网络互联与常用网络设备1(恢复).ppt

2011-4-7,1,网络互联与常用网络设备,网络互联与常用网络设备,本章内容 网络互联的基本概念 网络互联的层次和类型 常用网络设备 网卡 中继器、集线器 网桥、交换机 路由器 网关,2011-4-7,2,网络互联与常用网络设备,一、 网络互联的基本概念,所谓网络的互联，一般是指将不同的网络（如局域网、广域网）通过某种手段连接起来，使之能够相互通信的一种技术和方法。 网络互联的动力：更大范围的资源共享。 从互联的层度讲，网络互联有层度不同的3个概念: 1. 互连 在两个物理网络之间至少有一条物理链路，它为两个网络的数据交换提供了物质基础和可能性，但并不能保证两个网络一定能够进行数据交换，因为这还要取决于两个网络的通信协议是否兼容。 2. 互通 两个网络之间可以进行数据交换，它仅仅涉及通信的两个网络之间的端对端连接和数据交换，为互操作提供前提条件。 3. 互操作 两个网络中不同计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力，不依赖于具体连接形式，为支持应用间的相互作用而创建的协议环境，一般由高层软件来实现。,2011-4-7,3,网络互联与常用网络设备,？,网络互联的任务、目的： 1、扩大网络通信范围与限定信息通信范围 2、提高网络系统的性能与可靠性 3、实现异种网络之间服务和资源的共享,2011-4-7,4,网络互联与常用网络设备,三个基本概念,广播 向网络上的所有设备发送数据 广播域 网络上所有能够接收到同样广播分组的设备的集合 冲突域 网络中的一部分，以网桥、交换机或者路由器为边界，在冲突域中任意两台主机同时发送数据都会产生冲突 一个冲突域一定是一个广播域，反之不然； 一个广播域包含一个或多个冲突域,2011-4-7,5,网络互联与常用网络设备,二、 网络互联层次和类型,从网络体系结构的层次观点来考察，网络互联可在四个层次上实现： 物理层互联 数据链路层互联 网络层互联 网络层以上互联,2.1 网络互联层次,2011-4-7,6,网络互联与常用网络设备,物理层互联： 中继器（总线网）/ 集线器（星型或环形网） 在电缆段之间复制比特流。 没有地址概念，因此从本质上不能算是网络互联。,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,物理层 物理层,中继器 集线器,电缆段2,电缆段1,2011-4-7,7,网络互联与常用网络设备,设备： 总线网：中继器 星形/环形网：集线器 特点： 一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段； 扩展后的网络仍是一个冲突域。 优缺点： 简单、成本低 网络规模不能太大 站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重 地域范围：时间槽的限制 只能互联相同类型的网络,2011-4-7,8,网络互联与常用网络设备,例：从分离的部门网络到统一的企业网络,2011-4-7,9,网络互联与常用网络设备,物理层,数据链路层互联：网桥/交换机 在网段之间存储转发数据帧。 根据数据帧中的信息（MAC地址）进行转发。,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,物理层,网桥 交换机,数据链路层,网段1,网段2,2011-4-7,10,网络互联与常用网络设备,设备： 网桥/交换机 特点： 一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段； 扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域； 扩展后的网络仍是一个广播域。 优缺点： 冲突被限制在小范围内，甚至可被消除； 地域范围不再受时间槽的限制； 远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上 转发速度有所降低； 不能隔离广播帧。,2011-4-7,11,网络互联与常用网络设备,在链路层上扩展局域网,2011-4-7,12,网络互联与常用网络设备,链路层,物理层,网络层：路由器 在网络之间存储转发报文分组。 根据分组中的逻辑地址（IP地址）进行转发。,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,网络层,数据链路层,物理层,传输层,应用层,物理层,路由器,链路层,网络层,网络2,网络1,2011-4-7,13,网络互联与常用网络设备,设备： 路由器 特点： 一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络； 扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。 