第6章__网络互连

第6章网络互连 学习目标 网络互连技术是计算机网络技术中的重要内容 本章主要讲述网络互连的定义 参考模型 网络互连的层次 设备及互连方式等 学习要点 1 理解OSI网络互联互连参考模型2 掌握网络互连的定义及功能3 熟悉常见的网络互连设备4 掌握常见的网络互连方式 6 1网络互连的基本概念 随着计算机技术 计算机网络技术和计算机通信技术的飞速发展 以及计算机网络的广泛应用 单一网络环境已经不能满足社会对信息网络的需求 通常需要将两个或多个计算机网络互连在一起 以实现更广泛的资源共享和信息交流 怎么实现对多个网络的互连 什么是网络互连 网络互连涉及到的概念很多 为了深刻理解网络互连的内涵和外延 下面对网络连接 网络互连 网络互通三个概念进行解释 1 网络连接 网络连接 Internetworking 是指一对同构或异构的端系统 通过由多个网络 或中间系统 所提供的接续通路连接起来 完成信息互传的组织形式 连接的目的是实现系统之间的端 端 end end 通信 所以网间连接是对附接于不同网络的各种系统之间的互连 它要求一条在协议能力上连续的接续能力 以完成端系统之间的数据传递 2 网络互连 网络互连 Interconnection 是指不同子网之间的互相连接 目的是解决子网之间的数据流通 但这种流通尚未扩展到系统与系统之间 这里把一个子网看作一条 链路 把子网之间的连接 中间系统 看作交换节点 从而形成一个 超级网络 3 网络互通 网络互通 Interworking 是指网络不依赖于其具体连接形式的一种能力 它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 网络连接和网络互连是解决数据的传送 而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 提示 如果仅仅把几个网络在物理上连接在一起 它们之间不能进行通信 因此这种 互连 是没有意义的 通常说的网络互连应该包括网络连接 网络互连和网络互通三个方面 也就是说这些互相连接的计算机之间是可以进行相互通信的 6 2网络互连的类型与层次 作为校园网 需要连接多个建筑物 或者连接多个校区 甚至要接入到互联网 形成一个更大规模的网络 这属于哪种网络互连的类型 一般情况下对计算机网络进行分类主要是从规模上来划分 分为广域网 WAN 城域网 MAN 和局域网 LAN 因此 网络的互连也就涉及到LAN MAN WAN之间的互连 网络互连类型如图6 1所示 主要有LAN LAN LAN WAN WAN WAN LAN WAN LAN等几种互连方式 图6 1网络互连类型 1 LAN LAN 一般说来 在局域网的建网初期 网络的节点较少 相应的数据通信量也较小 随着业务的发展 节点的数目会不断增加 当一个网络段上的通信量达到极限时 网络的通信效率会急剧下降 为了克服这种问题 可以采取增设网段 划分子网的方法 但无论什么方法都会涉及到两个或多个LAN之间的互连问题 根据LAN使用的协议不同 LAN LAN互连可以分为以下两类 1 同构网的互连同构网的互连是指协议相同的局域网之间的互连 例如 两个以太网之间的互连 两个令牌环网之间的互连 同种局域网之间的互连比较简单 常用的设备有中继器 集线器 交换机 网桥等 2 异构网的互连异构网的互连是指协议不同的局域网之间的互连 例如 以太网和令牌环网之间的互连 以太网和令牌总线之间的互连 异构之间的互连必须实现协议转换 因此 连接使用的设备必须支持要进行互连的网络所使用的协议 异构网的互连可以使用网桥 路由器等设备 2 LAN WAN LAN LAN互连是解决一个小区域范围内相邻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 LAN WAN互连则扩大了数据通信网络的连通范围 可以使不同单位或机构的LAN连入范围更大的网络体系中 其扩大的范围可以超越城市 国界或洲界 从而形成世界范围的数据通信网络 LAN WAN的互连设备主要包括网关和路由器 其中 路由器最为常用 3 WAN WAN WAN与WAN互连一般在政府的电信部门或国际组织间进行 它主要是将不同地区的网络互连以构成更大规模的网络 比如 全国范围内的公共电话交换网 数字数据网等 除此之外 WAN WAN互连还涉及到网间互连 即将不同的广域网互连 4 LAN WAN LAN LAN WAN LAN互连可以将分布在不同地理位置的两个局域网通过广域网实现互连 达到远程登录局域网的目的 6 3网络互连的层次与设备 作为校园网 需要连接很多个节点 怎样利用网络设备使得分布在不同地理位置的节点连接到一个统一的网络中来 