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计算机网络基础第8章 网络的互连主要内容网络互连的类型和层次、广域网的技术PSTN、X.25、DDN、ISDN、FR教学重点广域网技术的比较、网络互连的设备计算机网络的出现至今也不过是三十几年的时间，但其发展却非常迅速，尤其是Internet的发展导致网络技术日新月异。计算机网络从最初的“盘体共享”、“桌上计算”发展到今天的“网络计算”阶段，出现了各种各样的网络并存又彼此有联系的局面，网络间的互连显得非常重要。各种新兴的计算机业务如多媒体业务、分布式计算等的出现和拓展，“信息时代”信息交流的普遍性和及时性，使得人们越来越关注计算机网络的互连互通。8.1 互连网络的基本概念计算机网络在网络连接上存在两种层次：一是网络间物理线路的连接；另一种是网络间物理与逻辑上的连接；两者都能实现网络协议间的通信，一般所说的网络连接指的是后者，即通过相应的技术手段将分布在不同地理位置的网络或网络与远程工作站之间进行物理和逻辑上的连接，以组成更大规模的计算机网络系统，实现更大范围的资源的高度共享和文件传输。互连网络是指将分布在不同地理位置的网络、设备连接起来，以构成更大规模的网络，最大程度地实现网络资源的共享。1. 网络连接是指网络在应用级的互连，是对连接于不同网络的各种系统之间的互连，主要强调协议的接续能力，以便完成端到端系统间数据传递。2. 网络互连是指不同的子网间借助于相应的网络设备（网桥、路由器等）来实现各子网间的互相连接。其目的是解决子网间的数据交互3. 网络互通是指网络不依赖于其具体连接形式的一种能力，不仅指两个端系统间的数据传输和转移，还表现出各自业务间相互作用的关系。u 网络连接和网络互连是解决数据的传送，网络互通是各系统在连通的条件下，为支持应用间的相互作用而创建的协议环境。8.1.1 网络互连的类型1. LAN-LAN互连属于较近距离的LAN互连，如校园网（各建筑物间）、各楼层间LAN的互连同构网的互连：指相同协议的局域网的互连。常用的设备有中继器、集线器、交换机、网桥等异构网的互连：指两种不同协议的局域网的互连。常用的设备有网桥、路由器等2. LAN-WAN互连属于小区域范围内LAN与WAN互连，主要解决一个小区域范围内相邻的几个楼层或楼群之间以及在一个组织机构内部的网络互连，扩大了数据通信的连通范围，可使不同单位或机构的LAN连入范围更大的网络体系中。常用的互连设备有网关和路由器（最为常用的）3. WAN-WAN互连属于不同地区网络的互连，主要使用路由器来实现。网关路由器网桥中继器网络A应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络B应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层8.1.2 网络互连的层次网络互连实质上就是协议之间的转换，这种转换必须有一定的理论依据，有一定的标准可循。为了使异种机、异种网之间能够共享资源和相互通信，国际标准化组织制定并颁布了OSI/RM。任何计算机系统都可以按照该模型描述或者与该模型相对应。OSI/RM在不同的层上有不同的协议，网络互连过程中在进行协议的转换时要遵守这样一种原则，即要在异种网中具有相同协议的对应层之间进行协议转换，并且该对应层之上不再存在协议不同的对应层，这样才能实现网络间的互连。如果两个网络的应用层协议不同，则应在应用层之上增加一个虚拟层进行协议的转换。网络互连从通信协议的角度来看可分成4个层次，如图所示。8.2 网络互连设备8.2.1 中继器（Repeater）中继器是工作于OSI/RM物理层的网络连接设备，要求每个网络在数据链路层以上具有相同的协议。