《计算机网络》PPT课件.ppt

计算机网络基础基础 宋文官蔡京玫编著 王伟 博士 博士后 wangweinwpu wangwxjt 西安工程大学计算机科学学院 第6章网络互联与设备 6 1网络互联的基本概念6 2局域网互联设备和应用6 3路由器与网关6 4网络互联技术6 5扩展读物 6 1网络互联的基本概念 6 1 1网络互联的概述6 1 2网络互联的层次 6 1 1网络互联的概述 QQ通信通过网络互联 Internet 来实现 6 1 1网络互联的概述 网络互联的三个基本概念 1 互联 Interconnection 不同网络利用线路在物理上的连接 提供数据交换的物质基础和可能性 物理基础 2 互通 Intercommunication 不同网络之间可以交换数据 为通信的两台PC提供端到端连接与数据交换 并为它们之间的互操作提供条件 技术手段 3 互操作 Interoperability 不同PC之间能够透明地访问对方资源的能力 由高层软件来实现 应用目标 6 1 1网络互联的概述 1 网络互联是指把网络与网络连接起来 在用户之间实现跨网络的通信与操作的技术 在互联网络中 各网络中的网络资源都应成为互联网资源 而网络资源的共享服务与物理网络结构是分离 独立 的 要求互联网络结构对于网络用户是透明的 目的在于屏蔽了各子网在网络协议 服务类型与网络管理等方面的差异 6 1 1网络互联的概述 网络互联的基本要求 1 在网络之间提供一条链路 至少需要一条物理和链路控制的链路 2 在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据 3 提供各用户使用网络的记录和保持状态信息 4 协调各个网络的不同特性 6 1 1网络互联的概述 2 网络互联类型计算机网络从传输距离上可以分为局域网 城域网和广域网3类 所以网络互联的4种连接类型 1 局域网 LAN 局域网 LAN 2 局域网 LAN 广域网 WAN 3 局域网 LAN 广域网 WAN 局域网 LAN 4 广域网 WAN 广域网 WAN 6 1 1网络互联的概述 4种连接类型示意图 网关 6 1 2网络互联的层次 1 数据链路层互联网桥 Bridge 数据链路层互联的设备 网桥可用于局域网之间的连接 也能支持局域网的远程连接 它在网络互联中起到了数据接收 地址过滤与数据转发的作用 用网桥实现数据链路层互联时 互联网络的数据链路层与物理层的协议可以相同 也可以不同 6 1 2网络互联的层次 2 网络层互联网络层互联主要是解决路由选择 拥塞控制 差错处理与分段技术等问题 路由器 Router 网络层互联设备 路由器提供了各种速率的链路或子网接口 参加管理网络 用路由器实现网络层互联时 互联网络的网络层与以下各层的协议可以相同 也可以不同 6 1 2网络互联的层次 3 高层互联网关 Gateway 高层互联的设备 传输层及以上各层协议不同的网络之间的互联属于高层互联 高层互联使用的网关大多是应用层网关 应用网关 用应用网关实现高层互联时 允许两个网络的应用层及以下各层网络协议是不同的 6 2局域网互联设备和应用 6 2 1网络适配器6 2 2中继器6 2 3集线器6 2 4网桥6 2 5以太网交换机 6 2 1网络适配器 网络适配器 NetworkInterfaceCard NIC 简称网卡 是计算机与传输介质的接口 目前常用的网卡是PCI总线接口网卡 PeripheralComponentInterconnect 外围设备互连 网卡是工作在OSI模型物理层和数据链路层的接口设备 包括RAM EPROM DSP芯片 也称数字信号处理器 主机总线接口和物理链路接口 收发器 用于接收和发送物理层传输的信号 等部件 6 2 1网络适配器 网卡的存储器 EPROM 中保存了一个全球唯一的网络节点地址 称为介质访问控制 MediaAccessControl MAC 又叫硬件地址或网卡地址 由网卡生产厂商在生产网卡时写入网卡的EPROM芯片中 以太网的介质访问控制方法 CSMA CD 在网卡内部实现的 6 2 1网络适配器 计算机通过适配器和局域网通信 6 2 1网络适配器 网卡的工作原理 从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址 若是发往本站的帧则收下 再进一步处理 否则就将此帧丢弃 不再进行其他的处理 IP数据报 