1、计算机网络技术基础与实战网络怎样让“天涯若比邻”02章节导读 曾几何时，由于科技不发达、信息不对称、城乡差距大等等因素，相隔万里的人们大都处于“老死不相往来”的状态。而随着互联网的发展，这种状态逐渐演变为“鸡犬之声相闻”，实现了真正意义上的“天涯若比邻”。通过了解网络的“前世今生”，我们了解到网络缩短了地域之间的差异，缩短了人与人之间的距离。那么网络是如何将世界连为一体的呢？本项目我们就来学习网络体系结构、网络标准及网络设备等方面的内容。0504030201理解协议的概念以及协议分层的原理 学习目标熟悉计算机网络体系结构 掌握OSI参考模型以及TCP/IP参考模型的含义 熟悉常见的网络互联设
2、掌握PT6.0软件的使用、交换机和路由器的简单配置 任务2.1 了解网络体系结构6 2.1.1 网络协议网络体系结构是指为了实现计算机间的通信合作，把计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次实体通信的协议及相邻层之间的接口服务。简单地说，网络体系结构就是网络各层及其协议的集合。因此，要理解网络体系结构，就必须了解网络体系结构的分层设计原理和网络协议。协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、约定和标准，是计算机网络中实体之间有关通信规则的集合，也称为网络协议或通信协议。简单来说，协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“约定”。这种“约定”规定两台计算机之间必须能
3、够支持相同的协议，并遵循相同协议进行处理，才能实现相互通信。7 2.1.1 网络协议我们举一个简单的例子。有A、B、C三个人，A只会说汉语，B只会说法语，C既会说汉语又会说法语。此时，假如A与B或者A与C要聊天，他们之间应该如何沟通呢？对A与B来说，由于他们谈话各自所用语言不同，因此双方无法聊天；对A与C来说，两人可以都约定使用汉语就可以聊天了。在这一过程中，我们可以将汉语和英语当作“协议”，将聊天当作“通信”，将说话的内容当作“数据”，因此，协议如同人们平常说话所用的语言。在计算机与计算机之间通过网络进行通信时，可以认为是依据类似于人类的“语言”，实现了相互通信。8 2.1.1 网络协议协议
4、的3要素是语义、语法和时序，其中：语义规定通信双方彼此要“讲什么”，即确定协议元素的类型；语法规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式；时序又称“同步”，用于规定事件实现顺序的详细说明，即通信双方动作的时间、速度匹配和事件发生的顺序等。9 2.1.2 协议的分层为了便于理解分层设计的思想，我们以邮政系统的层次结构为例进行说明。如图2-1所示，整个通信过程主要涉及三个层次，即用户系统、邮局系统和运输部门系统。邮政系统中的各种约定都是为了将信件从写信人送到收信人而设计的，也就是说，它们是因信息的流动而产生的。这些约定可以分为两种，一种是同等机构间的约定，如用户之间的约定、邮政局之间的约定和
5、运输部门之间的约定；另一种是不同机构之间的约定，如用户与邮政局之间的约定、邮政局与运输部门之间的约定。图2-1 邮政系统的层次结构10 2.1.2 协议的分层不同计算机同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层通信规则的集合就是第N层的协议；而同一计算机不同功能层之间的通信规则称为接口(Interface)。对于不同的网络来说，它的分层数量、各层的名称和功能以及协议都各不相同。在网络中，对于第N层协议来说，它不知道上下层的内部结构，但可以独立完成某种功能，并且为上层提供服务，使用下层提供的服务。11 2.1.3 协议的分层分层的好处协议分层的好处有以下四个方面：(1)各层之间相互独立
6、。高层不需要知道底层是如何实现的，仅需知道该层通过层间的接口所提供的服务即可。(2)灵活性好。某层改变时，只要层间接口不变，则不影响上下层。(3)结构上可分割。各层都可采用最合适的技术来实现。(4)复杂性低，易于排错，具有更好的互操作性。任务2.2 熟记计算机网络标准 13 2.2.1 OSI参考模型随着信息技术的发展，不同结构的计算机网络互联已成为迫切需要解决的问题。为此，许多标准化机构积极开展了网络体系结构标准化方面的工作，其中最为著名的就是1984年国际标准化组织(International Standard Organization，ISO)提出的开放系统互连参考模型，即OSI参考模型
