Linux云计算 |【第二阶段】NETWORK-DAY1

news2024/9/22 5:32:14

主要内容:

计算机网络概述、网络拓扑结构、OSI参考模型、eNSP、交换机及原理

一、计算机网络概述

计算机网络是指将多台计算机或设备通过通信线路连接起来,以便它们能够相互交换信息和共享资源的系统。计算机网络的目的是实现数据通信和资源共享,从而提高工作效率和便利性。

  • 硬件方面:通过线缆将网络设备和计算机连接起来;
  • 软件方面:操作系统,应用软件,应用程序通过通信线路互连;

(实现资源共享、信息传递、增加可靠性、提高系统处理能力)

1、计算机网络的主要组成部分

  1. 节点(Nodes):网络中的计算机、服务器、路由器、交换机等设备被称为节点。它们通过物理或无线连接方式相互连接。

  2. 通信链路(Communication Links):节点之间的物理连接,可以是电缆(如同轴电缆、双绞线、光纤)或无线电波(如Wi-Fi、蓝牙)。

  3. 协议(Protocols):网络中的设备使用一系列规则和标准(称为协议)来确保数据能够正确、安全地传输。常见的网络协议包括TCP/IP、HTTP、FTP等。

  4. 网络操作系统(Network Operating System):管理和控制网络资源的操作系统,如Windows Server、Linux等。

2、计算机网络的类型

  1. 局域网(LAN, Local Area Network):覆盖范围较小的网络,通常在一个建筑物或校园内。LAN的特点是速度快、延迟低。

  2. 广域网(WAN, Wide Area Network):覆盖范围较大的网络,可以跨越城市、国家甚至全球。WAN通常由多个LAN通过路由器和通信链路连接而成。

  3. 城域网(MAN, Metropolitan Area Network):覆盖范围介于LAN和WAN之间,通常在一个城市或大都市区域内。

  4. 个人区域网(PAN, Personal Area Network):覆盖范围非常小,通常在个人使用的设备之间,如通过蓝牙连接的智能手机和笔记本电脑。

  5. 无线局域网(WLAN, Wireless Local Area Network):使用无线通信技术(如Wi-Fi)连接的局域网。

3、计算机网络的拓扑结构

  1. 星型拓扑:所有节点连接到一个中央节点(如交换机),中央节点负责数据传输和控制。

  2. 总线拓扑:所有节点共享一条通信链路,数据通过这条链路传输。

  3. 环形拓扑:节点连接成一个闭环,数据在环中按固定方向传输。

  4. 网状拓扑:每个节点都与其他节点直接连接,提供高可靠性和冗余性。

  5. 混合拓扑:结合两种或多种基本拓扑结构,以满足特定需求。

4、计算机网络的应用

  1. 互联网:全球最大的计算机网络,提供网页浏览、电子邮件、文件传输、在线游戏等服务。

  2. 企业网络:用于企业内部的数据通信和资源共享,支持办公自动化、视频会议、远程访问等。

  3. 数据中心:集中存储和管理大量数据的设施,通过网络提供数据服务。

  4. 物联网(IoT):连接各种智能设备和传感器,实现设备间的自动通信和数据交换。


补充:关于WAN广域网和LAN局域网

广域网(WAN, Wide Area Network)和局域网(LAN, Local Area Network)是两种不同类型的计算机网络,它们在覆盖范围、技术特点、应用场景等方面存在显著差异。以下是WAN与LAN的主要区别:

1. 覆盖范围

  • LAN:局域网覆盖的范围相对较小,通常在一个建筑物、校园或局部区域内。
  • WAN:广域网覆盖的范围较大,可跨越城市、国家甚至全球。WAN通常由多个LAN通过路由器和通信链路连接而成。

2. 传输速度和延迟

  • LAN:由于覆盖范围小,LAN通常具有较高的传输速度和较低的延迟。常见的LAN技术如以太网(Ethernet)可以提供高达千兆(Gbps)甚至万兆(10 Gbps)的传输速度。
  • WAN:由于覆盖范围大,WAN的传输速度通常低于LAN,且延迟较高。WAN的传输速度可以从几兆比特每秒(Mbps)到几十兆比特每秒不等,具体取决于所使用的通信技术和提供商。

3. 技术特点

  • LAN:LAN通常使用共享介质(如同轴电缆、双绞线、光纤)或无线技术(如Wi-Fi)进行连接。常见的LAN协议包括以太网(Ethernet)和无线局域网(WLAN)。
  • WAN:WAN使用多种通信技术,包括数字用户线路(DSL)、电缆调制解调器、光纤、卫星通信、微波通信等。WAN协议通常基于TCP/IP,并使用路由器来连接不同的网络。