1010 0110 帧 取出 数据链路层 网络层 链路 物理层 数据链路层 结点A 结点B a 三层简化模型 b 仅考虑数据链路层 发送 接收 链路 IP数据报 1010 0110 帧 装入 6 2 1网络适配器 网卡实现CSMA CD协议具体步骤 1 在发送数据时 网卡首先侦听传输介质上是否有载波信号 直至传输介质内没有载波信号了 则开始传输数据 2 网卡在数据传输中继续侦听 如果检测到信号冲突 则立即停止该次的信号发送 并等待一段时间后 再重新发送数据信号 如果多次重传后仍然发生冲突 就放弃发送 3 在接收数据时 网卡查看传输介质上的数据信号 如果发现数据帧中的目的地址与本网卡地址相同 并对数据帧进行差错检测 检验正确的数据帧 网卡才会接收 6 2 2中继器 Repeater工作在OSI模型物理层的互联设备 实现两个网络间电气连接 只用于连接相同局域网 同类型 同协议和同速率 维持通过局域网的信号电平 作用是把一个局域网中传输的电信号增强后再传送到另一个局域网上 扩展局域网段的长度 6 2 3集线器 Hub工作在OSI模型的物理层 是将局域网中节点的线缆集中在一起的设备 作为网络连接 UTP 的中心点 特点 当网络中某条线路或某个节点出现故障时 不会影响网络上其他节点的正常工作 6 2 4网桥 Bridge是工作在OSI模型数据链路层 MAC子层及LLC子层 的互联设备 据此网桥分为 1 MAC子层网桥 只连接相同局域网 2 LLC子层网桥 连接不同局域网 局域网 网络层 物理层 站点1 网络层 物理层 数据链路层 站点2 LLC子层看不见下面的局域网 6 2 4网桥 Bridge工作原理 它根据MAC帧的目的地址对帧进行转发 当网桥收到一个帧时 并不是向所有的接口转发此帧 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个接口 6 2 4网桥 技术上 网桥可分为 1 透明网桥 可以连接以太网 令牌环网和FDDI网 但主要应用以太网中 特点 数据帧在传输时 路径选择由网桥决定 2 源路由选择网桥 可连接以太网 令牌环网和FDDI网 主要用于连接令牌环网和FDDI网 特点是 网络中的源节点在发送数据帧时 已知道目标节点的最佳路径 网桥中不存放地址数据表 源节点将到目标节点的最佳路径插入到数据帧的头部 网桥根据帧头中的地址信息转发数据帧 6 2 4网桥 1 透明网桥3个主要功能 地址学习 数据帧过滤和转发工作原理网桥中保存一个地址数据表 用于存放网桥端口和MAC地址 该表通过自学习的方式自动地 动态地和自主地建立 1 地址数据表初始为空 2 当一个帧到达网桥某端口时 网桥检索地址数据表 若该帧目的地址不在表中 则网桥将该数据帧复制到其余端口 除进入端口 缓冲区中 广播到与这些端口相连的网段中 若该帧目的地址在表中 将该帧转发到合适端口 并转发给目的主机 6 2 4网桥 A向B发送数据时 网桥不会将数据帧转发到LAN2 A向F发送数据时 网桥会转发到LAN2 6 2 4网桥 2 源路由选择网桥主要用于连接令牌环网和FDDI网 可用于将大型的令牌环网和FDDI网分成多个网段 以提高网络的性能 与透明网桥将路由信息放置在网桥中相反 源路由选择网桥将路由信息交给源节点处理 由信息源 非网桥自身 提供传递帧到终点所需的路由信息 网桥对帧实施转发和过滤依据是帧头部包含的路由信息 6 2 4网桥 3 网桥主要性能 1 连接两个不同数据链路层协议 不同传输介质与不同传输速率网络 2 接收从两个局域网介质传来的帧 根据帧目的地址 有选择地从一个网络发送到另一网络 实现通信 3 网桥互联的网络在数据链路层以上采用相同协议 4 分隔两个网络之间广播通信量 有利于改善互联网络性能与安全性 5 对更高层次协议是透明的 即用户看不到它们存在 互联网络看起来就像一个单一的逻辑网络 用网桥连接局域网时 当网段之间的数据传输量较大时 网桥可能成为网络的数据传输瓶颈 从而降低网段之间的通信速度 6 2 5以太网交换机 交换机 Switch 是交换式局域网的核心设备 属于OSI模型中的数据链路层设备 由多端口网桥发展而来 用交换机互联好处 1 交换机允许各个网段之间的通信 同时每个网段是独立的冲突域 2 可互联不同速度和类型网段 且对网络的大小没有限制 3 交换机各端口独享交换机的带宽 可实现全双工通信 例如 1台100Mb s的24口交换机 