7、(Open System Interconnection，OSI)。该模型对通信系统进行了标准化，只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信。14 2.2.1 OSI参考模型OSI参考模型将计算机网络的通信分成了易于理解的7层，其中上3层主要与网络应用相关，负责对用户数据进行编码等操作；下4层主要是负责网络通讯，负责将用户的数据传递到目的地。如图所示，从下往上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。15 2.2.1 OSI参考模型 物理层的主要任务是实现通信双方的物理连接，以比特流(bits)的形式透明地传送数据信息
8、，并向数据链路层提供透明的传输服务(透明表示经过实际电路传送后，被传送的比特流没有发生任何变化，电路对其并没有产生任何影响)。所有的通信设备、主机等网络硬件设备都要按照物理层的标准与规则进行设计并通过物理线路互联，这些都构成了计算机网络的基础。物理层建立在传输介质的基础上，是系统和传输介质的物理接口，它是OSI模型的最低层。物理层相关连接介质包括线缆、双绞线、光纤、无线；典型设备包括中继器、集线器。物理层16 2.2.1 OSI参考模型比特流即一系列的“0”和“1”。这些比特流到底代表什么意思，物理层并不关心，只保证能传输比特即可。至于传输的内容和质量，由它的上一层负责，这也验证了OSI分层的
9、意义，每层都有每层的特定任务，每层的任务由该层的协议功能来确定。提 示17 2.2.1 OSI参考模型 数据链路层可将物理层传来的0、1信号组成数据帧的格式，在相邻网络实体之间建立、维持和释放数据链路连接，并传输数据链路服务数据单元。该层负责在传送过程中进行纠错和恢复，它将纠错码添加到即将发送的帧中，并对收到的帧进行计算和校验，不完整及有缺陷的帧在该层都将被丢弃。如果能够判断出有缺陷帧的来源，则返回一个错误帧。根据网络规模的不同，数据链路层的协议可分为两类：一类是针对广域网的数据链路层协议，如HDLC、PPP等；一类是局域网中的数据链路层协议，如MAC子层协议和LLC子层协议。数据链路层所传输
10、的数据称为“帧”，典型设备有网桥和二层交换机(“二层”就是指数据链路层)等。数据链路层18 2.2.1 OSI参考模型 网络层是OSI参考模型中最重要的一层，主要功能是完成数据包的寻址和路由选择。在数据链路层中，讨论的是“链路”之间的通信问题，即两台相邻设备之间的通信(相邻是指两设备之间没有其他中间节点)。但是在实际中，两台设备可能相隔甚远，中间可能包含很多段“链路”，网络层负责解决由多条“链路”组成的通信子网的数据传送问题。假设从节点A到节点B中间有多条链路，如AMB、ACDEB等。对于数据链路层来说，只用处理两点间的链路，因此没有路径选择的问题。而从A端到B端，实际存在多条路径，那么应该如
11、何选择路径呢？这就是网络层要解决的“寻址和路由选择”的问题。网络层19 2.2.1 OSI参考模型 网络层的功能就是要选择合适的路径转发数据包，使发送方的数据能够正确无误地按目的地址寻找到接收方的路径，并将数据包交给接收方。在网络层，数据传送的单位是包。网络层有一个最重要的协议就是著名的IP协议。IP协议把上一层传下来的数据切割封装成IP数据包，并将其送入因特网进行传输。典型设备有路由器和三层交换机等。网络层的功能20 2.2.1 OSI参考模型 传输层的功能是接收上一层发来的数据，并进行分段，建立端到端的连接，保证数据从一端正确传送到另一端。它处于七层体系的中间，向下是通信服务的最高层，向上
12、是用户功能的最底层。传输层负责提供两节点之间数据的可靠传送。当两节点的联系确定之后，传输层负责监督工作。传输层在网络层的基础上提供可靠的“面向连接”和不可靠的“面向无连接”的数据传输服务、差错控制和流量控制。在具有传输层功能的协议中，最主要的两个是TCP和UDP。传输层21 2.2.1 OSI参考模型会话层（1）建立会话（2）保持会话A、B两台网络设备之间要通信，要建立一条会话供其使用，在建立会话的过程中也会有身份验证、权限鉴定等环节 当 数 据 传 递完成后，OSI会话层不一定会立刻将两者这条通信会话断开，它会根据应用程序和应用层的设置对该会话进行维护。（3）断开会话当应用程序或应用层规定的
13、超时时间到期后，OSI会话层才会释放这条会话。或者A、B重启、关机、手动执行断开连接的操作时，OSI会话层也会将A、B之间的会话断开。22 2.2.1 OSI参考模型表示层 电脑从网卡收到一串数据时，这些数据在电脑中都是二进制的格式，我们人类是看不懂二进制的，需要表示层帮忙将这些二进制转换成我们能够识别的数据。表示层的基本功能就是对数据格式进行编译，对收到或发出的数据根据应用层的特征进行处理，如处理文字、图片、音频等，或对压缩文件进行解压缩、对加密文件进行解密等。23 2.2.1 OSI参考模型应用层应用层提供各种各样的应用层协议，这些协议嵌入在各种应用程序中，为用户与网络之间提供一个沟通的接
