《网络互联技术》PPT课件.ppt

1、计 算 机 网 络 原 理第五章 网络互联技术,1. 了解网络互联的概念和目的 2. 了解网络互联设备的工作原理 3. 掌握网络互联的方法 4. 掌握网络路由选择的方法,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网络互联主要内容,5.1 网络互联的基本概念 5.2 网络互联的层次 5.3 网络互联设备 5.4 网络互联的方法 5.5 互联网络路由选择,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,为什么需要网络互联,互联网(internet)：两个或多个网络构成互联网。 为什么会存在多种不同的网络(协议)？ 历史原因：不同公司的网络产品大量使用。 价格原因：网络产品价格低使很多人有权决定使用何种网

2、络。 技术原因：不同网络采用不同技术、不同硬件、不同协议。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.1 网络互联的基本概念,网络互联：指将分布在不同地理位置的网络、设备相互连接起来，形成更大规模的网络系统，实现各网络资源的共享。 网络互联应该具备的条件： 在互联的网络之间要有链路； 在不同的网络结点的进程之间要有合适的路由以交换数据 应有网络记帐服务，以记录网络资源 提供各种互联服务，应尽量不改变互联网络的结构,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.1 网络互联的基本概念,网络互联的形式,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.2 网络互联的层次(1）,网络互联解决的问题：

3、实现协议转换 网络互联的实质：按层次结构找到一个实现互联的层次，在这一层上进行互联。 网络互联实现层选择原则：如果两个网络的第一层、第二层，直至第(N-1)层都采用了不同的协议，具有不同的功能，但它们的第N层及其以上各层所采用的协议是相同的，具有完全相同的功能，或者可以转换成具有相同的功能，那么第N层就是所选择的互联实现层。在这一层上的互联称为第N层互联。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.2 网络互联的层次(2),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.2 网络互联的层次(3),物理层互联：在物理层使用中继器在不同的缆段之间复制、放大和再生位信号。扩展局域网段的长度，实现两

4、个相同的局域网段的电气连接。 数据链路层互联：在数据链路层使用网桥互联两个或两个以上的网络。 网络层互联：在网络层使用路由器进行互联，在不同的网络之间存储并转发分组，根据信息包的地址将信息转发到目的地。 高层互联：在传输层及其以上各层协议不同的网络之间的互联属高层互联。高层可使用网关进行互联，网关具有对不兼容的高层协议进行转换的功能。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,物理层设备 网卡(NIC Card) 安装在计算机主板上的电路板插板。网卡的作用是将计算机与通信设施连接起来，将计算机中的数字信号转换成通信线路上能够传送的电子信号或者电磁信号。 调制解调器 (Modem) 是一种信号转

5、换装置。完成数字信号和模拟信号之间的转换。 中继器(Repeater) 是一种比较简单的单向传送设备。它能够接收一条链路上的数据，并以同样的速度串形地将该数据传送到另一条链路上，而且，所有的链路都按一个方向传输数据。 对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。 集线器 (Hub) 是局域网中的连接设备，具有多个端口，可连接多台计算机。在局域网中常常将分散的计算机连接起来，形成星型拓扑结构的局域网。,5.3 用于互连的网络设备(1),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 用于互连的网络设备(2),数据链路层设备 网桥 (Bridge) 是局域网中的连接设备。网桥将一个大的局域网分成不

6、同的网段，以扩展网络距离，减轻网络负担。 网络层设备 多协议路由器(Multiprotocol Router) 广域网中的连接设备，将多个网络连接起来，形成一个更大的网络。其主要的功能是路由和转发分组。必要时，做网络层协议转换。 交换机 (Switch) 有些交换机工作在数据链路层，例如帧中继交换机、ATM交换机等，(有些交换机工作在网络层)，为源和目的地址之间建立连接。交换机一般都工作在虚电路模式，在数据链路建立之后，直接将数据转发出去，不需要再进行路径选择，延迟小。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 用于互连的网络设备(3),传输层设备 传输网关(Ttransport Ga

