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第17题

知识点：网络交换技术 IP地址传输层链路物理层

关键词： IP地址变更传输计算机网络交换层链路物理层网络章/节：基本信息系统集成技术

在计算机网络中，按照交换层次的不同，网络交接可以分为物理层交换、链路层交换网络、传输层交换五层，其中，对IP地址进行变更属于（）。

A. 网络层交换

B. 链路层交换

C. 传输层交换

D. 应用层交换

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知识点讲解
· 网络交换技术 · IP地址 · 传输层 · 链路 · 物理层

网络交换技术

网络交换

一个通信网络由许多交换节点互联而成，信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样，经过一系列交换节点（车站），从一条线路交换到另一条线路，最后才能到达目的地。交换节点转发信息的方式常见的有电路交换、报文交换和分组交换。

网络交换设备

网络交换过程需要利用网络设备来实现，常见的网络交换设备有中继器、集线器（HUB）、调制解调器、网桥、交换机、路由器和网关等。

在OSI参考模型中，网络交换设备所在的位置一般为：

.物理层：中继器、集线器（HUB）、调制解调器。

.数据链路层：网桥、交换机（二层交换机）。

.网络层：路由器。

.传输层及以上：网关。

网络交换方式

网络交换方式常见的有：

.电路交换：把发送方和接收方用一系列链路直接连通。其特点是建立连接需要等待较长的时间。由于连接建立后通路是专用的，因而不会受到其他用户的干扰，不再有等待延迟。此交换方式适合于传输大量数据，如电话交换系统。

.报文交换：不要求在两个通信节点之间建立专用通路，节点把要发送的信息组成一个数据包（报文），该报文中含有目标节点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送，经过多次存储—转发，最后到达目标节点。其优点是线路共享，但有通信中的等待时延，主要用于传输报文较短、实时性要求较低的通信业务。

.分组交换：类似于报文交换，但数据包有固定长度，交换节点只要在内存中开辟一个小的缓存区即可。分组在网络中的传播有两种方式，即数据报和虚电路。虚电路通信可靠，但没有数据报方式灵活，效率高。虚电路适合于交互式通信，数据报更适合单向传送短消息。广域网一般都采用分组交换方式。

IP地址

Internet地址是按名字来描述的，这种地址表示方式易于理解和记忆。实际上，Internet中的主机地址是用IP地址来唯一标识的。这是因为Internet中所使用的网络协议是TCP/IP协议，故每个主机必须用IP地址来标识。

每个IP地址都由4个小于256的数字组成，数字之间用“.”分开。Internet的IP地址共有32位，4个字节。它表示时有两种格式：二进制格式和十进制格式。二进制格式是计算机所认识的格式，十进制格式是由二进制格式“翻译”过去的，主要是为了便于使用和掌握。例如，十进制IP地址129.102.4.11的表示方法与二进制的表示方法10000001011001100000010000001011相同，显然表示成带点的十进制格式则方便得多。

域名和IP地址是一一对应的，域名易于记忆，便于使用，因此得到比较普遍的使用。当用户和Internet上的某台计算机交换信息时，只需要使用域名，网络则会自动地将其转换成IP地址，找到该台计算机。

Internet中的地址可分为5类：A类、B类、C类、D类和E类。各类的地址分配方案如下图所示。在IP地址中，全0代表的是网络，全1代表的是广播。

各类地址分配方案

A类网络地址占有1个字节（8位），定义最高位为0来标识此类地址，余下7位为真正的网络地址，支持1~126个网络。后面的3个字节（24位）为主机地址，共提供2²⁴-2个端点的寻址。A类网络地址第一个字节的十进制值为000~127。

B类网络地址占有2个字节，使用最高两位为10来标识此类地址，其余14位为真正的网络地址，主机地址占后面的2个字节（16位），所以B类全部的地址有（2¹⁴-2）×（2¹⁶-2）=16 382×65 534个。B类网络地址第一个字节的十进制值为128~191。

C类网络地址占有3个字节，它是最通用的Internet地址。使用最高三位为110来标识此类地址，其余21位为真正的网络地址，因此C类地址支持2²¹-2个网络。主机地址占最后1个字节，每个网络可多达2⁸-2个主机。C类网络地址第一个字节的十进制值为192~223。

