第7章 网络互连

计算机网络精品课程,第7章网络互连,7.1网络互连,7.2网络互连的方式,7.3网络互连设备,思考与问答,7.1网络互连,7.1.1网络互连层次,7.1.2网络互连的类型,7.1.1网络互连层次,OSI七层参考模型使网络互连层次变得简洁和规范。根据网络互连设备工作的层次及其所支持的协议，网络互连设备通常可以分为4种中继器、网桥、路由器、网关。（1）中继器（Repeater）（2）网桥（Bridge）（3）路由器（Router）（4）网关（Gateway）,网关,路由器,网桥,中继器,四种网络互连设备,郑州航院计算机网络精品课题组,7.1.2网络互连的类型,从覆盖范围讲，计算机网络分为广域网、城域网与局域网三类。从这一角度对网络互连进行分类，网络互连主要有以下几种类型：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。,局域网局域网互连一般解决一个组织机构内部或一个小区域内相邻的几个楼群之间的通信，大多采用中继器和网桥就足够了。局域网广域网的互连由于协议差异较大，一般多采用路由器。路由器可以连接以太网、令牌环网、FDDI等局域网和X.25、帧中继等广域网。在局域网广域网的互连中，如果是协议差别太大的高层系统，一般要采用特定的网关。广域网广域网的互连起来，须采用路由器或网关。说明：当然，这种使用的划分也不是绝对的，如在局域网局域网互连中，有时为了起到信息的隔离作用，也采用路由器作为互连设备。,（1）LAN-LANLAN互连又分为同种LAN互连和异种LAN互连。常用设备有中继器和网桥,LAN互连如图所示。,（2）LAN-WAN用来连接的设备是路由器或网关，具体如图所示。,（3）LAN-WAN-LAN这是将两个分布在不同地理位置的LAN通过WAN实现互连，连接设备主要有路由器和网关，具体如图所示。,（4）WAN-WAN通过路由器和网关将两个或多个广域网互连起来，可以使分别连入各个广域网的主机资源能够实现共享。如图所示。,7.2实现网络互连的方式,7.2.1利用网间连接器实现网络互连,7.2.2通过互连网实现网络互连,7.2.1利用网间连接器实现网络互连,利用网间连接器实现网络互连是指利用各种网间互连设备，将各种网络互连在一起，这是目前网络互连的主要方式。根据网间互连设备（以G表示）与网络结点（即通信处理机CP）和主机（Host，以H表示）的连接方式，形成了二种互连方式。CP-G-CP互连方式H-G-H互连方式,1、CP-G-CP互连方式,这种互连方式是把网间连接器G连接到不同网络的结点CP上，因此，又称结点级或数据通信设备DCE级互连，如图7-2（a）所示。这种连接方式较适合于具有相同交换方式的网络互连，常用的连接设备有网卡和网桥。,2、H-G-H互连方式,这种互连方式是把网间互连设备G连接到不同网络的主机上，因此又称主机级或数据终端设备DTE级互连。主机级互连相当于在运输层或运输层以上的层次上进行互连，因而网间互连设备必须能实现运输层或运输层以上的协议转换，即网关。这种互连方式主要适用于在不同类型的网络间进行互连的情况。常见的网间连接器如网关。,7.2.2通过互连网实现网络互连,1、通过互连网进行网络互连的基本原理在两个计算机网络中，为了连接各种类型的主机，需要多个通信处理机构成一个通信子网，然后将主机连接到子网的通信处理设备上。当要在两个网络间进行通信时，源网可将分组发送到互连网上，再由互连网把分组传送给目标网。分组在传送过程中，需经过两次协议转换：一次是当分组从源网传送到互连网时，要把源网协议转换为公用的互连网络协议；另一次是当分组从互连网到达目标网后，再从公用的互连网络协议转换为目标网协议。,2、两种转换方式的比较,当利用网间连接器把两个网络A和B互连时，数据的传送需要有两个协议转换程序：一个用于将网络A的协议转换为网络B的协议，另一个用于将网络B协议转换为网络A协议。采用互连网络进行互连的方式，可以先制订一个互连网络的标准分组格式，数据传送时就将各网络的分组协议都先转换成互连网络的标准分组格式，到达目的后再转换为目标网络的分组格式。,当利用网关把A和B两个网络进行互连时，需要两个协议转换程序，其中之一用于A网协议转换为B网协议；另一程序则进行相反的协议转换。用这种方法来实现互连时，所需协议转换程序的数目与网络数目n的平方成比例，即程序数为n（n-1），但利用互连网来实现网络互连时，所需的协议转换程序数目与网络数目成比例，即程序数为2n。