第5章网络互联设备和多层交换

电子工业出版社计算机网络基础李志球编著1第5章网络互联设备和多层交换本章要点：◆了解网络互联的基本概念及各层网络互联设备◆掌握中继器和集线器的性能、作用和分类◆掌握网桥和交换机的特点、工作原理和性能参数◆掌握路由器的结构、分类和工作原理◆初步了解路由选择、路由表和等基本概念◆掌握网关的分类和作用◆掌握三层交换和多层交换的概念电子工业出版社计算机网络基础李志球编著2第5章网络互联设备和多层交换目录5.1网络互联概述5.2物理层互联设备－中继器5.3数据链路层互联设备－网桥5.4网络层互联设备－路由器5.5高层互联设备－网关5.6三层交换和高层交换电子工业出版社计算机网络基础李志球编著3网络互连：将分布在不同地理位置的网络，通过一定的方法，用一种或多种通信处理设备相互连接起来，以构成更大规模的网络系统。5.1网络互联概述“互连”和“互联”两个术语的区别：互连（Internet-connection）：指仅是物理上连接在一起，实现网络距离上的延伸。例如使用中继器连接扩大网络距离（连接的是同构网）。互联（Internet-working）：指不仅在物理上连接在一起，而且在逻辑上也连接在一起。包括协议组的转换、数据包的封装等。互联的网络可以是同构的，也可以是异构的。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著45.1网络互联概述计算机网络有LAN、WAN、MAN，网络互联主要是这几种网络之间的互联：网络互联类型(1)局域网之间的互联（LAN-LAN）即近距离的网络互连。l同构网的互联l异构网的互联(2)局域网与城域网的互联（LAN-MAN）(3)局域网与广域网的互联（LAN-WAN）(4)多个远程局域网利用公用网互联（LAN-WAN-LAN）(5)广域网与广域网的互联（WAN-WAN）电子工业出版社计算机网络基础李志球编著55.1网络互联概述网络互联类型网络互联层次OSI/RM共有7个层次，不同功能层次的网络互联时，所选择网络互联设备也不同。它们和OSI/RM的对应关系如图所示。l网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来。l网络之间互联主要有中继器和网桥（用于局域网）。网际之间互联主要有路由器和网关（用于广域网）。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著65.2物理层互联设备－中继器5.2.1中继器(Repeater)物理层互联设备只作用于物理层，主要的设备就是中继器。中继器也称转发器或收发器，Hub也是一种中继器。物理层互联设备可以将传送过来的二进制位信号进行复制、整形、再生和转发。主要用于局域网传输距离的延伸，增加节点数，以及连接采用不同传输介质和接口的同构网（如以太网）。中继器的功能仅仅是将信号整形、再生数字信号，以维持通过局域网的电平，扩大局域网的传输距离。中继器是一个再生器而不是一个放大器，一个中继器可以连接两个以上的网络段，通常用于局域网之间的互联。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著7局域网对中继器的使用有一定限制，这就是在4.2节中介绍的5-4-3-2-1中继规则。利用中继器连接的网络虽然在物理上可以是两个以上的网络，但在逻辑上是将它们合并为一个网络，属于同一个冲突域。由于受冲突直径的限制，构建时一定要遵守中继规则。如果需要连接的网络希望是各自独立，则需要选用后面介绍的互联设备。5.2物理层互联设备－中继器电子工业出版社计算机网络基础李志球编著85.2物理层互联设备－中继器集线器（Hub）是一种基于星型结构的共享式网络设备，作用和中继器类似，执行相同的功能，遵循相同的中继规则。Hub是一种多端口的中继器，每个端口都具有发送与接收数据的能力。当某个端口收到连接该端口上的主机发来的数据时，就转发至其它端口。在数据转发之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。用Hub连接以太网时，虽然物理上是星型结构，但逻辑上仍是一个总线型结构。5.2.2集线器电子工业出版社计算机网络基础李志球编著93.广播风暴l所谓广播风暴是一种在网上广播的消息导致大量响应、每个响应又导致大量响应的状态，网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的通信无法正常进行。