14、口。例如我们要看网页时，只需打开IE浏览器，输入一个网址，就可进入相应的网站。这个IE浏览器就是用户浏览网页的应用工具，是基于HTTP协议开发的，HTTP是一个应用层的协议。24 2.2.2 TCP/IP参考模型 OSI参考模型虽然是国际标准，但是它层次多，结构复杂，在实际中完全遵从OSI参考模型的协议几乎没有。目前流行的网络体系结构是TCP/IP参考模型，它已成为计算机网络体系结构事实上的标准，Internet就是基于TCP/IP参考模型建立的。TCP/IP参考模型分为应用层、传输层、网络互连层和网络接口层四个层次，如图所示。25 2.2.2 TCP/IP参考模型网络接口层 网络接口层是TC
15、P/IP模型的最低层。实际上TCP/IP参考模型没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层网络互连层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。由于这一层次未被定义，所以其具体的实现方法会随着网络类型的不同而不同。这一层的作用是负责接收从网络层传来的IP数据包并将IP数据包通过低层物理网络发送出去；或者从低层物理网络上接收物理帧，然后抽出IP数据包交给网络层。26 2.2.2 TCP/IP参考模型网络互连层 网络互连层与OSI参考模型中的网络层相当，是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时，为了尽快地发送分组，可能需要沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到
16、达的顺序和发送的顺序可能不同，这就需要上层必须对分组进行排序。网络互连层定义了分组格式和协议，即IP协议(Internet Protocol)。网络互连层除了需要完成路由的功能外，还可以完成将不同类型的网络(异构网)互连的任务。除此之外，网络互连层还需要完成拥塞控制的功能。27 2.2.2 TCP/IP参考模型传输层 传输层的作用与OSI参考模型中传输层的作用是一样的。在TCP/IP模型中，传输层的功能是在源结点和目的结点的两个进程之间提供可靠的端到端的数据传输。传输层定义了两种服务质量不同的协议。即传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)和用户数据报
17、协议(User Datagram Protocol，UDP)。28 2.2.2 TCP/IP参考模型应用层 TCP/IP模型将OSI参考模型中的会话层和表示层的功能合并到应用层实现。应用层面向不同的网络应用引入了不同的应用层协议，它主要为用户提供多种网络应用程序，如电子邮件、远程登录等。应用层包含了所有高层协议，早期的高层协议有虚拟终端协议(Telnet)、文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)、电子邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol，SMTP)。Telnet协议允许用户登录到远程机器并在其上工作；FTP协议提供了有效地将数据
18、从一台机器传送到另一台机器的机制；SMTP协议用来有效和可靠地传递邮件。随着网络的发展，应用层又加入了许多其他协议，如用于将主机名映射到它们的网络地址的域名服务(DNS)，用于搜索因特网上信息的超文本传输协议(HTTP)等。29 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较模型对比 图2-4 OSI和TCP/IP对比图1)两者层数不同 OSI参考模型有7层，而TCP/IP参考模型只有4层，但两者都有网络层、传输层和应用层。2)两者服务类型不同 OSI模型的网络层提供面向连接和无连接两种服务，而传输层只提供面向连接服务；TCP/IP模型在网络层只提供无连接服务，但在传输层却提供面向连接和
19、无连接两种服务。30 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较模型对比 图2-4 OSI和TCP/IP对比图3)概念区分不同 OSI参考模型明确区分了服务、接口和协议3个基本概念。(1)服务。每一层都为其上层提供服务。服务的概念描述了该层所做的工作，并不涉及服务的实现以及上层实体如何访问的问题。(2)接口。层间接口描述了高层实体如何访问低层实体提供的服务。接口定义了服务访问所需的参数和期望的结果。同样，接口仍然不涉及到某层实体的内部机制。(3)协议。协议是某层的内部事务。只要能够完成它必须提供的功能，对等层之间可以采用任何协议，且不影响到其他层。而TCP/IP模型并不十分清晰地区分
