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第1章 网络工程基础1.1 网络工程概述网络工程概述1 1、工程的定义、工程的定义简单地讲，工程是有一个明确的目标、在指定的组织领导下，按计划进行的工作。2 2、计算机网络工程的含义、计算机网络工程的含义计算机网络工程是工程的一个子概念，它是在信息系统工程方法和完善的组织机构指导下，根据网络应用的需求，按照计算机网络系统的标准、规范和技术，详细规划设计可行方案，将计算机网络硬件设备、软件和技术系统性地集成在一起，成为满足用户需求、高效性价比的计算机网络系统的组建工作。简单地说，计算机网络工程就是组建计算机网络的工作，凡与组建计算机网络有关的事情都可以归纳在计算机网络工程中。网络工程的内容包括四个方面：1、网络规划与设计。对计划建设的网络系统的类型规模、体系结构、硬件与软件、管理与安全等方面提出一套完整的技术方案和实施方案。2、网络硬件系统建设。主要包括计算机设备、网络设备和布线系统等硬件的集成。3、网络软件系统建设。主要包括网络操作系统、工作站操作系统通信及协议软件、数据库管理系统、网络应用软件和开发工具软件等的选择与安装。4、网络安全管理建设。主要包括网络管理与安全体系以及相应软件系统的组建。网络工程的目标，就是工程的建设方和施工方，要在遵守国家相关法律、法规，遵循国家标准和国际标准的前提下，完成网络工程的规划、设计、施工和验收等工作。3、网络工程建设的主要内容与目标、网络工程建设的主要内容与目标 计算机网络工程要有一个机构来负责组织、协调、实施和管理。由于计算机网络工程的实际情况各不相同，因此具体的组织机构也不可能完全相同。对所有的网络工程进行抽象，归纳出一种通用的组织形式，简称为三方结构，分别是工程甲方、工程乙方和工程监理方。这三方的基本关系如下图所示。4、网络工程的组织机构及其职责、网络工程的组织机构及其职责工程说明工程监督工程报告工程咨询需求分析工程目标甲 方乙 方监理方工程甲方是网络工程中的用户，即网络工程的提出者和投资方。例如，某校园网建设工程中的学校就是工程甲方。甲方的人员组成主要包括行政联络人和技术联络人。行政联络人是甲方的工程负责人，一般由甲方的行政领导担任，他负责甲方的组织协调工作。技术联络人是甲方的工程技术负责人，工程中有关技术问题，乙方和监理方可以与甲方技术联络人协调。甲方的职责：甲方的职责：（1）可行性论证（2）编制标书、招投标（3）工程监督工程甲方工程甲方工程乙方工程乙方 工程乙方是计算机网络工程的承建者。例如，校园网由A公司承建，则A公司就是工程乙方。有时候，由于网络工程的量比较大，可以由多个公司各承担网络工程的建设任务。那么，此时就存在着多个乙方。乙方在承建计算机网络工程时多采用项目经理制。项目经理制的人员结构如图所示。项 目 经 理设备工程师布线系统工程师软件系统工程师布线技术工人网络程序设计人员（1）编制投标书。（2）签订工程合同。（3）进行用户需求调查。（4）进行规划设计。（5）制订实施计划。（6）产品选型。（7）系统集成。（8）合同规定的其他工作。乙方的职责乙方的职责 网络工程监理，是指为了帮助用户建设一个性能价格比最优的网络系统，在网络工程建设过程中，给用户提供前期咨询、网络方案论证、确定系统集成商、网络质量控制等服务。提供工程监理服务的机构就是监理方，工程监理方的人员组织包括总监理工程师、监理工程师、监理人员等。工程监理方的职责：工程监理方的职责：（1）帮助用户做好需求分析。（2）帮助用户选择好的系统集成商。（3）帮助用户控制工程进度。（4）帮助用户控制工程质量。（5）帮助用户作好各项测试工作。工程监理方工程监理方5、网络工程建设的过程、网络工程建设的过程下图给出了工程建设的大致过程，图中的实线表示组织方必须参与其过程，虚线表示组织方可以参与也可不参与其过程。1.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构 ISO/RM七层参考模型 TCP/IP的的4层模型层模型 TCP/IP的4层模型 TCP/IP分层协议OSI 分层应用层FTPSMTPTelnetDNSSNMP7传输层TCPUDP4网络层IP，ICMP，(RIP，OSPF)3ARP,RARP链路层EthernetToken BusToken RingFDDIWLAN1，2 产生背景：开放式系统互连参考模型是由ISO制定的一个参考模型，提供了一个参考建议；TCP/IP是产生于早期ARPA网的一组协议，但由于各厂家主动遵守而变成了一个事实上的工业标准。共同点：解决异构网络的互连问题；采用了分层结构的思想；各层次的划分和所应用的协议功能大体相同。不同点：OSI参考模型体协结构清晰，TCP/IP把功能描述与实现细节混杂起来。如想分析更普遍的网络通信问题，OSI模型能起到更好的效果。OSI详细的定义和划分了各个层次的功能，特别是区分了物理层和数据链路层；TCP/IP却只用一个网络接口层来代替。