一、基本概念一发展历程1.诞生阶段2.形成阶段3.互联互通阶段4.高速发展阶段二计算机网络的功能1.数据通信2.资源共享3.管理集中化4.实现分布式处理5.负载均衡三网络有关指标1.性能指标从速率、带宽、吞吐量和时延等不同方面来度量计算机网络的性能。2.非性能指标从费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性和可维护性等来度量。四网络应用前景因特网是人类自印刷术发明以来在通信方面最大的变革。二、通信技术一信道在通信中的数据包括模拟信号和数字信号通过信道来传输信息传输就是信源和信宿通过信道收发信息的过程。信道可分为逻辑信道和物理信道。逻辑信道是指在数据发送端和接收端之间存在的一条虚拟线路可以是有连接的或无连接的以物理信道为载体。信道的最高码元传输速率根据奈氏准则奈奎斯特定理理想码元传输速率N2WBaudW是理想低通信道的带宽单位为赫兹HzBaud是波特为码元传输速率的单位。香农公式。信道容量就是信道的最大传输速率可通过香农公式计算得到。C 代表信道容量单位是 b/sB代表信号带宽单位是H zS代表信号平均功率单位是WN 代表噪声平均功率单位是 WS/N代表信噪比单位是d B (分贝)提升信道容量可以使用比较大的带宽降低信噪比也可以使用比较小的带宽升高信噪比。二信号变换信号在信源端和信宿端都需要经过信号变换中间经过编码、交织、调制和解码等过程。三复用技术和多址技术1.复用技术是指在一条信道上同时传输多路数据的技术如TDM时分复用、FDM 频分复用和CDM码分复用等。即一条路上行驶多辆货车。2.多址技术是指在一条线上同时传输多个用户数据的技术在接收端把多个用户的数据分离如 TDMA 时分多址、FDMA 频分多址和 CDMA 码分多址等。即一辆车上的货物属于不同用户。3.5G 通信网络。作为新一代的移动通信技术网络结构、网络能力和应用场景等都与过去有很大不同具有高速率、低时延、接入用户数高等优点。三、网络技术一局域网 (LAN)是指在有限地理范围内将若干计算机通过传输介质互联成的封闭型的计算机网络。网络拓扑星状结构、总线型、树状、环形、网状二以太网Ethernet是一种计算机局域网组网技术由IEEE 802.3 定义。以太网数据帧的最小长度必须不小于64字节最大长度一般是1518 字节。设置最小帧长是为了避免冲突最小帧长是根据网络中检测冲突的最长时间来定的。三无线局域网Wireless Local Area NetworksWLAN利用无线技术在空中传输数据、 话音和视频信号。WLAN采用IEEE 802.11标准有a、b、g、n、ac等子标准802.11n 传输速率 可达200Mb/s802.11ac则可达1Gb/s。WLAN拓扑结构有点对点型、Hub型和完全分布型。1点对点型用于网络互联和延长2HUB型用于终端接入3完全分布型则处于理论探讨阶段无具体应用。四广域网WAN是一种将分布于更广区域的计算机设备联接起来的网络需要使用路由器和网关设备。1广域网由通信子网与资源子网组成。2广域网可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络3类。3广域网相关技术有同步光网络SONET、同步数字体系SDH、数字数据网DDN、帧中继FR和异步传输技术ATM。广域网具有下述特点(1)主要提供面向数据通信的服务支持用户使用计算机进行远距离的信息交换。(2)覆盖范围广通信的距离远广域网没有固定拓扑结构。(3)由电信部门或公司负责组建、管理和维护并向全社会提供面向通信的有偿服务等。五城域网Metropolitan Area NetworkMAN是在单个城市范围内所建立的计算机通信网采用IEEE 802.6标准。通常分为3个层次核心层、汇聚层和接入层。六移动通信网其发展经历了1G模拟信号传输、2G数字通信技术、3G扩展频谱、4G 快速发展繁荣、5G多业务、多技术融合等5代。5G网络的主要特征为服务化架构和网络切片。1服务化架构Service-Based ArchitectureSBA可以实现网络功能的灵活定制和按需组合以及软件快速迭代和升级。2网络切片技术可以在单个物理网络中切分出多个分离的逻辑网络用于不同业务。5G还引入了基于灵活以太网Flexible EthernetFlexE的硬切片技术。四、组网技术一网络设备及其工作层级有集线器、中继器、网桥、交换机、路由器和防火墙1集线器Hub和中继器Repeater工作在物理层。