20、服务、接口和协议这些概念。相比TCP/IP模型，OSI模型中的协议具有更好的隐蔽性，在发生变化时也更容易被替换。31 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较模型对比 图2-4 OSI和TCP/IP对比图4)通用性不同 OSI参考模型是在其协议被开发之前设计出来的。这意味着OSI模型并不是基于某个特定的协议集而设计的，因而它更具有通用性。但另一方面，也意味着OSI模型在协议实现方面存在某些不足。TCP/IP模型正好相反。先有TCP/IP协议，而模型只是对现有协议的描述，因而协议与模型非常吻合。但是TCP/IP模型不适合其他协议栈。因此，它在描述其他非TCP/IP网络时用处不大。综上
21、所述，使用OSI参考模型可以很好地讨论计算机网络，但是OSI协议并未流行。TCP/IP模型正好相反，其模型本身实际上并不存在，只是对现存协议的一个归纳和总结，但却被广泛使用。32 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较计算机网络的通信过程 我们以发送邮件为例，分析计算机网络的通信过程。1)应用程序处理(1)A用户启动邮件应用程序，填写收件人邮箱和发送内容，点击“发送”，开始TCP/IP通信。(2)应用程序对发送的内容进行编码处理，这一过程相当于OSI的表示层功能。(3)由A用户所使用的邮件软件决定何时建立通信连接、何时发送数据的管理，这一过程相当于OSI的会话层功能。(4)发送时
22、建立连接，并通过TCP连接发送数据，其过程是首先将应用层数据发送给下一层的TCP，再做实际转发处理。33 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较计算机网络的通信过程 2)TCP模块的处理 传输层TCP负责建立连接、发送数据以及断开连接。TCP将应用层发来的数据可靠地传输至对端，需要在应用层数据前段加上TCP的首部(TCP首部包括源端口号、目标端口号、序列号、校验和)，然后才可以将附加了TCP首部的包发送给IP模块。3)IP模块的处理 IP层将上层传来的附加了TCP首部的包当做自己的数据，在该数据前段加上自己的IP首部，生成IP包；然后参考路由表决定接受此IP包的路由或主机，依次发
23、送到对应的路由器或主机网络接口的驱动程序，实现真正地发送数据；最后将MAC地址和IP地址交给以太网的驱动程序，实现数据传输。4)发送端网络接口的处理 数据链路层将上层传来的IP包附加上以太网首部(该首部包括收、发端的MAC地址以及标志以太网类型的以太网数据协议)生成以太网数据包，通过物理层传输给接收端。此外，数据链路层还要对该以太网数据包进行发送处理，生成FCS(Frame Check Sequence)校验序列，由硬件计算添加到包的后面，以判断数据包是否由于噪声而破坏。之后就可以通过物理层传输了，即包的接收处理。34 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较计算机网络的通信过程
24、5)接收端网络接口的处理 主机接收到以太网包以后，首先从包首部找到MAC地址判断是否为发给自己的包，如果不是则丢弃数据。如果是发给自己的包，就查找包首部中的类型域，确定传送过来的数据类型，传给相应的子程序进行处理(若是IP类型作为传给IP，若是ARP类型则传给ARP处理)；若没有对应的类型，则丢弃数据。6)IP模块的处理 IP模块收到包以后，如果包首部的IP地址与自己的IP地址匹配，则接收数据并查找上一层协议。如果上一层是TCP就传给TCP处理，如果是UDP则传给UDP处理。7)TCP模块的处理 TCP模块首先会计算校验和，判断数据是否被破坏；然后检查是否按照序号接收数据；最后检查端口号，确定
25、具体的应用程序。数据接收完毕后，接收端会发送一个“确认回执”给发送端。如果该信息一直未到达，那么发送端会认为接收端没有接收数据而一直反复发送。数据完整地接收以后，会传给由端口号识别的应用程序。35 2.2.3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较计算机网络的通信过程 8)应用程序的处理 接收端应用程序会直接接收发送的数据。如果接收正常，会返回“处理正常”的回执，否则会发送相应的错误信息。现在，接收端主机B就可以阅读邮件了。36 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换计算机网络的通信过程 在实际网络中，不相邻节点之间的通信只能通过中转节点的转接来实现。这些中转的节点称为交换节点，它们并不处
