第六章 网络连接设备与技术.docx

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第六章网络连接设备与技术

第六章网络连接设备与技术

【计划课时】6课时（要求预习教材第二章2.4～2.6节与第四章，）

6.1网络连接设备

网络连接设备用于将一个网络的几个网段（segments）连接起来，或将几个网络（LAN-LAN，WAN-WAN，LAN-WAN）连接起来形成一个互联网络（interworkorinternet）。

习惯上，将它们分成五类：

中继器、网桥、交换机、路由器和网关。

OSI层次

网络连接设备

作用

寻址功能

物理层

数据链路层

网络层

传输层及以上

中继器

网桥

路由器

网关

在电缆段间复制比特

在LAN之间存储转发帧

在不同的网络间存储转发分组

提供不同体系间互联接口

——

MAC地址

IP地址

——

6.1.1中继器（repeater）P133

中继器只工作在在OSI模型的物理层，是局域网中最简单、所以也是成本最低的网络连接设备。

中继器实际上是一个信号再生器，其主要作用是检测由某个端口接收的输入信号，将其恢复为原始的波形和振幅，然后以最小的延迟将这些经过重整（重定时和恢复）的信号重新发送到接收端口之外的其他各个端口。

中继器的工作对与其连接的工作站是“透明”，因为两个站点彼此通信时不必知道他们是直接相连还是要通过一个或几个中继器相连。

换言之，中继器的作用是放大电信号，提供电流以驱动长距离电缆。

它工作在OSI模型的最低层（物理层），因此只能用来连接具有相同物理层协议的LAN。

对数据链路层以上的协议来讲，用中继器互联起来的若干段电缆与单根电缆之间并没有差别（除了有一定时延）。

值得注意的是：

中继器不具备错误检查和纠正功能，因此错误的数据经中继器后仍被复制到另一电缆段。

【注意】用中继器连接的各网段属于同一个网络。

中继器可以分为：

·普通中继器（repeater或regenerator）

用于总线型拓扑扩展网段长度，其功能是对弱信号进行再生和转发，但不具备检错和纠错功能。

·集线器（hub）

用于星型拓扑，实际上是一种多端口的普通中继器。

6.1.2网桥（bridge）P133

网桥也称桥接器，工作在OSI模型数据链路层，用它可以在两个网络之间对数据链路层的帧进行接收、存储和转发，从而将两个或更多独立的的物理网段连接起来，以形成一个逻辑网络，使这个逻辑网络的行为看起来就像一个单独的物理网络一样。

一般情况下，被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程LLC，但媒体访问控制协议MAC可以不同。

所以网桥可以将两个采用802.x协议的LAN（如以太网和令牌环网）连接起来。

网桥维护硬件地址表，并根据这个表将帧传送给特定的子网。

与中继器不同：

网桥属于第二层网络互联设备，可以实现同协议组（如IEEE803）但不同协议的LAN间互联（如EthernetLAN与TokenRingLAN），即物理层和MAC层不同但LLC层相同的LAN间互联；中继器是物理层互联设备，只能连接具有相同物理层协议的LAN。

网桥分为内部网桥（由服务器兼任）和外部网桥（由专门的计算机承担）。

网桥的特点：

·网桥基于MAC地址实现LAN之间的互连和信息的传送，其优点是网络操作简单、速度快且与OSI其它层的协议无关，另外，由于没有路由功能，网桥属简单的网络设备，易于维护且价格低廉。