2网桥Bridge和交换机Switcher工作在数据链路层。3路由器Router和防火墙Firewall主要工作在网络层。防火墙是网络中一种重要的安全设备作为网络对外的门户。二网络协议低层至高层分别为物理层 (Physical Layer)、 数据链路 层 (Datalink Layer)、 网络层 (Network Layer)、 传输层 (Transport Layer)、 会话层 (Session Layer)、 表示层 (Presentation Layer) 和应用层 (Application Layer)。1OSI 网络体系结构2OSI 协议集IEEE802规范目前主要包括以下内容。1)802.1802协议概论其中802.1A规定了局域网体系结构802.1B规定了寻址、网络互联与网络管理。2802.2:LLC协议。(3802.3:以太网的CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,载波监听多路访问/冲突检测协议其中802.3i规定了10Base-T访问控制方法与物理层规范802.3u规定了100Base-T访问控制方法与物理层规范802.3ab-规定了1000Base-T访问控制方法与物理层规范802.3z规定了1000Base-SX和1000Base-LX访问控制方法与物理层规范。4802.4令牌总线Token Bus访问控制方法与物理层规范。5802.5令牌环访问控制方法。6802.6城域网访问控制方法与物理层规范。7802.7宽带局域网访问控制方法与物理层规范。8802.8FDDI访问控制方法与物理层规范。9802.9局域网上的语音/数据集成规范。10802.10局域网安全互操作标准。11802.11无线局域网Wireless Local Area NetworkWLAN)标准协议。12802.12100VG-Any 局域网访问控制方法与物理层规范。13802.14协调混合光纤同轴网络的前端和用户站点间数据通信的协议。14802.15无线个人网技术标准其代表技术是蓝牙技术。15802.16无线MAN空中接口规范。3TCP/IP协议集TCP/IP 的主要特性为逻辑编址、路由选择、域名解析、错误检测和流量控制以及对应用程序的支持等。TCP/IP是个协议族主要包括因特网协议 (IP)、 传输控制协议 (TCP)、 用户数据报协议 (UDP)、 虚拟终端协议 (TELNET)、 文件传输协议 (FTP)、电子邮件传输协议 (SMTP)、 网上新闻传输协议 (NNTP) 和超文本传送协议 (HTTP) 等8个。4OSI/RM七层模型层级对应OSI 七层TCP/IP 四层主要功能典型协议 / 技术高层应用层表示层会话层应用层提供用户接口、数据格式化、加密解密、会话建立与管理HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS、SSH中层传输层传输层端到端通信、端口寻址、可靠传输、流量控制TCP、UDP中层网络层网际层逻辑寻址、路由选择、跨网络转发IP、ICMP、ARP底层数据链路层物理层网络接口层帧封装、物理寻址、比特流传输、介质接入以太网、WiFi、PPP、MAC三交换技术交换机功能包括(1)集线功能。提供大量可供线缆连接的端口达到部署星状拓扑网络的目的。(2)中继功能。在转发帧时重新产生不失真的电信号。(3)桥接功能。在内置的端口上使用相同的转发和过滤逻辑。(4)隔离冲突域功能。将部署好的局域网分为多个冲突域而每个冲突域都有自己独立的 带宽以提高交换机整体宽带利用效率。交换机协议有1生成树协议STP可以很好地解决链路环路问题。2链路聚合协议可以提升与邻接交换设备之间的端口带宽和提高链路可靠性。四路由器路由功能由路由器Router来提供包括异种网络互连、子网协议转换、数据路由、速率适配、隔离网络、报文分片和重组、备份和流量控制。路由器协议主要有1内部网关协议Interior Gateway ProtocolIGP指在一个自治系统AutonomousSystemAS内运行的路由协议。2外部网关协议Exterior Gateway ProtocolEGP指在AS之间的路由协议。EGP是为简单的树型拓扑结构设计的。