《网络设备管理与实训》 第1章 计算机网络基础知识

第1章 计算机网络基础知识 知识目标 能力目标 掌握计算机网络的定义、组成和分类； 掌握计算机网络体系结构； 第1章 计算机网络基础知识 知识目标 掌握计算机网络的定义、组成和分类； 掌握计算机网络体系结构； 了解在OSI参考模型各层中的网络设备和协议名称； 了解Ipv6协议的基本内容。 能力目标 掌握IP地址的划分方法及范围； 掌握掩码运算方法及其子网掩码的计算方法。

1.1 计算机网络概述 所谓计算机网络，就是把物理上分布并且自主的计算机和其他设备的集合，通过通信线路和互联设备连接起来，在功能完善的网络软件（即 通信协议、网络操作系统及信息交换方式等）的管理下，以实现资源共享为目的的系统。 1.1.1计算机网络的发展过程 1．面向终端的第一代计算机网络 2．以ARPANET与分组交换技术为重要标志的第二代计算 机网络 3．以OSI／RM模型为基础的第三代计算机网络 4．综合化和高速化的第四代计算机网络

1.1 计算机网络概述 1.1.2 计算机网络的组成 从对计算机网络的描述我们可以看出计算机网络由计算机系统（包括计算机和终端）、通信链路和连接设备以及操作系统和通信协议组成。可以从两个方面来看计算机网络的组成。 1．计算机网络包括网络硬件和网络软件两大部分 （1）网络硬件主要包括网络服务器、工作站、网卡、传输介质（双绞线、铜轴电缆、光缆等）、集线器（HUB）、集中器等。 （2）网络软件包括各个电脑和通信设备上所使用的操作系统，以及网络在通信时所采用的网络协议。 ● 操作系统：是对计算机系统中的各种软件和硬件资源进行管理，使其得到充分利用并方便用户使用的一个系统软件。操作系统是用户和计算机之间的一个接口。 ● 网络协议：是指网络中为通信而事先约定的一组通信规则。两台计算机在进行通信时，必须使用相同的通信协议。否则会因为通信协议不匹配而不能实现通信。

1.1 计算机网络概述 1.1.2 计算机网络的组成 2．计算机网络包括资源子网和通信子网两大部分 1.1 计算机网络概述 1.1.2 计算机网络的组成 2．计算机网络包括资源子网和通信子网两大部分 通常从逻辑上将网络划分为两大部分：资源子网和通信子网，也可以说计算机网络是由通信子网和资源子网组成的，如图所示。 图 资源子网与通信子网

1.1 计算机网络概述 1.1.3 计算机网络的分类 计算机网络的分类方法很多，主要的方法有三种：根据网络的覆盖范围与规模分类，根据网络所使用的数据交换方式分类，根据网络拓扑结构分类。 1．根据网络的覆盖范围进行分类 按覆盖地理范围的大小，可以把计算机网络分为广域网、城域网和局域网。 2．根据数据交换方式进行分类 我们可以把网络划分为线路交换网络（Circurt Switching）、报文交换网络（Message Switching）和分组交换网络（Packet Switching）。 3．根据网络拓扑结构分类 网络拓扑结构按形状可分为5种类型，分别是：总线型结构、星型结构、环型结构、树型结构、网状型结构。

1.1 计算机网络概述 1.1.4 计算机网络的功能与应用 1．计算机网络的功能 （1）数据通信 （2）资源共享 （3）远程传输 1.1 计算机网络概述 1.1.4 计算机网络的功能与应用 1．计算机网络的功能 （1）数据通信 （2）资源共享 （3）远程传输 （4）集中管理 （5）实现分布式处理 （6）负载平衡

1.1 计算机网络概述 1.1.4 计算机网络的功能与应用 2．计算机网络的应用 （1）网络通信 （2）信息检索 （3）电子商务 1.1 计算机网络概述 1.1.4 计算机网络的功能与应用 2．计算机网络的应用 （1）网络通信 （2）信息检索 （3）电子商务 （4）OA与CIMS

