第 2 章网络工程理论与技术

网络工程设计与应用

第 2 章网络工程理论与技术

清华大学出版社 ISBN 978-7-302-26755-3


2.1 计算机网络协议层次和位置• 2.1.1 理论技术基础在网络设计中的作用• 2.1.2 计算机网络体系结构与协议层次• 2.1.3 计算机网络协议及协议要素• 2.1.4 计算机网络协议的格式 PDU


2.1.1 理论技术基础在网络设计中的作用• 网络工程设计和实践是离不开理论指导的• 结合身边的网络应用，来感受网络设计的基本特点。 • 构成计算机网络的所有网络实体均可以被抽象为两种基本构件：

– 称为链路的物理介质和称为节点的计算机设备。


网络分类的依据及网络名称


2.1.2 计算机网络体系结构与协议层次• 当代计算机网络体系结构按 5 个层次组织和描述。• 自顶向下依次为应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。• 对应每层的网络协议数据单元（ PDU ）依次为报文、报文段、分组、帧和位流。• 局域网的体系结构仅涉及到数据链路层和物理层。


2.1.3 计算机网络协议（ PDU ）的格式• PDU 是用二进制语言表示、可以被通信双方彼此理解、有结构的、由二进制数据 0 或 1 组成的数据块。


2.1.4 计算机网络协议及协议要素• 1 、语法，即信息格式，协议数据单元 (PDU)的结构或格式，包括哪些字段，字段的作用；• 2 、语义，某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的含义；• 3 、同步，也称为时序，为完成一次通信所需要的不同 PDU 之间有操作顺序规程。


2.2 TCP/IP 协议参考模型• 2.2.1 TCP/IP 协议的两个要点• 2.2.2 TCP/IP 协议结构• 2.2.3 网络协议的捆绑


2.2.1 TCP/IP 协议的两个要点• 1 、网络的通信要分层次，每个层次只实现一种特定的功能。 • 2 、每层之间用“信封”方式把上一层的内容封起来，再加上一些本层的信息，叫做协议包头

– 也称为协议首部，用来告诉网络和目的地的计算机如何处理这个协议包。


2.2.2 TCP/IP 协议结构• TCP/IP 协议结构包含 4 个层次，自顶向下依次为：应用层 (Application Layer) ； TCP 层 (Transport Layer) ，也称为运输层； IP 层 (Internet Layer) ，也称为互连网层；网络接口层 (Network Interface Layer ， NIL) 。


2.2.3 网络协议的捆绑• 物理层与数据链路层，进行网络配置时由网络适配器（网卡）描述。通过网络适配器支持低二层的功能。 • 网络协议层次中的应用层、 TCP 层、 IP 层协议包含在操作系统中。


网络协议的安装、设置步骤 • 1 、在主机扩展槽中安装网卡• 2 、安装网卡驱动程序；• 3 、指定（安装） TCP/IP 协议；• 4 、绑定网络协议（第一层到第五层）；• 5 、用网络命令 Ping 测试协议安装和配置是否成功。例如，通过 ping 127.0.0.1 ，可以测试本网络节点网络协议栈安装是否正确。


2.3 计算机网络中的地址 • 2.3.1 网络地址概述• 2.3.2 网络地址的使用• 2.3.3 网络地址之间的转换


2.3.1 网络地址概述• 计算机网络中的地址与网络协议层次对应• 在具体应用时，这些网络地址分别包含在对应层次的计算机网络协议中• 是网络协议数据单元（ PDU ）中地址字段的内容• 计算机网络中有 4 种地址

– 域名地址、端口地址、 IP 地址、 MAC 地址


网络中地址与层次的对应• 在网络体系结构中的第 2 层及以下层对应的地址为物理地址，第 3 层及以上层对应的地址为逻辑地址。


2.3.2 网络地址的使用• 访问网络中的节点（计算机网络设备）时，网络寻址最终要通过执行物理地址，才能找到网络中一个节点的物理位置。

– 物理地址（网卡地址）通常固化在网卡的芯片上 – IP 地址用来实现不同计算机设备和网络的互连 – 端口地址（端口号）用来标识不同的应用进程 – 域名地址与 IP 地址相联系，用来标识网络中的一个计算机设备和网络资源的连接位置


