网络互连设备

第3章网络互连设备本章学习要点：了解网络互连的基本概念掌握网络互连设备的类型、层次与原理掌握各层设备的作用、特点与应用掌握Internet硬件接入设备的可选类型熟练掌握集线器与交换机的区别与使用了解OSI模型与网间互连设备的关系第3章网络互连设备3.1网络互连概述所谓的网络互连（联）就是指不同网段、网络或子网之间通过网络的连接或互连设备（中继器、网桥、路由器或网关等）实现各个网络段或子网间的互相连接，其目的在于实现各个网段或子网之间的数据传输、通信、交互与资源共享。3.1网络互连概述3.1.1网络互连的类型1.什么是网络的连接或互连？（1）网络的延伸每种局域网的最大距离都有限制，如10BASET中的100m。如果实际网络的需要超过这个距离，就需要通过各种网络连接设备来延伸网络。3.1网络互连概述（2）网络的分段所谓的网络分段就是将一个大的网络系统分解成几个小的局域网（即子网），然后再通过互连设备（交换机、网桥或路由器）将各个子网连接成一个整体网络。网络分段的优点：提高可靠性。分散了负荷。提高了安全性。3.1网络互连概述2.互连网络的类型(1)网络互连的应用类型①局域网之间的互连（LAN-LAN）②局域网与广域网的互连（LAN-WAN）③局域网通过广域网与Internet之间的互连（LAN-WAN-Internet）④多个远程局域网之间互连为广域网（LAN-WAN-LAN）3.1网络互连概述（2）互连局域网的类型1）同构网（homogeneousnet）2）异构网（heterogeneousnet）（3）互连网络必须要解决的问题如何在物理上把两种不同的网络连接起来。如何实现一种网络与另一种网络的互访与通信。如何解决两种不同网络之间在协议方面的差异。如何处理两种网络之间在传输速率方面的差别。3.1网络互连概述3.1.2网络互连的层次1.网间互连中的重要概念（1）网络的互连（Interconnection）网络的“互连接”简称“互连”，是指在物理网络之间必须存在一条以上的物理连接线路。3.1网络互连概述（2）网络的互通（Intercommunication）网络的“互通信”，简称为互通，是指在网络的互连接的基础上，网络之间可以进行数据交换的手段。3.1网络互连概述（3）网络的互操作（Interoperability）网络的互操作是指网络中计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力，而这种能力是建立在互连和互通基础之上，通过高层软件实现的。说明：只有解决好网络之间的互连、互通和互操作3个层次上的问题，才能真正实现网络的“互联”。3.1网络互连概述2.网间互连设备的层次（1）网间互连设备可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进行处理。（2）网间互连设备的层次各种层次的特点及设备如下：3.1网络互连概述①物理层的设备这层的互接设备主要有中继器和集线器。②数据链路层的设备这层的代表设备是网桥和传统交换机，它们都具有数据的存储、接收、根据物理地址进行过滤和有目的的转发数据帧的能力。3.1网络互连概述③网络层互联的设备这层的代表设备是路由器，这层设备具有路径选择、拥塞控制和控制广播信息的能力。④高层互联的设备实现高层网络互连的设备是网关。3.2物理层的互连设备3.2.1中继器中继器（Repeater）又称转发器或收发器，它工作在OSI模型的第一层，即物理层。1.中继器的功能中继器又称“转发器”，中继器放大、整形、并且重新产生电缆上的数字信号，并按原来的方向重新发送该再生信号，参见图3-1。中继器变弱的信号再生的信号图3-1用中继器再生信号图3-2光纤收发器3.2物理层的互连设备由此可见，第一，中继器具有接收、放大、整形和转发网络信息的作用；第二，使用带有不同接口的中继器，可以连接两个使用不同的传输介质、不同类型的以太网段。