09 网络设备

2020/2/17page1第9章网络设备本章重点●网络接口卡及其使用●集线器及其使用●交换机及其使用●路由器及其使用●构造简单的网络2020/2/17page29.1网络接口卡NIC1.组成（p262图）发送/接收部件——负责信号的发送、接收载波检测——检测介质上有否信号发送/接收控制部件及缓冲区曼彻斯特编码/译码器——对发送/接收的数据编码/译码，变换成适合于在LAN上传输的信号网络控制部件——控制网卡各部件的协调运行CPU(部分网卡有)——增强网卡智能化，减少网络传输对主机CPU的依赖，提高传输效率2020/2/17page32．网卡的使用网卡地址：即网卡的物理地址或称为MAC地址，固化在网卡硬件中配置参数（跳线设置/软件设置/PnP）•中断请求号IRQ（一般为3）•I/O基地址I/OBase（一般为300H）•存储器基地址MemoryBase(一般为C000H)•全双工/半双工•传输速率（仅10/100Mbps双速网卡可选）2020/2/17page43.提高网卡性能并行处理：发送/接收和数据处理同步进行全双工：需集线器/交换机的支持突发传输方式（每次传送更多的帧）智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）提高与主机的传输速度：•与主机的存储器传输数据时采用DMA传送方式•总线采用传输速度较快的PCI总线2020/2/17page54.网络接口卡的种类2020/2/17page69.2网络集线器HUB多端口的中继器，属于物理层设备功能：在网段之间拷贝比特流，信号整形和放大可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备可改变网络物理拓扑形式：总线连接—星形连接端口数：常见的有8，12，16，24口2020/2/17page7三种结构：独立式（Standalone）：固定端口配置，扩充时用级连的方法堆叠式（Stackable）：固定配置，用堆叠方法进行扩充——堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理模块化（Module）：又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）2020/2/17page8智能集线器和非智能（普通）集线器允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智能HUB，它内部包含有CPU等智能控制部件。不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能HUB。在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络交换机也需要是智能化的）。小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。2020/2/17page9NICHUBUTPPC机用集线器搭建简单的网络服务器以1台服务器，3台PC机为例：一台HUB4块UTP接口的网卡4台PC机8个RJ45接头（水晶头）若干米UTP双绞线2020/2/17page109.3网络交换机Switch共享信道LAN的缺点：多个站点同时发送会造成冲突；网络中站点越多，冲突现象越严重；每个站点的平均拥有带宽为W/n；解决的方法：网段分割(微网段化)——减少每个网段中站点的数量网段分割后网络总体带宽增加2020/2/17page11网络分段HUBHUBMAC广播域独立的冲突域独立的冲突域网桥或网络交换机交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域2020/2/17page12实现网段分割的设备——网络交换机网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层上。但网络交换机的端口数多，并且速度快。在这个意义上，网络交换机又称为多端口的高速网桥。工作原理（参见第4章）构造：端口-地址表、端口缓冲器、交换矩阵学习源地址（构造端口-地址表）过滤本网段帧（隔离冲突域）转发异网段帧（交换）广播未知帧（寻找目的站点）2020/2/17page13三种转发方式①存储转发（Storeandforward）整个帧完整接收并存储到缓冲区，对整个帧进行差错检验，然后再查表找出目的端口并转发•优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段•缺点：交换延迟比较大②穿通转发（Cut-through）因为转发仅依赖于目的地址DA，所以只要收到帧的前6个字节(DA字段)，就可查表找出目的端口并转发•优点：交换延迟小•缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段2020/2/17page14③无碎片穿通（Fragmentfreecut-through）以上两种方案的折衷。接收了一帧的前64字节后，再查表找出目的端口并转发∵帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，∴＜64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧)优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时高于直通式2020/2/17page15使用网络交换机带来的好处分割冲突（碰撞）域——减少了冲突允许建立多个连接——提高了网络总体带宽减少每个网段中的站点数——提高了站点平均拥有带宽允许全双工连接——提高带宽网络交换机在网络中的地位作为LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等对网络响应速度要求比较高的场合2020/2/17page16提高网络交换机的性能的措施主干/服务器连接：增加1-2个高速端口(BigPipe)。缓解主干/服务器连接的瓶颈问题。速度自动协商：10/100Mbps自适应交换机。根据所连接工作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。