《交換與路由技術(shù)》 課件全套 曹炯清 第1-9部分 學習環(huán)境的搭建- 綜合實訓與技能比賽

第一部分學習環(huán)境的搭建第1章HCL簡介

第2章HCL與OracleVMVirtualBox的關(guān)系實訓1VMVirtualBox的使用

第1章HCL概述第1章HCL概述H3C云實驗室HCL（H3CCloudLab）是一款圖形化界面的全真網(wǎng)絡模擬軟件，用戶可以通過該軟件實現(xiàn)H3C公司多個型號網(wǎng)絡設備的組網(wǎng)，是用戶學習、測試基于ComwareV7平臺網(wǎng)絡設備的必備工具。ComwareV7是H3C公司新一代的網(wǎng)絡設備操作系統(tǒng)。HCL官網(wǎng)下載位置：/cn，首頁>支持>軟件下載>其它產(chǎn)品>華三云實驗室。HCL下載地址二維碼：1.1HCL和VirtualBox的安裝在H3C公司下載的安裝包中包含了H3C公司的HCL模擬器和Oracle公司的VMVirtualBox虛擬機兩個軟件，截止2024年1月，HCL的版本為5.10.1。安裝較為簡單，按照默認安裝即可。1.1HCL和VirtualBox的安裝在HCL的安裝過程中，需要安裝OracleVMVirtualBox軟件，版本為6.0.14，VirtualBox是正確運行HCL所必須的軟件，如圖所示。VirtualBox安裝完成以后，HCL也正常安裝完成了。1.2Wireshark的安裝Wireshark是一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)封裝分析軟件。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)封裝分析軟件的功能是擷取網(wǎng)絡封裝數(shù)據(jù)包，以便進行網(wǎng)絡通信協(xié)議的學習。Wireshark官網(wǎng)下載地址：/download.html。1.3HCL的操作界面在HCL運行之前，我們需要到/home注冊賬號，HCLHub是HCL工程云管理平臺，HCL工程云管理平臺可以幫助我們安全方便地管理、分享HCL工程項目，即注冊賬號以后，我們在本地所做的實驗項目都可以上傳到HCL工程云管理平臺。注冊成功以后，啟動HCL模擬器，使用注冊的HCLHub賬號進行登錄。1.3HCL的操作界面HCL啟動以后，操作界面較為簡單，分為標題和菜單欄區(qū)、快捷操作區(qū)、設備區(qū)、工作臺、抓包接口列表、拓撲匯總區(qū)等，HCL操作界面如圖。1.標題和菜單欄，標題顯示當前工程的信息，菜單欄包含工程、編輯、設置、查看、幫助、法律聲明、收集日志文件和退出8個菜單項。2.快捷操作區(qū)，從左至右包括工程操作、顯示控制、設備控制、圖形繪制、擴展功能五類快捷操作，鼠標懸停在圖標上可以顯示圖標功能提示。1.3HCL的操作界面3.設備區(qū)，從上到下依次為DIY設備（DoItYourself，用戶自定義設備）、路由器、交換機、防火墻、無線設備、主機設備、連線。HCL模擬器目前支持H3C公司的路由器有MSR36-20、VSR-88；交換機有S5820V2-54QS-GE、S6850；防火墻有F1060、F1090；無線設備有WX5500H系列AC（無線控制器）、WA6320型號AP（無線訪問點）；主機設備有本地主機Host、虛擬主機PC、虛擬主機VPCS、遠端虛擬網(wǎng)絡Remote、通過UDP通道方式連接其他軟件或設備的Cloud、基于AlpineLinux的服務器Server、基于Openwrt的服務器Server2、無線終端的Phone。1.3HCL的操作界面連線包括了:Manual手動添加連線自動添加GigabitEthernet（1G以太網(wǎng)接口）連線自動添加Ten-GigabitEthernet（10G以太網(wǎng)接口）連線自動添加Forty-GigabitEthernet（40G以太網(wǎng)接口）連線自動添加Serial（路由器串口）連線自動添加Pos（路由器PacketOverSONET/SDH接口）連線自動添加E1（路由器E1接口）連線自動添加ATM（路由器AsynchronousTransferMode接口）連線1.3HCL的操作界面4.工作臺，用來搭建拓撲網(wǎng)絡的工作區(qū)，可以進行添加設備、刪除設備、連線、刪除連線等可視化操作，并顯示搭建出來的圖形化拓撲網(wǎng)絡。5.抓包列表區(qū)，該區(qū)域匯總了已設置抓包的接口列表，通過右鍵菜單可以進行停止抓包、查看抓取報文等操作。6.拓撲匯總區(qū)，該區(qū)域匯總了拓撲中的所有設備和連線，通過右鍵菜單可以對拓撲進行簡單的操作。第2章HCL與OracleVMVirtualBox的關(guān)系2.1OracleVMVirtualBox簡介Oracle公司的VMVirtualBox是免費的虛擬機軟件，虛擬機軟件意味著可以在同一臺計算機上同時創(chuàng)建和運行多個虛擬機，并且這些虛擬機可以運行不同的操作系統(tǒng)。物理主機與VMVirtualBox虛擬機軟件、虛擬設備之間的關(guān)系如圖2-1所示。在物理主機上安裝VMVirtualBox虛擬機軟件，然后在VMVirtualBox虛擬機軟件中安裝不同的虛擬設備操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在一臺物理主機的硬件條件下，同時運行多臺虛擬設備。2.1OracleVMVirtualBox簡介VMVirtualBox安裝完成以后，會在物理主機上添加一塊虛擬網(wǎng)卡VirtualBoxHost-OnlyEthernetAdapter，默認的IP地址為，如下圖2-2所示。建議不要修改該虛擬網(wǎng)卡的IP地址。2.2HCL與VMVirtualBox的關(guān)系在HCL的默認安裝目錄C:\ProgramFiles(x86)\HCL\version中可以找到HCL網(wǎng)絡設備的虛擬機磁盤文件，文件后綴名為VMDK（VMWareVirtualMachineDiskFormat，虛擬機磁盤格式），如圖所示。2.2HCL與VMVirtualBox的關(guān)系在HCL中添加設備并啟動以后，VMVirtualBox中就會分別產(chǎn)生“正在運行”的虛擬網(wǎng)絡設備，如圖2-4所示。換句話說，HCL模擬器對網(wǎng)絡設備的模擬，其本質(zhì)就是通過VMVirtualBox加載H3C網(wǎng)絡設備的虛擬機磁盤文件（即網(wǎng)絡設備的操作系統(tǒng)），從而實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的模擬運行。實訓1VMVirtualBox的使用實訓任務通過本次實訓任務，熟練掌握VMVirtualBox中創(chuàng)建虛擬機及對虛擬機進行管理。熟練掌握VMVirtualBox中配置虛擬網(wǎng)卡。實訓1VM

VirtualBox的使用實訓步驟1.創(chuàng)建虛擬主機

按照下圖步驟，在VMVirtualBox中新建一臺操作系統(tǒng)為Windows7的虛擬機，該虛擬機取名為Win7-01，創(chuàng)建過程如實訓圖。12實訓1VM

VirtualBox的使用3456實訓1VM

VirtualBox的使用完成Win7-01虛擬機的創(chuàng)建以后，選擇創(chuàng)建好的虛擬機，鼠標右鍵設置，在存儲選項卡中，添加Windows7的操作系統(tǒng)安裝光盤，如實訓圖1-2所示。確定后啟動該虛擬機從而開始安裝該虛擬機的Windows7操作系統(tǒng)，如實訓圖所示。實訓1VM

VirtualBox的使用安裝完成后，即可在VMVirtualBox中啟動一臺操作系統(tǒng)為Windows7的虛擬機Win7-01，虛擬機登錄界面如實訓圖。實訓1VM

VirtualBox的使用登錄進入Win7-01虛擬機后，為了有效測試網(wǎng)絡連通性，務必關(guān)閉Windows7的防火墻，操作過程如實訓圖所示。實訓1VM