3.2物理层的互连设备2.中继器的使用规则（中继规则）图3-3形象地说明了5-4-3规则，即在以太网中最多允许有5个网段、使用4个中继器，而只有其中的3个是可以连接客户计算机（终端）的网段。图3-310Mb/s以太网的5-4-3规则文件服务器工作站网段1中继器工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站网段5网段4网段3网段23.2物理层的互连设备3.中继器的应用特点（1）中继器的主要优点中继器安装简单、可以轻易地扩展网络的长度、使用方便、价格相对低廉。另外，中继器工作在物理层，因此它要求所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容协议3.2物理层的互连设备（2）中继器的主要缺点①中继器用于局域网之间有条件的连接。②中继器不能提供所连接网段之间的隔离功能。③中继器不能控制广播风暴。④使用中继器扩展网段和网络距离时，其数目有所限制。3.2物理层的互连设备4.使用选择中继器时的注意事项①网段的接口。②网段扩展的极限距离。③应当注意所连接的各个网段的高层（2～7层）协议应当相兼容。3.2物理层的互连设备3.2.2以太网集线器集线器（Hub）主要指共享式集线器，它工作在OSI模型的第一层，即物理层。3.2物理层的互连设备1.集线器的分类（1）独立型共享式集线器独立型集线器的外形如图3-4所示。适合小型独立的工作小组、部门或者办公室使用。图3-4以太网的独立型集线器3.2物理层的互连设备（2）堆叠式集线器如图3-5所示的堆叠式集线器采用了集线器背板来支持多个中继网段。这种集线器的实质是具有多个接口卡槽位的机箱系统。它可以当作一个设备来进行管理，适用的场合与模块化集线器类似。（3）模块化集线器模块化集线器上，配有机架或卡箱，带多个卡槽；每个槽内可以安装一块通信卡。每个卡的作用就相当于一个独立型集线器。图3-5堆叠式集线器3.2物理层的互连设备2.集线器的应用特点（1）优点集线器可扩充网络的规模，即延伸网络的距离和增加网络的节点数目。集线器安装极为简单，几乎不需要配置。集线器可以连接多个物理层不同，但高层（2～7层）协议相同或兼容的网络。3.2物理层的互连设备（2）缺点集线器限制了介质的极限距离。集线器没有数据过滤的功能。集线器使用数量的限制。集线器互连网络中的多个节点共享网络集线器的带宽。集线器不能控制广播风暴。3.2物理层的互连设备3.集线器使用时应注意的因素①中继规则：低速以太网的5-4-3规则。②集线器互联网络的条件③网络接口④传输速率⑤共享带宽3.3数据链路层的互连设备网络中数据链路层的互连设备主要指基于网络物理地址进行过滤和网络分段，以及跨网段数据转发的互连设备。常见的数据链路层的互连设备有网桥和传统（即第二层）交换机。3.3数据链路层的互连设备3.3.1网桥1.网桥的定义和应用条件网桥（bridge）一般是指用来连接两个或多个在数据链路层以上具有相同或兼容协议的网络互连设备。它工作在OSI模型的第二层，在IEEE802模型中，它工作在介质访问控制（MAC）子层。使用网桥互联多个网络时，互联网络的物理层、数据链路层可以使用相同或不同的协议，但高层（即OSI模型的第3～7层）的协议应当相同或相兼容。3.3数据链路层的互连设备2.网桥的理论功能(1）接收与学习功能(2）过滤和转发功能图3-6连接两个本地局域网的网桥文件服务器1打印服务器工作站B计算机B计算机C计算机B计算机B计算机C数据链路层的互连设备3.网桥的实际作用与设计要点（1）网络分段（2）延伸网络的距离（3）网桥互联网络的条件（4）网桥的设计要点3.3数据链路层的互连设备4.网桥的分类（1）按网桥硬件所处的位置分类网桥按照其硬件所处的位置可以分为内部网桥和外部网桥两种。在服务器内部安装、使用两块网卡加上相应的软件就可以组成内部网桥；而外部网桥一般为专用的硬件设备。