770～860nm，傳輸距離為220～550m。

(2)

1000Base-LX可以支持直徑為9μm或10μm的單模光纖，工作波長(zhǎng)為1270～1355nm，傳輸距離為5km。

(3)

1000Base-CX采用150Ω屏蔽雙絞線(STP)，傳輸距離為25m。

IEEE802.3ab基于5類UTP的1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)，在5類UTP上以1000Mb/s的速率傳輸100m，可保護(hù)用戶在5類UTP布線系統(tǒng)上的投資；1000Base-T是100Base-T的自然擴(kuò)展，與10Base-T、100Base-T完全兼容。

4．萬(wàn)兆以太網(wǎng)

萬(wàn)兆以太網(wǎng)規(guī)范包含在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae中，它擴(kuò)展了IEEE802.3協(xié)議和MAC規(guī)范，使其支持10Gb/s的傳輸速率。除此之外，通過(guò)WAN界面子層(WIS，WANInterfaceSublayer)，10千兆位以太網(wǎng)也能被調(diào)整為較低的傳輸速率，如9.584640Gb/s(OC-192)，這就允許10千兆位以太網(wǎng)設(shè)備與同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)STS-192c的傳輸格式相兼容。具體標(biāo)準(zhǔn)有：

(1)

10GBASE-LR和10GBASE-LW主要支持長(zhǎng)波(1310nm)單模光纖(SMF)，光纖距離為2m～10km。

(2)

10GBASE-ER和10GBASE-EW主要支持超長(zhǎng)波(1550nm)單模光纖(SMF)，光纖距離為2m～40km。

(3)

10GBASE-SR和10GBASE-SW主要支持短波(850nm)多模光纖(MMF)，光纖距離為2～300m。

(4)

10GBASE-LX4采用波分復(fù)用技術(shù)，在單對(duì)光纜上以四倍光波長(zhǎng)發(fā)送信號(hào)。系統(tǒng)運(yùn)行在1310nm的多?；騿文０倒饫w方式下。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)2～300m的多模光纖模式或2m～10km的單模光纖模式。

(5)

10GBASE-ER、10GBASE-LR和10GBASE-SR主要支持“暗光纖”(DarkFiber)，暗光纖是指沒(méi)有光傳播并且不與任何設(shè)備連接的光纖。

(6)

10GBASE-EW、10GBASE-LW和10GBASE-SW主要用于連接SONET設(shè)備，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

5．下一代以太網(wǎng)

不斷提升的用戶訪問(wèn)速度和服務(wù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求爆炸性增長(zhǎng)，使得以太網(wǎng)在計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面面臨著越來(lái)越大的帶寬增長(zhǎng)壓力。在此背景下，下一代以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。下一代以太網(wǎng)主要是指40Gb/s和100Gb/s速率的以太網(wǎng)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)包括802.3ba、802.3az、802.3bj等。

2.2.3以太網(wǎng)的通信原理

1．以太網(wǎng)常用的傳輸介質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)中各站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸必須依靠某種傳輸介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳輸介質(zhì)種類很多，適用于以太網(wǎng)的介質(zhì)主要有三類：同軸電纜、雙絞線和光纖。

1)同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)、外兩個(gè)導(dǎo)體組成，且這兩個(gè)導(dǎo)體是同軸線的，所以稱為同軸電纜。在同軸電纜中，內(nèi)導(dǎo)體是一根導(dǎo)線，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱面，兩者之間有填充物。外導(dǎo)體能夠屏蔽外界電磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)導(dǎo)體信號(hào)的干擾。同軸電纜既可以用于基帶傳輸，又可以用于寬帶傳輸?；鶐鬏敃r(shí)只傳送一路信號(hào)，而寬帶傳輸時(shí)則可以同時(shí)傳送多路信號(hào)。用于局域網(wǎng)的同軸電纜都是基帶同軸電纜。初期以太網(wǎng)一般都使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，常見(jiàn)的類型為：