虚拟网络VLAN：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟的逻辑网络中。用交换机划分的若干个VLAN在逻辑上完全独立，广播帧不会越过逻辑网络边界。流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使发送站点停止发送。——背压控制（BackPressure）根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换2020/2/17page17千兆主干交换机服务器校园网10MbpsUTP100MbpsUTP（连接校园网）1000MbpsFiber100MbpsUTP西安交大计教中心网络结构图二级交换机HUB2020/2/17page189.4路由器Router工作在第三层（网络层）上。在网络之间转发网络分组。能够提供按最佳路由转发网络分组。实现子网隔离，限制广播风暴。(目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播——比较网络交换机)用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（IP地址），通过广播是无法与之进行通信的。因为路由器不会转发广播包。2020/2/17page19路由器的结构控制部件（CPU、RAM、OS）路由表协议软件网络接口（LAN、WAN、Console）2020/2/17page20用路由器进行网络互联HUBHUB路由器冲突域2冲突域1路由器可以分隔冲突域和广播域2020/2/17page21工作原理采用存储转发的方法：接收并缓存IP数据分组，提取分组中的目的IP地址，然后查路由表决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。交换机也用查表的方法决定转发路径，但交换机的表是“端口-MAC地址”表，存放的是端口与目的MAC地址之间的关系，要用帧中的MAC地址查表；而路由器中的路由表是“端口-网络地址”表，存放的是端口与目的网络地址之间的关系，故要从分组中提取IP地址，并解析出其中的网络地址部分来查表。路由表——用于存放到达其他网络的路由信息。2020/2/17page22基于路由表（RoutingTable）的路由选择•网络号（网络地址）•路径。用下一路由器对应端口的IP地址来表示。例如，p287图中的路由器R4：路径1：30.0.0.1(R1)路径2：20.0.0.1(R2)路径3：30.0.0.3(R3)路径4：40.0.0.3(R5)•路径成本/开销。P287页例子中路径成本用步跳数来表示，指出到达某一网络所跨越的路由器的个数。2020/2/17page23路由表的基本内容目的网络路由(下一站点)距离172.16.0.0202.168.0.010.0.0.0202.168.0.2202.168.0.0直接172.16.0.010.0.0.0AB路由器A的路由表直接.1.1.2.10012020/2/17page24注意：路由器是根据网络号来转发IP数据包的，所以路由表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间，路由表的路由更新速度快。路由表的维护有两种基本方式：静态路由——由人工预先设置好，只适用于小型网络动态路由——路由器运行过程中根据网络情况自动地动态维护2020/2/17page25动态路由两类路由协议：内部网关协议（IGP）自治系统（AS）内部的路由协议，如RIP、OSPF。边界（外部）网关协议（BGP）处理AS之间的路由传递，如BGP、EGP。*自治系统（AS）又称为路由域、自治域，它是由若干个可以交换内部路由信息的路由器的集合。多个自治系统可以通过边界路由器互联起来。2020/2/17page26动态路由路由算法：根据网络拓扑计算路由的方法。或路由表的生成方法。两种路由算法：矢量-距离（V-D）算法如RIP（路由信息）、GGP（网关-网关）链路状态（L-S）算法如OSPF（开放最短路径优先）2020/2/17page27矢量-距离（V-D）算法路由表中列出所有已知的路由启动时路由器对每个与自己直连的网络生成一个表项每个路由器周期地向直接相连的其他路由器发送自己的路由表每个路由器根据其他路由器发来的路由更新消息，相应修改自己的路由表周期性传送的信息包括：（目的网络地址(矢量)V，到达该网络的距离D）这就是矢量-距离算法名称的来源2020/2/17page28链路状态（L-S）算法不需要传送路由信息，只需：1）检测所有相邻路由器的状态(相邻：通过同一网络连接的两个路由器)--周期地向相邻路由器发送“Hello”报文，询问其工作状态2）周期地向其他路由器通告自己了解到的链接状态信息--链路类型、链路标识、通告该链路的路由器地址每个路由器根据其他路由器发来的链路状态报文，相应地更新自己的网络拓扑结构数据库——最终每个路由器都具有同样的网络拓扑结构数据库（即共享一个公共的连接状态数据库），称为收敛路由器使用Dijkstra最短路径算法对网络拓扑图求最短路径——计算到达其他网络的最短路径最后用计算出来的最短路径更新自己的路由表2020/2/17page29动态路由举例——路由信息协议RIP路由表维护：更新定时器——30秒(每30秒发送一次路由更新报文)超时定时器——180秒(超时后路径置为不可达，并启动刷新定时器)刷新定时器——90秒(超时后，删除此路径)报文由序偶（IP网络地址，到达该网络的距离）组成用步跳数表示到达目的网络的距离；0-16，0表示直连，16表示不可达（即只要步跳数大于16就认为路径为无穷远）路由器收到路由更新报文后应更新自己的路由表例如，R2从R1收到的路由更新报文为(net1,0)、(net2,2)、(net3,1)，则R2的路由表更新为(net1,R1,1)、(net2,R1,3)、(net3,R1,2)2020/2/17page30RIP的缺点算法不能明确的检测出循环路由，会产生慢收敛和无限计数问题步跳数不能反映链路的真实开销，例如步跳数为4的LAN路径不一定比步跳数为1的64KDDN链路差。网络1R1R2R31.R1与网络1直接相连。2.通过周期性路由广播，R1、R2、R3都建立了到网络1的路由(a)3.某时刻，R1到网络1的路由消失(b)4.但是R2对R1的路由通告引起了选路的循环:更新报文会在R1，R2来回传输直到距离值到达RIP规定的上限。网络1R1