计算机网络的覆盖范围会因为所使用的传输介质的限制，信号传输到一定距离就会因衰减而变得很弱以致于接收设备无法识别出该信号，为了扩大信号的传输距离，在网段间可以使用中继器设备，它接收网上的所有信号（包括CSMA/CD碰撞信号）并将其放大、再生，然后发送出去，从而扩展网络跨距。中继器虽然延伸了网络，但从网络层看仍然是一个网络，因此常被看成是网段的连接设备而不是网络互连设备。使用中继器时要遵守543规则，中继器不仅起到扩展计算机网络的作用，还能将不同传输介质的网络连接在一起，如同轴电缆和光纤。优点：价格低廉、使用简单、效率高。缺点：不能均衡及阻止“广播风暴”（由于中继器与连接的网段属于同一广播网）、无法进行包过虑u 广播风暴：是指过多的广播数据包占用了网络带宽的所有容量，使网络的性能变得非常差。8.2.2 网桥（Bridge）网桥又被称为桥接器，它工作在OSI参考模型的数据链路层，要求每个网络在网络层以上各层中采用相同或兼容协议。网桥一般用于互连两个运行同类型NOS的LAN，而网络的拓扑结构、通信介质和通信协议可以不同。8.2.2.1 网桥的特点： 网桥以接收、存储、地址过滤与转发（基于MAC地址和网桥内部的站表判断是否转发，即具有信息过虑功能）的方式实现两个互连网络之间的通信，并实现大范围局域网的互连 网桥可以分隔两个网络之间的通信量（由于信息过虑功能使得网段内的通信量不会传输到另一个网段），有利于改善互连网络的性能。若是同网络内的信息传递，则网桥不进行复制和转发，否则转发。 网桥若仅有桥接功能，不附加路由功能，则在同一点只能连接两个局域网。 当两个LAN之间采用两个或两个以上的网桥互连时，由于网桥转发广播数据包，易产生广播风暴优点：具有信息过虑功能、效率高、配置简单缺点：不能均衡及阻止“广播风暴”8.2.2.2 网桥的分类1. 简易网桥、透明网桥、源路由网桥简易网桥分为简易内桥（普通PC机插入多块网卡分别连接多个局域网，同时运行相应的网桥软件所构成的网桥）和简易外桥（网络中工作站插入多块网卡构成的网桥），网桥软件通常由NOS厂家提供，如NetWare NOS。透明网桥又称为生成树网桥，遵守IEEE802.1网桥标准，路径的选择完全由网桥自己来决定，对各站点来说是透明的。该网桥通过Baran逆向学习法建立网桥内部表，形成站点MAC地址与相应网桥端口的对应表，并据此得出信息发送路径。在网桥刚刚接入网络内时，站点表还没有形成，网桥采用“洪泛法”以广播方式向其他端口转发信息，并且每个网桥运行一个简单的支撑树算法即IEEE802.1D，使任何两个站点只有一条通路，从而避免了信息在网桥间反复（用于以太网中）。该类网桥不能充分利用全部网络资源，所选择的路径不一定是最佳的，时延较大。源路由网桥，即源路由选择网桥，遵从IEEE802.5网桥标准，网络中每个源路由网桥都有唯一的ID标识。路径选择由发送信息的源站点负责，源站点通过广播“发现帧”的方式记录到达目的站点所经过的路径，并从中获得到达目的站的最佳路径。网桥接收到帧之后只扫描帧的头部，以获取发送的路径（用于令牌环网中）。该类网桥需要进行手工操作，因此使用复杂。转换式网桥是透明网桥的一种特殊形式，用于不同介质类型格式和传输机制的网络间进行转换，它在物理层和数据链路层使用不同协议的LAN提供网络连接服务。封装网桥通常用于连接FDDI骨干网。如用封装网桥将4个Ethernet连到FDDI骨干网上，则LAN1中发送节点将其发送数据和有关地址发送到与FDDI连接的封装网桥上进行FDDI骨干网使用的信封装入，再进行网络传输，当网络上的其他封装网桥收到该信时，拆除信封进行地址比对，若不是则丢弃，否则送到预定的工作站。