第6章 网络互联与Internet.doc

第6章 网络互联6.1 网络互连概述6.1.1 网络互联的概念网络互连是为了将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，实现数据流通，扩大资源共享的范围，或者容纳更多的用户。所谓的同构网络是指网络类型相同的网络，主要指的是网络执行的协议相同。异构网络则相反。例如每一个单位内部，可能不同部门就是一个局域网，但是这些小的局域网之间，需要交换数据和共享资源，这些局域网不能是相互孤立的，就需要把不同的部门的局域网互联。同时这个单位也需要同其他的单位进行业务或其他方面的交流，甚至是跨国界的交流，例如电子邮件来往、数据信息的查询等，这时就需要进行更大规模的网络互联。6.1.2 网络互联的目标和要求网络互联的方法有很多种，但总的来说，进行网络互联应该符合以下要求：1、 在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理链路和对这条链路的控制规程。2、 在不同网络进程近提供路径选择，以便交换数据。3、 提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。4、 在提供上述服务时，不需改变原有各网络的网络结构，这就需要网络互联功能协调各个网络的不同特性。 网路互联功能需要协调的方面包括：1、 不同编址方案，需要提供全局域网编址方法和目录服务。2、 不同的最大分组尺寸；在互联网中，分组从一个网络传送到另一个网络中，往往需要分成几部分，称为分段。3、 不同的网络访问控制机制：对不同网络上的多个站、站和网络之间的访问机制可能是不同的。4、 不同的超时：面向连接的传送服务总是等待回答响应，如超时后仍没有接到响应，则需要重传。但在互联网络中，数据传送有时需要经过多个网络，这需要更长时间，应该设定合适的超时值，以防不必要的重传。5、 差错控制：各个网络有不同的差错恢复功能。互联网络的服务即不要依赖也不要影响各个网络原来的差错恢复能力。6、 路径选择：网内的路径选择一般依靠各个网特有的故障检测和拥挤控制技术。而互联网络应提供不同网上站点之间的路径。6.1.3 网络互联的方案 由于网络的规模变化很大，小到几台计算机就可以连接一个对等网络，进行文件传输；中到一个办公室或一栋楼联成一个局域网，进而在一个校园内建成校园网，在各个部门的局域网之间共享资源。由于网络按照覆盖范围可以划分为局域网、城域网和广域网，所以网络互联有三种类型：1、 局域网与局域网的互联一般来说，局域网在建网初期，网络的节点较少，相应的数据通信量也较小，但随着业务的发展，节点的数目不断增加，当一个网络段上的通信量达到极限时，网络的通信效率会急剧下降。这一点在以前的章节中提到过。为了克服这种问题，可以采取增设网段、划分子网的方法，但是都涉及到两个或多个局域网互联问题。对于同构局域网互联而言，常用的设备有中继器、集线器、交换机、网桥等。对于异构网的互联，常用的设备有网桥、路由器。2、 局域网与广域网的互联LAN-LAN互联解决了小区域范围内的网络互联，而局域网与广域网的互联扩大了数据通信网络的连通范围，其扩大范围可以超越城市、过界或洲界，从而形成世界范围的数据通信网络 局域网与广域网的互联设备主要有：网关和路由器。3、 广域网与广域网的互联 广域网与广域网的互联一般在政府的电信部门或国际组织间进行，它主要是将不同地区的网络互联以构成更大规模的网络。广域网与广域网的互联主要用的设备是路由器。实际上，网络互联时，一般都不能简单的直接相连，而是通过一个中间设备互联，这个中间设备称为中继系统。中继系统在OSI模型中可能处在不同的层上，所使用的通信协议跟所在层相对应，根据中继系统所在层的不同有可以分为互联类型：1、 物理层的互联 这时网络互联的中继系统是中继器或称转发器。用于同种网络的物理上，对信号起到放大的作用。主要用于连接局域网中的不同的网段。