通过 ISP 连接到 Internet

通过ISP连接到Internet 家庭和小型企业网络 - 第四章

内容索引 4.1 Internet的概念及连接方式 4.2 通过Internet发送信息 4.3 NOC中的网络设备 4.4 电缆和连接器 4.5 使用双绞线布线

4.1.1 说明Internet的概念 • Internet 是世界范围内计算机网络的集合，这些网络之间共同协作，使用通用标准来交换信息。Internet 用户可通过电话线、光缆、无线传输和卫星链路，以各种形式交换信息。

4.1.1 说明Internet的概念 • Internet 是无数个网络所构成的网络，它将世界各地的用户连接在一起。目前世界上的 Internet 用户超过 10 亿。 • Internet 是大量网络的聚合体，并不属于任何个人或组织。目前，它由多个主要的国际组织协助管理，以确保每个用户都使用相同的规则。

4.1.2 Internet服务提供商（ISP） • 任何想要连接到 Internet 的家庭、企业或组织都必须使用 Internet 服务提供商 (ISP)。ISP 是为 Internet 接入提供连接与支持的公司。 • ISP 为接入 Internet 提供了基本服务。要想接入 Internet，用户必须拥有主机计算机和 ISP。

4.1.3 ISP与Internet的关系 • 单个计算机和本地网络从入网点 (POP) 连接到 ISP。POP 是 ISP 的网络与 POP 所服务的特定地理区域之间的连接点。通过从 POP 接入 ISP，用户便可接入 ISP 的服务和 Internet。 • ISP 还会与其他 ISP 连接，这些互连路径是大规模、高性能网络的一部分，称为 Internet 主干。

4.1.3 ISP与Internet的关系

4.1.4 连接到ISP的方法 • ISP 提供的连接 Internet 的方法多种多样，每种 Internet 接入技术都会使用网络接入设备（由ISP 提供）来连接到 ISP。

4.1.4 连接到ISP的方法 • 选择 Internet 接入技术时，应考虑的因素包括可得性、成本、使用的接入设备、使用的介质以及连接速度。 • 目前的大多数技术均适用于家庭和小型企业。租用线路这种方式通常只有企业和大型组织才会采用，其优点是可在无法使用有线电视或 DSL 的地方提供高速连接。参见电子版教材动画4.1.4.2

4.1.5 ISP服务级别 • 根据 ISP 和连接技术的不同，可使用的服务也有所不同，例如病毒扫描、视频点播及文件存储等。大多数 ISP 提供两种不同的合同等级：家庭服务和企业级服务。

4.1.5 ISP服务级别 • 数据传输分为两种情况：上传或下载。“下载”表示信息从 Internet 传输到您的计算机，“上传”则恰好相反，即从您的计算机传输到 Internet。如果下载传输速率与上传传输速率不同，我们将这种形式称为非对称型。若两个方向的传输速率均相同，则称为对称型。ISP 可提供非对称服务和对称服务两种。

4.1.5 ISP服务级别 • 非对称型： • 通常用于家庭。 • 下载速度比上传速度快。 • 适用于下载量远大于上传量的用户。 • 大多数 Internet 用户，尤其是那些使用图形或多媒体 Web 数据的用户，需要大量下载带宽。 • 对称型： • 常用于企业或在 Internet 上架设服务器的个人。 • 适用于上传通信量极大的情况（例如大量图形、多媒体或视频）。 • 它在两个方向上都能以相同的速度传送大量数据。

4.2.1 Internet协议(IP)的重要性 • Internet 上的主机要相互通讯，必须运行 Internet 协议 (IP) 软件。IP 协议是统称为 TCP/IP（传输控制协议/Internet 协议）的一组协议中的一种。Internet 协议 (IP) 使用数据包来传送数据。 • 每个 IP 数据包必须包含有效的源和目的 IP 地址。若没有有效的地址信息，发送的数据包将无法到达目的主机，返回的数据包也无法回到初始源主机。

