21 数据网计算机网络基础文档格式.docx
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1.6.4用户数据报协议UDP23
1.6.5应用层协议23
1.7RADIUS协议原理24
1.8路由器概念与路由基本原理26
1.8.1路由器的定义26
1.8.2路由器的作用27
1.8.3路由器的工作原理28
1.8.4路由表29
1.8.5路由表的构成29
1.8.6路由的分类30
1.8.7路由的优先级33
1.9基本路由原理与协议36
1.9.1同一网络内部的通信36
1.9.2不同网段之间的通信37
1.9.3通信流程38
1.9.4IP通信流程基本概念39
1.9.5路由过程示例39
第2章以太网技术42
2.1以太网基础及协议42
2.1.1以太网起源42
2.1.2以太网发展及标准协议42
2.2以太网原理及组网45
2.2.1以太网原理45
2.2.2以太网接口技术46
2.3VLAN原理及组网47
2.3.1VLAN的概念47
2.3.2VLAN的划分方式48
2.3.3交换机间链路50
第3章DNS基本知识53
3.1DNS和域名基本概念53
3.1.1域名概述53
3.1.2DNS基本概念53
3.2DNS基本原理和组网55
3.2.1DNS运作原理55
3.2.2DNS树状架构56
第1章计算机网络基本原理
1.1计算机网络基础知识
1.1.1什么是计算机网络
网络（network）是一个复杂的人或物的互连系统。
我们周围无时无刻不存在一张网，例如电话网、电报网等；
即使我们身体内部也存在许许多多的网络系统，例如神经系统、消化系统等等。
本节我们将学习计算机网络。
在计算机网络出现的前期，计算机都是独立的设备，每台计算机独立工作，互不联系。
计算机与通信技术的结合，对计算机系统的组织方式产生了深远的影响，使计算机之间的相互访问成为可能。
不同种类的计算机通过同种类型的通信协议（protocol）相互通信，产生了计算机网络（computernetwork）。
计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机以及专门的外部设备利用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享信息资源。
（注：
我们给出一个如此广泛的定义是因为IT业迅速发展，各种网络互连终端设备层出不穷，像计算机、打印机、WAP（WirelessApplicationProtocol）手机、PDA（PersonnalDigitalAssistate）、网络电话等等各种支持网络互连的设备。
一般来说，计算机网络可以提供以下一些主要特性：
1、资源共享：
网络的出现使资源共享变得很简单，交流的双方可以跨越空间的障碍，随时随地传递信息。
2、信息传输与集中处理：
数据是通过网络传递到服务器（server）中，由服务器集中处理后再回送到终端。
3、负载均衡（loadbalancing）与分布处理（distributedprocessing）：
举个典型的例子：
一个大型ICP（Internet内容提供商）为了支持更多的用户访问他的网站，在全世界多个地方放置了相同内容的WWW（WorldWideWeb）服务器；
通过一定技术使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面，这样来实现各服务器的负荷均衡，同时用户也节省了访问时间。
4、综合信息服务：
网络的一大发展趋势是多维化，即在一套系统上提供集成的信息服务，包括来自政治、经济等各方面资源，甚至同时还提供多媒体信息，如图像、语音、动画等。
在多维化发展的趋势下，许多网络应用的新形式不断涌现，如：
电子邮件（E-mail）、视频点播（VOD，VideoOnDemand）、电子商务（E-commerce）、视频会议（Videoconference）等等。
1.1.2什么是通信协议
通信协议（protocol）是什么？
拿电报来做比较，在拍电报时，必须首先规定好报文的传输格式，多少位的码长，什么样的码字表示启动，什么样的码字又表示结束，出了错误怎么办，怎样表示发报人的名字和地址等，这种预先定好的格式及约定就是协议。
网络协议是为了使计算机网络中的不同设备能进行数据通信而预先制定一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。
网络协议是一系列规则和约定的规范性描述，定义了网络设备之间如何进行信息交换。
