传输介质与网络连接设备终.ppt

第4章 传输介质与网络设备 主要内容 v网络传输介质 v物理层网络互联设备 v数据链路层网络互联设备 v网络层网络互联设备 有线通信 无线通信 双绞线 同轴电缆 光纤 无线电短波通信 地面微波接力通信 红外线和激光 卫星通信 VSAT卫星通信 4.14.1网络传输介质 - - 物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数 据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。 传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导 向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着 固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是 指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称 为无线传输。 导向媒体 有线 非导向媒体 无线 导向媒体 有线 铜线 铜线 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 屏蔽层绝缘层 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 1 双 绞 线 无屏蔽双绞线（四对线芯） 平行导线的噪声效应 如果两条导线互相平行，离噪声源（如电动机）近的 导线中产生的噪声电平就会比另一条导线中的更高，从 而导致负载不平衡以及信号损益。 双绞线上的噪声 导线绞合并不保证一定能消除噪声，但是能显著减弱 它的影响。 所以“双绞”的作用是减少相邻导线的电磁干扰。 无屏蔽双绞线的种类 1类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 ) 2类线 用于5Mbps传输(适用于语音/低速传输 ) 3类线 用于16Mbps传输(10M以太网电缆,4芯) 4类线 用于20 Mbps传输 5类线 用于100 Mbps传输（8芯） 超5类线 用于155Mbps传输（8芯,最常用的网络电缆） 6类线 用于250Mbps传输 7类线 用于600Mbps传输 电缆上通常印有类别标志电缆上通常印有类别标志, ,如如 cat 5 cat 5 或或category 5 (5category 5 (5类线类线) ) 标准规定计算机网络常用双绞线标准规定计算机网络常用双绞线(UTP)(UTP)每根长度不宜超过每根长度不宜超过 100100米。米。 双绞线的特点 其频率范围对于传输数据和语音都适用（现在5类 非屏蔽双绞线的传输频率上限可以达到100MHZ以上 ） 所以模拟传输（宽带信号）/数字传输（基带信号 ）均可使用 单位价格最低，但每根只能连接一站点，线路总费 用增加 抗高频干扰能力较差 使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出选 择 双绞线联网的5-4-3规则 因为信号衰减，所以双绞线最远的传输 距离为100米。超过100米就需要一个中继设备对 信号进行放大处理。 用双绞线组网时，信号经过的网段最多 不能超过五段，也就是所加的中继器最多为四个 ,而且只有三个段用来接工作站。 双绞线的连接 HUB RJ-45接头 (水晶头) RJ-45连接器 RJ-45插头是一种只能沿固定方向插入并 自动防止脱落的塑料接头，俗称“水晶头” ，专业术语为RJ-45连接器。双绞线的两端 必须都安装这种RJ-45插头，以便插在网卡 （NIC）、集线器（Hub）或交换机（ Switch）的RJ-45接口上，进行网络通讯。 RJ-45连接器中的导线标准 针线对（T表示发送、R表示接收、*表示未定 义） 1T 2T 3R 4* 5* 6R 7* 8* EIA/TIA(电子工业联合会和电 信工业协会) 568A 顺序 颜色功能 针1白绿Tx+ 针2绿Tx- 针3白橙Rx+ 针4蓝10BaseT和100BaseT中未使用 针5白蓝10BaseT和100BaseT中未使用 针6橙Rx- 针7白棕10BaseT和100BaseT中未使用 针8棕10BaseT和100BaseT中未使用 EIA/TIA(电子工业联合会和电信 工业协会)568B标准 顺序 颜色功能 针1白橙Tx+ 针2橙Tx- 针3白绿Rx+ 针4蓝10BaseT和100BaseT中未使用 针5白蓝10BaseT和100BaseT中未使用 针6绿Rx- 针7白棕10BaseT和100BaseT中未使用 针8棕10BaseT和100BaseT中未使用 双绞线接线标准 铰齐线头，插入插头 用压线钳夹紧 接线的标准有EIATIA T568A和EIATIA T568B 网线的两种连线方式 双绞线连接有两种方式：直连网线和交叉网线 。 直连网线：两端线序一样，目前使用比较多 的是T568B标准接线方法。 交叉网线：一端为T568A，另一端T568B。 下面列出常用网络设备间的连线方式： PC-PC:交叉网线 PC-HUB:直连网 线 HUB-HUB普通口-级连口：直连网线 HUB-HUB普通口:交叉网线 HUB-HUB 级连口-级连口：交叉网线 直通线 针 1 2 3 4 5 6 7 8 标记 Rx+ Rx- Tx+ Tx- 针 1 2 3 4 5 6 7 8 标记 Tx+ Tx- Rx+ Rx- 集线器/交 换机 计算机/路 由器 交叉线 针 1 2 3 4 5 6 7 8 标记 Rx+ Rx- Tx+ Tx- 集线器/交 换机 集线器/交 换机 针 1 2 3 4 5 6 7 8 标记 Rx+ Rx- Tx+ Tx- 双绞线的网线制作 RJ-45接头 (水晶头) 压线钳 双绞线 1. 先抽出一小段线，然后先把外皮 剥除一段,长约1.5cm-2cm 注意:芯线的绝缘皮不能剥去 双绞线 2. 