怎样使得整个网络中的节点相互连通 网络互连从通信协议的角度来看可以分成4个层次 如图6 2所示 图6 2网络互连的层次关系 对局域网而言 所涉及的网络互连问题有网络距离延长 网段数量的增加 不同LAN之间的互连及广域互连等 网络互连中常用的设备有中继器 网桥 路由器等 下面分别进行介绍 6 3 1物理层互连设备 物理层互连如图6 3所示 主要解决的问题是在不同的电缆段间复制位信号 互连的主要设备是中继器 图6 3物理层互连 1 中继器的标准 中继器工作在OSI RM第一层即物理层 物理层互连标准为EIA CCITT 现称为ITUT 及IEEE制定 2 中继器的功能 中继器常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作 连接两个 或多个 网段 对信号起中继放大作用 补偿信号衰减 支持远距离的通信 中继器主要完成物理层的功能 负责在两个节点的物理层上按位传递信息 完成信号的复制 调整和放大功能 以此延长网络的长度 中继器对所有送达的数据不加选择地予以传送 在以太网中通常利用中继器扩展总线的电缆长度 标准细缆以太网的每段长度最大为185米 最多可有5段 因此增加中继器后 最大网络电缆长度则可提高到925米 一般来说 中继器两端的网络部分是网段 而不是子网 3 中继器连接的介质 一般情况下 中继器的两端连接的是相同的媒体 但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作 有些品牌的中继器可以连接不同物理介质的电缆段 如细同轴电缆和光缆 6 3 2数据链路层互连设备 数据链路层的互连如图6 4所示 主要解决的问题是在不同的网络间存储和转发数据帧 互连的主要设备是网桥 图6 4数据链路层互连 1 网桥的标准 网桥工作在OSI模型中的第二层 即数据链路层 网桥的标准由IEEE802工程的各个子委员会开发 2 网桥的功能 网桥的功能是完成数据帧 frame 的转发 主要目的是在连接的网络间提供透明的通信 数据帧转发的依据是数据帧中的源地址和目的地址 用来判断一个帧是否转发和转发到哪个端口 帧中的地址称为 MAC 地址或 硬件 地址 一般就是网卡地址 提示 这里提到的透明的通信是指网络上的设备看不到网桥的存在 设备之间的通信就如同在一个网上一样方便 网桥还能起到隔离作用 当使用网桥连接如图6 5所示的两段LAN时 若节点A有数据帧要发送给节点B 网桥就检查目的地址为节点B的地址 而节点A与节点B都在LAN1上 网桥不将帧转发到LAN2 而是将其滤除 图6 5网桥连接的网络 若节点A有数据帧要发送给节点D 网桥检查目的地址为节点D的地址 而节点A与节点D不是在同一网段上 网桥就将它转发到LAN2 这表明 LAN1和LAN2上各有一对用户在本网段上可以同时进行通信 由此看出 网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用 3 网桥的特点 网桥的特点如表6 1所示 表6 1网桥的特点 4 网桥的种类所有网桥都是在数据链路层提供连接服务 网桥的分类方法有多种 如表6 2所示 在本书中主要介绍透明网桥 转换网桥 封装网桥和源路由选择网桥 表6 2网桥的分类 所谓 透明网桥 是指 它对任何数据站都完全透明 用户感觉不到它的存在 也无法对网桥寻址 所有的路由判决全部由网桥自己确定 当网桥连入网络时 它能自动初始化并对自身进行配置 转换网桥是透明网桥的一种特殊形式 它为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 转换网桥通过处理与每种LAN类型相关的信封来提供连接服务 转换网桥提供的处理由于令牌环和Ethernet信封类似而比较简单 但是 这两种LAN的帧长不同 转换网桥又不能将长帧分段 所以在使用这种网桥时 所互连的LAN所发送的帧长要能被两种LAN接受 封装网桥通常用于连接FDDI骨干网 与转换网桥不同 封装网桥是将接收的帧置于FDDI骨干网使用的信封内 并将封装的帧转发到FDDI骨干网 进而传递到其他封装网桥 拆除信封 送到预定的工作站 为解释其工作过程 假定LAN1上的工作站A要将报文发往LAN3上的工作站F 如图6 6所示 其步骤如下 图6 6封装网桥连接FDDI骨干网 第1步 封装网桥 使用LAN1所用的物理层和数据链路层协议 读取A发送的数据帧的目的地址 即F的MAC地址 第2步 封装网桥1接收寻址到其他LAN上的帧 并将这些帧置于FDDI的信封内 将此信封发送到FDDI骨干网上 第3步 封装网桥1对寻址到LAN1上设备的帧全都滤除 