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计算机网络基础网络互联设备网络传输介质
一、计算机网络基础
1、ENIAC#xff1a;世界上第一台计算机的诞生 1946年2月14日#xff0c;宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台计算机#xff0c;名为电子数字积分计算机#xff08;ENIAC…数据参考CISP官方
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计算机网络基础网络互联设备网络传输介质
一、计算机网络基础
1、ENIAC世界上第一台计算机的诞生 1946年2月14日宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台计算机名为电子数字积分计算机ENIAC。这台计算机主要被美国国防部用于弹道计算。尽管ENIAC体积庞大、功耗高、发热也高但它的诞生具有划时代的意义。ENIAC奠定了计算机的发展基础标志着电子计算机时代的到来。ENIAC能够完成复杂的数学和科学计算任务为科学研究和军事应用提供了巨大的计算能力。这台计算机的成功推动了计算机技术的进一步发展并为后来的计算机设计和制造打下了基础。 2、计算机网络的发展与定义 早期的计算机由于体积庞大、价格昂贵因此只能少数大学或实验室拥有并且一个时间段只能一个用户进入机房中使用这使得计算机的应用难以推广。为了解决应用上存在的问题技术人员设计将多个计算机终端经过通信线路与计算机进行连接并且允许多个用户从远程终端操作计算机计算机网络因此诞生。 计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来在网络操作系统网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下实现资源共享和信息传递的计算机系统。
3、阿帕网Arpanet”和“TCP/IP 阿帕网Arpanet是20世纪60年代末美国高级研究计划署ARPA资助建立的一种分组交换网络。它是世界上第一个广域网旨在连接多台计算机并实现共享资源。Arpanet的成功为后来的互联网奠定了基础并促进了计算机之间的信息交流和合作。 TCP/IPTransmission Control Protocol/Internet Protocol是一组用于在计算机网络中传输数据的通信协议。它定义了数据如何在网络中进行分组、传输、路由以及接收方的验证等。TCP/IP是互联网的基础协议支持全球范围内的数据通信和资源共享。它提供了可靠的数据传输、错误检测和纠正、分组排序等功能使得不同类型的计算机和网络可以无缝连接和通信。 开放互连模型OSIOpen Systems Interconnection是国际标准化组织ISO制定的一种参考模型用于描述计算机网络的通信过程。它将通信过程分解成七个层次分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有特定的功能和协议并且通过接口连接到上下层。OSI模型提供了一种标准化的框架使不同厂商的设备和协议可以互相兼容和交互操作。
综合起来阿帕网和TCP/IP为计算机网络的发展打下了基础而开放互连模型则提供了一种通用的参考框架使不同类型的网络能够互操作。这些技术和模型的发展为现代互联网的构建和运作提供了重要的支持和指导。 4、计算机网络分类 随着计算机网络的发展它已经向综合化、多样化和高速化方向迈进。越来越多的设备被接入网络互联网与现实社会之间的融合也变得越来越紧密。互联网的发展形成了一个被称为网络空间的虚拟环境其中人们进行信息交流、资源共享和社交互动。
计算机网络通常可以根据其覆盖范围和用户类型进行分类。