随着集线器的等设备的出现，中继器的使用正在逐渐减少。 2、数据链路层的互联 数据链路层互联要解决的问题是在网络之间存储转发数据帧。互联的设备是网桥。3 网络层的互联 网络层的互联要解决的问题是在不同的网络之间存储转发分组。主要的设备是路由器。如果网络层的协议相同，则互联主要解决路由选择问题；如果网络层的协议不同，则需要使用多协议路由器。6、高层互联传输层以上各层协议不同网络之间的互联属于高层互联。实现高层互联的设备是网关。6.2 网络互联设备6.2.1 中继器又称转发器，主要的功能：扩展传输距离，从一条电缆上接收的信号进行再生，并发送到另一条电缆上。所谓的再生是指信号沿总线传播时会有衰减，若总线太长，则有的信号将会衰减得很弱，以致使网络传输无法正常工作。转发器可以消除信号由于经过一长段传输信道而造成的失真和衰减，从而使信号的波形和强度达到所要求的指标。所以中继器完全是一种硬件设备，工作于物理层，对高层协议是透明的。实际上，用中继器连接起来的网络相当于通一条电缆组成的更大网络，例如，在总线型局域网中，单个电缆传输信号的能力是有限的，为了扩展网络的总跨度，可以中继器将两个单段电缆连接起来称为一个局域网。故中继器只是网络段的互联设备而不是网络互联设备。6.2.2 网桥 网桥比较简单，适合于不太复杂的局域网之间互连，工作在数据链路层，负责对帧的存储转发。由于数据链路层分为逻辑控制子层（LLC）和媒体访问控制子层(MAC)，所以网桥实际上是在MAC子层上实现不同网络的互联，这就要求互联的网络从应用层到逻辑链路控制子层，相对应的层次采用相同的协议。但是媒体访问控制子层和物理层可以采用不同的协议。对于遵循IEEE802标准的局域网是网桥透明的。它不需要对连接在这些LAN上的站点的通信软件进行修改。 网桥协议结构 网桥接收它所连接的每个局域网中的所有帧，并对它们进行“过滤和转发”。即当网桥接收到一个MAC帧时，检查该帧的源地址和目的地址，如果目的地址和源地址在同一网络中，则不对其进行转发，这起到了相应的“过滤”作用。否则网桥就把数据帧转发给另一个网络。网桥对数据帧的过滤作用很有用，例如当一个网络由于负载很重，使得网络性能下降时，可以用网桥把这个网络分为两个小的局域网，并且每个局域网内的通信量明显高于网间通信量，使整个互联网的性能变好。同时网桥的隔离作用也很有用，例如当网络上某一部分出现故障时，可以利用网桥把故障部分隔离，不会影响到另一部分，从而提高了网络的可靠性。6.2.2.1 网桥的类型 根据网桥路由算法的不同，把网桥分为透明网桥和源路由选择网桥。（1） 透明网桥透明桥也称学习桥或自适应桥，这类网桥进行路由选择时，主要依据是网桥中的站表。站表中为每一个工作站都设置一个表目，表目信息有以下一个：1） 站地址：2） 端口号：将帧发往目的地址时，应从哪个端口发送出去3） 局域网类型：标示媒体访问控制子层的规程，以便了解是否需要协议转换。4） 表目登记时间：纪录帧达到时间。当网桥接到数据帧后，如果要转发帧，应向哪个端口或局域网转发，就根据网桥中的站表来决定的。当网桥刚连接到局域网上时，站表是空的，网桥没办法根据站表进行转发帧，这时采用的办法是“洪泛法”，具体过程如下：网桥接收到数据帧以后，将该数据帧向除发送端口外的其他端口进行转发，如果中间有其他的网桥，该网桥也按照同样方法进行转发，直到到达目的站点。网桥在对数据帧转发的同时，把帧的源地址、入桥端口号等信息记入站表，这样网桥逐步的把站表建立起来。透明网桥进行路由选择的过程如下：当一个数据帧到达某个网桥时，网桥就检查站表中是否有该帧的目的地址。如果查到了目的地址，并且目的站点不在网桥入口端所在的局域网中，网桥就转发该帧。如果查到了，但是目的地址在入口端所在的局域网中，则丢弃该帧。若没有查到目的地址，就用洪泛法转发该帧，同时将该帧的源地址、如乔端口号、局域网类型和到达时间等信息在站表中登记。透明桥适合于总线型（如：以太网、令牌总线）或者树形的网络互连结构。（2） 源路由选择网桥这时的路由选择是有源工作站来负责。