通信系统第18章

1、第18章 网络互连技术 通信系统第18章 第18章 网络互连技术 18.1 网络互连的基本概念网络互连的基本概念 18.2 网络互连的层次网络互连的层次 18.3 网络互连的方式网络互连的方式 18.4 网络互连设备网络互连设备 18.5 网络互连协议网络互连协议 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 18.1 网络互连的基本概念网络互连的基本概念 网络互连是指将分布在不同地理位置的网络、 设备相互连 接，以形成更大规模的网络系统，实现各网络资源的共享。互 连网络和设备可以是同种类型的，也可以是异种类型的，还可 以是运行不同协议的设备和系统。 在互连网络中， 每个互连 的网络资源都应成为互

2、连网络中的资源。但是，互连网络的资 源共享服务与物理网络结构是分离的。而对于网络用户来说， 互连网络的结构对用户是透明的， 互连网络应该屏蔽各子网的 网络协议、 服务类型及网络管理方面的差异。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 18.2 网络互连的层次网络互连的层次 网络互连从通信协议的角度来看可以分成四个层次： (1) 物理层： 使用中继器在不同的电缆段之间复制位信号。 (2) 链路层： 使用网桥在局域网之间存储转发数据帧。 (3) 网络层： 使用路由器在不同的网络之间存储转发分组。 (4) 传输层及以上： 使用协议转换器也称网关提供更高层 次的接口。 第18章 网络互连技术 通信系

3、统第18章 1 2 3 4 5 6 7 111 2 3 4 5 6 7 站点A站点B 中继器 局域网段A局域网段B 1 2 3 4 5 6 7 111 2 3 4 5 6 7 站点A站点B 网桥 局域网段A局域网段B 2 (a)(b) 1 2 3 4 5 6 7 111 2 3 4 5 6 7 站点A站点B 路由器 网际A网际B 1 2 3 4 5 6 7 111 2 3 4 5 6 7 站点A站点B网关 网络A网络B 5 (c)(d) 22 3 22 33 4 6 7 图 18.1 互连设备的功能层次 (a) 中继器； (b) 网桥； (c) 路由器； (d) 网关 第18章 网络互连技术

4、通信系统第18章 18.3 网络互连的方式网络互连的方式 互连互连 在实际应用中， LAN-LAN互连是最常见的一种。LAN- LAN互连中需要使用网络互连设备，在20世纪80年代末和90年 代初发展起来的像网桥(Bridge)、有交换作用的集线器 (Switching HUB)、路由器(Router)等设备， 在连网技术中的应 用日益广泛，特别是在微型机、工作站型小型机、小型机、 中 大型主机都趋向于连接到局域网上，且以局域网作为网络通信 组成单元应用的情况下，使用这类连网设备可以简化网络的连 接， 提高数据通信网络的效率，有利于数据通信网络应用的发 展。 第18章 网络互连技术 通信系统第

5、18章 网桥工作在数据链路层，依据功能情况，可以把它们分成 透明的网桥、 转换协议的网桥、改变数据封装的网桥等多种。 透明的网桥用于同种类型的LAN的互连， 它们之间不涉及通信 协议的转换；改变封装的网桥有能力改变每种通信协议所规定 的数据的封装，使之适应与其相连的另一个LAN对数据的封装 规定， 用于诸如以太网和FDDI网的互连。 交换式集线器是一种较新的产品，它也工作在数据链路层， 除了集线器的功能外，能以高的数据速率实现不同类型的LAN 的互连(当然也可实现同类型LAN的互连)， 它特别适用于较多 的LAN都要求以高速实现网络互连的情况。例如， 在校园网的 构造中， 特别是用FDDI作为