根据覆盖范围可以将计算机网络分为以下几类 广域网Wide Area NetworkWAN广域网覆盖范围较广通常跨越多个地理位置比如城市、国家甚至是全球。广域网通过各种传输媒介如光纤、卫星连接多个局域网或城域网实现跨地区的通信和数据传输。 城域网Metropolitan Area NetworkMAN城域网覆盖范围介于广域网和局域网之间通常涵盖一个城市或城市范围的区域。它提供了较高的传输速度和可靠性以满足城市内部的通信需求。 局域网Local Area NetworkLAN局域网覆盖范围较小通常限定在一个建筑物、办公室或校园内部。局域网通过以太网等通信技术连接多台计算机和设备实现高速数据传输和资源共享。
根据用户类型可以将计算机网络分为以下两类 公众网公众网是指向广大公众提供服务的互联网它通过公共基础设施和通信服务提供商进行连接和访问。公众网允许用户访问互联网上的各种资源如网站、电子邮件、社交媒体等。 专用网专用网是为特定组织或个人定制的私有网络通常在组织内建立和管理。它可以提供更高的安全性和定制化的功能用于实现组织内部的通信、数据共享和应用服务。
5、计算机网络拓扑结构和组成要素
计算机网络的结构称为网络拓扑结构是计算机或设备通过传输介质连接的物理模式。
网络单元用以连接计算机网络的节点
转换和交换信息的转节点 (交换机、集线器、路由器访问节点 (计算机终端、移动终端、服务器、跳板机)
链路两个节点间的连线通常是连接不同节点的传输介质
计算机网络拓扑结构
总线型拓扑所有节点都连接在一条共享的传输介质上如以太网。节点通过在总线上发送和接收数据来进行通信。
星型拓扑所有节点都直接连接到一个集线器、交换机或路由器等中心节点。中心节点负责转发数据并协调通信。
星型拓扑是多个访问节点通过通信链路连接到一个中央节点进行相互通信组成的结构中央节点根据集中的通信控制策略对不同访问节点的访问进行管理和控制。星型拓扑结构简单连接方便管理和维护都较为容易并且扩展性强是目前应用最广泛的网络结构。星型拓扑结构局限性对中央节点可用性和可靠性要求较高在高要求的网络中通常采用对中央节点设备进行双击备份的安全措施。 环型拓扑每个节点都与相邻的节点直接连接形成一个闭合的环路。数据通过环路从一个节点传输到另一个节点。
树型拓扑节点以树状结构连接有一个根节点作为顶级节点分支节点连接到其他节点。数据从根节点开始传输并沿着树的分支传递。
网状拓扑所有节点之间都直接连接形成一个复杂的网状结构。这种拓扑结构具有冗余连接提供了高可靠性和冗余路径。
混合型拓扑将多种拓扑结构组合使用形成复合的网络结构。例如将多个星型拓扑或环型拓扑相互连接。
7、无线局域网
无线局域网WLAN是一种通过无线信道进行通信的网络技术它将无线通信技术与网络技术相结合。目前最广泛应用的无线局域网协议是802.11系列标准。
在无线局域网中有几个重要的组成部分 无线接入点Access PointAP它是连接无线工作站和无线局域网的设备提供无线信号的发射和接收功能。 服务集标识Service Set IdentifierSSID它用于标识无线网络可以将无线局域网划分为几个需要不同身份验证的子网络。每个子网络可以设置独立的身份认证、安全策略和访问权限。 信道它是数据信号在无线网络中传输的通道通常使用13个信道。为了避免信号之间的干扰设备应该尽量使用不同的信道。
无线局域网具有灵活性和便利性使得用户可以通过无线方式连接到网络实现移动办公和无线互联等应用。然而由于无线信号的特性如受限的传输距离和易受干扰对于无线局域网的设计和部署需要合理安排设备位置、信道选择和安全策略以实现稳定、高效的无线通信。 胖 “/” 瘦 AP
最早的AP都是能独立工作的但相互之间无法协调 (比如:工作信道等。有厂商将其管理功能上移至一个管理设备AP仅负责无线接入和二层数据处理功能。一般把这种功能简化、不能独立工作的AP称为“瘦AP或“集中控制型AP”把管理“瘦AP的设备称为AC ( AP ControllerAP控制器。对应的把功能齐备、能独立工作的AP称为胖AP”。AC 瘦AP的组网架构适用于AP较多的场景。AC能统一管控、配置各个瘦AP瘦AP可以做到即插即用 (相关参数都可以从AC处获取)。其缺点是AC基本只能管理同厂商的瘦AP且组网成本较高。市场上的家用无线路由器大多都是“胖AP有些同时支撑胖AP和瘦AP功能。