4.2.1 Internet协议(IP)的重要性 • 包括 IP 在内的所有 Internet 协议都是在带有编号标识的标准文档中定义的，此类文档称为 RFC（请求注解）。

4.2.1 Internet协议(IP)的重要性 • IP 数据包的开始处有一个报头，其中包含源 IP 地址与目的 IP 地址。IP 数据包另外还包含控制信息，该信息描述数据包通过路由器时控制数据包在网络上的行为。IP 数据包有时也称为数据报。 • Internet 上的 IP 地址必须唯一。IP 地址由专门的组织负责分配，以确保这些地址不会重复。ISP 从本地、本国或地区 Internet 注册管理机构 (RIR) 获得 IP 地址块。然后 ISP 负责管理这些地址并将它们分配给最终用户。 • 家庭、小型企业或其它组织从其 ISP 处获得 IP 配置。通常，在用户连接到 ISP 以进行 Internet 接入时会自动获得该配置。参见电子版教材动画4.2.1.2

4.2.2 ISP如何处理数据包 • 报文在通过 Internet 发送之前，会被划分为若干个数据包。以太网的IP 数据包的大小在 64 至 1500 字节之间，其中主要包含用户数据。 • 通过 Internet 发送数据包时，ISP 会判断该数据包是发送到本 ISP 网络的本地服务还是发送到其它网络的远程服务。 • 每个 ISP 都拥有针对其网络的控制中枢，称为网络运行中心 (NOC)。NOC 通常控制着通信流量，并提供诸如电子邮件和 Web 托管之类的服务。NOC 可能位于 ISP 网络内的某个 POP 处，也可能位于某个完全独立的机构中。发送到本地服务的数据包通常会被转发到 NOC，而且始终不会离开该 ISP 网络。参见电子版教材动画4.2.2.1

4.2.2 ISP如何处理数据包 • 每个 ISP POP 中的路由器都使用 IP 数据包的目的地址来选择在 Internet 中穿行的最佳路径。发送到 ISP POP 的数据包先由路由器在本 ISP 的网络中转发，然后再在其它 ISP 的网络中转发。这些数据包穿过一个又一个的路由器，直至到达最终目的地。参见电子版教材动画4.2.2.2

4.2.3 在Internet中转发数据包 • 有些网络实用程序可用来测试与目的设备的连通性。 • ping 实用程序测试源设备与目的设备之间的端到端连通性。 • traceroute 实用程序可追踪源设备与目的设备之间的路由。数据包在传输过程中每经一个路由器称为一跳。Traceroute 显示沿途的每一跳，以及每一跳所花的时间。如果发生问题，便可利用所显示的时间以及数据包经过的路由来判断数据包是在何处丢失或延迟的。在 Windows 环境中，traceroute 实用程序称为 tracert。

4.2.3 在Internet中转发数据包 • traceroute 实用程序， • 另外，还存在一些可视化的 traceroute 程序，它们能够以图形方式显示数据包经过的路由。

4.2.3 在Internet中转发数据包 • Packet Tracer 练习：使用 ping 和 traceroute 来检查连通性，并学习数据包是如何在 Internet 中传输的。4.2.3.2

4.2.3 在Internet中转发数据包 • 实验练习：使用 ping、traceroute、visual traceroute 和 whois 来检查连通性和 IP 地址，并学习数据包是如何在 Internet 中传输的。4.2.3.3

4.3.1 Internet网云 • 数据包在 Internet 中穿行时会经过许多网络设备。 • 我们可将 Internet 想象为由无数相互连接的路由器组成的网络。通常，路由器之间还会有备用路由，数据包在从源设备传输到目的设备时有多种不同路径可供选择。

