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第一章 IP 基本原理 第一节 什么是 INTERNET? Internet 概述 Internet 网又称国际互连网,它是 目前世界上最大的信息网络,通过 INTERNET 网,我 们可以和世界上大多数国家进行交流,检索各种信息资料。我国已连通 INTERNET 网,并向 全社会开放。 INTERNET 网是由美国军用计算机网络发展起来的,1968 年美国国防部研究局主持研制 用于支持军用研究的计算机实验网络 (ARPANET)。该网络的设计思想是:要求网络能够经受 住故障而维持正常工作。为此,ARPA 使用了国际互连协议 IP 和传输控制协议 TCP 实现网络 互连,1969 年ARPANET 投入运行,标志着计算机网络的发展进入了一个崭新的纪元。INTERNET 的发展先后经历了三个阶段: 1、 1969~1984 年,为军用实验阶段。 2、 1984~1992 年,学术应用阶段。 3、 1992~1995 年,向商业应用过度阶段。 1995 年以后,INTERNET 网进入商用阶段。 INTERNET 网是一个 “网络的网络”它是以TCP/IP 协议把各个国家、各个部门、各种机 构的内部网络连接起来的数据通信网,从信息资源的观点看,INTERNET 网是一个集各个部 门、各个领域内各种信息资源为一体的信息资源网。它提供的价值远远超出了任何一个单独 网络。 INTERNET 实质是物理网络和信息资源相结合而形成的一个庞大的信息网络实体。具有 以下特点: 1.TCP/IP 协议是 INTERNET 网的基础和核心。INTERNET 网中,依靠该协议实现各种网络 的互连。 2.用户在使用 INTERNET 网时,并不需要了解网络底层的物理结构,这种透明性使得用 户在使用时十分方便。 3.由于 INTERNET 网也 “互连”了公用电话网,因此,对一般用户,只要具备一部电话 机、一台微机和一台调制解调器,就可以接入 INTERNET 网。 4.没有对 INTERNET 网上的通信进行统一管理的机构,INTERNET 网上的许多服务和功能 都是由用户来开发、经营和管理的。可以说,从经营管理的角度来讲,INTERNET 网是一个 用户的网络。 目前,连接到 INTERNET 网上的大型网络包括有 NSINET(美国宇航局 NASA 的网络)、ESNET (美国能源部的网络)、CREN (由美国BITNET 和 CSNET 合并的网络, 提供电子邮件及专题 讨论等服务)、UUNET (基于 UNIX 的 UUCP 协议)、NCSANET (美国 超级计算机网络)、USAN (美国院校卫星网)、EBONE (欧洲骨干网)、SWITH (瑞士院校 网)、SUNET (瑞士院校网)、 ILAN (以色列科技网)、AARNNT (澳大利亚科研网)等等。我国接入 INTERNET 网的骨干网是 CHINANET (中国公用计算机互连网)。 第二节 TCP/IP 网络协议 IP 协议提供一种全网间网通用的地址格式,并在统一的管理下进行地址分配,使网上 的每一台计算机或其他设备都有一个唯一的网间网地址 (即 IP 地址)与它相对应。而原来 的物理地址保持不变。这样,物理地址的差异就被 IP 地址所屏蔽。 IP 地址结构与表示 (一)IP 地址的结构 IP 地址是一种层次结构的地址,它的组成如下: 网络号+主机号 其中,网络号确定计算机所在的网络,主机号确定计算机在该网络中的所处的位置。在 INTERNET 网中,根据 TCP/IP 协议规定,每个 IP 地址是由 32bit 的二进制数组成的。主要 分为三类: 图 1-3-1 IP 地址类型 A 类地址:前 8 位代表网络。第 0 位为特征位,内容为 0,表明它是 A 类地址。A 类地 址共有 128 个,每个 A 类地址可带 16777124 个 IP 主机,所以A 类地址主要用于大型网络, 每个网络可包含大量的主机,但网络数量较少。 B 类地址:前 16 位代表网络,第 0 位和第 1 位为特征位,内容为 10,表明它是 B 类地 址;B 类地址共有 16384 个,每个 B 类地址可带 65534 个 IP 主机和网络。B 类地址主要用于 中型网络。 C 类地址:前 24 位代表网络,第 0 位、第 1 位和第 2 位为特征位,内容为 110,表明 它 是 C 类地址。C 类地址共有 2097152 个,每个 C 类地址可带 254 个 IP 主机和网络。C 类地址 主要用于小型网络。