网络协议是计算机网络的基础。
只有遵从相应协议的网络设备之间才能够通信。
就像保障我们国家稳定健康运行的法律法规一样，如果任何人违反了法律法规的约束，必然会导致法律的制裁。
网络协议就是约束各种网络互连终端设备的法律，如果任何一台设备不支持用于网络互连的协议，它就不能与其他设备通信。
网络协议多种多样，主要有TCP/IP（TransferControlProtocol/InternetProtocol）协议、NovellIPX/SPX（InternetworkPacketeXchange/SequencedPacketeXchange）协议、IBMSNA（SyetemNetworkArchitecture）等等。
目前最为流行的是TCP/IP协议栈，它已经成为Internet的标准协议。
1.1.3计算机网络的演进
计算机网络起始于六十年代，当时网络的概念主要是基于主机（host）架构的低速串行（serial）联接，提供应用程序执行、远程打印和数据服务功能。
IBM的SNA（SystemNetworkArchitecture，系统网络架构）架构与非IBM公司的X.25公用数据网络是这种网络的典型例子。
这时候，由美国国防部资助，建立了一个名为ARPANET（即为阿帕网）的基于分组交换（packetswitching）的网络，这个阿帕网就是今天的Internet最早的雏形。
七十年代，出现了以个人电脑为主的商业计算模式。
最初，个人电脑是独立的设备，由于认识到商业计算的复杂性，要求大量终端设备的协同操作，局域网（LAN，LocalAreaNetwork）产生了。
局域网的出现，大大降低了商业用户打印机和磁盘昂贵的费用。
八十年代至九十年代，远程计算的需求不断地增加，迫使计算机界开发出多种广域网络协议（包括TCP/IP协议、IPX/SPX协议），满足不同计算方式下远程联接的需求，互联网快速发展起来，TCP/IP协议得到了广泛应用，成为互联网的事实协议。
图：
计算机网络演进过程
1.1.4网络标准化组织
在计算机网络的发展过程中有许多国际标准化组织做出了重大的贡献，他们统一了网络的标准，使各个网络产品厂家生产的产品的可以相互连通。
目前为网络的发展做出贡献的标准化组织主要有：
（1）国际标准化组织（ISO，InternationalOrgnizationforStandardization）：
该组织负责制定大型网络的标准，包括与Internet相关的标准。
ISO提出了OSI参考模型。
OSI参考模型描述了网络的工作机理，为计算机网络构建了一个易于理解的、清晰的层次模型。
（2）电子电器工程师协会（IEEE，InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）：
提供了网络硬件上的标准使各种不同网络硬件厂商生产的硬件设备相互连通。
IEEELAN标准是当今居于主导地位的LAN标准。
它主要定义了802.X协议族，其中802.3为以太网标准协议簇、802.4为令牌总线网（TokingBus）标准、802.5为令牌环网（TokingRing）标准、802.11为无线局域网（WLAN）标准。
（3）美国国家标准局（ANSI，AmericanNationalStandardsInstitute）：
ANSI是由公司、政府和其他组织成员组成的自愿组织，主要定义了光纤分布式数据接口（FDDI）的标准。
（4）电子工业协会（EIA/TIA，ElectronicIndustriesAssociation/TelecommIndustriesAssociation）：
定义了网络连接线缆的标准，如RS232、CAT5、HSSI、V.24等。
同时定义了这些线缆的布放标准如EIA/TIA568B。
（5）国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommUnion）：
定义了作为广域连接的电信网络的标准，如X.25、FrameRelay等。
（6）INTERNET架构委员会（IAB：
InternetArchitectrueBoard）：
下设工程任务委员会（IETF）、研究任务委员会（IRTF）、号码分配委员会（IANA）负责各种INTERNET标准的定义，是目前最具影响力的国际标准化组织。
。
1.2ISO/OSI网络体系结构
1.2.1OSI参考模型层次结构
（一）OSI总览
OSI参考模型依层次结构来划分：
第一层，物理层（Physicallayer）；
