第7章 网络互联pptConvertor.docx
《第7章 网络互联pptConvertor.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章 网络互联pptConvertor.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第7章网络互联pptConvertor
第7章网络互连
网络互连概述
网络互连设备
实训与范例
本章知识点
1
7.1网络互连概述
2.网络互联的条件
网络互连设备：
实现网络互连的硬件
网络互联软件：
用于实现网络互连协议的软件
3.网络连接的两种层次
网络间物理线路的连接
网络间物理与逻辑上的连接
网络连接指的是物理与逻辑上的连接，即通过相应的技术手段将分布在不同地理位置的网络或网络与远程工作节点之间进行物理和逻辑上的连接，以组成更大规模的计算机网络系统，实现更大范围的资源的高度共享和文件传输。
1.网络互连（internetworking）是指采用各种网络互连设备将同一类型的网络或不同类型网络及其产品相互连接起来，组成地理覆盖范围更大、功能更强的互连网络系统，并实现互连网络资源的共享。
是计算机网络发展到一定阶段的必然产物。
4.有关概念的区别
（1）互连网络是指将分布在不同地理位置的网络、设备连接起来，以构成更大规模的网络，最大程度地实现网络资源的共享。
（2）网络连接指网络在应用级的互连，是对连接于不同网络的各种系统之间的互连，强调协议的接续能力，以便完成端到端系统间数据传递。
（3）网络互连指不同的子网间借助于网络设备（网桥、路由器等）实现各子网间的互相连接。
其目的是解决子网间的数据交互。
（4）网络互通指网络不依赖于其具体连接形式的一种能力，不仅指两个端系统间的数据传输和转移，还表现出各自业务间相互作用的关系。
网络连接和网络互连是解决数据的传送，网络互通是各系统在连通的条件下，为支持应用间的相互作用而创建的协议环境。
2
7.1网络互连概述
7.1.1网络互连的类型
1.网络互连的目的是扩大网络覆盖和资源共享的范围或容纳更多的用户，以实现数据流通，使各个不同网络的用户能够互相通信、交换信息和共享资源。
2.网络互连的类型主要有局域网与局域网的互连；局域网与广域网的互连；局域网经广域网的互连；广域网与广域网的互连。
下图表示不同网络类型相互连接的实例：
⑴局域网与局域网的互连（LAN—LAN）
局域网互连包括同构网络互连和异构网络的互连。
①同构网络互连是指符合相同协议局域网的互连，主要采用的设备有中继器、集线器、交换机、网桥等。
②异构网的互连是指两种不同协议局域网的互连，主要使用网桥、路由器等设备。
⑵局域网与广域网的互连（LAN—WAN）
3
7.1网络互连概述
⑶局域网经广域网的互连（LAN—WAN—LAN）
将两个分布在不同地理位置的局域网通过广域网实现其互连。
如下图所示：
WAN与WAN的互连
⑷广域网与广域网互连（WAN—WAN）
通过路由器和网关将两个或多个广域网互连起来，可以使分别连入各个广域网的主机资源能够实现共享。
如下图所示：
4
7.1网络互连概述
7.1.2网络互连的层次
从通信角度，网络互连的层次可以分为
（1）物理层互；
（2）数据链路层互连；
（3）网络层互连；（4）高层互连
1.物理层互连
物理层互连主要解决的是在不同的电缆段之间复制位信号。
物理层的连接设备主要是中继器（Repeater）-是网段连接设备而不是网络互连设备。
2.数据链路层互连
若两个网络的链路层及其下层（物理层）的协议不同时，则只能在数据链路层实现其互连。
3.网络层互连
若两个网络的网络层及其以下各层的协议是不相同的，则只能在网络层实现其网络互连。
5
7.1网络互连概述
4.高层互连
（1）传输层及其以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连。
