第5章 网络互连技术

第5章网络互连技术,熟练掌握：网络互连的概念、基本原理和互连层次。掌握：网络地址分配与子网划分方法，网络路由协议和路由技术。了解：网络在物理层、数据链路层、网络层及高层的互连模型。,5.1网络互连概述,5.1.1网络互连概念,网络互连（internetworking）是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互联网络系统，实现互联网络中的资源共享。互连的网络和设备可以是同种类型的网络、不同类型的网络，以及运行不同网络协议的设备与系统。,网络互连的功能,1）屏蔽各个物理网络的差别：物理网络的差别包括寻址的差别、分组最大长度的差别、差错控制差别等。2）网络的延伸：通过网络连接设别对信号进行重生或放大以达到更大的传输距离。3）网络的分段：将一个大的网络系统分成几个小的子网，再通过网络互连设备将各个子网连接成一个整体网络,5.1.2网络互连基本原理,按照网络的传输特性和通信协议的异同，可以把“互连网络”分为同构网和异构网两种类型。同构网（homogeneousnet）：是指相互连接的网络具有相同特性和性质，即具有相同的通信协议，呈现给接入网络设备的界面也相同，一般是同一厂商提供的某种单一类型的网络。异构网（heterogeneousnet）：是指相互连接的网络具有完全不同的传输性质和通信协议。目前，不同类型的网络之间的连接大多是异构网间的连接。,5.1.3网络互连的层次,网络互连类型主要有以下几种：局域网-局域网互连局域网-广域网互连局域网-广域网-局域网互连广域网-广域网互连,1.局域网-局域网互连,局域网-局域网互连是最常见的一种。局域网-局域网互连进一步可以分为以下两种：(1)同种局域网互连同种局域网互连是指相同协议的局域网之间的互连。例如：两个以太网之间的互连，或者是两个令牌环网之间的互连。同种局域网之间使用网桥互连。,(2)异型局域网互连,异型局域网互连是指不同协议的局域网之间的互连。例如，一个以太网与一个令牌环网之间的互连，或者是以太网与ATM网络之间的互连。异型局域网之间的互连必须使用支持多协议的网桥。ATM网络与传统共享介质局域网在协议与实现技术上不同。因此，ATM网络与传统局域网的互连必须解决局域网仿真问题。,2.其他互连类型,局域网-广域网的互连、局域网-广域网-局域网互连、广域网-广域网的互连，都可以通过路由器或网关来实现。,网络互连的层次,如果按照网络互连设备在OSI参考模型中所属的层次来划分，网络互连可分为以下4种：物理层互连数据链路层互连网络层互连网络高层互连,（1）物理层互连,物理层互连的设备是中继器，它双向接收、放大并重发信号。可以延伸网段，没有管理功能。共享式集线器就是一个多端口中继器。,中继器,（2）数据链路层互连,数据链路层互连的设备是网桥（bridge）。网桥在网络互连中起着数据接收、地址过滤与数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。交换式集线器（交换机）就是一个多端口网桥。,网桥（bridge）,（3）网络层互连,网络层互连的设备是路由器，对数据包有很强的管理能力。主要解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。若网络层协议相同，则互连主要解决路由选择问题。若网络层协议不同，则需要多协议路由器。用路由器实现网络层互连时，网络层及以下各层协议可以不相同。,（4）高层互连,传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连，实现高层互连的设备是网关。通常称为应用网关（applicationgateway）。用应用网关实现两个网络的高层互连时，两个网络的应用层及以下各层网络协议可以不相同。,5.2网络路由技术,路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点转发到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间结点。通常，人们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是完全一样的。其实，路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层（网络层）。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。路由技术其实是由决定最优路径和传输信息单元。,5.2.1网络路由器,路由器是网络中进行网间连接的关键设备，是互连网络的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互连网络Internet的主体骨架。