7、teway) 在传输层转发字节流。 应用层设备 应用网关(Application Gateway) 在应用层实现互联,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(4),网络互联设备主要有：中继器、网桥、路由器和网关 1. 中继器有两种类型：中继器和集线器 (1) 中继器 中继器也称转发器，用于同种类型的网络互联,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(5),(2) 集线器 集线器（HUB）是一种特殊的中继器，它可以转接多 段电缆，把多个网段连接起来。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(6),2、网桥 定义：网桥（brid

8、ge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。 为什么使用桥？ 学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的LAN，为了进行交互，需要使用桥来实现互连； 一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内，在每个建筑物内组建单独的LAN，并使用桥将这些LAN连接起来，是比较经济的方案； 将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的几个LAN以减轻负担； LAN上的两台机器其距离超过2500米，必须使用网桥将这个 LAN 分隔以保证网络的正常工作；,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(7),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网桥可以隔离负

9、载，防止出故障的站点损害全网； 网桥可以有助于安全保密。 网桥的工作原理 连接k个不同LAN的网桥具有k个MAC子层和k个物理层。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网桥的工作原理,5.3 网络互联设备(8),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,连接 802.X和 802.Y的网桥 互连时需要解决的相同问题 不同LAN帧格式的转换； Fig. 4-36 不同的LAN速率不同，网桥要有缓存能力； 高层协议的计时器设置； 不同的LAN支持的最大帧长度不同，分别为1500，8191，5000。解决办法：丢弃无法转发的帧。 三种不同的LAN互连共有九种组合 Fig. 4-37 动作 格式

10、转换和重新计算校验和 变换位的顺序,5.3 网络互联设备(9),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(10),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,复制优先级 产生一个虚拟的优先级 放弃优先级 把环排空 设置A/C位 解决速率快慢问题 处理帧太长的问题,5.3 网络互联设备(11),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,透明网桥/生成数网桥 工作原理： 网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧； 网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发； 网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用

11、洪泛（flooding）方法转发帧； 在转发过程中采用逆向学习（backward learning）算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表； 网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项；,5.3 网络互联设备(12),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,帧的路由过程 目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧； 目的LAN与源LAN不同，则转发帧； 目的LAN未知，则洪泛帧。 Fig. 4-38 多个网桥（并行网桥）可能产生回路 Fig. 4-39 解决多个网桥产生回路的问题 思想

12、让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构。 Fig. 4-40,5.3 网络互联设备(13),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(14),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(15),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(16),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,构造生成树 每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根； 每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短； 当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树

13、； 生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。,5.3 网络互联设备(17),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,源路由网桥 CSMA/CD和Token Bus选择了透明网桥，Token Ring选择了源路由网桥 源路由网桥的原理 帧的发送者知道目的主机是否在自己的LAN内； 如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的网桥、LAN的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置1； 例：Fig. 4-38中A到D的路由为：（L1，B1，L2，B2，L3） 每个LAN有一个12位的编号，每个网桥有一个四位的编号； 网桥只接收源地址的最高位为1的帧，判定是转发

14、还是丢弃； 源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。,5.3 网络互联设备(18),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,优点 对带宽进行最优的使用。 缺点 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点要知道网络的拓扑结构。,5.3 网络互联设备(19),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,（3）路由器 路由器和网桥的区别： 网桥独立于高层协议，它把几个物理网络连接起来以后提供给用户的仍然使一个逻辑网络，用户根本不知道网桥的存在。 路由器将网络分成逻辑子网络。 路由器是在网络层进行网络互联，它所操作和处理的对象是网间流

15、动的数据分组。,5.3 网络互联设备(20),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网络层互联原理,5.3 网络互联设备(21),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,路由器的基本功能: 协议转换 路由选择 支持多种协议的路由选择 流量控制 分段和组装 网络管理,5.3 网络互联设备(22),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,路由器的分类,5.3 网络互联设备(24),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,路由器的分类,5.3 网络互联设备(25),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,路由器的分类,5.3 网络互联设备(26),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术

16、,网关 网关原理,5.3 网络互联设备(27),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网关协议转换方法,5.3 网络互联设备(28),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网关协议转换方法,5.3 网络互联设备(29),计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联设备(30),半网关当一个网关处于两个不同的机构时，可以将其从中间分开，切分成两个部分，由导线连接，两个半网关之间遵循一个中性协议。 任意一种网关都可以用在任意一层。 实际的网络互联设备总是很混乱。 对于一个纯的网桥而言，它只检查数据链路帧的帧头，而不关心帧中网络层的分组。 对于一个纯的路由器而言，它只需要分析分