优缺点： 隔离广播域，限制了广播帧的泛滥； 地域范围可以任意扩展； 能根据最佳路由转发分组； 可以互联不同类型的网络； 转发速度低，成本较高，维护复杂。,2011-4-7,14,网络互联与常用网络设备,在网络层上扩展局域网,2011-4-7,15,网络互联与常用网络设备,更高层互联：网关（协议转换器） 连接不同体系结构的网络,网络层,数据链路层,物理层,应用层/传输层,网络层,数据链路层,物理层,应用层/传输层,物理层,网关,链路层,网络层,网络1,应用层/传输层,物理层,链路层,网络层,网络2,2011-4-7,16,网络互联与常用网络设备,2.2 网络互联类型（4种）,1. 局域网与局域网互连（LAN-LAN） （1）链路层协议相同的互连（同构网互联），常用设备有：中继器、集线器、交换机、网桥等。 （2）链路层协议不同的互连（异构网互联）：如现在非常流行的无线局域网。常用设备有：网桥、路由器等。,2. 局域网与广域网互连（LAN-WAN），常用设备有：网关和路由器。,3. 局域网-广域网-局域网的类型（LAN-WAN-LAN）,4. 广域网与广域网互连（WAN-WAN）,2011-4-7,17,网络互联与常用网络设备,LAN的互联,本地互联 特点：范围有限、主干（Backbone）采用局域网技术， 如FDDI、Ethernet、Token Ring 互联层次：链路层（网络层） 互联设备：网桥、交换机（有时可采用路由器） 远程互联 特点：范围大、主干采用广域网技术，如ISDN、X.25、DDN、 ATM、FR、ADSL等 互联层次：网络层或更高层（链路层） 互联设备：路由器、网关（有时可采用远程网桥）,2011-4-7,18,网络互联与常用网络设备,LAN1,LAN2,中继器或HUB,LAN1,LAN2,网桥或交换机,LAN1,LAN2,路由器,LAN1,路由器,LAN2,路由器,WAN,本地,远程,2011-4-7,19,网络互联与常用网络设备,2.3 网络设备,本节重点： 网络接口卡及其使用 集线器及其使用 交换机及其使用 路由器及其使用,2011-4-7,20,网络互联与常用网络设备,交换机,交换机,防火墙,防火墙,交换机,主机,主机,WEB服务器,WEB服务器,路由器,应用服务器,应用服务器,交换机,因特网,集线器,数据库,企业内部网,外部访问子网,外界因特网,2011-4-7,21,网络互联与常用网络设备,网络设备在OSI体系中的位置,网络设备的功能层次,2011-4-7,22,网络互联与常用网络设备,3.1 网络接口卡NIC,网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备 每台主机都应配置一个或多个网卡 每个网卡都有一个或多个网络接口 不能独立工作，必须依赖于宿主主机 连接不同的局域网需要使用不同的网卡 以太网卡 令牌环网卡 FDDI网卡 ATM网卡,三、网络设备,2011-4-7,23,网络互联与常用网络设备,网卡的功能,数据缓存 匹配主机数据处理速率与网络的传输速率（大多数情况下，主机数据处理速率网络的传输速率） 封装/解封装 加上控制字段以帧为单位进行传输卸下控制字段 介质访问控制 CSMA/CD、Token Passing 串/并转换 将主机的并行数据转换成串行位流 数据编码/解码 转换为适合网络介质传输的信号形式 数据发送/接收,2011-4-7,24,网络互联与常用网络设备,网卡的结构,发送/接收部件负责信号的发送、接收 载波检测部件检测介质上有否信号 发送/接收控制部件及数据缓冲区 曼彻斯特编码/解码器对发送的数据编码，变换成适合于在LAN上传输的信号或把接收的信号解码为二进制数据 LAN管理部件 主机总线接口部件 CPU(部分网卡有)增强网卡智能化，减少网络传输对主机CPU的依赖，提高传输效率,网卡的配置参数,网卡地址：即网卡的物理地址，或称为MAC地址，固化在网卡硬件中 （有些网卡可由用户修改） 配置参数（跳线设置 / 软件设置 / PnP） 中断请求号 IRQ（一般为3） I/O基地址 I/O Base（一般为300H） 存储器基地址 Memory Base (一般为C000H) 全双工 / 半双工 传输速率（仅10/100Mbps双速网卡可选）,2011-4-7,25,网络互联与常用网络设备,并行处理：发送/接收和数据处理同步进行 全双工：需集线器/交换机的支持，采用UTP和光纤 突发传输方式（每次传送更多的帧）：LAN误码率很低 智能网卡（让网卡承担更多的传输任务） IEEE802.1p ：赋予数据包以优先级（需要OS的支持） 提高与主机的传输速度： 采用DMA传送方式，采用PCI总线,提高网卡性能的技术,网卡的选择,考虑的因素包括： LAN的类型：Ethernet、Token Ring、ATM、FDDI LAN的速度：10M/100M/1000M、4M/16M、25M/155M 