计算机组网技术与配置-第5章-局域网互连.ppt

第5章局域网的互连 5 1网络互连概述5 2网络互连技术5 3子网划分技术 5 1网络互连概述 5 1 1互联网的概念5 1 2网络互联的方式 5 1 1互联网的概念 计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成 即从功能上和逻辑上看 这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络 称为互连网络 也简称为互联网 将网络互相连接起来要使用一些互连设备 中间设备 常用的网络互连设备有中继器 网桥 路由器 交换机和网关等 名词internet和Internet 以小写字母i开始的internet 互联网或互连网 是一个通用名词 它泛指由多个计算机网络互连而成的网络 以大写字母I开始的的Internet 因特网 则是一个专用名词 它指当前全球最大的 开放的 由众多网络相互连接而成的特定计算机网络 它采用TCP IP协议族 且其前身是美国的ARPANET 5 1 2网络互连的方式 LAN LANLAN WANWAN WANLAN WAN LAN 5 2网络互连技术 中继器和集线器 中继器集线器 中继器 Repeater 中继器用于同种局域网络的互连 是在物理层次上实现互连的网络互连设备 用于扩展网段的距离 电信号强度在电缆中传送时随电缆长度增加而递减 这种现象叫衰减 对长距离传输有影响 中继器常用来将几个网段连接起来 通过中继器将信号放大 然后在另一个网段上继续传输 中继器具有以下特点 中继器可以重发信号 扩展网段的距离 中继器主要用在同种LAN互连中 如IEEE802 3LAN和Ethernet网 中继器工作在网络体系结构模型的物理层 由中继器连接起来的各网段必须采用同样的信道访问协议 例如CSMA CD协议 由中继器连接的网段构成一个更大的网段 并且有着相同的网络地址 属于一个冲突域 网段上的每一个节点都有自己的地址 集线器 HUB 集线器又称为HUB 实质上为多端口的中继器在使用时 可以把集线器连接的网络看成一个共享式总线 在集线器的内部 各端口之间相互连在一起的 集线器可分为独立式 叠加式 智能模块化 有8端口 16端口 24端口多种规格 集线器属于半双工设备 集线器支持的数据传输率为10Mbps或100Mbps 集线器的一些特点 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网 各工作站使用的还是CSMA CD协议 并共享逻辑上的总线 集线器很像一个多端口的转发器 工作在物理层 用多个集线器可连成更大的局域网 在物理层扩展局域网 优点 使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信 扩大了局域网覆盖的地理范围 缺点 冲突域增大了 如果不同的冲突域使用不同的数据率 那么就不能用集线器将它们互连起来 用集线器扩展局域网 补充 PacketTracer5 3 最新版思科网络学院综合网络技术教学软件 将实际模拟和可视化体验合二为一 支持复杂的评估功能 界面实践Realtimemode 实时模式 和Simulationmode 模拟模式 网桥 Bridge 网桥的功用网桥的工作原理 在数据链路层扩展局域网是使用网桥 网桥工作在数据链路层 它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发 网桥具有过滤帧的功能 当网桥收到一个帧时 并不是向所有的端口转发此帧 而是先检查此帧的目的MAC地址 然后再确定将该帧转发到哪一个端口 在数据链路层扩展局域网 网桥的内部结构 1到2不经过网桥1到4经过网桥 过滤通信量扩大了物理范围提高了可靠性可互连相同类型的不同速率 如10Mb s和100Mb s以太网 之间的局域网 使用网桥带来的好处 存储转发增加了时延 网桥只适合于用户数不太多 不超过几百个 和通信量不太大的局域网 否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞 这就是所谓的广播风暴 使用网桥带来的缺点 交换机 Switch 用集线器Hub连接的网络 可以类比日常生活交通中的平面交通 而用交换机连接的网络可以类比立体交通 冲突域 是连接在同一传输介质上的所有工作站的集合 利用HUB连接的局域网就是典型的冲突域 广播域 接收同样广播消息的节点集合 利用HUB 交换机等一 二层设备连接的节点被认为是一个广播域 交换机工作原理 交换机通过观察每个端口的数据帧获得源MAC地址 交换机在内部的高速缓存中建立MAC地址与端口的映射表 检测从端口来的数据包的源和目的地的 地址 然后与系统内部的动态查找表进行比较 若数据包的源MAC层地址不在查找表中 则将该地址加入查找表中 并将数据包发送给相应的目的端口 如果表中不存在目的地址 则转发到所有的端口 以太网交换机的每个端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端口 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 局域网交换机与集线器的区别 集线器 ABCD 交换机 ABCD 对于普通10Mb 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 10Mb s 的N分之一 使用以太网交换机时 