1.2 计算机网络体系结构 1.2.1 分层体系结构与网络协议 1.2 计算机网络体系结构 1.2.1 分层体系结构与网络协议 网络协议是计算机网络必不可少的,一个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合,组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是层次模型。而将计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构(Network Architecture)。当前使用最多的两个模型是开放式系统互联（Open Systems Interconnect，OSI）参考模型和TCP／IP参考模型。这些模型通过将网络分为各种功能模块，从而大大提高了网络的可理解程度。这些模块被分为层，这些层次的命令以及开放通信的概念，为TCP／IP各种组件使用得更广泛提供了场景和依据。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.1 分层体系结构与网络协议 1．分层体系结构 1.2 计算机网络体系结构 1.2.1 分层体系结构与网络协议 1．分层体系结构 计算机网络是一个复杂的系统，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。通常把计算机网络按照一定的功能与逻辑关系划分成一种层次结构。 2．网络协议 就像说话用某种语言一样，在网络上的各台计算机之间也有一种语言，这就是网络协议，不同的计算机之间必须使用相同的网络协议才能进行通信。 网络协议是计算机的网络体系结构中的关键要素之一。协议的三要素为：语法、语义、同步。 协议体系结构的思想是：用一个构造好的模块集合完成不同的通信功能。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model），简称OSI模型，是国际标准化组织（ISO）于1981年颁布的。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （1）物理层（Physical Layer） 物理层完成的主要功能： 1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （1）物理层（Physical Layer） 物理层完成的主要功能： 1）二进制在线路上的表示和传输二进制“位”信号。 2）指定传输方式的要求。 3）当建立、维护与其他设备的物理连接时，提供需要的 机械、电气、功能特性和规程特性。 （2）数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层完成的主要功能有： 1）数据链路的建立、维护与释放链路的管理工作。 2）将传输数据增加的同步信息、校验信息及地址信息封装成数据帧。 3）数据帧传输顺序的控制。 4）差错检测与控制。 5）数据流量控制。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （3）网络层（Network Layer） 网络层完成的功能如下： 1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （3）网络层（Network Layer） 网络层完成的功能如下： 1）通过路径选择将信息从最合适的路径由发送端传送到接收端。 2）防止通信子网信息流量过大造成网络阻塞。 3）网络连接的建立和管理。 （4）传输层（Transport Layer） 传输层主要完成的功能有： 1）分割和重组报文。 2）提供可靠的端到端的服务。 3）传输层的流量控制。 4）提供面向连接的和无连接数据的传输服务。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （5）会话层（Session Layer） 会话层完成的主要功能如下： 1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （5）会话层（Session Layer） 会话层完成的主要功能如下： 1）允许用户在设备之间建立、维持和终止会话。 2）管理会话。 3）使用远程地址建立连接。 （6）表示层（Presentation Layer） 表示层完成的主要功能有： 1）对数据编码格式进行转换。 2）数据压缩与恢复。 3）建立数据交换格式。 4）数据的安全与保密。 5）其他特殊服务。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （7）应用层（Application Layer） 应用层完成的主要功能如下： 1.2 计算机网络体系结构 1.2.2 OSI参考模型简述 （7）应用层（Application Layer） 应用层完成的主要功能如下： 1）作为用户应用程序与网络间的接口。 2）使用户的应用程序能够与网络进行交互式联系。 在OSI七层模型中，每一层都提供一些明确的网络功能。 若从功能角度看，下面四层主要提供通信传输功能，以节点到节点之间的通信为主；高层协议（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的处理功能为主。简而言之，低四层协议属于通信功能，高三层属于处理功能。 若从产品看，低三层协议一般由硬件完成，高层协议由软件完成。例如，网卡和网桥完成物理层和链路层的功能，路由器完成网络层的功能，而电子邮件软件完成应用层的功能。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.3 TCP/IP参考模型 除OSI模型外，用得最为广泛、最为著名的当数TCP／IP协议。TCP／IP最早是1957年由美国国防部成立的高级研究计划局ARPA（Advanced Research Project Agency）制定并加入到Internet 中。以后，TCP／IP进入商业领域，以实际应用为出发点，支持不同厂商、不同机型、不同网络的互联通信，并成为口前令人瞩目的工业标准。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.3 TCP/IP参考模型 （1）网络接口层 1.2 计算机网络体系结构 1.2.3 TCP/IP参考模型 （1）网络接口层 TCP／IP协议对这一层描述得很少，一股网络接口层提供了TCP／IP协议与各种物理网的接口，为数据报的传送和校验提供了可能。这些物理网络包括各种局域网和广域网，如Ethernet、Token Ring、X．25公共分组交换网等。网络接口层也为在其之上的网间网层提供服务。 （2）网际层（Internet Layer） IP的功能包括如下3项： 1）管理Internet中的地址。 2）路由选择功能。数据报在传输过程中要由IP通过路由选择算法，在源方与目的方之间选择一条最佳的路径。 3）数据报的分片与重组。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.3 TCP/IP参考模型 （3）传输层（Transport Layer） 1.2 计算机网络体系结构 1.2.3 TCP/IP参考模型 （3）传输层（Transport Layer） 传输层中的TCP协议提供了一种可靠传输的方法，解决了IP协议的不安全因素，为数据报正确、安全地到达目的地提供了保障。这里定义了两个端到端的协议：TCP和UDP。 （4）应用层（Application Layer） TCP／IP协议没有会话层和表示层，传输层的上面是应用层，它包含所有的高层协议。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.4 协议组件 虽然我们通常都把TCP／IP协议集标识为TCP／IP，但实质上在IP协议组件内有好几个不同的协议，如图所示，包括： ● IP：网际层协议。 ● TCP：可靠的主机到主机层协议。 ● UDP：尽力转发的主机到主机层协议。