每个网络所带的主机数量较少,但可支持的网络数较多。 除了以上 A、B、C 三类地址外,网间网还有另外两类地址,D 类地址是一种组播地址, 主要是留给 Internet 体系结构委员会 IAB (Internet Architecture Board)使用。E 类地 址保留在今后使用。目前使用大量 IP 地址仅 A 至 C 类三种 ·(二)IP地址的表示 为了便于记忆和书写,IP 地址可以写成 4 个用小数点隔开的十进制整数,每个整数对 应一个字节。列如:某主机的 IP 地址为: 11001010 01100000 00011110 00000101 通常写成 202.96.30.5 A 类地址的第一位表示网络号,后三位表示网内主机号;B 类地址的前两位表示网络号, 后两位表示网内主机号;C 类地址的前三位表示网络号,最后一位表示网内主机号。如:A 类地址 10.28.1.2 表示网络号为 10,网内主机号为 28.1.2。 结合 IP 地址的特征位和 IP 地址的十进制整数表示法,我们可以很方便地区分类 IP 地址,如表所示: 表 1-1 IP 地址表示表 特征位 二进制表示 的前八位 十进制表示 的前八位 地址类别 码组范围 码组范围 0 011111111 0—127 A 类 10 10000000—101111111 128—191 B 类 110 11000000—110111111 192—223 C 类 (一)IP 地址举例 下列表格列述不同类型的 IP 地址 表 1-2 IP 地址类型实例 地址 类别 网络地址 主机地址 10.2.1.37 A 10.0.0.0 0.2.1.37 128.63.1.1 B 128.63.0.0 0.0.1.1 130.113.28.54 B 130.113.0.0 0.0.28.54 202.10.127.68 C 202.10.127.0 0.0.0.68 192.9.200.101 C 192.9.200.0 0.0.0.101 256.64.119.6 不存在 上述 IP 地址中,10.0.0.0-10.255.255.255 (A 类地址)、172.16.0.0-172.31.255.255(B 类地址)、192.168.0.0-192.168.255.255(C 类地址)不需要向网络信息中心 InterNIC 申请 即可在企业内部网中使用。 网络号 127 用于 自环接口,例如当主机不能上网时,在主机上执行 Ping 127.0.0.1, 可以检验主机的网卡是否正常。 网络地址和广播地址: 组建局域网时还要注意,IP 地址范围的两个边界地址被保留为该局域网的网络地址和 广播地址。应用程序可以使用 网络地址来表示整个本地网络。而广播地址则可用来将同样 的消 息 同时发送 给 网络 上 所 有 主机 。例 如要 使 用 的地 址 范 围为 192.168.1.0 到 192.168.1.128,则第一个 IP 地址 (192.168.1.0)被保留为网络地址,而最后一个地址 (192.168.1.128)被保留成广播地址。因此,给这个局域网上的计算机分配 IP 地址时, 只能在 192.168.1.1 到 192.168.1.127 之间选择: 子网掩码 因特网的地址分配是由专门机构进行分配的。地址分配一般以网络为单位 (一个 A 类、 B 类或 C 类网)进行分配。对于一个 A 类网或 B 类网来说,每个 IP 网络中包含了巨大的主 机地址 (A 类 1600 多万,B 类 6 万多),一旦该网络 ID 为某机构或地区所申请,其它机构就 不能使用。可以想像,没有一个机构或部门的网络主机数量会到达 1600 多万个。因此一般 来说,对于 A 类网络和 B 类网络都存在巨大的 IP 地址浪费问题。 同时,在一个 IP 网络中,主机数量过于庞大,也不利于网络的管理。 为解决此 IP 地址浪费问题以及解决管理问题,可以将标准的A 类、B 类或 C 类网络再 分成若干子网。方法是从标准的A 类、B 类或 C 类网络中的主机 ID 部分,划分出连续的若 干比特表示子网络号。 那么我们需要从主机 ID 中划分出多少比特呢?这是由具体管理网络的人员根据网络需 要进行划分的。划分方案确定后,用子网掩码来表示。如下图 3-32 所示。 标准网络ID 子网ID 主机ID 共同标识网络ID 网络ID 主机ID IP地址 (32位) 111111 …… 11111111 000 …… 000 子网掩码 (32位) 图3-32 子网掩码 子网掩码是与 IP 地址等长的。