VirtualBox的使用如果需要多臺虛擬機，可以在已創(chuàng)建好的虛擬機Win7-01上選擇復制，操作過程如實訓圖所示。復制虛擬機時，取名為Win7-02，同時務必在MAC地址設定中選擇為所有網(wǎng)卡重新生成MAC地址。實訓1VM

VirtualBox的使用2.配置虛擬網(wǎng)絡為了配合HCL中可能需要使用的多臺虛擬機，在VirtualBox中創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡（其本質(zhì)為增加多塊VirtualBoxHost-OnlyEthernetAdapter虛擬以太網(wǎng)網(wǎng)卡），添加完成后的虛擬以太網(wǎng)網(wǎng)卡編號按照#2、#3、#4…順序編排。實訓1VM

VirtualBox的使用同時關(guān)閉所有VirtualBoxHost-OnlyEthernetAdapter的DHCP服務器功能，操作過程如實訓圖所示。實訓1VM

VirtualBox的使用實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通實訓任務:通過本次實訓任務，熟練掌握VPC的配置，熟練掌握Host主機的配置，熟練掌握HCL中的連線方式，實現(xiàn)Host與VPC的主機互通。在HCL中終端設備有三種，分別是本地主機、虛擬主機、遠端虛擬網(wǎng)絡，如實訓圖所示。本地主機Host為HCL軟件與VirtualBox相互連接的主機，后續(xù)實訓教學內(nèi)容中簡稱該類型的本地主機為Host。虛擬主機PC為HCL軟件運行的模擬PC功能的設備，功能過于簡單，只能進行Ping命令的操作，后續(xù)實訓教學內(nèi)容簡稱該類型的虛擬主機為VPC。遠端虛擬網(wǎng)絡Remote，是用于與遠程物理主機上運行的HCL相互網(wǎng)絡連接。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通其中Host與VPC連接的原理如實訓圖所示，HCL模擬器里的VPC連接Host的VirtualBoxHost-onlyEthernetAdapter網(wǎng)卡，在VMVirtualBox里的虛擬機Win7-01也連接VirtualBoxHost-onlyEthernetAdapter網(wǎng)卡，實際上就實現(xiàn)了HCL模擬器里的VPC連接了VMVirtualBox的Win7-01。實訓圖VPC與Host連接實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通實訓步驟:1.構(gòu)建拓撲在HCL中新建一臺Host和一臺VPC，進行手動連線。其中Host選擇VirtualBoxHost-onlyEthernetAdapter網(wǎng)卡，如實訓圖所示。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通連線完成后，添加文本標注，標注VPC的IP地址為，子網(wǎng)掩碼，標注Host的IP地址為，子網(wǎng)掩碼，標注后的拓撲結(jié)構(gòu)如實訓圖。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通2.配置HCL中的VPC啟動HCL中的VPC，選中VPC，鼠標右鍵配置。啟用該VPC的接口后，配置靜態(tài)IP地址，掩碼地址為，然后啟用IP地址，操作過程如實訓圖所示。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通雙擊進入該VPC的命令行界面，輸入“?”，可以查看可執(zhí)行的命令。其中ping為網(wǎng)絡連通性測試指令，如實訓圖所示。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通3.配置VMVirtualBox中的虛擬機啟動VMVirtualBox軟件，選擇Win7-01，鼠標右鍵設置網(wǎng)絡選項卡，選擇VirtualBoxHost-onlyEthernetAdapter，確定后啟動該虛擬機，操作過程如實訓圖。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通進入Windows操作系統(tǒng)之后，設置Win7-01的IP地址為，子網(wǎng)掩碼，配置界面如實訓圖所示。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通4.互通驗證完成以上配置后，在Win7-01下啟動命令行，可以ping通，結(jié)果如實訓圖所示。實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通實訓2HCL中VPC與VirtualBox中虛擬主機互通在HCL中雙擊VPC，可以ping通，結(jié)果如實訓圖。通過以上實訓內(nèi)容，即實現(xiàn)VMVirtualBox的Win7-01與HCL中的VPC相互連通。第2部分網(wǎng)絡技術(shù)基礎知識第3章TCP/IP協(xié)議體系 第4章TCP/IP協(xié)議體系相關(guān)協(xié)議第5章以太網(wǎng)基礎和廣域網(wǎng)基礎實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝第3章TCP/IP協(xié)議體系3.1TCP/IP協(xié)議體系簡介為了解決不同體系結(jié)構(gòu)、不同標準的網(wǎng)絡互聯(lián)問題，國際標準化組織ISO（InternationalStandardsOrganization）于1981年制定了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel）。作為國際標準，OSI/RM規(guī)定了可以互聯(lián)的計算機系統(tǒng)之間的通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議體系是70年代中期美國國防部為其高級研究項目專用網(wǎng)絡ARPANet（AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork）開發(fā)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標準，以它為基礎組建的Internet是目前世界上規(guī)模最大的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡，正因為Internet的廣泛使用，使得TCP/IP協(xié)議體系成為了事實上的網(wǎng)絡通信標準。3.2TCP/IP協(xié)議體系的層次結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議體系和OSI/RM的對比示意圖如圖3-1。TCP/IP協(xié)議體系將網(wǎng)絡劃分為四個層次，分別是網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)絡互聯(lián)層、網(wǎng)絡傳輸層、應用層。3.2TCP/IP協(xié)議體系的層次結(jié)構(gòu)為了便于分析實際網(wǎng)絡，通常在TCP/IP協(xié)議體系的基礎上結(jié)合OSI/RM，將計算機網(wǎng)絡分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。下面簡單介紹各層的主要功能。（1）應用層：應用層確定進程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶的需要（這反映在用戶所產(chǎn)生的服務請求）。（2）傳輸層：傳輸層的任務就是負責主機中兩個進程之間的通信，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆笪摹＃?）網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層負責為不同網(wǎng)絡中的不同主機之間提供通信。在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組或數(shù)據(jù)包。（4）數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層的任務是在兩個相鄰結(jié)點間的線路上無差錯地傳輸幀，每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。（5）物理層：物理層的任務就是透明地傳送比特流，并提供各種物理層標準的網(wǎng)絡接口。3.3TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議分布前面已經(jīng)提到TCP/IP協(xié)議體系是用于計算機通信的一組協(xié)議，而并非幾個協(xié)議，部分協(xié)議分布情況如圖3-2所示。3.3TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議分布表3-1TCP/IP協(xié)議體系中常見協(xié)議協(xié)議/標準/規(guī)范名稱中文含義FTP（FileTransferProtocol）文件傳輸協(xié)議TELNET遠程終端登陸HTTP（HyperTextTransferProtocol）超文本傳輸協(xié)議SMTP（SimpleMailTransferProtocol）簡單郵件傳輸協(xié)議POP（PostOfficeprotocol）郵局協(xié)議DNS（DomainNameSystem）域名系統(tǒng)SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議TFTP（TrivialFileTransferProtocol）簡單文件傳輸協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol）網(wǎng)絡時間協(xié)議TCP（TransmissionControlProtocol）傳輸控制協(xié)議UDP（UserDatagramProtocol）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議IP（InternetProtocol）網(wǎng)際協(xié)議ICMP（InternetControlMessagemnetProtocol）網(wǎng)間控制報文協(xié)議IGMP（InternetGroupManagementProtocol）網(wǎng)間組選報文協(xié)議ARP（AddressResolutionProtocol）地址解析協(xié)議RARP（ReverseARP）逆向地址解析協(xié)議FDDI（FiberDistributedDataInterface）光纖分布數(shù)據(jù)接口HDLC（High-LevelDataLinkControl）高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程PPP（PointtoPointProtocol）點對點協(xié)議FR（FrameRelay）幀中繼SLIP（SerialLineInternetProtocol）串行線路網(wǎng)際協(xié)議IEEE802.3總線訪問控制方法及物理層規(guī)范（CSMA/CD）IEEE802.5令牌環(huán)網(wǎng)訪問控制方法及物理層規(guī)范IEEE802.11無線局域網(wǎng)訪問控制方法及物理層規(guī)范3.3TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議分布其中應用層的協(xié)議分為三類，一類協(xié)議基于傳輸層的TCP協(xié)議，典型的如FTP、TELNET、HTTP、SMTP、POP等，一類協(xié)議基于傳輸層的UDP協(xié)議，典型的如SNMP、TFTP、NTP等，還有一類應用層協(xié)議較少，即基于TCP協(xié)議又基于UDP協(xié)議，典型的如DNS。傳輸層主要使用兩個協(xié)議，即面向連接可靠的TCP協(xié)議和面向無連接不可靠的UDP協(xié)議。網(wǎng)絡層最主要的協(xié)議就是面向無連接不可靠的IP協(xié)議，另外還有ICMP、IGMP、ARP、RARP等協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層根據(jù)不同的網(wǎng)絡環(huán)境，如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等情況，有不同的幀封裝協(xié)議和物理層接口標準。