每个工作站都由一张路由选择表，表中列出了本站能到的工作站的信息，即由源工作站到目的站沿途经过的所有工作站和网桥的地址。由源工作站发出的数据帧都经过这条路径传输。源站点进行路由选择，并建立路由选择表的过程如下：源站点以广播的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。在传送的过程中，每一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，就沿着源路径返回到源站点，并带回路由信息。源站点从所有可能的路径中选择一条最佳路由，记入本站路由选择表中，此后凡是从源站点向这个目的站点发送的数据帧，其首部都携带源站所确定的路由信息，并沿着这条最佳的路由进行传输。6.2.2.2 网桥的功能1、 帧的接收和发送：从所连接的局域网端口接收帧，从帧中获得目标地址，分析目的站是否属于网桥所连接的局域网，来决定对该帧是转发还是丢弃。2、 缓存管理：网桥中通常设置两类缓存区，一类是接收缓存区，用于暂存从端口收到的、带处理的帧；另一个是发送缓存区，用于暂存经协议转换等处理后代发送的帧。3、 协议转换：将源局域网中所采用的帧格式和物理层规程缓缓为目的局域网所采用的帧各式和物理层规程。4、 差错控制：首先进行差错检测，然后对经协议转换后的MAC帧生成新的CRC码，并填入新的MAC帧的CRC子段。5、 路由选择：在源路由选择网桥中没有这一功能，但在透明网桥中有这一功能。6.2.3 路由器当互联的局域网数目不多时，采用网桥是非常有效的，但是当互联的局域网数目很多或要将局域网和广域网互连时，则采用路由器为好。因为路由器的互连功能更强。路由器在网络层一级工作，互连两个或多个独立的相同类型或不同类型的网络：局域网与广域网的互连，局域网与局域网的互连。一、路由器的功能路由器是在网络层对分组信息进行存储转发，实现多个网络互联。因此，路由器应具有以下功能：1、路由选择路由器的主要功能就是进行路由选择。当一个网络中的主机要给另一个网络中的主机发送分组时，它首先把分组送给同一网络中用于网间连接的路由器，路由器根据目的地址信息，选择合适的路由，把该分组传递到目的网络用于网间连接的路由器中，然后通过目的网络中内部使用的路由协议，该分组最后被递交给目的主机。路由器和网桥的概念类似，都是接收协议数据单元PDU，检查头部字段，并依据头部信息和内容的一张表来进行转发。但实际上，网桥只检查数据链路帧的帧头，并不查看和修改帧携带的网络层分组头部；而路由器则检查网络层分组头部，并根据其中的地址信息作出决定，当它把分组下传到数据链路层时，它不知道也不关心它是通过以太网还是令牌环网进行传送。2、协议转换 能对网络层及其以下各层的协议进行转换。3、能支持多种协议的路由选择 近年来推出一种多协议路由器，能支持多种协议，如支持IP、IPX、X.25及DECnet协议等，因此，利用路由器不仅能连接同构型LAN，而且还能用来连接LAN和WAN 。例如，利用一个多协议路由器来连接以太网、令牌环网、FDDI网、X.25网及DECnet等，从而使大、中型网络的组建更为方便，也可以获得较高的性能价格比。但也注意，由于目前尚无多协议路由器标准，以致出自不同厂家的多协议路由器不能协调工作，因此在选购时应认准一家的，不能多头购买。6、流量控制在网桥中虽然设有一定的缓冲区，以缓和发送方和接收方苏率不匹配的矛盾，但不具有流量控制功能，而在路由器中，不仅具有更多的缓冲，而且还能控制收发双方间的数据流量，使得两者更加匹配。5、分段和重新组装功能在通过路由器所互联的多个网络中，他们所采用的数据单元大小可能不同，如源站点所用的数据单元较大，而目的站点所用的数据单元较小，使目的站点无法接收，这时，路由器可将由源站点发出的数据分组分成若干段后，分别封装为小的分组再发往目的站，反之亦然。6、网络管理因为路由器是连接多种网络的汇集点，网络之间的信息流都要通过路由器，因此，利用路由器来监视网络中的信息的流动、监视网络中的设备的工作，以及对他们进行管理是比较方便的。