其是由二进制连续的 1 和 0 组成,子网掩码开始 是连续的 1,后面是连续的 0 结束。它与 IP 地址一起来标识网络 ID。IP 地址与子网掩码 1 对应的部分标识网络 ID,IP 地址与子网掩码 0 对应的部分标识主机 ID。 很多人肯定对设定子网掩码这个不熟悉,很头疼,那么我现在就告诉大家一个很容易算 子网掩码的方法,帮助一下喜欢偷懒的人:) 大家都应该知道 2 的 0 次方到 10 次方是多少把?也给大家说一下,分别是: 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024。 如果你希望每个子网中只有 5 个 ip 地址可以给机器用,那么你就最少需要准备给每个 子网 7 个 ip 地址,因为需要加上两头的不可用的网络和广播 ip,所以你需要选比 7 多的最 近的那位,也就是 8,就是说选每个子网 8 个 ip。好,到这一步,你就可以算掩码了,这个 方法就是:最后一位掩码就是 256 减去你每个子网所需要的 ip 地址的数量,那么这个例子 就 是 256-8 248 ,那 么 算 出这 个 ,你 就 可 以知 道 那 些 ip 是 不 能 用 的 了 , 看 : 0-7,8-15,16-23,24-31 依此类推,写在上面的 0、7、8、15、16、23、24、31 (依此类推) 都是不能用的,你应该用某两个数字之间的 IP,那个就是一个子网可用的 IP,怎么了?是 不是不相信?太简单了。。。 我再试验一下,就拿 200 台机器分成 4 个子网来做例子吧。 200 台机器,4 个子网,那么就是每个子网 50 台机器,设定为 192.168.10.0,C 类的 IP,大子网掩码应为 255.255.255.0,对巴,但是我们要分子网,所以按照上面的,我们用 32 个 IP 一个子网内不够,应该每个子网用 64 个 IP (其中 62 位可用,足够了吧),然后用 我的办法:子网掩码应该是 256-64 192,那么总的子网掩码应该为:255.255.255.192。不 相信?算算:0-63,64-127,128-191,192-255,这样你就可以把四个区域分别设定到四个 子网的机器上了,是不是很简单?不需要软件算了吧。。。呵呵。。希望大家能看懂我写的 如:255.255.255.192 254-192 64 该网最多能有 62 个主机 IP 地址管理 IP 地址在 INTERNET 网中全网有效,因此需要统一管理。INTERNET 的管理机构和管理方 式是分层的。 最高管理机构是网络信息中心 NIC,负责分配 IP 地址的网络号。目前有以下地区性 NIC: INTERNIC 负责美国和其他地区 RIPE—NCC 负责欧洲地区 APNIC 负责亚太地区 主机号则由提出申请的组织负责。 IP 地址解析 在前面的章节我们提到,IP 地址能够将不同的物理地址 “统一”起来,使网间网中 IP 层以上表现出统一的地址格式,但对于所有的物理地址,并不做任何改变。在物理网络内部, 仍然使用各自原来的物理地址。这样,在网间网中就存在着两种地址,二者之间必须要建立 一个映射关系。地址之间的映射叫做地址解析,他包括两个方面的内容:从 IP 地址到物理 地址的映射和从物理地址到 IP 地址的映射。在 TCP/IP 中,实现地址解析是靠 ARP 和 RARP 协议软件实现的。 ARP (Address Resolution Protocol),即地址解析协议,它负责从 IP 地址到物 理地址的映射;RARP (Reserve Address Resolution Protocol)即反向地址解析协议,它 负责从物理从物理地址到 IP 地址的映射。 (一)从 IP 地址到物理地址的映射 ARP 协议负责从 IP 地址到物理地址的转换。ARP 软件维护着一张 IP 地址到物理地址的 映射表,它是动态生成的。当ARP 接收到转换 IP 地址的请求时,就在表中寻求该地址,如 果找到,就将对应的物理地址返回给请求软件;否则,就向该物理网络的每一个主机广播一 个 ARP 请求报文,该报文包含着请求转换的 IP 地址,如果一个接收主机识别出该 IP 地址就 是它自己,便向请求主机回送一个 ARP 响应,回答自己的物理地址。ARP 随即将这个物理地 址存储在 自己的ARP 表中。 在 Windows 系统中可以通过执行命令 “arp –a”查看 MAC 和 IP 地址的对应关系。 (二)从物理地址到 IP 地址的映射 RARP 协议负责物理地址到 IP 地址的转换。与 ARP 软件类似,RARP 软件维护着一张物理 地址到 IP 地址的映射表。 