4.3.1 Internet网云中的设备 • 路由器并不是 Internet 网云或 ISP 中的唯一设备。ISP 必须能够接受信息、为最终用户传送信息以及参与 Internet。

4.3.1 Internet网云中的设备 • ISP 设备房中的大部分设备是路由器和交换机。这些设备与家庭或小型企业环境中所使用的设备有所不同。 • ISP 所使用的网络设备必须能够以极快的速度处理海量通信，必须全天候运作，一旦 ISP 某个设备的关键部分发生故障，便可能对网络通信造成灾难性后果。因此，ISP 所使用的大多数设备都是带有冗余功能的高端、高速设备。

4.3.1 Internet网云中的设备 • 家庭或小型企业环境中所使用的网络设备则相对较为低端、低速，无法处理较大的通信量。集成路由器可执行多种功能，包括：无线 LAN 接入点、交换、路由、防火墙以及各种地址功能。一台集成路由器可能支持以上部分或全部功能。

4.3.3 物理和环境要求 • ISP 的网络安装与家庭/小型企业的情况有较大不同，尽管这两种网络差异极大，但两者都需要一种可供设备稳定可靠且不间断运作的环境。只不过，虽然要求相同，但运作规模却不一样：对于家庭而言，一个电源插座便已足够；对于 ISP，则必须提前规划电力需求并进行安装。

4.3.3 物理和环境要求 • 对于电力设备，需考量的一个主要因素便是稳定可靠的电源供应。电源供应并非总是稳定可靠，而不稳定的电源会导致网络设备发生故障。ISP 会安装具有充足后备电池的电源调节设备。对于家庭/小型企业而言，他们使用的设备数量相对较少，价格较低的不间断电源 (UPS) 和后备电池装置一般足以满足其使用要求。

4.3.3 物理和环境要求 • 规划网络安装时，也必须将环境因素（例如温度和湿度等）纳入考虑范围。考虑到 ISP 设备的数量以及所消耗的电能，要维持所需温度，必须要使用高端的空调设备。 • 电缆管理是家庭/小型企业网络与 ISP 都应关注的另一个内容。必须保护电缆不遭受物理损害，而且以有序、清晰的方式组织电缆，以便进行故障排除。

4.4.1 常见的网络电缆 • 要进行通信，必须存在源、目的以及某种类型的通道（或介质）。介质通常是某种类型的物理电缆，也可以是电磁波。源与目的之间的连接可以是直接，也可以是间接的，还可能跨越多种介质类型。 • 物理电缆分为两类。金属电缆一般为铜质，使用电子脉冲来传输信息。光纤由玻璃或塑料制成，使用光脉冲来传输信息。

4.4.1 常见的网络电缆 • 双绞线：现代的以太网技术一般使用称为双绞线 (TP) 的铜质电缆来连接设备。由于以太网是大多数局域网的基础，因此双绞线是最常见的网络布线类型。 • 同轴电缆：同轴电缆通常由铜或铝制成，有线电视公司使用了这种电缆来提供服务。它也可用于连接组成卫星通讯系统的各个组件。 • 光纤：光纤由玻璃或塑料制成。其带宽很高，因此可承载大量的数据。光纤用于主干网络、大型企业环境以及大型数据中心。电话公司也广泛使用光纤。

4.4.2 双绞线电缆 • 双绞线电缆由一对或多对绝缘铜线构成，这些铜线相互扭在一起，外面包裹着一层防护套。与所有铜质电缆类似，双绞线使用电子脉冲来传输数据。

4.4.2 双绞线电缆 • 数据传输对干扰或噪音很敏感，干扰或噪音会导致线缆的数据速率下降。双绞线电缆容易受到电磁干扰的影响。（电磁干扰简称 EMI，属于一种噪音。） • 若多根电缆在很长一段距离中被捆扎在一起，还会发生另一种干扰 — 串扰。串扰是指信号从一根电缆泄漏出去，并串入附近的电缆中。 • 若数据传输受到串扰之类干扰的破坏，则必须重新传输数据。这会降低介质的数据传送能力。 • 在双绞线布线中，每单位长度的绞合数量决定了电缆的抗干扰能力。用于传输电话通信量的双绞线电缆称为 CAT3，此类电缆每英尺绞绕 3 至 4 次，抗干扰能力较弱。用于数据传输的双绞线电缆称为 CAT5，此类电缆每英寸绞绕 3 至 4 次，抗干扰能力较强。参见电子版教材动画4.4.2.1