1.2 计算机网络体系结构 1.2.5 OSI与TCP体系结构的比较 TCP／IP与OSI／RM有许多不同，主要表现在以下几个方面： 1.2 计算机网络体系结构 1.2.5 OSI与TCP体系结构的比较 TCP／IP与OSI／RM有许多不同，主要表现在以下几个方面： （1）TCP／IP虽然也分层，但其层次之间的调用关系不像OSI那样严格。在OSI参考模型中，两个N层实体之间的通信必须经过（N一1）层。但TCP／IP可以越级调用更低层提供的服务。这样做可以减少一些不必要的开销，提高数据传输的效率。 （2）TCP／IP一开始就考虑到了异种网的互联问题，并将互联网协议作为TCP／IP的重要组成部分。而ISO只考虑到用一种统一标准的公用数据网将各种不同的系统互联在一起，根本未想到异种网的存在，这是OSI／RM的一大缺点。 （3）TCP／IP一开始就向用户同时提供可靠服务和不可靠服务，而OSI在开始时只考虑到向用户提供可靠服务。相对说来，TCP／IP更侧重于考虑提高网络传输的效率，而OSI参考模型更侧重于考虑网络传输的可靠性。

1.3 数据的封装,解封与传输 1.2.5 OSI与TCP体系结构的比较 网络上所有通信都是产生于源，然后送到目的地。在网络上传输的信息称为数据或数据段分组。如果一台计算机（主机A）想给另外一台计算机（主机B）发送数据，这些数据必须首先经历一个称为封装（Encapsulation）的过程。 封装（Encapsulation）就是在网络传输之前为数据附上必要的协议信息。因此，当数据沿着OSI模型的各层向下传递时，OSI的每一层都会在向下传递之前给数据增加上数据报头（在第2层还有数据报尾）。报头和报尾包含对网络设备的接受者的控制信息，以确保数据正确传送以及接收者能够正确解释数据。例如，可以把报头看作是信封上的地址，因为信封需要地址来被邮递到所要到达的接收方。

1.3 数据的封装,解封与传输 数据封装可以通过以下5个步骤来进行解释： （1）创建数据：当用户发送E－mail消息时，消息中的字母、数字和字符被转换成可以在Internet上传输的数据。 （2）为端到端的传输将数据打包：对数据打包来实现互联网的传输。通过使用分段（Segment）传输功能确保E－mail系统两端的主机之间能可靠地通信。 （3）在报文上添加网络地址：数据放置在一个分组或数据报中，其中包含了带有源和目的逻辑地址的网络报头。这些地址有助于网络设备沿着已选定的路径发送这些分组。 （4）在数据链路报头上添加本地地址：每一个网络设备都必须将分组放入帧中。该帧使得分组可以传送到该链路上一个直接相连的网络设备上。在选定的路径上的每一个网络设备都必须把帧传递到下一台设备。 （5）为进行传输而转换为比特：当这些比特在介质上传输时，时钟同步功能使得设备可以把它们区分开来。物理互联网络上的介质可能随着使用不同的链路而有所不同。例如，E-mail消息可以起源于LAN，穿过校园网，然后到达WAN链路，直到它到达另一个远程LAN上的的地。

1.3 数据的封装,解封与传输 当远程设备顺序接收到一串比特时，远程设备的物理层把这些比特传送到数据链路层进行操作。数据链路层会执行如下工作： （1）检验该MAC目的地址是否与工作站的地址相匹配或者是否为一个以太网广播地址。如果这两种情况都没有出现，就丢弃该帧。 （2）如果数据已经出错了，那么将它丢弃，而且数据链路层可能会要求重传数据。否则，数据链路层就读取并解释数据链路报头上的控制信息。 （3）数据链路层剥离数据链路报头和报尾，然后根据数据链路报头上的控制信息把剩下的数据向上传送到网络层。 这个过程称为解封装（De-encapsulation），每一个后续层都会执行一个类似的解封装过程。