D类地址是相当新的。它的识别头是1110，用于组播，例如用于路由器修改。D类网络地址第一个字节的十进制值为224~239。

E类地址为实验保留，其识别头是1111。E类网络地址第一个字节的十进制值为240~255。

网络软件和路由器使用子网掩码（Subnet Mask）来识别报文是仅存放在网络内部还是被路由转发到其他地方。在一个字段内，1的出现表明一个字段包含所有或部分网络地址，0表明主机地址位置。例如，最常用的C类地址使用前三个8位来识别网络，最后一个8位识别主机。因此，子网掩码是255.255.255.0。

子网地址掩码是相对特别的IP地址而言的，如果脱离了IP地址就毫无意义。它的出现一般是跟着一个特定的IP地址，用来为计算这个IP地址中的网络号部分和主机号部分提供依据。换句话说，就是在写一个IP地址后，再指明哪些是网络号部分，哪些是主机号部分。子网掩码的格式与IP地址相同，所有对应网络号的部分用1填上，所有对应主机号的部分用0填上。

A类、B类、C类IP地址类默认的子网掩码如下表所示。

带点十进制符号表示的默认子网掩码

如果需要将网络进行子网划分，此时子网掩码可能不同于以上默认的子网掩码。例如，138.96.58.0是一个8位子网化的B类网络ID。基于B类的主机ID的8位被用来表示子网化的网络，对于网络138.96.39.0，其子网掩码应为255.255.255.0。

例如，一个B类地址172.16.3.4，为了直观地告诉大家前16位是网络号，后16位是主机号，就可以附上子网掩码255.255.0.0（11111111111111110000000000000000）。

假定某单位申请的B类地址为179.143.XXX.XXX。如果希望把它划分为14（至少占二进制的4位）个虚拟的网络，则需要占4位主机位，子网使用掩码为255.255.240.0~255.255.255.0来建立子网。每个LAN可有2¹²-2个主机，且各子网可具有相同的主机地址。

假设一个组织有几个相对大的子网，每个子网包括了25台左右的计算机；而又有一些相对较小的子网，每个子网大概只有几台计算机。这种情况下，可以将一个C类地址分成6个子网（每个子网可以包含30台计算机），这样解决了很大的问题。但是出现了一个新的情况，那就是大的子网基本上完全利用了IP地址范围，但是小的子网却造成了许多IP地址的浪费。为了解决这个新的难题，避免任何的IP浪费，就出现了允许应用不同大小的子网掩码来对IP地址空间进行子网划分的解决方案。这种新的方案就叫作可变长子网掩码（VLSM）。

VLSM用一个十分直观的方法来表示，那就是在IP地址后面加上“/网络号及子网络号编址位数”。例如，193.168.125.0/27就表示前27位表示网络号。

例如，给定135.41.0.0/16的基于类的网络ID，所需的配置是为将来使用保留一半的地址，其余的生成15个子网，达到2000台主机。

由于要为将来使用保留一半的地址，完成了135.41.0.0的基于类的网络ID的1-位子网化，生成两个子网135.41.0.0/17和135.41.128.0/17，子网135.41.128.0/17被选作为将来使用所保留的地址部分；135.41.0.0/17被继续生成子网。

为达到划分2000台主机的15个子网的要求，需要将135.41.128.0/17的子网化的网络ID的4-位子网化。这就产生了16个子网（135.41.128.0/21，135.41.136.0/21，…，135.41.240.0/21，135.41.248.0/21），允许每个子网有2046台主机。最初的15个子网化的网络ID（135.41.128.0/21~135.41.240.0/21）被选定为网络ID，从而实现了要求。

现在的IP协议的版本号为4，所以也称之为IPv4，为了方便网络管理员阅读和理解，使用了4个十进制数中间加小数点“.”来表示。但随着因特网的膨胀，IPv4不论从地址空间上，还是协议的可用性上都无法满足因特网的新要求。因此出现了一个新的IP协议IPv6，它使用了8个十六进制数中间加小数点“.”来表示。IPv6将原来的32位地址扩展成为128位地址，彻底解决了地址缺乏的问题。

传输层

传输层的主要服务功能是建立、提供端到端的通信连接，亦即一个应用程序到另一个应用程序的通信连接。说到底，传输层主要是为任何两台需要相互通信的计算机建立通信连接。它可以同时从应用层的几个应用程序接收数据并发送给下一层（IP）。传输层的主要协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户报文协议）。TCP是TCP/IP的两个最基本的协议之一。

TCP协议。传输层中的TCP协议负责任何两台计算机之间的连接，此外还提供了一种可靠传输的方法，解决了IP协议的不安全因素，为数据报正确、安全地到达目的地提供了保障。