第二层，数据链路层（datalinklayer）；
第三层，网络层（networklayer）；
第四层，传输层（transportlayer）；
第五层，会话层（sessionlayer）；
第六层，表示层（presentationlayer）；
第七层，应用层（applicationlayer）。
OSI网络参考模型
通常，我们把OSI参考模型第一层到第三层称为底层（lowerlayer），又叫介质层（MediaLayer）。
这些层负责数据在网络中的传送，网络互连设备往往位于下三层。
底层通常以硬件和软件相结合的方式来实现。
OSI参考模型的第五层到第七层称为高层（upperlayer），又叫主机层（hostlayer）。
高层用于保障数据的正确传输，通常以软件方式来实现。
七层OSI参考模型具有以下优点：
（1）简化了相关的网络操作；
（2）提供即插即用的兼容性和不同厂商之间的标准接口；
（3）使各个厂商能够设计出互操作的网络设备，加快数据通信网络发展；
（4）防止一个区域网络的变化影响另一个区域的网络，因此，每一个区域的网络都能单独快速升级；
（5）把复杂的网络问题分解为小的简单问题，易于学习和操作。
需要注意的是，由于种种原因，现在还没有一个完全遵循OSI七层模型的网络体系，但OSI参考模型的设计蓝图为我们更好的理解网络体系，学习计算机通信网络奠定了基础。
OSI参考模型中每一层的功能：
（1）物理层：
涉及到在通信信道（channel）上传输的原始比特流，它实现传输数据所需要的机械、电气、功能特性及过程等手段。
物理层涉及电压、电缆线、数据传输速率、接口等的定义。
物理层的主要网络设备为中继器、集线器等。
（2）数据链路层：
主要任务是提供对物理层的控制，检测并纠正可能出现的错误，使之对网络层显现一条无错线路，并且进行流量调控（可选）。
流量调控可以在数据链路层实现，也可以由传输层实现。
数据链路层与物理地址、网络拓扑、线缆规划、错误校验、流量控制等有关。
数据链路层主要设备为以太网交换机。
（3）网络层：
检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，其关键问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。
网络层通过路由选择协议来计算路由。
存在于网络层的设备主要有路由器、三层交换机等。
后面您将学习到更多关于网络层的知识。
（4）传输层：
基本功能是从会话层接受数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。
传输层建立、维护虚电路，进行差错校验和流量控制。
（5）会话层：
允许不同机器上的用户建立、管理和终止应用程序间的会话关系，在协调不同应用程序之间的通信时要涉及会话层，该层使每个应用程序知道其它应用程序的状态。
同时，会话层也提供双工（duplex）协商、会话同步等等。
（6）表示层：
关注于所传输的信息的语法和意义，它把来自应用层与计算机有关的数据格式处理成与计算机无关的格式，以保障对端设备能够准确无误地理解发送端数据。
同时，表示层也负责数据加密等。
（7）应用层：
OSI参考模型最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。
应用层识别并验证目的通信方的可用性，使协同工作的应用程序之间同步。
（二）对等通信
我们可以给每一个对等层数据起一个统一的名字为------协议数据单元，即PDU（ProtocolDataUnit）。
相应地，应用层数据称为应用层协议数据单元（APDU，ApplicationProtocolDataUnit），表示层数据称为表示层协议数据单元（PPDU，PresentationProtocolDataUnit），会话层数据称为会话层协议数据单元（SPDU，SessionProtocolDataUnit）。
通常，我们把传输层数据称为段（segment），网络层数据称为数据包（packet），数据链路层为帧（frame），物理层数据称为比特流（bit）。
在OSI参考模型中，终端主机的每一层并不能直接与对端相对应层直接通信，而是通过下一层为其提供的服务来间接与对端对等层交换数据。
下一层通过服务访问点（SAP，ServiceAccessPoint）为上一层提供服务。
例如，一个终端设备的传输层和另一个终端设备的对等传输层利用数据段进行通信。