OSI提供了面向连接和面向无连接的服务，提供了较高的可靠性；TCP/IP降低了可靠性。OSI造成了协议复杂、效率低下和现实困难；TCP/IP设计目的单一协议简单而有效，可操作性强。OSI和和TCP/IP模型的比较模型的比较1.3 IP地址地址 1 1IPIP地址的组成地址的组成IP地址是与物理地址相对应的一种逻辑地址，由两个部分组成：网络标识（net id）和主机标识（host id）。网络标识用于区分不同的网络，主机标识用于在一个网络中区分主机。2 2IPIP地址的表示地址的表示IP地址有两种表示法：二进制和十进制。二进制的IP地址有32位，由4个 8位的二进制数组成，每8位之间用圆点隔开。由于二进制数不利于记忆，通常转换成十进制数表示，其取值范围为0255。二进制二进制 10100110011011110000010001010000 十进制十进制 166.111.4.80IP地址被分成了A、B、C、D、E五类。各类IP地址结构 3IP地址的分类地址的分类3IP地址的分类地址的分类类别地址范围网络数每个网络的主机数适用的网络规模A0.0.0.0127.255.255.25512816777216大型网络B128.0.0.0191.255.255.2551638465536中型网络C192.0.0.0223.255.255.2552097152256小型网络目前，一般具体的网络只分配到A类、B类、C类地址中的一种。IP地址中的D类作为多目地址（multicast address）是比广播地址稍弱的多点传送地址，用于支持多点传输技术。E类地址保留作为将来使用。IP地址的类别与规模 4TCP/IP对对IP地址的一些规定地址的一些规定网络号网络号主机号主机号源地址源地址目的地址目的地址代表的意义代表的意义00可以不可以在本网络上的本主机0主机号可以不可以在本网络上的某个主机全1全1不可以可以只在本网络上进行广播(有限广播地址)网络号全1不可以可以对在网络号的网络上所有主机进行广播(广播地址)127任何数可以可以用作本地软件环回测试用（回送地址）由以上规定可以看出，主机号全“0”全“1”的地址在TCP/IP协议中有特殊含义，一般不能用作一台主机的IP地址。另外：地址段127.0.0.0127.255.255.255，也是属于保留使用的，用于本机环路测试类IP地址。有一些IP地址保留用于一般用途，它们的使用无需得到ICANN批准。尽管这些地址可以被任何组织任意使用，但他们不允许用于Internet通信。因这些地址不会分配给某个组织，所以只能在局域网内部使用，称为私有IP地址或保留IP地址。保留地址范围见下表。起始地址结束地址10.0.0.010.255.255.255172.16.0.0172.31.255.255192.168.0.0192.168.255.2555保留地址保留地址1.子网由于Internet规模的急剧增长，促使对IP地址的需求激增。由此带来的问题是：第一，巨大的网络地址管理开销，使IP地址资源严重不足；第二，网关寻径要求急剧膨胀，“路由表”规模急速增长。其中第二点尤为突出，路由表的膨胀不仅会降低网关寻找路径的效率（甚至可能使路由表溢出，从而造成寻径故障），更重要的是将增加内外部路径刷新时的开销，从而加重网络负担。因此，迫切需要寻求新的技术，以应付网络规模增长带来的问题。对这个问题的一种解决办法是划分子网，即把一个网络再分为更小的一些网络，称为子网。子网是一个逻辑概念，子网中的各主机的网络地址部分是相同的。子网掩码子网掩码增加子网在IP编址系统中就是：从主机号部分拿出几位作为子网号。这种在原来IP地址结构的基础上增加一级地址结构的方法称为子网编址（subnet addressing）技术或子网划分。如下图所示。划分子网有如下好处：混合使用多种技术，如以太网和令牌网；克服已有技术的缺陷，如超过每网段中最大主机数目；通过对交通重定向和减少广播来减少网络阻塞；便于网络的管理，划分子网以后，每个子网看起来像一个独立的网络。2.子网编址子网编址 网络号部分 主机号部分 网络号部分 子网号 主机号 一个网络被划分成子网后就存在一个子网的识别的问题，使用子网掩码(subnet mask)可以找出IP地址中的子网部分。IP协议标准规定：每一个使用子网的节点都选择一个32位的位模式，若位模式中的某位置为1，则对应IP地址中的某位就为网络地址（包括网络部分和子网号）中的一位；若位模式中的某位置0，则对应IP地址中的某位就为主机地址中的一位。例如，位模式11111111 11111111 11111111 00000000中，前三个字节全1，代表对应IP地址中最高的三个字节为网络地址；后一个字节全0，代表对应IP地址中最后的一个字节为主机地址。这种位模式叫做子网模（subnet mask）或子网掩码。3.子网掩码子网掩码 子网掩码常常使用“点分整数表示法”来表示一个IP地址和子网掩码例如C类地址子网掩码（11111111.11111111.11111111.00000000）为：255.255.255.0。