RARP 是一个和 ARP 过程正好相反的协议,ARP 的作用是用 IP 找到 MAC 地址,RARP 则是 通过 MAC 地址获得 IP 地址。在通信中也有许多在初始化时没有 IP 地址的情况,MAC 地址则 是物理存在的,这种情况下就需要用 RARP 协议获得 IP 地址。 尽管 ARP 和 RARP 是两个相反操作的协议,但是在实现手段上却不能设计成为完全相反 的过程,在 目的上也不是完全相反的。 首先从 目的上来说,ARP 是为了找到你要通信的物理 目的地,RARP 则是为了得到 IP 地 址。其次从实现的手段来说,ARP 通过广播 MAC 帧的方式被所有主机听到,然后有一个主机 回答你;RARP 要请求得到 IP 地址却不能向所有主机发送,否则就乱套了,必须向特定的主 机进行请求,于是在 RARP 中必须有 RARP 服务器。 一句话,RARP 协议发送的请求帧/应答帧和 ARP 协议有基本相同的结构,不同的是请求 帧之中MAC 地址的目的不是广播地址而是 RARP 服务器的地址。 ICMP 协议 IP 协议在传送 IP 包时不保证不丢失,万一到达不了或者出现什么问题时,需要一个机 制告诉相应的设备。在网络层使用 ICMP (因特网控制信息协议)完成这一功能。 常用的 ICMP 询问报文 ICMP Echo 请求报文是由主机或者路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报 文的目的主机发送 ICMP Echo 回答报文。这种询问报文用来测试 目的站是否可达以及了解其 有关状态。在应用层中有一个服务叫做 PING (Packet InterNet Groper),用来测试两个主 机之间的连通性。PING 使用了 ICMP Echo 请求与 Echo 回答报文。 第二章 局域网 第一节 局域网基础 传统上把 网络按 区域大小划分为局域 网与广域 网两大类 。局域 网由 Local Area Network (LAN)翻译而来,顾名思义局域网就是局部区域的网络,一般来讲局域网的物理覆盖 范围比较小。早期的局域网主要是把一个办公室或者一个办公楼的计算机连接在一起,后来 发展到校园网,连接数十幢大楼,覆盖范围越来越大,现在又发展到城域网。城域网在主要 技术方面虽然和局域网基本相同,但是由于规模的扩大,特别是在管理和运营方式方面,城 域网与普通的局域网差别比较大,所以这里就不在说了。 常见的局域网主要有以太网,令牌环网,FDDI (光纤分布式数据接口)网络等,其中后 面两种网络正在逐步消失,尤其在中国几乎所有的局域网都是以太网。 一般认为,以太网的雏形是 1976 年由Xerox (施乐)公司的Palo Alto 研究中心开发出 来的。当时有许多类似的网络,最初的以太网速度是 1.5Mbit/s ,1980 年 2 月制定的 IEEE 802 系列标准统一了这些网络,成为 10 Mbit/s 以太网。以太网演变到今天已经成为一个丰 富的家族,分类方式和角度也有多种多样,比较实用的分类方法有下面几种: 1、按访问方式分类 可分为共享式以太网和交换式以太网,早期的以太网都是共享式的,现在许多办公室内 部仍然采用共享的设备—HUB,新建的网络一般都是交换式的。 2、按带宽分类 可分成 10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s 等,其中 100M 以太网和 1000M 以太网 是近几年发展起来的技术。 3、按传送介质分类 以太 网的传送介质有双绞线Base-T )、光纤 (100Base-FX 、 1000Base-SX、1000Base-LX)等多种类型。一般来讲,诸如 10Base-T 前面的数字代表速率, 如 10 代表 10 Mbit/s,100 代表 100 Mbit/s,1000 代表 1000 Mbit/s;以T (Twist)结尾 是双绞线,以FX 结尾的是光纤 (Fiber),以SX 结尾的是短波长光纤,以LX 结尾的长波长 光纤。 如图所示就是一个简单的局域网。 图 简单的局域网 第二节 局域网网线 (双绞线)接法 一、 标准排线法:(接从左向右的顺序) 第一根 第二根 第三根 第四根 第五根 第六根 第七根 第八根 黄白 黄 绿白 绿 蓝白 蓝 棕白 棕 二、 连接原则:同类交叉,异类平行。 (1)、计算机与计算机做交叉线)、交换机与交换机做交叉线)、交换机与计算机做平行线)、路由器与计算机做平行线。 