网络接口类型：AUI/BNC、RJ-45、SC/ST/MT-RJ 主机总线类型：ISA、EISA、PCI、USB、PCMCIA 应用场合：服务器、工作站、笔记本 其他附加功能：PnP、防病毒、远程唤醒、链路聚合等,2011-4-7,26,网络互联与常用网络设备,以太网卡的类型,2011-4-7,27,网络互联与常用网络设备,3.2 中继器与集线器,3.2.1 中继器（Repeater） 工作在物理层 功能：信号整形和放大，在网段之间复制比特流 特点： 不进行存储信号延迟小 不检查错误会扩散错误 不对信息进行任何过滤 可进行介质转换如UTP转换为光纤 用中继器连接的多个网段是一个冲突域 应用注意事项：不能构成环、应遵守以太网的3-4-5规则 IEEE802.3规定：最多用4个转发器连接5个网段，其中只有3个网段可以连接结点，其余的网段仅用作加长距离。,2011-4-7,28,网络互联与常用网络设备,3.2.2. 集线器,多端口的中继器，工作在物理层，可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备 功能：在网段之间复制比特流，信号整形和放大 特点： 具有与中继器同样的特点 可改变网络物理拓扑形式：总线连接星形连接 逻辑上仍是一个总线型共享介质网络 端口数：8，12，16，24,2011-4-7,29,网络互联与常用网络设备,1、按结构形式划分 独立式（Stand alone） 固定端口配置，扩充时用级连的方法。 堆叠式（Stackable） 固定配置，用堆叠方法进行扩充堆叠连接在一起的HUB在逻辑上相当于一台单独的HUB，可统一管理。 模块化（Module） 又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）。,类型：,2011-4-7,30,网络互联与常用网络设备,2、按是否可管理划分,智能HUB 允许用网管软件对其进行管理的集线器，它内部包含有CPU等智能控制部件。 在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络交换机也需要是智能化的）。 非智能（普通） HUB 不能用网管软件进行管理的集线器。 小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。,2011-4-7,31,网络互联与常用网络设备,3、按速度划分,传统集线器 传输速度为10Mb/s（10Base-T网络） 快速以太网集线器 传输速度为100Mb/s （100Base-T网络） 10/100M自适应集线器 传输速度自适应 内部有两个网段：10M和100M，集线器根据连接速度将主机连接到不同网段上。 网段之间用交换方式连接。 保护投资，便于升级,以集线器为核心的网络的特点,所有主机共享带宽 无法限制冲突和广播 适用于小型网络,2011-4-7,32,网络互联与常用网络设备,例：用集线器搭建简单的网络,以1台服务器，3台PC机为例： 一台HUB 4块UTP接口的网卡 4台PC机 8个RJ45接头（水晶头） 若干米UTP双绞线,NIC,HUB,UTP,PC机,服务器,2011-4-7,33,网络互联与常用网络设备,3.3 网桥与网络交换机,共享信道LAN的缺点 冲突域中的多个站点同时发送会造成冲突； 因此实际带宽为3-4Mb/s（或30-40Mb/s） 网络中站点越多，冲突现象越严重； 网络总带宽BW ，由于共享信道使得每个站点的平均拥有带宽为BW/n。 解决的方法 提高网络传输速度没有从根本上解决问题 网络分段（微网段化） 减少每个网段中站点的数量, 使冲突的概率减小； 增加了网络的总体带宽。 实现网络分段的设备：网桥、交换机、路由器 网桥和交换机可以隔离冲突域 路由器不仅可以隔离冲突域，还能隔离广播域,2011-4-7,34,网络互联与常用网络设备,网络分段示意,广播域,独立的冲突域,独立的冲突域,网桥或网络交换机,交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域,HUB,冲突域/广播域,网段2,网段1,总带宽: BW*2 结点带宽: BW/4,总带宽: BW 结点带宽: BW/8,2011-4-7,35,网络互联与常用网络设备,3.3.1 网桥,存储转发设备，工作在数据链路层的MAC子层。 作用： 监听流经它的数据帧，检查数据帧的MAC地址，决定是否转发 具有对数据帧进行缓冲的能力 用网桥连接的多个网络对外呈现为一个单独的物理网络 根据路径选择方法，有两种网桥： 透明网桥（Transparency Bridge） 由网桥负责路由选择，网桥和路由对站点透明 以太网中最常用 源选径网桥（Source Routing Bridge） 由源站点负责路由选择，网桥和路由对站点不透明,2011-4-7,36,网络互联与常用网络设备,（1）透明网桥,a、网桥具有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法： i、网桥内的转发表描述了到达每个站点的路由； ii、转发表主要由端口号和站点MAC地址组成。 