第五章 网络层(5.5)

1、5.5 网络互连5.5.1 网络互连原理n网际互连的目的是使一个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。n这不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。 5.5.1 网络互连原理n要实现网际互连，必须：n(1)在网络之间至少提供一条物理上连接的链路，并具有对这条链的控制规程；n(2)在不同网络的进程之间提供合适的路由实现数据交换；n(3)有一个始终记录不同网络使用情况并维护该状态信息的统一的记费服务；n(4)在提供以上服务时，尽可能不对互连在一起的网络的体系结构做任何修改。 5.5.1 网络互连原理5.5.1 网络互连原理5.5.1 网络互连原理n局域

2、网(LAN)、广域网(WAN)的网际互连有“LAN-LAN”，“LAN-WAN”、“WAN-WAN”和“LAN-WAN-LAN”等四种型式。n由于非OSI系统要与OSI系统互连，非OSI系统之间要互连，所以，网际互连并不单纯指不同的通信子网在网络层上互连。n实际上，两个网络之间要互连时，它们之间的差异可以表现在OSI七层模型中的任一层上。 5.5.1 网络互连原理n用于网络之间互连的中继设备称为网间连接器，按它们对不同层次的协议和功能转换，可以分为以下几类：n(1)转发器(Repeater)，在物理层间实现透明的二进制比特复制，以补偿信号衰减；n(2)网桥(Bridge) ，提供链路层间的协议

3、转换，在局域网之间存储和转发帧；n(3)路由器(Router)，提供链路层间的协议转换，在不同的网络之间存储和转发分组；n(4)网关(Gateway)，提供运输层及运输以上各层间的协议转换。 网络互连设备n转发器 Repeatern网桥 Bridgen路由器 Routern网关 Gateway5.5.2 网桥技术n网桥，提供了一种对LAN的扩展，最早是为把那些具有相同物理层和媒体访问子层的局域网互连起来而设计的，后来也用于具有不同MAC协议的局域网的互连。n网桥工作在OSI模型的第二层（数据链路层），进行相似网络间帧的转发，把两个物理网络连接成一个逻辑网络。5.5.2 网桥技术n以太网以太网（

4、相同网络，交换机）n以太网FDDI(如下图)n以太网令牌环（网桥）n以太网ATM网（网桥）5.5.2 网桥技术nIEEE802.1定义了网桥的协议结构。n使用网桥互连两个网络时，必须要求每个网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。 n网桥互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络。5.5.2 网桥技术5.5.2 网桥技术n网桥转发数据分组的过程：nHostA将数据提交给LLC。nLLC实体附加了一个头部后将数据传递给MAC实体。n在局域网中，数据链路层分成LLC和MAC两个子层，分别是逻辑链路控制和媒体访问介质子层。nMAC层再附加一个头部和尾部形成一个MAC帧n不同类

5、型的局域网MAC帧是不同的。n当数据传送到网桥，根据帧中的地址所包含的目的MAC地址，将帧发送给目的局域网。5.5.2 网桥技术n网桥可能连接多个局域网，连接多个局域网的网桥有相应的多个不同的MAC子层和物理层。n网桥应该具有寻址功能，它为了转发MAC帧必须知道该帧是属于它连接的哪个局域网。n在一个互连的局域网中也可能有多个网桥，因此网桥应该有路由功能。5.5.2 网桥技术n不同MAC子层的局域网的连接5.5.2 网桥技术n网桥的作用通过它的“过滤和转发”功能实现。n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

6、”作用，从而实现了对网络的隔离。n否则，根据它所保持的MAC地址表选择正确的网络来进行“转发”。5.5.2 网桥技术5.5.2 网桥技术5.5.2 网桥技术n1、透明网桥n主要特征：透明网桥的设计不仅仅是为了同种MAC协议的LAN间互连，同时也支持不同类型LAN之间互连。n设计目标：把几个局域网连接在网桥上之后立即就可以运行，不需要进行硬件软件的配置，不用装入路由表参数。现有LAN不受网桥的影响。n透明网桥由各个网桥自己来决定路由选择，局域网上的各结点不负责路由选择，网桥对于互连局域网的各结点来说是“透明”的。n透明网桥的路由机制采用一种叫做生成树算法的技术。5.5.2 网桥技术n透明网桥的原

7、理十分简单，当网桥收到每一个帧时，都执行地址表扩充和帧转发两项工作。n由于透明网桥中隐含了路由选择的能力，因此，有时人们也认为透明桥实质上是一个路由器，至少是一个简单的路由器。5.5.2 网桥技术5.5.2 网桥技术n2、源路由选择网桥n透明网桥的优点是易于安装，只需要插进电缆。但这种网桥并没有最佳地利用网络带宽。n一般总线网选择透明网桥，令牌环网使用源路由选择网桥。n源路由选择的核心思想是假定每个帧的发送者都知道接收者是否在同一LAN上。当发送一帧到另外的LAN时，源机器将目的地址的高位设置成1作为标记。另外，它还在帧头加进此帧应走的实际路径。5.5.2 网桥技术n源路由选择网桥只关心那些目

