Chapter 1 Internetworking
1.Basic Introduction
把一个大的网络分成几个小点的网络称之为网络分段(network segment),这些工作由
routers,switches 和bridges 来完成
引起LAN 拥塞的可能的原因是:
1.太多的主机存在于1 个广播域(broadcast domain)
2.广播风暴
3.多播(multicast)
4.带宽过低
在网络中使用routers 的优点:
1.它们默认是不会转发广播的
2.它们可以基于layer-3(Network layer)的信息来对网络进行过滤
switches 的主要目的:提高LAN 的性能,提供给用户更多的带宽
冲突域(collision domain):Ethernet 术语之1,处于冲突域里的某个设备在某个网段发送数据包,
强迫该网段的其他所有设备注意到这个包.而在某1 个相同时间里,不同设备尝试同时发送包,
那么将在这个网段导致冲突的发生,降低网络性能
bridges 在某种意义上等同与switches,不同的地方是bridges 只包括2 到4 个端口(port),而switches 可以包括多达上百端口.但是相同的地方是它们都可以分割大的冲突域为数个小冲
突域,因为1 个端口即为1 个冲突域,但是它们仍然处在1 个大的广播域中.分割广播域的任务,
可以由routers 来完成
Notice：交换机的每个端口构成一个冲突域， hub只有一个冲突域， router每个接口都是一个广播域和冲突域
2. Internetworking Models
早期各个网络厂商拥有私有网络,不便于同其他厂商的网络进行通讯.于是,在20 世纪70 年代
末期,ISO 组织创建了OSI(Open System Interconnection)参考模型.
OSI 参考模型,用于帮助不同厂家创建可与对方进行协同工作的网络设备和软件等等,最大的
特点是分层.但是它仍然只是个参考模型而非物理模型
Advantages of Refernce Models
OSI 参考模型分层化的优点:
1.允许多厂家共同发展网络标准化组件
2.允许不同类型的网络硬件和软件相互通信
3.防止其中某层的变化影响到其他层,避免牵制到整个模型
3.OSI 参考模型
OSI 参考模型分为7 层2 组;最高3 层定义了端用户如何进行互相通信;底部4 层定义了数据
是如何端到端的传输.最高3 层,也称之为上层(upper layer),它们不关心网络的具体情况,这些
工作是又下4 层来完成
OSI参考模型共有7层
7, Application layer
6, Presentation layer
5, Session layer
4, Transport layer
3, Network layer
2, Data Link layer
1, Physical layer
记忆方法 APSTNDP= all people seems to need data process.
在整个OSI 参考模型上运行的网络设备有:
1.网络管理工作站(NMS)
2.网页和应用程序服务器
3.网关(gateways)
4.网络上的主机(hosts)
OSI 参考模型每层的任务:
1.Application 层:提供用户接口
2.Presentation 层:表述数据;对数据的操作诸如加密,压缩等等
3.Session 层:建立会话,分隔不同应用程序的数据
4.Transport 层:提供可靠和不可靠的数据投递;在错误数据重新传输前对其进行更正
5.Network 层:提供逻辑地址,用于routers 的路径选择
6.Data Link 层:把字节性质的包组成帧;根据MAC地址提供对传输介质的访问;实行错误检测,但是不实行错误更正
7.Physical 层:在设备之间传输比特(bit);定义电压,线速,针脚等物理规范
OSI 参考模型每层的功能:
1.Application 层:提供文件,打印,数据库,和其他应用程序等服务
2.Presentation 层:数据加密,压缩和翻译等等
3.Session 层:会话控制
4.Transport 层:提供端到端的连接
5.Network 层:路由(routing)
6.Data Link 层:组成帧
7.Physical 层:定义物理拓扑结构
Application layer:
Application layer 作为实际应用程序和presentation layer的接口通过某种方式把应用程序的有关信息送达到协议栈的下面各层，它只是应用程序的一个接口，需要处理远程资源时才会起作用,应用层还负责识别并建立想要通信的计算机一方的可用性。
Presentation layer:
表示层因为它的用途而得名，它为应用层提供数据，并负责数据转换和代码的格式化。主要提供数据压缩加密转换服务，例如tiff jpeg midi rtf等…
Session layer:
负责建立，管理和终止表示层实体之间的session连接，他在系统之间协调通信过程，并提供3种不同的方式来组织他们之间的通信 全双工，半双工，单工(full duplex ,half duplex simplex)通信,总之，会话层基本上用来使不同应用程序的数据与其它应用程序的数据保持隔离.
