第五章 网络互连

1、 第五章第五章 网络互联网络互联网络互联概述n网络互联n 局域网与局域网互联n 局域网与广域网互联n 广域网与广域网互联n 网络互连的方式 利用网间连接器实现网络互联 通过互联网实现网络互联网络互连设备网络互连设备1 1、中继器、中继器n工作原理：由于数字信号在传输过程中，其高次谐波最工作原理：由于数字信号在传输过程中，其高次谐波最易衰减而使信号变形，电缆上的阻抗、容抗也会使信号易衰减而使信号变形，电缆上的阻抗、容抗也会使信号幅值和形状变小或失真，中继器在信号传输一定距离后幅值和形状变小或失真，中继器在信号传输一定距离后对其进行整形和放大，但不对信号作校验等其他处理。对其进行整形和放大，但不对

2、信号作校验等其他处理。n使用中继器进行网络互连，注意两点：使用中继器进行网络互连，注意两点：n使用中继器互连以太网不能形成环路。使用中继器互连以太网不能形成环路。n必须遵循必须遵循MAC协议的延时特性，不能用中继器将电缆无协议的延时特性，不能用中继器将电缆无限地连接起来。限地连接起来。1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端

3、传播时延记为 中继器n中继器是第1层网络设备n中继器的用途：在比特级上对网络信号进行再生和重定时，从而可以使它们可以在网络介质上传输更长的距离。n缺点：不能对网络流量进行过滤n使用中继器时注意：n用中继器连接的以太网不能形成环n必须遵守MAC协议定时特性，不能用中继器将电缆无限连接起来（四中继器原则）四中继器原则n在网络上的任何两台计算机之间不能安装超过4台的中继器或者放大式集线器。n该规则能保证当冲突发生时，冲突域中的每个节点都能知道已经发生了冲突。n5-4-3-2-1n网络的5个部分，4台集线器或中继器，网络的3个部分可以连接主机，两个部分是链路部分，1个大的冲突域（如图所示） 2 2、集

4、线器、集线器l实质：实质：一个多端口的中继器一个多端口的中继器l提供的服务：提供的服务：容许在一个或多个容许在一个或多个LANLAN中连接大量计算机中连接大量计算机减少多协议服务减少多协议服务巩固网络主干巩固网络主干实现高速通信实现高速通信l提供的接口：提供的接口：8 8口、口、1616口和口和2424口等。口等。具有三个端口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线n用多个集线器可连成更大的局域网 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网 一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器n优点n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。n扩大了局域网覆盖的地理范围。n

5、缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网用集线器扩展局域网 三种结构：三种结构：独立式（独立式（Stand alone）：）： 固定端口配置，扩充时用级连的方法固定端口配置，扩充时用级连的方法堆叠式（堆叠式（Stackable）：）： 固定配置，用堆叠方法进行扩充固定配置，用堆叠方法进行扩充堆叠连堆叠连接在一起的接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理，可统一管理模块化（模块化（Module）：）： 又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱又称机箱式，由一台带有底板、

6、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可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）求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）以以1台服务器，台服务器，3台台PC机为例：机为例： 一台一台HUB 4块块UTP接口的网卡接口的网卡 4台台PC机机 8个个RJ45接头（水晶头）接头（水晶头） 若干米若干米UTP双绞线双绞线 共享介质环境中的冲突和冲突域共享介质共享介质(多路访问多路访问)扩展介质扩展介质点到点点到点冲突和冲突域n在同一个网络上，当两个比特同时在进行传输时，就可能会发生冲突。n

7、一个网络上若有过多的网络流量则会导致严重的问题n在网络内部，数据分组产生和发生冲突的这样一个区域被称为冲突域n所有共享介质环境都是冲突域，一条线路可通过接插电缆、收发器、中继器和集线器与另一条线路进行连接，所有这些第1层互连设备都是冲突域的一部分n当冲突发生的时候，卷入到冲突的数据分组会受到逐位的破坏 工作站越多意味着冲突越多工作站越多意味着冲突越多中继器、集线器和冲突域n中继器会对比特进行再生和重定时，但是中继器不能对通过它们的业务流量进行过滤。中继器会把一个端口收到的信号转发到所有的端口n使用中继器会扩展冲突域的范围，在中继器两端的网络是一个大的冲突域n集线器也称多端口中继器，进入集线器一

8、个端口的任何信号都会再生、重定时而且被发送到其余的所有端口n中继器和集线器都是第1层的设备，因此它们不会对网络流量进行过滤。n如图所示冲突域：由一台集线器和中继器所扩展冲突域：由一台集线器和中继器所扩展3 3、网桥、网桥n网桥是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。网桥是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。n网桥工作在数据链路层，它根据网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧帧的目的地址对收到的帧进行转发。进行转发。n网桥的功能和作用网桥的功能和作用 功能：功能： （1）过滤和转发）过滤和转发 （2）学习功能）学习功能 作用：作用： （1）扩展网络的物理尺寸）扩展网络

9、的物理尺寸 （2）实现局域网之间以及远程局域网和局域网之间的互相连接）实现局域网之间以及远程局域网和局域网之间的互相连接 （3）连接不同传输介质的网络）连接不同传输介质的网络 网桥的内部结构网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥用网桥实现多个网段互连n过滤通信量。 n扩大了物理范围。n提高了可靠性。n可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处使用网桥带来的好处 n存储转发增加了时延。 n在MAC 子层并没有流量控制功能。 n具有不同