8、的地址高位为1的帧，当见到这样的帧时，它扫描帧头中的路由，寻找发来此帧的那个LAN的编号。n如果发来此帧的那个 LAN编号后跟的是本网桥的编号，则将此帧转发到路由表中自己后面的那个LAN。n如果该LAN编号后跟的不是本网桥，则不转发此帧。5.5.2 网桥技术n源路由选择的前提是互联网中的每台机器都知道所有其他机器的最佳路径。n如何得到这些路由是源路由选择算法的重要部分。n获取路由算法的基本思想是：n如果不知道目的地地址的位置，源机器就发布一广播帧，询问它在哪里。n每个网桥都转发该查找帧，这样该帧就可到达互联网中的每一个LAN。n当答复回来时，途经的网桥将它们自己的标识记录在答复帧中，于是，广播

9、帧的发送者就可以得到确切的路由，并可从中选取最佳路由。 5.5.3 网络互连协议n因特网种广泛使用的一些网络互连协议n路由信息协议RIPn开放最短路径优先协议OSPF5.5.3 网络互连协议n1、路由信息协议n路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）实际上是一个简单的距离向量路由协议。nRIP可以在主机或路由器中实现。因此RIP协议分为两种不同类型的操作方式。n主机中实现的RIP工作在被动状态。它不会传递自己路由表中的信息给别的路由器，只是接收其它RIP路由器广播的路由信息，并且根据收到的路由信息更新自己的路由表。n路由器中实现的RIP工作在主动状态。它定

10、期把路由器信息传递给其它RIP路由器，并根据收到的路由信息更新自己的路由表。n被动RIP只接收，主动RIP则发送和接收RIP信息。“距离”的定义 nRIP中采用的距离量度是站点计数度量。n从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。n如果距离是n，表示到达目的地途中要经过n个路由器。nRIP 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”。nRIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 协议的三个要点 n仅和相邻路由器交换信息。 n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。 n按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。 n六次交换信息中至少一次收到关于

11、某路由的消息（180秒），才会认为该路由合法，否则该路由会在路由表中删除。1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 一开始，各路由表只有到相邻路由器的信息网 3网 2网 4网 6网 5网 1“4”表示“从本路由器到网 4”“1”表示“距离是 1”“ ”表示“直接交付”1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2

12、A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 1 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 1，距离是 2，经过 A。”1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 2 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 2，距离是 2，经过 A。”1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1

13、 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 3 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 A再到达网 3，因此这一项目不变。1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C

14、 说：“我到网 4 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 C再到达网 4，因此这一项目不变。1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C 说：“我到网 6 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 6，距离是 2，经过 C。”最终所有的路由器的路由表都更新了FEDCBA1 1 2 1 3 1 4 2 B5 2 E6 3 B1 1 2 2

15、A3 2 A4 3 A5 1 6 2 F1 2 E2 2 D3 3 C4 2 C5 1 6 1 1 3 B2 3 B3 2 B4 1 5 2 F6 1 网 2网 6网 5网 1网 3网 41 2 A2 1 3 2 A4 3 A5 1 6 2 F1 2 A2 2 A3 1 4 1 5 3 C6 2 CR2R1网 1网 3网 2正常情况1 1 1 2 R1R1 说：“我到网 1 的距离是 1，是直接交付。”“1”表示“从本路由器到网 1”“1”表示“距离是 1”“ ”表示“直接交付”R2R1网 1网 3网 2正常情况1 1 1 2 R1R2 说：“我到网 1 的距离是 2，是经过 R1。”“1”表

16、示“从本路由器到网 1”“2”表示“距离是 2”“R1”表示经过 R1R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R1 说：“我到网 1 的距离是 16 （表示无法到达）， 是直接交付。”但 R2 在收到 R1 的更新报文之前，还发送原来的报文，因为这时 R2 并不知道 R1 出了故障。R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R1 收到 R2 的更新报文后，误认为可经过 R2 到达网1，于是更新自己的路由表，说：“我到网 1 的距离是 3，下一跳经

17、过 R2”。然后将此更新信息发送给 R2。1 3 R2R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R2 以后又更新自己的路由表为“1, 4, R1”，表明 “我到网 1 距离是 4，下一跳经过 R1”。 1 3 R21 4 R1R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 3 R21 5 R21 16 R21 2 R11 2 R11 4 R11 16 R1这就是好消息传播得快，而坏消息传播得慢。网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟)。这是 RIP 的一个主要缺

18、点。 这样不断更新下去，直到 R1 和 R2 到网 1 的距离都增大到 16 时，R1 和 R2 才知道网 1 是不可达的。 5.5.3 网络互连协议n2、开放最短路径优先协议n开放最短路径优先协议OSPF：是目前最主要的内部网关协议。nOSPF是一种链路状态路由协议。在链路状态路由协议中，每个路由器通过维护它自己的本地链路状态信息，并通过扩散的方法把更新了的本地链路状态信息广播给每个路由器。这样每个路由器都知道自治系统内部的拓扑结构和链路状态信息。（自治系统就是处于一个管理机构控制之下的路由器和网络群组 ）路由器根据这个链路状态库计算出到每个目的地的最短路径。所有路由器都采用相同的算法来计算