8、无线局域网安全防护
安全管理
结合组织机构业务需求对无线局域网的应用进行评估制定使用和管理策略;限制无线局域网的使用范围例如仅用于互联网资料查询和日常办公应用明确定义并限制无线局域网的使用范围尽量不在无线网络中传输和处理机密和敏感数据。
安全技术
为访客设立独立的接入网段并在无线局域网与业务网之间部署隔离设备对无线局域网接入使用安全可靠的认证和加密技术如果有必要可以使用其他增强认证机制部署入侵检测系统以发现可能的攻击并定期对无线局域网安全性进行审查。
二、网络互联设备 为了实现设备之间的相互通信和资源共享不仅需要从物理上将网络连接起来还需要解决两个网络之间相互访问和通信协议方面的差异处理速率与带宽的差别等问题这些用于连接设备、网络及进行相互协商、转换的部件就是网络互联设备。
常见的网络互联设备
网卡Network Interface CardNIC: 网络接口卡Network Interface CardNIC也被简称为网卡。它是计算机或其他网络设备上的适配器用于与其他计算机或网络设备进行通信。不同类型的网络接口卡针对不同类型的网络设计如以太网、令牌环网、FDDI或无线局域网等。每个网卡都有一个唯一的48位串行号也称为物理地址或MAC地址Media Access Control Address。MAC地址被写在网卡上的只读内存ROM中并由电气电子工程师协会IEEE负责分配给网卡制造商。MAC地址在计算机网络通信中用作寻址机制。在OSI七层模型中网卡工作在第二层即数据链路层。数据链路层负责在相邻节点之间传输数据帧并实现了一些数据链路控制和错误检测功能。MAC地址也是网络通信中二层的地址。
中继器Repeater
中继器是一种连接网络线路的设备它在两个网络节点之间承担物理信号的双向转发工作。由于信号在传输线路中会有损耗和衰减因此数字信号或模拟信号只能传输有限的距离。中继器通过复制、调整和放大传输的数据信号来延长网络中信号传输的距离。理论上中继器的使用是无限的。然而在实际情况下网络标准规定了信号的延迟范围中继器只能在这个范围内有效工作否则可能会引起网络故障。在实际生产环境中许多网络限制了在同一对工作站之间可以加入的中继器数量例如在以太网中通常限制最多使用4个中继器。中继器的功能主要集中在物理层包括信号的复制、放大等操作。它没有智能判断功能只是简单地对信号进行处理和转发。
集线器Hub
集线器也称为HUB的工作原理与中继器相似它是一个多端口的设备将一个端口上接收到的数据广播发送到其他所有端口上。集线器也是工作在物理层的设备。它的主要作用是通过广播方式将数据传输到所有连接的设备上所有设备都能接收到这些数据。然而集线器没有智能判断功能不能根据目标设备的地址进行有针对性的转发因此会增加网络上的冲突、碰撞和带宽浪费。
网桥Bridge
网桥也叫桥接器是一种存储/转发设备用于连接两个局域网。网桥可以将一个大的局域网分割成多个网段或者连接两个或多个局域网使得不同网段上的用户可以相互访问。网桥工作在数据链路层它需要分析数据帧的地址字段以决定将收到的数据帧转发到哪个网络。网桥可以用于运行相同高层协议的设备之间的通信并且可以连接使用不同传输介质的网络。
交换机Switch 交换机是一种用于电信号或光信号转发的网络设备。它是一种多端口的网桥为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的信号通路。最常见的交换机是以太网交换机它用于在局域网中传输以太网帧。此外还有电话语音交换机、光纤交换机等其他类型的交换机用于不同类型的数据传输。交换机作为一种网络扩容设备能够为子网提供更多的网络接口从而连接更多的计算机。它具有高性价比、高灵活度、简单易实现等优点已经成为网络中最重要的组网设备之一。通过交换机的使用可以实现更高的数据传输速率、更低的延迟和更可靠的连接提升网络的性能和效率。