在园区网、地区网乃至整个Internet研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个Internet研究的一个缩影。,路由器之所以在互连网络中处于关键地位，是因为它处于网络层：能够跨越不同的物理网络类型（DDN、FDDI、以太网等）；将整个互连网络分割成逻辑上独立的网络单位，使网络具有一定的逻辑结构。网络中任何一个IP分组都要经过路由器的路由选择（routing），才能由源结点到达目的结点。,1路由器的功能,路由器的基本功能是把数据（IP报文）传送到正确的网络。具体包括：IP数据报的转发，包括数据报的寻径和传送。子网隔离，抑制广播风暴。维护路由表，并与其他路由器交换路由信息，这是IP报文转发的基础。IP数据报的差错处理及简单的拥塞控制。实现对IP数据报的过滤和防火墙功能。,在广域网中，路由器的主要作用是路由选择。在城域网中，路由器的主要作用是网络连接和路由选择。在局域网中，路由器的主要作用是分隔子网。,2路由器工作原理,路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据包有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器工作的关键。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路由表（routingtable），供路由选择时使用。路径表中保存着目的网络号、出口端、路由器个数（跳数）和下一个路由器的端口地址（下一跳）等内容。路由表既可以由系统管理员固定设置好，即静态路由表；也可以由系统动态修改，即动态路由表。,路由器的构成,当主机A要向另一个主机B发送数据报时，先要检查目的主机B是否与源主机A连接在同一个网络上。如果是，就将数据报直接交付给目的主机B而不需要通过路由器。但如果目的主机与源主机A不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。如果不存在这样的路由器，源主机就把IP分组送给一个称为“缺省网关”的路由器。送不到的IP分组则被网络丢弃。,路由动作包括寻径和转发。寻径：判定到达目的地的最佳路径。由路由选择算法实现。转发：即沿寻找好的最佳路径传送信息分组。路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立。前者使用后者路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。,3路由配置方式,1）配置启动过程1、专门的串口配置电缆连接路由器的console口和主机的串口。2、在主机上运行超级终端。开始程序附件通信超级终端。然后输入要建的超级终端名称并选择一个图标，单击“确定”打开“连接到”对话框。3、在“连接时使用”选择“COM3”，单击确定，打开“COM3属性”对话框，进行串口属性的配置，即可建立与路由器的通信。,3路由器操作模式,Cisco的网际操作系统IOS提供了几种不同的命令操作模式，每一种模式提供一组相关的命令集，有不同的操作权限和操作功能。路由器操作模式通常有：普通用户模式、特权用户模式、Vlan配置模式和全局配置模式。,普通用户模式：开机直接进入普通用户模式，在该模式下只能查询路由器的一些基础信息，如版本号。特权用户模式：在普通用户模式的提示符后输入enable命令即可进入特权用户模式。在该模式下可以查看路由器的配置信息和调试信息，保存或删除配置文件等。Vlan配置模式：在特权用户模式下输入vlandatabase命令，即可进入Vlan配置模式，在该模式下可以创建、删除Vlan。全局配置模式：在特权用户模式下输入configureterminal命令（可以简写成configuret）即可进入全局配置模式。在该模式下主要完成全局参数的配置，如设置路由器名、修改特权用户密码、配置静态路由、进入一些专项配置状态（如端口配置、动态路由配置）等，具体配置命令在实验中有详细介绍。,路由器常用配置命令,1）显示信息命令。（特权用户模式下）,改变路由设置状态命令,1、修改路由默认名称Router(config)#hostnameRTARTA(config)#2、修改缺省密码Router(config)#enablecurrentpassword：原密码newpassword：新密码comfirmnewpassword:确认新密码changeenablepasswordsuccessfully3、保存当前配置文件Router#write4、删除配置文件Router#erasestartup-config,端口配置命令,1、进入端口配置模式Router(config)#int端口号2、配置端口IP地址Router(config-if)#ipaddressIP地址子网掩码3、激活本端口Router(config-if)#noshutdown4、对WAN口捆绑某协议Router(config-if)#enscapsulation协议5、对WAN口配置时钟频率Router(config-if)#clockrate频率,4路由选择方式,典型的路由选择方式有3种：1、静态路由2、缺省路由3、动态路由,静态路由,静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由的优先级最高。