6、主干网络的校园网的结构情况。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 图 18.2 用交换式HUB连接LAN-LAN 共享HUB 交换式HUB交换式HUB FDDI 主机 路由器 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 路由器是网络互连设备中的一种较高层次产品，它工作在 网络层，最主要的特点是它具有寻址的能力，不仅是在互连的 LAN结构中，它可以对网络中的任何一个节点工作站寻址，把 数据分组正确地送达目的地节点。 在范围更大的广域网中， 它 可以用本身在网络中的惟一的编址正确地在广域网中发送和接 收信息报文。 路由器可以接入多种协议的网络， 如以太网、 令牌环网、FDDI和使用中或大型主机

7、通信协议的网络(如DEC、 SNA等)，也可接广域网络， 如有X.25的端口。此外，路由器还 是一种有高度智能化的设备，它使用高档的微处理器，如68030、 68040等，作为中央处理器，用调整的内部总线连接各种网络协 议的接口卡，它具有网络管理系统的软件功能，带有监视器， 监视和显示与路由器相连接的一些网络设备以及它们的配置与 运行情况， 网桥则不具备这些功能。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 互连互连 图 18.3 采用路由器连接远程网络 X.25 路由器 北京1300 北京1000 广州4000 路由器 大连2000 路由器 上海3000 上海3500 第18章 网络互连技术

8、通信系统第18章 互连互连 1. 无连接的网际互连方式无连接的网际互连方式 无连接互连方式是采用互联网协议IP，通过IP路由器将网络 互连起来的。这里加上“无连接”是为了强调这种互连方式向 传输层提供的是无连接服务。 也就是说，不论互连的各子网之 间有多少差异，比如提供无连接服务的以太网还是提供面向连 接服务的X.25网，当上升到互连网络层时，整个网络都是按同 一个IP协议来工作，向传输层提供无连接服务的。 当今， 十分 流行的Internet采用的就是这种互连方式。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 2. 面向连接的网际互连方式面向连接的网际互连方式 由于分组交换采用的X.25协议，

9、提供面向连接的服务，虽 然可用IP实现其互连，但不能充分利用所提供的面向连接服务。 基于此点，CCITT(现为ITU-T)于1978年提出了用于实现X.25公 用数据网互连的X.75建议书，作为X.25协议的一种补充， 在 1984年又提出了X.75的修改版本，用以实现面向连接的网际互 连。 因此， 实现面向连接的网际互连的前提是被连子网提供面 向连接的服务。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 18.4 网络互连设备网络互连设备 网络互连设备是实现网络互连的关键，主要有四种类型： 中继器、网桥、路由器以及网关， 这些设备相对于OSI参考模型 的不同层。 中继器在OSI参考模型的第一层建

10、立LAN-LAN的连 接，网桥在第二层，路由器在第三层， 网关则在第四至第七层。 每种互连网络设备提供的功能与OSI参考模型规定的相应层的功 能一致， 但它们都可以使用所有低层提供的功能。表18.1列出了 互连设备的作用。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 表表18.1 互连设备的作用互连设备的作用 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 中继器中继器 互联网中最简单的设备是中继器(Repeater)， 它的作用是放 大电信号，提供电流以驱动长距离电缆。它工作在OSI模型的最 低层(物理层)，因此只能用来连接具有相同物理层协议的LAN。 对于数据链路层以上的协议来讲， 用中继器互连起

11、来的若干段 电缆与单根电缆之间并没有差别(除了有一定的时间延迟)。中继 器主要用于扩充LAN电缆段的距离限制。如粗缆以太网，由于 收发器只能提供 500 m的驱动能力，而MAC(介质访问控制)协 议的定时特性允许粗以太网电缆最长为2.5 km，这样在每隔500 m的网段之间就要利用中继器来连接。值得注意的是， 中继器 不具备检查错误和纠正错误的功能，因此错误的数据经中继器 后仍被复制到另一电缆段。另外，中继器还会引入时延。 使用 中继器时应注意两点： 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (1) 用中继器连接的以太网不能形成环。 (2) 必须遵守MAC协议定时特性，即不能用中继器将电缆 段