将双绞线反向缠绕开，根 据T568B接线标准排线 注意:线序要正确 双绞线 3. 铰齐线头 双绞线 4. 按正确的线 序插入水晶头 注意:一定要使各条芯线都插到水晶头的底部 双绞线 双绞线 5. 用剥线钳夹紧 注意:要充分压紧 2 同轴电缆的结构(4班)11.10 广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50(指沿电缆导体 各点的电磁电压对电流之比) 同轴电缆，用于数字信号的 传输，即基带同轴电缆；另一种为75同轴电缆，用于宽 带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。 基带传输型(主要用于LAN) 50 RG-8（粗缆）单段传输距离最远为500米 RG-58 (细缆）单段传输距离最远为185米 频带传输型(主要模拟传输) 75公用天线电视系统(CATV)用 常用同轴电缆种类 3 光纤（光导纤维） 光是一种电磁波，它在真空中传输速度最快（每秒30万 千米），但传输速度随传输介质密度增大而降低。相对于 其他传输媒介，低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最主 要的优点。目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速率 （20G以上）。根据贝尔实验室测试，当数据速率为 420Mbps且距离为119km无中继器时，其误码率为10-8， 可见其传输质量很好。 光的传输特性 主要用于：主要用于： 主干网（高速）主干网（高速） 防雷击防雷击 保密（防窃听）保密（防窃听） 光纤传输原理 光纤利用全反射使光 线在信道内定向传输。光 纤中心是玻璃或塑料的芯 材，外面填充着密度相对 较小的玻璃或塑料材料（ 覆层）。两种材料的密度 差异必须达到能够使纤芯 中的光线只能反射回来而 不能折射入覆层的程序。 多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输 的光纤。其光纤芯径在50到100m的范围内，多条入射角度 不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播。 Multimode Fiber 多模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤 单模光纤 Single Mode 使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级 ，这样只有一个角度即“模式”的光纤可以通过：轴心光线 。于是所有光线都能“同时”到达，并能无失真地重新组合 ，通常用于长距离的传输。 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 一般来说，多芯光纤并不直 接连接到计算机的网卡上， 而是连接到一种叫做光端器 的设备上。这时就需要使用 一种俗称“光纤跳线”的专用连 接线，连接光端器和计算机 上的网卡。 光纤跳线也是光纤，一根光 纤跳线中只含有一根光纤， 只能进行单向的数据传输。 一般连接一台计算机需要两 根光纤软跳线，一根发送数 据，一根接收数据。 光纤跳线 Fiber Jumper Lines 光纤系统中使用的光源器件 有两种类型，皆为施 加电压便可发射光束的半 导体装置。 LED (发光二极管) 价廉，工作温度范围 较大，工作寿命较长，但 只能发射发散的光线，只 在短距离内使用。 ILD (注入式激光二极 管) 根据激光原理工作， 光线具有高度集中性，高 效高数据速率长距离 光纤的应用 容量更大 能以数百 Gbps的数据率传输几十千米 (比较 : 同轴电缆能以数百Mbps的数据 率传输1千米; 双绞线能以几Mbps 的数据率传输1千米，或以100 Mbps 至 1 Gbps的数据率传输数十 米） 。 尺寸更小且重量更轻 衰减最小 电磁隔离 不受外部电 磁场影响(干扰、冲激噪声和串扰 影响小) 无能量辐射 ，也难以分接（防窃听功能) 无线传输介质 无线传输介质通过空气传输信号 空气既可以传输数字信信号，又可以传输 模拟信号 目前使用较多的红外线、无线电波、微波 等无线传输介质都可以通过空气传输信号 1 红外传输 红外线在电磁波谱中的频率低于可见光但 高于微波，它的频率范围10121014Hz之间 红外传输主要实现的是视距传输，它不具 有穿透性，因此红外传输信号无法穿过墙壁 从一个房间传输到另一个房间 2 无线电传输 无线电波可以穿过墙壁在空气中可以向任 何方向传播 它在电磁波谱中的频率低于微波，它的频 率范围在104108Hz之间 无线电系统使用这一频段的无线电波来传 输数据 大多数无线电频率的使用是有标准的，并 且需要得到无线电管理委员会的批准 3 微波通信 微波在电磁波谱中是指频率大过于1GHz 的电波 微波通信使用功率极大的聚焦能量束在 很远的距离上实现信息的传输 微波传输分为： 地面微 波通信系统 卫星微 波通信系统 4 卫星通信 卫星通信其实就是非地面微波通信 最常见的卫星系统就是同步地球轨道卫星 同步地球轨道卫星始终处在赤道正上方的 位置上，离地面的高度大约为50000公里 卫星微波通信系统可以抵达地球上最偏远 的地方，可以与移动通信设备通信。 卫星通信 4.2 网络互连设备 网络互连设备用来将网络的各个部件连接在一起，从 连接性质的不同可以认为有物理上的互连能力和协议 上的互连能力。 （1）物理上的互连能力指所支持的物理接口，能连 接的物理介质类型。 （2）协议上的互连能力指工作在不同协议类型的网 络之间，实现不同协议数据包的转换。通常对设备互 连能力考虑得较多的都是协议上的互连能力。 