网络工程期末复习 - 20190630
1.什么是计算机网络工程
计算机网络工程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，形成一个满足用户需求、高效高速、稳定安全的计算机网络系统的组建工作。
2.网络工程建设的目标
网络工程的建设方和施工方，在遵守国家相关法律、法规，遵循国家相关标准和国际相关标准的前提下，完成网络工程的规划、设计、施工和验收等工作，为建设方提供一个高速、稳定、安全、可靠和计算机网络系统。
3.网络工程建设的主要内容
(1) 网络规划与设计。
(2) 网络硬件系统建设。
(3) 网络软件系统建设。
(4) 网络安全管理建设。
4.网络工程的组织机构及其职责
计算机网络工程的一种通用组织形式为三方结构，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。
工程甲方
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。
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，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
（1）提出网络工程建设项目和详细需求
（2）对工程项目进行可行性论证
（3）组织工程项目建设经费
（4）编制工程项目招标书
（5）组织或委托招标公司进行工程项目招标
（6）签订工程建设合同
（7）验收产品、协助施工、工程质量监督
（8）组织工程竣工验收
（9）组织管理和技术人员参加乙方组织的培训
（10）对网络系统进行试运行
工程乙方
工程乙方是计算机网络工程的承建者。
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。
乙方的职责
（1）根据甲方的招标书，编制投标书
（2）若中标，签订工程合同
（3）进行详细的用户需求调查
（4）进行网络工程规划设计
（5）制订网络工程实施方案
（6）网络产品选型
（7）网络系统集成
（8）对系统进行测试，系统试运行
（9）准备工程竣工验收
（10）为甲方培训网络管理人员
...太多了，就不一一记录了，记录下重点和课后习题了~~~
1.
网络的状况
多种通信媒介——有线、无线
不同种类的设备——通用、专用
不同的操作系统——Unix、Windows
不同的应用环境——固定、移动
不同种类业务——分时、交互、实时
宝贵的投资和积累——有形、无形
用户业务的延续性——不允许出现大的跌落起伏
2.网络体系结构解决网络异质性问题采用的是分层结构方法。即把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层面上予以解决。
3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？
分层与功能
服务与接口
协议
4.
5.
第7层：应用层(Application)
为用户的应用程序提供网络通信服务
识别并证实目的通信方的可用性
使协同工作的应用程序之间进行同步
判断是否为通信过程申请了足够的资源
应用层协议的例子：
远程登录协议Telnet、文件传输协议FTP、
超文本传输协议HTTP、域名服务DNS、
简单邮件传输协议SMTP、邮局协议POP3等
第6层：表示层(Presentation)
处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。
例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换；数据的加解密、压缩/解压缩
第5层：会话层(Session)
建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。
会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。
同步（解决失败后从哪里重新开始）
第5层：会话层(Session)
活动管理，保证活动的完整性和正确性。
活动：相对独立的一组相关操作。
例如：一次会话传送多个文件，其中每一个文件的传送为一个活动。
第4层：传输层(Transport)
为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。
进行数据分段并组装成报文流；
提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务；
传输差错校验与恢复；
信息流控制，防止数据传输过载。
第3层：网络层(Network)
在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。
功能和服务
最佳路由选择和数据包中转
流量控制和拥塞控制
差错检测与恢复
流量统计和记账
第3层：网络层(Network)
路由选择
如何在多条通信路径中找一条最佳路径？
依据：速度,距离(步跳数),价格,拥塞程度。
路由器——路由表建立与维护。
静态：人工设置，只适用于小型网络。
动态：运行过程中根据网络情况自动地动态
维护。
路由算法
距离向量算法：RIP、CGP等
链路状态算法：OSPF等
第2层：数据链路层(Data Link)
在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。
所关心的问题包括：
物理地址、网络拓扑；
组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；
定界与同步：产生/识别帧边界；
差错恢复：采用重传（ARQ）的方法；
流量控制：收发双方传输速率的匹配。
第1层：物理层(Physical)
实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。
定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。
数据终端设备DTE——用于处理用户数据的设备。如：计算机、路由器
数据通信设备DCE——用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。
如：Modem。
6.协议数据单元(PDU)
OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)
传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：