(1)

10Base-5，俗稱粗纜，見(jiàn)圖2-12，其最大傳輸距離為500m。

(2)

10Base-2，俗稱細(xì)纜，見(jiàn)圖2-13，其最大傳輸距離為185m。

圖2-1310Base-2圖2-1210Base-5

2)雙絞線

雙絞線(TwistedPairCable)共8芯，由絞合在一起的4對(duì)導(dǎo)線組成，見(jiàn)圖2-14。雙絞線絞合可減少各導(dǎo)線之間的相互電磁干擾，并具有抗外界電磁干擾的能力。雙絞線電纜可以分為兩類：屏蔽型雙絞線(STP)和非屏蔽型雙絞線(UTP)。屏蔽型雙絞線外面環(huán)繞著一圈保護(hù)層，有效減小了影響信號(hào)傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，但相應(yīng)增加了成本。而非屏蔽型雙絞線沒(méi)有保護(hù)層，易受電磁干擾，但成本較低。非屏蔽雙絞線廣泛用于星型拓?fù)涞囊蕴W(wǎng)。

圖2-14雙絞線

雙絞線的優(yōu)勢(shì)在于它使用了電信工業(yè)中已經(jīng)比較成熟的技術(shù)，因此，對(duì)系統(tǒng)的建立和維護(hù)都要容易得多。在不需要較強(qiáng)抗干擾能力的環(huán)境中，選擇雙絞線，特別是非屏蔽型雙絞線，既利于安裝，又節(jié)省了成本，所以非屏蔽型雙絞線往往是辦公環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的首選。但雙絞線也有其缺點(diǎn)，其最大的問(wèn)題在于抗干擾能力不強(qiáng)，特別是非屏蔽型雙絞線。

雙絞線根據(jù)線徑、纏繞率等指標(biāo)，又可分為：

(1)

CAT-1：曾用于早期語(yǔ)音傳輸，未被TIA/EIA承認(rèn)。

(2)

CAT-2：未被TIA/EIA承認(rèn)，常用于4Mb/s的令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)。

(3)

CAT-3：TIA/EIA-568-B認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，目前只應(yīng)用于語(yǔ)音傳輸。

(4)

CAT-4：未被TIA/EIA承認(rèn)，常用于16Mb/s的令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)。

(5)

CAT-5：TIA/EIA-568-B認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，常用于快速以太網(wǎng)中。

(6)

CAT-5e：TIA/EIA-568-B認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，常用于快速以太網(wǎng)及千兆以太網(wǎng)中。

(7)

CAT-6：TIA/EIA-568-B認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，可提供250MHz的帶寬，2倍于CAT-5、CAT-5e。

(8)

CAT-6a：應(yīng)用于萬(wàn)兆以太網(wǎng)中。

(9)

CAT-7：其規(guī)定的最低傳輸帶寬為600MHz。

3)光纖

光纖的全稱為光導(dǎo)纖維。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而言，光纖具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。光纖由纖芯、包層及護(hù)套組成。纖芯由玻璃或塑料組成；包層則是玻璃的，使光信號(hào)可以反射回去，沿著光纖傳輸；護(hù)套則由塑料組成，用于防止外界的傷害和干擾，如圖2-15所示。

圖2-15光纖的結(jié)構(gòu)

根據(jù)光在光纖中的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

(1)單模光纖：纖芯較細(xì)(芯徑一般為9μm或10μm)，只能傳輸一種模式的光。其色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊。

(2)多模光纖：纖芯較粗(芯徑一般為50μm或62.5μm)，可傳輸多種模式的光。但其色散較大，因此，多模光纖一般用于短距離傳輸。

在這里需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，以上內(nèi)容主要針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的有形介質(zhì)。事實(shí)上，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用，無(wú)線電波、微波、紅外線等無(wú)形傳輸方式在特定環(huán)境下，已經(jīng)使得有形介質(zhì)英雄無(wú)用武之地。

