网络互联与设备

第6章网络互联与设备6.1网络互联的基本概念6.2局域网互联设备和应用6.3路由器与网关6.4网络互联技术6.5扩展读物本章要点本章讲述网络互联的基础知识。主要涉及网络互联的基本概念，局域网互联设备、路由器、网关等基础知识和一般应用，常用的网络互连技术。具体内容概括如下。（1）网络互联的基本概念。主要介绍网络互联基本概念；网络互联的4种主要类型；网络互联的3个层次——数据链路层互联、网络层互联和高层互联。（2）局域网连接设备和应用。主要介绍网络适配器、中继器、集线器、网关和以太网交换机等局域网连接设备的主要工作原理和特点，以及这些设备的基本使用。（3）网络互联设备与应用。主要介绍路由器和网关的特点、主要工作原理、以及基本使用。（4）网络互联技术。主要介绍光纤分布式数据接口（FDDI）、综合业务数字网（ISDN）、公共分组交换数据网（X.25）、数字数据网（DDN）、帧中继（FrameRelay）、ADSL和ATM技术等网络互联采用的技术的基本特征、适用范围和基本用途。学习目标理解网络互联、互通和互操作等基本概念熟悉网络互联类型、层次的区分方法和主要特征了解网络适配器、中继器、集线器和交换机在局域网互联中的作用、特点和工作方式理解以太网交换机中二层交换机和三层交换机的相同和不同之处理解交换机信道的工作特点能区别网桥、路由器和网关等网络互联设备的技术特征、应用环境和工作方式了解光纤分布式数据接口、综合业务数字网、公共分组交换数据网、数字数据网、帧中继、ADSL和ATM技术等基本特点和应用重要术语光纤分布式数据接口（FDDI）：FiberDistributedDataInterface综合业务数字网（ISDN）：IntegratedServicesDigitalNetwork非对称数字用户线路（ADSL）：AsymmetricDigitalSubscriberLine模拟传输：AnalogTransmission互联：Interconnection互通：Intercommunication互操作：Interoperability网关：Gateway应用网关：ApplicationGateway路由器：Router网桥：Bridge透明网桥：TransparentBridge中继器：Repeat集线器：Hub交换机：Switch直通交换：CutThrough存储转发交换：StoreForward无碎片交换：FragmentFree网络适配器（NIC）：NetworkInterfaceCard数字数据网（DDN）：DigitalDataNetwork帧中继（FR）：FrameRelay异步传输模式（ATM）：AsynchronousTransferMode6.1网络互联的基本概念6.1.1网络互联的概述6.1.2网络互联的层次6.1.1网络互联的概述1．网络互联的要点网络互联是指把网络与网络连接起来，在用户之间实现跨网络的通信与操作的技术。在互联网络中，每个网络中的网络资源都应成为互联网中的资源。互联网络资源的共享服务与物理网络结构是分离的。互联网络结构对于网络用户是透明的，且屏蔽了各子网在网络协议、服务类型与网络管理等方面的差异。网络互联的基本要求如下。（1）在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理和链路控制的链路。（2）在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据。（3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。（4）协调各个网络的不同特性。6.1.1网络互联的概述2．网络互联类型计算机网络从传输距离上可以分为局域网、城域网和广域网3类，所以网络互联的类型主要有：局域网（LAN）—局域网（LAN）局域网（LAN）—广域网（WAN）局域网（LAN）—广域网（WAN）—局域网（LAN）广域网（WAN）—广域网（WAN）6.1.1网络互联的概述802.5LAN网关WAN-WAN网关WAN802.3LANX.25WANLAN-WAN网桥LAN-WAN802.3LAN网关LAN-WAN-LAN802.4LAN6.1.2网络互联的层次1．