（2）实现高层互连的设备是网关（Gateway）或应用网关。
高层互连允许两个互连网络的应用层及其以下各层的网络协议都可以是不同的。
7.1.3网络互连要求
1.要求
（1）在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理链路和控制链路。
（2）提供不同网络间的路由选择和数据传送。
（3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。
（4）在网络互连时，应尽量避免由于互连而降低网络的通信性能。
（5）不修改互连在一起的各网络原有的结构和协议。
2.网络互连设备应具有的性能
⑴不同的编址方案；⑵不同的最大分组尺寸；
⑶不同的网络访问机制；⑷不同的超时；
⑸差错恢复；⑹状态报告；
⑺路由选择技术；⑻用户访问控制；
⑼连接和无连接服务。
6
7.1网络互连概述
网络层上的两种常用互连方式：
面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式。
7.1.4网络互连技术
1．面向连接的虚电路方式
互连网中任意两台主机之间可以建立一条逻辑的网络连接。
2．无连接的数据报方式
在无连接的数据报方式中，每个网络层分组不是按顺序沿着到达目的地的同一条路径发送，它们被分别进行处理，经过多个路由器和子网后到达目的端。
7
7.1网络互连概述
隧道技术是实现网络
互联的一种特殊的情
况：
源与目的网络是
同构的，而两者之间
的网络却不同。
3．隧道技术
右图中的两个基于TCP／IP的以太网，一个在北京，一个在上海，中间跨越WAN。
其工作过程是：
主机1将IP分组发送给位于上海的主机2，主机1构造的IP分组中含有主机2的IP地址，将该分组嵌入含有北京的多协议路由器地址的以太网帧中，把它放入以太网上。
当位于北京的多协议路由器获得该帧后，把IP分组取出，将它放入WAN网络层分组的数据域中，然后将它发送给位于上海的多协议路由器。
当WAN分组到达后，上海的多协议路由器取出IP分组并将它发送给以太网上的主机2。
WAN就像是一个延伸于两个路由器之间的隧道，IP分组由隧道的一端进入，从隧道的另一端出来，它不必考虑如何处理WAN上的事情。
两端的主机也不必知道传输的细节。
8
7.2网络互连设备
常用设备
（1）中继器：
在物理层上透明地复制二进制位，补偿信号的衰减。
（2）网桥/第二层交换机：
工作在OSI模型的数据链路层。
在不同或相同类型的局域网之间存储并转发帧，必要时进行链路层上的协议转换。
可连接两个或多个网络，在其中传送信息包。
（3）路由器/第三层交换机：
工作网络层，在不同的网络间存储并转发分组，根据信息包的地址将信息包发送到目的地，必要时进行网络层上的协议转换。
（4）网关：
工作在传输层或更高层次上，对高层协议（包括传输层及更高层次）进行转换的网间连接器。
它允许使用不兼容的协议，如IBMSNA，SPX／IPX和TCP／IP的系统和网络互连。
互连设备所在OSI七层模型的位置及其用途
9
7.2网络互连设备
7.2.1中继器
1.中继器的功能：
连接两个网络的电缆段，放大、整形、再生电缆上的数字信号，并按原来的方向重新发送该再生信号。
2．中继器的选择
（1）类型：
双口中继器、多口中继器、集线器（HUB）和多路复用器；
（2）款式：
插卡式、独立式和机架式
3．中继器的使用限制：
在10Mb/s以太网中应遵循5-4-3规则。
应注意的事项
①网段的接口。
②网段扩展的极限距离。
③使用中继器时，应注意所连接的各个网段的高层协议的兼容。
7.2.2网桥（Bridge）
1.桥的基本功能：
是一种存储转发设备。
它应该具有足够的缓冲空间，以满足高峰负载的要求，而且，桥还必须具有寻址和路径选择的逻辑功能。
2.桥的工作原理：