2．?dāng)?shù)據(jù)通信的傳輸模式

數(shù)據(jù)通信的基本模式包括單播、廣播和組播。

單播(Unicast)為“一對(duì)一”的通信模式，即從源端發(fā)出的數(shù)據(jù)，僅傳遞給某一具體接收者。采用單播方式時(shí)，系統(tǒng)為每個(gè)需求該信息的用戶單獨(dú)建立一條數(shù)據(jù)傳送通路，并為該用戶發(fā)送一份獨(dú)立的拷貝信息。由于網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒘亢托枨笤撔畔⒌挠脩袅砍烧?，因此?dāng)需求該信息的用戶量龐大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)多份相同的信息流。此時(shí)，帶寬將成為重要瓶頸，單播方式較適合用戶稀少的網(wǎng)絡(luò)，不利于信息規(guī)?；l(fā)送。

廣播(Broadcast)為“一對(duì)所有”的通信模式。在廣播方式中，系統(tǒng)把信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶，不管他們是否需要，任何用戶都會(huì)接收到來(lái)自廣播的信息，信息的安全性和有償服務(wù)得不到保障。另外，當(dāng)同一網(wǎng)絡(luò)中需求該信息的用戶量很小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源利用率將非常低，帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重。廣播方式適合用戶稠密的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中需求某信息的用戶量不確定時(shí)，單播和廣播方式效率很低。

組播(Multicast)為“一對(duì)多”的通信模式。源端將數(shù)據(jù)發(fā)送至一個(gè)組地址，只有加入該組的成員可以接收該數(shù)據(jù)。相比單播來(lái)說(shuō)，使用組播方式傳遞信息時(shí)，用戶的增加不會(huì)顯著增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載；不論接收者有多少，相同的組播數(shù)據(jù)流在每一條鏈路上最多僅有一份，這樣就及時(shí)解決了網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量不確定的問(wèn)題。另外，相比廣播來(lái)說(shuō)，組播數(shù)據(jù)流僅會(huì)流到有接收者的地方，不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

3．沖突域與廣播域

沖突域是指如果一個(gè)區(qū)域中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收到該區(qū)域中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的任何幀，那么該區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)沖突域。廣播域是指如果一個(gè)區(qū)域中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收到該區(qū)域中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的廣播幀，那么該區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)廣播域。例如一個(gè)集線器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)沖突域和一個(gè)廣播域；一個(gè)交換機(jī)的每一個(gè)端口是一個(gè)沖突域，而其本身是一個(gè)廣播域；一個(gè)路由器的每一個(gè)端口都是一個(gè)沖突域和一個(gè)廣播域，見(jiàn)圖2-16。對(duì)于集線器、交換機(jī)、路由器等設(shè)備，將會(huì)在后續(xù)課程中陸續(xù)介紹。

圖2-16廣播域與沖突域

4．以太網(wǎng)鏈路層的分層結(jié)構(gòu)

在以太網(wǎng)中，針對(duì)物理層不同的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、工作模式，數(shù)據(jù)鏈路層需要提供不同的介質(zhì)訪問(wèn)方法，這樣給設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)了不便。為此，一些組織和廠家提出把數(shù)據(jù)鏈路層再進(jìn)行分層，分為媒體訪問(wèn)控制子層(MAC)和邏輯鏈路控制子層(LLC)。這樣不同的物理層對(duì)應(yīng)不同的MAC子層，LLC子層則可以完全獨(dú)立，如圖2-17所示。圖2-17MAC與LLC

1)

MAC地址

為了進(jìn)行站點(diǎn)標(biāo)識(shí)，在MAC子層用MAC地址來(lái)唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)站點(diǎn)。MAC地址由IEEE管理，以塊為單位進(jìn)行分配。一個(gè)組織(一般是制造商)從IEEE獲得唯一的地址塊，稱為一個(gè)組織的OUI(OrganizationallyUniqueIdentifier)。獲得OUI的組織可用該地址塊為16777216個(gè)設(shè)備分配地址。