静态路由不占CPU和RAM,不占带宽，不交换路由信息，不透露拓扑结构。但不能动态反映网路拓扑结构。Router(config)#iprouter目的网络子网掩码下一跳ip或端口号,缺省路由,缺省路由，是指路由器在路由表中如果找不到可以到达目的网络的路由时，最后采用的默认路由。Router(config)#iprouter0.0.0.00.0.0.0出口下一跳IP,动态路由,动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。适用于拓扑结构经常发生变化的网络。作用：1、维护路由表，以路由更新的形式将路由信息及时发布给其他路由；2、路由器和相邻路由器通信，路由器间通过动态路由协议交换路由表信息。,使用原则,动态路由作为静态路由的补充。在路由器进行转发寻径时，路由器首先查找静态路由，查到就转发。否则找动态路由，再转发。,从路由算法的自适应性考虑,静态路由选择策略即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。动态路由选择策略即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。,度量值,当一路由器有多条路径可到达某一目的网络时，路由协议必须判断其中哪一条是最佳的路径并把它放到路由表中，路由协议会给每一条路径计算出一个数，这个数就是度量值，通常这个值是没有单位的。度量值越小，这条路径越佳。,度量值,跳数：数据达到目的端口要通过的路由器的个数。滴答数（Ticks）：数据链路的延时（以1/18s为单位）。带宽：数据链路的容量。时延：报文从源端传到目的地的时间长短。负载：网络资源或链路已被使用的部分的大小。可靠性：网络链路的错误比特的比率。,5.2.2动态路由协议,根据是否在一个自治系统（AutonomousSystem，AS）内部使用，动态路由协议分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。这里的自治系统指一个具有统一管理机构、统一路由策略的网络。,因特网的路由选择协议,内部网关协议IGP：自治系统内部采用的路由选择协议，具体的协议有多种，如RIP、IGRP和OSPF等。外部网关协议EGP：主要用于多个自治系统之间的路由选择，目前使用的协议就是BGP。,内部网关协议RIP(RoutingInformationProtocol),1、工作原理路由信息协议RIP是内部网关协议中最先得到广泛使用的协议。RIP是一种基于距离向量的路由选择协议。RIP协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。RIP协议中的“距离”也称为“跳数”(hopcount)，因为每经过一个路由器，跳数就加1,“距离”的定义,RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器。“距离”的最大值为16时即相当于不可达。可见RIP只适用于小型互联网。RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由。只保留一个具有最少路由器的路由（即最短路由），任何其他信息均以丢弃。,RIP协议的三个要点,仅和相邻路由器交换信息。交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。是造成广播风暴的重要原因之一。,内部网关路由协议（IGRP）是一种在自治系统中提供路由选择功能的思科专有路由协议。在上世纪80年代中期，最常用的内部路由协议是路由信息协议（RIP）。尽管RIP对于实现小型或中型同机种互联网络的路由选择是非常有用的，但是随着网络的不断发展，其受到的限制也越加明显。思科路由器的实用性和IGRP的强大功能性，使IGRP得众多小型互联网络组织采用IGRP取代了RIP。,内部网关协议IGRP(InteriorGatewayRoutingProtocol),距离向量路由协议,距离向量路由协议要求每个路由器以规则的时间间隔向其相邻的路由器发送其路由表的全部或部分。随着路由信息在网络上扩散，路由器就可以计算到所有节点的距离。IGRP的最大跳数为255，默认为100，所以它适合大型网络。,IGRP使用一组度量值：网络延迟、带宽、可靠性和负载都被用于路由选择，网管可以为每种度量值设置权值，例如，可靠性和负载可在1和255之间取值；带宽值域为1200bps到10G（万兆）bps；延迟可取值1到24。