1.集线器的分类(1)按传输速率可以分为：10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10/100Mbps(2)按照集线器的结构方式分为:l独立型集线器l堆叠式集线器l模块化集线器2.集线器的特点：P1125.2物理层互联设备－中继器电子工业出版社计算机网络基础李志球编著105.3数据链路层互联设备－网桥5.3.1网桥网桥作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。它既可以延伸局域网的距离，扩充节点数，还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络，缩小冲突域。◆网桥的作用网桥（Bridge）可以根据物理地址对数据帧进行过滤和存储转发，实现网络分段。当一个数据帧通过网桥时，网桥检查数据帧的源和目的物理地址，如果这两个地址属于不同的网段，则网桥将该数据帧转发到另一个网段，否则不转发。所以，网桥能起到隔离网段的作用，网络的隔离意味着缩小了冲突域，提高了网络的有效带宽。网桥连接如图所示。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著11◆网桥的作用有两个方面：将一个负载过重的网络分割成若干小段，每个网段各自享用自己独立的带宽，以提高网络的效率，从而减少网络的信息流量。延伸网络的距离，因为使用中继器受网络直径和中继规则的限制，通过网桥可进一步延伸网络的距离。5.3数据链路层互联设备－网桥◆网桥的分类:l按网桥所处的位置可分为内桥和外桥两种。l按网桥分布的地理范围可分为本地网桥和远程网桥。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著12内桥:可以由服务器担任,它通过在服务器内部插入2个以上的网卡,加上相应的软件就可以作为网桥来使用了.一个服务器中最多可以插入4个网卡来连接4个网段.外桥:通常是专用的硬件设备.本地网桥:用于连接相邻的局域网段.远程网桥:需要成对使用,在每个网段的一侧安装远程网桥,并通过介质进行连接.5.3数据链路层互联设备－网桥电子工业出版社计算机网络基础李志球编著135.3数据链路层互联设备－网桥◆网桥的学习功能：网桥接收到一个数据帧时，它检查数据帧的源地址（物理地址），并将该地址与网桥中的路径表中各项进行对比，如果在路径中没找到，则将新的源地址加入路径表中，这就是网桥对网络地址的学习功能。这种能力可以使那些经常移动计算机、更换办公室情况发生时，不需要手工改动路径表中的数据，能够根据学习到的地址自动重新配置网桥。因此，通常网桥中都配备具有学习算法的软件。◆网桥的特点：延伸网络的距离、隔离网段，可以互联传输介质不同、介质访问控制方式不同的网络。但不能互联网络层以上的协议不同的网络，也不能隔离广播、不能控制广播风暴、网桥没有路由功能。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著145.3数据链路层互联设备－网桥交换机和集线器外观相似，它是一种低价位高性能的多端口网络设备，它除了具有集线器的全部特性外，还具有自动寻址、数据交换等功能。交换技术可以工作在网络层及应用层。因此有所谓的第三层、第四层及高层交换的概念。这里只讨论工作在第二层的交换机（Switch）。5.3.2交换机1.交换机的工作原理交换机也按存储转发的原理工作，具有数据帧的过滤和地址学习功能。地址学习功能是：首先检查端口传送来的数据帧物理地址，与交换机内部的动态路径表进行比较，若不在路径表中，则加入路径表中，若在路径表中，则将数据帧转发到对应的目标端口，而且只向目标端口转发数据帧。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著153.交换机的性能参数端口、业务接口、主板（背板）、主处理器、FLASH、MAC地址的数量。4.交换机的类型独立式、模块式和堆叠式三种2.交换机的带宽即交换机的最大传输速率。共享式集线器多个端口共享一个带宽．由一个16口100Mbps交换机组成的交换式以太网，可以为每个端口都提供100Mbps的专用带宽，则该交换机的最大数据流通量为16×100Mbps。