传输层的段成为网络层数据包的一部分，网络层数据包又成为数据链路层帧的一部分，最后转换成比特流传送到对端物理层，又依次到达对端数据链路层、网络层、传输层，实现了对等层之间的通信。
为了保证对等层之间能够准确无误地传递数据，对等层间应运行相同的网络协议。
例如，应用层协议E-mail应用程序不会和对端应用层Telnet应用程序通信，但可以和对端E-mail应用程序通信。
对等通信
（三）数据封装
封装（encapsulation）是指网络节点（node）将要传送的数据用特定的协议头打包，来传送数据，有时候，我们也可能在数据尾部加上报文，这时候，也称为封装。
OSI七层模型的每一层都对数据进行封装，以保证数据能够正确无误的到达目的地，被终端主机理解，执行。
数据封装
以上图为例，让我们来看一下数据从主机到服务器的发送过程。
首先，主机的应用层信息转化为能够在网络中传播的数据，能够被对端应用程序识别；
第二，数据在表示层加上表示层报头，协商数据格式，是否加密，转化成对端能够理解的数据格式；
然后，数据在会话层又加上会话层报头；
以此类推，传输层加上传输层报头，这时数据称为段（segment），网络层加上网络层报头，称为数据包（packet），数据链层加上数据链路层报头称为帧（frame）；
在物理层数据转换为比特流，传送到交换机（传统交换机只有物理层和数据链路层）物理层，在数据链路层组装为帧。
交换机查询数据链路层报文，发现下一步数据帧应该发向路由器，于是交换机在物理层以比特流形式转发帧报文，将数据发向路由器；
同理，路由器也逐层解封装：
剥去数据链路层帧头部，依据网络层数据包头信息查找到服务器，然后封装数据发向服务器。
服务器从物理层到应用层，依次解封装，剥去各层封装报头，提取出发送主机发来的数据。
完成数据的发送和接收过程。
1.2.2物理层
物理层的功能是在终端设备间传输比特流，是OSI参考模型的基础。
为了达到数据传输的目的，物理层定义了电压、接口、电缆标准、传输距离等。
目前，常用的数据信号传输介质主要有同轴电缆（coaxicalcable）、双绞线（twistedpair）、光纤（fibre）、无线电波（wirelessradio）等。
本部分重点介绍双绞线和光纤。
双绞线是一种最为常用的电缆线，由一对直径约1mm的绝缘铜线缠绕而成，这样可以有效抗干扰。
双绞线分为两类：
屏蔽双绞线（shieldedtwistedpair，STP）和未屏蔽双绞线（unshieldedtwistedpair，UTP）。
屏蔽双绞线（STP）具有很强的抗电磁干扰和无线电干扰能力。
STP易于安装，很好地隔离外部各种干扰。
但是，STP价格相对昂贵。
未屏蔽双绞线（UTP）同样易于安装，价格便宜，但是抗干扰能力相对STP较弱，相应地，传输距离较短。
光纤是另外一种网络连接介质，不受电磁信号的干扰。
光纤由玻璃纤维和屏蔽层组成，传输速率很高，传输距离很长。
但是光纤比其他网络连接电缆更贵。
光纤连接器是光的连接接口，非常光滑，不能有划痕，安装比较困难。
Xerox公司制定的以太网和IEEE802.3标准定义了以太网物理层常用的线缆标准。
其中常用的接口线缆标准有：
10Base-T、100Base-T、100Base-TX/FX、1000Base-T、1000Base-SX/LX。
局域网物理层常见的网络设备有：
中继器、集线器等。
广域网物理层协议描述了数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）和数据电路终端设备（DCE，DataCircuitEquipment）之间的接口。
DTE指位于用户网络接口用户端设备；
DCE提供到网络的物理连接口，提供了用于同步DTE和DCE设备之间数据传输的时钟信号。
总之，DTE设备接近用户侧，DCE设备接近网络侧。
常用于DTE设备的有：
终端主机、路由器；
常用于DCE设备的有：
广域网交换机、Modem、CSU/DSU（ChannelServiceUnit/DataServiceUnit）。
广域网物理层规定了以下常用接口：
（1）EIA/TIA-232，又称RS-232，是一个公共物理层标准，用来支持信号速率高达64kbps的非平衡电路。
（2）V.24标准：
由ITU-T定义的DTE和DCE设备间的接口。
电缆可以工作在同步和异步两种方式下。
异步工作方式下，封装链路层协议PPP，支持网络层协议IP和IPX，最高传输速率是115200bps。
同步方式下，可以封装X.25、帧中继、PPP、HDLC、SLIP和LAPB等链路层协议，支持IP和IPX，而最高传输速率为64000bps。