17、组的报头，按照所发现的地址尽力传送，根本不关心下层是用什么方法和何种帧结构发送。 市场的很多设备都是将网桥和路由器的功能组合在一起的。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,网关举例,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3网络互联方法分段重组策略,每种网络都对分组的最大长度有限制，因为： 硬件要求。 操作系统，例如所有缓冲区都是512字节。 协议，例如分组长度域的比特数。 与标准的兼容性； 希望减少传输出错的概率。 希望避免一个分组占用信道时间过长。 分段：在互联网中，各个子网具有自己的允许最大分组长度，为适应具有较小分组长度的子网的限制，必须将大分组进一步划小，才能使数据分组顺

18、利通过互联的不同子网。把大分组进一步划小称分段。 发送主机：将报文分组。 路由器：将长的分组分段。 接收主机：将得到的(有/没有)被切割的段重组起来，构成完整的报文。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,分段重组过程对其它网络透明 网关将长的分组分段后，每段都要经过同一出口网关，并在那里重组。例如：ATM网络。 所带来的问题 出口网关需要知道何时所有分组都到齐。 所有分组必须从同一出口网关离开。 长分组经过一系列短分组网络时，需要反复地分段重组，开销大。 分段重组过程对其它网络不透明 中间网关不做重组，而由目的主机做。 所带来的问题 对主机要求高，能够重组。 每个段都要有一个报头，网络开

19、销增大。,5.3网络互联方法分段重组策略,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,分段重组策略,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3 网络互联方法 级联虚电路,级联虚电路(Concatenated Virtual Circuits)的工作过程 建立连接 当目的主机不在本子网内时，则在子网内找一个离目的网络最近的路由器，与之建立一条虚电路；该路由器与外部网关建立虚电路；该网关与下一个子网中的一个路由器建立虚电路。 重复上述操作，直到到达目的主机。 传输数据 相同连接的分组沿同一虚电路按照顺序传输； 网关根据需要转换分组格式和虚电路号。 拆除连接,计 算 机 网 络 原 理 网络互联

20、技术,5.3网络互联方法 无连接网络互联,无连接网络互联(Connectionless Internetworking)的工作过程 无连接网络互联的工作过程与数据报子网的工作过程相似。 每个分组独立路由，不保证分组按顺序到达，提高网络利用率 。其中，连接不同子网的多协议路由器做协议转换，包括分组格式转换和地址转换等。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,级连虚电路与无连接网络互联的比较,级连虚电路 优点 路由器预留缓冲区等资源，保证服务质量。 分组按序号传输。分组的报文头部较短。 缺点 路由器需要大量内存存储虚电路信息。 一旦发生拥塞，没有其它路由，健壮性差。 如果网络中有一个不可靠的数

21、据报子网，级连虚电路很难实现。 无连接网络互联 优点 能够容忍拥塞，并能适应拥塞。 健壮性好。 可用于多种网络互联。 无连接网络互联的缺点 分组的报文头部较长。 不能保证分组按序号到达。 不能保证服务质量。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.3网络互联方法 隧道技术,路由器1剥掉局域网帧头、帧尾，将得到的IP分组封装到广域网帧中(如PPP)，IP地址不变，帧地址 = 路由器2-帧地址； 广域网传输； 路由器2剥掉广域网帧头、帧尾，将得到的IP分组封装到局域网帧中，IP地址不变，帧地址 = 主机2-MAC地址； 局域网传输； 主机2接收。,如果源和目的主机所在网络类型相同，但连接它们的是一个不同类型的网络，可采用隧道技术(Tunneling)。 隧道技术的工作过程 主机1构造一个分组，IP地址 = 主机2-IP，将分组封装到局域网帧中，帧地址 = 路由器1-MAC； 局域网传输；,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.5 互联网络路由选择,互联网路由(Internetwork Routing)的工作过程 互联网络的路由与单独子网的路由过程相似，只是更复杂。,计 算 机 网 络 原 理 网络互联技术,5.5