交换机的物理分层方式 接入层接入层位于网络的边缘直接连接终端设备如计算机、IP电话、无线接入点等到局域网。接入层交换机通常具有较少的端口数和较低的转发能力主要起到连接用户端设备的作用并将数据流量转发到上层的汇聚层。 汇聚层汇聚层是将来自多个接入层交换机的数据流量进行集中管理和转发的地方。它通常位于接入层和核心层之间具备更强大的转发能力和更多的端口数量。汇聚层交换机可以对不同接入层的数据进行聚合实现不同子网之间的互连并提供一定程度的策略控制和安全性。 核心层核心层是网络的中枢负责处理大量的数据流量并实现高速的转发。核心层交换机通常具有更高的端口密度、更快速的转发能力和更复杂的路由功能。它连接各个汇聚层并提供高可靠性、高带宽的互联。
冲突域是数据必然发送到的区域 冲突域Collision Domain在以太网中当多个设备同时发送数据导致数据碰撞时这些设备组成了一个冲突域。在以太网中使用集线器Hub连接设备会导致冲突域扩展。因为集线器是无智能的信号驱动器它将所有接收到的信号广播给所有连接的设备这种情况下可能会发生冲突。 广播域Broadcast Domain广播域是指可以收到广播帧的所有设备的范围。在以太网中广播帧会被交换机Switch所转发从而限制了广播帧的范围。交换机只会将广播帧发送到与目标设备相关的接口而不是广播到整个网络。 交换机与集线器与集线器不同交换机是有智能的网络设备。它根据MAC地址表将数据流量从源端口转发到目标端口实现了数据的直接点对点传输从而有效隔离了冲突域。交换机能够学习并记住设备的MAC地址只将数据转发到目标设备所在的端口避免了冲突。因此使用交换机组成的网络中各个接口下的设备属于不同的冲突域。 路由器与广播域与交换机不同路由器是工作在网络层的设备可以连接不同的广播域即子网。路由器通过转发表决定将数据包从一个广播域转发到另一个广播域从而实现了广播域之间的隔离。因此路由器可以隔离不同广播域中的广播和多播数据流量。
交换机和集线器的区别 功能交换机是基于MAC地址进行数据转发的多端口设备能够根据目标设备发送数据实现点对点传输仅接收方接收到数据。而集线器则在物理层上工作简单地将接收到的信号广播到所有连接的设备上所有设备都可以看到其他设备之间的通信。 冲突域使用交换机连接设备时各个接口下的设备属于不同的冲突域因为交换机能够隔离冲突。而使用集线器连接设备时所有连接到集线器的网络节点都会共享同一个冲突域可能导致冲突发生。 网络性能由于交换机能够点对点传输数据并且具备一定的处理能力因此它可以提供更高效、可靠的数据传输减少冲突和碰撞。而集线器的广播性质可能导致网络中的数据冲突增多性能较差。
总而言之交换机相比集线器具有更强大、智能的功能能够提供更优秀的网络性能和隔离冲突的能力。而集线器则是一个简单的物理层设备将接收到的信号广播给所有连接的设备。
路由器Router
路由器是在OSI模型中第三层网络层工作的网络设备。它主要负责在不同的网络之间进行数据包的存储、分组和转发处理。通过构建灵活的连接系统、不同的数据分组和介质访问方式路由器能够将多个网络环境连接在一起。路由器可以连接一个或多个物理网段每个物理网段对应着一个特定的IP地址范围。通过路由表和路由协议路由器能够确定数据包的最佳路径将其从源网络发送到目标网络。这样路由器实现了网络之间的通信和互联。除了数据包的转发功能路由器还具备一些其他的功能例如网络地址转换NAT、防火墙和负载均衡等。这些功能可以增强网络的安全性、可靠性和性能。 交换机和路由器之间有以下几个方面的对比 工作层次交换机工作在数据链路层而路由器工作在网络层。 功能交换机主要负责根据MAC地址进行数据包的转发而路由器则根据IP地址进行数据包的转发并具有更高级的网络管理和路由控制功能。 连接能力交换机适用于连接同一数据链路层协议如以太网的设备而路由器可以连接下三层执行不同协议的网络只要使用相同的网络层协议即可。 寻址机制交换机使用MAC地址作为数据包的寻址机制而路由器使用IP地址作为数据包的寻址机制。 规模和范围交换机通常部署在局域网中用于连接局域网内的多台设备而路由器则用于连接不同局域网或广域网之间构建互联网基础架构。