26、理流经的数据，只是简单地将数据从一个节点传送给另一个节点，直至到达目的地。数据交换技术就是用来解决资源子网中的节点如何通过通信子网实现数据交换问题的。通常使用的数据交换技术有电路交换、报文交换和分组交换三种。37 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换 电路交换是以电路连接为目的的交换方式。电路交换是通信网中最早出现的一种交换方式，也是应用最普遍的一种交换方式，主要应用于电话通信网中，已有100多年的历史。电路交换的基本过程可分为连接建立、通信和释放连接三个阶段。电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)；电路交换一旦建立，就
27、占用一条中继线路。即使我们不传送信息，别人也不能使用。电路交换138 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换优点：传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟。因为一旦建立物理连接，便不再需要交换开销。一旦线路建立，通信双方便独享该物理线路，不会与其他通信发生冲突。电路交换139 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换 报文交换又称存储-转发交换，报文整个地发送，一次一跳，是分组交换的前身。每一个结点都接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点；经过多次的存储-转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储-转发网络。报文交换240 2.2.4 电路交换、
28、报文交换与分组交换优点：不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文，提高了通信线路的利用率；由于采用存储-转发的传输方式，在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性。报文交换241 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换 分组交换也称为包交换,是一种较新的通信方式，从20世纪60年代后才开始逐渐被人们认可。我们所讲的TCP/IP正是采用了分组交换技术，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息(携带源、目
29、的地址和编号信息)作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组；首部指明该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地。这个过程就是分组交换。分组交换342 2.2.4 电路交换、报文交换与分组交换 在具有多个分组的报文中，分组交换中的中间交换设备在接收第二个分组之前，就可以转发已经接收到的第一个分组，即各个分组可以同时在各个结点对之间传送，减少了传输延迟，提高了网络的吞吐量。分组交换除吞吐量较高外，还提供了一定程度的差错检测和代码转换能力。因此，计算机网络常常使用分组交换技术，偶尔才使用电路交换技术，但决不会使用报文交换技术。三者的区别4任务2.3
30、 熟悉网络互联设备44 2.3.1 中继器和集线器由前面学到的知识可知，网络的互连实质上是对应各层次的互连。根据OSI参考模型的层次结构，网络互连的层次与相应的互连设备如图2-11所示。45 中继器(repeater)又称为转发器，是最简单的网络互连设备，适用于完全相同的两类网络的互连，主要功能是对数据信号进行再生和还原以及重新发送或者转发，扩大网络传输的距离。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的，它负责完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，使接收信号与原数据相同。2.3.1 计算机网络的分类1
31、）中继器46 集线器(hub)也称为集中器，它是一种特殊的多端口中继器，用于连接多个设备和网段。集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生、整形、放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。2.3.1 计算机网络的分类2）集线器47 2.3.2 网桥和二层交换机网桥11）网桥概述网桥像一个聪明的集线器。集线器是从一个网络电缆里接收信号，放大它们，将其送入下一个电缆。相比较而言，网桥将两个相似的网络连接起来，并对网络数据的流通进行管理。它工作于数据链路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。网桥可以是专门硬件设备，也可以由计算机加装的网桥软件来