桥只有数据链路层（LLC子层和MAC子层）和物理层。
如有两个MAC子层和物理层称为双边桥（可以互连两个不同的LAN）；如有K个MAC子层和物理层称为K边桥（可以互连K个不同的LAN）
10
7.2网络互连设备
网桥在数据链路层实现互连，主要起到数据帧接收、地址过滤、数据帧转发的作用。
用来实现多个局域网间的数据交换。
3.桥接的应用：
11
7.2网络互连设备
4.网桥的特点
网桥的优点是具有信息过虑功能、效率高、配置简单；缺点是不能均衡及阻止“广播风暴”。
（1）网桥以接收、存储、地址过滤与转发（基于MAC地址和网桥内部的节点表判断是否转发，即具有信息过虑功能）的方式实现两个互连网络之间的通信，并实现大范围局域网的互连
（2）网桥可以分隔两个网络之间的通信量（由于信息过虑功能使得网段内的通信量不会传输到另一个网段），有利于改善互连网络的性能。
若是同网络内的信息传递，则网桥不进行复制和转发，否则转发。
（3）网桥若仅有桥接功能，不附加路由功能，则在同一点只能连接两个局域网。
（4）当两个LAN之间采用两个或两个以上的网桥互连时，由于网桥转发广播数据包，易产生广播风暴
5.使用中存在的问题
（1）帧转发速率低
（2）广播风暴
12
7.2网络互连设备
关于广播风暴
（1）网桥转发数据帧到某个目的站时，必须确定通过哪个连接端口转发出去，因此，在网桥中就必须保存有一张“端口-节点地址表”（动态生成）。
（2）该“端口-节点地址表”的存储空间是有限的，当网络规模扩大或网内结点大量增加时，会不断出现地址表中没有的节点。
此时网桥就会出现无法确定转发端口的现象。
解决的办法是，网桥会通过所有的端口将数据帧广播发送出去，但一个数据帧经过一轮又一轮的广播后，会变成2、4、8、16个……呈几何级数增长的数据帧，从而造成网络中无用的通信量剧增，形成“广播风暴”。
严重时会造成系统无法工作。
主机B要发送一个信包PKT给主机A：
先将信包PKT分组传给LLC子层，该层为分组加上了一个LLC的报头后，再传给MAC子层，MAC子层按802.3中的格式给其加上帧头和帧尾成帧后发给物理层，当该帧在电缆上传输时，802桥的
物理层收到该帧，并将数据帧送到桥的MAC子层时，剥掉802.3的帧头和帧层，再向上传给桥的LLC子层，桥的LLC子层将该分组交给靠近802.4LAN半桥的MAC子层，MAC子层按802.4的要求，对收到的数据帧进行封装，并通过它的物理层及传输介质发送到主机A。
13
7.2网络互连设备
5.桥要解决的问题
（1）各种LAN都有不同的帧结构，桥必须进行帧格式的转换；
（2）由于IEEE规范的三种LAN（802.3、802.4、802.5）的速度不同，要解决速度匹配问题；
（3）不同的LAN都有不同的最大帧长要求（802.3/1518B、802.4/8191B、802.5/5000B）；
（4）帧格式无法对应转换的情况。
6.网桥的分类
（1）简易网桥、透明网桥、源路由网桥
简易网桥
①简易内桥:
普通PC机插入多块网卡分别连接多个局域网，同时运行相应的网桥软件所构成的网桥
②简易外桥:
网络中工作节点插入多块网卡构成的网桥
透明网桥:
生成树网桥，遵守IEEE802.1网桥标准
源路由网桥:
即源路由选择网桥，遵从IEEE802.5网桥标准，网络中每个源路由网桥都有唯一的ID标识
（2）本地网桥和远程网桥
①本地网桥:
用于直接连接本地很近的局域网的网桥；
②远程网桥:
用于通过PSTN连接两个远距离网络的网桥。
（3）级联网桥和多端口网桥
①级联网桥，由于网桥只有两个连接端口，因此只能连接两个网络段，可采用级联方式连接形成更大的网络；
②多端口网桥，具有多端口的网桥，多端口网桥可用于多个网段的互连
14
7.2网络互连设备
8.网桥的使用方式
9网桥的功能
⑴过滤和转发
⑵协议转换
⑶缓冲管理
①一类是接收缓冲区，用于暂存从端口收到的、要发往另一局域网的帧；