网络工程中使用得较多的几种互连设备是中继器、 集线器、网桥/交换机、路由器和网关等 物理层互联设备 数据链路层互联设备 网络层互联设备 应用层互联设备 网络互连设备学习内容 常见网络互连设备的互连能 力 网络互连 设备 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 中继器、集线器、网 关 网桥、交换机、网关 路由器、第三层交换机、网 关 网关 DTEDTE 互连设备 物理传输介质 网卡又称网络接口卡（Network Interface Card， NIC），是计算机与网络的接口。 网卡能够对信道中的信息进行侦听，并根据自 身的MAC地址识别自己应该接收的信息。当与网 卡连接的计算机或其他设备作好接受信息的准备后 ，网卡便将从外部接收的信息提交给这些设备；当 与网卡连接的计算机或其他设备需要向外界发送信 息时，网卡会在信道信息流中寻找间隙，并将信息 送上信道。 它的标准是由IEEE来定义的。网卡工作于OSI 的最低层，也就是物理层。 1 物理层互联设备-网卡 网卡 网卡的特征： 1、支持的网络类型（有以太网卡、令牌环网卡、 FDDI网卡、无线网卡等） 2、网卡的插槽（ISA、PCI、PCMCIA、USB） 3、网卡的端口类型（AUI、BNC、RJ45、光纤接口 ） 4、端口速率（10Mbps、100Mbps、10/100Mbps、 1000Mbps） （1）ISA总线网卡 ISA总线接口由于I/O速度较慢，随着上世纪90年代初PCI总线技术的出 现，很快被淘汰了。目前在市面上基本上看不到有ISA总线类型的网卡） （2）PCI总线网卡 这种总线类型的网卡在当前的台式机上相当普遍，也是目前最主流的一 种网卡接口类型。因为它的I/O速度远比ISA总线型的网卡快（ISA最高仅为 33MB/s，而目前的PCI 32位的PCI接口数据传输速度最高可达133MB/s）， 所以在这种总线技术出现后很快就替代了原来老式的ISA总线 （3）PCMCIA总线网卡 这种总类型的网卡是笔记本电脑专用的，它受笔记本电脑的空间限制， 体积远不可能像PCI接口网卡那么大。 （4）USB接口网卡 作为一种新型的总线技术，USB（Universal Serial Bus，通用串行总 线）已经被广泛应用于鼠标、键盘、打印机、扫描仪、Modem、音箱等各种 设备 网卡的插槽（ISA、PCI、PCMCIA、USB） 2 物理层互联设备-中继 器 负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完 成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网 络的长度。 中继器也可以完成不同媒体的转接工作 中继器 中继器的功能细分为以下几条： （1）中继器仅作用于物理层。 （2）只具有简单的放大、再生物理信号的功能。 （3）由于中继器工作在物理层，在网络之间实现的是 物理层连接，因此中继器只能连接相同的局域网。 （4）中继器可以连接相同或不同传输介质的同类局域网 。 网络互连 设备 物理层互联设备-中继器 网络是否可以无限延长呢？ 从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也 因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为 网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定 ，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作， 否则会引起网络故障。 以太网标准约定： 一个以太网上只允许出现5个网段，4个中继器 ，3个网段可以挂接计算机 物理层互联设备-集线器 中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供 多端口服务，也称为多口中继器。 集线器 集线器 集线器（HUB）是双绞线以太网对 网络进行集中管理的最小单元。集线器 是一个共享设备，其实质是一个多端口 的中继器。 集线器在OSI体系结构模型中处于 物理层，是LAN的接入层设备。 HUB主要用于共享式以太网络的组 建，是解决从服务器直接到桌面的最佳 ，最经济的方案。 网络互连 设备 （1）用户带宽共享，带宽受限。 集线器的所有端口共享总的背板带宽，用户端 口带宽较窄，且随着集线器所接用户的增多，用户 的平均带宽不断减少，不能满足当今许多对网络带 宽有严格要求的网络应用，如多媒体、流媒体应用 等环境 （2）广播方式，易造成网络风暴。 （3）非双工传输，网络通信效率低。 集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方 向的数据通信，而不能像交换机那样进行双向双工 传输，网络执行效率低，不能满足较大型网络通信 需求 集线器的缺点 集线器类型 依据总线带宽的不同。HUB分为10M、100M和 10/100M自适应3种； 若按照配置形式的不同可分为独立型，模块型和可 堆叠型集线器； 根据管理方式可分为智能型（带有CPU，支持简单 网络管理协议）和非智能型HUB（不支持网络管理 ，容易形成数据堵塞）两种； 按照安装时的场合，又可以分为机架式和桌面式的 HUB。目前使用的基本上是以上4种分类的组合。 HUB根据端口数目的不同，主要有8口，16口和24 口之分。 网络互连 设备 2 数据链路层互联设备- 网桥 网桥也叫桥接器，是连接两个局域网的存储 转发设备，工作在OSI的数据链路层。 网桥可以截获所有的网络信息，并读取每个 帧的目标地址（MAC地址），以确定帧是否 应该转发到某一个网段。 网桥最主要的优点是它可以限制传输到某些 网段的通信量，这一优点被用在10Base5以 太网中，用来给工作节点数目较多的网络分 段。 网络互连 设备 网桥的内部结构 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存 接口 1接口 2 网段 B网段 A 1 1 1 2 2 2 站地址 接口网桥 网桥 接口 1接口 2 12 每个网桥都将其连接 的两个网段的地址建 立起一个地址表，称 为站表。 