三、连接方法: 双绞线有两种接法:EIA/TIA568B 标准和 EIA/TIA568A 标准。将水晶头的尾巴向下,从左 至右,分别定为 12 34 567 8,以下是各口线 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 (二)、T568B 线 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 一般地: 直通线 (也叫平行线B 线序标准连接。 (测试仪显示:12 34 567 8——12 34 567 8) 交叉线A 线B 线序连接。 (测试仪显示:12 34 567 8——3 6 14 52 7 8) 即有如下几种情况: (1)对等网 (两台计算机的网卡直接互连):采用交叉线接法,网线)网卡与交换机 (或 HUB):采用直通线接法,网线)交换机与交换机 (或 HUB)级联:采用交叉线接法,网线两端接法不同。 四、接线)、交叉线接法:(按标准排线 交叉,其余线 ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ (标准线 是双向线。 第三节 以太网交换机 (LAN Swith) 二层交换机和三层交换机 二层交换机 (L2 Swith)相对比较简单,它只查看 MAC 地址进行信息交换,二层交 换机维持一个 MAC 地址和端口之间对应关系的表格,这个表格通过设备之间通信的广播 方式得到,若情况发生了变化也通过广播将表格进行更新。如在办公室中,计算机的物 理位置发生改变时,二层交换机中的MAC 地址表会随之更新。 三层交换机 (L3 Swith)则要看帧中包含的网络层的信息,根据网络层的目的地址 转发数据。早期的三层交换机只是将二层交换和三层路由功能结合在一台设备上,以减 少设备数量。那时的第三层功能是基于软件的,包转发速度很慢,目前三层交换机已普 遍采用硬件来实现第三层功能。 由于用户或者网络管理员通常不能控制第二层,例如,不能方便地为特定的MAC 地址制定访问规则,因此大型网络不通采用纯二层交换机来组网。在现实组网中,通常 采用二层和三层的结合的方式,直接连接用户的设备通常采用二层交换机,上层的设备 一般采用三层交换机,这样做的主要好处是利用了二层交换机简单,成本比较低的优势, 管理规则在三层交换机上实现,这就体现了简单的接入,智能的汇聚这一网络设计思想。 第四节 VLAN 及其应用 尽管交换机把网络冲突域隔离起来,但是它们还处在一个广播域之中,这就意味着 彼此还是可见的,于是,在网络足够大,广播报文特别多的情况下很容易造成广播风暴, 这时就需要隔离广播域。若通过路由器进行隔离,则广播域的划分和路由器的物理位置 直接相关,不够灵活。 VLAN (Virtual LAN,虚拟局域网)技术解决了这个问题,它提供了不依赖于物理位置的 LAN 划分方案,并隔离广播域,通过对 VLAN 技术的引入,交换机不仅解决了效率的问题, 也解决了网络访问控制的问题,不同部门之间可根据实际需求设置 VLAN 或者采用某种规 则进行控制. 早期的VLAN 各个厂商之间是兼容的,现在 VLAN 基本上采用了 IEEE802.1Q 标准,这是一 种采用帧标记的技术,其方法是在帧头上加上 VLAN 标记,根据标记决定帧的转发等. IEEE802.1Q 的标记是在以太帧头和数据之间插入 12 比特来标示的,因此理论上在一个 网络中最多可能有 2 的 12 次方,4096 个 VLAN. 在传统的HUB 中通常比较难实现 VLAN,因为 HUB 无法进行广播域的隔离,在 Swith 和 HUB 混合的网络中,VLAN 一般划分到HUB 一级并不能到每个计算机.但现在HUB 在网络中已经 逐步被 Swith 所替代,尤其是新建设的网络,几乎全部采用 Swith,VLAN 的划分就相当灵 活了. VLAN 是通过软件进行设置的,不依赖于用户的物理位置,也不依赖用户连接在哪个具体 的Swith上.一般教科书讲述VLAN 应用时,常举的一个应用实例就是,员工办公室的位置搬动 时,不需要网络管理员调整配线架,而是只要在网管工作站上将用户 VLAN 重新设置一下即可. 采用VLAN 方式管理,对于不在同一物理位置的计算机可以组成一个VLAN 工作组,组网非常灵 活,适应性强. VLAN 技术已经成为建设较大型局域网(例如校园网)所采用的标准技术,通过 VLAN 技术 可以很方便地实现一个网络中各个工作组和成员的划分、调整和管理。

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