②另一类是发送缓冲区，用于暂存已经过协议转换等待发往相邻LAN的帧。
15
7.2网络互连设备
10网桥的应用特点
（1）优点
①网桥通过对不需要传递的数据进行过滤来实现基于物理地址的网络间的通信分段。
②网桥可以互联两个或多个网络。
也就是说，网桥可以连接使用不同传输介质、不同介质访问控制方式、但高层协议相同或兼容的有条件同构的网络。
③通过网桥的过滤性能，隔离了不需要传播的信息。
（2）缺点
①要求网络层以上的协议相同或兼容。
②网桥会处理接收到的数据信息，从而降低网络的性能。
③网桥传递所有的广播信息，因此难以避免广播风暴。
④网桥没有路径选择能力，在存在多路径时，网桥只使用某一固定的路径。
7.2.3交换机（Switch）
1.三种交换机
ATM交换机：
主要采用信元交换
第二层交换机（又称LAN交换机）：
第二、层交换机主要采用分组交换。
第三层交换机
2.以太网交换机与集线器的异同
（1）不同之处
①在OSI/RM中，工作的层次不同；②工作原理不同；
③网络工作方式和冲突域不同；④节点享有的带宽不同；
⑤端口的通信模式不同；⑥逻辑拓扑结构不同。
16
7.2网络互连设备
3．交换机的性能指标
性能指标
⑴端口支持：
端口类型、数量和端口速率等指标。
⑵吞吐率：
吞吐率指的是不丢失帧时能够达到的最大传输速率，单位pps（PacketPerSecond）。
⑶背板速率：
即可让用户确定交换机支持的并发交换能力和广播式传输的能力，其单位是Mb/s。
⑷延迟：
指从帧的第一位到达源端口到第一位离开目的端口之间的时间。
其单位是微秒。
⑸帧丢失率：
指持续负载下交换机丢失帧的比率。
⑹交换机的交换方式（3种）
①存储转发（Store-and-forward）
②直通（CutThrough）
③碎片丢弃（FragmentFree）
（7）MAC地址与支持MAC地址的数量
①MAC地址的作用
②MAC地址的组成
③MAC地址的数量
4.选择交换机的要点
（1）按应用规模选择
（2）按采用的技术类型选择
（3）支持的MAC地址数量选择
17
7.2网络互连设备
7.2.4路由器（Router）
1．路由器的原理与特点
路由器是网络层的主要互联设备，工作在OSI/RM第3层的网络互联设备。
。
主要功能是接收来自各个端口的数据分组，进行路由选择，并从合适的端口将接收到的数据分组转发出去。
（1）原理：
对数据包进行检测，判断其中所含的目的地址，若数据包不是发向本地网络的某个节点，路由器就要转发该数据包，并决定转发到哪一个目的地以及从哪个网络接口转发出去。
（2）特点
①路由器是在网络层上实现多个网络之间互连的设备
②路由器为两个或3个以上网络之间的数据传输解决的最佳路径选择
③与网桥的主要区别：
网桥独立于高层协议，把几个物理子网连接起来，向用户提供一个大的逻辑网络；路由器是从路径选择角度为逻辑子网的节点之间的数据传输提供最佳的路线。
④路由器要求节点在网络层以上的各层中使用相同或兼容的协议
18
7.2网络互连设备
2．路由器的功能
除具有网桥的全部功能外，还具有如下主要功能
①路径选择功能：
路由器不采用网桥所用的广播方式进行通信，而是能够在复杂的网络环境中选择一条最佳路径完成数据包的传送工作；
②连接功能：
提供不同网络（如通信、类型、速率或接口）的连接，而且在不同网段之间定义了网络的逻辑边界，从而将网络分成各自独立的广播网域。
③网络地址判断、最佳路由选择和数据处理功能：
通过对每一种网络层协议建立的路由表来判断目的地址、最佳路由以及数据过滤和特定数据的转发
④设备管理：
可通过软件协议本身的流量控制参量来控制其转发的数据的流量，以解决拥塞问题；还提供对网络配置管理、容错管理和性能管理的支持。
3.路由器的相关概念
（1）静态路由和动态路由
①静态路由选择是通过网络管理员设置路由表来完成某条网络链路是否关闭。
②动态路由器通过监控网络变化决定是否自动更新路由表重新配置网络路径。