传输层——数据段（Segment）
网络层——分组(数据报)（Packet）
数据链路层——数据帧（Frame）
物理层——比特（Bit）
7.隧道技术
隧道技术
隧道（tunneling）技术是在IPv6网络与IPv4网络间的隧道入口处，由路由器将IPv6的数据分组封装到IPv4分组中。IPv4分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPv4地址。在隧道的出口处拆封IPv4分组并剥离出IPv6数据包。
隧道可分为以下4种类型：
路由器—路由器隧道
路由器—主机隧道
主机—主机隧道
主机—路由器隧道。
（3）NAT-PT技术
NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation，网络地址转换-协议转换）技术是SIIT（stateless IP/ICMP translation algorithm）协议转换技术和IPv4网络中动态地址转换（NAT）技术的结合与改进。
该技术又分为静态NAT-PT和动态NAT-PT两种。
8.局域网基础知识
局域网的概述
局域网的体系结构
局域网介质访问控制方式
局域网的组网类型
无线局域网
局域网的关键技术
用以传输数据的传输介质与传输形式
传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波等
传输形式：基带、宽带
用以连接各种设备的拓扑结构
星型、总线型、环型、树型等
用以共享资源的介质访问控制方式
固定分配、需要分配、适应分配、探询访问、随机访问
基带网传送数字号，信号占用整个频道，但传输距离较小。宽带网传输模拟信号，同一信道上可传输多路信号，它的传输距离较大。
目前局域网中绝大多数采用基带传输方式。
IEEE802标准
IEEE 802.1A：局域网和城域网标准，综述及体系结构
IEEE 802.1B：局域网的寻址、网络互联及网络管理。
IEEE 802.2：逻辑链路控制LLC，是高层协议与MAC子层间的接口。
IEEE 802.3：定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.3i：10 Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
IEEE 802.3u：100 Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
IEEE 802.4：令牌总线访问控制方法，定义了其MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.1A：局域网和城域网标准，综述及体系结构
IEEE 802.1B：局域网的寻址、网络互联及网络管理。
IEEE 802.2：逻辑链路控制LLC，是高层协议与MAC子层间的接口。
IEEE 802.3：定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.3i：10 Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
IEEE 802.3u：100 Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
IEEE 802.4：令牌总线访问控制方法，定义了其MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.5：令牌环网访问控制方法，定义了其MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.6：城域网访问控制方法，定义了城域网的MAC子层和物理层标准。
IEEE 802.7：宽带局域网标准。
IEEE 802.8：光纤局域网标准。
IEEE 802.9：综合话音数据局域网标准。
IEEE 802.10：可互操作的局域网的安全。
IEEE 802.11：无线局域网标准。
IEEE 802.12：新型高速局域网标准。
局域网介质访问控制方式
局域网介质访问控制方式主要是解决介质使用权的算法或机构问题，从而实现对网络传输信道的合理分配。
局域网介质访问控制的内容主要有两个方面：
要确定网络上每一个节点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；
要解决如何对共享传输介质访问和利用加以控制。
常用的介质访问控制方式有三种：
载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)；
令牌环 (Token-Ring) ；
令牌总线(Token-Bus) 。
CSMA/CD访问控制方式
载波监听多路访问（CSMA）
载波监听多路访问/冲突检测——
CSMA/CD
IEEE802.3标准
什么是CSMA
载波监听多路访问( Carrier Sense Multiple Access， CSMA)是一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方式。
载波监听——是指查看信道上有无信号；
多路访问——是指多个工作站共同使用一条线路。
CSMA的工作过程
①一个站点需要发送信息时，首先监听总线，以确定介质上是否有无其他站点正在发送信息；
②如果监听的结果信道是空闲的，则该站点可以立即发送信息；
③如果监听结果信道上有信息传送，就继续监听，直到信道空闲时再立即发送信息。
载波监听策略
（1）不坚持CSMA
①准备发送帧时，站点监听信道
②如果信道空闲，发送。
③如果信道忙，等待一个随机时间后重新监听。
特点：
减少了站点发送数据的盲目性。
缺点：
可能在再次监听前信道就已经空闲了，信道的利用率较低。
（2）1-坚持CSMA
①准备发送帧时，站点监听信道
②如果信道空闲，则发送。
③如果信道忙，继续监听，直到信诞空闲，立即发送。
④如果冲突发生，等待一个随机时间后重复第一步。
特点：
提高了信道的利用率。
缺点：
若有两个或以上站点要发送，冲突就不可避免。
（3）p-坚持CSMA
①准备发送帧时，站点监听信道
②如果信道空闲，则以p概率发送，而以（1-p）的概率延迟一个时间单位。时间单位等于最大的传播延迟。
③如果信道忙，继续监听，直到信道空闲，重复第一步。
④如果发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。
特点：
是一种折衷的算法。
问题在于有效选择p值。
（2）载波监听多路访问/冲突检测——CSMA/CD