2.3.3 网络地址之间的转换• 网络中寻址时需进行地址转换（映射），需要用到地址转换协议，地址转换协议也称为地址解析协议。

– 域名解析协议 – 地址解析协议 (ARP) – IP 地址与端口地址构成套接字 (Socket) ，用于标识不同的应用服务进程


2.4 IP 地址划分技术• 2.4.1 IP 地址概述• 2.4.2 有类 IP 地址• 2.4.3 特殊 IP 地址• 2.4.4 专用 IP 地址及用途• 2.4.5 IP 层转发分组的过程• 2.4.6 子网划分技术• 2.4.7 划分子网的例子• 2.4.8 无分类编址和变长子网掩码（ VLSM ）• 2.4.9 路由汇聚技术• 2.4.10 最长前缀匹配


2.4.1 IP 地址概述• IP 地址是一个逻辑地址，也称为协议地址， IP 地址标识的是网络中的一个网络连接，之所以称为 IP 地址，是沿用习惯的叫法。

– 一个 IP 地址包括网络标识（网络号）和主机标识（主机号）– IP 地址的编址技术的发展经历了 3 个阶段


2.4.2 有类 IP 地址• 有类 IP 地址是将 IP 地址划分为若干个固定类。 IP 地址分为 A 、

B 、 C 、 D 、 E共五类，最常用的是 A 、 B 、 C三类。


2.4.3 特殊 IP 地址• IP 协议规定全 0 和全 1 的值不能用作普通的网络地址或主机地址。 127.X.Y.Z 的地址为保留地址，作回路测试用。


2.4.4专用 IP 地址及用途 • （ ICANN ）规定了在 Intranet 内可以使用的

IP 地址的三个地址范围，称为专用 IP 地址 • Intranet专用 IP 地址的三个地址范围是：

– A 类地址范围 10.0.0.0—10.255.255.255 ，一个A 类地址 10 ；

– B 类地址范围 172.16.0.0—172.31.255.255 ， 16个 B 类地址 172.16—172.31 ；– C 类地址范围 192.168.0.0—192.168.255.255 ，

256 个 C 类地址 192.168.0—192.168.255 。


2.4.5 IP 层转发分组的过程• 路由器依据路由表中表项的内容确定 IP 分组的转发，表项的内容主要有两项：目的网络地址；下一跳地址。


2.4.6子网划分技术• 子网划分是将一个网络分成多个部分。 • IETF 在 IP 地址中增加了一个“子网号字段”，将两级 IP 地址扩展成三级 IP 地址。 • 从其它外部网络发送给本单位某个主机的 IP分组

–还是依据目的 IP 地址的网络号先找到连接在本单位网络上的路由器– 此路由器再依据网络号、子网号找到目的子网


2.4.7划分子网的例子• 有一个单位分配一个 C 类 IP 地址 202.10.23.0 ，需要为该单位的 6 个部门划分子网，每个部门的主机数为 30台。


2.4.8 无分类编址和变长子网掩码• CIDR 是在变长子网掩码 (Variable Length Subn

et Mask ,VLSM) 的基础上发展起来的


常用的 CIDR 地址块


2.4.9 路由汇聚技术• 使得路由表中的一个表项可以表示很多个分类 IP地址的路由，这种地址的聚合称为路由汇聚• 路由汇聚也称为构成超网

– 构成超网时子网掩码的位数在减少– 而在创建子网时，子网掩码的位数在增加。


2.4.10 最长前缀匹配• 应当从多个匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，这称为最长前缀匹配，这是因为网络前缀越长，其地址块就越小，路由的目的地就越接近。• D 和 11111111 11111111 11111100 00000000

“ 与”运算，结果为 202.0.68.0/22• D 和 11111111 11111111 11111111 10000000

“ 与”运算，结果为 202.0.71.128/25– 根据最长前缀匹配规则，应选择的表项是 202.0.

71.128/25 。


2.5 网络互连技术• 2.5.1 网络互连概述• 2.5.2 网络互连设备


2.5.1 网络互连概述• 网络互连是通过采用互连协议和互连设备，把不同网络连接起来 • 不同的互连类型需要用到不同的互连设备，不同是互连设备与不同的网络协议层次对应• 网络互连的类型有：

– LAN—LAN （同种与异种）；– LAN—WAN ；– WAN—WAN （同种与异种）；– LAN—WAN—LAN ；– LAN— 大型计算机。


网络互连的类型


网络互连层次模型 • 网络互连时需要遵循的规则

– 要求进行互连的两个网络的第 N+1 层及以上层的网络协议必须相同– N 层及以下层两个网络的网络协议可以不同


2.5.2 网络互连设备• 有 4 种互连设备，分别对应不同的网络协议层次，自顶向下依次为：协议转换器 (gateway) 、路由器 (router) 、桥接器 (bridge) 、中继器 (repeater) 。• 网络互连设备之间的关系为包含关系。


