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第4章网络互连技术4.1网络互连的基本概念4.2网络互连的类型与层次4.3典型网络互连设备的工作原理4.4本章总结4.1网络互连的基本概念4.1.1网络互连的定义网络互连（internetworking）是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互联网络系统，实现互联网络中的资源共享。互连的网络和设备可以是同种类型的网络、不同类型的网络，以及运行不同网络协议的设备与系统。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。互联网络结构对用户是透明的。互联网络应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型与网络管理等方面的差异。4.2网络互连的类型与层次4.2.1网络互连的类型网络互连类型主要有以下几种：局域网-局域网互连、局域网-广域网互连、局域网-广域网-局域网互连、广域网-广域网互连。1.局域网-局域网互连局域网-局域网互连是最常见的一种。局域网-局域网互连进一步可以分为以下两种：(1)同种局域网互连同种局域网互连是指相同协议的局域网之间的互连。例如，两个以太网之间的互连，或者是两个令牌环网之间的互连。同种局域网之间使用网桥互连。(2)异型局域网互连异型局域网互连是指不同协议的局域网之间的互连。例如，一个以太网与一个令牌环网之间的互连，或者是以太网与ATM网络之间的互连。异型局域网之间的互连必须使用支持多协议的网桥。ATM网络与传统共享介质局域网在协议与实现技术上不同。因此，ATM网络与传统局域网的互连必须解决局域网仿真问题。2.其他互连类型局域网-广域网的互连、局域网-广域网-局域网互连、广域网-广域网的互连，都可以通过路由器或网关来实现。4.2.2网络互连的层次1.几个重要的概念互连（interconnection）、互通（intercommunication）与互操作（interoperability）三个术语。从网络互连角度看，网络的互连、互通与互操作表示了不同的内涵。互连是指在两个物理网络之间至少有一条物理连接线路，为两个网络的数据交换提供物质基础和可能性，并不能保证两个网络一定能够进行数据交换，取决于两个网络的通信协议是不是相互兼容。互连、互通、互操作表示了三层含义。互连是基础，互通是手段，互操作则是网络互连的目的。2.网络互连的层次根据网络层次的结构模型，网络互连的层次可以分为：物理层互连、数据链路层互连、网络层互连、高层互连。互操作是指网络中不同计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力。是由高层软件来实现的。互通是指两个网络之间可以交换数据。仅仅涉及通信的两台计算机之间的端-端连接与数据交换，它为不同计算机系统之间的互操作提供了条件。（1）物理层互连物理层互连的设备是中继器，它双向接收、放大并重发信号。由中继器连接起来的一系列电缆段同单根电缆并无区别（除了中继器产生的一些延迟以外），仍然是一个冲突域。共享式集线器就是一个多端口中继器。数据库服务器文件服务器工作站工作站打印服务器共享打印机50欧电阻工作站工作站中继器（2）数据链路层互连数据链路层互连的设备是网桥（bridge）。网桥在网络互连中起着数据接收、地址过滤与数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。交换式集线器（交换机）就是一个多端口网桥。数据库服务器文件服务器工作站工作站打印服务器共享打印机50欧电阻工作站工作站中继器中继器网桥（3）网络层互连网络层互连的设备是路由器。主要解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。若网络层协议相同，则互连主要解决路由选择问题。若网络层协议不同，则需要多协议路由器（multiprotocolrouter）。用路由器实现网络层互连时，网络层及以下各层协议可以不相同。