（2）路由表
①静态路由表：
由管理员事先设置好，固定，不会随未来网络结构的改变而改变。
②动态路由表：
可根据网络系统的运行情况，自动调整的路由表。
根据路由选择协议的功能，自动学习和记忆网络运行情况。
19
7.2网络互连设备
路由器使用路由表并根据传输距离和通信费用等要素通过优化算法来决定一个特定的数据包的最佳传输路径。
路由表通常包含许多（N,R）对序偶，其中N指的是目的网络的IP地址，R是到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址，因此，在路由器R中的路由表仅仅指定了从R到目的网络路径上的一步，而路由器并不知道目的地的完整路径。
为了减少路由设备中路由表的长度，提高路由算法的效率，路由表中的N常常使用目的网络地址，而不是目的主机地址。
下图是利用路由器实现的网络互连，则路由器R的路由表如下表所示。
（3）IP数据报的传输
若网络中有两台主机A与B要进行通信（如下图），IP数据报的传输过程如下：
20
7.2网络互连设备
①主机A形成原始数据并按照IP协议在IP层封装成IP数据报
②根据源主机A与目的主机B是否同一网络，若是则直接将报文投递出去；若不是则要经过路由器再投递，由图可见，是投递到路由器Q
③路由器Q接收该数据报，并判断是否与自己同属一个网络，若是则直接投递，否则经过下一个路由器进行再次投递。
由图中可见，路由
器Q与路由器T和路由器R相连，路由器Q的路由表中下一跳步就有两种情况：
一是路由器T，一是路由器R。
这要视路由器Q的设置而定，如果采用RIP路由协议（选择跳数最少的路由），则会选择路由器T。
假设路由器Q的下一跳步为路由器T，则路由器Q将把IP数据报投递给路由器T。
④路由器T接收该报文，判断目的主机与自己在同一网络中，则直接投递给主机B。
（4）路由协议
路由器之间进行通信的一种规则，目的是使网络中的各个能够“看到”完整的网络拓扑结构，从而找到到达目的地的最佳路径。
21
7.2网络互连设备
（1）路由信息协议RIP：
是基于距离向量的分布式路由选择协议。
①RIP规定一条路由最多只能有15跳（15个路由），多于此值则认为是不可到达的。
②RIP信息是封装在UDP数据报中传送的。
每个路由器根据其相邻路由器发送来的路由信息及距离最短的原则逐步建立并不断更新自己的路由表。
下面看RIP是如何工作的，假设每条链路的开销都为1。
这样一条开销最低的路径就是包含跳数最少的一条路径。
22
7.2网络互连设备
路由表的更新
距离向量路由选择算法的下一步就是每个节点都发送包含自己距离表的信息给其相邻节点。
现在我们举一个例子来说明这个过程。
假设节点F发信息给节点A，告诉A它可以到达节点G，并且到达G的开销是1，A收到这个消息后，把这个开销值与它知道的到达F的开销值相加，得到开销值2，这个值小于无穷大，于是A在它的路由表中添加一条经过F到达G的路由，开销是2。
23
7.2网络互连设备
路由更新：
两种情况
（1）定期更新：
在这种情况下，即使没有路径改变，每个节点也要自动地，按时发送更新消息。
这可以使其他节点知道它们仍在正常工作，也可以确保即使现有的路由不可用时，它们仍能一直得到所需的信息。
（2）触发更新：
当一个节点从它的相邻节点接收到更新消息，并且这个更新消息又能改变其路由表中的一条路由时，才会引发这种更新。
当一个节点或链路发生故障时可能出现的情况
正常情况：
首先注意到这个问题的节点发送新的距离列表给它的相邻节点，一般，系统会很快达到新的稳定状态。
上述情况称为记数到无穷（counttoinfinity）
解决这个问题有几种不成熟的方法：
24
7.2网络互连设备
（1）使用一个较小的数作为无穷大的近似值。
比如，我们认为穿过某个网络的最大跳数不会超过16，因此，选择16来表示无穷大。
这可以限制记数到无穷所花的时间。