MAC地址有48bit，但通常被表示為12bit的點(diǎn)分十六進(jìn)制數(shù)。例如，48bit的MAC地址000000001110000011111100001110011000000000110100，表示為12bit點(diǎn)分十六進(jìn)制就是00e0.fc39.8034。每個(gè)MAC地址的前6bit(點(diǎn)分十六進(jìn)制)代表OUI，后6bit由廠商自己分配。例如，地址00e0.fc39.8034，前面的00e0.fc是IEEE分配給華為公司的OUI，后面的39.8034是由華為公司自己分配的地址編號(hào)。MAC地址中的第2位指示該地址是全局唯一還是局部唯一。以太網(wǎng)一直使用全局唯一地址。

MAC地址可分為物理MAC地址、廣播MAC地址和組播MAC地址。物理MAC地址唯一地標(biāo)識(shí)了以太網(wǎng)上的一個(gè)終端，這樣的地址是固化在硬件(如網(wǎng)卡)里面的。廣播MAC地址是一個(gè)通用的MAC地址，用來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)上的所有終端設(shè)備。廣播MAC地址48bit全是1，如ffff.ffff.ffff。組播MAC地址是一個(gè)邏輯的MAC地址，用于代表網(wǎng)絡(luò)上的一組終端。組播MAC地址第8bit是1，例如000000011011101100111010101110101011111010101000。

2)

MAC子層的功能

MAC子層負(fù)責(zé)從LLC子層接收數(shù)據(jù)，附加上MAC地址和控制信息后把數(shù)據(jù)發(fā)送到物理鏈路上，在這個(gè)過(guò)程中提供校驗(yàn)等功能。數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程如下：

(1)當(dāng)上層要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)提交給MAC子層。

(2)

MAC子層把上層提交來(lái)的數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)。

(3)加上目的MAC地址和自己的MAC地址(源MAC地址)，計(jì)算出數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，形成以太網(wǎng)幀。

(4)以太網(wǎng)幀根據(jù)目的MAC地址被發(fā)送到對(duì)端設(shè)備。

(5)對(duì)端設(shè)備用幀的目的MAC地址跟MAC地址表中的條目進(jìn)行比較。

(6)只要有一項(xiàng)匹配，則接收該以太網(wǎng)幀。

(7)若無(wú)任何匹配的項(xiàng)目，則丟棄該以太網(wǎng)幀。

以上描述的是單播的情況。如果上層應(yīng)用程序加入一個(gè)組播組，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)應(yīng)用程序加入的組播組形成一個(gè)組播MAC地址，并把該組播MAC地址加入MAC地址表。當(dāng)有針對(duì)該組的數(shù)據(jù)幀時(shí)，MAC子層就接收該數(shù)據(jù)幀并向上層發(fā)送。

3)?LLC子層的功能

LLC子層除了定義傳統(tǒng)的鏈路層服務(wù)之外，還增加了一些其他有用的特性。這些特性都由DSAP、SSAP和Control字段提供。例如以下三種類型的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸服務(wù)：

(1)無(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)。目前以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的就是這種服務(wù)。

(2)面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。預(yù)先建立連接再傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的可靠性能夠得到保證。

(3)無(wú)連接的帶確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該類型的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)不需要建立連接，但它在數(shù)據(jù)的傳輸中增加了確認(rèn)機(jī)制，使可靠性大大增加。

5．以太網(wǎng)的幀格式

在以太網(wǎng)的發(fā)展歷程中，以太網(wǎng)的幀格式出現(xiàn)過(guò)多個(gè)版本。目前正在應(yīng)用中的幀格式為DIX(Dec、Intel、Xerox)的Ethernet_II幀格式和IEEE的IEEE802.3幀格式(ETHERNET_SNAP)。

1)