宽的值域可以提供满意的度量值设置，更重要的是，度量值各组件以用户定义的算法结合，因此，网管可以以直观的方式影响路由选择。,IGRP维护一组计时器和含有时间间隔的变量。包括更新计时器、失效计时器、保持计时器和清空计时器。更新计时器：规定路由更新消息应该以什么频度发送，IGRP中此值缺省为90秒。失效计时器：规定在没有特定路由更新消息时，在声明该路由失效前路由器应等待多久，IGRP中此值缺省为更新周期的三倍。保持时间计时器：规定hold-down周期，IGRP中此值缺省为更新周期的三倍加10秒，即280秒。清空计时器：规定路由器清空路由表之前等待的时间，IGRP的缺省值为路由更新周期的七倍。,内部网关协议OSPF(OpenShortestPathFirst),向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。OSPF将这个度量用来表示费用、距离、时延、带宽等，有时也称为“代价”。只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。,OSPF的区域(area),为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200个。划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。,OSPF划分为两种不同的区域,区域0.0.0.1,区域0.0.0.3,主干区域0.0.0.0,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网8,网6,网3,网2,网1,网7,区域0.0.0.2,网4,网5,R8,由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多,外部网关协议BGP（BorderGatewayProtocol）,BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。常用于互联网网关之间。当网络检测到某台主机发生变化时，就会发送新的路由，即更新有变化的部分，这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销方面都有好处。BGP的较新版本是1995年发表的BGP-4（BGP的第4个版本），可以将BGP-4简写为BGP。,R1,H1,H2,内部网关协议IGP（例如，RIP）,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,EGP,EGP,EGP,内部网关协议IGP（例如，OSPF）,外部网关协议EGP（例如，BGP-4）,IGP,R3,R2,自治系统和内部网关协议、外部网关协议,5.2.3网关,网关（gateway）又称网间连接器、协议转换器。网关用于在传输层及以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。和路由器类似，都有协议转换功能，只不过网关具备网络层以上更高层的协议转换功能。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层-应用层。,大家知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。也就是网络关卡。,网关到底是什么呢？,网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1192.168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。,在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。,而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机。网络A向网络B转发数据包的过程。,网关的分类,网关按功能可分为：协议网关、应用网关和安全网关协议网关：通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换应用网关：是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的也可以使用同一网络连接安全网关：就是防火墙，具有重要且独特的保护作用，其范围从包过滤到十分复杂的应用级过滤。,5.3物理层网络互连,网络物理层的主要功能是产生和发送原始比特信号，物理层网络互连的连网设备主要有：集线器（HUB）、中继器（Repeater），另外主机上应该有网卡（NIC）。通信设备和网卡可以使用多种通信介质进行连接。