虽然在每个端口到主机的带宽还是10Mb 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对端口的交换机的总容量为N 10Mb s 这正是交换机的最大优点 独占传输媒体的带宽 交换机的交换方式 存储转发 StoreForward 直通帧碎片丢弃 存储转发方式 storeandforward 计算机网络领域应用最为广泛的方式把输入端口的数据包先存储起来 然后进行CRC检查 在对错误包处理后才取出包的目的地址 通过查找表转换成输出端口并送出包 缺点 数据处理时延时大优点 对进入交换机的数据包进行错误检测 可以支持不同速度的输入输出端口间的转换 直通式 coutthrough 在输入端口检测到一个数据包时 获取包的目的地址 启动内部的动态查找表将其转换成相应的输出端口 就立即将该帧转发出去 而不管这一帧数据是否出错 帧出错检测任务由结点主机完成 优点 延迟非常小 交换非常快缺点 不能提供错误检测能力 由于没有缓存 所以不能将具有不同速率的输入 输出端口直接接通 帧碎片丢弃 在接收到帧的前64字节后 判断Ethernet帧的帧头字段是否正确 如果正确则转发出去 对于长的Ethernet帧来说 由于它只是对帧的地址字段与控制字段进行了差错检测 因此交换延迟时间将会减少 路由器 路由器的作用及工作原理 路由器的作用及工作原理 路由器是实现异种网络连接的互连设备 工作在OSI的第三层 路由器在转发分组时 依据的是网络层分组头部的路由信息 路由器通过IP地址和子网掩码的组合隔离各个子网 有利于子网的划分 维护和管理 路由器可以根据网络层的协议类型 网络号 主机的网络地址 高层协议的类型等来监控 拦截和过滤信息 路由器还有流量控制能力 可以采用优化的路由算法均衡网络负载 减少网络拥塞的发生 路由器的作用及工作原理 路由器具有很好的隔离能力 可以避免广播风暴 也利于提高网络的安全性和保密性 路由器本身就是一台计算机 路由器也需要操作系统才能进行网络系统配置 以及和其它路由器交换信息 5 3子网划分技术 5 3 1IP地址及转换5 3 2子网划分方法 5 3 1IP地址及转换 1 IP地址及其表示方法 采用点分十进制记法则进一步提高可读性 128 11 3 31 12811331 将每8bit的二进制数转换为十进制数 分类IP地址 每一类地址都由两个固定长度的字段组成 其中一个字段是网络号net id 它标志主机 或路由器 所连接到的网络 而另一个字段则是主机号host id 它标志该主机 或路由器 两级的IP地址可以记为 IP地址 代表 定义为 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit IP地址中的网络号字段和主机号字段 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 A类地址的网络号字段net id为1字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 B类地址的网络号字段net id为2字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 C类地址的网络号字段net id为3字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 net id24bit IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 A类地址的主机号字段host id为3字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 B类地址的主机号字段host id为2字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 1110 多播地址 C类地址的主机号字段host id为1字节 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 D类地址是多播地址 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 host id8bit D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 IP地址中的网络号字段和主机号字段 E类地址保留为今后使用 常用的三种类别的IP地址 IP地址的使用范围 网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数A126 27 2 112616 777 214B16 384 214 128 0191 25565 534C2 097 152 221 192 0 0223 255 255254 内部网可用IP地址 为了避免某个单位内部网选择任意网络地址 造成与合法的Internet地址发生冲突 IETF分配了具体的A类 B类和C类地址供单位内部网使用 这些地址为 A类 10 0 0 0 10 255 255 255B类 172 16 0 0 172 31 255 255C类 192 168 0 0 192 168 255 255 2IP地址与硬件地址 TCP报文 IP数据报 MAC帧 应用层数据 首部 首部 尾部 首部 3地址转换 每一个Internet上的主机都有与之对应的三个地址 即物理地址 硬件地址 