当所需互连的网络数目较多时，后一种方式可明显的减少协议转换程序的数目。,7.3网络互连设备,7.3.3路由器,7.3.1中继器,7.3.2网桥,7.3.4网关,7.3.1中继器,1、中继器作用和特点中继器是最简单的网络连接设备，它工作在OSI参考模型的最低层即物理层。信号在传输介质中传递一定距离后，会因为信号衰减或躁声干扰影响数据的完整性。中继器作用是对介质上传递的变弱或变坏信号进行再生放大，重新生成原始的比特模式，再将信号沿着网络继续传送，从而延长信号的传递距离，扩展局域网的网段长度。,中继器仅仅扩展网络的物理层，不以任何方式改变网络的功能，通过它连接的网段实际上还是一个网络。,用中继器连接两个网段,中继器的特点如下：放大信号；无过滤功能；无路径检测或交换；中继器的缺点：不能过滤网络业务量。集线器无过滤功能，数据到达一个端口后，被发送到其他的所有端口。,当中继器用作星形网络的中心时，我们使用术语集线器而不是中继器。集线器（Hub）是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器在OSIRM中的物理层。按速度的不同对HUB分类：根据速度的不同，目前市面上用于小型局域网的HUB可分为10M、100M和10/100Mbit/s自适应三个类型。,2、集线器,在实际应用中，各集线器与服务器直接连到高速主干上。因为多数LAN的主要通信是在工作站和主服务器之间的，所以主干对网络的整体性能意义重大。,清华同方集线器TFH4016,7.3.2网桥,当局域网上的用户日益增多，工作站数量日益增加时，局域网上的信息量也将随着增加，可能会引起局域网性能的下降。在这种情况下，必须将网络进行分段，以减少每段网络上的用户量和信息量。将网络进行分段的设备就是网桥。网桥（Bridge）也称桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。,网桥同时工作于物理层和数据链路层。网桥的作用是基于MAC地址，将网络业务量分成几段（或子网）并进行过滤，减少网络上不必要的业务量，控制对网络的广播，将冲突发生的可能性降低至最低。网桥具有寻址和路径选择的逻辑功能，网桥仅仅通过查看MAC地址来过滤网络业务量，只关心转发数据帧还是丢弃数据帧，因此它能够迅速转发不同网络的数据帧。,1、网桥的工作原理,网桥,网桥概念模型,2、网桥概念模型,网桥仅仅通过查看MAC地址来过滤网络业务量。所以它们能够迅速转发代表任何网络层协议的业务量。因为网桥仅仅注意MAC地址，他们不关心协议。因此，网桥只关心传递数据包或不传递数据包，这基于数据包的目的MAC地址。网桥的重要特征：分析收到的数据包并根据寻址信息来转发（或丢弃）在两个网段之间收集和传递数据包；控制对网络的广播；维护地址表。,3、网桥的分类,(1)根据网桥所采用路由选择算法的不同可分为透明网桥和源路径选择网桥(2)依据网桥软件是运行在文件服务器上还是运行在微机工作站上可分为内桥和外桥(3)根据网桥是否有智能，可分为智能网桥和非智能网桥(4)根据网桥连接的是本地网还是远程网，可分为本地网桥和远程网桥,(1)透明网桥,透明网桥又称自适应性网桥。透明网桥选用一种称做“向后学习”的扩散式路径选择算法，这种算法只依赖于本地的信息，具有隔离和自适应性的特点。向后学习：网桥观察和记录每次到达本网桥的数据帧的源地址、标识以及从哪一个局域网输入本网桥，并记录入自己的路径选择表。扩散路径选择：每个网桥都是独立的结构，具有自己路径选择表。当网桥需要转发一帧时，先查找帧目的地址是否与路径选择表中的某一个目的地址相匹配，如匹配，则按指定通道向前发送；如果网桥路径选择表中没有与帧目的地址相匹配的，则将帧送至除接收该帧的输入通道之外的所有通道。,例：下图中，桥1观察来自结点C的数据帧，都通过LAN2到达本网桥，网桥1就学习到凡是发往结点C的数据帧必须经过LAN2，在桥1路径选择表中记录下来。这样，凡是LAN1发往结点C的数据帧，桥1根据路径选择表转发至LAN2。,(2)源路径选择网桥,路径选择算法：发送结点在发送时就知道所发送的帧是送往本地局域网还是送给其它的局域网；若送往其它的局域网时，则将数据帧的目的地址的高位设置为1，且在帧头内包括了该帧传递的确切路径。源路径选择网桥要求信息源(不是网桥本身)提供传递帧到终点所需的路径信息。使用源路径选择网桥时，网桥不需要保存地址数据库，它对帧实施转发和滤除的依据是帧信封内包括的数据。