CSMA/CD——CSMA with Collision Detection
CSMA/CD访问控制方式是一种争用协议，每个站点都处于平等地位去竞争传输介质，算法较简单，技术上较易实现。
CSMA/CD不能提供优先级控制。此外，不确定的延时难以满足远程控制的要求。
CSMA/CD方式是一种适用于总线型网络的介质访问控制方式，已由IEEE 802委员会建议成为局域网控制协议标准之一，即IEEE 802.3标准。
CSMA/CD的工作过程
(1)先监听信道，如果信道空闲则发送信息。
(2)如果信道忙，则继续监听，直到信道空闲时立即发送。
(3)发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号(连续几个字节全为0，通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开始监听与竞争。
(4)已发出信息的各站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入监听发送阶段。
令牌环访问控制方式
令牌环(Token-Ring)
拓扑结构：
点到点链路连接，
构成闭合环
传输媒体：
STP、光纤
速率：4/16Mbps
最多站点数：250
信号编码：
曼彻斯特编码
控制方法：
是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”
（TOKEN）的特殊帧来控制的。
只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。
Token Ring/802.5的操作过程
1）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。
2）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：
a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；
b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中
3）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。
令牌总线访问控制方式
问题提出：
总线LAN的实用总线策略不适用于工厂实时控制位（因对时间有严格要求）。
令牌环形网使用了干线耦合器（TCU）连接成环路，其可靠性比总线网要差。
综合了这种网的优缺点，产生了IEEE 802.4标准令牌总线LAN。
（1）令牌总线(Token-Bus)
令牌总线(Token-Bus)访问控制方式是在综合了CSMA/CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点的基础上形成的一种介质访问控制方式。
令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络中
（2）令牌总线LAN的构成
令牌总线LAN是在一个物理总线结构网络中，指定每一个站点在逻辑上相互联接的前后地址，来构成一个逻辑环。
（3）令牌总线LAN的操作规则
从逻辑上看，令牌是按站点地址的前后顺序传递给下一个站点；从物理上看，带有地址字段的令牌帧广播到总线上所有的站点。
只有站点地址与令牌帧中的目的地址相符的站点，才有权获取令牌。
只有获取令牌的站点才能发送信息帧。
无线局域网
无线局域网标准
无线局域网的类型
无线局域网组网方式
扩频无线局域网
扩展频谱（Spread SpectrumTechnology）技术是指用来传输信息的射频信号（无线电波）带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式，又称为扩频技术。
扩频技术分为：跳频（Frequency Hopping）和直接序列（Direct Sequence）扩频。
跳频：在跳频方案中，发送信号频率按固定的间隔从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步跳动，从而正确地接收信息。
直接序列扩频：直接序列扩频方案中，输入数据信号进入一个通道编码器（Channel Encoded）并产生一个接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号。
（3）窄带微波无线局域网
窄带微波（Narrowband Microwave）是指使用微波无线电频带来进行数据传输，其带宽刚好能容纳信号。
微波扩频无线局域网的接入方式有点对点、点对多点、蜂窝三种。
点对点方式：一般指连接的双方用无线网卡相连。
点对多点方式：是指微波扩频系统含一个中心站和若干分布接入点，若干分布接入点以竞争方式或固定分配方式分享中心站提供的总信道带宽。
蜂窝方式：采用移动蜂窝网接入方式组建无线局域网，各站点之间的通信是通过基站接入、数据交换方式来实现互连的。
3、无线局域网组网方式
（1）对等方式
对等方式下的无线局域网不需要单独的无线接入设备（Acecess Point，AP），所有节点都能对等地相互通信。
（2）接入方式
接入方式以星型拓扑为基础，以无线AP为中心，所有节点的通信都要通过AP接转。无线AP通过双绞线与有线局域网的交换机连接。
第2章 网络设备
一、双绞线
双绞线(Twisted Pairwire，TP)由两根具有绝缘保护层的22、24、26号绝缘铜导线按照一定密度互相扭绞而成。
局域网常用的双绞线分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)和非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)两种。它们均包含4对双绞线，且用不同的颜色来区分
双绞线的最大传输距离为100m。
屏蔽双绞线（STP）
屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）使用金属箔或金属网包裹网线内部的信号线，在屏蔽层外面再包裹绝缘外皮。
根据屏蔽方式的不同，屏蔽双绞线又分为STP（Shielded Twisted-Pair）和FTP（Foil Twisted-Pair）两类。
STP是指每条线对都有各自屏蔽层的屏蔽双绞线.
FTP则是采用整体屏蔽的屏蔽双绞线。
同轴电缆
光纤的结构
光纤（Fiber Optic Cable）也称为光导纤维，以光脉冲的形式来传输信号。
光纤的裸纤由纤维芯、包层和保护套组成
光纤的分类