数据链路层互联数据链路层互联的设备是网桥（Bridge）。网桥可用于局域网之间的连接，也能支持局域网的远程连接，它在网络互联中起到了数据接收、地址过滤与数据转发的作用。用网桥实现数据链路层互联时，互联网络的数据链路层与物理层的协议可以相同，也可以不同。2．网络层互联网络层互联主要是解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。网络层互联的设备是路由器（Router）。路由器提供了各种速率的链路或子网接口，参加管理网络。用路由器实现网络层互联时，互联网络的网络层与以下各层的协议可以相同，也可以不同。3．高层互联高层互联的设备是网关（Gateway）。传输层及以上各层协议不同的网络之间的互联属于高层互联。高层互联使用的网关大多是应用层网关，简称应用网关（ApplicationGateway）。用应用网关实现高层互联时，允许两个网络的应用层及以下各层网络协议是不同的。6.2局域网互联设备和应用6.2.1网络适配器6.2.2中继器6.2.3集线器6.2.4网桥6.2.5以太网交换机6.2.1网络适配器网络适配器（NetworkInterfaceCard，NIC）简称网卡，是计算机与传输介质的接口。目前常用的网卡是PCI总线接口网卡（PeripheralComponentInterconnect，外围设备互连）。网卡是工作在OSI模型物理层和数据链路层的接口设备。网卡通常包括RAM、EPROM、DSP芯片（也称数字信号处理器）、主机总线接口和物理链路接口、收发器（用于接收和发送物理层传输的信号）等部件。数据链路控制器EDLC曼彻斯特编码/译码器MCC内部接收器RJ-45BOOTROM主机接口控制ASIC站地址EPROM缓冲区RAM主机系统总线6.2.1网络适配器网卡的存储器（EPROM）中保存了一个全球唯一的网络节点地址，这个地址被称为介质访问控制（MediaAccessControl，MAC），又叫硬件地址或网卡地址，由网卡生产厂商在生产网卡时写入网卡的EPROM芯片中。以太网的介质访问控制方法（CSMA/CD）是在网卡内部实现的。具体步骤如下。（1）在发送数据时，网卡首先侦听传输介质上是否有载波信号，一直到侦听到传输介质内没有载波信号了，则开始传输数据。（2）网卡在数据传输中继续侦听传输介质，如果检测到信号冲突，则立即停止该次的信号发送，并等待一段时间后，再重新发送数据信号。如果数据经过多次重传后仍然发生冲突，就放弃发送。（3）在接收数据时，网卡查看传输介质上的数据信号，如果发现数据帧中的目的地址与本网卡地址相同，并对数据帧进行差错检测。检验正确的数据帧，网卡才会接收。6.2.2中继器中继器是工作在OSI模型物理层的互联设备，实现两个网络之间的电气连接。因此，中继器只能用于连接两个相同的局域网，其作用是把一个局域网中传输的电信号增强后再传送到另一个局域网上。中继器要求网络是同类型的，而且采用相同的协议和速率，且起到了维持通过局域网的信号电平，从而扩展了局域网段的长度。如图所示显示了一个中继器连接两个相同类型的局域网。6.2.3集线器集线器（Hub）一般认为工作在OSI模型的物理层，是将局域网中节点的线缆集中在一起的设备，主要作为网络连接的中心点，通常联网的节点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。使用集线器连接网络的特点是：当网络中某条线路或某个节点出现故障时，不会影响网络上其他节点的正常工作。6.2.4网桥网桥（Bridge）是工作在OSI模型数据链路层的互联设备。数据链路层包括MAC子层及LLC子层，因此网桥也分为MAC子层网桥和LLC子层网桥。MAC网桥只能连接相同的局域网，而LLC网桥能连接不同的局域网。网桥可分为透明网桥（TransparentBridge）和源路由选择网桥。（1）透明网桥可以连接以太网、令牌环网和FDDI网，但主要应用在以太网中。透明网桥的特点是：数据帧在传输时，路径的选择由网桥决定。