其每个端口理论上均可同时达到100Mb s的速率 6 2 5以太网交换机 1 交换机性能指标MPPS 每秒可转发多少个百万数据包 和背板带宽 2 交换机分类以太网交换机有多种分类方法 1 从外观形态和功能上 模块式交换机和固定端口交换机 2 从应用规模上 企业级交换机 部门级交换机 工作组级交换机 3 从实用角度上 低端固定交换机 低端可变端口交换机 中型交换机和高端交换机等 6 2 5以太网交换机 3 交换机工作方式交换机的工作方式是存储转发 1 将从某个端口接收的数据帧先存储在该端口的缓冲区 解析数据帧 获得目的MAC地址 2 在交换机的MAC地址与端口对应地址表中 查找该目的主机所连的交换机端口 3 将数据帧从接收端口直接复制到送出端口缓冲区中 转发给目的主机 6 2 5以太网交换机 4 端口号 MAC地址映射表 的建立与维护交换机是利用 端口号 MAC地址映射表 进行数据交换的 利用 地址学习 方法来动态建立和维护该表 6 2 5以太网交换机 5 交换机的交换方式 1 直接交换一旦接收到数据帧 立刻检出帧中目的地址信息 查询端口的地址表 如果有该地址项 就把该帧转发到相应端口 不作任何处理 直接交换的优点是延迟较小 缺点是坏帧也会转发出去 2 存储转发交换与直接交换不同的是增加了一个高速缓冲存储器 3 无碎片交换综合了直接交换和存储转发交换的优点 也称为改进的直接交换 课后作业 思考题 34 6 3路由器与网关 6 3 1路由器6 3 2网关 6 3 1路由器 Router是一种能连通不同的网络或网段的互联设备 工作在网络层 是构建Internet骨干网的核心互联设备 1 路由器的结构第一代单总线单CPU结构路由器 第二代单总线主从CPU结构路由器 第三代单总线对称式多CPU结构路由器 第四代多总线多CPU结构路由器 第五代共享内存式结构路由器 第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器 6 3 1路由器 2 路由器的组成通用的路由器由4部分组成 输入端口 交换结构 选路处理器和输出端口 6 3 1路由器 3 路由器的特点 1 寻址能力 IP地址 2 路由选择 最佳路径 3 分段和重组 数据包长度 4 存储 转发 分析和格式 5 数据包过滤 错误的数据包 6 3 1路由器 4 路由器的功能 1 网络互联支持各种局域网和广域网接口 主要用于互联局域网和广域网 实现不同类型网络互相通信 2 数据处理提供数据包的过滤 数据包的寻址和转发 优先级 复用 加密 压缩和防火墙等功能 3 网络管理提供包括配置管理 性能管理 容错管理和流量控制等功能 6 3 1路由器 5 数据包的路由和转发过程路由器中保存着一张路由表 目标网络IP地址 下一个路由器以及跳数等信息 供路由选择时使用 路由表分为 1 静态路由表 管理员预先预先设置 不会随未来网络结构的改变而改变 2 动态路由表 根据网络系统的运行情况而自动调整 自动计算数据传输的最佳路径 更新 6 3 1路由器 路由器连接4个网络 假设A网络中A1向C网络中C3发送数据 6 3 2网关 网关 Gateway 执行网络层以上高层协议的转换 或者实现不同体系结构的网络协议转换的互联部件 它是传输层及其以上层次的互联设备 主要用于不同体系结构网络的互联 6 3 2网关 用网关互联的两个网络 在物理上也可以是同一个网络 例如 在同一个以太网上某些站运行TCP IP网络协议 而另一些站却运行Novell网络协议 此时 该以太网可看作是两个逻辑网 一个是TCP IP网 另一个是Novell网 这两个逻辑网站点之间交换信息须通过网关进行协议转换 6 3 2网关 网关使用适当的硬件与软件 实现不同网络协议之间的转换 硬件 提供不同网络的端口 软件 实现不同互联网协议之间的转换 网关实现协议转换的两种方法 1 直接将输入网络信息包格式转换成输出网络信息包格式两个网络通过一个网关互联的最简单方法 2 将输入网络信息包格式转换成统一标准网间信息包格式该方法可以制定一种统一的标准网间信息包格式 6 4网络互联技术 6 4 1光纤分布式数据接口6 4 2综合业务数字网6 4 3公共分组交换数据网6 4 4数字数据网6 4 5帧中继6 4 6xDSL技术6 4 7ATM技术 6 4 1光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口FDDI