一些Session layer 协议和接口的例子:
1.Network File System(NFS)
2.Structured Query Language(SQL)
3.Remote Procedure Call(RPC)
4.X Window
5.AppleTalk Session Protocol
6.Digital Network Architecture Session Control Protocol(DNA SCP)
Transport layer:
将数据分段并重组为数据流(data stream)。TCP UDP都工作在传输层，当采用TCP/IP协议时，程序开发者可以在这2者之间做出选择。传输层负责为实现上层应用程序的多路复用，建立会话连接和断开虚电路提供机制.通过提供透明的数据传输，他也对高层隐藏了任何与网络有关的细节信息。
1． 流量控制:(flow control)
在传输层通过进行流量控制，以及通过在系统之间允许用户请求可靠的数据传输， 就可以保证数据的完整性。流量控制可以防止在连接的一侧的发送主机使接受主机的缓冲区产生溢出。
缓冲区溢出将导致数据的不完整.如果数据发送方传输数据过快,接受方将数据报(datagrams)暂时存储在缓冲区(buffer)
可靠的数据传输采用了面向连接(connection-oriented)通信方式,保证:
1.接受方接受到被传输的段(segment)以后将发回确认(acknowledge)给发送方
2.任何没有经过确认的段将被重新传输
3.段在达到接受方之前应按照适当的顺序
4.可以进行管理的流控制技术用于避免拥塞,超载(overloading)和数据的丢失
2． 面向连接的通信:( connection-oriented communication)
在可靠的传输层操作中，一个想要传送的设备同过创建会话与远程设备建立连接，通常称为3次握手协议
3次握手协议: (three-way handshake);
1. 第一个”同意连接”数据段用来请求同步，
2. 第二个，第三个数据段用来确认请求，并在主机之间建立连接参数。 这里，接受方的排序也要求进行同步，以便建立双向连接.
3. 最后一个数据段也用来确认。她通知目的主机已同意建立连接，并且已经建立了实际的连接。可以开始数据传输了
当传输数据量过大时，会出现一些问题，某一台机器收到大量的数据包，数度太快，造成缓冲区溢出，最后不得不丢弃随后到来的所有数据包。但不用担心，网络中有流量控制系统，出现这种情况， 接收方会发出一个not ready的信号， 待处理完毕后，又发出 ready，go on的信号，继续传输。 流量控制类型： 窗口机制， 缓冲和拥塞避免.
a. 窗口机制( windowing)
发送方在没有收到确认是，别允许发送的数据段的数量，称为窗口
窗口的尺寸大小控制了有多少信息从一端传向另一端，虽然有些协议以数据包的数量来量化信息，但tcp/ip通过计算字节数来量化信息
b. 确认
为了保证数据传送的不重复性和不被丢失，可以同过“带重传的肯定确认”来实现，方法是要求接收方在收到数据是，发给发送方一个确认信息，来与发送方机器保持通信。 当发送一个数据包时，发送方及其启动一个计时器，在规定时间内，未收到对方确认是， 显示request time out, 重新发送一次
Network layer:
负责设备的寻址，跟踪网络中设备的位置，并决定传送数据的最佳路径。 路由器和3层交换机工作在这个层上。
路由工作原理：首先，接受到一个包，然后检查其目的ip，查询路由表，选择最佳路径，选择一个interface，包就被送到那个端口，并被封装成帧，送出本地网络，如果在路由表里找不到相应的目的网络的表项，则自动丢弃该包。
网络层有2种类型的包(packets)：数据包(data)和路由更新(router update)包，前者，很显然，用来传送用户数据。后者，用来向相邻路由器通知连接到网络的所有路由器的更新信息。这种协议为主动路由协议，如RIP EiGRP OSPF.