网关Gateway
网关是一种复杂的网络设备也称为网间连接器或协议转换器。它用于连接网络层之上执行不同协议的子网构建异构型的因特网。网关的主要作用是对不同通信协议、数据格式或语言进行数据转换实现异构网络之间的通信。为了适应目的系统的需求网关需要对数据包进行解包和重构。
由于历史原因过去将网络层使用的路由器称为网关因为基于TCP/IP的局域网大多采用路由器来接入网络。因此通常情况下所指的网关就是路由器。随着技术的进步越来越多的设备提供了类似的功能。例如为了网络安全现在许多系统在网络接入点部署防火墙而防火墙除了提供路由功能之外还作为整个网络接入其他网络的网关。
三、网络传输介质
常见网络传输介质
传输线路是信息发送设备和接收设备之间的物理通路用于传递数据和信号。不同的传输介质具有不同的安全特性和传输性能。下面是一些常见的网络传输介质
1、同轴电缆
同轴电缆由四层组成中心铜线、塑料绝缘体、网状导电层和电线外皮。中心铜线和网状导电层形成电流回路用于数据传输。同轴电缆的显著特点是频带较宽高端频带可达到10GHz在电视信号和信号馈线传输方面具有良好的应用效果。然而同轴电缆使用总线拓扑结构即一根电缆上连接多个设备。当其中一个地方发生故障时会影响到线缆上的所有设备因此可靠性存在不足。此外诊断和修复故障也较为困难。因此在实际应用中同轴电缆逐渐被双绞线或光纤所取代这些传输介质在可靠性和维护方面具有更多优势。 2、双绞线
双绞线由四对不同颜色的传输线组成是目前局域网使用最广泛的互联技术。虽然相对于光纤而言双绞线的传输速率较低抗干扰能力也较差但由于其可靠性高、成本低廉等优点因此在网络通信中得到广泛应用。
为了解决双绞线抗干扰能力差的问题出现了屏蔽双绞线。在屏蔽双绞线中双绞线外包裹了一层金属屏蔽层这样可以减少辐射并阻止外部电磁干扰进入从而使传输更加稳定和可靠。
屏蔽双绞线相对于非屏蔽双绞线来说在抗干扰性能上有明显的改进特别适用于需要在电磁干扰环境下进行数据传输的场景。 随着技术的发展双绞线的传输带宽也在不断扩大。从最初只能用于语音传输的一类线到目前可以达到10Gbps带宽的七类线已经很好地满足了信息化发展的需要。
目前市场上广泛使用的双绞线主要有五类、超五类和六类线缆。一、二、三、四类线缆由于各种原因已经淡出市场。五类线增加了绕线密度外套采用高质量的绝缘材料其线缆的最高频率带宽达到100MHz最高传输率为100Mbps是最常用的以太网电缆。
超五类线主要用于千兆位以太网1000Mbps具有衰减小、串扰少以及时延误差小的特点。
六类线的传输频率范围为1MHz到250MHz其传输性能远超超五类标准适用于高于1Gbps传输速率的应用。
七类线的带宽达到10Gbps可以用于未来的万兆比特以太网。
当涉及到EA/TA的布线标准时有两种常见的线序568A和568B。
568A标准的线序为绿白一-1绿一-2橙白一-3蓝-4蓝白一-5橙-6棕白一-7棕-8。568B标准的线序为橙白一-1橙-2绿白一-3蓝-4蓝白一-5绿一-6棕白一-7棕-8。
其中“橙白”指的是浅橙色或者白线上有橙色的色点或色条的线缆同样“绿白”、“棕白”、“蓝白”也是如此。
需要注意的是目前综合布线一般采用T568A或T568B布线标准。这两种标准的区别在于第二和第三对线对的排列不同而其他线对的排列是相同的。标准的选择需要根据具体的应用需求和网络设备的兼容性来确定。 问题一为什么双绞线是两两缠绕的
双绞线两两缠绕的设计可以降低外界电磁干扰和自身信号对外界的干扰。当两根导线互相绞在一起时干扰信号作用在这两根相互缠绕的导线上是一致的共模信号。在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除从而提取出有用信号差模信号。这种差分传输方式可以有效地抵御外界干扰并提高信号的传输质量。
问题二为什么双绞线是8根线而不是4根线