2.6 以太网技术• 2.6.1 以太网技术概述• 2.6.2 以太网的帧格式• 2.6.3 快速、千兆和万兆以太网技术


2.6.1 以太网技术概述• 以太网 (Ethernet) 由施乐 (Xerox)公司的帕洛阿尔托研究中心 (PARC)于 1975年研制成功。 • 在以太网协议基础上， IEEE 802委员会于 19

83年制订出 IEEE 802.3 LAN 标准。• 以太网技术一直随着计算机网络技术在发展，速率不断提高：

– 1990年 10兆， 1995年百兆， 1998年千兆， 2002年万兆， 2006年十万兆


以太网技术的主要特征


IEEE 802.3 系列组网技术标准


2.6.2 以太网的帧格式• 以太网的 MAC 帧格式有两个技术标准，两种标准分别为

DIX Ethernet V2 和 IEEE 802.3 ，两者之间的差别仅在第 3 个字段上。 • 以太网帧的首部与尾部长度之和（所有控制协议字段的长度之和）为 18 字节。


2.6.3 快速、千兆和万兆以太网技术• 1995年给出两种不兼容的快速以太网技术标准：

100Base-T 的 802.3u 标准； 100VG-AnyLAN的 802.12 标准 • 依据是在数据传输率提高后要保证参数 α 不变，或保持为较小的数值，公式为：

α＝ τ／ T＝ τ／ (L/C) ＝ (τC)/L


千兆位以太网 • 千兆位以太网的技术标准由 IEEE 802.3 和 IEEE 802.

3ab 工作组制定 • 千兆位以太网的出现开创了局域网技术发展的里程碑，并使以太网技术迅速成为局域网的主流技术


3 、万兆位以太网 • 1999年 3月， IEEE 成立高速研究组 HSSG(High Spe

ed Study Group) ，制订 10GE （万兆位以太网）的技术标准， 2002年 6月给出万兆位以太网标准 IEEE802.3 ae

• 2004年 2月通过 IEEE 802.3ak ，给出技术标准 10GBase-CX4

• 2006年 6月通过 IEEE 802.3an ，给出技术标准 10GBase-T

• 2007年 12月， HSSG 的工作重点转向 IEEE 802.3ba • 以太技术已成功地应用于城域网的设计实现中


2.7 虚拟局域网（ VLAN ）技术• 2.7.1 VLAN 概述• 2.7.2 实现 VLAN 的方式• 2.7.3 VLAN 使用的帧格式• 2.7.4 VLAN 协议与主干连接标准


2.7.1 VLAN 概述• VLAN允许一组不同物理位置的网络用户（网络节点）共享一个独立的广播域 • 在 LAN交换机基础上通过网络管理软件，可以构建的可以跨越不同网段、不同网络技术的端到端逻辑网络（ VLAN ） • VLAN 的优点主要包括：

– 1 、隔离网络广播风暴– 2 、增强了网络安全性– 3 、简化网络管理和维护– 4 、提高网络性能


VLAN 的划分 • 各交换机之间的连接需要设置 trunk 端口，通过交叉线连接，构成交换机之间的主干 (trunk) 链路，并且在 trunk 端口封装 VLAN 协议


2.7.2 实现 VLAN 的方式• 实现 VLAN 的方式有：

– 基于端口的 VLAN ；基于MAC 地址的 VLAN ；基于协议的 VLAN ；基于网络地址的 VLAN ；基于定义规则的 VLAN 。


2.7.3 VLAN 使用的帧格式• 1988年 IETF给出支持 VLAN 的以太网帧格式扩展，称为 IEEE802.3ac 协议，该协议允许在以太网帧格式中插入一个 4 字节的 VLAN 标识字段


2.7.4 VLAN 协议与主干连接标准• VLAN 主干 (trunk) 连接主要采用两种标准。

– 1 、 IEEE 802.1Q 标准– 2 、内部交换链路 ISL 标准


2.8 路由寻址技术• 2.8.1 路由技术概述• 2.8.2 路由和路由表• 2.8.3 路由选择算法• 2.8.4 路由协议• 2.8.5 默认路由• 2.8.6 层次路由• 2.8.7 因特网中路由层次• 2.8.8 因特网中的路由协议• 2.8.9 NAT 技术


2.8.1 路由技术概述• 路由发生在网络层，是把网络协议包从源穿过网络传递到目的地行为 • 路由包含两个基本动作：路径选择；转发（交换） • 路径选择使用路由选择协议 RP(Routing Protocol) ，交换使用路由转发协议 RP(Routed Protocol)