路由表：
包含如下信息：
1. Network Address：他们与特定的协议有关的网络地址。
2. Interface ： 当数据包被发送到特定的网络时，数据包将选择一个外出接口
3. Metric ： 指到远程网络的距离。不同的协议度量方式不同。
路由器特点：
1. 屏蔽广播包和组播包(multicast)
2. 使用logic address, 它存在于网络层的报头中，用来决定下一跳(hop)的路由地址
3. 可管理，创建访问列表
4. 可提供第2层的桥接功能，并通过同一个接口传送。
5. 可提供vlan间的连接
6. 提供quality of service(Qos)
Data link layer:
the Data Link layer 负责数据的物理传输,错误检测,网络拓扑和流控制.这个意味着在数据LAN 上将根据硬件地址来进行投递,还要把Network layer 的包翻译成比特用于在Physicallayer 上传输
IEEE 以太网(Ehernet)的Data Link layer 有2 个子层:
1.Media Access Control(MAC)802.3:这层定义了物理地址和拓扑结构,错误检测,流控制等.共享带宽,先到先服务原则(first come/first served)
2.Logical Link Control(LLC)802.2:负责识别Network layer 协议然后封装(encapsulate)数据.LLC 头部信息告诉Data Link layer 如何处理接受到的帧,LLC 也提供流控制和控制比特的编号
Switches and Bridges at the Data Link Layer
第二层的设备switches 被认为是基于硬件的bridges, 因为采用的是1 种叫做application-specific integrated circuit(ASIC)的特殊硬件.ASICs 可以在很低的延时(latency)里达到gigabit 的速度;而bridges 是基于软件性质的.
延时:1 个帧从进去的端口到达出去的端口所耗费的时间
透明桥接(transparent bridging):如果目标设备和帧是在同1 个网段,那么层2 设备将堵塞端口防止该帧被传送到其他网段;如果是和目标设备处于不同网段,则该帧将只会被传送到那个目标设备所在的网段
每个和switches 相连的网段必须是相同类型的设备,比如你不能把令牌环(Token Ring)上的主机和以太网上的主机用switches 混合相连,这种方式叫做media translation,不过你可以用routers 来连接这样不同类型的网络.
在LAN 内使用switches 比使用hubs 的好处:
1.插入switches 的设备可以同时传输数据,而hubs 不可以
2.在switches 中,每个端口处于1 个单独的冲突域里,而hubs 的所有端口处于1 个大的冲突域里,可想而知,前者在LAN 内可以有效的增加带宽.但是这2 种设备的所有端口仍然处于1 个大的广播域里
Physical layer:
the Physical layer 负责发送和接受比特.比特由1 或者0 组成.这层也用于识别数据终端装备
(data terminal equipment,DTE)和数据通信装备(data communication equipment,DCE)的接口
DCE 一般位于服务商(sevice provider)而DTE 一般是附属设备.可用的DTE 服务通常是经由
modem 或者channel service unit/data sevice unit(CSU/DSU)来访问
hubs:其实是多端口的repeaters,重新放大信号用,解决线路过长,信号衰减等问题.