源路由透明网桥是综合了源路由网桥和透明网桥的混合式网桥，可实现混合网络环境中的通信。2. 本地网桥和远程网桥本地网桥（用于直接连接本地很近的LAN）和远程网桥（用于通过PSTN连接两个远距离的网络）3. 级联网桥和多端口网桥级联网桥（由于网桥只有两个连接端口，因此只能连接两个网络段，可采用级联方式连接形成更大的网络）和多端口网桥（由于网桥具有多端口可由于多个网段的互连）8.2.3 路由器(Router)8.2.3.1 路由器工作原理与特征路由器工作在OSI/RM的网络层，实现网络层以及以下各层的协议转换，通常用来互连局域网和广域网或者实现在同一点两个以上的局域网的互连。最基本的功能是转发数据包。在通过路由器实现的互连网络中，路由器根据网络层地址（如IP地址）进行信息的转发，主要的功能有两个：路由选择和数据转发。对数据包进行检测，判断其中所含的目的地址，若数据包不是发向本地网络的某个节点，路由器就要转发该数据包，并决定转发到哪一个目的地以及从哪个网络接口转发出去。路由器的特点：l 路由器是在网络层上实现多个网络之间互连的设备l 路由器为两个或3个以上网络之间的数据传输解决的最佳路径选择l 路由器与网桥的主要区别是：网桥独立于高层协议，它把几个物理子网连接起来，向用户提供一个大的逻辑网络；路由器是从路径选择角度为逻辑子网的节点之间的数据传输提供最佳的路线。l 路由器要求节点在网络层以上的各层中使用相同或兼容的协议8.2.3.2 路由器的功能连接功能：提供不同网络（如通信、类型、速率或接口）的连接，而且在不同网段之间定义了网络的逻辑边界，从而将网络分成各自独立的广播网域。网络地址判断、最佳路由选择和数据处理功能：通过对每一种网络层协议建立的路由表来判断目的地址、最佳路由以及数据过滤和特定数据的转发设备管理：可通过软件协议本身的流量控制参量来控制其转发的数据的流量，以解决拥塞问题；还提供对网络配置管理、容错管理和性能管理的支持。8.2.3.3 路由器的相关概念1. 静态路由和动态路由静态路由选择是通过网络管理员设置路由表来完成某条网络链路是否关闭。动态路由器通过监控网络变化决定是否自动更新路由表重新配置网络路径。2. 路由表路由表是指记录相邻路由器的地址和状态信息的数据库。静态路由表由网络管理员手工建立，一旦形成，到达某一目的网络的路由便固定下来。它不能自动适应互联网结构的变化，添加或删除网络或路由器需要手工操作，若一旦路由出现故障，即使存在其它路由，IP数据报也不能传送到目的地。（这是网络中最常用的）动态路由表是网络中的路由器相互自动发送路由信息而动态建立的。路由器使用路由表并根据传输距离和通信费用等要素通过优化算法来决定一个特定的数据包的最佳传输路径。路由表通常包含许多（N,R）对序偶，其中N指的是目的网络的IP地址，R是到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址，因此，在路由器R中的路由表仅仅指定了从R到目的网络路径上的一步，而路由器并不知道目的地的完整路径。为了减少路由设备中路由表的长度，提高路由算法的效率，路由表中的N常常使用目的网络地址，而不是目的主机地址。Net110.0.0.0Q10.0.0.520.0.0.5Net220.0.0.0R20.0.0.630.0.0.65Net330.0.0.0S30.0.0.740.0.0.7Net440.0.0.0在图中利用路由器互连网络时，路由器R的路由表是：要到达的网络下一个路由器20.0.0.0直接投递30.0.0.0直接投递10.0.0.020.0.0.540.0.0.030.0.0.7网络Net2与Net3都与路由器R直接连接，路由器R收到一IP数据报，如果其目的IP地址的网络号为20.0.0.0或30.0.0.0，那么R就将该报文直接传送到目的主机；如果接收的报文的目的地网络为40.0.0.0，那么R就将该报文传送给与直接相连的另一路由器S，由路由器S再次投递报文。