（1）按照制造光纤所用的材料分：可分为石英玻璃光纤、多成分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。
上传到服务器目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纤和多成分玻璃光纤。
（2）按光在光纤中的传输模式分：可分为多模光纤和单模光纤。
多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）：以发光二极管或激光作光源。纤芯较粗，纤芯直径有50μm和62.5μm两种规格，包层外直径均为125μm。适用于短距离与低速通信，传输距离一般在2km以内。
单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）：以激光作光源，纤芯较细，纤芯直径有8.3μm、9μm和10μm三种规格，包层外直径均为125μm。适用于长距离与高速通信，传输距离一般在2km以上。
（3）按最佳传输频率窗口分：可分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
常规型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如：1310nm。
色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1310nm和1550nm。
（4）按光纤的工作波长分：可分为850nm波长区、1300nm波长区和1500nm波长区。
850nm波长区：多模通信所用的800～900nm 短波段。
1300nm波长区：单模或多模通信所用的1250nm～1350nm长波段
1500nm波长区：单模通信所用的1530nm～1580nm长波段。
目前计算机网络主干线路和室外连接光纤的工作波长通常采用850nm、1310nm和1550nm三种波长。
（5）按折射率分布情况分：可分为跳变式和渐变式光纤。
跳变式光纤：纤芯的折射率和包层的折射率都是一个常数。在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型变化。
渐变式光纤：纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。
光纤传输原理
利用光的反射
光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。
光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低
亮度调制：有脉冲-1，无脉冲-0
光传输系统：光源、介质、光检测器
光源: 850nm/1300nm/1500nm
发光二极管 / 激光二极管
介质: 光纤
光检测器: 光电二极管PIN/雪崩二极管APD
单向传输，双向需两根光纤
光纤的特点
依靠光波承载信息
速率高，通信容量大
仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）
传输损耗小，适合长距离传输
抗干扰性能极好，保密性好
轻便
蓝牙通讯技术的特点
蓝牙工作在全球开放的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段；
使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；
一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；
数据传输速率可达1Mbit/s；
低功耗、通讯安全性好；
在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；
支持语音传输；
组网简单方便
网络接入设备
ADSL Modem
（1）ADSL技术
ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Loop，非对称数字用户环路）是运行在普通电话线路上的一种高速宽带接入技术。
利用现有的一对电话铜线，通过采用先进的复用技术和调制技术，使得高速的数字信息和电话语音信息在一对电话线的不同频段上同时传输，为用户提供宽带接入的同时，维持用户原有的电话业务及质量不变。
采用专门的协议PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet，基于以太网的点对点协议），下行传输速率接近8Mbps，上行传输速率可达1Mbps，传输距离达3km～5km。
ADSL Modem通常有PCI插卡式、USB接口式、以太网接口式等三种。
以太网接口的ADSL Modem又存在两种模式。
桥式ADSL Modem：单纯性以太网接口，具备一定的防火墙功能甚至IP过滤功能，但不带有路由功能。
路由式ADSL Modem：也称为ADSL宽带路由器，内部具有路由功能、NAT功能、防火墙功能和IP过滤功能等。
（3）ADSL Modem的应用
对于普通ADSL Modem，一般只能允许一台电脑上网，要用这种产品实现多台计算机共享同时上网，一般需要借助于其它路由设备。
利用ADSL宽带路由器，可以实现多台计算机共享上网，是一种最为方便、实用的上网解决方案，在小型企事业单位、家庭、学生宿舍应用尤其广泛。
（4）ADSL Modem的选购
① 所属类型。首先要确定所选路由器是属于“网关型”，还是“代理型”。网关型不具备灵活权限配置功能，而代理型则具有灵活配置功能。
② 宽带接入方式。如有些ADSL宽带路由器只支持专线方式的路由，不内置虚拟拨号协议PPPoE，当然也就不能为虚拟拨号用户提供拨号服务，路由功能也就无从实现了。
③ LAN端口数量。LAN的数量决定可以直接共享上网的计算机的数量。
（4）ADSL Modem的选购
④ LAN端口的带宽占有方式：集线器的共享带宽方式和交换机的带宽独享方式。对有高带宽互联网应用需求的用户，选择后者较好。
⑤ NAT服务。NAT功能可以使ADSL宽带路由器能把所有LAN用户的IP地址转换成单一的因特网IP地址，从而实现对内部网络的IP起到屏蔽作用，保护LAN用户。
⑥ 网管方式。
⑦ 辅助功能。如防火墙、打印服务器、DHCP、VPN等辅助功能。
光纤收发器
光纤收发器是一种将电信号和光信号进行互换的设备，是以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器（Fiber Converter）。