网络中由于带宽的限制，每一条线路上都有一个流量极限。当有大量数据报拥挤在一条线路上时，往往会超过其流量极限，就像是公路上阻塞的汽车一样。而在Internet上，当一条线路上的负荷已超出其极限流量时，一些数据报就会被丢失，导致数据报在传输的过程中失去安全保障。

IP协议不负责处理数据报的丢失、误投递等情况，而TCP协议则提供了可靠传输的机制，它能够自动检测丢失的数据报并自动重传，弥补IP的不足。此外，它还负责过滤多个重复的数据报，接收最先到达的一个。因此，TCP和IP总是协调一致地工作，以保证数据报的可靠传输。

TCP协议提供的是一种面向连接的服务。在传输层中，用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。提供另一种面向无连接的服务，即在数据传输时不加上自己的头标，这样使得协议本身的开销非常小，性能也比TCP高。但其可靠性不如TCP协议，适合于传输一些不需要绝对可靠的数据（或由上层保障数据的可靠性）。

链路

链路（link）指的是从发信点到收信点（即从信源到信宿）的一串结点和线路。链路通信是指端到端的通信。

计算机网络从逻辑结构上可以分成两部分：负责数据处理、向网络用户提供各种网络资源及网络服务的外层用户资源子网和负责数据转发的内层通信子网。通信子网由分组交换结点（简记为R）及连接这些结点的链路组成，负责在主机（Host，H）间传输分组。资源子网由连在网上的主机构成，为网上用户提供共享资源，入网途径和方法。局域网中的每台主机都通过网卡连接到传输介质上，网卡负责在各个主机间传递数据，显然，网卡和传输介质构成了局域网的通信子网，而主机集合则构成了资源子网。用户子网指的是由主计算机、终端、通信控制设备、连网外设、各种软件资源等组成。通信子网分为点对点通信子网和广播式通信子网。它主要有三种组织形式：结合型、专用型和公用型，如下图所示。

网络的组织形式

计算机网络也可以看作是在物理上分布的相互协作的计算机系统。其硬件部分除了单体计算机、光纤、同轴电缆以及双绞线等传输媒体之外，还包括插入计算机中用于收发数据分组的各种通信网卡（在操作系统中，这些网卡不当成一种外部设备），把多台计算机连接到一起的集线器（hub，该设备近年正逐步被相应的交换机取代），扩展带宽和连接多台计算机用的交换机（switch）以及负责路径管理、控制网络交通情况的路由器或ATM交换机等。其中路由器或ATM交换机是构成广域网络的主要设备，而交换机和集线则是构成局域网络的主要设备。这些设备都可看作一种专用的计算机。

综上所述，计算机网络是一个由不同传输媒体构成的通信子网，与这个通信子网连接的多台地理上分散的具有唯一地址的计算机，将数据划分为不同长度分组进行传输和处理的协议软件以及应用系统所组成的传输和共享信息的系统。

物理层

IEEE 802.11定义了3种PLCP帧格式来对应3种不同的PMD子层通信技术。

1）FHSS

对应于FHSS通信的PLCP帧格式如下图所示。

用于FHSS方式的PLCP帧

SYNC是0和1的序列，共80比特作为同步信号。SFD的比特模式为0000110010111101，用作帧的起始符。PLW代表帧的长度，共12位，所以帧最大长度可以达到4096字节。PSF是分组信令字段，用来标识不同的数据速率。起始数据速率为1Mb/s，以0.5的步长递增。PSF=0000时，代表数据速率为1Mb/s;PSF为其他数值时，则在起始速率的基础上增加一定倍数的步长，例如PSF=0010，则1Mb/s+0.5Mb/s×2=2Mb/s。16位的CRC是为了保护PLCP头部所加的，它能纠正2比特错。MPDU代表MAC协议数据单元。

2）DSSS

下图所示为采用DSSS通信时的帧格式。

用于DSSS方式的PLCP帧

与前一种不同的字段解释如下：SFD字段的比特模式为1111001110100000。Signal字段表示数据速率，步长为100kb/s，比FHSS精确5倍。Service字段保留未用。Length字段指MPDU的长度。

3）DFIR

下图所示为采用漫反射红外线时的PLCP帧格式。

用于DFIR方式的PLCP帧

DFIR的SYNC比FHSS和DSSS的都短，因为采用光敏二极管检测信号不需要复杂的同步过程。Data rate字段=000，表示1Mb/s;Data rate字段=001，表示2Mb/s。DCLA是直流电平调节字段，通过发送32个时隙的脉冲序列来确定接收信号的电平。MPDU的长度不超过2500字节。

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