·与中继器相比，网桥可以隔离错误帧和需要保密的网段，而且用网络进行网络连接时，连接的网络跨度（距离）几乎是无限制的。

·网桥无法实现流量控制，尤其对一个规模较大的网络而言，广播包从一个LAN传送到另一个LAN，常会引起大量的多路广播，造成网络效率下降，最严重的会导致广播风暴。

使整个网络瘫痪。

IEEE802委员会为网桥规定了两种桥接技术（算法）：

·透明网桥（transparentbridge）主要用于以太网环境（标准：

IEEE802.1）

·源路由选择网桥（SRB，sourceroutingbridge）主要用于令牌环环境（标准：

IEEE802.5）

【透明网桥】

DEC公司首先开发，后纳入IEEE802.1标准中。

其路由选择功能只设在网桥上。

网桥具有通过分析来自所有连接网络的输入封包的源地址来“学习”网络的拓扑结构并建立起一张自己的路径选择表（站表）的功能。

它的表现和操作对网络主机而言是透明的。

其最大缺点是不能选择最佳路由。

网桥处理帧的过程可以归纳为：

“学习源地址，过滤本网段帧，转发异网段帧，广播未知帧”。

它的工作过程可分为下述几种情况：

①如果帧具有一组目的MAC地址，网桥将该帧传送至它连接的所有数据链路（接收该帧的数据链路除外），换句话说，这实际上是向“扩展的LAN”发了一次多路广播，其所有链路上的站点都能见到这个帧；当帧有一个单独的目的MAC地址，网桥则要查阅其MAC地址表，如果地址表中有该地址，且目的站点和源站点同处一个LAN上时，则网桥不起桥接功能，而是将该帧丢弃（过滤掉），不让它向其它链路转发；

③如果网桥在自己的地址表内查到了这个目的MAC地址，且目的站点和源站点不在相同的LAN上时，则确定到达该目的站点的数据链路后，将此帧传送到其选择的数据链路上；

④若该帧的地址不在网桥的地址表中，则网桥对该帧的处理与前述的第一种相同，即向所有链路上的站点发广播。

使用透明网桥必须注意不可出现“桥接循环”，即连接的任何两个LAN间不可存在多条网桥路径。

否则要么出现网络通信失败，要么导致网络阻塞（congesting）。

解决桥接循环问题采用的方法是“生成树算法”（STA，SpanningTreeAlgorithm）。

它将冗余的路径设置成阻塞状态，提高了网络循环连接的可用性，同时消除了桥接循环带来的问题。

【源路由网桥】P135

IBM公司开发，后纳入IEEE802.5标准中。

其特点是由发送帧的源工作站负责路由选择，每个源工作站都配置一张“路由选择表”。

源站以广播方式向目的站发送一个路由选择帧，沿所有可能的路径传送。

在传送中，每个路由选择帧都记下所经过的路径。

当路由选择帧到达目的站后，就沿原路径返回源站，带回路由信息，源站从所有可能的路径中按一定规则（如最先发回路由选择帧的路由或最小的网络节点数等）选择一条最佳路由，记入本站的路由选择表中。

此后凡从这个源站向这个目的站发送的帧，其首部都封装有源站所确定的路由信息。

除了上述两种桥接技术，还有所谓“源路由透明网桥”（SRT）技术，适合在以太网和令牌环网的混合环境下的通信。

6.1.3路由器（router）P136

路由器被设计用于连接不同的LAN或LAN与WAN。

它的基本作用是将数据包转发给由一个或若干个网络互联的特定的网络。

它是通过使用称为“网络协议”或“路由协议”（通常工作在协议栈的第三层）的一些程序来实现这一功能的。

路由器其实就是根据主机所在网络的网络ID，在不同网络的主机之间传递信息的计算机。

因为使用了网络标识号，路由器在TCP/IP协议组的网际层上工作。

一般地，主机并不配置路由协议，因为这会占用主机的内存和处理资源。

Cisco公司是世界上最著名的路由器制造商。

初略一看，路由器和网桥似乎具有相同的功能。

不过，网桥被设计用于同一LAN不同网段的互联，而且网桥和路由器在不知道下一个跳转地址时的表现也完全不同：

·如果网桥不知道下一个合适的目标地址，它们就将帧送到除接收端口之外的所有活动端口（这个过程叫做所谓“flooding”——泛滥）

·如果路由器不知道通往某个目标地址的路由，它们就丢弃数据包并向源站点发回一个出错信息。

·网桥在一个以太网内转发MAC帧。

路由器由于涉及协议栈的更高层，转发的是IP数据包。

·路由器还提供安全防火墙功能，以防止XX者访问公司网站，它还可过滤由较高层协议头寻址的目标，以防止数据包被不正确地发送到某个WAN（由于对电信链路的访问发生改变）。