12、无限连起来。例如，一个以太网上最多有四个中继器，连接 五个电缆段。 巧用中继器，可以让总线型以太网适用多种布线结构变化。 如一幢办公大楼分成多层，如果用逐层电缆绕线，不但浪费电 缆， 而且出故障时查找也不方便； 社果用一根垂直的电缆穿过 大楼，每层用中继器引入一水平电缆连起来则十分方便， 这种 配置一般垂直电缆用粗线， 水平电缆用细电缆。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 网桥网桥 网桥(Bridge)是一种在OSI参考模型的第二层(数据链路层) 实现局域网互连的设备。它在两个局域网段之间对链路层帧进 行接收、存储与转发， 它把两个物理网络(段)连成一个逻辑网 络，使这个逻辑网络的行为

13、看起来就像一个单独的物理网络一 样。 网桥独立于高层协议， 或者说与高层协议无关。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 网桥通过数据链路层的逻辑链路控制子层(LLC)来选择子网 路由。它接受完全的链路层帧，并对帧作校验，然后查看介质 访问控制层(MAC)的源地址和目的地址以决定该帧的去向。网 桥在转发一帧前可以对其作一些修改， 如在帧头加入或删除一 些字段。由于网桥与高层协议无关，原则上桥可以用于结构与 协议不同的网络互连。不过， 在实际应用中，网桥只用于连接 两个协议一致的局域网，且这两个网络采用相同的网络操作系 统， 如两个采用802.X协议的Netware局域网。 第18章 网络互

14、连技术 通信系统第18章 网桥类型主要有以下三种分类方法： (1) 根据网桥连接的范围，分为本地网桥和远程网桥。通过 常规的网络电缆系统连接本地的两个网段的网桥称为本地网桥。 通过电话线或者除常规网络电缆系统之外的介质连接两个远地 网段的网桥称为远程网桥， 见图18.4。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 图 18.4 本地网桥和远程网桥 (a) 本地网桥； (b) 远程网桥 网桥 (a) (b) 本地网段1本地网段2 网桥网桥公用网 网段1网段2 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (2) 根据网桥是运行在服务器上还是作为服务器外的一个单 独的物理设备，可以将桥分为内部桥(内桥

15、)和外部桥(外桥)。 内 部桥驻留于文件服务器中做为文件服务器的一部分来运行， 也 可以运行在一台专用计算机中。 它通过网络操作系统连接分开 的网络电缆拓扑结构或分开的网络系统， 如图18.5所示。内桥 不要求另外的软件， 而且安装方便， 不足之处是文件服务器和 网桥软件一起工作， 占用了文件服务器的资源， 当文件服务器 的负载较重时，可能会明显降低它的响应速度。因此， 建议在 文件服务器的负载不是很重时， 才考虑使用内桥。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 图 18.5 用内部桥连接两个网段 服 务 器 兼用桥 本地网段1本地网段2 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (3)

16、根据网桥的路由选择方法可分为IEEE 802委员会制定的 两种网桥类型：透明网桥(Transparent Bridge)和源路由网桥 (Source Routing Bridge)。 透明网桥类似于一个黑盒子， 对网上 主机完全透明。 它的主要优点是安装和管理十分方便， 且与现 有的IEEE 802产品兼容。 缺点在于不能选择最佳路由，因而无法充分利用冗余的网 桥来分担负载。源路由网桥是由源站负责路由选择，从理论上 来说，它可以选择最佳路由， 因而可以充分利用冗余的网桥来 分担负载，但实际实现起来并不容易。特别是在一个规模不大 的网络中，透明网桥的缺点并不严重，而其优点却很明显，所 以目前市场