第4步 封装网桥2接收所有帧 去掉信封 检查目的地址 F的MAC地址 由于MAC帧地址不在本地LAN2上 于是将这些帧滤除 第5步 封装网桥3接收所有帧 去掉信封 检查目的地址 F的MAC地址 由于MAC帧地址处于本地LAN3 封装网桥3便使用LAN3的物理层和数据链路层协议将帧发给LAN3的工作站F 第6步 封装网桥4的操作与封装网桥2相同 第7步 封装网桥1将来自FDDI骨干网的帧从FDDI双环上撤离 源路由选择网桥主要用于互连令牌环网 图6 7是使用源路由选择网桥互连5个令牌环网的结构 源路由选择网桥与上述3种桥的一个基本区别是 源路由选择网桥要求信源 不是网桥本身 提供传递帧到终点所需的路由信息 信源是指数据的发送方 使用源路由选择网桥时 网桥不需要保存转发数据帧 它对帧实施转发和滤除的依据是帧信封内包括的数据 信源要想在发送数据时写入到达终点的路由 必须先通过 路由探询过程 来获得 路由探询有多种方法实现 本书中尺介绍其中的一种路由探询过程 以图6 7所示的网络为例 假定LAN1上的工作站A要将报文发往LAN5上的工作站B 其步骤如下 第1步 LAN1上的工作站A通过发送 探询 包来启动路径发现过程 探询包使用独一无二的信封 只有源路由选择网桥才能识别 第2步 每个源路由选择网桥一旦收到探询包 便将接收包的连接和自身的名字写到探询包的路由选择信息字段 第3步 网桥将包扩散到除本连接之外的所有连接上 提示 同一探询包的多个拷贝可能出现在LAN上 探询包的接收者也将收到多个拷贝 从源点到终点每一可能的通路便有一个拷贝 每个接收到的帧都包括由连接 网桥名字构成的系列表 该系列表列出了从源到终点的可能路径 第4步 工作站B根据最快最直接的原则选择一个路径 并向工作站A发回一个响应 该响应列出A到B由中间桥和LAN连接组成的特定路径 第5步 工作站A收到路径后 将其存储在存储器中 供其以后使用 这些报文包括在由源路由选择桥可以识别的不同类型的信封中 网桥接收到这种信封 只需对连接和网桥组成的表进行扫描就可获得转发信息 图6 7路由选择网桥互连5个令牌环网 6 3 3网络层互连设备 网络层的互连如图6 8所示 主要解决的问题是在不同的网络间存储和转发分组 互连的主要设备是路由器 图6 8网络层互连 1 路由器的功能 路由器是互联网的主要设备 它具有以下3个基本功能 1 连接功能路由器不但可以连接不同的LAN 还可以连接不同的网络类型 如LAN或WAN 不同速率的链路或子网接口 另外 通过路由器 可以在不同的网段之间定义网络的逻辑边界 从而将网络分成独立的广播域 因此 路由器可以用来做流量隔离 将网络中的广播通信量限定在某一局部 以免扩散到整个网络 并影响到其他的网络 2 网络地址判断 最佳路由选择和数据处理功能路由器为每一种网络层协议建立路由表并对其加以维护 路由表可以是静态的 也可以是动态的 在路由表生成后 路由器要每个帧的协议类型 取出网络层目的地址 并按指定协议的路由表中的数据来决定是否转发该数据 另外 路由器还根据链路速率 传输开销和链路拥塞等参数来确定数据包转发的最佳路径 在数据处理方面 其加密和优先级等处理功能有助于路由器能有效地利用宽带网的带宽资源 特别是它的数据过滤功能 可限定对特定数据的转发 例如 可以不转发它不支持的协议数据包 不转发以未知网络为信宿的数据包 不转发广播信息 从而起到防火墙的作用 避免广播风暴的出现 3 设备管理由于路由器工作在网络层 因此可以了解更多的高层信息 可以通过软件协议本身的流量控制功能控制数据转发的流量 以解决拥塞问题 还可以提供对网络配置管理 容错管理和性能管理的支持 路由器是一种智能型的设备 它的特点如下 路由器是在网络层上实现多个网络的互连 路由器能解决数据传输的最佳路径 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 2 路由器的相关概念 1 静态路由表由系统管理员事先设置好的固定路由表称之为静态 static 路由表 一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的 它不会随未来网络结构的改变而改变 2 动态路由表动态 Dynamic 路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整形成的路由表 路由器根据路由选择协议 RoutingProtocol 提供的功能 自动学习和记忆网络运行情况 在需要时自动计算出数据传输的最佳路径 3 路由器的类型路由器按照不同的划分标准有多种类型 常见的分类如表6 3所示 表6 3路由器的分类 本节只介绍接入级路由器 