（4）高层互连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，实现高层互连的设备是网关。通常称为应用网关（applicationgateway）。用应用网关实现两个网络的高层互连时，两个网络的应用层及以下各层网络协议可以不相同。4.3典型网络互连设备的工作原理4.3.1中继器与共享式集线器的工作原理中继器与共享式集线器都属于物理层的网络互连设备。它具有如下特点。•所连网络只是延长了网络跨度，仍然是一个冲突域。连接范围越大冲突域就越大，每台电脑获得的带宽就越窄。•当电缆段超过规定的长度时，就需要使用中继器。其作用是接收、放大、重发信号，没有过滤功能。•在以太网中，粗同轴电缆每段长可达500米，细同轴电缆每段长可达185米，双绞线每段长可达100米，最多可用4个中继器连接5段电缆。•共享式集线器是一个多端口中继器，具备中继器的所有特点。所连网络物理结构是星型，逻辑结构是总线型。1.网桥与交换式集线器的基本特征网桥是在数据链路层上实现网络互连的设备，它具有以下几个基本特征：除了具有中继器放大信号、延长网络跨度的功能外，还可以接收、存储、按目标MAC地址过滤和转发数据帧。交换式集线器是多端口网桥，具备网桥的所有特征。所连网络无论是物理结构还是逻辑结构都属于星型。能够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。要求在数据链路层以上采用相同的协议。4.3.2网桥与交换式集线器的工作原理可以分隔两个网络之间的通信量，可以分隔冲突域，有利于改善互联网的性能与安全性。图4.12.网桥的基本工作原理网桥最常见的用法是用于互连两个局域网。其结构如图4.1所示。网桥对同一个网段中传输的数据帧不转发；在向不同网段转发数据帧时，根据“端口-结点地址表”决定向哪个端口转发。3.网桥与广播风暴网桥根据局域网中数据帧的源MAC地址与目的MAC地址来决定是否接收和转发数据帧。网桥要确定传输到某个目的结点的数据帧通过哪个连接端口转发，就需要查找网桥中保存的“端口-结点地址表”。如果“端口-结点地址表”里没有结点的记录，网桥就将该数据帧从除输入端口之外的其他端口广播出去。这种盲目发送数据帧的做法，将大大增加网络的通信量，便发生常说的“广播风暴”。图4.2给出了广播风暴形成的过程。网桥通过“广播”方式来解决结点位置不明确而引起的数据帧传输“风暴”问题，必然造成网络中重复、无目的的数据帧传输急剧增加，给网络带来很大的通信负荷。4.3.3路由器的工作原理1.路由器的基本工作原理路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备。图4.3是三个局域网使用路由器互连的结构示意图。路由器可以有效地将多个局域网的广播通信量相互隔离开来，每一个局域网都是独立的子网。•路由器根据分组的目的IP地址去查路由表，确定该分组的输出路径或输出端口。•路由器中保存有路由表，表示了“端口-网络地址”的对应关系。•在发给路由器的每个分组中，都包含有发出该分组主机的源IP地址与接收该分组主机的目的IP地址。•路由器可以隔离广播信息，分割广播域。它所互连的是网络层的逻辑子网。在路由器互连的局域网中，每个局域网只要求网络层及以上高层的协议相同，数据链路层与物理层协议可以是不同的。例如，路由器可以分别连接以太网与令牌环网。路由器与以太网连接使用以太网接口，而与令牌环网连接就需要用令牌环网接口。虽然以太网与令牌环网的帧格式与MAC方法不相同，但路由器可以通过不同的网络接口处理不同类型局域网的帧。2.网桥与路由器的区别•网桥工作在数据链路层；路由器工作在网络层。•网桥根据MAC地址过滤数据帧；路由器根据IP地址过滤分组。•网桥互连的是物理子网、分割冲突域；路由器互连的是逻辑子网、分割广播域。在一个大型互联网中，经常用多个路由器将多个局域网或局域网与广域网互连起来，路由器之间也可以用点到点线路连接。路由器能够根据互联网结构的变化来更新与维护路由表，并允许结点增加、减少与移动位置。4.通过路由器实现网络互连图4.5中所示的企业网由两个生产部门的局域网、一个分支机构的局域网与公司总部局域网组成。