3.3TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議分布TCP/IP協(xié)議體系的特點是上下兩頭大而中間小，應用層和網(wǎng)絡接口層都有多種協(xié)議，而中間的IP層很小，上層的各種協(xié)議都向下匯聚到一個IP協(xié)議中，而IP協(xié)議又可以應用到各種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中，這種結(jié)構(gòu)也可以表明，TCP/IP協(xié)議體系可以為各種各樣的應用提供服務，同時也可以連接到各種各樣的網(wǎng)絡類型，這種漏斗結(jié)構(gòu)是TCP/IP協(xié)議體系得到廣泛使用的最主要原因。針對這樣的結(jié)構(gòu)，可以總結(jié)為“AllOverIP和IPOverAll”，即“所有”基于IP和IP基于“所有”，如圖所示。3.4TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝拆封1.數(shù)據(jù)封裝與拆封在TCP/IP協(xié)議體系中，存在著數(shù)據(jù)的封裝與拆封的過程。3.4TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝拆封由于網(wǎng)絡中很少會出現(xiàn)源主機與目的主機直接連接的情況，源主機和目的主機之間需要通過網(wǎng)絡互聯(lián)設備才能進行通信，這些網(wǎng)絡互聯(lián)設備工作于TCP/IP協(xié)議體系的不同層次。如圖3-5所示。其中數(shù)據(jù)鏈路層設備主要有網(wǎng)橋、交換機等，網(wǎng)絡層設備主要有路由器和三層交換機等。網(wǎng)絡互聯(lián)設備的數(shù)據(jù)封裝和拆封過程3.4TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝拆封2．協(xié)議和協(xié)議三要素（1）協(xié)議的概念從上面數(shù)據(jù)封裝和拆封的過程中可以很容易地理解，發(fā)送方的各層功能實體在各層加上的協(xié)議首部，到達接收方后，接收方的各層功能實體必須可以正確地理解協(xié)議首部,如圖3-6。3.4TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝拆封2．協(xié)議和協(xié)議三要素（2）協(xié)議的三要素協(xié)議所具有的三個要素是：語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式。語義：數(shù)據(jù)傳輸中控制信息的含義。時序：實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑敿氻樞蚝筒襟E。3.4TCP/IP協(xié)議體系的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝拆封3．TCP/IP協(xié)議體系中數(shù)據(jù)封裝的名稱圖3-7是在TCP/IP協(xié)議體系中幾種常見的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和信息單元名稱，物理層處理的信息單元稱為比特流，數(shù)據(jù)鏈路層處理的信息單元稱為數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡層處理的信息單元稱為IP數(shù)據(jù)包，傳輸層處理的信息單元稱為TCP報文或UDP報文。第4章TCP/IP協(xié)議體系相關(guān)協(xié)議4.1IP協(xié)議及特點網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議IP協(xié)議（InternetProtocol）是TCP/IP協(xié)議體系中最核心的協(xié)議，它提供不可靠、無連接的服務，也即依賴其他層的協(xié)議進行差錯控制。圖4-1為IP數(shù)據(jù)包首部格式。（1）版本：占4位，指IP協(xié)議的版本，目前主要使用的IP協(xié)議版本號為4。IP協(xié)議版本6與IP協(xié)議版本4具有不同的首部格式。（2）首部長度：占4位，數(shù)值單位為32位，普通IP數(shù)據(jù)包（沒有任何選項）該字段的值是5。（3）服務類型：占8位，其中前3位為優(yōu)先級位。第8位保留未用。4.1IP協(xié)議及特點（4）總長度：占16位，指整個IP數(shù)據(jù)包的長度，單位為字節(jié)。IP數(shù)據(jù)包最大長度為65535字節(jié)。（5）標識：占16位，用來唯一地標識主機發(fā)送的每一份IP數(shù)據(jù)包。（6）標志：占3位，標志該IP數(shù)據(jù)包是否要求分段。（7）段偏移量：占13位，如果一份IP數(shù)據(jù)包要求分段的話，此字段指明該段距原始數(shù)據(jù)包開始的偏移位置。圖4-1為IP數(shù)據(jù)包首部格式。4.1IP協(xié)議及特點（9）協(xié)議：占8位，指明IP數(shù)據(jù)包所封裝的上層協(xié)議類型。該字段指出此IP數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議，以便目的主機的網(wǎng)絡層將數(shù)據(jù)部分上交給上層哪個實體處理。常見協(xié)議字段值與上層協(xié)議對應關(guān)系如表4-1所示。其中開放式最短路徑優(yōu)先（OpenShortestPathFirst，OSPF）是路由協(xié)議。圖4-1為IP數(shù)據(jù)包首部格式。協(xié)議字段值1261789上層協(xié)議名ICMPIGMPTCPUDPOSPF4.1IP協(xié)議及特點（10）首部校驗和：占16位，首部校驗和只檢驗IP數(shù)據(jù)包的首部，不包括數(shù)據(jù)部分，也就是說TCP/IP體系中的網(wǎng)絡層IP協(xié)議是無法進行數(shù)據(jù)差錯檢查的。（11）源IP地址和目的IP地址：各占32位，用來標明發(fā)送IP數(shù)據(jù)包的源主機地址和接收IP數(shù)據(jù)包的目的主機地址。（12）可選項：占1個字節(jié)到40個字節(jié)不等，用來定義一些任選項，如記錄路徑、時間戳等，實際上這些選項很少被使用。圖4-1為IP數(shù)據(jù)包首部格式。4.2IP地址與子網(wǎng)掩碼IP協(xié)議首部中的IP地址是由0和1組成的32位二進制字符串，IP地址采用點分八位十進制表示方法。IP地址由網(wǎng)絡ID和主機ID兩個部分組成。如圖4-2就是IP地址7，子網(wǎng)掩碼為的具體表示方法，其中網(wǎng)絡ID為，而主機ID為7，這就表明了具有7這個IP地址的主機位于網(wǎng)絡中，在這個網(wǎng)絡中的編號為7。1．IP地址的分類為了適應各種網(wǎng)絡規(guī)模的不同，IP協(xié)議將IP地址劃分為A、B、C、D、E共5類地址，它們分別使用IP地址的前幾位（地址類別）加以區(qū)分，如圖4-3所示。常用的為A、B和C三類。4.2IP地址與子網(wǎng)掩碼2．特殊的IP地址在IP地址中存在一些比較特殊的IP地址，現(xiàn)羅列如下。（1）網(wǎng)絡地址：網(wǎng)絡地址包含了一個有效的網(wǎng)絡ID和一個全“0”的主機ID。例如，地址，子網(wǎng)掩碼為，就表示該網(wǎng)絡是一個A類網(wǎng)絡的網(wǎng)絡地址。（2）廣播地址：當一臺主機向網(wǎng)絡上所有的主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生了廣播。IP協(xié)議的廣播地址有兩種形式，一種叫直接廣播，另一種叫有限廣播。（3）環(huán)回地址：即Loopback地址，環(huán)回地址網(wǎng)段是一個保留地址，用于網(wǎng)絡軟件測試以及本地主機進程間通信。（4）私有地址：又稱為內(nèi)部地址、專有地址，地址范圍為～55、～55、～55都屬于私有地址。4.2IP地址與子網(wǎng)掩碼4.3IP子網(wǎng)1.IP子網(wǎng)劃分當一個組織申請了一段IP地址后，可能需要對IP地址進行進一步的子網(wǎng)劃分。例如，某個規(guī)模較大的公司申請了一個B類IP地址，如果采用B類標準子網(wǎng)掩碼而不進一步劃分子網(wǎng)，那么網(wǎng)絡中的所有主機（最多共65534臺）都將處于同一個直接廣播范圍內(nèi)或有限廣播范圍內(nèi)，網(wǎng)絡中充斥的大量廣播數(shù)據(jù)包將導致網(wǎng)絡最終不可用。另外如果不進行子網(wǎng)劃分的話，就存在著IP地址大量浪費的情況，因為實際上任何一個企業(yè)都很少具有65000多臺主機。解決方案是進行非標準子網(wǎng)劃分。非標準子網(wǎng)劃分的策略是借用主機ID的一部分充當網(wǎng)絡ID。具體方法是采用非標準子網(wǎng)掩碼，而不采用默認的標準子網(wǎng)掩碼。4.3IP子網(wǎng)對于標準的C類網(wǎng)絡來說，標準子網(wǎng)掩碼為，即前24位為網(wǎng)絡ID，后8位為主機ID，該C類網(wǎng)絡可容納254臺主機?，F(xiàn)在，借用2位的主機ID來充當子網(wǎng)絡ID的情形，如圖4-4所示。4.3IP子網(wǎng)2.可變長子網(wǎng)掩碼可變長子網(wǎng)掩碼（VariableLengthSubnetMask，VLSM），規(guī)定了如何在一個進行了子網(wǎng)劃分的網(wǎng)絡中的不同部分使用不同的子網(wǎng)掩碼。這對于網(wǎng)絡內(nèi)部不同網(wǎng)段需要不同大小子網(wǎng)的情形來說非常有效。VLSM實際上是一種多級子網(wǎng)劃分技術(shù)，如圖4-5所示。4.3IP子網(wǎng)3．無類別域間路由提出無類別域間路由（ClasslessInter-DomainRouting，CIDR）的初衷是為了解決IP地址空間即將耗盡的問題。CIDR并不使用傳統(tǒng)的有類網(wǎng)絡地址的概念，即不再區(qū)分A、B、C類網(wǎng)絡地址。在分配IP地址段時也不再按照有類網(wǎng)絡地址的類別進行分配，而是將IP網(wǎng)絡地址空間看成是一個整體，并劃分成連續(xù)的地址塊，然后采用分塊的方法進行分配。4.3IP子網(wǎng)例如，某公司申請到了1個網(wǎng)絡地址塊（共8個C類網(wǎng)絡地址）：/24到/24，為了對這8個C類網(wǎng)絡地址塊進行匯總，采用了新的子網(wǎng)掩碼，CIDR前綴為/21，將這8個C類網(wǎng)絡地址匯總成為/21，如圖4-6所示。4.4TCP協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP協(xié)議（TransmissionControlProtocol）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，該協(xié)議主要用于在源主機和目的主機之間建立一個虛擬連接，以實現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)交換。1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點圖4-7為TCP報文首部（TCP報頭）格式。4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點圖4-7為TCP報文首部（TCP報頭）格式。（1）源端口和目的端口字段：這個端口的含義是傳輸層的邏輯端口，各占2字節(jié)，TCP協(xié)議通過使用“端口”來標識源主機和目的主機的應用進程。如TCP80端口就是WWW服務的端口，TCP21端口就是FTP服務的端口。4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點以下通過圖示來理解傳輸層邏輯端口的概念。源主機需要訪問目的主機的WWW服務（使用HTTP協(xié)議）和FTP服務（使用FTP協(xié)議），目的主機的WWW服務由X進程提供，而FTP服務由Y進程提供，源主機訪問WWW服務的進程為進程A，訪問FTP服務的進程為進程B，即進程A需要與進程X進行通信，而進程B需要與進程Y進行通信，源主機的IP為，目的主機的IP為，源主機在網(wǎng)絡層封裝的IP數(shù)據(jù)包首部中，源IP地址封裝為，目的IP地址封裝為，這樣網(wǎng)絡層的封裝可以確保源主機發(fā)出的IP數(shù)據(jù)包能夠?qū)ぶ返竭_目的主機。為了確保進程A可以與進程X進行通信，在源主機的傳輸層TCP報文報頭中封裝源端口為1111，目的端口為80；為了確保進程B可以與進程Y進行通信，在源主機的傳輸層TCP報文報頭中封裝源端口為2222，目的端口為21。4.4TCP協(xié)議訪問WWW服務時，源主機與目的主機之間的數(shù)據(jù)通信封裝如下。源主機進程A與目的主機進程X之間通信的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)為：