32、实现，只是需要计算机上安装多个网络适配器(网卡)。48 2.3.2 计算机网络的分类图2-13所示是用一个网桥连接的两个网络，网桥的A端口连接A子网，B端口连接B子网。当有数据包进入端口A时，网桥从数据包中提取出源MAC地址和目的MAC地址，以源MAC地址更新转发表；然后根据目的MAC地址查找转发表，找到该地址所对应的端口号，进行转发。49 2.3.2 网桥和二层交换机2）网桥的功能和特点(1)网桥能将一个较大的局域网分割为多个较小的局域网，进而分隔较小局域网之间的广播通信量，有利于提高互连网络的性能与安全性。(2)网桥能将两个以上相距较远的局域网互连成一个大的逻辑局域网，使局域网上的所有用户
33、都可以访问服务器，扩大网络的范围。(3)网桥可以互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质或不同传输速率的网络，但这两个网络在数据链路层以上应采用相同或相兼容的协议。(4)网桥以“存储-转发”的方式实现互连网络之间的通信。50 2.3.2 网桥和二层交换机3）网桥的局限性(1)网桥互连的多个网络要求在数据链路层以上的各层采用相同或相兼容的协议。(2)网桥要处理接收到的数据信息，需要先存储，再查找MAC地址与端口的对应记录表，因此增加了时延及数据的传输时间，降低了网络性能。(3)网桥不能对广播分组进行过滤，因此无法避免广播风暴。(4)网桥没有路径选择能力，不能对网络进行分析并选择数据传输的最佳
34、路由。随着先进的交换技术和路由技术的发展，网桥技术已经远远地落伍了。一般来说，现在很难再见到把网桥作为独立设备的情况，而是使用二层交换机来实现网桥的功能。51 2.3.2 网桥和二层交换机二层交换机21）二层交换机概述二层交换机工作于OSI参考模型的第二层，其本质是网桥，所以又可以称为多端口网桥。但网桥一般只有两个端口，而交换机通常有多个端口，如12口、24口、48口等。52 2.3.2 计算机网络的分类交换机也有一张“MAC-端口”对应表。和网桥不一样的是，网桥的表是一对多的(一个端口号对多个MAC地址)，但交换机的表却是一对一的，根据对应关系进行数据转发，数据转发时更加高效，工作原理如图所
35、示。53 2.3.2 计算机网络的分类例如，节点A要向节点C发送数据帧，那么该帧中目的地址DA=节点C的地址(30-61-2C-61-02-16)。当节点A通过交换机传送数据帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号(端口5)，就可以为节点A到节点C建立端口1到端口5的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。54 2.3.2 网桥和二层交换机2）交换机和集线器的区别(1)工作层次不同：集线器属于OSI参考模型的物理层设备，而交换机属于数据链路层设备。(2)工作方式不同：集线器采用的是广
36、播模式。当集线器的某个端口工作时，其他所有端口都会收到信息，容易产生广播风暴。而交换机工作时，只有发出请求的端口和目的端口之间进行通信，并不会影响其他端口。这种方式隔离了冲突域，有效抑制了广播风暴的产生。(3)端口带宽使用方式不同：集线器的所有端口共享带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据；而交换机的每个端口独享自己的固定带宽，既可以工作在半双工模式下，也可以工作在全双工模式下。55 2.3.3 路由器和三层交换机路由器1路由器工作在OSI体系结构中的网络层，能够根据一定的路由选择算法，结合数据包中的目的IP地址，确定传输数据的最佳路径。路由器同样有一张地址与端口的对应表，但与网桥和交换机的不
37、同之处在于，网桥和交换机利用MAC地址来确定数据的转发端口，而路由器利用网络层中的IP地址来作出相应的决定。由于路由选择算法比较复杂，路由器的数据转发速度比网桥和交换机慢，主要用于广域网之间或广域网与局域网的互连。56 2.3.3 路由器和三层交换机路由器1路由器的主要功能：(1)路由选择。路由是指路由器接收到数据时，选择最佳路径将数据穿过网络传递到目标地址的行为。路由器为经过它的每个分组都进行路由选择，寻找一条最佳的传输路径将其传递到目的地址。(2)连接网络。路由器既可以将不同类型的网络连接起来，又可以将局域网连接到Internet。(3)划分子网。路由器可以从逻辑上把网络划分成多个子网段，