3.3数据链路层的互连设备（2）按网桥分布的地理范围分类网桥按照分布的地理范围，可以分为近程网桥和远程网桥图3-7连接两个远程局域网的网桥服务器远程网桥工作站电话线工作站工作站工作站远程网桥服务器3.3数据链路层的互连设备5.网桥的应用特点（1）优点网桥通过对不需要传递的数据进行过滤来实现基于物理地址的网络间的通信分段。网桥可以连接使用不同传输介质、不同介质访问控制方式。由于网桥的过滤性能，隔离了不需要传播的信息。3.3数据链路层的互连设备（2）缺点互联的多个网络要求在“数据链路层”以上的各层（第3～7层）采用相同或相兼容的协议。降低网络性能。对于避免广播风暴，网桥无能为力。一般来说价格比中继器贵。网桥不能对网络进行分析，以实现传输数据时的最佳路由。拥有网桥的网络通常不能使用备用通道。3.3数据链路层的互连设备3.3.2以太网交换机交换机和交换式集线器均被称为交换机。目前，为了解决或减轻局域网中的信息瓶颈问题，交换机正在迅速代替共享式集线器，并成为组建和升级以太局域网的首选设备。3.3数据链路层的互连设备1.以太网交换机与集线器的异同（1）不同之处①在OSI模型中所处的位置不同②工作原理不同③网络工作方式和冲突域不同④节点享有的带宽不同⑤端口通信模式不同⑥逻辑拓扑结构不同：3.3数据链路层的互连设备（2）相同之处连线方式、物理拓扑结构、故障指示、组网功能，以及网卡、传输介质和速度选择等。它和集线器一样不能控制广播风暴。3.3数据链路层的互连设备2.有关交换机的基本概念（1）交换机端口参数和类型①单/多MAC地址：②端口密度：③高速端口：④管理端口：⑤其他端口：3.3数据链路层的互连设备（2）背板带宽（3）MAC地址与支持MAC地址的数量①MAC地址的作用：它用于控制对网络的访问，通过它可以实现计算机间的网络连接。②MAC地址的组成：由12位16进制数（0−F）组成；使用48个二进制位来表示，其中的前24位标识网卡的生产厂商，后24位是网卡的序列号。③MAC地址的数量：几个（1～4）、几十个、几百个或几千个。3.3数据链路层的互连设备交换机与集线器类型类似，其类型主要有独立式、模块式和堆叠式交换机，可参见图图3-8和图3-9。堆叠与级联不同，堆叠相当于并联电路，级联相当于串联电路，并联的效率比串联的效率要高得多。图3-8千兆以太网的模块化交换机图3-9堆叠式交换机3.3数据链路层的互连设备3.选择交换机的要点（1）按“应用规模”选择①对于支持500个信息点以上大型企业来说，应当选择“企业级交换机”或“骨干交换机”。②对于支持300～500个信息点的大中型企业，可以选择“部门级交换机”。③对于支持100～300个信息点的中小型单位，可以选择“工作组级交换机”。④对于支持10～100个信息点的小型单位，选择“工作组级交换机”或“桌面交换机”。3.3数据链路层的互连设备（2）从“技术角度”进行选择①从以太网交换机的工作方式类型进行选择。②端口的传输模式。③提供网管功能。④提供虚拟局域网（VLAN）的管理功能。⑤提供多模块和多类型端口的支持。3.3数据链路层的互连设备（3）支持的MAC地址数量选择时应根据实际网络的需要来选择交换机支持的MAC地址数量。4.局域网交换机的主要指标在选择交换机时，常见的描述交换机容量性能的指标有：交换容量(Gb/s)、背板带宽(Gb/s)、处理能力(Mb/s)、吞吐量(Mb/s)、MAC地址数目和端口的半双工/全双工的支持等。3.4网络层的互连设备1.路由器的基本概念（1）路由器的基本概念用来连接两个以上复杂网络的、具有路由选择的，网络层使用可路由协议的工作在OSI参考模型第三层的网络互联设备。3.4网络层的互连设备（2）路由表常见的路由表有以下两类。①静态（static）路径表②动态（dynamic）路径表3.4网络层的互连设备2.路由器的工作原理和基本功能（1）工作原理每当