IP首部

源IP地址→目的IP地址

TCP首部

源端口1111→目的端口80

HTTP協(xié)議報頭

數(shù)據(jù)

目的主機進程X與源主機進程A之間通信的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)為：

IP首部

源IP地址2.2.2.2→目的IP地址1.1.1.1

TCP首部

源端口80→目的端口1111

HTTP協(xié)議報頭

數(shù)據(jù)

訪問FTP服務時，源主機與目的主機之間的數(shù)據(jù)通信封裝如下：

源主機進程B與目的主機進程Y之間通信的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)為：

IP首部

源IP地址1.1.1.1→目的IP地址2.2.2.2

TCP首部

源端口2222→目的端口21

FTP協(xié)議報頭

數(shù)據(jù)

目的主機進程Y與目的源主機進程B之間通信的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)為：

IP首部

源IP地址2.2.2.2→目的IP地址1.1.1.1

TCP首部

源端口21→目的端口2222

FTP協(xié)議報頭

數(shù)據(jù)

4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點以下通過圖示來理解傳輸層邏輯端口的概念。由此可以這么來總結(jié)端口的含義，傳輸層的邏輯端口主要是為了標識應用層的進程。4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點圖4-7為TCP報文首部（TCP報頭）格式。（2）順序號：占4字節(jié)，用來標識從TCP源端向TCP目的端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流，它表示在這個報文段中的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)。（3）確認號：占4字節(jié)，只有ACK標志為1時，確認號字段才有效，它表示的是期望收到對方的下一個報文段數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號。（4）首部長度：占4位，數(shù)值單位為32位，最小值為5，即TCP報文首部長度為5×32位=160位=20Byte,最大值為15，即TCP報文首部長度為15×32位=480位=60Byte。4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點圖4-7為TCP報文首部（TCP報頭）格式。（5）保留字段——占6bit，保留為今后使用，但目前應置為0。（6）標志字段（URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN）：占6位，各位含義如下：緊急比特URG確認比特ACK推送比特PSH復位比特RST同步比特SYN終止比特FIN4.4TCP協(xié)議1．TCP報頭結(jié)構(gòu)及特點圖4-7為TCP報文首部（TCP報頭）格式。（7）窗口大?。赫?字節(jié)，窗口字段用來控制對方發(fā)送的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)（8）校驗和：占2字節(jié)，校驗和字段檢驗的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。（9）緊急指針：占2字節(jié)，緊急指針指出在本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號。（10）可選項：最多40字節(jié)，可能包括“窗口擴大因子”、“時間戳”等選項，實際情況很少使用。4.4TCP協(xié)議2．TCP連接的三次握手與釋放的四次揮手TCP是面向連接的傳輸層協(xié)議，因此在數(shù)據(jù)傳輸之前，就會存在建立TCP連接的過程，數(shù)據(jù)傳輸完成之后，就會存在釋放TCP連接的過程。在網(wǎng)絡術(shù)語中，把TCP建立連接的過程稱為三次握手，而TCP釋放連接的過程稱為四次揮手。4.4TCP協(xié)議2．TCP連接的三次握手與釋放的四次揮手三次握手的目的是使TCP報文的發(fā)送和接收同步，具體步驟示意圖如圖4-9。（1）源主機發(fā)送一個SYN=1（表明請求建立連接）的TCP報文，同時標明初始發(fā)送序號為200。（2）目的主機收到該TCP報文后，如果有空閑，則發(fā)回確認TCP報文，其中ACK=1（表明確認序號有效）、SYN=1（表明同意建立連接），同時標明發(fā)送序號為500，確認序號為期望收到的下一個TCP報文序號201。（3）源主機再回送一個TCP報文，其中ACK=1（表明確認序號有效和表明連接建立），同時標明發(fā)送序號為201，確認序號為期望收到的下一個TCP報文序號501。4.4TCP協(xié)議2．TCP連接的三次握手與釋放的四次揮手

