第1章-计算机网络基础

第1章计算机网络基础1.1 计算机网络基本概念1.1.1 计算机网络的定义、分类与性能指标1．计算机网络的定义2．计算机网络的分类（1）根据交换功能分：电路交换网、报文交换网、分组交换网和混合交换网。

（2）根据网络覆盖地理范围的大小分为：局域网、城域网和广域网。

（3）根据网络使用者分为：公用网和专用网。

3．计算机网络的性能指标（1）带宽：在数字通信中，带宽是指发送数字信号的速率，单位为比特每秒（b/s或bps）。

（2）时延：时延是指一个报文或分组从链路的一端传送到另一端所需的时间。

由发送时延、传播时延和处理时延三部分构成。

1.1.2 网络拓扑结构在计算机网络中，常见的网络拓扑结构主要有：1．总线型结构；2．星型结构；3．环型结构；4．网状结构；5．树型结构。

1.1.3 网络通信协议1．网络通信协议的概念：为进行网络数据交换而建立的规则、标准或约定，就称为网络协议。

网络协议由语法、语义和同步三个要素组成。

2．常用的网络通信协议：在局域网中，常用的协议主要是NetBEUI和TCP/IP协议，目前最常用的是TCP/IP协议。

1.2 计算机网络体系结构对计算机网络体系结构的分层，目前有OSI参考模型和TCP/IP模型两种。

OSI属于国际标准，分层较多，实现较复杂，主要用于理论研究。

TCP/IP模型分层较少，实现较容易，成为事实上的国际标准。

1.2.1 OSI参考模型OSI参考模型将网络体系结构分为七层，由低层到高层依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

每一层均向相邻的上一层通过层间接口提供服务，上一层要在下一层所提供的服务的基础上来实现本层的功能，因此服务是垂直的，而协议是水平的，即协议是控制对等层实体之间通信的规则，因此，只有对等的层才能相互通信。

例如，一台主机的传输层只能与另一台主机的传输层进行通信会话，而不能与网络层或会话层进行通信。

1.2.2 TCP/IP模型1．TCP/IP模型体系结构：TCP/IP模型将网络体系结构分为四层，由低层到高层依次是：网络接口层、网络层、传输层和应用层。

2．各层间常用的协议（1）应用层协议：HTTP、S-HTTP、SMTP、IMAP4、POP3、TELNET、SSH、、DNS、DHCP、SNMP。

（2）传输层协议：TCP和UDP（3）网络层协议：IP/IPv6、ICMP/ICMP v6、RIP2、OSPF、IGRP、EGP。

（4）网络接口层协议：MAC、HDLC、PPP、ARP、RARP、MPLS等。

3．数据在各层间的传递过程1.3 以太网简介1．以太网标准：目前存在两个以太网协议标准，即国际标准IEEE 802.3和DIX Ethernet V2标准。

这两个标准差异很小，通常不严格区分。

目前局域网通常采用以太网协议标准，称为以太局域网。

2．以太网工作原理：以太网采用载波监听多点接入/碰撞检测协议（CSMA/CD）工作。

工作特点：一个站点不能同时发送数据和接收数据，属于半双工通信。

连接在同一条总线上的所有站点，属于同一个冲突域，站点越多，碰撞的机率就越大，通信速率和效率就会大大降低。

3．高速以太网：速率达到和超过10Mb/s的以太网，统称为高速以太网。

（1）快速以太网：速率为100Mb/s，采用星型拓扑结构，通信介质采用双绞线或光纤，协议标准为IEEE 802.3u。

在半双工通信模式下，遵循CSMA/CD协议，在全双工通信模式下，不再遵循该协议。

（2）吉比特以太网：又称为千兆以太网，协议标准为IEEE 802.3z。

向下兼容10Mb/s和100Mb/s，支持全双工和半双工通信模式。

吉比特以太网可使用双绞线或光纤，以使用光纤为主。

（3）10吉比特以太网：又称为万兆以太网，协议标准为IEEE 802.3ae。

只支持全双工通信模式，传输介质只能采用光纤，不能使用双绞线。

1.4 数据链路层与以太网帧格式1.4.1数据链路层简介数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制（MAC）子层。

LLC子层在MAC子层的基础上，向网络层提供服务。

MAC子层屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

使用LLC子层与传输媒体的种类无关，不管采用何种局域网协议，对LLC子层而言都是透明的。

数据链路层传输的数据单位为帧，使用MAC地址进行寻址。

MAC地址采用48bit 的二进制编码表示。

网卡实现了数据链路层和物理层的功能。

1.4.2以太网帧格式目前以太网有4种不同标准的帧格式，最常用的是DIX Ethernet V2标准的帧格式，如下图所示。

从中可见，以太网MAC帧的最短帧长为64字节，最大帧长为1518字节。

1.5 TCP/IP协议1.5.1TCP协议1．TCP协议简介TCP（Transmission ControlProtocol，传输控制协议）是传输层所使用的协议，是一个面向连接的可靠的协议，在利用该协议传送数据时，有一个建立连接、传送数据、释放连接的过程。