目前，在高档的路由器中都配置了相当强的网络管理功能，以便提高网络的运行效率，可靠性及可维护性。二、路由器的标准目前，根据路由器内所采用路由选择算法的不同，已经确定了三种比较重要的路由器标准：1、路由信息协议RIP这是最早推出的、用于互TCP/IP网络的路由器标准，现在已经被广泛使用并成为事实上的工业标准。但该标准对网络中使用的路由器，在数量上作了限制，同时还对从源站点到目的站所发送的分组的数据作了限制，这就妨碍了他在大型企业中的应用。2、开放式最短路由协议OSPF该标准针对RIP的缺点作了较大的改进，克服了上述的限制，即它即不限制在互联网中作用的路由器的数据，也不限制从源站点到目的站所发送的分组的数据作，因此，可以用于大型企业。尽管完善，但OSPF还不能完全取代RIP。3、中间-中间系统 这是由ISO提出的，像许多其它OSI标准一样，是一个比较完善的标准，但目前没有被广泛应用。 路由器作为互联网络的重要设备，他在计算机网络中占有重要的位置，他不断朝着速度更快、服务质量更好和更易于综合化管理3个方向发展。6.2.6 网关 网关用于互联异构型网络。所谓的一构型网络，是指在网络中，至少是从网络层到物理层协议都不相同的网络，甚至是从应用层到物理层所有的对应的各层协议均不相同的网络。 网关的用途： 1、异构型LAN互联 2、LAN和WAN互联 3、WAN和WAN 互联 6 LAN和主机相连：当主机的操作系统于网络的操作系统不兼容时，仍需要通过网关连接。网关互联的层次：1、在网络层的互联 在WAN和WAN之间互连时，广泛采用的方法是在网络层实现互联，此时的网关被称为网络层网关，它必须处理每一个互联网络中网络层、数据链路层和物理层协议的转换。2、在运输层实现互联 在运输层实现互联的网间连接器被称为运输层网关。目前已有不少的运输层网关，并且还在继续推出新产品。当两个网络采用协议不同的通信子网，且他们的运输层也不兼容时，采用运输层网关实现网络互连比较合适。3、在应用层实现互联 到目前为止，还尚未开发出工作在会话层和表示层的网关，但已出现许多应用层网关，这种网关在本质上是一种所谓的“两面神主机”。他执行两套完整的协议，一个典型的例子就是连接多个终端的终端控制器。6.3 网内联结器6.3.1 集线器集线器开始用来连接各种网络设备，现在他已经成为最广泛采用的LAN的构成方式，随着集线器的发展，其功能越来越多，不仅可以用来连接设备，而且还可以用它来互联LAN,甚至可以互联不同类型的网络，致使它可能成为互联网络的核心，具有网络管理的功能。目前，市场上的集线器按功能的强弱分为3档。1、 低档集线器特点：是非智能型的，性质类似于多端口中继器，除完成集线功能外，还具有信号再生能力。作用：将分散的用于连接网络设备的线路集中在一起，以便管理和维护。在集线器上有固定数目的端口，每个设备可以通过双绞线连接到一个端口上，而HUB本身又可以连接到粗同轴电缆或细同轴电缆上。2、 中档集线器具有一定的智能，在低档集线器的基础上增加了一些新功能：1） 配置了网桥软件，使得它能够连接多个同构LAN，此时，集线器由多个插槽，以便在连接这些网络时，根据网络类型的不同，将相应的网卡插入槽中，连接给定的网络。2） 配置一定的管理功能，对本地站点和远站点的管理。中档HUB已经 不再是物理层的产品，已经向数据链路层和智能化方向发展。3、 高档集线器又称高档智能集线器，是为了组建企业网而设计的，高档HUB应具有以下功能：1） 支持多种协议、多媒体，具有不同类型的端口，以便互联相同或不同类型的网络，具有内置网桥或路由功能。2） 网络管理功能3） 交换功能，“智能交换集线器“是HUB的最新发展，它是集线器于交换其功能的组合，既具有普通集线器集成不同类型功能模块的作用，又具有交换功能 新一代的智能集线器就是将多协议多媒体切换功能、网桥和路由功能、管理功能、交换功能等组合成一体。6.2.2交换机采用集线器作为中心的连接方式，实际上是总线型的拓扑结构