– 两者是互相配合又相互独立的概念– 前者使用后者维护的路由表– 后者要使用前者提供的功能来发布路由协议数据分组，通告网络中的路由信息。


2.8.2 路由和路由表• 计算机网络中的路由选择类似于人类社会中的 400米接力赛跑 • 路由表的表项内容主要为三项：

– 目的 IP 地址；子网掩码；下一跳地址


节点路由表的内容和作用


2.8.3 路由选择算法• 路由选择算法涉及到的参数有：

– 1 、跳步数 (hop count) ，分组在传输路径上经过的路由器数目；– 2 、带宽 (bandwidth) ，是指链路的传输速率；– 3 、延时 (delay) ，分组从源节点到目的节点所经过的时间；– 4 、负载 (load) ，指通过路由器或线路的单位时间通信量或吞吐量；– 5 、可靠性 (reliability) ，指传输过程中的误码率；– 6 、开销 (expensive) ，指传输过程中的花费（费用）


2.8.4 路由协议• 路由选择算法分为静态路由选择和动态路由选择 • 动态路由选择可以分为 3 类：

– 孤立式；集中式；分布式 • 动态路由选择算法的工作过程是：

– 1 、测量并感知网络状态，主要包括拓扑结构、流量及通信时延；– 2 、与相邻节点交换路由信息，或向有关进程或节点报告新的路由信息；– 3 、依据新的路由信息更新路由表；– 4 、依据新路由表中更新过的路由信息，选择合适路径转发分组。


2.8.5 默认路由• 在配置路由器的路由表的路由表项时，一般都会配置默认路由

– 在所有路由表项都不能适配时，就会按默认路由转发 IP 分组 • 对网络中的一个端节点配置 IP 地址时，需要设置默认网关地址

– 这个默认网关地址一般为本地网络（局域网）路由器的局域网接口的 IP 地址


2.8.6 层次路由• 类似分层路由选择的例子是在电话网络中• 为什么需要层次路由 • 层次路由选择算法涉及到路由层次划分，层次数目的多少 • 因特网采用分层次的路由选择，因特网划分为多个自治系统 (Autonomous System, AS)


2.8.7因特网中的路由层次• 网络互连的层次划分依次为：互联网、自治系统、区域、网段（链路）


2.8.8 因特网中的路由协议• 因特网中采用的内部路由协议为 RIP 、 OSP

F ，外部路由协议是 BGP • RIP 是基于 Bellman-Foed 算法的距离向量路由协议 • 开放最短路径优先 (Open shortest Path Firs

t, OSPF) 协议是链路状态协议• BGP-4采用路径向量 (Path Vector, PV) 路由选择协议


2.8.9 NAT 技术• 需要通过一种网络地址转换技术，把专用 IP 地址映射为可以在因特网中使用的公用（合法） IP 地址，这种网络地址转换技术就是 NAT • NAT 的实现方式有三种：

– 静态转换、动态转换和端口多路复用


2.9 网络接入技术• 2.9.1 广域网接入技术• 2.9.2 无线广域网接入（ WWAN ）• 2.9.3 因特网接入技术概述• 2.9.4 因特网接入技术的特征


2.9.1 广域网接入技术• 广域网接入的主要特性是：

– 使用多种串行连接方式接入广域网；– 使用电信运营商提供的服务；– 连接分布在广域范围内的网络设备。


2.9.2 无线广域网接入（ WWAN ）

• WWAN ）是利用无线网络把物理距离分散的LAN 或其他网络连接起来的网络– WWAN 的连接范围可以覆盖一个国家– WWAN 的结构可以分为末端系统和中间链路系统

• 无线广域网的接入方式主要有：– 通用分组无线业务（ General Packet Radio Ser

vice, GPRS ）、 3G 、码分多址（ CDMA ）、 CDMA-2000 、 TD-SCDMA 、 W-CDMA 、 IMT-2000


2.9.3 因特网接入技术概述• 可以采用的因特网接入技术主要有：

– 1 、拨号接入；– 2 、 xDSL 接入；– 3 、 HFC 和 Cable Modem ；– 4 、光纤接入；– 5 、无线接入。


2.9.4 因特网接入技术的特征• xDSL 技术利用了电话线上电话系统没有利用的高频部分，以及相应的调制解调技术，进行数据传输• 线缆调制解调器（ Cable Modem, CM ）接入属于较常用的因特网接入方式 • 光纤以太网（ FTT＋ LAN ）接入方式用光纤作为主要的传输介质，是宽带接入的最终解决方案

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