网桥的工作过程 当使用网桥连接两段LAN 时，网桥对来自网段1的MAC 帧，首先要检查其目的站点 地址。如果该帧是发往网段1 上某一站的，网桥则不将帧 转发到网段2，而将其滤除； 如果该帧是发往网段2上某一 站的，网桥则将它转发到网 段2。这表明，如果LAN1和 LAN2上各有一对用户在本网 段上同时进行通信，显然是 可以实现的。因为网桥起到 了隔离作用。 网桥的工作原理网桥的工作原理 缓存：缓存：网桥首先会对收到的数据帧进行缓存并处理 过滤：过滤：判断入帧的目标节点是否位于发送这个帧的网段 中，如果是，网桥就不把帧转发到网桥的其他端口 转发：转发：如果帧的目标节点位于另一个网络，网桥就将帧发 往正确的网段 学习：学习：每当帧经过网桥时，网桥首先在网桥 表中查找帧的源MAC地址，如果该地址不在网 桥表中，则将有该MAC地址及其所对应的网桥 端口信息加入 数据帧要去往的目标MAC地址使用的网桥端口 MAC AMAC A端口端口3 3 MAC BMAC B端口端口2 2 MAC CMAC C端口端口1 1 网桥的工作原理网桥的工作原理 扩散：如果在表中找不到目标地址，则按扩散的 办法将该数据发送给与该网桥连接的除发送该数据的 网段外的所有网段。 网桥的工作原理网桥的工作原理 过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。(故障只影响个别网段) 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 局域网交换机实际上是一种高性能的多端口网桥 。 和网桥一样 ，它从一个端口接收以太网帧，然 后向另外一个端口转发 也具有通过 自学习来构建转发表的功能。 局域网交换机和网桥的主要区别： 网桥一般只 有少数几个接口，而局域网交换机 则可能有几十个端口， 局域网交换 机中帧的转发采用了高效的交换逻 辑来实现 许多交换机 都支持全双工模式，吞吐量是原来 的一倍。 多接口网桥以太网交换 机 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且 一般都工作在全双工方式。 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通 信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传 输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其 交换速率就较高。 以太网交换机的特 点 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用 户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s) 的 N 分之一。 使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带 宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而 不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于 拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正 是交换机的最大优点。 独占传输媒体的 带宽 以太网交换机的逻辑结构 局域网交换机的逻辑结构：每个端口都有一个发送和接收 侧，端口的接收侧接收MAC帧，然后根据目的地址来决定往 哪个端口的发送侧转发。每个端口的发送和接收侧连接到一 个纵横开关上。 如果把集线器看成一条内置的以太网总线，交换机 就可以看作由多条总线构成交换矩阵的互联系统。每 一个交换机端口对应着一条高出一个数量级的背板带 宽总线，背板总线与一个交换引擎相连接。不同端口 间的数据包经背板总线进入交换引擎，通过存储转发 、直通转发和无碎片转发模式进行交换。 直通式 存储转发式 无碎片直通式（更高级的直通式转发） 转发方式简介 直通式 直通式（Cut Through）方式在输入端口检测到一个数据包后， 只检查其包头，取出目的地址，通过内部的地址表确定相应的输出 端口，然后把数据包转发到输出端口这样就完成了交换。因为它 只检查数据包的包头（通常只检查14个字节）。 缺点：不具备检测和处理能力 Port1 Port2Portn Port3 data data data Error! 存储转发式 存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域使用得最为广泛的技 术之一，在这种工作方式下交换机的控制器先缓存输入到端口的数据包， 然后进行CRC校验，滤掉不正确的帧，确认包正确后，取出目的地址，通过内 部的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到输出端口。 缺点：时延长 Port1 Port2Portn Port3 data 交换处理模块 data data 无碎片直通式 无碎片直通（Fragment Free Cut Through）是介于直通式和存储 转发式之间的种解决方案，它检查数据包的长度是否够64 Bytes （512bit）如果小于64 Bytes，说明该包是碎片（即在信息发送过程 中由于冲突而产生的残缺不全的帧），则丢弃该包，如果大于64 Bytes，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但 比直通式慢。 Port1 Port2Portn Port3 data 交换处理模块 data data 64Byte=Fram e l集线器与交换机的区别 从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的 第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第 二层数据链路层设备。