子网掩码可以获取主机IP地址的网络地址信息，用于区分通信的两台主机是否在同一子网，由此选择不同的路径。路由器就是利用此技术得到网络或子网地址信息的。若一个网络不设置子网，则按子网掩码制定规则得到的掩码称为缺省子网掩码。各类地址的缺省子网掩码表示：A 类地址255.0.0.0；B 类地址255.255.0.0；C 类地址255.255.255.0。3.子网掩码子网掩码 4 4子网掩码举例子网掩码举例 一个B类网络166.111.0.0，若在主机标识中取出5位作为子网地址位，则该子网的子网掩码为255.255.248.0。如图所示子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络号和主机号。例如：有一个C类地址为：192.9.200.15，其缺省的子网掩码为：255.255.255.0。则它的网络号和主机号可按如下步骤得到：（1）将IP地址192.9.200.15转换为二进制，11000000 00001001 11001000 00001111；（2）将子网掩码255.255.255.0转换为二进制，11111111 11111111 11111111 00000000；（3）将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出的结果即为网络部分；11000000 00001001 11001000 00001111AND 11111111 11111111 11111111 00000000 11000000 00001001 11001000 00000000结果为192.9.200.0，即网络号为192.9.200.0。5子网掩码与子网掩码与IP地址例子地址例子（4）将子网掩码取反再与IP地址逻辑与（AND）后得到的结果即为主机部分。11000000 00001001 11001000 00001111 AND 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 00001111结果为0.0.0.15，即主机号为15。利用子网掩码可以判断两台主机是否在同一子网中。若两台主机的IP地址分别与他们的子网掩码相“与”后的结果相同，则说明这两台主机在同一子网中。5子网掩码与子网掩码与IP地址例子地址例子例:C类地址202.112.58.0 中24位网络标识，8位主机标识。将主机标识中的前3位分离出来作为子网地址标识。则这个C类地址可以被分成23=8个子网，每个子网可以拥有25-2=30台主机(全0和全1 分别为子网网络地址和广播地址)。子网掩码都 是 255.255.255.224（即 11111111.11111111.11111111.11100000）。注注意意：有的教材认为子网号全为0或1的情况是无效的，这要看路由器所使用的路由选择软件是否支持子网号全为0或1的用法。如果不支持的话，那么上例中要划分4个子网的话，就要向主机号借3位作为划分子网用。6 子网的划分例子子网的划分例子 无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。它消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号。无分类的两级编址的记法是：IP地址=,。CIDR 还使用“斜线记法”，它又称为CIDR记法，即在IP地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中比特1的个数）。CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。128.14.32.0/20 表示的地址块共有212个地址（因为斜线后面的20是网络前缀的比特数，所以主机号的比特数是12）。128.14.32.0/20地 址 块 的 最 小 地 址 是 128.14.32.0，最 大 地 址 是 128.14.63.255。全0和全1的主机号地址一般不使用。7.无分类编址方法无分类编址方法CIDR网络传输介质是指从一个网络设备（如计算机）连接到另外一个网络设备传递信息的介质，是网络的基本构件。网络传输介质可分为有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质分为双绞线、同轴电缆和光纤等，无线传输介质分为红外线、无线电波和通信卫星等。1.1.双绞线双绞线(Twisted Pair)Twisted Pair)双绞线是由两根相互绝缘的铜导线按照一定的规格互相缠绕在一起，并被封装在一个绝缘外套中而形成的一种网络传输介质，是目前建立局域网最常用到的一种布线材料。线被双绞在一起的目的是：如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消。