1 个物理星形(star)拓扑结构,实际在逻辑上是逻辑总线(bus)拓扑结构
4. Ethernet Networking
以太网采用1 种争夺(contention) 介质访问方法,这个机制使得在1 个网络上所有主机共享带宽.采用了Physical layer 和Data Link layer 的规范.它采用1 种带冲突检测的载波监听多路访问的(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,CSMA/CD)机制CSMA/CD:帮助共享带宽的设备避免同时发送数据,产生冲突的协议.补偿算法(Backoffalgorithms)用于决定产生冲突的2 台设备何时重新传输数据
CSMA/CD 网络带来的问题:
1.延迟(delay)
2.低吞吐量(throughput)
3.拥塞
Half- and Full-Duplex Ethernet
half-duplex(半双工)以太网:它只采用1 对线缆.如果hubs 与switches 相连,那么必须以半双工的模式操作,因为端工作站必须能够检测冲突.半双工以太网带宽的利用率只为上限的30%-40%
full-duplex(全双工)以太网:采用2 对线缆,点对点(point-to-point)的连接,没有冲突,双倍带宽利用率
全双工以太网可以使用在以下的3 种形式里:
1.switch 和host 相连
2.switch 和switch 相连
3.用交叉线缆(crossover cable)相连的host 和host
自动检测机制(auto-detection mechanism):当全双工以太网端口电源启动时,它先与远端相连,
并且与之进行协商.看是以10Mbps 的速度还是以100Mbps 的速度运行;再检查是否可以采用
全双工模式,如果不行,则切换到半双工模式
Ethernet at the Data Link Layer
4 种类型的以太网帧:
1.Ethernet II
2.IEEE 802.2
3.IEEE 802.3
4.SNAP
Ethernet Addressing
MAC 地址是烧录在Network Interface Card(网卡,NIC)里的.MAC 地址,也叫硬件地址,是由48比特长(6 字节),16 进制的数字组成.0-24 位是由厂家自己分配.25-47 位,叫做组织唯一标志符(organizationally unique identifier,OUI).OUI 是由IEEE 分配给每个组织.组织按高到低的顺序分配1 个唯一的全局地址给每个网卡以保证不会有重复的编号.第47 位为individual/Group(I/G)位,当I/G 位为0 的时候,我们可以设想这个地址是MAC 地址的实际地址可以出现在MAC 头部信息;当I/G 位为1 的时候,我们可以设想它为广播或多播.第46 位叫做G/L 位,也叫U/L 位.当这个位为0 的时候代表它是由IEEE 分配的全局地址;当这个位为1 的时候,代表本地管理地址(例如在DECnet 当中)
I/G G/L OUI 厂商分配
Ethernet Frames
第二层用于把第一层的比特连接成字节,再组成帧(frames)
3 种介质访问方法的类型:
1.争夺(contention),用于在以太网中
2.令牌传递(token passing),用于在FDDI 和Token Ring 里
3.投票(polling),用于在IBM Mainframes 和100VG-AnyLAN 中
循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC):用于错误检测,而非错误更正
隧道(tunneling):把不同类型的帧封装在1 个帧里
Ethernet II 帧:
1.前导(preamble)字段:交替的1 和0 组成.5Mhz 的时钟频率,8 字节,包含7 字节的起始帧分界
符(start frame delimiter,SFD),SFD 是10101011,最后1 个字节同步(sync)
2.目标地址(destination address,DA):6 字节
3.源地址(source address,SA):6 字节
4.类型(type)字段:用于辨别上层协议,2 字节
5.数据(data):64 到1500 字节
6.帧校验序列(frame check sequence,FCS):4 字节,存储CRC 值
802.3 Ethernet 帧:
1.前导(preamble)字段:交替的1 和0 组成.5Mhz 的时钟频率,8 字节,包含7 字节的起始帧分界
符(start frame delimiter,SFD),SFD 是10101011,最后1 个字节同步(sync)