Ethernet_II幀格式

Ethernet_II幀格式由DEC、Intel和Xerox在1982年公布，由Ethernet_I修訂而來(lái)。事實(shí)上，Ethernet_II與Ethernet_I在幀格式上并無(wú)差異，區(qū)別僅在于電氣特性和物理接口。Ethernet_II的幀格式見(jiàn)圖2-18。

圖2-18Ethernet_II幀格式

(1)

DMAC(DestinationMAC)是目的地址，確定幀的接收者。

(2)

SMAC(SourceMAC)是源地址，標(biāo)識(shí)發(fā)送幀的工作站。

(3)

Type類型字段用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)字段中包含的高層協(xié)議，也就是說(shuō)，該字段告訴接收設(shè)備如何解釋數(shù)據(jù)字段。該字段取值大于1500。類型字段用十六進(jìn)制值表示多協(xié)議傳輸機(jī)制。

①類型字段取值為0800的幀代表IP協(xié)議幀。

②類型字段取值為0806的幀代表ARP協(xié)議幀。

③類型字段取值為8035的幀代表RARP協(xié)議幀。

④類型字段取值為8137的幀代表IPX和SPX傳輸協(xié)議幀。

(4)

Data字段表明幀中封裝的具體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度必須為46字節(jié)以保證幀長(zhǎng)至少為64字節(jié)，這意味著傳輸一字節(jié)信息也必須使用46字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。如果填入該字段的信息少于46字節(jié)，則該字段的其余部分也必須進(jìn)行填充。數(shù)據(jù)字段的最大長(zhǎng)度為1500字節(jié)(MTU，最大傳輸單元)。

(5)

CRC(CyclicRedundancyCheck)循環(huán)冗余校驗(yàn)字段提供了一種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。

2)?IEEE802.3幀格式

IEEE802.3幀格式由Ethernet_II幀發(fā)展而來(lái)，目前應(yīng)用很少。它將Ethernet_II幀的Type域用Length域取代，并且占用了Data字段的8個(gè)字節(jié)作為L(zhǎng)LC和SNAP字段，如圖2-19所示。

圖2-19IEEE802.3幀格式

(1)

Length字段定義了Data字段包含的字節(jié)數(shù)。該字段取值小于等于1500(大于1500表示幀格式為Ethernet_II)。

(2)

LLC(LogicalLinkControl)由目的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)DSAP(DestinationServiceAccessPoint)、源服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)SSAP(SourceServiceAccessPoint)和Control字段組成。

(3)

SNAP(Sub-networkAccessProtocol)由機(jī)構(gòu)代碼(orgcode)和類型(Type)字段組成。orgcode三個(gè)字節(jié)都為0。Type字段的含義與Ethernet_II幀中的Type字段相同。

其他字段請(qǐng)參見(jiàn)Ethernet_II幀的字段說(shuō)明。

IEEE802.3幀根據(jù)DSAP和SSAP字段取值的不同又可以分成不同類型，這里不再贅述。

6．CSMA/CD

同軸電纜是以太網(wǎng)發(fā)展初期所使用的連接線纜，是物理層設(shè)備。通過(guò)同軸電纜連接起來(lái)的設(shè)備共享信道，即在每一個(gè)時(shí)刻，只能有一臺(tái)終端主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，其他終端處于偵聽(tīng)狀態(tài)，不能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。這種情況稱為網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備共享同軸電纜的總線帶寬。在集線器(Hub)連接的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)端口在發(fā)送數(shù)據(jù)。它的功能是把從一個(gè)端口接收到的比特流從其他所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，如圖2-20所示。因此，用集線器連接的所有站點(diǎn)也處于一個(gè)沖突域之中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生沖突。共享式以太網(wǎng)是利用CSMA/CD機(jī)制來(lái)檢測(cè)和避免沖突的。圖2-20Hub的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

根據(jù)以太網(wǎng)的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備是通過(guò)一條共享的物