二、网络设备及拓扑

  • 网络设备厂商:华为、思科、爱立信...
  • 路由交换设备:路由器(Router)、交换机(Switch)
  • 网络拓扑结构:点对点型、星型及扩展星型、网状型

1)点对点拓扑结构(Point-to-Point Topology)

  • 定义:点对点拓扑结构是指网络中两个节点之间直接相连,形成一对一的连接方式。
  • 特点
    • 结构简单,易于理解和实现。
    • 每个连接只服务于两个节点,带宽和资源不会被其他节点共享。
    • 适用于需要直接、专用连接的场景,如长距离通信、专用线路等。
  • 应用
    • 远程办公室与总部之间的专用连接。
    • 家庭网络中计算机之间的直接连接。
    • 电信运营商之间的国际链路。

2)星型拓扑结构(Star Topology)

  • 定义:星型拓扑结构是指网络中所有节点都连接到一个中央节点(如集线器、交换机),形成星形结构。
  • 特点
    • 中央节点负责数据的中转和分发。
    • 结构简单,易于管理和维护。
    • 单个节点的故障不会影响整个网络,但中央节点的故障会导致整个网络瘫痪。
    • 扩展性强,可以方便地添加或移除节点。
  • 应用
    • 办公室网络,使用交换机连接所有计算机。
    • 家庭网络,使用无线路由器连接所有设备。
    • 小型企业网络,使用核心交换机连接各个部门。

3)网状型拓扑结构(Mesh Topology)

  • 定义:网状型拓扑结构是指网络中每个节点都与其他节点直接相连,形成一个复杂的网状结构。
  • 特点
    • 高度的冗余性和可靠性,单个节点的故障不会影响整个网络。
    • 数据可以通过多条路径传输,提高了网络的容错能力和负载均衡能力。
    • 结构复杂,管理和维护难度较大。
    • 成本较高,需要大量的连接线和设备。
  • 应用
    • 军事网络,需要高度的安全性和可靠性。
    • 数据中心网络,需要高带宽和低延迟。
    • 关键基础设施网络,如电力、交通控制系统。

三、OSI参考模型

OSI开放系统互连(Open System Interconnection)参考模型是一种概念性的框架,用于描述如何在通信系统中实现不同层级的数据传输。这个模型由国际标准化组织(ISO)开发,目的是为了提供一种理解网络通信方式的方法,并为不同的厂商和开发者提供一个共同的参考标准。

  • 分层思想:将复杂的流程分解,进行简单化,更容易发现并针对性解决问题;
  • 从低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层;

每一层都与相邻层进行交互,下层为上层提供服务,而上层则向其下层提出服务请求。通过这种分层结构,复杂的网络通信可以被分解成一系列易于管理的任务。虽然实际的网络实现可能不完全遵循OSI模型,但这个模型仍然是理解和讨论网络通信的基础。

1、OSI将计算机网络体系结构

第7层 应用层((Application Layer)单位:报文Mseeage)

  • 直接与用户交互,提供文件传输、电子邮件、打印等服务。
  • 提供为应用软件而设的接口,以设置与另一应用软件之间的通信。例如: HTTP、HTTPS、FTP、TFTP、NTP、DNS、TELNET、SSH、SMTP、POP3等。

第6层 表达层((Presentation Layer)单位:报文Mseeage)

  • 表达层把数据转换为能与接收者的系统格式兼容并适合传输的格式。
  • 负责数据格式化、加密解密以及压缩解压等功能

第5层 会话层((Session Layer)单位:报文Mseeage)

  • 控制会话的建立、管理和终止,确保数据传输的正确顺序。
  • 负责在数据传输中设置和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接。

第4层 传输层((Transport Layer)单位:数据段Segment)

  • 实现可靠的端到端的数据传输能实现数据分段、传输和组装,还提供差错控制和流量/拥塞控制等功能。例如:传输控制协议(TCP)、用户传输协议(UDP)等。
  • 提供端到端的数据传输服务,并确保数据的可靠性。

第3层 网络层((Network Layer)单位:数据包Packet)

  • 提供路由选择,即选择到达目的的主机的最优路径并沿着该路径传输数据包。网络层还具备功能:路由选择和中继、激活和终止网络连接、链路复用、差错检测和恢复、流量/拥塞控制等。例如:ICMP、IP、ARP
  • 负责路由选择,将数据包从源地址转发到目的地址。

