第2章 网络设备与网络拓扑结构

第2章网络设备与网络拓扑结构本章重点本章讨论局域网环境中使用的通用硬件组成。常见网络包括路由器、交换机、集线器、网络接口卡、中继器、网桥，其中交换机是现代局域网中最普遍的设备。2.1.网络设备1．路由器路由器工作在OSI模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。路由器不转发广播消息，而把广播消息限制在各自的网络内部。发送到其他网络的数据先被送到路由器，再由路由器转发出去。2.路由器的IP转发功能（1)当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。否则，主机就把IP分组送给一个称为“缺省网关（defaultgateway）”的路由器上。(2)路由器转发IP分组时，只根据IP分组目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP分组送出去。3.路由器完成的内容路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。（1）寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站（nexthop）的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议（routingprotocol），例如路由信息协议（RIP）、开放式最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP）等。（2）转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点（路由器或主机），如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议（routedprotocol）。2.交换机交换机的英文名称之为“Switch”，它是集线器的升级换代产品，从外观上来看的话，它与集线器基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方形盒状体。是一种工作在OSI第二层(数据链路层，参见“广域网”定义)上的、基于MAC(网卡的介质访问控制地址)识别、能完成封装转发数据包功能的网络设备。1.局域网内的交换机局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口，如100M以太网端口、FDDI端口或155MATM端口，从而保证整个网络的传输性能。2.交换机的改进性能与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能：（1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。（2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现像。（3）虚拟网（VirtuaILAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性。我们将在后面专门介绍虚拟网（5）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。3.堆叠和级联堆叠(Stack)和级联(Uplink)是多台交换机或集线器连接在一起的两种方式。它们的主要目的是增加端口密度。（1）级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，集线器之间，或交换机与集线器之间完成。级联只需单做一根双绞线，（2）堆叠只有在自己厂家的设备之间，且此设备必须具有堆叠功能才可实现。堆叠需要专用的堆叠模块和堆叠线缆。堆叠和级联的区别和联系首先，多台交换机堆叠在一起，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。其次，多个设备级联会产生级联瓶颈。最后，级联还有一个堆叠达不到的目的，是增加连接距离。三、网桥1、什么是网桥网桥（Bridge）是一种在数据链路层实现局域网互联的存储转发设备。网桥工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。它可以有效地联接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段2、网桥的优点使用网桥进行互连克服了物理限制，这意味着构成LAN的数据站总数和网段数很容易扩充。网桥纳入存储和转发功能可使其适应于连接使用不同MAC协议的两个LAN。因而构成一个不同LAN混连在一起的混合网络环境。网桥的中继功能仅仅依赖于MAC帧的地址，因而对高层协议完全透明；网桥将一个较大的LAN分成段，有利于改善可靠性、可用性和安全性。3、网桥的主要缺点是：由于网桥在执行转发前先接收帧并进行缓冲，与中继器相比会引入更多处理时延；由于网桥不提供流控功能，因此在流量较大时有可能使其过载，从而造成帧的丢失。4、网桥的种类网桥有透明网桥、转换网桥、封装网桥、源路由选择网桥等4种类型（1）透明网桥所谓“透明网桥”是指，它对任何数据站都完全透明，用户感觉不到它的存在，也无法对网桥寻址。所有的路由判决全部由网桥自己确定。当网桥连入网络时，它能自动初始化并对自身进行配置。（2）转换网桥转换网桥是透明网桥的一种特殊形式。