光纤收发器一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，一般连接方法是：光纤接口通过光纤跳线与室外光纤的端接盒连接，RJ-45接口通过双绞线跳线与交换机或其他网络设备的RJ-45接口连接。
光纤连接器
光纤连接器，俗称活接头，是实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其它光无源器件之间的连接。
它把光纤的两个端面精密对接起来，以便使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并可使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。
中继器
中继器(Repeater)又称重发器，是一种最为简单但也是用得最多的网络互连设备。
中继器是物理层上的网络互连设备，它的作用是对电缆上传输的数据信号再生放大，再重发到其它电缆段上。
中继器仅适用于以太网，可将两段或两段以上以太网互连起来。
标准细缆以太网利用中继器可将每段长度扩展到925m；粗缆以太网每段长度扩展到2500m。
网络集线器（HUB）
集线器（HUB）是对网络进行集中管理的设备，工作于物理层，采用共享型模式，是一个共享设备，其实质是一个多接口的中继器
（共享就是指在有一个端口向另一个端口发送数据时，其他端口都处于“等待”状态）
连接在Hub上的主机以广播方式传输数据，按照CSMA/CD存取，每个端口的可用带宽是Hub总带宽的平均值，与主机数量成反比。
（1）二层接口(L2 interface)
① Switch Port（交换接口）
分为Access Port和Trunk Port。
每个Access port只能属于一个VLAN；Access port只传输属于这个VLAN的帧；
Access Port一般用于连接用户计算机。
Trunk port传输属于多个VLAN的帧，缺省情况下Trunk port将传输所有VLAN的帧，可通过设置VLAN许可列表来限制Trunk port传输哪些VLAN的帧。Trunk Port一般用于设备之间的连接，也可以用于连接用户的计算机。
② L2 Aggregate Port （二层聚合接口）
当两台交换机互联时，为了提高连接的带宽，可以将多个物理端口聚合在一起进行互联，构成一个逻辑Switch Port，这个逻辑接口就称为L2 Aggregate Port（简称AP），
L2 AP中的每一个物理端口称为该L2 Aggregate Port的一个成员端口。
L2 Aggregate Port的特性
从物理上看，L2 Aggregate Port是由多个物理接口组成的，但在逻辑上，可以把它理解为一个高速接口，它的带宽是组成它的各成员端口的带宽之和。
组成L2 Aggregate Port的成员端口可以是Access Port 或Trunk Port，但同一个AP的成员端口必须为同一类型，端口参数也必须相同，同属于一个VLAN。
一个L2 Aggregate Port包含的物理端口数量一般不能超过8个。
L2 Aggregate Port具有流量平衡功能，通过L2 Aggregate Port发送的帧在L2 Aggregate Port的成员端口上进行流量平衡，当一个成员端口链路失效后，L2 Aggregate Port会自动将这个成员端口上的流量分配到别的端口上，不影响该接口的使用。
每个Aggregate Port用一个整数标识，称为AP ID，取值范围为1~12。
L2 Aggregate Port 也可分为Access Port 或Trunk Port。
（2）三层接口(L3 interface)
根据交换机的型号不同，一般可以分为：
SVI(Switch Virtual Interface交换虚拟接口)
Routed Port（路由接口）
L3 Aggregate Port（三层聚合接口）
SVI 接口
SVI是与某个VLAN关联、用来实现三层交换的逻辑接口。每个SVI只能和一个VLAN关联，实际上，SVI就是一个VLAN的接口，只要给该VLAN配置一个IP地址，它就成为了一个SVI。
在实际应用中，SVI可以作为本交换机的管理接口，用于对该交换机进行管理。也可以作为一个VLAN的路由接口（网关接口），用于三层交换机中跨VLAN之间的通信。
Routed Port
Routed Port是由三层交换机的单个物理端口构成的路由（网关）接口。Routed Port不具备二层交换的功能。
Routed Port 与SVI的区别是：
SVI是虚拟的接口，用于VLAN间的路由，实现不同VLAN之间的通信。
Routed Port是物理接口，用于点对点的链路路由，实现两个主干交换机的连接。
L3 Aggregate Port
L3 Aggregate Port同L2 Aggregate Port 一样，也是由多个物理成员端口汇聚构成的一个逻辑聚合接口。
L3 AP的成员端口必须为同类型的三层接口。
L3 AP不具备二层交换的功能，L3 AP和L2 AP的区别在于L3 AP具有IP地址，可作为三层交换的网关接口连接一个子网。
交换机的互连技术
一、交换机的互连方式
二、交换机堆叠的管理
三、交换机堆叠模式下的配置
多台交换机的互连有两种方法：级联(Uplink)与堆叠(Stack)
1、交换机级联
它通过交换机上的级联口(UpLink)进行连接。交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。
级联可分为以下三种：用普通端口级联、用Uplink端口级联和光纤端口的级联。
交换机级联的优缺点
级联的优点；级联式结构化网络有利于综合布线，它是目前主流的连接技术之一，易理解，易安装，不用考虑交换机的性能和端口属性，可以方便的实现大量端口的接入，通过统一的网管平台，可以实现对全网络设备的统一管理。
级联的缺点：级联层数较多时，层次之间存在较大的收敛比时，将出现一定的延时，解决方法是提高设备性能或是减少级联的层次。
交换机堆叠的优点
（1）通过堆叠，可以扩展端口密度，因为堆叠的端口数是由堆叠所有成员设备的端口相加得到，所有的端口可以当作一个设备的端口。
（2）方便用户的管理操作。通过堆叠，用户可以将一组交换机作为一个逻辑对象，通过一个IP来管理，减少IP地址的占用并方便管理。
（3）扩展上链带宽。如8台S2126G/S2150G交换机堆叠，上链可以有8个千兆端口，8个千兆口形成聚合端口，带宽可以达到8Gbps。
交换机堆叠的缺点
堆叠交换机的数目有限制；
要求堆叠成员离自己的位置足够近，一般在同一机柜中。
堆叠和级联的区别
（1）实现的方式不同
级联是通过一根双绞线在任何厂家的交换机之间或集线器之间实现；堆叠技术只能在自家的设备之间，且设备必须具有堆叠功能才可实现。