第2层 数据链路层((Data Link Layer)单位:数据帧Frame)

  • 提供节点间的数据帧传输,处理错误检测和纠正,例如以太网协议。
  • 负责链路连接的建立、拆除和分离,差错检测、恢复,链路标识、流量/拥塞控制。将原始的传输线路转变成一条逻辑的传输线路,实现实体间二进制信息块的正确传输,为网络层提供可靠的数据信息。例如以太网、无线局域网(Wi-Fi)和通用分组无线服务(GPRS)等。分为两个子层:逻辑链路控制(logic link control,LLC)子层和介质访问控制(media access control,MAC)子层。例如:VLAN、TRUNK

第1层 物理层((Physical Layer)单位:比特Bit)

  • 定义了物理接口、电气特性、机械特性等,负责实际比特流的传输。
  • 将数据转换为可通过物理介质传送的电子信号,为数据链路层实体提供建立、传输、释放所必须的物理连接并提供透明的比特流传输。包括了针脚、电压、线缆规范、集线器、中继器、网卡、主机适配器等。

2、封装与协议

在网络通信中,“封装”和“协议”是非常重要的两个概念,它们在数据传输过程中扮演着关键的角色。

1)封装 (Encapsulation)

封装是指在数据传输过程中,将高层的数据加上额外的信息(如头部和尾部)来形成一个适合在某一层传输的数据单元的过程。这些额外的信息包含了必要的控制信息,比如地址、校验码等,以确保数据能够正确地传输到目标位置。

封装过程示例:

  1. 应用层生成的数据在向下传递的过程中会被每层加上特定的头部信息。
  2. 当数据到达传输层时,TCP或UDP协议会在数据前面加上自己的头部信息,形成一个段或数据报。
  3. 在网络层,IP协议会将传输层的数据段进一步封装成IP数据包,并添加IP头部。
  4. 数据链路层会对IP数据包再次封装,形成带有MAC地址的帧。
  5. 物理层负责将帧转换为比特流,并通过物理介质传输。

解封装 (De-encapsulation)

当数据包沿着协议栈向上移动时,每一层都会去除自己添加的头部信息,这个过程称为解封装。这是封装的逆过程。

2)协议 (Protocol)

协议是一组规则或约定,它定义了两台设备之间如何交换数据。这些规则包括数据格式、控制信息、错误检测和纠正方法、同步机制等。

协议分类示例:

  • 乘客协议:指的是需要传输的实际数据协议,例如HTTP、FTP、SMTP等。
  • 封装协议:用于建立、维持和拆除数据传输通道,例如L2TP、GRE等。
  • 传输协议:用于在主机之间传输数据,例如TCP、UDP等。

协议示例:

  • TCP/IP协议栈:是一组用于互联网通信的协议集合,包括TCP(传输控制协议)、IP(互联网协议)等。
  • UDP协议:是一种无连接的传输层协议,提供了一种不可靠的服务。
  • IP协议:在网络层负责寻址和路由选择。

3)封装与协议的关系

封装和协议紧密相关,因为每一层的封装通常都会涉及一个或多个协议。例如:

  • 在传输层,TCP协议封装数据成为段,而UDP协议封装数据成为数据报。
  • 在网络层,IP协议封装数据成为IP数据包。
  • 在数据链路层,如以太网协议封装数据成为帧。

综上所述,封装和协议是网络通信中不可或缺的部分,封装保证了数据的正确传输,而协议定义了如何进行封装和解封装。两者共同协作,确保数据能够从源端准确无误地传输到目的端。

四、eNSP软件介绍

eNSP是华为的图形化网络仿真平台,模拟器开启后界面,如图所示:

  • 硬件设备(界面左侧区域),这里有许多种类的硬件设备(路由器、交换机、线缆、终端)
  • 线缆设备连线(闪电符号),Auto-自动连接线,Copper-手动连接线

1)命令行视图

  • 用户视图:<Huawei>
  • 系统视图:[Huawei]
  • 接口视图:[Huawei-Ethernet0/0/1]
  • 协议视图:[Huawei-ospf-1]

视图间转换:quit命令、return命令、快捷键Ctrl+Z(回到用户视图)

例如:

<Huawei>     //用户视图
<Huawei> system-view    //切换系统视图
[Huawei]     //系统视图
[Huawei] interface ethernet0/0/1   //切换接口视图
(interface接口、Ethernet接口类型、0/0/1接口号)
[Huawei-Ethernet0/0/1]    //接口视图
[Huawei] ospf
[Huawei-ospf-1]    //输入相关路由协议命令即可进入到路由协议视图
[Huawei-ospf-1] quit   //退出

2)基本配置

① 配置主机名

<Huawei> system-view
[Huawei] sysname sw1
[sw1]

② 显示VRP版本

<Huawei> display version

③ 查看交换机配置(历史命令)

<Huawei> display current-configuration

④ 关闭/开启日志

[Huawei] undo info-center enable   //关闭日志
Info: Information center is disabled.
[Huawei] info-center enable   //开启日志
Info: Information center is enable.

⑤ 使用账户和密码登录终端

[sw1] aaa    //进入管理账户视图
[sw1-aaa] local-user test01 password cipher 123    //创建账户test01,加密秘密
Info:Add a new user.
[sw1-aaa] quit
[sw1] user-interface console 0    //进入用户控制台
[sw1-ui-console0] authentication-mode aaa    //激活账户

## 按【Ctrl + ]】可直接退出系统,然后测试刚刚创建的账户密码;##

Username:test01     //输入账号
Password:     //输入密码

⑥ 保存交换机配置

<sw1> save     //回答yes

⑦ 重启交换机设置

<sw1> reboot   //回答yes

⑧ 恢复设备出厂默认值

<sw1> reset saved-configuration
<sw1> reboot

⑨ 避免自动退出配置界面(空闲一段事件后默认控制台会话时间为10分钟,重回初始界面)

<sw1> system-view
<sw1> user-interface console 0
<sw1-ui-console0> idle-timeout 100

五、数据链路层

1)以太网MAC地址(物理地址、硬件地址)

  • 作用:用来识别一个以太网上的某个单独的设备或一组设备
  • 厂商对设备进行出厂时,自动配置MAC
  • IP地址(十进制0~9,可按需修改),MAC地址(十六进制0~F,标识唯一)

2)以太网帧格式

  • 数据链路层的协议数据单元

六、交换机介绍

交换机用来连接局域网的主要设备,能够依据以太网帧中目标地址智能的转发数据,因此交换机工作在数据链路层。

1)交换机的工作原理

初始状态 —> MAC地址学习(MAC地址表记录MAC地址及接口)—> 广播未知的数据帧 —> 目标主机回应 —> 交换机实现单播通信

  • ① 学习:MAC地址表是交换机通过学习接受的数据帧的源MAC地址来形成的;
  • ② 广播:如果目标地址在MAC地址表中没有,交换机向除接收到该数据帧的接口外的其它所有接口广播该数据帧;
  • ③ 转发:交换机根据MAC地址表单播转发数据帧;
  • ④ 更新:交换机MAC地址表的老化时间为300秒,无数据参数则丢弃,如果发现一个帧的入接口和MAC地址表中源MAC地址的所在接口不同,交换机将MAC地址重新学习到新的接口;

查看MAC地址表

<sw1> display mac-address

案例:

  • PC1的IP地址:192.168.1.1,PC2的IP地址:192.168.1.2
  • PC3的IP地址:192.168.1.3,PC4的IP地址:192.168.1.4

两台交换机,互连情况下,解释交换机的工作原理:

PC1找PC4,发送数据包到交换机1,交换机1查找MAC地址表并学习记录PC1的MAC地址和接口,向除PC1接口外其它所有接口发送广播,数据包传递到交换机2,交换机2再查找MAC地址表,发现地址表中没有PC1、PC4的MAC地址,学习源MAC地址和接口号,并向除接口以外的所有接口广播数据帧,PC4查看数据帧的目标MAC地址是否是自己,不是则丢弃;通过学习到的MAC地址表中的条目,单播转发数据包到PC4,实现互通。

 查看MAC地址表

小结:

本篇章节为【第二阶段】NETWORK-DAY1 的学习笔记,这篇笔记可以初步了解到 计算机网络概述、网络拓扑结构、OSI参考模型、eNSP、交换机及原理。除此之外推荐参考相关学习网址:

  • eNSP安装参考:华为 eNSP 模拟器安装教程(内含下载地址)_ensp下载-CSDN博客

Tip:毕竟两个人的智慧大于一个人的智慧,如果你不理解本章节的内容或需要相关笔记、视频,可私信小安,请不要害羞和回避,可以向他人请教,花点时间直到你真正的理解

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