3边界网关协议Border Gateway ProtocolBGPInternet 的网络规模庞大网络情况复杂 EGP已不适用在EGP的经验之上制定了新的网关协议即BGP也是Internet上唯一的网关协议。五应用层协议1文件传输协议File Transport ProtocolFTP是网络上两台计算机传送文件的协议运行在TCP之上是通过Internet将文件从一台计算机传输到另一台计算机的一种途径。FTP 在客户机和服务器之间需建立两条 TCP 连接一条用于传送控制信息使用 21 号端口另一条用于传送文件内容使用 20 号端口。2简单文件传输协议Trivial File Transfer ProtocolTFTP是用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议提供不复杂、开销不大的文件传输服务。TFTP建立在UDP之上69号端口提供不可靠的数据流传输服务不提供存取授权与认证机制使用超时重传方式来保证数据的到达。3超文本传输协议Hypertext Transfer ProtocolHTTP是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。HTTP建立在TCP之上使用80号端口。4安全超文本传输协议Hypertext Transfer Protocol SecureHTTPS是以安全为目标的HTTP通道在HTTP的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性。HTTPS在 HTTP 的基础下加入安全套接层Secure Socket LayerSSL或TLSHTTPS使用的443号端口。5动态主机配置协议Dynamic Host Configuration ProtocolDHCP通常被应用在大型的局域网络环境中主要作用是集中地管理、分配IP地址使网络环境中的主机动态地获得IP地址、网关地址、DNS服务器地址等信息并能够提升地址的使用率。在网络范围内可能存在多个 DHCP 服务器各自负责不同的网段也可能由同一个DHCP 服务器负责多个不同网段的地址分配。 如果网络中有多个DHCP服务器发送OFFER报文客户端只根据第一个收到的OFFER 报文返 回REQUEST报文。6域名系统Domain Name SystemDNSDNS把主机域名解析为IP地址的系统而PTRPointer Record负责将IP地址映射到域名的解析。DNS查询过程有两种方法六传输层协议1传输控制协议Transmission Control ProtocolTCP。TCP是可靠的、面向连接的网络协议。具有差错校验和重传、流量控制、拥塞控制等功能。适用于数据量比较少且对可靠性要求高的场合。2用户数据报协议User Datagram ProtocolUDP。UDP是不可靠的、无连接的网络协议。UDP适合数据量大对可靠性要求不是很高但要求速度快的场合。3网络层协议。IPv6被称为“下一代互联网协议”IP数据报的目的地址有单播、多播/组播、任播。IPv4 toIPv6过渡技术主要有双协议栈技术、隧道技术、NAT-PT技术。五、网络工程一网络建设工程1.网络规划以需求为导向兼顾技术和工程可行性。2.网络设计包括逻辑设计和物理设计逻辑设计指网络结构设计、网络技术选型、IP 地址和路由设计、网络冗余设计以及网络安全设计等物理设计指布线设计、机房设计、设备选型等。网络冗余设计的目的就是避免网络组件单点失效造成应用失效备用路径是在主路径失效时启用其和主路径承担不同的网络负载负载分担是网络冗余设计中的一种设计方式其通过并行链路提供流量分担来提高性能网络中存在备用链路时可以考虑加入负载分担设计来减轻主路径负担。3.网络实施包括工程实施计划、网络设备验收、设备安装和调试、系统试运行和切换、用户培训等。二分层设计网络设计一般采用分层的方式分为接入层、汇聚层、核心层。1接入层直接面向用户连接或访问网络的部分主要解决相邻用户之间的互访需求并且为这些访问提供足够的带宽接入层还应当适当负责一些用户管理功能如地址认证、用户认证、计费管理等以及用户信息收集工作如用户的IP地址、MAC地址、访问日志等。2汇聚层是核心层和接入层的分界面完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址以及其他数据处理的任务。汇聚层的存在与否要视网络规模大小而定。