双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，简称STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，简称UTP）两种。所谓的屏蔽就是指网线内部信号线的外面包裹着一层金属网，在屏蔽层外面才是绝缘外皮，屏蔽层可以有效地隔离外界电磁信号的干扰。1.4 网络传输介质网络传输介质 同轴电缆（Coaxial Cable）是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。它是计算机网络中使用广泛的另外一种线材，它在主线外包裹绝缘材料，在绝缘材料外面又有一层网状编织的屏蔽金属网线，能很好地阻隔外界的电磁干扰，提高通讯质量。同轴电缆一般分为细缆（RG-58）和粗缆（RG-11）两种。细缆和粗缆其直径并没有严格的规定，不同的厂家生产的线缆其粗细各有区别。同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信。缺点：一是体积大，细缆的直径有3/8英寸粗，要占用电缆管道的大量空间；二是不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；三是成本高。而这些缺点正是双绞线能克服的，因此在现在的局域网环境中，基本已被基于双绞线所取代。2.同轴电缆同轴电缆 光纤（Fiber Optic Cable）也称光导纤维，以光脉冲的形式来传输信号，材质也以玻璃或有机玻璃为主。它由纤维芯、包层和保护套组成。光纤的结构和同轴电缆很类似，但没有网状屏蔽层，中心为一根由玻璃或透明塑料制成的光导纤维，周围包裹着保护材料。根据光信号发生方式的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：由激光作光源，细芯；端难接；色散小，效率高；价格昂贵；适于长距离与高速场合。传输距离长，2公里以上。多模光纤：由二极管发光，粗芯；端接容易；色散大，效率低；价格较便宜；用于短距离与低速场合，2公里以内。光纤最大的特点就是传导的是光信号，不受外界电磁信号的干扰，信号的衰减速度很慢，信号的传输距离远，并且特别适用于电磁环境恶劣的地方。但是光纤网络由于需要把光信号转变为计算机的电信号，因此在接头上更加复杂，除了具有连接光导纤维的多种类型接头外，还需要专用的光纤转发器等设备，以便把光信号转变为计算机电信号，并且把光信号继续向其他网络设备发送。3.光纤光纤 无线传输介质是利用可以穿越外太空的大气无线电波来传输信号的。可以分为红外线、无线电波和通信卫星等。红外线系统：红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。在实际应用中，红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，要求的发射功率较高。红外线对非透明物体的透过性极差，这导致传输距离受限。无线电波：采用无线电波作为无线局域网的传输介质是目前应用最多的，这主要是因为无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛。使用扩频方式通信时，特别是直接序列扩频调制方法因发射功率低于自然的背景噪声，具有很强的抗干扰抗噪声能力、抗衰落能力。这一方面使通信非常安全，基本避免了通信信号的偷听和窃取，具有很高的可用性。通信卫星：卫星通信指的是通过人造同步地球卫星作为中继站的微波通信，主要优缺点与微波通信类似。最大的优点是传输距离远，4.无线传输介质无线传输介质 网络设备是构成计算机网络的一些部件，如网卡、调制解调器、集线器、中继器、网桥、交换机、路由器和网关等。独立工作的计算机是通过网络设备访问网络上其它计算机的。1网卡 2中继器 3调制解调器 4集线器 5网桥 6交换机 7路由器 8宽带路由器 9.无线局域网络（WLAN）硬件 10.防火墙 1.5 网络中的连接设备网络中的连接设备1主干网结构技术：快速以太网技术、FDDI技术、ATM技术。2交换机技术：多层交换技术、VLAN技术3路由器技术：VPN技术、QoS技术、MPLS技术、组播技术4无线局域网技术：实现的关键技术主要有三种：红外线、跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）。5网络接入技术：X.25分组交换技术、DDN技术、帧中继技术、综合业务数字网ISDN技术、xDSL技术、HFC技术、宽带高速专线接入。6网络数据存储技术：网络附加存储(NAS)、直接网络存储(DAS)、存储区域网络(SAN)。其中SNA是早期的方案，DAS目前普遍采用，而SAN是新型的技术。7IP地址技术：VLSM技术、网络地址转换（NAT）技术、动态主机配置协议（DHCP）技术。8网络技术新发展：10G以太网标准、IPv6技术。1.6 网络工程中常用的网络技术网络工程中常用的网络技术