（2）设备数目限制不同
交换机级联在理论上没有级联数限制(注意:集线器级联有个数限制且10M和100M的要求不同)，而堆叠设备会标明最大堆叠个数。
（3）连接后性能不同
级联有上下级关系，多个设备级联会产生级联瓶颈。每层的性能不同，最后的性能最差；
堆叠是通过交换机的背板连接起来的，是建立在芯片级上的连接，任意两端口之间的延时是相等的。
（4）连接后逻辑属性不同
多台交换机堆叠在一起，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。而级联的设备逻辑上是独立的。
（5）连接距离限制不同
一般级联可以增加连接距离，堆叠线缆最长只有几米，一般堆叠的交换机处于同一个机柜中。
交换机堆叠模式下的配置
1、进入堆叠中的指定设备
模式：全局配置模式。
命令：member member
参数：member为堆叠中的设备号，范围为：1～最大设备号
2、给设备设置别名
模式：全局配置模式。
命令：
device-description member [member] <description>
参数：[member]为设备号，范围为1～最大设备号；不指明设备号，则默认对设备1进行配置。 <description>为设备别名。
3、配置堆叠的端口
端口的编号规则为：
设备号/插槽号/端口在插槽上的编号
端口所属的设备号可以由show version devices命令来查询，端口的插槽号和端口在插槽上的编号的规则与单交换机模式下相同。
因堆叠模块占用一个插槽，故用户不能对堆叠模块所在插槽进行配置。
例1：将堆叠中的2号设备命名为maths：
switch# configure terminal 进入全局配置模式
switch(config)#member 2 进入2号设备进行配置
switch@2(config)# device-description maths
设置2号设备的别名为maths
switch@2(config)#interface range fa 0/1-3
对2号设备上的端口fa 0/1-3进行配置
switch@2(config-if)#switchport mode trunk
将这些端口设置为trunk port
例2：将堆叠中的1号设备上的fastethernet0/1-3号端口设置为trunk port：
switch#configure terminal 进入全局配置模式
switch(config)#interface range fa 1/0/1-3
对设备1上的端口fa 0/1-3进行配置
switch(config-if)#switchport mode trunk
将这些端口设置为trunk port
交换机的VLAN技术
一、VLAN技术简介
二、VLAN的基本配置
三、VLAN之间的通信
1、什么是VLAN
VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地分成一个个网段，从而实现虚拟工作组的技术。
利用交换机可以实现VLAN，但并不是所有的交换机都具有VLAN功能。
2、VLAN的特征
① VLAN不受网络物理位置的限制，可跨越多个物理网络、多台交换机，可将网络用户按功能划分成多个逻辑工作组，每一组为一个VLAN。
② VLAN可隔离广播信息，每个VLAN为一个广播域，可以通过划分VLAN的方法来限制广播域，以防止广播风暴的发生。如果要实现不同VLAN之间的主机通讯，则必须通过一个路由器或者三层交换机。
③ 划分VLAN可有效提升带宽，可以将网络上的用户按业务功能划分成多个逻辑工作组，每一组为一个VLAN，这样，日常的通信交流信息绝大部分被限制在一个VLAN内部，使带宽得到有效利用。
④ VLAN均由软件实现定义与划分，建立与重组VLAN十分灵活，当一个VLAN中增加、删除和修改用户的时候不必从物理位置上调整网络。
3、VLAN的分类
按VLAN在交换机上的实现方法，可划分为4类
（1）基于端口的VLAN
只要将所有的端口都定义为相应的VLAN即可。
优点：定义VLAN成员时非常简单，适于任何大小的网络。
缺点：如果用户离开了原来的端口，到了一个新的交换机的某个端口，必须重新定义。
（2）基于MAC地址的VLAN。
只要将所有网卡的MAC地址都定义为相应的VLAN即可。
优点：当用户物理位置移动时，VLAN不用重新配置。
缺点是初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果用户多的话，配置是非常繁琐的，通常适用于小型局域网。
（3）基于IP地址的VLAN
基于IP地址的VLAN是指根据IP地址来划分的VLAN，一般地，每个VLAN都是和一段独立的IP网段（子网）相对应。
优点：
当某一用户主机的IP地址改变时，交换机能够自动识别，重新定义VLAN，不需要管理员干预。
有利于在VLAN交换机内部实现路由，也有利于将动态主机配置（DHCP）技术结合起来。
（4）基于网络层协议划分VLAN
可分为IP、IPX、AppleTalk等VLAN。
优点：用户的物理位置改变了，不需重新配置所属的VLAN，不需要附加的帧标签来识别VLAN，可以减少网络的通信量。
缺点：效率低，因为要检查IP帧头，要费很多的时间
（5）根据IP组播划分VLAN
一个IP组播组就是一个VLAN。主要适合于不在同一地理范围的局域网用户组成一个VLAN。
3.7 交换机的生成树技术
生成树技术简介
生成树协议工作原理
生成树的配置
冗余链路网络问题
A站点往B站点发数据，而交换机A和交换机B的地址表中都没有B站点的MAC地址。首先，数据通过网段A会传到交换机A的1/1端口和交换机B的2/1端口，因为交换机A和交换机B的地址表中都没有B站点的MAC地址，所以交换机会将数据以广播的形式向所有其他端口转发，数据会传到网段B。因为交换机中还没有站点B的地址，所以数据又会往其他端口转发。数据又会回到网段A，再通过网段A转发……
这样就产生了一个环路。在广播密集型的网络中，环路会形成广播风暴，而将网络全部堵塞。
一、生成树技术简介
1、生成树协议STP
STP的全称是spanning-Tree Protocol，STP协议是一个二层的链路管理协议，它在提供链路冗余的同时防止网络产生环路。
分类：
STP~生成树协议
RSTP~快速生成树协议
MSTP~多域生成树协议
2、STP协议的作用
避免网络中存在交换环路的时候产生广播风暴，确保在网络中有环路时自动切断环路；
当环路消失时，自动开启原来切断的网络端口，确保网络的可靠。
STP协议的本质就是实现在交换网络中链路的 备份和负载的分担。
3、生成树协议中基本概念