1.4 IP地址 1.4.1 IP地址介绍 在Internet网络或者局域网中，每一台计算机都必须拥有一个唯一的网络地址。这个唯一标识一台计算机的地址就是IP（Internet Protocol）地址。 1．IP地址结构（IPv4） IP地址是32位的二进制数值，用于在TCP／IP通信协议中标记每台计算机的地址。通常使用点式十进制来表示，如192．168．1．6等。 IP地址有两种表示形式：二进制和点式十进制，一个32位IP地址的二进制是由4个8位域组成。每个IP地址又可分为两部分，即网络号部分和主机号部分。网络号表示其所属的网络段编号，主机号则表示该网段中该主机的地址编号。如图表示了IP地址的结构。 网络号 主机号

1.4 IP地址 1.4.1 IP地址介绍 2．IP地址分类（IPv4） 按照网络规模的大小，IP地址可以分为A、B、C、D、E 5类，其中A、B、C类是3种主要的类型地址，D类地址是多播地址，主要是预留给Internet体系结构委员会IAB使用。E类地址用于扩展备用地址。如图所示。 0 网络号 主机号 7位 24位 A类 1 0 网络号 主机号 14位 16位 B类 1 1 0 网络号 主机号 21位 8位 C类 1 1 1 0 多播组号 28位 D类 1 1 1 1 0 （留待后用） 27位 E类

1.4 IP地址 1.4.1 IP地址介绍 2．IP地址分类（IPv4） （1）A类地址 A类地址的表示范围为：0．0．0．0～126．255．255．255，默认网络掩码为255．0．0．0。A类地址分配给规模特别大的网络使用。 （2）B类地址 B类地址的表示范围为：128．0．0．0～191．255．255．255，默认网络掩码为255．255．0．0。 （3）C类地址 C类地址的表示范围为：192．0．0．0～223．255．255．255，默认网络掩码为255．255．255．0。 （4）D类地址 D类地址的表示范围为：224．0．0．0～239．255．255．255 D类地址D称为广播地址，用于特殊协议向选定的节点发送信息。 （5）E类地址 E类地址的表示范围为：240．0．0．0～247．255．255．255 E类地址保留给将来使用。

1.4 IP地址 3．特种IP地址 （1）[网络号，< - 1 > ] （2）[网络号，< - 0 > ] 网络部分任意，主机部分全为0，这个特殊IP地址就是网络地址，用途是用来表示一个网段。例如：192．168．5．0  地址掩码为24（255．255．255．0）他就代表一个网段。 （3）[ < - 1 > ，< - 1 > ] 网络部分，主机部分全为1，例如255．255．255．255，称为有限广播地址，用途是对源站（当前）网络的所有主机广播。 （4）[< - 0 >，< - 0 > ] 网络部分和主机部分全为0，表示本网上的本主机，仅在系统启动时允许使用，并且永远不是一个有效的目的地址。（在Cisco路由器用于指定缺省路由） （5）[ 127 ，< 任意 > ] 表示回送地址，常用于本机上软件测试和本机上网络应用程序之间的通信地址。

1.4 IP地址 1.4.2 IP地址的子网划分 子网划分是通过借用IP地址的若干位主机位来充当子网地址从而将原网络划分为若干子网而实现的。划分子网时，随着子网地址借用主机位数的增多，子网的数目随之增加，而每个子网中的可用主机数逐渐减少。以C类网络为例，原有8位主机位，28即256个主机地址，默认子网掩码255．255．255．0。借用1位主机位，产生21个子网，每个子网有27个主机地址；借用2位主机位，产生22个子网，每个子网有26个主机地址……根据子网ID借用的主机位数，我们可以计算出划分的子网数、掩码、每个子网主机数， 4．保留IP地址 （1）224．0．0．1 组播地址，注意它和广播的区别。从224．0．0．0到239．255．255．255都是这样的地址。224．0．0．1特指所有主机，224．0．0．2特指所有路由器。这样的地址多用于一些特定的程序以及多媒体程序。如果你的主机开启了IRDP（internet路由发现协议，使用组播功能）功能，那么你的主机路由表中应该有这样一条路由。 （2）169．254．x．x 如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，那么当你的DHCP服务器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Windows系统会为你分配这样一个地址。如果你发现你的主机IP地址是一个诸如此类的地址，很不幸，十有八九是你的网络不能正常运行了。 （3）10．x．x．x、172．16．x．x～172．31．x．x、192．168．x．x 私有地址，这些地址被大量用于企业内部网络中。一些宽带路由器，也往往使用192．168．1．1作为缺省地址。私有网络由于不与外部互连，因而可能使用随意的IP地址。保留这样的地址供其使用是为了避免以后接入公网时引起地址混乱。使用私有地址的私有网络在接入internet时，要使用地址翻译（NAT，将私有地址翻译成公用合法地址）。在Internet上，这类地址是不能出现的。 4．保留IP地址 （1）224．0．0．1 组播地址，注意它和广播的区别。从224．0．0．0到239．255．255．255都是这样的地址。224．0．0．1特指所有主机，224．0．0．2特指所有路由器。这样的地址多用于一些特定的程序以及多媒体程序。如果你的主机开启了IRDP（internet路由发现协议，使用组播功能）功能，那么你的主机路由表中应该有这样一条路由。 （2）169．254．x．x 如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，那么当你的DHCP服务器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Windows系统会为你分配这样一个地址。如果你发现你的主机IP地址是一个诸如此类的地址，很不幸，十有八九是你的网络不能正常运行了。 （3）10．x．x．x、172．16．x．x～172．31．x．x、192．168．x．x 私有地址，这些地址被大量用于企业内部网络中。一些宽带路由器，也往往使用192．168．1．1作为缺省地址。私有网络由于不与外部互连，因而可能使用随意的IP地址。保留这样的地址供其使用是为了避免以后接入公网时引起地址混乱。使用私有地址的私有网络在接入internet时，要使用地址翻译（NAT，将私有地址翻译成公用合法地址）。在Internet上，这类地址是不能出现的。