3. IP数据报的传输Net110.0.0.0Q10.0.0.520.0.0.5Net220.0.0.0R20.0.0.630.0.0.65Net330.0.0.0S30.0.0.740.0.0.7Net440.0.0.040.0.0.110.0.0.1A2.0.0.84.0.0.810.0.0.2C前面讲述了路由器的概念和路由器的路由选择方法，若网络中有两台主机A与B要进行通信，即存在IP数据报的传输，它的过程如下：BT（1）主机A形成原始数据并按照IP协议在IP层封装成IP数据报（2）根据源主机A与目的主机B是否同一网络，若是则直接将报文投递出去；若不是则要经过路由器再投递，由图可见，是投递到路由器Q（3）路由器Q接收该数据报，并判断是否与自己同属一个网络，若是则直接投递，否则经过下一个路由器进行再次投递。由图中可见，路由器Q与路由器T和路由器R相连，路由器Q的路由表中下一跳步就有两种情况：一是路由器T，一是路由器R。这要视路由器Q的设置而定，如果采用RIP路由协议（选择跳数最少的路由），则会选择路由器T。假设路由器Q的下一跳步为路由器T，则路由器Q将把IP数据报投递给路由器T。（4）路由器T接收该报文，判断目的主机与自己在同一网络中，则直接投递给主机B。4. 路由协议路由协议主要是基于路由器的IP路由协议，即路由器之间进行通信的一种规则，目的是使网络中的各个能够“看到”完整的网络拓扑结构，从而找到到达目的地的最佳路径。1) 路由信息协议RIP路由信息协议RIP是基于距离向量的分布式路由选择协议，是使用最广泛的内部网关协议之一，1988年首次颁布RIPv1版本（RFC1058），1994年11月公布了增强版本RIPv2（RFC1732）。RIP根据源节点与目的节点之间的路由器或路程段的数目（即跳数hop count，定义每经过一个路由器则跳数加1）来决定发送数据包的最佳途径（跳数越少越好，不考虑带宽、可靠性）。RIP协议规定一条路由最多只能有15跳，即15个路由器，若多于此值则认为是不可到达的。RIP协议的IP路由器每隔30s向相邻的路由器广播自己的整个路由表，默认超时为180s，若在180s内没有相邻路由器的更新路由表则认为不可到达。RIP信息是封装在UDP数据报中传送的。每个路由器(初始化时要设置：使用RIP协议、绑定前一网络地址、绑定后一网络地址、声明RIP版本号)根据其相邻路由器发送来的路由信息及距离最短的原则逐步建立并不断更新自己的路由表。优点：协议简单、易于实现缺点：跳数决定了只适用于小型互连网环境；路由表的整个传送占用了网络带宽和处理时间；路由选择过于简单（不能根据网络带宽、时延、传输速度、可靠性而定）；没有负载平衡；只有增强版信息中包含子网掩码才支持子网。2) 开放最短路径优先OSPF开放最短路径优先OSPF是基于链路状态（是指与该路由器相邻的网络和路由器信息以及将信息发送到这些网络和路由器所需的费用，如带宽、距离、时延或真正的费用）的分布式路由选择协议，是目前应用最普及的内部网关协议。1997年7月公布了最新版本OSPF v2（RFC2178）。OSPF把两个路由器之间的链路状态信息广播给网络中所有的路由器，每个路由器再把所有下信息收集起来，形成整个网络的拓扑结构，采用Dijkstra最短通路算法产生各自的路由表。OSPF规定，每两个相邻路由器每隔10s交换一次短报文（Hello报文），若40s内没有收到则认为是不可到达，应立即修改链路状态数据库来重新计算路由表。