2.目标地址(destination address,DA):6 字节
3.源地址(source address,SA):6 字节
4.长度(length)字段:不能辨别上层协议,2 字节
5.数据(data):64 到1500 字节
6.帧校验序列(frame check sequence,FCS):4 字节,存储CRC 值
802.2 and SNAP
因为802.3 Ethernet 帧没有鉴别上层协议的能力(使用的是length 字段),所以,它需要IEEE 定
义的802.2 LLC 标准来帮它实现这个功能
802.2 帧(SAP):
1.目标服务访问点(dest SAP)字段: 1 个字节
2.源服务访问点(source SAP)字段: 1 个字节
3.控制字段:1 或2 个字节
4.数据:大小可变
1 个802.2 帧是由802.3Ethernet 帧加上LLC 信息组成,这样它就可以辨别上层协议
802.2 帧(SNAP):它有自己的协议来辨别上层协议
1.目标服务访问点(dest SAP)字段: 1 个字节,总为AA
2.源服务访问点(source SAP)字段: 1 个字节,总为AA
3.控制字段:1 或2 个字节,值总为3
4.OUI ID:3 字节
5.类型(type)字段:2 字节,辨别上层协议
6.数据:大小可变
Ethernet @ Physical Layer
一些原始的和扩展的IEEE 802.3 的标准:
1.10Base2:Base 是指基带传输技术,2 指最大距离接近200 米,实际为185 米,10 指10Mbps 的速度,采用的是物理和逻辑总线拓扑结构,AUI 连接器
2.10Base5:5 指最大距离500 米,10 指10Mbps 的速度,采用的是物理和逻辑总线拓扑结构,AUI连接器
3.10BaseT:10 指10Mbps 的速度,采用的是物理星形和逻辑总线拓扑结构, 3 类UTP 双绞线,RJ-45 连接器,每个设备必须与hub 或者switch 相连,所以1 个网段只能有1 台主机
4.100BaseT:100 指100Mbps 的速度,采用的是物理星形和逻辑总线拓扑结构, 5,6 或者7 类UTP2 对双绞线,RJ-45 连接器, 1 个网段1 台主机
5.100BaseFX:100 指100Mbps 的速度,光纤技术,点对点拓扑结构,最大距离412 米, ST 或者SC连接器
6.1000BaseT:1000 指1000Mbps 的速度,光纤技术,点对点拓扑结构,最大距离412 米, 5 类UTP4对双绞线,最大距离100 米
Ethernet 电缆的连接
Straight-Through Cable
直通线用于连接:
1.主机和switch/hub
2.router 和switch/hub
直通线只使用1,2,3,6 针脚,2 端的连法是一一对应
Crossover Cable
交叉线用于连接:
1switch 和switch
2.主机和主机
3.hub 和hub
4.hub 和switch
5.主机与router 直连
交叉线只使用1,2,3,6 针脚,2 端的连法是1 连3,2 连6,3 连1,6 连2
及一端使用T568A一端使用T568B
Rolled Cable
反转线不是用来连接以太网连接的,它是用来连接主机与router 的com 口(console serial port)
的,它采用1 到8 跟针脚,2 端全部相反对应
当主机与router 的console 口用反转线连好后,启动Window 系统里的HyperTerminal 程序即
可对router 进行连接,其配置如下:
1.Bps:9600
2.Data bits:8
3.Parity:None
4.Stop bits:1
5.Flow control:none
Data Encapsulation
封装(encapsulation):把OSI 参考模型每层自己的协议信息加进数据信息的过程,反之叫做解封装
协议数据单元(protocol data units,PDU):数据包括封装进去的信息在OSI 参考模型每层的叫法:
1.Transport layer:segment
2.Network layer:packet 或者datagram
3.Data Link layer:frame
4.Physical layer:bits
Cisco 3-Layers model
Summary:
1. Lan拥塞的原因
2. 理解hub switch router的区别
3. 记住表示层协议：pict tiff jpeg midi mpeg quicktime rtf
4. 面向对象的连接和无连接网路服务的区别
5. OSI模型的各层
6. Ethernet 电缆类型
7. Cisco 3-Layer model