四次揮手的目的是釋放源主機和目的主機的占用資源，具體步驟如圖4-10。（1）源主機發(fā)送一個FIN=1（表明請求釋放連接）的TCP報文，另外包含發(fā)送序號=200、確認序號=500和ACK=1。（2）目的主機接收到釋放連接請求以后，回送一個TCP報文，其中ACK=1，表明同意釋放連接，還包含發(fā)送序號=500、確認序號=201。（3）目的主機再發(fā)送一個FIN=1（表明請求釋放連接）的TCP報文，另外包含發(fā)送序號=501。（4）源主機回送一個TCP報文，其中ACK=1，表明同意釋放連接，還包含發(fā)送序號201、確認序號=502。4.4TCP協(xié)議在Windows系統(tǒng)下，可以使用netstat–an命令查看本機與外部主機的邏輯端口TCP連接情況，如圖4-11所示，其中Established狀態(tài)為建立連接，Listening狀態(tài)為服務端口監(jiān)聽等待連接。4.5UDP協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP協(xié)議（UserDatagramProtocol）是TCP/IP協(xié)議體系中一種無連接傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。圖4-12為UDP報文首部（UDP報頭）格式（1）源端口和目的端口：各占2字節(jié)，作用與TCP報頭中的邏輯端口號字段相同，用來標識源主機和目的主機的應用進程。（2）長度：占2個字節(jié)，用來標明整個UDP報文的總長度字節(jié)。（3）校驗和：占2個字節(jié)，用來對UDP首部和UDP報文的數(shù)據(jù)部分進行校驗。

4.6ARP協(xié)議1．ARP協(xié)議簡介ARP協(xié)議（AddressResolutionProtocol）即地址解析協(xié)議的縮寫。所謂“地址解析”就是主機在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前需要將目的IP地址轉(zhuǎn)換成目的MAC地址的過程。在Windows系統(tǒng)下，可以使用ipconfig/all命令查看本機網(wǎng)卡的MAC地址，如圖所示。4.6ARP協(xié)議1．ARP協(xié)議簡介至此，通過前面的介紹可以了解到在數(shù)據(jù)的封裝過程中，需要有網(wǎng)絡層的地址信息（IP地址）、傳輸層的地址信息（邏輯端口號）和數(shù)據(jù)鏈路層的地址信息（MAC地址）。各層的信息單元名稱和信息單元中的地址信息如下表所示。TCP/IP協(xié)議體系層次信息單元地址信息傳輸層TCP報文、UDP報文TCP邏輯端口、UDP邏輯端口網(wǎng)絡層IP數(shù)據(jù)包IP地址數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀MAC地址4.6ARP協(xié)議2．ARP工作過程ARP協(xié)議的目的是獲取某個IP地址所對應的MAC地址。圖示ARP工作過程4.6ARP協(xié)議3．ARP報文格式ARP報文是被封裝在以太網(wǎng)幀首部中傳輸?shù)?，如圖4-15就是ARP請求廣播的格式，注意ARP并不經(jīng)過IP的封裝。圖示ARP請求協(xié)議報文首部格式

其中各個字段的含義如下：（1）硬件類型：表明ARP實現(xiàn)在何種類型的網(wǎng)絡上。（2）協(xié)議類型：代表解析協(xié)議，這里一般是0800，即IP

協(xié)議，表明要解析IP地址。（3）硬件地址長度：MAC地址長度，此處為6個字節(jié)（48位MAC地址）。（4）協(xié)議地址長度：IP地址長度，此處為4個字節(jié)（32

位IP地址）。（5）操作類型：代表ARP數(shù)據(jù)包類型，0表示ARP請求

數(shù)據(jù)包，1表示ARP應答數(shù)據(jù)包。（6）源MAC地址：發(fā)送端的MAC地址。（7）源IP地址：代表發(fā)送端協(xié)議地址（IP地址）。（8）目的MAC地址：目的端MAC地址（待填充）（9）目的IP地址：代表目的端協(xié)議地址（IP地址）。4.6ARP協(xié)議4．ARP緩沖區(qū)每次解析以后獲得的MAC地址，都會與相應的IP地址存入本機的ARP緩沖區(qū)，以備下次使用，同時為了節(jié)省ARP緩沖區(qū)內(nèi)存，被解析過的ARP條目的壽命都是有限的。如果一段時間內(nèi)該條目沒有被使用，則條目被自動刪除。在Windows環(huán)境中，可以使用命令arp–a查看本機當前的ARP緩存，如圖所示。4.7ICMP協(xié)議1．ICMP協(xié)議簡介IP協(xié)議是一種不可靠的協(xié)議，無法進行差錯控制。但IP協(xié)議可以借助其他協(xié)議來實現(xiàn)這一功能，如ICMP協(xié)議。網(wǎng)間控制報文協(xié)議ICMP協(xié)議（InternetControlMessagemnetProtocol）是TCP/IP協(xié)議體系中的一個子協(xié)議，屬于網(wǎng)絡層協(xié)議，主要用于在主機與路由器之間傳遞控制信息，控制消息是指網(wǎng)絡是否暢通、主機是否可達、路由是否可用等網(wǎng)絡本身的消息。4.7ICMP協(xié)議2．ICMP報文格式ICMP報文被封裝在IP數(shù)據(jù)包內(nèi)部傳輸。IP首部的協(xié)議字段值為1說明封裝的是一個ICMP報文。ICMP報文格式如圖4-17所示，ICMP的首部為8個字節(jié)。4.7ICMP協(xié)議ICMP報文的種類有兩種，即ICMP差錯報告報文和ICMP詢問報文。具體如表4-3。4.7ICMP協(xié)議3．ICMP報文的典型應用