FiberDistributedDataInterface 是一种采用光纤作为传输介质 高速且通用的令牌环网 1 FDDI标准 1 介质访问控制 MAC 定义了MAC服务及协议两部分 2 物理层协议 PHY 定义了物理层中与介质无关的部分 如MAC间的服务和传送数字数据的编码部分等 3 依赖物理介质部分 PMD 定义了物理层中依赖于光纤介质的部分 如光驱动器 光接收器的特性以及网站接入部件的细节 光缆及光连接器 等 6 4 1光纤分布式数据接口 4 层管理 LMT 定义网络中FDDI各层进程管理 以达到网上各站协同工作 由于FDDI采用了以光纤作为传输介质 同时又提供了以双环作为拓扑结构的一系列容错措施 从而使其具有明显的特点 6 4 1光纤分布式数据接口 2 FDDI的主要特点 1 传输速率高 2 吞吐量大 3 通信距离远 4 可靠性高 5 安全保密性好 6 兼容性好 7 通用性强缺点 价格昂贵 维护困难 6 4 1光纤分布式数据接口 3 FDDI的主要应用 1 用于主机互联的后端网络如计算机房网络 用于计算机房与高速外设之间连接 图6 13 2 用于多个低速局域网互联的主干网如校园网用于连接发布在校园网中的各个局域网 图6 14 6 4 2综合业务数字网 综合业务数字网ISDN IntegratedServicesDigitalNetwork 有窄带N ISDN Narrowband ISDN 与宽带B ISDN Broadband ISDN 之分 ISDN默认指N ISDN 1 B ISDN与N ISDN的主要区别 1 N ISDN是以公用电话交换网为基础 而B ISDN是以光纤作为主干线和传输介质 2 N ISDN采用同步时分多路复用技术 B ISDN采用异步传输模式ATM技术 3 N ISDN各通路及其速率是预定的 B ISDN速不是预定的 6 4 2综合业务数字网 2 常用的ISDN网络信道 1 4kHz模拟电话信道 记作A信道 2 用于话音或数据传输的64kb s数字PCM信道 记作B信道 3 8kb s或16kb s数字信道 记作C信道 4 用于带外信令传输的16kb s或64kb s数字信道 称作D信道 5 用于1SDN内部信令传输的64kb s数字信道 记作E信道 6 用于传送高速的用户信息信道或不用做电路交换时的信令信道 记作H信道 6 4 2综合业务数字网 3 ISDN的标准 1 基本速率信道 它由2B 1D信道组合而成 2 一次群信道 它由23B 1D 适用于美国和日本等 或30B 1D 适用于欧洲等 组合而成 3 混合信道 它由1A 1C组合而成 即模拟信道和数字信道的一种混合 4 ISDN与Internet的连接如图所示 6 4 3公共分组交换数据网 为了适应数据通信网的发展和网络互联的需要 国际电报电话咨询委员会 CCITT 制定了一系列的X建议 如X 1 X 2 X 3 X 25等 其中X 25是公用分组数据交换网标准 定义了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间的数据交换标准 分组交换网 6 4 4数字数据网 数字数据网DDN DigitalDataNetwork 是利用数字信道来传输数据信号的数据通信传输网 1 DDN的主要作用 1 向用户提供专用的数字数据传输信道 2 用于计算机通信 可传送数字化传真 数字话音及其他数字化信号 3 为公用分组数据交换网 PSPDN 提供用户与网络连接使用的信道及数据传输信道 6 4 4数字数据网 2 DDN的主要业务功能 1 专用电路业务 2 虚拟专用网业务 3 帧中继业务 4 压缩话音 G3传真业务 6 4 4数字数据网 6 4 5帧中继 帧中继技术采用光纤作为数据传输介质 提高传输速率 降低误码率 减少网络传输延迟 帧中继是一种能提供低层服务的交换技术 用来代替X 25 1 帧中继优点 1 高数据率 2 突发数据用户在不同时候需要不同的带宽 3 减少开销 6 4 5帧中继 2 帧中继的主要特点 1 将分组交换网中规定的物理层 数据链路层和分组层的3层协议简化为物理层和数据链路层的一部分 2 传送信息长度不受限制 它对各种网络的互联提供了方便 3 路由功能是在第二层实现的 4 只检测在节点之间数据传输交换过程中出现的差错 而不进行纠错 由终端的计算机去负责差错的恢复和处理 5 在数据链路层实现网络资源的统计复用 6 4