IP地址和主机域名 主机的物理地址是网卡制造者制作在网卡上的无法改变的地址码 IP地址是一种二进制数的网络标识和主机标识 数字型标识对计算机网络是最有效的 但对使用网络的人却不愿意使用难于记忆的IP地址 为此人们研究出一种字符型标识 这就是主机的域名 主机域名 IP地址和物理地址之间的关系如下图 主机域名 IP地址与物理地址之间的转换 地址解析协议ARP 不管网络层使用的是什么协议 在实际网络的链路上传送数据帧时 最终还是必须使用硬件地址 每一个主机都设有一个ARP高速缓存 ARPcache 里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表 当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时 就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址 如有 就可查出其对应的硬件地址 再将此硬件地址写入MAC帧 然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址 A Y X B Z 主机B向A发送ARP响应分组 主机A广播发送ARP请求分组 ARP请求 ARP请求 ARP请求 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 08 00 2B 00 EE 0A 我是209 0 0 5 硬件地址是00 00 C0 15 AD 18我想知道主机209 0 0 6的硬件地址 我是209 0 0 6硬件地址是08 00 2B 00 EE 0A A Y X B Z 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 地址解析协议ARP ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上 那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址 然后把分组发送给这个路由器 让这个路由器把分组转发给下一个网络 剩下的工作就由下一个网络来做 逆地址解析协议RARP 逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址 这种主机往往是无盘工作站 因此RARP协议目前已很少使用 5 3 2子网划分 1 子网的概念在ARPANET的早期 IP地址的设计确实不够合理 从1985年起在IP地址中又增加了一个 子网号字段 使两级的IP地址变成为三级的IP地址 这种做法叫作划分子网 subnetting 划分子网已成为因特网的正式标准协议 划分子网纯属一个单位内部的事情 单位对外仍然表现为没有划分子网的网络 从主机号借用若干个比特作为子网号subnet id 而主机号host id也就相应减少了若干个比特 IP地址 2 划分子网的方法 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报 仍然是根据IP数据报的目的网络号net id 先找到连接在本单位网络上的路由器 然后此路由器在收到IP数据报后 再按目的网络号net id和子网号subnet id找到目的子网 最后就将IP数据报直接交付给目的主机 划分子网的方法 续 145 13 3 10 145 13 3 11 145 13 3 101 145 13 7 34 145 13 7 35 145 13 7 56 145 13 21 23 145 13 21 9 145 13 21 8 所有到网络145 13 0 0的分组均到达此路由器 我的网络地址是145 13 0 0 R1 R3 R2 一个未划分子网的B类网络145 13 0 0 划分为三个子网后对外仍是一个网络 145 13 3 10 145 13 3 11 145 13 3 101 145 13 7 34 145 13 7 35 145 13 7 56 145 13 21 23 145 13 21 9 145 13 21 8 子网145 13 21 0 子网145 13 3 0 子网145 13 7 0 所有到达网络145 13 0 0的分组均到达此路由器 网络145 13 0 0 R1 R3 R2 当没有划分子网时 IP地址是两级结构 地址的网络号字段也就是IP地址的 因特网部分 而主机号字段是IP地址的 本地部分 划分子网后IP地址就变成了三级结构 划分子网只是将IP地址的本地部分进行再划分 而不改变IP地址的因特网部分 划分子网后变成了三级结构 从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分 使用子网掩码 subnetmask 可以找出IP地址中的子网部分 3 子网掩码 IP地址的各字段和子网掩码 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 net id host id 三级IP地址 主机号 子网掩码 因特网部分 本地部分 因特网部分 本地部分 划分子网时的网络地址 net id subnet id host id为全0 IP地址 AND 子网掩码 网络地址 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 三级IP地址 主机号 子网号 子网掩码 因特网部分 本地部分 因特网部分 本