（1）ping命令

源主機發(fā)出ICMP報文類型8（回送請求）到目的主機，如果途中沒有異常（例如被路由器丟棄、目的主機不回應或傳輸失敗），目的主機收到后發(fā)出ICMP報文類型0（回送應答）回到源主機，這樣源主機就可以知道目的主機的存活性和到目的主機的路徑連通性是否正常。4.7ICMP協(xié)議3．ICMP報文的典型應用2）tracert命令路由跟蹤的命令在Windows系統(tǒng)下指令為tracert，在Linux系統(tǒng)下指令為traceroute。tracert過程中，源主機將向目的主機發(fā)送一連串的IP數(shù)據(jù)包，首先源主機發(fā)送第一個IP數(shù)據(jù)包（TTL值設置為1），當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)包到達路徑上的第一臺路由器時，路由器收下后將TTL值減1，由于TTL值為0了，第一臺路由器就將該IP數(shù)據(jù)包丟棄，并向源主機發(fā)送一個ICMP時間超過（類型11）的差錯報告，源主機收到后接著發(fā)送第二個IP數(shù)據(jù)包（TTL值設置為2），該IP數(shù)據(jù)包到達路徑上的第二臺路由器時，第二臺路由器收下后將TTL值減1而變?yōu)?，第二臺路由器就將該IP數(shù)據(jù)包丟棄，并向源主機發(fā)送一個ICMP時間超過（類型11）的差錯報告，以此類推。第5章以太網(wǎng)基礎和廣域網(wǎng)基礎5.1以太網(wǎng)的發(fā)展局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是指在某一地域內(nèi)由多臺計算機互聯(lián)成的計算機組。“某一地域”一般是方圓幾千米以內(nèi)。以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種，在現(xiàn)今局域網(wǎng)技術(shù)中，以太網(wǎng)技術(shù)的應用最為廣泛和普及。電子電氣工程師協(xié)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）的802委員會，經(jīng)過修改并成為了IEEE的正式標準IEEE802.3，傳輸速率10Mbps。1995年，IEEE802.3u發(fā)布，傳輸速度達到了100Mbps。1998年，IEEE802.3z和IEEE802.3ab發(fā)布，傳輸速度達到了1000Mbps（1Gbps）。2002年，IEEE802.3ae發(fā)布，傳輸速度達到了10000Mbps（10Gbps）2010-2015年，IEEE802.3ba、IEEE802.3bm發(fā)布，傳輸速度達到了40Gbps和100Gbps。5.1以太網(wǎng)的發(fā)展OSI/RM的7層體系結(jié)構(gòu)同樣適用于以太網(wǎng)，但以太網(wǎng)只涉及其中的下兩層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，IEEE802.3與OSI/RM的對應關(guān)系如圖5-1所示。（1）為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應多種局域網(wǎng)標準，802委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl，LLC）子層，媒體訪問控制（MediumAccessControl，MAC）子層。（2）與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。圖5-1IEEE802.3與OSI/RM的對應關(guān)系5.2以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)的MAC幀格式有兩種標準，一種是DIX2.0標準，另一種是IEEE802.3標準。圖5-2畫出了這兩種不同的MAC幀格式，實際使用為DIX2.0標準。5.2以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)（1）目的MAC地址：6個字節(jié)的接收方MAC地址，MAC地址又稱為網(wǎng)卡地址、硬件地址。（2）源MAC地址：6個字節(jié)的發(fā)送方MAC地址。在Windows操作系統(tǒng)下使用ipconfig/all指令可以查看本機網(wǎng)卡的MAC地址。（3）類型：2個字節(jié)，DIX2.0幀中的類型字段，表明幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型，如0X0800代表封裝的上層協(xié)議是IP協(xié)議，0X0806代表封裝的上層協(xié)議是ARP協(xié)議。（4）長度：2個字節(jié)，IEEE802.3幀中的長度字段，表明數(shù)據(jù)區(qū)域的長度。（5）數(shù)據(jù)：46—1500字節(jié)，為不定長的數(shù)據(jù)字段。（6）幀校驗（FrameCheckSequence，F(xiàn)CS）：4個字節(jié)，采用32位CRC循環(huán)冗余碼對從“目的MAC地址”字段到“數(shù)據(jù)”字段的數(shù)據(jù)進行校驗，由發(fā)送方計算產(chǎn)生，在接收方被重新計算以確定數(shù)據(jù)幀在傳送過程中是否被損壞。從上面圖2-28中可以看出，無論是DIX2.0的幀還是IEEE802.3的幀，最小幀為64字節(jié)，最大幀為1518字節(jié)。5.2以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)根據(jù)幀的目的地址，可以把幀分為以下三種幀：（1）單播（Unicast）幀（一對一），即目的MAC地址為單一的MAC地址，如00-50-56-C0-3F-01。（2）廣播（Broadcast）幀（一對全體），即發(fā)送給所有站點的幀，也就是目的MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP請求報文就是通過這樣的廣播幀進行發(fā)送的。（3）多播（Multicast）幀（一對多），即發(fā)送給一部分站點的幀。5.3廣域網(wǎng)的概念廣域網(wǎng)是一個地理覆蓋范圍超過局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。因特網(wǎng)Internet就是世界上最大的互聯(lián)網(wǎng)，從下圖中可以看到路由器在整個網(wǎng)絡互聯(lián)中擔負極其重要的角色。5.4廣域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)OSI/RM的7層體系結(jié)構(gòu)同樣適用于廣域網(wǎng)，但廣域網(wǎng)只涉及其中的下三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，圖示按照OSI/RM列舉了廣域網(wǎng)各層的一些常見協(xié)議。1．物理層協(xié)議物理層協(xié)議描述了廣域網(wǎng)如何提供電氣、機械、過程和功能的連接到通信服務提供商。2．數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在每個廣域網(wǎng)連接上，數(shù)據(jù)在通過廣域網(wǎng)鏈路前都被封裝到幀中。3．網(wǎng)絡層協(xié)議著名的廣域網(wǎng)網(wǎng)絡層協(xié)議有X.25的分組層協(xié)議（PacketLevelProtocol，PLP）和TCP/IP協(xié)議體系中的IP協(xié)議等，其中IP協(xié)議是廣域網(wǎng)中網(wǎng)絡層最常使用的協(xié)議。廣域網(wǎng)各層協(xié)議5.4廣域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物理層協(xié)議描述了廣域網(wǎng)如何提供電氣、機械、過程和功能特性連接到通信服務提供商。廣域網(wǎng)物理層描述了數(shù)據(jù)終端設備（DataTerminalEquipment，DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DataCommunicationsEquipment，DCE）之間的接口。表5-1中列舉了常用物理層標準和它們的連接器。5.5PPP協(xié)議1．PPP協(xié)議簡介PPP協(xié)議是從SLIP協(xié)議改進而來的。PPP是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單鏈路設計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。設計目的主要是用來通過撥號或?qū)＞€方式建立點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機、網(wǎng)橋和路由器之間簡單連接的一種共通的解決方案。5.5PPP協(xié)議2．PPP的幀結(jié)構(gòu)PPP的幀結(jié)構(gòu)如圖5-5所示。（1）地址字段：規(guī)定為0xFF，即全為1，這是由于點對點鏈路只有兩者存在。（2）控制字段：規(guī)定為0x03。（3）協(xié)議字段：如果為0x0021，表示數(shù)據(jù)字段為IP數(shù)據(jù)包，若為0xC021，表示數(shù)據(jù)字段為PPP的鏈路控制協(xié)議數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)字段：長度可變，不超過1500字節(jié)。（5）幀校驗字段：采用CRC循環(huán)冗余碼對整個幀進行差錯編碼。5.5PPP協(xié)議3．PPP鏈路建立過程PPP協(xié)議中提供了一整套方案來解決鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商、驗證等問題。PPP協(xié)議包含這樣幾個部分：鏈路控制協(xié)議（LinkControlProtocol，LCP）、網(wǎng)絡控制協(xié)議（NetworkControlProtocol，NCP）和驗證協(xié)議，其中驗證協(xié)議包括口令驗證協(xié)議（PasswordAuthenticationProtocol，PAP）和挑戰(zhàn)握手驗證協(xié)議（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol，CHAP）。