·由于功能扩展，路由器要求更复杂的软件（决定和控制数据包路由的协议）以及比讨论网桥时所考虑的更广泛的过滤数据库。

6.1.4交换机（switch）

·第二层交换机

其实质是一个多端口网桥。

处理广播包不太有效，可能产生广播风暴。

解决方法：

VLAN技术。

但要根据物理端口或MAC地址设置，极不方便。

·第三层交换机

基于硬件实现路由功能（路由转发速度和带宽于比路由器可高出数十倍甚至更多）；

支持IP（VLAN管理方便）。

所谓“二层交换机”，简言之，就是它能识别MAC层的信息（能够剥离并处理包含MAC地址的帧信息）；所谓“三层交换机”，简言之，就是它不仅能识别MAC层的信息（能够剥离并处理包含MAC地址的帧信息），而且能识别IP层的信息（能将剥离并处理包含IP地址的数据报信息）。

还有所谓“四层交换机”，其含义由此类推。

我校校园网使用的核心交换机是具有交换机和路由器双重功能的三层千兆位以太网交换机。

它们象传统的交换机一样在第2层工作，只根据MAC地址转发或丢弃数据包。

它们也象传统的路由器一样工作在第3层，使用网络层的信息将数据包路由到其他路由器、交换式网络或最终站点上。

不过，与传统的路由器不同的是，常规的路由器将路由表保存在软件中，使用CPU查找和保持这些地址。

而三层交换机往往通过使用ASIC技术，将路由表保存在硬件中，从而获得“线速”路由（所谓“线速”，指电信号能达到的最大传输速度），其速率几乎10倍于常规的路由器。

6.1.5网关（gateway）P138

网关用于连接“异构型网络”，理论上可以工作在OSI模型的所有七层。

一个“网关”实际上是一个协议转换器。

路由器本身只能使用相同的协议实现网际的数据包的传送、接收和中继。

而网关可以接收符合某个协议（如AppleTalk）格式的数据包，把它转换成符合另一种协议（如TCP/IP）格式的数据包，然后再转发。

6.2路由选择原理

6.2.1路由协议和路由表

路由器在因特网界也被称为“网关”（gateway）。

其任务是管理子网之间或子网到因特网之间所进行的网络通信。

客户机上一般须设置一个默认网关的IP地址，这样当一台主机准备向另一台主机发送消息时，源主机在IP数据包中加入了其自身的地址以及目标主机的地址。

当主机准备向不在本地网上的另一台主机（根据目标网络和子网地址确定）发送数据报时——主机将检查目标主机的网络ID，并把它与本地路由表相比较——主机就把数据报转发给它的默认路由器（默认网关），然后由该路由器负责将数据报发送到不同的网络或另一台路由器，直到该数据报到达最终目的地。

如果没指明默认网关，通信将被限制在该台主机所在的本地网络上。

传输路径从一个逻辑网络到另一个逻辑网络的行动叫做跳跃（hop）。

网络协议是这样一种协议：

它含有使数据包路由用的寻址和控制信息（故又称为“路由协议”）。

网络协议是根据路由协议实现互联网络之间的路由。

IP是网络协议的一个例子。

其他一些类似的网络协议还有：

AppleTalk，DECnet和NovellNetWare。

路由协议是这样一种协议：

它通过执行某个路由算法实现路由功能。

路由算法用于初始化和定期更新“路由表”（routertable）中的信息，并进行实际的路径选择。

路由表则用于存储在选择网络路由时有用的有关网络的各种信息。

【路由表】路由器中一张存储了网络拓扑信息内容的表，它包含一组条目，指定可以到达其他网络的路由器端口的IP地址。

路由表中的条目可以是静态的，也可以是动态的。

静态路由表中的条目由网络管理员设置和维护。

它们通常包含预定的到目标子网的路由，并且只能由网络管理员通过特定的行为才能修改。

与此相反，动态路由表中的条目是由基于网络拓扑的路由协议以及当前的各种状态（如链路长度、传输速率、流量等）建立的。

动态路由表中的条目由相关的协议定期更新，而无须人工干预。

。

所以建立路由表有两种常用方法：

·静态IP路由每台路由器的静态路由表使用本地文件，该文件