19、最短路由，而且这个计算是在路由器本地进行的。5.5.3 网络互连协议nOSPF是一种动态的路由算法，能够自动而快速地适应拓扑结构的变化。nOSPF支持负载平衡功能，所以链路状态算法所需要的带宽也非常小。nOSPF支持3种类型的连接和网络：n点对点网络n广播网络，如Ethernetn非广播方式的网络，如X.25分组交换网5.5.4 网络互连设备n1、网桥n网桥是一种存储转发设备，用来连接类型相似的局域网。n从互连网络的结构看，网桥属于DCE级的端到端的连接；n从协议层次看，网桥属于链路层范畴，在该层对数据帧进行存储转发。 5.5.4 网络互连设备n网桥既不同于只作单纯信号增强的转接器，也不同于进

20、行网络层转换的网间连接器。n但网桥仍然是一种网络连接的方法，因为局域网本身没有网络层，只有在主机站点上才有网络层或提供网络层服务的功能。 5.5.4 网络互连设备n网桥接收帧并送到数据链路层进行差错校验，然后送到物理层再经物理传输媒体送到另一个子网。n在转发帧以前，网桥对帧的内容和格式不做修改或仅做很少的修改。n 网桥应该有足够的缓冲空间，以便能满足高峰负荷时的要求。n另外，必须具备寻址和路由选择的逻辑功能。 5.5.4 网络互连设备n局域网的逻辑功能自下向上可分为物理层、媒体访问控制层(MAC)及逻辑路控制层(LLC)三层，异构局域的差异主要体现在物理层及媒体访问控制层中。5.5.4 网络互

21、连设备n图中的两个局域网802.X和802.Y分别为802.3、802.4和802.5MAC标准中的一种。n网络中发送的数据由802.X的MAC控制信息X、LLC控制控制信息X，然后交给LLC子层加上相应控制信息Y送到802.Y局域网中，再由对方主机接收。此时，在802.Y局域网中，数据由802.Y的MAC控制信息Y、LLC控制信息L各网络协议数据单元组成。n在上述过程中，由于各种局域网有其不同的物理和数据格式，所以传输过程中还要进行转换。 5.5.4 网络互连设备n2、路由器n路由器工作网络层，用以实现不同网络间的地址翻译、协议转换和数据式转换等功能，一般用于广域网之间的连接或广域网与局域网

22、之间的连接。 5.5.4 网络互连设备n路由器和网桥的区别n（1）网桥工作在数据链路层，而路由器工作在网络层。网桥路由物理地址（MAC地址）来确定是否转发数据帧，而路由器根据目的IP地址来确定是否转发该分组。n（2）如果使用网桥去连接两个局域网，那么两个局域网的物理层与数据链路层协议可以是不同的，但数据链路层以上的高层要使用相同的协议。如果使用路由器去连接两个局域网，那么两个局域网的物理层、数据链路层与网络层协议可以是不同的，但网络层以上的高层要使用相同的协议。5.5.4 网络互连设备n（3）网桥工作在数据链路层，由于传统局域网采取的是广播方式，因此容易产生“广播风暴”问题，而路由器可以有效地

23、将多个局域网的广播信量相互隔离开来，使得互连的每一个局域网都是独立的子网。5.5.4 网络互连设备n路由器的主要服务功能n（1）建立并维护路由表n路由表数据库n路由器每个端口对应连接的节点地址，以及其他路由器的地址信息n网络路由状态数据库n网络通信量、网络结构、网络链路状态n（2）提供网络间的分组转发功能HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网通信的路径H1经过 R1 转发再经过 R2 转发H2查找路由表查找路由表HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域

24、网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报从协议栈的层次上看数据的流动路由器的基本工作原理局域网1局域网1主机A路由器1局域网2局域网2路由器2主机BX.25网X.25网IPLLCMAC1物理层TCPIPLLCMAC1物理层X.25-3X.25-2物理层IPLLCMAC2物理层X.25-3X.25-2物理层IPLLCMAC2物理层TCP12

25、3654789121110131415181716IP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataIP头部TCP头部DataLLC头部LLC头部X.25分组头X.25分组头LLC头部LLC头部MAC1头部MAC2头部X.25链路头X.25链路尾MAC1尾部MAC2尾部1，6 ， 7 ，12 ，13，1 81，6 ， 7 ，12 ，13，1 82，52，53，43，48，1 18，1 19，1 09，1 015，1 615，1 614，1 714，1 7路由器1路由器2（a ）（a ）（b ）（b ）（c ）（c ） 路路由由器器互互联联的的层层次次结结构构与与数数据据流流示示意意图图端端口口1端端口口2端端口口1端端口口25.5.4 网络互连设备n3、网关n网关也称为协议转换器，用于高层协议的转换，对运输层到应用层均能支持。n若两互连网络的主机高层中仅运输层协议不同，则可以利用网关的功能在运输层间做协议转换，内容包