17、上的大多数网桥为透明网桥。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 路由器路由器 1. 路由器的功能路由器的功能 路由器(Router)是工作在OSI参考模型的第三层(网络层)上的 网络互连设备。路由器的主要功能如下： (1) 在网络间截获发送到远地网络段的网络层数据分组， 并 转发出去。 (2) 为不同网络之间的用户提供最佳的通信路径。 (3) 子网隔离，抑制广播风暴。任何子网中的广播包都将截 止于路由器， 因为路由器并不转发广播信息包。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (4) 维护路由表，并与其它路由器交换路由信息， 这是网络 层数据分组转发的基础。 (5) 数据报的差错处理，

18、 拥塞控制。 (6) 实现对数据报的过滤和记账。 (7) 利用网际协议，可以为网络管理员提供整个网络的有关 信息和工作情况，以便于对网络进行有效管理。 (8) 可进行数据包格式的转换， 实现不同协议、 不同体系结 构网络的互连能力。 例如，路由器可以用TCP/IP协议把以太网 连到X.25网络上。一般来说，局域网和广域网的互连必须通过路 由器才能实现。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 2. 路由器的分类路由器的分类 (1) 从支持网络协议能力的角度考虑， 可把路由器分为单 协议路由器和多协议路由器。单协议路由器只能应用于特定的 协议环境，一般是生产厂商为某种特定的网络协议相配套而开

19、发的，只能作为一种短期的低成本的解决方案。多协议路由器 可支持当前流行的多种网络协议，具有广泛的适应性；它提供 一种管理手段来允许/禁止某些特定的协议，但它并不提供各种 协议之间的转换。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (2) 从成本的角度考虑，路由器又可分为访问(Access)路由 器和边界(Boundary)路由器。访问路由器主要用来连接远程节 点或者工作组进入主干网。 一般由1个LAN接口、2或3个WAN 接口和2或3个网络层协议(通常包括IP协议)组成， 属于传统的 路由体系结构；边界路由器建立了一种特殊的路由体系结构， 其结构特点是用一个中央交换路由器来连接所有的外围、 边

20、界 路由器或远程网桥(也可作为一种边界设备)。 (3) 根据路由器连接的范围和能力，还可分为区域路由器、 企业路由器以及园区路由器。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (4) 路由器产品按照性能和价格的高低，分为高、中、 低 等三个档次。高档路由器构成企业互联网的主干，支持所有的 路由协议和网络传输协议， 支持多达几十种广域网和局域网 接口类型；中档路由器一般用于大型企业中连接主干网设备， 也可用于构造小型企业主干网；低档路由器一般作为访问路由 器， 用于将一些小规模的端点接入企业主干网。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 3. IP路由器路由器 图 18.6 基于IP路由器的

21、网络互连模型 IP 站A LLC1 X.25-3 MAC1X.25-2 PH1X.25-1PH1 MAC1 LLC1 IP TCP IP路由器1IP路由器2 IP LLC2X.25-3 MAC2X.25-2 PH2X.25-1 站B PH2 MAC2 LLC2 IP TCP LAN1X.25网LAN2 1 2 345678 MAC2-HLLC2-HMAC-T DL2-HN2-HDL2-T DL1-HN1-HDL1-T MAC1-HLLC1-HMAC-T IP-H T-H数据101 92 43 5 6 87 10 9 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 网关网关 网关(Gateway)实现

22、的网络互连发生在网络层以上，它是网 络层以上的互连设备的总称，对于网络体系结构差异比较大的 两个子网，从原理上来讲，在网络层以上实现网络互连是方便 的。 对于LAN和WAN而言，下面三层的结构差异比较大， 它们 之间的耦合是十分复杂甚至是不可实现的， 因而习惯上大多数 情况都是采用网关进行网络互连的。 选择网络互连的层次越高，互连的代价就会越大，效率也 会越低，但是能够互连差别更大的异构网。目前，国内外一些 著名的大学校园网的典型结构通常是由一主干网和若干段子网 组成的。 主干网和子网之间通常选用路由器进行连接。子网内 部常常有若干局域网，这些局域网之间采用中继器或者网桥来 进行连接。 校园网