38、对数据转发实施控制。(4)隔离广播。当大量的广播帧同时在网络中传播时，就会发生数据包的碰撞而导致发送失败。网络为了改善这种情况就会重传很多数据包，导致更大量的广播流，进而使网络可用带宽减少，并最终使网络失去连接而瘫痪。这一现象称为广播风暴。路由器可以自动过滤网络广播，避免“广播风暴”。57 2.3.3 路由器和三层交换机三层交换机2 三层交换技术也称为IP交换技术或高速路由技术。三层交换技术是相对于传统的二层交换概念而提出的。简单地说，三层交换技术等于在二层交换技术的基础上增加了三层转发技术。这是一种利用第三层协议中的信息来加强二层交换功能的机制。三层交换机实质上就是将二层交换机与路由器结合起
39、来的网络设备，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在二层交换机上。58 2.3.3 路由器和三层交换机三层交换机2 三层交换机既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能，其工作过程如图所示。59 2.3.3 路由器和三层交换机三层交换机2(1)当某个信息源的第一个数据包进入三层交换机时，三层交换机需要分析、判断该数据包中目的IP地址与源IP地址是否在同一网段内。(2)如果目的IP地址与源IP地址在同一网段，三层交换机会通过二层交换模式直接对数据包进行转发。(3)如果目的IP地址与源IP地址分属不同网段，三层交换机会将数据包交给三层路由模块进行路由。三层路由模块在收
40、到数据包后，首先要在内部路由表中查看该数据包目的MAC地址与目的IP地址间是否存在对应关系，如果有，则将其转回二层交换模块进行转发。(4)如果两者没有对应关系，三层路由模块会在对数据包进行路由处理后，将该数据包的MAC地址与IP地址映射记录添加至内部路由表中，然后将数据包转回二层交换模块进行转发。60 2.3.3 路由器和三层交换机路由器的主要功能是路由功能，它的优势在于选择最佳路由、负荷分担、链路备份及与其他网络进行路由信息的交换等。其他功能只是其附加功能，其目的是使设备适用面更广、实用性更强。三层交换机虽然同时具备了数据交换和路由转发两种功能，但它的主要功能仍是数据交换。在数据交换方面，三
41、层交换机的性能要远优于路由器，但三层交换机接口非常简单，只能支持单一的网络协议，一般适用于数据交换频繁的相同协议局域网的互连。而路由器的接口类型非常丰富，它的路由功能更多地体现在不同类型网络之间的互连上，如局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等。在实际应用中的典型做法是：同一个局域网中各个子网的互联以及VLAN间的路由使用三层交换机；而局域网与公网之间的互联则使用专业路由器。61 2.3.4 网关网关(gateway)又称网间连接器、协议转换器，是用于将两个或多个在OSI参考模型的传输层以上层次使用不同协议的网络连接在一起，并在多个网络间提供数据转换服务的软件和硬件一体化设备。在
42、使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。62 2.3.4 网关假设一套房子内部有三个房间、一个大门，房子可以比喻成电脑所在的局域网，三个房间可以比喻成你所在局域网中的三台电脑，房子的大门可以比喻成网关。当你从房子内的一个房间进入另一个房间的时候，并不需要经过房子的大门。在局域网中也是一样，处于同一局域网中的计算机进行通信的时候并不需要用到网关。当你需要到邻居家去玩的时候需要从大门出去，相应地，不同局域网进行通信时，数据包必须要通过网关才可以到达。因此我们在通过路由器上网的时候，必须要把计算机中的默认网关设置成路由器LAN接口的地址，因为路由器的
43、LAN接口就是你所在网络的网关，电脑要上网必须经过网关。目前家用路由器一般使用192.168.1.1和192.168.0.1作为LAN接口的地址。任务2.4 任务挑战64 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0软件 Cisco Packet Tracer 6.0的安装 1(1)下载Cisco Packet Tracer 6.0安装包。双击Cisco Packet Tracer 6.0.exe文件，如图2-19所示。图2-19 PT6.0安装包(2)单击“Next”，如图2-20所示。图2-20 安装过程65 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0