1.4 IP地址 1.4.3 可变长度的子网掩码 1．子网掩码的意义 1.4.3 可变长度的子网掩码 1．子网掩码的意义 在使用子网地址时常会遇到下列问题，比如给子网191．10．2．0中的主机分配地址，第一个（最小）地址是191．10．2．1，但是仅仅从这个地址不能确定哪些位是网络位哪些是主机位，这个问题在介绍划分子网之前是不存在的。如果没有子网的概念，只要给出某个IP地址，就可以根据它的第一个字节的大小来确定它是哪一类的地址，从而确定网络位数和主机位数。

1.4 IP地址 1.4.3 可变长度的子网掩码 2．可变长子网掩码VLSM 1.4.3 可变长度的子网掩码 2．可变长子网掩码VLSM VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码）是一种产生不同大小子网的网络分配机制，是指对同一个主网络在不同的位置使用不同的子网掩码。VLSM将允许给点到点的链路分配子网掩码255．255．255．252，而给Ethernet网络分配255．255．255．0。VLSM技术对高效分配IP地址（较少浪费）以及减少路由表大小都起到非常重要的作用。但是需要注意的是，使用VLSM时所采用的路由协议必须能够支持它，这些路由协议包括RIP2、OSPF和BGP等。

1.4 IP地址 1.4.4 无类别域间路由 （CIDR） CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域问路由）的基本思想是取消地址的分类结构，取而代之的是允许以可变长分界的方式分配网络数。它支持路由聚合，可限制Internet主干路由器中必要路由信息的增长。“无类别”的意思是现在的选路决策是基于整个32位IP地址的掩码操作，而不管其IP地址是A类、B类或是C类，都没有什么区别。 做IP规划的时候，刻意将子网做成2n模式，目的便是为了尽量支持路由归并，以减少路由表规模，2n子网规划模式也是为了保证IP地址划分的规范性。此外，为进行选路要对多个IP地址进行归并时，这些IP地址必须具有相同的高位地址。 例：假设有一C类地址192．168．8．0～192．168．15．0，通过CIDR技术归纳后可表示为192．168．8．0／2l，这种网络也称为“超网”。另外请读者思考一下192．168．8．0～192．168．12．0几个C类网络可以归并为超网吗?如果不行，为什么?如果可以，怎么做?

1.4 IP地址 1.4.5 IPv6简述 IPv6是“互联网协议第六版”的缩写。IPv6是由Internet工程特别工作组（Internet Engineering Task Force，IETF）设计的下一代网际协议（Next Generation IP，IPng），目的是取代现有的第四版的网际协议（IPv4）。 1．IPv6的特点 ● 使用128位地址。 ● 仍然支持面向非连接的服务，但IPv6使用了一种全新的数据报格式，且允许与IPv4共存。 ● 简化了协议，加快了分组的转发。 ● 允许协议的继续演变，并允许新协议的加入。 ● 允许对网络资源的预分配，以支持实时视频等数据传输时对带宽和延时的要求。

本章小结 本章对计算机网络基础知识进行了详细的介绍，首先介绍了计算机网络的基本概念；然后介绍了计算机网络体系结构；介绍了数据封装、解封与数据传输的过程以及IP地址和子网划分；最后介绍了IPv6的一些基本概念。本章的目的是理解计算机网络的一些基础知识，为以后的学习打下基础。

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