其中，根据网络规模、结点数与数据交换量的不同，公司总部与生产部门以及分支机构采用性能不同的交换机。并根据网络用户数与数据交换量的大小，可以选择不同型号的路由器。图4.5给出了一个通过Cisco路由器实现分布在不同地理位置的局域网互连的典型企业网结构示意图。目前，很多大型企业都具有生产全球化的特点，公司总部可能设在一个地方，生产部门可能设在其他地方，同时有一些分支机构分布在各地。公司总部与分支机构都有自己的局域网，这时需要将这些局域网互连起来，实现整个企业内部的信息交互。4.3.4网关的工作原理1.网关的基本概念网桥使用的条件:假设互连的网络在数据链路层以上使用的高层协议相同；假设一个NetWare结点要与SNA网中的一台主机通信，由于NetWare与SNA的高层网络协议是不同的，所以局域网中的NetWare结点不能直接访问SNA网中的主机，它们之间的通信必须通过网关来完成。网关的作用是为NetWare结点产生的报文加上必要的控制信息，将它转换成SNA主机支持的报文格式。当SNA主机要向NetWare结点发送信息时，网关同样要完成SNA报文格式到NetWare报文格式的转换。路由器使用的条件:假设互连的网络在网络层以上使用的高层协议相同。网关使用的条件:假设互连的网络在网络层以上使用的高层协议不同。2.网关的基本类型网关通过使用适当的硬件与软件实现不同网络协议之间的转换功能。硬件提供不同网络的接口，软件实现不同互联网协议之间的转换。图4.6给出了网关的基本结构。图4.6网关实现协议转换的方法主要有以下两种：（2）间接转换：（1）直接转换：当两个网络通过一个网关互连时，最简单的方法就是直接将输入网络的信息包的格式转换成输出网络信息包的格式。一个双边网关要能进行两种网络协议的转换，即由网络1到网络2或网络2到网络1。同理，对于互连三个网络的网关，则要求能进行6种协议的转换。如果互连n个网络，则网关要能进行n（n-1）种转换，要编写n（n-1）种协议转换程序模块。互连的网络数越多，则n值越大，需要编写协议转换程序模块的工作量也就越大。同时，系统对网关的存储空间与处理能力的要求也就越高。制定一种标准的网间信息包格式。网关在输入端将输入网络信息包格式转换成标准网间信息包格式，在输出端再将标准网间信息包格式转换成输出网络信息包格式。由于标准网间信息包格式只在网关中使用，不在互连的各网络内部使用，因此不需要互连的网络修改其内部协议。采用标准网间信息包格式网关要完成4种转换：网络1到网间、网络2到网间、网间到网络1、网间到网络2。当信息包从网络1进入网关时，它将被转换成标准网间信息包格式（即网间格式）；在输出端网关再将它转换成网络2的信息包格式。如果有n种网络，那么将输入网络的信息包转换成一种标准的网间信息包格式的方法，需要编写2n个转换程序模块。与前一种方法相比，n值越大，软件设计时减少的工作量越多。3.半网关一个网关可以由两个半网关（halfgateway）构成。选择两种不同的半网关组合，可以灵活地互连两种不同的网络。由于半网关可分别属于各网络所有，可以分别进行维护与管理，因此避免了一个网关由两个单位拥有而带来的非技术性的麻烦。4.4本章总结本章主要讲述了以下内容：(1)网络互连是将分布在不同地理位置的网络连接起来，以构成更大规模的互联网络系统，实现在更大范围内对互联网络资源的共享。(2)网络互连类型主要有：局域网-局域网互连、局域网-广域网互连、局域网-广域网-局域网互连，以及广域网-广域网互连。(3)根据网络层次的结构模型，网络互连的层次可以分为：在数据链路层实现互连，在网络层实现互连，以及在传输层及以上的各层实现互连。(4)网桥是在数据链路层实现网络互连的设备，它能够互连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。(5)路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备。在一个大型互联网中，经常用多个路由器将多个局域网与局域网、局域网与广域网互连起来。路由器能够为不同子网的计算机之间的数据交换选择适当的传输路径。(6)网关是在传输层及以上高层上实现多个网络互连的设备，可以实现不同网络协议之间的转换功能。习题1.单项选择题4.1()是