根交换机(Root Bridge) ：具有最高优先级的交换机被称为根桥交换机，简称根交换机。
路径开销(Path Cost)：距离、时间等
根路径开销(root path cost )：指该交换机到根交换机所经过的各个跳段的路径开销的总和。
每个交换机端口都有一个根路径开销。
指派交换机(designated switch)：在每个LAN中根路径开销最少的交换机，称为该LAN的指派交换机。
生成树协议中端口的五种角色
根端口(Root port)：交换机中根路径开销最低的端口称为根端口；即提供最短路径到根交换机的端口。
指派端口(Designated port)：每个LAN 通过该端口连接到根交换机。
替换端口(Alternate port)：根端口的替换端口，一旦根端口失效，该端口就立即变为根端口
备份端口(Backup port)：指派端口的备份端口，当一个交换机有两个端口都连在一个LAN 上，那么高优先级的端口为指派端口，低优先级的端口为备份端口。
非活动端口(Disable port)：当前不处于活动状态的端口，即operation state 为down 的端口
端口优先级
在没有特别说明情况下，端口优先级为：
端口的五种状态
Discarding：阻塞状态，既不对收到的帧进行转发，也不进行源MAC地址学习。默认情况下，当switch启动时所有端口均为 Discarding 状态，一般为20s。
Learning：学习状态，不对收到的帧进行转发，但进行源MAC地址学习。 一般为15s。
Forwarding：转发状态，既对收到的帧进行转发，也进行源MAC地址的学习。
禁用(disabled)：不参与帧的转发和STP。一般在这个状态的都是不可操作的。
监听(listening)：端口接受和发送BPDU监听数据帧,不转发数据帧，来决定在传送数据帧之前没有循环会发生，一般为15s。
网桥协议数据单元BPDU
交换机之间通过交换BPDU（Bridge Protocol Data Units，网桥协议数据单元）帧来获得建立最佳树型拓扑结构所需要的信息。这些帧以组播地址01-80-C2-00-00-00（十六进制）为目的地址。
BPDU的组成要素：
交换机(网桥)标识
每个交换机都有一个交换机标识(Bridge ID)，生成树算法中就是以它为标准来选出根交换机（Root Bridge）的。
Bridge ID由8个字节组成，后6个字节为该交换机的MAC地址；前2个字节如下表所示。前4 bit表示优先级（priority），后12 bit表示System ID 。在RSTP 中该值为0，因此给交换机配置优先级必须是4096的倍数。
生成树协议的三个定时器
Hello timer：根交换机向其他交换机广播一次BPDU的时间间隔，黙认值为2s。
Forward-Delay timer：端口状态改变的时间间隔。黙认值为15s。
当RSTP协议以兼容STP协议模式运行时，端口从Discarding转变向learning，或者从learning转向forwarding状态的时间间隔。
Max-Age timer：BPDU报文消息生存的最长时间，黙认值为20s。超出这个时间，报文消息将被丢弃。
二、生成树协议的工作原理
STP生成一个稳定的树型拓扑网络，树的根是一台称为根交换机，由根交换机开始，逐级形成一棵树，交换机为树的节点，链路为树枝；
根交换机定时发送配置报文，非根交换机接收配置报文并转发，如果某台交换机能够从两个以上的端口接收到配置报文，则交换机根据端口的配置选出一个端口为转发状态，并把其他的端口阻塞；
当某个端口长时间不能接收到配置报文的时候，交换机认为该端口失效，网络拓扑可能已经改变，此时生成树就会重新计算，激活其他的备份链路，生成新的树型拓扑，并强制将原来的故障链路变为备份链路，这时端口状态也会随之改变，以保证数据的传输路径是唯一的。
生成树的形成过程（必考）
（1）决定根交换机
决定的依据是交换机(网桥)优先级和交换机(网桥)MAC地址组合成的交换机(网桥) ID（Bridge ID），交换机(网桥) ID最小的交换机(网桥)将成为网络中的根交换机(网桥) 。
在交换机(网桥)优先级都一样（默认优先级是32768）的情况下，MAC地址最小的交换机(网桥)成为根交换机(网桥) 。
（2）决定根端口
根端口存在于非根交换机上，除根交换机外的每台交换机都有一个根端口。
根路径开销最低的端口为根端口；
若有多个端口具有相同的最低根路径开销，则具有最高优先级的端口为根端口。
若有两个或多个端口具有相同的最低根路径开销和最高优先级，则端口号最小的端口为默认的根端口。
（3）认定LAN的指派交换机
开始时，所有的交换机都认为自己是LAN的指派交换机。当交换机接收到具有更低根路径花费的(同一个LAN中)其他交换机发来的BPDU，该交换机就不再宣称自己是选为指派交换机。
如果在一个LAN中，有两个或多个交换机具有同样的根路径开销，则具有最高优先级的交换机被先为指派交换机。
（4）决定指派端口
LAN的指派交换机中与该LAN相连的端口就为指派端口。
如果指派交换机有两个或多个端口与该LAN相连，那么具有最低标识的端口为指派端口。
（5）根端口和指派端口进入Forwarding状态，其他不在生成树中的端口都处于Discarding状态。
MSTP的基本概念
（1）多生成树实例（MST instance，MSTI）
一台交换机的一个或多个VLAN的集合。
在一台交换机里，最多可以创建64个instance，ID从1～64，instance 0是缺省存在的。
在交换机上可以通过配置命令将1～4094个VLAN和不同的instance进行映射（即分配给不同的instance），每个instance对应一个或一组VLAN，每个VLAN只能对应一个instance，没有被映射的VLAN默认属于instance 0。
（2）多生成树域（MST region）
由交换网络中有着相同实例映射规则和配置的交换机以及它们之间的网段构成。域内所有交换机都有相同的MST域配置信息，包括：
MST域名：最长可用32个字节长的字符串来标识。
MST修订级别（MST revision number）：用16bit来标识，范围为：0～65535。
MST instance 与vlan的映射对应表。
（3）内部生成树（Internal Spanning Tree，IST）
是MST区域内的一个生成树，对于每个域而言的，保证了每个域的连通性。IST使用编号0。
（4）公共生成树（Common Spanning Tree，CST）
是连接交换网络内部的所有MST区域的单生成树。每个域在CST中只是一个节点。如果把每个MST域看作是一台大“交换机”，CST就是这些“交换机”通过STP/RSTP协议计算生成的一棵生成树。