44、软件 Cisco Packet Tracer 6.0的安装 1(3)单击“I accept the agreement”，接受协议约定，然后单击“Next”进入下一步，如图2-21所示。图2-21 协议许可66 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0软件 Cisco Packet Tracer 6.0的安装 1(4)安装地址选择C盘，然后单击“Next”，如图2-22所示。默认软件名字为“Cisco Packet Tracer”，单击“Next”进入下一步，如图2-23所示。图2-22 路径选择 图2-23 设置名称67 2.4.1 使用Cisco Packet Tra
45、cer 6.0软件 Cisco Packet Tracer 6.0的安装 1 (5)在“Create a desktop icon”上打“”，再单击“Next”进入下一步，如图2-24所示。图2-24 设置桌面图标68 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0软件 Cisco Packet Tracer 6.0的安装 1 (6)单击“Install”开始安装，如图2-25所示。(7)单击“Finish”完成软件安装，如图2-26所示。图2-25 软件安装 图2-26 安装完成69 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0软件 汉化Cisco Pack
46、et Tracer 6.0 2图2-28 汉化包 (1)把压缩包里的汉化文件Chinese.ptl文件复制到安装路径下的languages目录下面，如图2-28所示。70 2.4.1 使用Cisco Packet Tracer 6.0软件 汉化Cisco Packet Tracer 6.0 2 (2)启动PT，打开Options选项，选择第一项Preferences，如图2-29所示。在Interface选项卡中的“Select Language”下选择“Chinese.ptl”，然后单击右下角的“Change language”。图2-29 汉化选项71 2.4.1 使用Cisco Pack
47、et Tracer 6.0软件 汉化Cisco Packet Tracer 6.0 2 (3)选择改变语言，如图2-30所示。图2-30 选择语言(4)关闭软件再重新启动，即可完成软件的汉化。72 2.4.2 交换机的基本配置 1)普通用户模式开机后首先进入普通用户模式。在该模式下只能查询交换机的版本号等基础信息，不能对交换机进行配置。默认的交换机提示符为switch。2)特权用户模式在用户模式下输入“enable”命令，即可进入特权用户模式。如果交换机配置了密码，则需要输入密码。在该模式下可以查看交换机的配置信息和调试信息等状态，绝大多数命令用于测试网络、检查系统等。默认的特权模式提示符为s
48、witch#。3)全局配置模式在特权用户模式下输入“configure terminal”命令，即可进入全局配置模式，默认的提示符为switch(config)#。在该模式下主要完成全局性参数的配置。交换机常见的工作模式173 2.4.2 交换机的基本配置4)接口配置模式在全局配置模式下输入“interface interface-list”，即可进入接口配置模式，默认的提示符为switch(config-if)#。在该模式下主要完成接口参数的配置。5)线路配置模式从console口和VTY接入交换机进行配置用户认证密码等，都是在相应的接入线路上配置的，设置也只对具体的线路有效。此模式提示符为
49、“switch(config-line)”。输入“password、login”命令配置线路端口，输入“exit”退回全局配置模式，输入“end”或“Ctrl+z”退回特权用户模式。6)VLAN配置模式在特权配置模式下输入“vlan database”命令，即可进入VLAN配置模式，默认的提示符为switch(vlan)#。在该模式下可以完成VLAN的一些相关配置。交换机常见的工作模式174 2.4.2 交换机的基本配置知识库命令行配置中的命令较长且比较多，有时可能很难记忆，交换机提供了帮助功能。如在任何模式下均可以使用“？”查询可以使用的命令，也可以查询某参数后面可以输入的参数，或者查询以某
50、字母开始的命令。除此之外，很多命令支持缩写，即可以不必输入完整的命令和关键字，只要输入的命令所包含的字符长到足以与其他命令区别就足够了，例如可将“configure terminal”命令缩写为“conf t”，然后按enter键执行即可。75 2.4.2 交换机的基本配置交换机的简单配置21）任务目的(1)掌握交换机的基本信息。(2)掌握交换机的基本配置与管理。(3)掌握telnet远程登录的设置方法。2）实验拓扑选择一台2960交换机以及一台PC设备，用直通线将其连接，如图2-32所示。图2-32 实验拓扑图76 2.4.2 交换机的基本配置交换机的简单配置23）实验步骤 进入特权模式，语