（3）V.35标准：
为描述网络接入设备和分组网间通信的同步物理层协议而制定的标准。
V.35普遍用在美国和欧洲。
V.35电缆传输（同步方式下）的公认最高速率是2048000bps（2Mbps）。
1.2.3数据链路层
（一）数据链路层概述
前面提到，OSI参考模型的每一层为上一层提供服务。
数据链路层的主要功能就是保证将源端主机网络层的数据包准确无误地传送到目的主机的网络层。
数据链路层的帧使用物理层提供的比特流传输服务来到达目的主机数据链路层。
为了保证数据传输的准确无误，数据链路层还负责网络拓扑、差错校验、流量控制等。
数据链路层分为两个子层：
逻辑链路控制子层（LLC，LogicLinkControlsublayer），介质访问控制子层（MAC，MediaAccessControlsublayer）。
逻辑链路控制子层提供了面向连接与面向无连接的网络服务环境的需要。
该层用于管理通过单一链路连接的两个系统间的通讯，它允许多个高层网络协议共享一条链路。
LLC子层位于网络层和MAC子层之间，是上层和下一层的管理层，负责流量控制、同步等。
LLC子层通过SSAP（源服务访问点，SourceServiceAccessPoint）和DSAP（目的服务访问点，DestinationServiceAccessPoint）负责底层协议与网络层协议的通信。
MAC子层负责把物理层的“0”，“1”比特流组建成帧，并且通过帧尾部的CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）子段进行错误检测。
总之，MAC子层定义了网络对共享介质的访问。
（二）MAC地址
就像每一个人都有一个名字一样，每一台网络设备都用物理地址来标识自己，这个地址就是MAC地址。
网络设备的MAC地址是全球唯一的。
MAC地址由48个二进制位组成，通常我们用十六进制数字来表示。
其中前6位十六进制数字由IEEE统一分配给设备制造商，后6位十六进制数由各个厂商自行分配。
例如，华为的网络产品的MAC地址前六位十六进制数是0x00e0fc。
网络接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard），又称网卡，有一个固定的MAC地址。
大多数网卡厂商把MAC地址烧入ROM中。
当网卡初始化时，ROM中的MAC物理地址读入RAM中。
如果把新的网卡插入计算机中，计算机的物理地址就变成了新的网卡的物理地址。
值得注意的是，如果您的计算机插了两个网卡，那么就有两个MAC地址。
所以有些网络设备可能有多个MAC地址。
MAC地址示例
1.2.4网络层
（一）网络层概述
网络层位于OSI参考模型第三层，利用下两层提供的服务来实现传输层的通信，将数据包从源网络发送到目的网络。
我们常见的位于网络层的设备有路由器和三层交换机。
网络层检查网络拓扑，以决定传输报文的最佳路由，转发数据包。
其关键问题是确定数据包从源端到目的端如何选择路由。
网络层设备通过运行路由协议（routingprotocol）来计算到目的地的最佳路由，找到数据包应该转发的下一个网络设备，然后利用网络层协议封装数据包，利用下层提供的服务把数据发送到下一个网络设备。
一般说来，网络层设备的每一个接口都有一个唯一的网络层地址，又称逻辑地址。
在Internet中，网络设备的网络层地址必须是全球唯一的。
（二）网络地址
首先让我们了解一下协议栈（protocolstack）的概念。
协议栈指在OSI参考模型的所有层里，相互协作或作为一个组来通信的相关通信协议的集合。
前面已经提到，许多厂商都提出了自己的协议栈，例如Novell的IPX/SPX协议、Apple公司的AppleTalk协议、以及著名的TCP/IP协议等。
值得注意的是，这些协议栈并没有覆盖OSI参考模型的所有层。
例如，TCP/IP协议栈没有明确的表示层和会话层，应用层协议同时承担上三层的工作。
因为存在这么多协议栈，相应地网络层协议也有很多种。
目前最为常见的网络层协议主要有TCP/IP协议栈的IP协议、NovellIPX/SPX协议栈的IPX协议。
其中IP协议的应用最为广泛，是目前的网络层协议的事实上的标准。
IPX主要应用于Novell公司的Netware操作系统上。
网络层地址存在于OSI参考模型的第三层。
不像链路层地址那样固定的是，网络层地址比较具有层次化。
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