这就意味着集线器 只是对数据的传输起到同步、放大和整形 的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无 法有效处理，不能保证数据传输的完整性 和正确性；而交换机不但可以对数据的传 输做到同步、放大和整形，而且可以过滤 短帧、碎片等。 l集线器与交换机的区别 从工作方式来看，集线器是一种广播模式， 也就是说集线器的某个端口工作的时候其他所有 端口都有名收听到信息，容易产生广播风暴。当 网络较大的时候网络性能会受到很大的影响，那 么用什么方法避免这种现象的发生呢？交换机就 能够起到这种作用，当交换相工作的时候只有发 出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响 其他端口，那么交换机就能够隔离冲突域和有效 地抑制广播风暴的产生。 l集线器与交换机的区别 从带宽来看，集线器不管有多少个端口 ，所有端口都共享一条带宽，在同一时刻 只能有两个端口传送数据，其他端口只能 等待；同时集线器只能工作在半双工模式 下。而对于交换机而言，每个端口都有一 条独占的带宽，当两个端口工作时并不影 响其他端口的工作，同时交换机不但可以 工作在半双工模式下也可以工作在全双工 模式下。 4 网络层互联设备-路由 器 RAM ROM Flash NVRAM Interface Line CPU l什么是路由 选择一个将数据包发往某个目标网段或主机的路径就是路由的过程。 用户产生的数据流比如文件，视频流，电子邮件等等应用被从一个逻辑的源 转发到一个逻辑的目的地。 用来表示逻辑源和逻辑目的地的是IP地址，因此我们认为路由的过程是将不 同IP地址网段的IP包进行转发。那么实现这一功能的设备我们称之为路由 器。 172.16.1.010.1.1.0 路由器的功能 作用 实现不 同IP网段主机间的相互访 问 实现不 同通信协议网段主机间的 相互访问 不转发 广播数据包 功能 基于IP 地址的寻径和转发 不同通 信协议的转换 特定IP 数据包的分片和重组 路由器转发数据过程 1、路由器从接口收到数据包 ，读取数据包里的目的IP地址 2、根据目的IP地址信息查找 路由表进行匹配 3、匹配成功后，按照路由表 中转发信息进行转发 4、匹配失败，将数据包丢弃 ，并向源发送方反回错误信息 报文 Packet 路 由表 目的网段 转发 192.168.1.0 从F1口发出 192.168.2.0 从F2口发出 172.16.1.0 交给B 典型的路由器的结构 路由 选择 路由选择处理机 路由选择协议 路由表 3 输入端口 3 交换结构 输入端口 输出端口 分组 转发 转发表 分组处理 输出端口 1 11 3 3 12 2 2 2 3网络层 2数据链路层 1物理层 “转发”和“路由选择”的 区别 “转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用 户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。 “路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根 据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况，动态地改变所选择的路由。 路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表 是从路由表得出的。 在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发 表和路由表的区别， 输入端口对线路上 收到的分组的处理 数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到 网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的 时延。 物理层处理 数据链路层 处理 网络层处理 分组排队 交 换 结 构 输入端口的处理 从 线 路 接 收 分 组 查表和转发 输出端口将交换结构传 送来的分组发送到线路 当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据 链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部 ，交给物理层后发送到外部线路。 物理层处理 数据链路层 处理 网络层处理 分组排队 输出端口的处理 向 线 路 发 送 分 组缓存管理 交 换 结 构 分组丢弃 若路由器处理分组的速率赶不上分组进 入队列的速率，则队列的存储空间最终必 定减少到零，这就使后面再进入队列的分 组由于没有存储空间而只能被丢弃。 路由器中的输入或输出队列产生溢出是 造成分组丢失的重要原因。 l路由表的作用 路由器就像网络中的向导一样，当IP包来到路由器后有一个很重要的任务就 是查看该路由器是否知道这个IP数据包要去的目的地。 路由表：路由表实际上类似于现实生活中的路牌，都是为了指向，只不过 一个是为数据包指向，另一个是为行人或者车辆指向。 路由表的基本结 构如下（命令：route print） 目的网络络掩码码下一跳接口跳数 目的网络：指数据包要到达的网络的网络地址。 掩码：指目的网络的子网掩码或者超网掩码。 下一跳：下一跳指到达下一个路由器的IP地址，即我们通常所说的网关 地址。 接口：从数据包所在的路由器的出口IP地址，接口地址必须与下一跳地 址在同一个网络中。 跳数：数据包从该路由器到目的网络所要经过的路由器的跳数。 观察IP 层转发分组的流程 有四个 A 类网络通过三个路由器连接在一 起。每一个网络上都可能有成千上万个主机。 可以想像，若按目的主机号来制作路由表， 则所得出的路由表就会过于庞大。 但若按主机所在的网络地址来制作路由表， 那么每一个路由器中的路由表就只包含 4 个项 目。