4.4.2 双绞线电缆 • 双绞线电缆分为三种类型：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和外屏蔽双绞线 • 非屏蔽双绞线 (UTP) 是北美和其它许多地区最常用的网络电缆类型。屏蔽电缆（ScTP 和 F-UTP）在欧洲国家的应用最为广泛。 • UTP 电缆成本低、带宽高，而且安装容易。此类电缆用于连接工作站、主机和网络设备。此类电缆的表皮内包含的线对数量不定，但最常见的是 4 对。每一线对都由特定的颜色代码标识。

4.4.2 双绞线电缆 • 常见的电缆类型包括 3 类线、5 类线、5e 类线以及 6 类线。在某些电子环境中，EMI 和 RFI 非常强，需要使用具有屏蔽功能的电缆。但 STP 与 ScTP 都非常昂贵，灵活度不高，并具有一些由屏蔽而带来的额外要求，使得使用起来相当不便。 • 所有种类的数据级 UTP 电缆一般都使用 RJ-45 水晶头作为端头。参见电子版教材动画4.4.2.2

4.4.3 同轴电缆 • 与双绞线类似，同轴电缆也是以电子信号的形式承载数据。其屏蔽能力强于 UTP，因此信噪比相对较高，可以承载更多的数据。该电缆通常用于将电视连接到信号源，例如有线电视插座、卫星电视或传统的天线。NOC 也使用该电缆来连接电缆调制解调器端接系统 (CMTS) 及某些高速接口。 • 尽管同轴电缆的数据传输能力更强，但是大多数局域网仍使用双绞线，因为同轴电缆安装更麻烦，而且成本更高。参见电子版教材动画4.4.3.1

4.4.4 光缆 • 与双绞线与同轴电缆不同，光缆使用光脉冲传输数据。家庭或小型企业环境中很少见到光纤的身影，它主要应用于企业环境和大型数据中心。 • 光缆由玻璃或塑料制成，这两种材料都不导电。这就意味着它不受 EMI 的影响，适于安装在干扰很强的环境中。 • 除了抗 EMI 干扰外，光缆还支持很高的带宽，十分适合高速数据主干。许多企业都拥有光纤主干，ISP 也使用光纤主干来连接到 Internet。 • 每条光纤线路实际上都包含两根光缆。其中一根用于发送数据，另一根用于接收数据。参见电子版教材动画4.4.4.1

4.4.4 光缆 • 光缆分为多模和单模两种形式。 • 在光纤的这两种形式中，多模的价格更低，应用更广泛。生成光脉冲的光源一般是 LED。之所以将其称为多模，是因为其中包含多种光线，每种都携带有数据，而且全都通过电缆同时传输。每条光线采用多模纤心中的不同路径。多模光缆一般适用于长度在 2000 米以内的链路。不过，技术进步使得这一数字在不断增大。 • 单模光缆中光只能沿光纤内的一条路径通行。单模光缆的光源通常为 LED 激光，其成本和强度远远高于普通 LED。由于这种 LED 激光的强度很高，因此可获得更高的数据速率，传输距离也更长。单模光纤可传输数据的距离约为 3000 米，用于包括各 NOC 互连在内的主干布线。同样，技术进步也使得这一数字在不断增大。

4.4.4 光缆

4.5.1 布线标准 • 进行布线时，务必遵循布线标准，制定此标准的目的是确保数据网络的运作符合协定的性能级别。 • 布线标准是用于安装和测试电缆的一组规范。标准指定了在特定环境中使用的电缆类型、传导材料、引线、电线尺寸、屏蔽方式、电缆长度、连接器类型以及性能限制。 • 许多组织都参与了布线标准的制定。其中一些组织仅具有本地管辖权，还有许多组织提供的标准在全世界范围内被广泛采用。