它在物理层和数据链路层使用不同协议的LAN提供网络连接服务。下图示出了连接令牌环网和Ethernet的转换网桥。（3）封装网桥封装网桥通常用于连接FDDI骨干网。下图示出了这种连接结构，封装网桥用来将4个Ethernet连到FDDI骨干网上。（4）源路由选择网桥源路由选择网桥主要用于互连令牌环网，但在理论上可用于连接任何类型的LAN。下图是使用路由选择网桥互连5个令牌环网的结构。2.1网络设备四、集线器1、什么是集线器集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD（一种检测协议）访问方式。2、工作方式集线器发送数据没有针对性，而是采用广播方式发送。即不知直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。广播方式的缺点用户数据包向所有节点发送，很可能带来数据通信的不安全因素可能造成网络塞车现象。3、集线器的特点所有设备在同一广播域所有设备共享相同的带宽所有设备在同一冲突域4、集线器的类型按照总线带宽的不同，集线器分为10Mb/s、100Mb/s和10Mb/s/100Mb/s自适应三种；按照工作方式的不同，集线器分为智能型和非智能型两种。5.10M集线器10M集线器作为一种特殊的多端口中继器，它在连网中继扩展中要遵循5-4-3规则，即：一个网段最多只能分5个子网段；一个网段最多只能有4个中继器；一个网段最多只能有三个子网段含有PC5-4-3-2-1规则级联级联是一种集线器端口扩展方式，它是指使用集线器普通的或特定的端口来进行集线器间的连接的。所谓普通端口就是通过集线器的某一个常用端口（如RJ-45端口）进行连接，而所谓特殊端口就是集线器为级联专门设计的一种“级联端口“，一般都标有”UPLink“字样。因为有两种级联方式，所以事实上所有的集线器都能够进行级联，至少可以通过普通端口进行。5.中继器中继器用于同种局域网络互联，是在物理层次上实现互联的网络互联设备，用于扩展网段的距离。中继器的特点：（1）中继器可以重发信号，这样可以扩展网段的距离；（2）中继器主要用在同种LAN互连中；（3）中继器工作在网络体系结构模型的物理层；（4）由中继器连接起来的各网段必须采用同样的信道访问协议，例如CSMA/CD协议；（5）由中继器连接起来的网段构成一个更大的网段，并且有着相同的网络地址，属于一个冲突域；（6）网段上的每一个节点都有自己的地址。在扩充网段上的节点地址不能与原网段上的节点地址相同，因为它们都是同一网段上的节点。中继器连接网络如2-6所示Repeater6.网络接口卡7.交换机和路由器的区别根据中继系统所在的层次可分为五种中继系统：物理层（即常说的第一层、层Ｌ1）中继系统，即转发器（repeater）。数据链路层（即第二层，层Ｌ2），即网桥或桥接器（bridge）。网络层（第三层，层Ｌ3）中继系统，即路由器（router）。网桥和路由器的混合物桥路器（brouter）兼有网桥和路由器的功能。在网络层以上的中继系统，即网关（gateway）。“交换”是一个涵义广泛的词语，当它被用来描述数据网络第二层的设备时，实际指的是一个桥接设备；而当它被用来描述数据网络第三层的设备时，又指的是一个路由设备。路由器是OSI协议模型的网络层中的分组交换设备路由器的基本功能是：（1）IP数据报的转发，包括数据报的寻径和传送；（2）子网隔离，抑制广播风暴；（3）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。（4）IP数据报的差错处理及简单的拥塞控制；（5）实现对ＩＰ数据报的过滤和记帐。（6）对于不同地规模的网络，路由器的作用的侧重点有所不同。8．第三层交换机和路由器的区别作为网络互连的设备，第三层交换机具有以下特征：（1）转发基于第三层地址的业务流；（2）完全交换功能；（3）可以完成特殊服务，如报文过滤或认证；（4）执行或不执行路由处理。第三层交换机与传统路由器相比有如下优点：(1)子网间传输带宽可任意分配(2)合理配置信息资源(4)交换机之间连接灵活：(3)降低成本：9．第四层交换2.2网络拓扑结构网络拓扑包括物理拓扑和逻辑拓扑。物理拓扑是指物理结构上各种设备和传输介质的布局。物理拓扑通常有总线型、星型、环型、树型等几种。逻辑拓扑定义了发送数据的主机访问传输介质的方式。1．总线型网络拓扑结构总线型拓扑是一种比较简单的结构，采用的是一根中央主电缆，称为公共总线的传输介质，各结点直接与总线相连接，信息沿总线介质逐个结点地广播传送。这种结构非常简单，所需要的电缆也很少。总线型网络的缺点和优点2．星型网络拓扑结构星型网络结构是以中央结点为中心与各个结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点到点的方式连接。中央结点可直接与从结点通信，而从结点之间必须经过中央结点才能通信。通常中央结点由一种称为集线器(HUB)的设备充当，因此，网上的计算机之间都是通过集线器来相互通信的。环型网络拓扑结构指的是在网络中的各结点通过环路接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，环路上的任何结点均可以请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。3.环型网络拓扑树型网络拓扑结构是总线型网络的扩展，它是在总线型网络上加分支形成的，该结构与DOS中的目录树结构相似，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。4.树型网络拓扑