企业级路由器和骨干级路由器三种 1 接入路由器接入路由器不但提供SLIP或PPP连接 还支持PPTP和IPSec等虚拟私有网络协议 这些协议要能在每个端口上运行 例如ADSL等技术可以提高各家庭的可用带宽 这将进一步增加接入路由器的负担 2 企业级路由器企业级路由器的主要目标是以尽量低的成本实现尽可能多的节点互联 并进一步要求支持不同的服务质量QoS 有路由器参与的网络能够将机器分成多个碰撞域 并因此能够控制一个网络的大小 此外 路由器还支持一定的服务等级 至少允许分成多个优先级别 但是路由器的端口造价要贵些 并且在能够使用之前要进行大量的配置工作 因此 企业路由器的成败在于是否提供大量端口且端口的造价很低 是否容易配置 是否支持QoS 另外还要求企业级路由器有效地支持广播和组播 企业网络还要处理历史遗留的各种LAN技术 支持多种协议 包括IP IPX等 它们还要支持防火墙 包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN 3 骨干级路由器对骨干级路由器的要求是速度和可靠性 代价则处于次要地位 硬件可靠性可以采用电话交换网中使用的技术 如热备份 双电源 双数据通路等来获得 骨干IP路由器的主要性能瓶颈 是在转发表中查找某个路由所耗的时间 即当收到一个包时 输入端口在转发表中查找该包的目的地址以确定其目的端口 6 3 4高层互连设备 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 如图6 9所示 实现高层互连的主要设备是网关 图6 9高层互连 1 网关的功能 网关也叫网间协议变换器 它是比网桥与路由器更复杂的网络互连设备 网关可以实现不同协议的网络间的互连 包括不同网络操作系统的网络间的互连 也可以实现局域网与远程网间的互连 当两个完全不同的网络 不仅硬件不同 整体结构 数据类型和通信协议也可以完全不同 连接时 通常使用网关 如图6 10所示 图6 10网关连接的网络 2 网关的使用 网关用于以下几种场合的异构网络互连 1 异构型局域网 如互连专用交换网PBX与遵循IEEE802标准的局域网 2 局域网与广域网的互连 3 广域网与广域网的互连 4 局域网与主机的互连 当主机的操作系统与网络操作系统不兼容时 可以通过网关连接 3 网关的分类 按照不同的分类标准 网关也有很多种 目前 网关主要有三种 协议网关 应用网关 安全网关 协议网关 通常在使用不同协议的网络区域间完成协议转换 应用网关 是在使用不同数据格式间翻译数据的系统 安全网关 是各种技术的融合 具有重要且独特的保护作用 其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤 提示 交换机是一个非常重要的网络互连设备 在第5章 我们曾讲过根据OSI的分层结构 交换机可分为二层交换机 三层交换机 四层交换机 所以交换机设备即是数据链路层的互连设备 也是网络层和传输层及高层的互连设备 但某一具体的交换机仅工作在某一层 6 4实例 实例6 1图6 11是一个中小型校园网的拓扑结构图 请分析图中A B C D E F处各适合采用什么样的网络互连设备 图6 11中小型校园网的拓扑结构图 分析 A设备在网络中心的最顶层 它直接与互联网连接 同时内连校园网中的防火墙 故此处采用路由器比较适合 B设备连接着路由器和各建筑物的互连设备 这里适合采用交换机 考虑到现在高校的人数一般都比较多 计算机数量也比较多 为了方便管理 故此处宜选用支持VLAN的三层路由交换机 C D E F设备的作用是将各建筑内的计算机连接起来 所以我们只需根据每幢楼的计算机数量决定选择多少口的普通交换机即可 现在普通的交换机一般为24口 也有48口交换机 如果一幢楼的计算机超过这个数量 可以将交换机进行级联 也可以采用可堆叠的交换机进行堆叠 练习与思考 一 名词解释1 用所给定义解释以下术语 请在每个术语前的下划线上标出正确定义的序号 术语 1 网关 2 路由器 3 网桥 4 多协议路由器 5 互操作 6 互连 定义 A 数据链路层实现网络互连的设备B 将分布在不同地理位置的网络或设备相连构成更大规模的网络系统C 网络层实现网络互连的设备D 网络层互连设备 但互连的网络层协议不同E 在传输层及其以上高层实现网络互连的设备F 网络中不同计算机系统之间具有透明访问对方资源的能力 二 单项选择 1 在网络互连的层次中 是在数据链路层实现互连的设备 A 网关B 中继器C 网桥D 路由器2 我们所说的高层互连是指及其以上各层协议不同的网络之间的互连 A 网络层B 表示层C 数据链路层D 传输层 3 如果在一个采用粗缆