传递路径确定：每个局域网有一个12位的、唯一编号，每个桥也有一个4位的、唯一的号。接入同一个局域网的两个网桥号必须不同。帧传递路径由网桥号，局域网号，网桥号序列标识，在上图中，从结点A到结点C传递路径是（B1，L2，B2，L3）。,源路径选择算法的前提是每台机器都知道路径。寻找路径的基本方法是：如果不知道某帧的目的结点所在的局域网，源结点发送一广播帧，询问该目的结点连接在哪一个局域网上。广播帧被网络中的每个网桥所接收，并转发至每个局域网。目的结点收到该广播帧后，发一响应帧给发送结点，发送结点记录下来响应帧标识，获得确切的路径信息。该路径选择算法能寻找最佳路径。但如果互连的网络规模很大，包含很多桥和局域网，广播帧数目激增，从而产生拥挤。,内桥,内桥通常驻留在文件服务器中并作为它的一部分运行,通过文件服务器中的不同网卡连接起来,如图所示。,外桥,外桥不同于内桥，外桥安装在工作站上，它实现连接两个相似的局域网络，外桥常由微机来充当,如图所示。,远程网桥,远程网桥通过通信线路将分布在多个不同区域的局域网连接起来，这时要求两端都要有远程网桥,4、网桥的特点,与中继器相比，网桥有以下特点：（1）能够实现局域网之间的互连。如网桥可以把以太网和令牌网互连起来；而中继器只能实现以太网段间的相连。（2）能够扩大互连的局域网的地理范围。由于中继器受MAC定时特性的限制，只能将几段电缆连接起来，不能超过一定的距离限制；而工作在数据链路层的网桥，它不受MAC定时特性限制，可连接的距离几乎是无限远。,（3）能过滤网络业务量，能够隔离错误，提高网络性能。网桥收到一数据帧后，先读取该帧的寻址信息，以决定是将该帧转发到其他的局域网上还是将其删除。这样便降低了网络负载，提高了网络的性能。同样，当一个网络段上某结点存在故障而发出无用信息破坏网络运行时，不会影响到网桥所连的另一个网络段上的用户。（4）可提高局域网的安全性。局域网普遍采用的是广播式通信方式，一个结点发送的信息其他站点都能收到，这样不利于信息的保密。使用网桥，可将需要保密的重要部门的电缆段与其他部门隔离开来，提高网络的安全性。,7.3.3路由器,中继器和网桥是简单的硬件设备，功能也较为简单。路由器则是较为复杂的网络互连设备，它工作在物理层、数据链路层和网络层。它除了具有网桥的全部功能之外，并增加了路径选择功能，路由器根据收到数据包中的网络层地址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址，并且重写链路层数据包头实现转发数据包。路由器通常动态维护路由表来反映当前的网络拓扑。路由器通过与网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表。路由器是连接IP网的核心设备。,1、工作原理,路由器,路由器的概念模型,用路由器连接网络,路由器和网桥的区别体现在许多方面，其中重要的一个区别是网桥利用物理地址即MAC地址来确定是否转发数据，MAC地址通常是由网卡生产商分配的，并且已经固化到网卡中。路由器则是利用网络层地址即IP地址来寻址和确定是否转发数据的，IP地址是在软件中实现的，通常由网络管理员分配的。路由器与网桥的另一个重要差别是，路由器了解整个网络，维持互连网络的拓扑，了解网络的状态，因而可使用最有效的路径发送包。网桥和路由器之间功能上的差别经常很模糊。由于网桥变得越来越复杂，它们现在能处理一些以前由路由器处理的日常杂务，执行路由功能的网桥有时也称为网桥路由器（brouters）。,路由器与网桥的差别,例：假设有两个网络，它们有唯一的网络编号A和B，A网络和B网络用路由器互连，如图所示。A网络有4个设备，IP地址分别为A1、A2、A3、A4。B网络也有4个设备，IP地址分别为B1、B2、B3、B4。路由器和网络的接口被认为是网络的一部分，因此，和网络A相连的端口就有一个IP地址A5，和网络B相连的端口也有一个IP地址B5。某时刻有数据帧从源网络A向目的网络B传输。,当数据帧到达路由器时，路由器执行以下功能：（1）路由器去掉数据帧中数据链路层报头，该报头是封装网络层数据时附加在数据上的信息，它包含源MAC地址和目的MAC地址。这就允许路由器通过检验网络层来确定目的网络，也就是通过所携带的IP地址来确定目的网络；（2）路由器通过查询路由表来确定数据帧要前往的目的网络，需要由哪一个端口来发送。路由表包含了到达目的网络的地址信息。路由器确定从IP地址为B5的端口把数据从网络A发送到网络B。在通过B5实际发送数据前，路由器还应当将数据封装到数据链路层的帧中。