其中，LCP負責創(chuàng)建、維護或終止一次物理連接，NCP負責解決物理連接上運行什么網(wǎng)絡協(xié)議以及解決上層網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)生的問題，而驗證協(xié)議則用于網(wǎng)絡安全方面的驗證。5.5PPP協(xié)議4．驗證方式（1）PAP協(xié)議PPAP驗證的特點是兩次握手驗證，過程為明文，由被驗證方發(fā)起。過程如圖5-6所示。被驗證方發(fā)送用戶名和口令到驗證方。驗證方根據(jù)用戶配置查看是否有此用戶名以及口令是否正確，然后返回不同的響應。圖5-6PAP驗證5.5PPP協(xié)議4．驗證方式（2）CHAP協(xié)議CHAP驗證的特點是三次握手驗證，過程為密文，由驗證方發(fā)起。過程如圖5-7所示。驗證方向被驗證方發(fā)送一個挑戰(zhàn)（含有加密的用戶名）。被驗證方針對接收到的挑戰(zhàn)向驗證方返回一個響應（含有加密的口令）。驗證方根據(jù)收到的響應決定驗證是否通過，然后返回接收或拒絕的響應。圖5-7CHAP驗證實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓任務：通過本次實訓任務，使用Wireshark工具軟件進行數(shù)據(jù)抓包，對TCP/IP協(xié)議體系中的常見IP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、以太網(wǎng)幀等進行捕獲和分析。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：1.抓包準備在本實訓中我們捕獲網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)，并進行分析，為了捕獲一個本機與固定IP地址之間的通信，我們首先使用域名解析指令獲得一個Internet上的固定IP地址。在實驗主機的命令行下，輸入域名解析指令nslookup，獲得的服務器IP地址為3。如實訓圖。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：2.配置Wireshark捕獲過濾器（1）打開Wireshark抓包軟件，選擇需要進行捕獲數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)卡，并輸入捕獲過濾器。捕獲過濾器為host3andport80andhttp，即捕獲與IP地址為3、邏輯端口為80、應用協(xié)議為http的通信數(shù)據(jù)，然后啟動抓包，如實訓圖所示。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：（2）打開瀏覽器，輸入，訪問網(wǎng)站服務器，如實訓圖所示。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：（3）捕獲結(jié)果Wireshark捕獲的結(jié)果如實訓圖所示。其中序號為1、2、3的分組數(shù)據(jù)封裝為TCP三次握手的過程。分組4為本機向服務器請求網(wǎng)站頁面的數(shù)據(jù)封裝。實訓圖Wireshark捕獲結(jié)果實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：3.分析捕獲結(jié)果（1）認識捕獲的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)雙擊分組4，其結(jié)構(gòu)如實訓圖所示，依次找到以太網(wǎng)幀頭、IP協(xié)議首部、TCP協(xié)議首部、HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：3.分析捕獲結(jié)果（2）分析以太網(wǎng)幀首部根據(jù)實訓圖，依次找到以太網(wǎng)幀頭中的目的MAC地址、源MAC地址、類型。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：3.分析捕獲結(jié)果（3）分析IP協(xié)議首部根據(jù)圖實訓圖，依次找到IP協(xié)議首部的各個字段。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：3.分析捕獲結(jié)果（4）分析TCP協(xié)議首部根據(jù)實訓圖3-8，依次找到TCP協(xié)議首部的各個字段。實訓3Wireshark下抓包分析數(shù)據(jù)封裝實訓步驟：3.分析捕獲結(jié)果（5）分析TCP三次握手的過程針對分組1、分組2、分組3，根據(jù)實訓圖，分析TCP建立連接的三次握手過程。第3部分交換機基礎第6章交換機工作原理 第7章交換機配置基礎實訓4交換機管理安全配置實訓5使用FTP方式備份配置文件和系統(tǒng)第6章交換機工作原理ABCD6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)6.3交換機的主要性能指標6.2交換機工作原理和廣播域6.4交換機的分類第6章交換機工作原理6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)1.共享式以太網(wǎng)和CSMA/CD在早期的以太網(wǎng)中，多站點共享同一信道，站點間通信采用廣播方式，易發(fā)生信號沖突。這種情況就如同在開圓桌會議一樣，只能一個人說話而其他人聽，如果很多人同時說話就會雜亂而產(chǎn)生沖突，因為大家是共享信道，另外相互對話的是某兩個人，相互說話都帶有地址信息，所有的人都會收到，只有對話雙方會進行相互回應，而其他人都會丟棄該信息，因為大家的通信方式是廣播式通信，如圖6-1所示。在這里需要強調(diào)的是信號、數(shù)據(jù)的區(qū)別，信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表現(xiàn)方式，而網(wǎng)絡中物理層的比特流就是這樣的信號，換句話說就是數(shù)據(jù)只有成為了信號之后才能進行網(wǎng)絡傳輸。6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)1.共享式以太網(wǎng)和CSMA/CD這種共享信道、廣播式通信的以太網(wǎng)簡稱為共享式以太網(wǎng)。圖6-1共享信道廣播式通信6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)1.共享式以太網(wǎng)和CSMA/CD共享式以太網(wǎng)用CSMA/CD技術(shù)（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）來避免和減少信號沖突。CSMA/CD的工作過程如圖6-2所示。CSMA/CD的工作原理可以總結(jié)為“先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽、沖突停止、延時重發(fā)”。CSMA/CD工作過程6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)2.沖突域的概念在早期的以太網(wǎng)中，由于傳輸距離的增加會造成傳輸?shù)谋忍亓餍盘査p，早期以太網(wǎng)使用中繼器和集線器來對信號進行再生放大，從而延長傳輸信號的距離。這種只能對物理層的比特流信號進行再生放大的設備，我們稱之為物理層設備。比特流信號的再生放大6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)2.沖突域的概念值得注意的是，通過中繼器、集線器雖然增強了比特流信號，網(wǎng)絡布線距離得到了延長，但是同樣還是不能有兩臺站點同時發(fā)送比特流信號，因為中繼器、集線器并不能隔離沖突信號，不能隔離沖突信號的原因如圖所示。物理層設備不能隔離沖突6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)2.沖突域的概念圖6-5表明了使用物理層設備中繼器、集線器連接的物理網(wǎng)絡都屬于同一個沖突域，這樣沖突域的網(wǎng)絡中任何一個時間節(jié)點都只能是一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)、一個站點接收數(shù)據(jù)，而不能同時多個站點進行數(shù)據(jù)傳輸，例如在圖6-5中A發(fā)數(shù)據(jù)給B的時候，只能是A發(fā)送、B接收，其他站點C、D都不能進行數(shù)據(jù)傳輸。沖突域的概念6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)3.交換式以太網(wǎng)的產(chǎn)生共享式以太網(wǎng)存在的問題如下：（1）隨著網(wǎng)絡接入站點的增多，沖突增多，線路上數(shù)據(jù)有效傳輸嚴重下降，線路上充斥著大量無效無用的沖突信號，而嚴重影響網(wǎng)絡的性能。（2）網(wǎng)絡的擴大，數(shù)據(jù)流量應該本地化，也就是本地的兩臺站點之間的通信，不應該影響其他站點之間的數(shù)據(jù)通信。（3）由于共享信道廣播式通信，網(wǎng)絡傳輸中數(shù)據(jù)的安全性無法得到保證，容易被竊聽。6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)3.交換式以太網(wǎng)的產(chǎn)生由于共享信道廣播式網(wǎng)絡存在以上的缺點，為了有效地隔離沖突域，即將一個大的沖突域減小為多個小的沖突域，從而減少沖突的發(fā)生，如圖6-6，在1993年局域網(wǎng)內(nèi)可以隔離沖突域的交換設備應運而生，傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)也演變成為了交換式以太網(wǎng)。圖6-6隔離沖突域的思路6.1共享式以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)3.交換式以太網(wǎng)的產(chǎn)生那么交換設備如何隔離沖突域的呢？沖突產(chǎn)生的根本原因在于共享信道，因此隔離沖突域的基本思路就是將共享式以太網(wǎng)的共享信道改變成為交換式以太網(wǎng)的獨享信道，如圖6-7所示，原來使用的中繼器、集線器也演變成了現(xiàn)在使用的交換機。