b、工作原理 i、刚加电时转发表为空。 ii、网桥检查收到的数据帧的源MAC地址与转发表进行比较，若收到的数据帧的源MAC地址不在转发表中，则将其和对应的端口号插入到表中逆向学习 。 iii、对于从端口收到的每个数据帧，查看其目的MAC地址，并与转发表对照： 若目的MAC地址在接收端口的表项中，即目的地址对应的端口和收到该帧的端口相同，则丢弃该数据帧过滤； 若目的MAC地址在某一端口的表项中，即目的地址对应的端口和收到该帧的端口不同，则把该数据帧转发到与该端口连接的网段交换（转发）； 若目的MAC地址不在表中，则向接收端口以外的其他所有端口广播该数据帧广播。,2011-4-7,37,网络互联与常用网络设备,关于转发表：,刚加电时转发表为空； 在转发过程中逆向自学习； 每个表项的生存期都是有限的： 在一段时间内未收到以同一MAC地址为源地址的报文时，该表项被删除，以适应网络拓扑的变化。,透明网桥工作原理归纳为： 基于转发表的学习（源地址）、过滤（本网段帧）、 转发（异网段帧）、广播（未知帧）。,2011-4-7,38,网络互联与常用网络设备,转发表,C,网桥转发的例子：AB， AC,B,A,2011-4-7,39,网络互联与常用网络设备,透明网桥需要解决的问题,循环连接，造成： 转发表振荡，报文无限循环，包丢失,LAN1,LAN2,B1,B2,A,B,1,2,1,2,接口2又收到A发出的帧,接口1收到A发出的帧,接口1收到A发出的帧,接口2又收到A发出的帧,发往主机B的数据包会被两个网桥无休止地转发，这样会占用所有可能获取的网络带宽，导致网络阻塞。,当透明网桥将改变各自的路由表以指明主机A在LAN2中时，恰巧主机B向主机A发送数据包，两个网桥接收到此数据包后，会将其丢弃，因为它们的转发表中指明主机A位于LAN2中。这样发给主机A的数据将会丢失。,2011-4-7,40,网络互联与常用网络设备,（2）源选径网桥,源路由选择原理 由源站点负责路由选择； 源站点通过发送探测帧来发现路由； 探测帧将沿每一条可能的路径扩散传播； 每一个源选径网桥都会将路由信息插入探测帧的头部。 探测帧到达目的站点时，目的站点把探测帧中的路由信息作为响应返回； 源站点把收到的第一个响应帧中的路由信息作为到达目的站点的最佳路由。 路由信息形式：LAN，网桥，LAN，网桥， 形式的编号序列。,2011-4-7,41,网络互联与常用网络设备,网桥的优缺点,优点： 可实现不同类型的LAN互连； 能够隔离错误帧，不会使错误扩散； 限制了冲突域的范围； 隔离故障。 缺点： 无法控制广播； 只能用存储转发方式，速度比较慢； 无流量控制，负载重时会出现丢帧现象。,2011-4-7,42,网络互联与常用网络设备,3.3.2 网络交换机,网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层上。但网络交换机的端口数多，并且交换速度快。在这个意义上，网络交换机可看作是多端口的高速网桥。 交换机比网桥优越的地方： 交换速度快，可实现线速转发； 能解决网络主干上的通信拥挤问题； 端口密度高，一台交换机可连接多个网段，降低了组网成本。 工作原理与网桥类似： 学习源地址（构造转发表） 过滤本网段帧（隔离冲突域） 转发异网段帧（交换） 广播未知帧（寻找目的站点）,2011-4-7,43,网络互联与常用网络设备,交换机的特点,交换机通过内部的交换矩阵把网络划分为多个网段每个端口为一个冲突域； 交换机能够同时在多对端口间无冲突地交换帧。,2011-4-7,44,网络互联与常用网络设备,例：交换网络的带宽,若交换机每个端口带宽为BW，则交换机构成的网络 网络总带宽 BW*n n8，BW=10Mb/s时，网络总带宽最高可达80Mb/s； 连接到交换机端口上的每台计算机的带宽为10Mb/s 。 比较： 10Mb/s 的8口集线器构成的网络（连接了8台计算机） 网络总带宽仍为10Mb/s ； 网络中每台计算机的带宽为1.25Mb/s。,2011-4-7,45,网络互联与常用网络设备,交换机的三种转发方式,存储转发（Store and forward） 整个帧完整接收后，对帧进行差错检验，然后再进行转发操作。 优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段。 缺点：延迟比较大。 直通转发（Cut-through） 只要收到帧的前6个字节（目的MAC地址），就开始进行转发操作。 优点：交换延迟小。 缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段。 无碎片直通转发（Fragment free cut-through） 接收到一帧的前64字节后，再进行转发操作。