2．TCP协议的功能：TCP协议从应用层的应用进程中接收数据，并在传输层建立TCP 连接，并进行数据的可靠传输。

3．TCP报头：TCP协议会在要传送的数据的首部添加控制信息，该控制信息就是TCP 报头。

其报头结构如下图所示。

4．TCP协议的工作原理（1）TCP连接的建立过程：TCP传送数据之前应先建立TCP连接，其连接建立过程又称为TCP的三次握手。

第一次握手：发送方主机向接收方主机发起一个建立连接的请求（SYN标志位置位为1），并进入SYN_SEND状态，等待接收方主机回应。

第二次握手：接收方主机收到该请求后，若同意建立连接，则回应一个确认报文（ACK，SYN），并进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：连接请求方收到ACK确认报文后，再向接收方发送一个确认（ACK）报文，然后发送方和接收方均进入ESTABLISHED状态，完成三次握手过程，建立起TCP连接，并开始传送数据。

（2）TCP连接的关闭（3）TCP重传在TCP报文的传输过程中，如果在重传超时的时间内，仍没有收到接收方对某数据报文的确认回复，则发送方就认为该数据报文丢失，并再次重新发送该报文给接收方，这称为TCP重传。

在TCP报文的传输过程中，对每一个传送的报文，都要接收方进行收到的确认回复，因此，TCP协议是一种可靠的传输协议。

5．端口的概念：端口（port）是传输层的服务访问点，传输层使用端口与应用进程进行通信。

应用进程也使用端口与传输层进行交互。

每一个应用进程均使用一个或多个特定的端口号，来侦听客户端的服务请求，并提供相应的服务。

比如Web服务使用默认的TCP 80端口，Telnet使用TCP 23号端口等。

6．TCP协议的缺陷：TCP协议的三次握手过程存在一个缺陷，利用该缺陷，可发起SYN 泛洪（SYN Flood）攻击，并最终导致拒绝服务（Denial of Service，DOS）。

服务请求方向服务器发起建立连接的请求，在收到服务方的响应后，不回复第三次握手的ACK回应报文，这将使服务器端等待一段时间，该等待时间为SYN超时时间（30s~2min）。

由于TCP 连接已建立到中途，服务器端会为该即将完成的连接分配一定的系统资源，因此，这种处于半连接状态的TCP连接，也会消耗一定的服务器资源。

如果一个客户端或众多的客户端向服务器发起大量的半连接，则会消耗完服务器的系统资源，使服务器无法为正常的客户提供服务，从而导致拒绝服务。

对SYN泛洪攻击，可通过在路由上配置TCP拦截来预防。

7．利用TCP协议分析网络连接故障对于网络连接故障，可利用TCP建立连接的三次握手过程来进行分析。

并注意连接是双向的，报文有去就必有回，必须保证出去的报文能顺利到达目的主机，目的主机的响应报文要能回到发起访问请求的源主机。

可沿着报文出去的路径和响应报文回来的路径进行分析。

客户端访问服务器时，实际上是客户端的某一个客户端应用进程（比如IE浏览器），在访问服务器端的某个服务进程（比如Web服务进程）。

由于服务进程都是通过某一个端口来提供服务的，因此，访问某个服务进程，实际上就是访问服务器上的某一个端口，与该端口建立TCP连接。

在建立TCP连接时，客户端也会随机使用一个端口（>=1024）来与服务进程的服务端口建立TCP连接。

例1.1 网络拓扑及故障分析要求参见教材第18页。

1.5.2 IP协议1．IP协议简介：负责网络互联的网络层核心协议，是TCP/IP协议集中最主要的协议之一，具有分组与重新组装、寻址和路由的功能。

IP协议是一种无连接的传输协议，在发送数据时，将数据进行分割（分割的大小由MTU决定，以太网MTU最大值为1500字节，最小值为46字节），封装成IP数据包在网络中进行传输。

2．IP数据包的格式1.5.3 IP地址及分类与管理1．IP地址的格式在IPv4版本中，IP地址采用32位的二进制数编码表示。

为便于记忆，将每个字节分开，用点分十进制数来表达。

其地址格式为：a.b.c.da、b、c、d这4个部分均为1个字节，取值范围为0~255。

例如：192.168.168.152．IP地址的编址：（1）分类的IP地址；（2）子网的划分；（3）构成超网3．IP地址的结构4．子网掩码：用于从IP地址中确定出网络地址。

方法：将IP地址与子网掩码进行逻辑与运算，即可获得该主机所在的网络地址。

5．特殊的IP地址（1）回环地址以127开头的地址（127.b.c.d）。

常用127.0.0.1来作为本地回环地址。

（2）广播地址主机地址编码的二进制位全为1的地址即为广播地址。

例如：192.168.168.255（3）网络地址主机地址编码的二进制位全为0的地址即为网络地址。

例如：192.168.168.06．IP地址的分类7．IP地址的管理：IP地址的分配和管理由ICANN管理机构负责。

8．公网地址与私网地址：可在因特网中合法使用的IP地址称为公网地址。

私网地址只能在局域网中使用，不同的局域网可重复使用，以解决IPv4地址紧缺的矛盾。

规定的私网地址有：10.0.0.0/8、172.16.0.0/16~172.31.0.0/16、192.168.0.0/161.5.4 子网划分1．子网划分的目的：节约使用IP地址。

2．子网划分的方法1.6 MPLS VPN简介1.6.1VPN简介VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）是利用因特网，通过隧道协议仿真出的一条点对点的虚拟专线的一种数据通信技术。

利用VPN技术，借用因特网可仿真出虚拟专线，在使用效果上与真正的专线等效，且线路租用费更低。

1.6.2 MPLS VPN简介MPLS VPN是指利用MPLS协议来实现VPN的功能。

1.7 网络传输介质1.7.1有线传输介质1．同轴电缆；2．双绞线；3．光纤1.7.2无线传输介质无线传输介质主要有微波和红外线，工作频率主要为2.4GHZ和5GHZ。