这样就可使路由表大大简化。 网 1 10.0.0.0 网 4 40.0.0.0 网 3 30.0.0.0 网 2 20.0.0.0 10.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7 目的主机所在的网络下一跳地址 20.0.0.0 30.0.0.0 10.0.0.0 40.0.0.0 20.0.0.7 30.0.0.1 直接交付，接口 1 直接交付，接口 0 路由器 R2 的路由表 30.0.0.1 10.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.730.0.0.1 链路 4链路 3链路 2 链路 1 R2R3R1 01 R2R3R1 在路由表中，对每一条路由，最主要的是 （目的网络地址，下一跳地址） 查找路由表 根据目的网络地址就能确定下一跳路由器 ，这样做的结果是： IP 数据报最终一定可以找到目的主机 所在目的网络上的路由器（可能要通过多次 的间接交付）。 只有到达最后一个路由器时，才试图向 目的主机进行直接交付。 必须强调指出 IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下 一跳路由器的 IP 地址”。 当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳 路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层 的网络接口软件。 网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器 的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在 链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地 址找到下一跳路由器。 HA1HA5HA4HA3HA6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 硬件地址 路由器 R2 HA2 IP1IP2 局域网局域网局域网 通信的路径 H1经过 R1 转发再经过 R2 转发H2 查找路由表 查找路由表 HA1HA5HA4HA3HA6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 硬件地址 路由器 R2 HA2 IP1IP2 局域网局域网局域网 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 从协议栈的层次上看数据的流动 HA1HA5HA4HA3HA6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 硬件地址 路由器 R2 HA2 IP1IP2 局域网局域网局域网 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动 HA1HA5HA4HA3HA6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 硬件地址 路由器 R2 HA2 IP1IP2 局域网局域网局域网 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 在链路上看 MAC 帧的流动 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报 图中的 IP1IP2 表示从源地址 IP1 到目的地址 IP2 两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 MAC 帧 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 在具体的物理网络的链路层 只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 MAC 帧 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节 在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用 统一的、抽象的 IP 地址 研究主机和主机或主机和路由器之间的通信 在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址 得出网络地址是个很简单的事。 但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能 唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址 取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据 报的首部并没有提供子网掩码的信息。 因此分组转发的算法也必须做相应的改动 。 l使用子网掩码的分组转发过程 直接交付、特定主机、特定网 络、默认路由项路由 直接交付：路由表中的路由项是为数据包所要到达的目的 网络就是该数据包所在的网络路由，这中数据交付称作直接交 付。 特定主机：路由表中的路由项是为数据包所要到达的目的 地址是一台主机，这种路由项称作特定主机路由。 路由表中的路由项是为数据包所要到达的目的地址是一个 网络，这种路由项称作特定网络路由。 默认路由：如路由器搜索了整个路由表中特定主机、特定 网络、直接交付路由项都不能为一个数据包找到路由，则路由 器就将该数据根据默认路由出去。因为默认路由目的网络地址 和掩码均0.0.0.0，所以任何一个数据包的目的IP地址均可以从 该路由项路由出去。 