23、和其它网络， 如公用交换网络、卫星网络和 综合业务数字网络等， 一般都采用网关进行互连。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 18.5 网络互连协议网络互连协议 协议协议 X.75协议是对X.25协议的补充，它用于各种X.25网络之间 的互连。X.75规定了信号终端设备STE之间的接口关系， 用作 两个X.25网中的DCE级间连接。图18.7描述了X.75协议的互连 原理。 下面分析X.75连网的工作过程。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 图 18.7 X.75连接X.25网络 (a) 网络互连； (b) 协议 (a) STE DCE 网络D B STE HDTEDCE STE

24、 DCEHDTE网络B A HDTEDCESTESTE DTE H HDTEDCEDCEHDTE网络A STE 网络C 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 X.25网络内部 (网络C) X.75网络内部 (网络D) X.25 (b) ADTEDCESTESTEDCEDTE B 图 18.7 X.75连接X.25网络 (a) 网络互连； (b) 协议 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 协议协议 1. IP协议的作用协议的作用 IP协议位于网络层，其作用是向传输层提供统一的IP数据 报。 IP协议通过将各种物理网络，如以太网、分组交换网等所 采用的不同的帧结构变成统一的IP数据报，

25、向上层协议屏蔽了 下层物理网络的差异，实现了网络的互连， 使Internet上的用户 感觉不到差异，从而将Internet网当作单一的、巨大的网络。 可 以说，IP协议把Internet中众多网络和连接它们的路由器变成了 一个无缝的通信系统。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 2. IP协议的功能协议的功能 IP协议的主要功能如下： (1) 寻址。为了在Internet各主机间传送信息，必须为各主机 定义地址。 而地址的定义由IP协议规定。 (2) 路由选择。每个IP数据报从源地址出发往往需要经过一 系列的中间节点才能到达目的地址。在数据报经过每个中间节 点时， 都根据IP协议的规定，

26、 通过检查路由表确定通往目的地 址的下一个中间节点的地址，也就是说，路由表指明了去往目 的主机应当经过的路径。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 图 18.8 IP数据报格式 数据 总长度服务类型报头长度版本 数据(变长) 任选项(0或多项)填充 目的IP 地址 生存期协议 标识标志 分段位移 0371531 报 头源IP 地址 报头校验和 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 (3) 分段和组装。由于Internet中各物理网络所规定的分组 大小各不相同， 因此IP协议必须提供分段和组装功能。实现的 方法是：当IP数据报经过某一物理网络需要分段时，每个分段 都将原来数据报所具有的

27、、惟一的“标识符”包含在内，“标 志”和“分段位移”决定了每一个分段的排列顺序， 而分段 的组装则由目的主机完成。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 3. IP数据报格式数据报格式 在IP协议中传输的数据单元为数据报，也称IP数据报，它 由报头和数据两部分组成。 报头被分成32比特的整数倍， 格式如图18.8所示。 版本指示IP协议的版本号，占4比特。目前，流行的版本号 为IPv4， 而IPv6将是下一代的网际协议； 报头长度占4比特， 指示报头的长度； 服务类型占8比特， 指示如何处理数据报， 如指示数据报的优先级及所需要的服务类型； 总长度指示整 个IP数据报的长度，包括报头和数据， 最大长度为65 535字节。 第18章 网络互连技术 通信系统第18章 标识符、标志和分段位移三个域用来控制数据报的分段和 重组。分段可以在任何需要的中间路由器上进行，而重组仅在 目的主机进行。标识符是IP协议赋予数据报的标志，目的主机使 用该标志来确定新到分段属于哪一个数据报； 标志位有3比特， 指明该数据报是否分段； 分段位移标明该数据报中的数据在数 据分段前的位置， 便于重新组装。生存期(TTL)域标明允许该数 据报在网上存留的时间， 通常由发送端设为15 s或30 min， 在规定时间内未到达目的地，该数据报必须舍弃；协议域表示 处理该数据报的高层协议类型，如TCP是6，