,5.3.1物理层网络互连模型,网络在物理层互连，只是解决物理信号的再生、放大问题，没有地址概念，因此从本质上并非是网络互连。物理层的互连模型如下所示，网络互连设备主要是中继器和集线器，网络中的结点通过传输介质连接到这些设备上。,5.3.2网线制作,非屏蔽双绞线（UTP）是最常用的网络互连介质，它由根不同颜色的导线分成对绞合在一起，成对扭绞的作用是尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响。为了将UTP电缆与计算机、集线器、交换机等设备连接，每条UTP电缆的两端需要连接RJ-45接头（俗称“水晶头”）。下面介绍网线制作的国际标准、制作方法和制作步骤。,1网线制作的国际标准,网线的制作方式有两种国际标准，分别为EIA/TIA568A以及EIA/TIA568B，见下表。而使用UTP制作网线的连接方法也主要有两种，分别为直通UTP电缆（简称直通线）和交叉UTP电缆（简称交叉线）。,2网线制作方法,网卡与交换机的连接口通常使用RJ-45接口，在制作网线时UTP电缆的两端都要连接RJ-45接头（水晶头）。网卡和交换机的RJ-45接口引脚功能定义分别见下表所示。,5.3.3两台主机直接互连,使用网卡和双绞线可以直接将两台PC互连，组成一个简单的对等网。对等网中每台计算机都是平等的，没有主从之分，也就是说每台计算机在网络中既是客户机也是服务器。两台PC直接互连的通信模型如下图所示。,5.3.4多台主机物理层进行互连,如果要将多台主机在物理层连接起来，组成一个简单的共享式的以太网，使用PC直接互连方式显然不能把一台主机和多台主机直接连接起来，因为网卡一般只有一个接口，这种需求的网络互连可以使用集线器。集线器连接多台主机集中管理的模型如下图所示。,注意：1、网络物理层以上各层必须是同构的2、主机和集线器之间使用直通双绞线3、主机和集线器之间的距离不能超过100m4、各台主机的IP地址的网络号必须相同,5.3.5使用集线器进行网络互连,多台PC互连有两种情况：一种情况是集线器端口数量有限，PC数量超过集线器端口；另一种情况是PC之间的距离超过100m，这两种情况都应将超出一台集线器管辖范围的PC划归到不同的集线器中进行管理。一个集线器的管理域可以看作是一个局域网，集线器可以通过级联方式将不同的管理域连接起来，也就是最简单的局域网互连。局域网物理层互连如下图。,解决：1、采用带宽更高的集线器2、使用交换机,特点：,1、以一台集线器为中心组成一个小型的共享网络，多个小型的共享网络可以通过集线器级联的方式组成一个更大的共享域2、网络中所有主机共享宽带，随着网络中主机数量的增加通讯性能下降3、网络在物理层互联只是在电缆间复制比特流，物理层通信采用广播方式，没有地址概念，因此不能对通信进行很好的管理。,5.4数据链路层网络互连,网络数据链路层的主要功能是网络分段，网络分段后可以将大的冲突域划分成更小的冲突域，从而改善网络的通信性能。局域网采用数据链路层互连，可以解决冲突域过大而造成的网络性能下降问题。因为工作在数据链路层的交换机可以提供专用数据通道，网络中的主机独占数据带宽，从而使网络中不会因为更多主机的加入造成通信性能的下降。,5.4.1数据链路层网络互连模型,数据链路层网络互连的模型如下图所示，从图中可以看出交换机具备物理层和数据链路层两层的功能，它可以连接链路层以上同构的局域网，即可以连接多个相同网络或传输介质不同的网络、介质访问控制方式不同但高层协议兼容的网络。,交换机的”地址学习“过程：,1、交换机接收到数据帧后，查找”端口/MAC地址“映射表，如果没有，则将数据帧广播到其他接口上，对方会给一个广播应答，通过读取帧中的源MAC地址，交换机将端口与主机连接起来，放入MAC表中。2、如果交换机连接的所有主机都发送过数据帧，就可以建立完整的”端口/MAC地址“映射表。3、”端口/MAC地址“映射表时动态变化的，如果在一定时间内某一主机没有新的数据发送，则相应的表项将被清除。,5.4.2使用二层交换机进行网络互连,二层交换机工作在网络数据链路层，它可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在其内部的一个地址表中。由于交换机内部采用全连接的并行数据通道进行通信，这就要求交换机具有足够的背板带宽。交换机的背板带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志交换机总的数据交换能力，单位为Gb/s，也叫交换带宽，一般的交换机的背板带宽从几Gb/s到上百Gb/s不等。,使用交换机进行局域网互连模型如下图所示。,解决：1、网路层的路由器2、具有三层交换功能的交换机,二层交换机不能解决的问题：,1、网络中的主机必须是一个物理网段的2、网络中可容纳的主机数量有限例如：一个C类网络的主机数目超过了254台，则需要分配多个C类物理网段，可不同的网段之