小于64字节的帧不转发。 帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧）。 优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率 缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时大于直通转发。,2011-4-7,46,网络互联与常用网络设备,网络交换机的优点,分割冲突（碰撞）域减少了冲突； 允许建立多个连接提高了网络总体带宽； 减少每个网段中的站点数提高了站点平均拥有带宽； 允许全双工连接提高带宽； 能够连接不同速度的网段。,2011-4-7,47,网络互联与常用网络设备,以网桥/交换机为核心的网络的特点,每个网段独享带宽 最佳可达到每台主机独享带宽 可以限制冲突，但不能限制广播 有可能产生广播风暴 适用于小型网络到大型园区网络 大型网络中需解决广播问题,2011-4-7,48,网络互联与常用网络设备,交大计教中心（东区）网络结构示意图,2011-4-7,49,网络互联与常用网络设备,3.4 路由器Router,工作在OSI第三层（网络层）。 功能： 在网络之间转发网络分组； 为网络分组寻找最佳传输路径； 实现子网隔离，限制广播风暴。(目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播比较网络交换机) 提供逻辑地址，以识别互联网上的主机； 提供广域网服务。 应用：把LAN连入广域网或作为广域网的核心连接设备。,路由器与交换机的主要区别： 用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（IP地址），通过广播是无法与之进行通信的。,2011-4-7,50,网络互联与常用网络设备,用路由器进行网络互联,路由器,冲突域2,冲突域1,路由器可以隔离冲突域和广播域,冲突域3,广播域2,广播域1,2011-4-7,51,网络互联与常用网络设备,路由表,路由器如何确定最佳路由？路由表（Routing Table） 路由表是保存到达其他网络的路由信息的数据库 包含目的网络地址（号）、传输路径、传输开销等 根据目的网络地址查找路由表并确定分组转发路径的过程称为路由选择（Routing）。 路由表的信息随网络拓扑的变化而变化建立、更新路由表的算法称为路由算法（Routing Algorithm）： 网络中的每个路由器都会根据路由算法定时地或在网络拓扑发生变化时更新其路由表； 静态路由：由网络管理员预先手工设置路由信息； 动态路由：由路由器在运行时动态地建立与更新。 自动学习、记忆网络的变化并根据路由算法重新计算路由的协议称为路由选择协议（Routing Protocol）。,2011-4-7,52,网络互联与常用网络设备,路由表的例子,2.0,A,B,2011-4-7,53,网络互联与常用网络设备,路由表的基本内容,172.16.2.0,172.16.1.0,172.16.4.0,A,B,路由器A的路由表,.3,.1,.2,.3,2011-4-7,54,网络互联与常用网络设备,路径：用下一路由器对应端口的IP地址来表示。 路径成本/开销：用线路速度、距离或跨越的路由器的个数（步跳数）、成本、线路可靠性等表示。（大多数情况下用步跳数来表示） 注意：路由器是根据网络号来转发IP数据包的，所以路由表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。这样做的优点是路由表小（网络的数目要比主机少的多），节省路由器的存储空间，路由表的路由更新速度快。 类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。,2011-4-7,55,网络互联与常用网络设备,路由器的路由选择过程,采用存储转发的方法： 接收并缓存IP数据分组； 提取分组中的目的主机的IP地址； 计算目的主机所在的网络地址； 用目的网络地址查找路由表决定转发路径： 如果目的网络地址就是与输入接口连接的网络，则丢弃； 如果目的网络地址就是与输出接口连接的网络，则直接递交； 如果找到匹配项，则通过对应接口转发出去； 如果有默认路径，则通过与默认路径对应的接口转发出去； 未查到，丢弃该分组。,2011-4-7,56,网络互联与常用网络设备,路由器的结构,路由处理器 CPU、RAM、IOS 路由表 协议软件 网络接口（LAN、WAN、CONSOLE） 输入接口，输出接口 交换结构（Switching Fabric）,比较： 交换机也用查表的方法决定转发路径，但该表是“端口-MAC地址”表，存放的是端口与目的MAC地址之间的关系，要用帧中的MAC地址查表； 而路由器中的路由表是“端口-网络地址”表，存放的是端口与目的网络地址之间的关系，故要从分组中提取IP地址，并解析出其中的网络地址部分来查