（5）公共和内部生成树（Common and Internal Spanning Tree，CIST）
IST和CST共同构成了整个网络的CIST。CIST是连接一个交换网络内所有交换机的单生成树
（6）域根
域根是指MST域内IST和MSTI的树根。MST 域内各棵生成树的拓扑不同，域根也可能不同。
（7）总根
总根（Common Root Bridge）是指CIST的树根，即一个交换网络的根
（8）端口角色：在MSTP的计算过程中，端口角色主要有：
根端口：是负责向树根方向转发数据的端口。
指派端口：是负责向网段或交换机转发数据的端口。
Master端口：是连接MST域到总根的端口，位于整个域到总根的最短路径上。
域边缘端口：是连接不同MST域、MST域和运行STP的区域、MST域和运行RSTP的区域的端口，位于MST域的边缘。
Alternate端口：是Master端口的备份端口，如果Master端口被阻塞后，Alternate端口将成为新的Master端口。
Backup端口：当同一台交换机的两个端口互相连接时就存在一个环路，此时交换机会将其中一个端口阻塞，Backup端口是被阻塞的那个端口。
（9）端口状态：MSTP中，端口的状态类型与STP/RSTP中相同。
第4章 路由器技术与应用
路由器概述
路由器接口与连接
路由器的性能与选型
路由器配置基础
路由器接口配置
路由协议及其配置
访问控制列表
网络地址置换技术
路由器
路由器的体系结构
路由器的基本功能
路由器的工作原理
路由器（Router）是一种典型的网络层设备，在OSI参考模型中被称为中介系统，完成网络层中继的任务。
路由器负责在两个局域网之间接收数据分组并进行转发，转发分组时需要改变分组中的物理地址。
1、路由处理器
路由处理器是路由器的心脏，其任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。
在路由器中，路由处理器的能力直接影响路由器的吞吐量（路由表查找时间）和路由计算能力（影响网络路由收敛时间）。
路由器的启动过程
① 系统硬件加电自检。处理器首先运行Boot ROM中的硬件检测程序，识别支持路由器运行的硬件信息，检测各组件能否正常工作。完成硬件检测后，开始软件初始化工作。
② 软件初始化过程。运行BOOT ROM中的引导程序，进行初步引导工作。
寻找并载入操作系统文件。将FLASH中的路由器的操作系统映像读入到SDRAM中。操作系统文件可以存放在多处，至于到底采用哪一个操作系统，是通过命令设置指定的。
④ 操作系统装载完毕，系统在NVRAM中搜索保存的Startup-Config文件，进行系统的配置。如果NVRAM中存在Startup-Config文件，则将该文件调入SDRAM中并逐条执行。否则，系统默认无配置，直接进入用户操作模式，进行路由器初始配置。
输入端口的工作过程
物理层进行比特的接收。
数据链路层则按照链路层协议接收传送分组的帧。
在将帧的首部和尾部剥去后，分组就被送入网络层的处理模块。
若接收到的分组是路由器之间交换路由信息的分组(如RIP或OSPF分组等)，则将这种分组送交路由器的路由选择部分中的路由选择处理机。
若接收到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，根据得出的结果，分组就经过交换开关到达合适的输出端口。
输入端口的功能
进行数据链路层的封装和解封装；
在路由表中查找输入分组目的地址从而决定目的端口(称为路由查找) ；
为了提供QoS （服务质量），端口要对收到的分组分成几个预定义的服务级别。
端口可能运行诸如SLIP（串行线网际协议）和PPP（点对点协议)这样的数据链路层协议或者诸如点对点隧道协议这样的网络层协议。一旦路由查找完成，必须用交换开关将分组发送输出端口；
参加对公共资源（如交换开关）的仲裁协议。
交换开关
交换开关又称交换结构(switching fabric)，它的作用就是根据转发表(forwarding table)对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。
实现数据分组转发的方法主要有：
通过存储器转发
通过总线转发
通过交换矩阵转发
路由器的基本功能
1、协议转换
2、选择最优路径
3、分组转发
1、协议转换
支持多种网络协议，可以实现不同协议、不同体系结构网络之间的互连互通。
2、选择最优路径
根据目的网络的不同，选择最优的出口路径。
3. 分组转发
接收数据分组，并根据分组的目的地址将数据包从最优路径端口转发出去，从而实现远程的互连互通；
负责缓冲区管理、拥塞控制、以及转发的公平性，包括应能辨认差错状态；
按要求产生ICMP差错消息；
丢弃生存时间（TTL）域为0的数据分组；
当下一网络MTU较小时将数据分组分段等。
路由器的工作原理
工作站A需要向工作站B传送信息，并假定工作站B的IP地址为10.120.0.5，它们之间需要通过路由器R1、R2、R3、R4、R5，其分布如下图所示。
① 工作站A将工作站B的地址10.120.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给R1。
② 路由器R1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址10.120.0.5，并根据路由表计算出发往工作站B的最佳下一跳路径：
R1-> R2->R5->B
并将数据帧发往路由器R2。
③ 路由器R2重复路由器R1的工作，并将数据帧转发给路由器R5。
④ 路由器R5同样取出目的地址，发现10.120.0.5就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给工作站B。
⑤ 工作站B收到工作站A的数据帧，一次通信过程宣告结束
三、路由器的硬件连接
1．路由器与局域网接入设备之间的连接
2．路由器与Internet接入设备的连接
3．配置端口连接方式
路由器的性能
背板带宽——通常指路由器背板容量或总线能力。
吞吐量——指路由器分组转发能力。
丢分组率——指路由器由于资源缺少在应该转发的数据分组中不能转发的数据分组所占比例。
转发时延——指需转发的数据分组最后一比特进入路由器端口到该数据分组第一比特出现在端口链路上的时间间隔。
路由表容量——指路由器运行中可以容纳的路由数量。
可靠性——指路由器可用性、无故障工作时间和故障恢复时间等指标。
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