6.2交換機工作原理和廣播域1.交換機的工作原理以太網(wǎng)交換機的英文名稱為“Switch”，工作在OSI/RM模型的數(shù)據(jù)鏈路層，屬于二層設備，這一點與中繼器和集線器完全不一樣，中繼器和集線器工作于物理層，處理的信息單元是比特流信號，而交換機處理的信息單元是數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)幀。6.2交換機工作原理和廣播域1.交換機的工作原理交換機關(guān)鍵的技術(shù)就是交換機可以識別連在網(wǎng)絡上站點的網(wǎng)卡MAC地址，并把它們放到交換機的MAC地址表中。交換機的MAC地址表如圖6-8所示。交換機的MAC地址表6.2交換機工作原理和廣播域1.交換機的工作原理交換機的工作原理示意圖如圖6-9所示。以太網(wǎng)交換機從物理層接收比特流信號，恢復出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀提交給數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行幀校驗等檢查后，根據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀目的MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)。圖6-9以太網(wǎng)交換機工作原理示意圖6.2交換機工作原理和廣播域1.交換機的工作原理交換機工作原理就是五個工作特性，分別是學習源MAC地址、泛洪廣播幀、泛洪未知目的幀、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀和過濾數(shù)據(jù)幀。當交換機接收到一個數(shù)據(jù)幀時，交換機將數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和交換機的MAC地址表進行比較，如果源MAC地址不在MAC地址表中，交換機會將該數(shù)據(jù)幀的源MAC地址加入到MAC地址表中，同時加入的還有接收該數(shù)據(jù)幀的交換機端口號，如果源MAC地址在MAC地址表中，但MAC地址表中對應的端口和接收該數(shù)據(jù)幀的交換機端口不一致，則進行更新MAC地址表中該MAC地址對應的端口號為接收該數(shù)據(jù)幀的交換機端口號。這就是網(wǎng)橋的“學習源MAC地址”特性。如果交換機接收的一個數(shù)據(jù)幀，如果該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF（即該幀為廣播幀），則交換機向除接收該幀的端口以外的所有端口擴散該幀，也就是交換機不能隔離廣播幀，這就是交換機的“泛洪廣播幀”特性。如果交換機接收的一個數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過查MAC地址表，沒有查到該幀目的MAC地址所在端口，則交換機向除接收該幀的端口以外的所有端口擴散該幀，這就是交換機的“泛洪未知目的幀”特性。如果交換機接收的一個數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過查MAC地址表，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀中源MAC地址所處端口和目的MAC地址所處端口相同，則交換機丟棄該幀，這就是交換機的“過濾數(shù)據(jù)幀”特性。如果交換機接收的一個數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過查MAC地址表，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀中源MAC地址所處端口和目的MAC地址所處端口不相同，則交換機從相應端口轉(zhuǎn)發(fā)該幀，這就是交換機的“轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀”特性。在這樣五個特性的共同作用下，經(jīng)過一段時間，交換機的MAC地址表中就收集齊了網(wǎng)絡中所有站點的MAC地址，就可以對數(shù)據(jù)幀進行有序、有目的性地轉(zhuǎn)發(fā)。6.2交換機工作原理和廣播域2.廣播域的概念如圖6-10，交換機可以隔離沖突，但交換機不能隔離廣播幀，也就是網(wǎng)絡中任意一個站點發(fā)送一個廣播幀，整個廣播域中的所有站點都會接收這個廣播幀，交換機的每個端口都為一個沖突域，而交換機的所有端口共同構(gòu)成一個廣播域。圖6-10廣播域和沖突域6.2交換機工作原理和廣播域2.廣播域的概念以下通過表6-1來區(qū)分一下交換機、網(wǎng)橋、中繼器和集線器。表6.1交換機、網(wǎng)橋、中繼器、集線器區(qū)分6.3交換機的主要性能指標交換機的主要性能指標集中在端口參數(shù)、交換容量、包轉(zhuǎn)發(fā)率、轉(zhuǎn)發(fā)模式、支持特性等五個方面，以下表6-2羅列了H3CS5820V2-54QS-GE交換機的主要性能指標。表6-2交換機主要性能指標6.3交換機的主要性能指標1.端口參數(shù)一般情況下，對于網(wǎng)絡設備工作在OSI/RM數(shù)據(jù)鏈路層的連接適配口我們稱之為端口，對于工作在OSI/RM網(wǎng)絡層的連接適配口我們稱之為接口，換句話說，如果這個連接適配口不能配置IP地址，我們稱之為端口，如果這個連接適配口可以配置IP地址，我們稱之為接口。H3CS5820V2-54QS-GE為三層交換機，當連接適配口工作在二層的時候，我們稱之為端口，當連接適配口工作在三層的時候，我們稱之為接口。交換機可以提供大量的網(wǎng)絡連接端口，交換機上的端口主要分為三種，一種是用于交換機管理所用，一種是用于雙絞線連接，一種是用于光纖連接。6.3交換機的主要性能指標2.交換容量交換容量也叫背板帶寬、交換帶寬，是交換機接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間所能吞吐的最大數(shù)據(jù)量。交換容量標志了交換機總的數(shù)據(jù)交換能力，單位為Gbps或Tbps。一臺交換機的交換容量越高，所能處理數(shù)據(jù)的能力就越強，bps即bit/秒。6.3交換機的主要性能指標3.包轉(zhuǎn)發(fā)率包轉(zhuǎn)發(fā)率標志了交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包能力的大小。單位一般位pps（包每秒），一般交換機的包轉(zhuǎn)發(fā)率在幾十Kpps到幾百Mpps不等。包轉(zhuǎn)發(fā)速率是指交換機每秒可以轉(zhuǎn)發(fā)多少百萬個數(shù)據(jù)包（Mpps），即交換機能同時轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。包轉(zhuǎn)發(fā)率以數(shù)據(jù)包為單位體現(xiàn)了交換機的交換能力。6.3交換機的主要性能指標4.轉(zhuǎn)發(fā)模式交換機的轉(zhuǎn)發(fā)模式主要有直通方式、存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式、碎片隔離方式三種方式，現(xiàn)在大部分的交換機產(chǎn)品都為存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。直通方式：交換機只檢查數(shù)據(jù)幀的幀頭（通常只檢查14個字節(jié)），不進行幀校驗，不但正常幀，而且可能存在的殘幀、超長幀、錯誤幀都會被轉(zhuǎn)發(fā)。存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式：交換機將收到的數(shù)據(jù)幀緩存起來，然后對幀校驗序列FCS進行幀校驗，只有正常幀被轉(zhuǎn)發(fā)，而殘幀、超長幀、錯誤幀都會被丟棄。碎片隔離方式：交換機只判斷收到的數(shù)據(jù)幀是否足夠64個字節(jié)，正常幀、超長幀、錯誤幀被轉(zhuǎn)發(fā)，而殘幀會被丟棄。殘幀為小于64字節(jié)的幀，超長幀為超過1518字節(jié)的幀。6.3交換機的主要性能指標5.支持特性交換機的支持特性非常多，主要是針對于交換機實際應用場景所符合的國際性標準和企業(yè)標準而定，如對生成樹技術(shù)、虛擬局域網(wǎng)VLAN技術(shù)、鏈路聚合技術(shù)等方面的支持。通常情況下，性能越優(yōu)異的交換機設備支持特性也就越多，相關(guān)的一些支持特性我們在后續(xù)內(nèi)容中進行介紹。6.4交換機的分類交換機的分類標準多種多樣：如根據(jù)傳輸速度劃分，可以分為百兆交換機、千兆交換機、萬兆交換機等。如根據(jù)規(guī)模應用劃分，可以分為企業(yè)級交換機、部門級交換機、工作組交換機等。如根據(jù)架構(gòu)特點劃分，可以分為機架式、帶擴展槽固定配置式、不帶擴展槽固定配置式等。如根據(jù)OSI/RM工作層次劃分，可以分為二層交換機、三層交換機、四層交換機等。如根據(jù)是否可管理，可以分為可管理型交換機、不可管理型交換機等。6.4交換機的分類以下我們根據(jù)交換機最流行的分類方法——網(wǎng)絡整體規(guī)劃分層設計來劃分。按照網(wǎng)絡整體規(guī)劃分層設計，交換機可以分為接入層交換機、匯聚層交換機和核心層交換機，如圖所示。接入層、匯聚層、核心層交換機6.4交換機的分類以下以H3C公司產(chǎn)品為例，對于大型園區(qū)網(wǎng)絡而言，如S10500系列、S7600系列、S7500系列、S6500系列等均可作為核心層交換，如S5800系列、S5500系列、S5170系列、S5150系列、S5130系列、S5120系列、S5110系列、S5000系列等均可作為匯聚層交換，如S3600系列、S3100系列、S2600系列、S1800系列、S1600系列等均可作為接入層交換，當然如果網(wǎng)絡規(guī)模有限，那么匯聚層交換也可以作為核心層交換。如圖6-13為H3CS10500系列以太網(wǎng)核心交換機。圖6-13H3CS10500系列以太網(wǎng)核心交換機項目7交換機配置基礎7.1交換機外觀和端口命名方法1．交換機的外觀以下以HCL模擬器中的交換機S5820V2-54QS-GE為例進行介紹，S5820V2-54QS-GE是H3C公司的S5820V2系列中的一個型號，S58