双绞线采用8根线的设计主要有以下原因 提高传输能力使用8根线可以提供更高的传输带宽和速度适应更高的数据传输需求。在需要高速、大容量数据传输的网络环境下非常重要。 差分传输8根线中的1、2、3、6线用于差分传输将信号分为正极和负极两部分进行传输。差分传输可以提高信号的抗干扰能力和传输稳定性。 备用线和特殊功能4、5、7、8线是备用线在某些情况下可以替换故障的线路。同时当使用POEPower over Ethernet供电时蓝和蓝白线可用作正极而棕白和棕线可用作负极-。
综上所述双绞线采用8根线的设计可以提供更高的传输能力、抗干扰性能和灵活性以满足不同网络应用的需求。
3、光纤
光纤是由纯石英或其他特殊材料制成的细长圆柱体比头发还细。它具有良好的光传导性能可以通过光的全反射原理将光信号在两种材料的界面上不断传输。为了保护光纤的脆弱性通常会在外部加上一层保护层。
光缆则是由多根光纤按照一定方式组合在一起并在外部包覆护套材料构成的通信线路。光缆的设计旨在保护光纤免受机械和环境损害确保信号传输的稳定性和可靠性。有些光缆还会附加外护层以提供额外的保护。
光缆通常用于长距离、高速率的数据传输广泛应用于通信、网络和广播电视等领域。它具有低损耗、抗电磁干扰、大容量传输和安全隔离等优点因此被认为是一种先进的通信传输介质。 光纤通信技术由于其独特的特点在长距离信息传输方面具有许多优势。相比于同轴电缆、双绞线等有线传输技术光纤通信技术具有以下特点 高带宽光纤可以同时传输多个频段的信号提供高带宽和大容量的数据传输能力适应了快速增长的通信需求。 低信号衰减光纤在传输过程中的损耗非常低信号衰减小可以实现更远距离的传输并保持信号质量的稳定性。 免受电磁干扰光纤不受电磁干扰的影响可以在复杂的电磁环境下稳定传输数据提供更可靠的通信质量。 抗腐蚀材料光纤使用的材料通常是抗腐蚀的可以在恶劣的环境条件下使用提高设备的可靠性和寿命。 重量轻相比于传统的金属导线光纤的重量轻使得布线更加方便减小了设备的体积和重量。 不易被窃听光纤传输数据是通过光的方式进行的不会产生电磁泄漏具有较高的安全性不容易被窃听。
然而光纤通信技术也存在一些限制和挑战。其中包括成本较高安装和维护需要专业设备和技术这可能增加了部署和运维的复杂度和成本。此外光纤在弯曲和压力下易受损对环境的限制较大。
总的来说光纤通信技术因其独特的优点在长距离和高速率数据传输方面具有广泛的应用前景并且随着技术的进步和成本的降低光纤通信将在未来得到更广泛的应用。
4、无线传输
无线传输是通过电磁波进行信息交流的通信方式最大的特点是不需要连接线来传输信号。近年来随着无线通信技术的迅猛发展无线通信已广泛应用于各个领域包括WLAN、2G、3G、4G、5G、NB-IoT、LoRa、蓝牙、RFID等。
无线通信的开放性特征给用户带来了通信的自由但同时也带来了一些安全隐患 通信内容容易被窃听由于无线通信使用无线电频谱进行信号传输信号可以在空中被截获和窃听。如果没有适当的加密和安全措施通信内容可能会被不法分子获取。 通信内容可以被更改无线通信的数据包在传输过程中可能被篡改或修改。这可能导致数据的完整性受损甚至引发安全风险和数据泄露。 通信双方身份可能被假冒无线通信网络中存在身份伪造的风险攻击者可能冒充合法的通信参与者以获取敏感信息或进行恶意操作。
为了应对这些安全风险无线通信技术采取了多种安全措施例如 加密通过使用加密算法和密钥对通信内容进行加密和解密确保只有合法的接收方可以对数据进行解密并读取内容。 身份认证通过使用身份验证机制如密码、数字证书等确保通信的双方都是合法的参与者并防止身份冒用。 安全协议在无线通信协议中引入安全协议如SSL/TLS以确保通信过程中的数据传输的机密性和完整性。 安全性监控和漏洞修补对无线通信系统进行监控及时发现和修复可能存在的安全漏洞提高系统的安全性。
需要强调的是无线通信技术的安全性是一个持续的挑战新的安全威胁和漏洞不断出现。因此保障无线通信的安全性需要不断的研究和改进确保用户的通信信息得到保护和隐私得到尊重。