链路状态的修改只涉及路由器链路状态报告而不是整个路由表，并且只当链路状态发生变化时才进行，同时OSPF信息是通过直接使用IP数据报发送的，这样数据报短就减少了路由信息的通信量。优点：克服了RIP的所有缺点3) 内部网关路由协议IGRPIGRP是Cisco公司发布的一种距离向量路由协议，每隔90s向我广播发送路由更新信息，类似与RIP协议，当存在很多显著的特点：u IGRP没有RIP的15个跳数的限制u 具有负载均衡功能，能在不同网络之间同时使用多条路由（最多6条）u 使用综合参数的路由度量方式，可获得比RIP更好的路径4) 边界网关协议BGPBGP数一种外部网关协议，用于在不同自治系统的路由器之间交换路由信息。1989年首次公布，常用的是1994年的BGP4，最新版本为BGP+。BGP工作在TCP层可以在一定程度上保证传输的可靠性。BGP路由器的路由表记录的是到每个目的地的完整路由，而不是到达每个目的地的距离。开始时，相邻BGP路由器之间交换它们的整个路由表信息，之后，当路由表发生改变时只交换更新的路由信息。每个BGP路由器按照相应的原则判断，选择最短距离的路由发送数据。BGP有两种工作模式：一是内部BGPIBGP，用于单个自治系统内部BGP路由器之间；另一是外部BGPEBGP，用于不同自治系统之间的链路上。8.2.3.4 路由器的分类单协议路由器（仅一个协议因而只有一个地址格式）和多协议路由器（每一个协议构建一个路由表）。桥路由器（具有双重作用：网桥功能和路由功能，依据接收的协议来定）。本地和远程路由器。8.2.3.5 路由器的发展路由器是网络互连的核心，它的发展方向是速度更快、服务质量更好和管理更加智能化三个方向8.2.4 网关（Gateway）网关又称网间协议变换器，是实现两种不同协议的网络之间进行转换的网络互连设备。有广义网关（指所有用于网络互连的软、硬件）和狭义网关（指工作于OSI/RM高层协议的网络互连设备，负责高层协议的转换）两种，我们讨论的是后者，通常用于WANWAN互连、网络与大型主机系统的互连。网关实现协议转换的方法有两种：一是直接将输入的网络数据包转换成输出的网络网络数据包的格式；一是将输入的网络数据包格式转换成一种标准的网间数据包的格式。8.3 广域网的相关技术广域网是进行网络互连的中间媒介。通过广域网可以将两个分布在不同地理位置上的LAN互连在一起。8.3.1 公用电话网PSTN公用电话交换网PSTN，即电话网，是一种以模拟技术为基础的电路交换网络。1. PSTN功能：l 拨号接入Internet/Intranet/LANl 实现两个或多个LAN之间的互连l 和其他广域网的互连2. PSTN技术：l 当两个主机或路由器设备需要通过PSTN连接时，在两端的网络接入侧（即用户端）必须使用调制解调器来实现信号的模/数、数/模转换。3. PSTN网络互连：l 通过普通拨号电话线入网l 通过租用电话专线入网8.3.2 综合业务数字网ISDNISDN将多种业务集成在一个网内，为用户提供经济有效的数字化综合服务，包括电话、传真、可视图文及数据通信等。ISDN使用单一入网接口，利用此接口可实现多个终端（ISDN电话、终端）同时进行数字通信连接。ISDN的组成部件包括用户终端、终端适配器、网络终端等设备。用户终端有两种类型：ISDN标准终端设备TE1（通过4芯双绞线数字链路与ISDN连接，如数字电话、4类传真机）和非ISDN标准终端设备TE2（通过终端适配器与ISDN连接，如普通电话、普通传真机）。ISDN基本速率接口BRI：两个B通道和一个D通道，即2B+D。B通道的传输速率为64kbit/s（传输用户数据），D通道传输速率为16kbit/s（传输控制和信令信息），则BRI传输速率为128kbit/s（264）或144kbit/s（264+16）ISDN基群速率接口PRI的总传输速率视提供的接口而定，如我国PRI提供30B+D，则总传输速率为2.048Mbit/s。