10、MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。n网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 使用网桥带来的缺点使用网桥带来的缺点 n集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。n网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。n若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。n在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。 n由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。 网桥和集线器（或转发器）不同网桥和集线器（或转发器）不同 4 4、路由器（、路由器（RouterRouter）n路由器实现网络

11、互连发生在网络层。n路由器是局域网和广域网之间进行互连的关键设备，通常的路由器都具有负载平衡、阻止广播风暴、控制网络流量及其提高系统容错能力等功能。n路由器能在多个网络和介质之间提供网络互连能力，用路由器可以实现多个网络互连。路由器的特点及分类路由器的特点及分类路由器最突出的特点：路径选择功能路径选择功能路由器的分类：p 近程路由器和远程路由器近程路由器和远程路由器p 内部路由器和外部路由器内部路由器和外部路由器p 静态路由器和动态路由器静态路由器和动态路由器p 单协议路由和多协议路由器单协议路由和多协议路由器5 5、网关、网关n网关又称信关，它所实现的网络互连发 生在网络层上，是网络层以上的

12、互连设备的总称。n可以对LAN和WAN进行网络互连。6 6、交换机、交换机n交换机又称交换式集线器，分第二层交换机、第三层交换机和高层交换机。n主要特点：所有端口平时都不连通。n交换机的最大优点：整个局域网总的可用带宽就是：N*10 Mb/s。n交换机的交换方式：直通方式和传统的存储转发方式。n交换机的三种功能n生成树协议n几种交换方法交换机的三种功能n地址学习地址学习n转发转发/过滤过滤n避免环路避免环路地址学习 初始初始 MAC 地址表是空的地址表是空的MAC 地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E

13、1E2E3ABCD地址学习 A站发送一帧到站发送一帧到C站站 交换机通过学习数据帧中的源地址缓存交换机通过学习数据帧中的源地址缓存A站站MAC地址对应端口地址对应端口E0表项表项 A站发送到站发送到C站的帧被洪泛输出到除站的帧被洪泛输出到除E0以外的所有其它端口以外的所有其它端口MAC 地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBA地址学习 D站发送一帧到站发送一帧到C站站 交换机通过学习数据帧的源地址缓存交换机通过学习数据帧的源地址缓存D站站MAC地址对应

14、端口地址对应端口E3表项表项 D站发送到站发送到C站的帧被洪泛输出到除端口站的帧被洪泛输出到除端口E3以外的所有其它端口以外的所有其它端口MAC 地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E3: 0260.8c01.4444E0E1E2E3DCAB过滤nA站发送一帧到C站n目的已知，帧不被洪泛，直接输出到端口E2E0: 0260.8c01.1111E2: 0260.8c01.2222E1: 0260.8c01.3333E3: 0260.8c01.44440260.8c01.11

15、110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMAC address table交换机转发信息的方式nCut-through（直通方式）n交换机检查目的地址并立即开始转发帧FrameFramenStore and forward（存储转发方式）n帧被完全接收，转发之前要对帧进行校验FrameFrameFramenFragment free（无碎片直通方式） (modified cut-through)n交换机检查开始的64个字节然后立即开始转发帧哪种方式速度最快？哪种方式速度最快？比较三种方式的优缺点比较三种方式的优缺点冗余

16、拓扑n冗余拓扑可以消除单点造成的失败n冗余拓扑会导致广播风播，多帧复制等问题Server/host X网段网段 1网段网段 2Router Y交换机交换机A交换机交换机B广播风暴网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 广广 播播交换机交换机 A交换机交换机 B多帧复制 主机主机 X 发送一单播帧到路由器发送一单播帧到路由器Y 路由器路由器 Y MAC地址还没有被交换机学习到地址还没有被交换机学习到 路由器路由器 Y 将接收到两个相同的帧将接收到两个相同的帧网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 单单 播播交换机交换机 A交换机交换机 B

17、单单 播播 单单 播播解决办法：生成树协议将部分端口设为阻塞状态将部分端口设为阻塞状态阻塞阻塞x生成树协议 每个网络一个根桥（标识号最小的桥）每个网络一个根桥（标识号最小的桥） 每个非根桥一个根端口每个非根桥一个根端口 每个网段一个指定端口每个网段一个指定端口x指定端口指定端口 (转发转发)根端口根端口 (转发转发)指定端口指定端口 (转发转发)非指定端口非指定端口 (阻塞阻塞)根桥根桥非根桥非根桥SW XSW Y100baseT 10baseT生成树协议-根桥的选择交换机交换机 X X缺省优先权：缺省优先权： 32768 32768 MAC 0c0011111111MAC 0c0011111

18、111 BPDU = 桥协议数据单元桥协议数据单元根桥根桥 = 最小桥标识号最小桥标识号桥标识号桥标识号= 桥优先权桥优先权 +桥桥MAC地址地址上图中哪个交换机标识号最小上图中哪个交换机标识号最小?交换机交换机 Y Y缺省优先权：缺省优先权： 32768 32768 MAC 0c0022222222MAC 0c0022222222BPDU生成树协议端口状态 交换机交换机 Y Y缺省优先权：缺省优先权： 3276832768MAC 0c0022222222MAC 0c0022222222交换机交换机 X X缺省优先权：缺省优先权： 32768 32768 MAC 0c0011111111MAC 0c0011111111根桥根桥x