这种方法的问题是，当某个网络增长到最大跳数超过16时，又出现了新的问题。
（2）水平分割（splithorizon）技术：
基本思想，当一个节点把路由选择的更新信息发送给相邻节点时，并不把从其相邻节点处学习到的路由再回送到那些相邻节点。
B：
（E，2，A），B知道这条路由信息是从A学习到的，所以不论B什么时候给A发送更新信息，在其更新信息中都不包括（E，2）。
（3）挫折反转：
该方法中，B可以把从A学习到的路由发给A，但要在该路由表中加入否定信息来确保A最终不会使用B到达E的路由。
如，B把（E，∞）送给A，这样A就不会使用这条路由了。
上面介绍的两种技术的问题在于它们只能在涉及两个节点的路由循环中有效。
对于更大的路由循环，则需要更强的措施。
那么在上述的例子中，如果B和C在接收到A的链路故障后，在把路由信息通知给E之前等待一会，它们就会发现，实际上它们两者都没有到达E的路由。
不幸的是这种方法耽误了协议的聚合。
RIP协议的优点：
协议简单、易于实现；
25
7.2网络互连设备
RIP协议的缺点
①跳数决定了只适用于小型互连网环境；
②路由表的整个传送占用了网络带宽和处理时间；
③路由选择过于简单（不能根据网络带宽、时延、传输速度、可靠性而定）；
④没有负载平衡；
⑤只有增强版信息中包含子网掩码才支持子网。
（2）开放最短路径优先（OSPF）：
开放最短路径优先OSPF是基于链路状态（是指与该路由器相邻的网络和路由器信息以及将信息发送到这些网络和路由器所需的费用，如带宽、距离、时延或真正的费用）的分布式路由选择协议，是目前应用最普及的内部网关协议。
1997年7月公布了最新版本OSPFv2（RFC2178）。
OSFP的要点：
①所有的路由器都维持一个链路状态数据库，该库实际上就是整个互连网的拓扑结构图。
②由于网络中的链路状态可能经常发生变化，因此，OSPF让每一个链路状态都带上一个32bit的序号，序号越大状态就越新。
序号每5s更新一次，32位可用600年不重复号。
③每一个路由器用链路状态数据库中的数据，算出自己的路由表。
④不用UDP而是直接用IP数据报传送，并且数据报更短。
⑤只要网络拓扑发生变化，数据库很快进行更新，5秒更新一次，保持全网范围的一致性。
依靠各路由器之间的频繁交换信息来建立链路状态数据库，并且在全网范围内保持和这个数据库的一致性。
26
7.2网络互连设备
OSPF的规定：
1）每两个相邻路由器每隔10秒钟要交换一次hello报文。
2）若有40秒没收到某个相邻路由器发来的hello报文，则认为该相邻路由器是不可达的，应立即修改链路状态数据库，并重新计算路由表。
缺点：
开销大
具体的链路状态路由算法如下：
①发现邻居节点，并知道它们的网络地址。
路由器启动后，通过发送HELLO包发现邻居节点。
②测量到每个邻居节点的延迟或开销。
一种直接的方法是：
发送一个要对方立即响应的ECHO包，来回时间除以2即为延迟。
这种测试可以将载荷考虑进去。
③构造一个包含所有数据的分组。
该分组以发送方的标识符开头，后面是序号、年龄和一个邻居结点列表；列表中对应每个邻居结点，都有发送方到它们的延迟或开销；
27
7.2网络互连设备
④将这个分组发送给所有其它路由器。
基本思想：
采用洪泛算法发布分组，每个分组包含一个序号，使用32位序号使序号循环使用。
每次发送新分组时序号加1。
路由器记录信息对（源路由器，序号），当一个链路状态分组到达时，若是新的，则分发；若是重复的，则丢弃；序号比路由器记录中的最大序号小，则认为过时而丢弃。
当一个路由器崩溃后，它将丢失其序号，如其从0开始，那么后面分组将被当作重复分组而丢弃；或顺序号传送后出现错误，如4被看成6500，则分组5到6499将被当作过时分组而丢弃。
解决办法：
在分组中加入年龄，每秒钟将年龄减1，当年龄变成零时，来自那个路由器的信息就被丢弃。
以保证没有任何分组会丢失并无限长
升级会员 