8.3.3 公共分组交换数据网X.25公共分组交换数据网（诞生于20世纪70年代）是一个以数据通信为目标的公共数据网PDN。PDN内各节点是由交换PSE机组成的，如X.25网。X.25网具有下列特点：l 统一的用户设备接口l 高可靠性l 多路复用技术l 流量控制与管理l 点对点协议l 与其他网络互连8.3.4 数字数据网DDN8.3.5 帧中继8.3.6 xDSL技术1. xDSL概念Bellcore公司在1987年首先提出了xDSL技术，是基于公共电话网PSTN的扩充方案，可以最大限度地保护已有的投资。DSL是数字用户环路的简称，是以铜质电话双绞线为传输介质的点对点传输技术。XDSL比传统的普通Modem能够进行高速传输，主要原因是：首先，xDSL只是利用PSTN或CATV的用户环路，而不是整个网络，采用xDSL技术调制的数据信号实际上是在原有话音或视频线路上叠加传输的，在电信局和用户端分别进行合成和分解，因此需要配置相应的局端设备。其次，xDSL只能工作在用户环路上，故传输距离愈长，信号衰减愈大，愈不适合高速传输，因此传输距离有限。xDSL的主要特点：l xDSL支持工业标准l xDSL是一种Modeml 对称与非对称之分2. xDSL分类xDSL中的x可表示A/H/S/I/V/RA等不同数据调制实现方式，利用不同的调制方式使数据或多媒体信息可以更高速地在铜质双绞线上传送，避免由于数据流量过大而对中心机房交换机和公用电话网PSTN造成拥塞。xDSL技术按上行和下行的速率是否相同可分为对称型和非对称型。3. 非对称数字用户环路ADSL：ADSL在两个传输方向上的速率是不一样的，使用单对电话线为网络用户提供很高的传输速率，从32kbit/s到8.192Mbit/s的下行速率和从32kbit/s到1.088Mbit/s的上行速率，同时在同一根线上可以提供语音电话服务，支持同时传输数据和语音。ADSL的调制技术主要有离散多音频调制技术DMT和无载波调幅调相技术CAP两种。DMT的优势在于，将来中心端如果采用统一的设备，则用户端设备可以使用不同厂家的产品，而不同厂商的CAP设备无法兼容。ADSL服务的典型结构：在用户端安装ADSL调制解调设备，用户数据经过调制变成ADSL信号，可以通过在普通双绞铜线上传送。如果要在铜线上同时传送电话，就要加一个分离器，分离器能将话音信号和调制好的数字的数字信号放在同一条铜线上传送。信号传送到交换局，再通过一个分路器将话音信号和ADSL数字调制信号分离出来，把话音信号交给中心局交换机，ADSL数字调制信号交给ADSL中心设备，由中心设备处理，变成信元或数据包后再交给骨干网。8.3.7 ATM技术8.3.7.1 宽带综合业务数字网B-ISDN高清晰度电视、电视会议、可视电话、点播电视、远程教育、远程医疗、家庭购物、高速数据传输等，现有的网络都不能满足要求，它要求网络既能传送低速信号，又能传送高速信号；既能适应语音信号时延特性，又能适应数据信号误码特性，进而也能适应图像信号时延和误码两种特性。在这样的情况下，BISDN应运而生了。8.3.7.2 ATM异步转移方式1. ATM概念ATM异步转移方式（异步传输模式），始于20世纪80年代初，1988年，ITUT（国际电信联盟）在蓝皮书中正式将其定为ATM异步转移方式，并将它确定为BISDN的信息传递方式。ATM是一种分组交换和复用技术，其中的A说明ATM信源是同步发出，但是某一用户的信源可以异步发出与接收。异步与“异步传送过程”完全不一样，主要是指它的工作方式。ATM网络的