（2）源路由选择网桥也可以连接以太网、令牌环网和FDDI网，但主要用于连接令牌环网和FDDI网。源路由网桥的特点是：网络中的源节点在发送数据帧时，已知道目标节点的最佳路径。网桥中不存放地址数据表，源节点将到目标节点的最佳路径插入到数据帧的头部。网桥根据帧头中的地址信息转发数据帧。6.2.4网桥1．透明网桥透明网桥有3个主要功能：地址学习、数据帧过滤和转发。在网桥中保存着一个地址数据表，用于存放网桥端口和MAC地址（相连网段中计算机的MAC地址）。该表是自动地、动态地和自主地建立的。即通过自学习的方式，不需要网络管理员与配置协议的干预。自学习和转发过程如下。（1）地址数据表初始为空。（2）当一个数据帧到达网桥的一个端口时，网桥检索地址数据表，如果发现该帧的目的地址不在表中，则网桥将该数据帧复制到所有其他端口（除了进入端口）的缓冲区中，该帧被广播到与该端口相连的网段中。（3）当一个数据帧到达网桥的一个端口时，并且该帧的目的地址在表中，网桥将该帧转发到合适的端口。如果在一段时间后，没有接收到以表中某一个地址作为源地址的数据帧，网桥将表中这个地址删除。6.2.4网桥6.2.4网桥2．源路由选择网桥源路由选择网桥主要用于连接令牌环网和FDDI网。源路由选择网桥可用于将大型的令牌环网和FDDI网分成多个网段，以提高网络的性能。与透明网桥将路由信息放置在网桥中相反，源路由选择网桥将路由信息交给源节点处理。源路由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由信息，网桥对帧实施转发和过滤的依据是帧头部包含的路由信息。6.2.4网桥3．网桥的主要性能（1）网桥可以连接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。（2）网桥接收从两个局域网介质传来的各帧，然后根据帧的目的地址，有选择地把从一个网络来的链路帧重新发送到另一个网络上去，实现通信。（3）网桥互联的网络在数据链路层以上采用相同的协议。（4）网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互联网络的性能与安全性。（5）网桥对更高层次的协议是透明的，即用户看不到它们的存在，这样互联的网络看起来就像一个单一的逻辑网络。用网桥连接局域网时，当网段之间的数据传输量较大时，网桥可能成为网络的数据传输瓶颈，从而降低网段之间的通信速度。6.2.5以太网交换机交换机（Switch）是交换式局域网的核心设备，属于OSI模型中的数据链路层设备，由多端口的网桥发展而来。用交换机互联可以带来下列好处。（1）交换机允许各个网段之间的通信，同时每个网段是独立的广播域。（2）可以互联不同速度和类型的网段，且对网络的大小没有限制。（3）交换机各端口独享交换机的带宽，可实现全双工通信，例如，1台100Mb/s的24口交换机，其每个端口理论上均可同时达到100Mb/s的速率。6.2.5以太网交换机1．交换机性能指标影响交换机性能的指标主要是MPPS和背板带宽。MPPS是MillionPacketPerSecond的缩写，即每秒可转发多少个百万数据包。2．交换机分类以太网交换机有多种分类方法。从外观形态和功能上可分为模块式交换机和固定端口交换机。从应用规模上可分为企业级交换机、部门级交换机、工作组级交换机等。从实用角度上可分为低端固定交换机、低端可变端口交换机、中型交换机和高端交换机等。3．交换机工作方式交换机的工作方式是存储转发，它将某个端口发送的数据帧先存储在该端口的缓冲区，通过解析数据帧，获得目的MAC地址，然后在交换机的MAC地址与端口对应地址表中，检索该目的主机所连接到的交换机端口，找到后就将数据帧从源端口直接复制到目的端口缓冲区中，转发到该网段或主机。6.2.5以太网交换机4．“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护以太交换机是利用“端口号/MAC地址映射表”进行数据交换的，因此该表的建立和维护十分重要。交换机利用“地址学习”方法来动态建立和维护地址表。5．交换机的交换方式（1）直接交换交换机的直接交换（CutThrough）方式是指交换机