4.5.1 布线标准 • 随着以太网在世界各地的推广，人们开始审慎研究使用结构化布线来供电的可行性。 1999 年，IEEE 着手制定了以太网供电标准。这便是目前广为人知的 IEEE 802.3af-2003。人们遵循该标准来通过 4 线对的 UTP 或 STP 电缆随以太网数据传送 48 伏直流电。 “以太网供电”(PoE) 使网络工程师在设计端点设备（如无线接入点、摄像头和 IP 电话）位置时具有了更大的灵活性，因为他们无需在设备附近设置电源插座。

4.5.2 UTP电缆 • TIA/EIA 组织定义了两种不同的模式（或布线方式），称为 T568A 和 T568B。 • 安装网络时，必须在两种布线模式（T568A 或 T568B）中选择一种，并严格遵循。

4.5.2 UTP电缆 • 使用 T568A 和 T568B 布线标准可创建两种类型的电缆：直通电缆和交叉电缆。这两种电缆都可以用于数据布线。 • 直通电缆是最常见的电缆类型。如果电缆一端是 T568A，那么另一端也是 T568A。如果一端是 T568B ，那么另一端也是 T568B 。 • 交叉电缆会同时使用两种布线模式。电缆一端是 T568A，另一端是 T568B。 • 直通电缆和交叉电缆在网络上都有其特定的用途。连接两个设备所需的电缆类型取决于设备用来发送和接收数据的线对。

4.5.2 UTP电缆 • 两个直接连接、并且使用不同的引脚来进行发射和接收的设备称为不相似设备。它们需要使用直通电缆来交换数据。直接连接并且使用相同引脚来进行发送和接收的设备称为相似设备。它们需要使用交叉电缆来交换数据。 • 不相似设备：PC 的 RJ-45 数据水晶头使用引脚 1 和 2 进行发射，引脚 3 和 6 进行接收。交换机的数据水晶头使用引脚 1 和 2 进行接收，引脚 3 和 6 进行发射。PC 上用于发射的引脚与交换机上用于接收的引脚相对应。因此，需要使用直通电缆。 • 对于分别位于电缆两端的 PC 和交换机，连接到 PC 引脚 1（发射引脚）的电线会连接到交换机上的引脚 1（接收引脚）

4.5.2 UTP电缆 • 其它需要直通电缆的不相似设备包括： • 交换机端口至路由器端口 • 集线器端口至 PC

4.5.2 UTP电缆 • 如果 PC 直接连接到另一台 PC，则两台设备上的引脚 1 和2 都是发射引脚，而引脚 3 和 6 都是接收引脚。 • 交叉电缆可确保连接至其中一台 PC 的引脚 1 和 2（发射引脚）的绿色线缆连接到另一台 PC 的引脚 3 和 6（接收引脚）。 • 其它需要交叉电缆的相似设备包括： • 交换机端口至交换机端口 • 交换机端口至集线器端口 • 集线器端口至集线器端口 • 路由器端口至路由器端口 • PC 至路由器端口 • PC 至 PC

4.5.2 UTP电缆

4.5.3 UTP电缆连接 • UTP 和 STP 电缆的端头通常为 RJ-45 水晶头。

4.5.3 UTP电缆连接 • 实验练习：制作直通和交叉 UTP 电缆。参见电子版实验练习4.5.3.2

4.5.4 将UTP端头插入配线面板和墙壁插座 • 在 NOC 中，网络设备通常连接至配线面板。配线面板的作用类似于将工作站电缆连接到其它设备的切换面板。通过使用配线面板，可在增加或替换设备时快速重新编排网络布线。此类配线面板的前面板带有用于快速连接的 RJ-45 插孔，但需要将电缆压到 RJ-45 插孔的背面。

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