第1章-计算机网络基础教学教材.doc

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1TCP/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、FTP、TFTP、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1TCP协议简介TCP（Transmission Control Protocol，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。2TCP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。 3TCP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。4TCP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。6TCP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（30s2min）。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1IP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。2IP数据包的格式1.5.3 IP地址及分类与管理1IP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0255。例如：192.168.168.152IP地址的编址：（1）分类的IP地址；（2）子网的划分；（3）构成超网3IP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：192.168.168.06IP地址的分类7IP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、172.16.0.0/16172.31.0.0/16、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。目前无线上网有两种方式，一种是基于IEEE 802.11协议的局域网无线上网。另一种是基于手机网络的无线上网方式，比如CDMA、GRPS和最新的3G无线上网。1.IP地址的格式是( )个用点号分隔开来的十进制数字。A、1 B、2 C、3 D、4 2.以下( )是用户仅可以在本地内部网络中使用的专用 IP 地址？A、192.168.1.1 B、20.10.1.1 C、202.113.1.1 D、203.5.1.1。 3.IP地址是一组( )比特的二进制数字组成A、8 B、16 C、32 D、64 4.在下面的IP地址中属于C类地址的是( )A、141000 B、101012 C、197234111123 D、225334556 5.一个标准的IP地址128.202.99.65所属的网络为( )A、128000 B、12820200 C、128202990D、1282029965 6.下面哪个IP地址是有效的( )A、20228013045 B、1301923345 C、19225613045 D、28019233456 7.下列4类地址格式中，标准B类地址的格式是( )A、0 网络号（ 7比特） 主机号（ 24比特） B、01 网络号（ 14比特） 主机号（ 16比特） C、 10 网络号（ 14比特） 主机号（ 16比特） D、 110 网络号（ 21比特） 主机号（ 8比特） 8.( )既标识了一个网络，又标识了该网络上的一台特定主机A、主机名 B、MAC地址 C、IP地址 D、物理地址 9. 11125117的默认子网掩码是( )A、255000 B、25525500 C、2552552550 D、11125100 10.IP地址255.255.255.255称为( )A、直接广播地址 B、受限广播地址 C、回送地址 D、简介广播地址 11.如果子网掩码是255.255.192.0，那么下列哪个主机必须通过路由器才能与主机129.23.144.16通信？( )A、129.23.191.21 B、129.23.127.222 C、129.23.130.33 D、129.23.148.127 12如果一个C类网络用掩码255.255.255.192划分子网，那么会有（ ）个可用的子网。A. 2 B. 4 C. 6 D. 813. 一个A类地址，其子网掩码是255.255.255.240，有多少位被用来划分子网？ A、 8 B、16 C、20 D、24 14. 对于一个没有经过子网划分的传统C类网络来说，允许安装多少台主机？ A、1024 B、65025 C、254 D、16 E、4815. 与10.110.12.29mask255.255.255.224属于同一网段的主机IP地址是 A、10.110.12.0 B、10.110.12.30 C、10.110.12.31 D、10.110.12.32 16. 子网掩码255.255.252.0的二进制表示为 A、 B、 C、 D、 17. . ip地址223.233.27.13是_类地址 A、a B、b C、c D、d 18. 交换机工作在OSI七层的哪一层？ A.一层 B.二层 C.三层 D.三层以上 19. 路由器工作在OSI七层的哪一层？ A.一层 B.二层 C.三层 D.三层以上 20. IP地址190.233.27.13/16所在的网段地址是 A、190.0.0.0 B、190.233.0.0 C、190.233.27.0D、190.233.27.1