3核心层网络主干部分称为核心层核心层的主要目的在于通过高速转发通信提供优三网络地址与掩码1.IPIPv4地址的分类。由4字节共32位数字表示分为4段每段8位段与段之间用句点分割以十进制形式表示例如212.113.201.12分为ABCDE共5类。1A类地址最前面1位为07位标识网络号24位标识主机号。A类地址第一段取值介于1~126之间故总共只有126个可能得A类网络每个A类网络最多可连接台主机有两个保留地址。2B类地址最前面2位为1014位标识网络号16位标识主机号。B类地址第一段取值介于128~192之间第一段和第二段合在一起表示网络号每个B类网络最多可连接台主机有两个保留地址。3C类地址最前面3位为11021位标识网络号8位标识主机号。前3段合在一起表示网络号每个C类网络最多可连接台主机有两个保留地址。4D类地址最前面4位为1110不分网络地址和主机地址它是一个专门保留的地址。5E类地址最前面5位为11110不分网络地址和主机地址为将来使用所保留。2.IPv6Internet Protocol version 6是下一代互联网协议用于替代IPv4。IPv6的主要优势包括更大的地址空间128位地址、简化的报头结构、更好的安全性和对移动设备的支持。IPv4的32位地址空间已接近耗尽IPv6的普及成为解决地址短缺问题的关键方案。1IPv6地址格式IPv6地址由8组16位的十六进制数组成每组之间用冒号分隔。例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334为简化表示前导零可以省略连续全零组可用::代替仅限一次2001:db8:85a3::8a2e:370:73342.IPv6地址类型单播地址Unicast标识单一接口用于一对一通信。全局单播地址GUA类似IPv4的公网地址前缀通常为2000::/3。链路本地地址LLA以fe80::/10开头仅用于本地链路通信。组播地址Multicast标识一组接口用于一对多通信前缀为ff00::/8。任播地址Anycast分配给多个接口但数据包仅发送到最近的一个。3.子网掩码子网掩码Subnet Mask是用于划分IP地址中网络部分和主机部分的32位二进制数。它与IP地址结合使用通过逻辑“与”运算确定网络地址。子网掩码通常由连续的1和连续的0组成1对应网络位0对应主机位。子网掩码的表示形式点分十进制如255.255.255.0对应二进制为11111111.11111111.11111111.00000000。CIDR表示法如/24表示前24位为网络位与255.255.255.0等价。子网掩码的作用划分网络与主机明确IP地址中哪些位属于网络标识哪些位属于主机标识。子网划分通过扩展网络位如将255.255.255.0改为255.255.255.128将一个大型网络划分为多个子网。路由选择帮助路由器确定数据包的目标网络。常见子网掩码示例255.0.0.0/8A类地址默认掩码。255.255.0.0/16B类地址默认掩码。255.255.255.0/24C类地址默认掩码。255.255.255.128/25将一个C类网络划分为两个子网。子网掩码的计算方法确定所需子网数或主机数根据需求选择子网位数或主机位数。计算掩码子网位数从主机位借用掩码中1的总数为原网络位数加子网位数。例如将/24划分为4个子网需借用2位2²4新掩码为/26255.255.255.192。子网掩码与网络地址的关系通过将IP地址与子网掩码进行按位“与”运算得到网络地址。例如IP地址192.168.1.10子网掩码255.255.255.0网络地址192.168.1.0计算过程192.168.1.10 255.255.255.0特殊子网掩码默认网关通常使用子网内的第一个或最后一个可用IP如192.168.1.1。广播地址主机位全为1的地址如192.168.1.255。实际应用示例若需将192.168.1.0/24划分为4个子网子网掩码255.255.255.192/26子网范围192.168.1.0-192.168.1.63192.168.1.64-192.168.1.127192.168.1.128-192.168.1.191192.168.1.192-192.168.1.255注意事项子网掩码必须与IP地址类型匹配如A、B、C类。子网划分后每个子网的实际可用主机数需减去网络地址和广播地址。错误的子网掩码会导致网络通信故障。