5.3数据链路层互联设备－网桥电子工业出版社计算机网络基础李志球编著165.4网络层互联设备－路由器5.4.1路由器的基本概念网桥根据第二层地址（MAC地址）转发数据帧。而路由器转发数据包时，通过第三层地址（如IP地址），以决定一个数据包如何重新包装及送到哪里。当它接收到数据包时，负责寻址，选择转发到下一个节点的最佳路径。它是Internet、Intranet和Extranet中必不可少的设备之一。◆路由器路由器（router）用于互联物理层和数据链路层相同或不同的协议、网络层使用路由协议、而传输层以上使用的协议必须是相同或兼容的网络。路由器丢弃所有的广播帧，所以可以抑制广播风暴。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著17◆路由表静态（static）路由表：事先设置固定不变的路径表。动态（dynamic）路由表：根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。5.4网络层互联设备－路由器电子工业出版社计算机网络基础李志球编著185.4网络层互联设备－路由器◆最小费用路由最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。l路径最短可以用跳步数计数，每经过一个路由为一跳，而不管这条路径的实际长度为多少，都被认为是等长的。l另一种方法是将一个权值赋予某条链路，权值也称为链路的符号长度。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著195.4网络层互联设备－路由器路由器改进了网桥的功能，它将数据帧“封装”到含有路由和传送信息的数据包中，在公共数据网中传送。当路由器收到一个数据包后，读出其中的源和目标网络地址，然后根据路由表中的信息，利用复杂的路由算法，为数据包选择合适的路由并转发该数据包。数据包到达目标节点前的路由器后，分解为数据链路层所认识的数据帧，并把它传送到目标节点。5.4.2路由器的工作原理电子工业出版社计算机网络基础李志球编著205.4.3路由器的结构、分类和作用1.路由器的结构主要有CPU、RAM、FLASH、NVRAM、ROM、接口等硬件组成。2.路由器的分类(了解)近程路由器和远程路由器静态路由器和动态路由器单协议路由器和多协议路由器3.路由器的作用延伸网络距离、局域网接入Internet、多个局域网之间的远程连接。5.4网络层互联设备－路由器电子工业出版社计算机网络基础李志球编著215.5高层互联设备－网关传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连.高层互联设备主要是网关（Gateway）.网关不能完全归为一种网络硬件，它是能够连接不同网络的软硬件结合的产品。网关可以工作在OSI/RM的所有七层中。网关也称为网间协议转换器，具有高层协议的转换功能。它用于两个异构网络的互联，所联的网络可以使用不同的格式、通信协议或结构。网关通常是安装在路由器内部的软件。所以，在Internet中，通常将路由器和网关两个概念混用。也可以把安装了防火墙软件的计算机称为网关。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著22◆按网关的应用类型分类电子邮件网关局域网协议转换网关Internet网关支付网关IBM主机网关公用网关接口CGIVOIP(VoiceoverIP)语音网关安全网关综合网关◆按可转换的协议数分类：双边协议网关和多边协议网关5.5高层互联设备－网关电子工业出版社计算机网络基础李志球编著235.6三层交换和高层交换5.6.1三层交换的概念交换技术受电路交换的启示，让正在通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。交换技术有许多优点，因此，现代网络已将交换技术应用于第三、四等各层。1.二层交换的优点及三层的瓶颈问题交换机可以通过检查帧头的目标地址，经过高速背板总线将数据帧只转发到连接目标站点的端口。第二层采用了交换技术提高了吞吐率，但是在网络的高层出现了瓶颈。大型扁平式的交换网络会有广播风暴、扩展树环路、网络间的安全以及低效率的寻址等问题，因此引入了路由器到桥接式网络中。电子工业出版社计算机网络基础李志球编著242.三层交换机交换机和路由器相比，转发能力更强。但路由器又拥有交换机所没有的路由功能。因此，各