命令：route print 在划分子网的情况下路由器转发分组的算法 (1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。 (2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和 相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。 否则就是间接交付，执行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。 (4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”， 若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送 给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。 (5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。 (6) 报告转发分组出错。 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 的路由表（未给出默认路由器） R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 【例】已知互联网和路由器 R1 中的路由表。主机 H1 向 H2 发送分组。试讨论 R1 收到 H1 向 H2 发送的分组后查找路由表的过程。 主机 H1 要发送分组给 H2 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 要发送的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138 请注意：H1 并不知道 H2 连接在哪一个网络上。 H1 仅仅知道 H2 的 IP 地址是 128.30.33.138 因此 H1 首先检查主机 128.30.33.138 是否连接在本网络上 如果是，则直接交付； 否则，就送交路由器 R1，并逐项查找路由表。 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.13 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 主机 H1 首先将 本子网的子网掩码 255.255.255.128 与分组的 IP 地址 128.30.33.138 逐比特相“与”(AND 操作) 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 的计算 255 就是二进制的全 1，因此 255 AND xyz = xyz， 这里只需计算最后的 128 AND 138 即可。 128 10000000 138 10001010 逐比特 AND 操作后：10000000 128 255.255.255.128 128. 30. 33.138 128. 30. 33.128 逐比特 AND 操作 H1 的网络地址 因此 H1 必须把分组传送到路由器 R1 然后逐项查找路由表 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 路由器 R1 收到分组后就用路由表中第 1 个项目的 子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 = 128.30.33.128 不匹配! （因为128.30.33.128 与路由表中的 128.30.33.0 不一致） R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138 不一致 路由器 R1 再用路由表中第 2 个项目的 子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作 128.30.33.1 0 目的网络地址子网掩码下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 R1 1 R2 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 H2 128.30.33.138 0 1 128.30.33.129 H3 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 128.30.36.12 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 = 128.30.33.128 匹配! 这表明子网 2 就是收到的分组所要寻找的目的网络 R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138 一致! l路由表的产生方式 l 直连路由 路由器会自动生成本路由器激活端口所在网段的路由条目 1.1.1.0 1.1.2.0 1.1.3.0 路由表的产生方式 l 静态路由 在简单拓扑结构的网络里，网络管理员手动输入路由条目。 路由表产生的方式 l 动态路由协议学习到的路由 在大型网络环境下，依靠路由协议比如OSPF、BGP路由协议学习 l路由选择协议 有关路由选择协议的几个基本概念 1. 理想的路由算法 算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单。 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化， 这就是说，要有自适应性。 算法应具有稳定性。 算法应是公平的。 算法应是最佳的。 关于“最佳路由” 不存在一种绝对的最佳路由算法。 所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求