,路由器主要工作在网络层。由路由器互连局域网时，要求互连局域网的网络层以上各层协议相同，数据链路层与物理层协议可以是不同的.如路由器可以将以太网与令牌网互连。尽管以太网与令牌环网的帧格式与介质控制方法各不相同，但路由器可以通过两种网卡分别处理两种不同类型局域网的信息包。当路由器连接更多的局域网时，也采用同样的处理方法。,2、路由器分类,根据对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点不同，将路由器分为以下几种。(1)主干网上的路由器：在主干网上，路由器的主要作用是路由选择。主干网上的路由器必须知道到达所有下层网络的路径。这需要庞大的路由表，并对连接状态的变化快速作出反应。这类路由器也称为核心路由器或边界路由器，如7500系列等高端路由器就可作为这类路由器。,(2)地区网上的路由器：在地区网中，路由器的主要作用是网络连接和路由选择，即连接下层各个基层网络，并负责下层网络之间的数据转发。本层的路由器称为分布级路由器，一般用做小型局域网和远程站点的中央结点。4500系列、3600系列等具有中等能力的路由器就可作为这类路由器。,(3)园区网内部的路由器：园区网一般由多个子网构成，为使各个子网在逻辑上独立，园区网内部的路由器的主要作用是分隔子网，并负责子网间的报文转发和广播隔离。这类路由器也称为接入级路由器或访问级路由器，如Cisco2600、Cisco2500系列、Cisco1000系列等就可作为这类路由器。,TCLR3006（金跑车）路由器主要面向小型企业用户，能通过一条电话线（或ISDN线）、一个帐号，实现多台电脑同时上网，该路由器具有六个局域网接口，两个RS-232广域网接口.,CiscouBR924电缆接入路由器集成IP语音（VOIP）传输、虚拟专用网（VPN）和路由器功能，专门为远程办公人员、小型办公室/家庭（SOHO）和小型支局客户提供多功能宽带接入。,Cisco3600系列是适合大中型办事处和较小型Internet服务供应商的路由器。它拥有70多个模块化接口选项，为数据、语音、视频、混合拨号访问、VPN和多协议数据路由提供解决方案。,3、多协议路由器,如果按网络层协议来分，路由器可分为单协议路由器和多协议路由器。单协议路由器只能实现具有相同网络层协议的网络互连；多协议路由器可以实现具有不同高层协议的局域网的互连。在实际应用中，要求互连的局域网可能采用了不同的高层协议。例如，Novell公司的NetWare的网络层与传输层协议分别是IPX（InternetworkPacketExchange）与SPX（SequentialPacketExchange），通常记作SPX/IPX。而TCP/IP作为实际上的工业标准被更多的网络所采用。,SPX/IPX与TCP/IP协议有很多的不同之处，分布在互连网中的采用TCP/IP协议的主机只能通过TCP/IP路由器与其他互连网中的TCP/IP主机通信，却不能与同一个局域网或其他局域网中的采用NetWare协议的主机通信；同样，采用NetWare协议的主机也只能通过NetWare路由器与其他互连网中的NetWare主机通信，却不能与同一局域网或其他局域网中的TCP/IP主机通信。互连网中主机之间的通信受到路由器协议的限制。采用多协议路由器可以解决上述的问题。多协议路由器具有处理多种不同协议分组的能力，例如：它可以处理IP分组与IPX分组，同时还具有对这两种不同类型分组的路由选择与分组转发能力。多协议路由器同时要为不同类型的协议建立和维护不同的路由表。,7.3.4网关,网关可以工作在OSI模型的所有七层中，是最繁杂的网络互连设备。网关是一个协议转换器，可以将所接收到的一种协议格式数据包（如AppleTalk），在转发之前将它转换成另一种协议格式数据包（如TCP/IP）。而路由器只能在使用相同协议的网络中转发、接收数据包。网关通常是安装在路由器内部的一个软件。一个网关了解连接到路由器上的每个网络所使用的协议。在多数情况下，网关只需数据包的头和尾，而在有些情况下，网关还需要调整数据传输速率、数据包的大小以及数据包的格式。,例如，右图中，使用Novell公司NetWare网和SNA网络互连，两者不仅硬件不同，而且整个数据结构和使用的协议都不同。在这种情况下，NetWare网的结点不能直接访问SNA网中的大型机。如果二者要进行通信，就必须使用网关来完成不同网络协议之间的转换。,网关适用的场合,网关具有对不兼容的高