网络互联与设备

1、第6章 网络互联与设备6.1 网络互联的基本概念6.2 局域网互联设备和应用6.3 路由器与网关6.4 网络互联技术6.5 扩展读物本章要点本章讲述网络互联的基础知识。主要涉及网络互联的基本概念，局域网互联设备、路由器、网关等基础知识和一般应用，常用的网络互连技术。具体内容概括如下。（1）网络互联的基本概念。主要介绍网络互联基本概念；网络互联的4种主要类型；网络互联的3个层次数据链路层互联、网络层互联和高层互联。（2）局域网连接设备和应用。主要介绍网络适配器、中继器、集线器、网关和以太网交换机等局域网连接设备的主要工作原理和特点，以及这些设备的基本使用。（3）网络互联设备与应用。主要介绍路由器

2、和网关的特点、主要工作原理、以及基本使用。（4）网络互联技术。主要介绍光纤分布式数据接口（FDDI）、综合业务数字网（ISDN）、公共分组交换数据网（X.25）、数字数据网（DDN）、帧中继（Frame Relay）、ADSL和ATM技术等网络互联采用的技术的基本特征、适用范围和基本用途。学习目标理解网络互联、互通和互操作等基本概念熟悉网络互联类型、层次的区分方法和主要特征了解网络适配器、中继器、集线器和交换机在局域网互联中的作用、特点和工作方式理解以太网交换机中二层交换机和三层交换机的相同和不同之处理解交换机信道的工作特点能区别网桥、路由器和网关等网络互联设备的技术特征、应用环境和工作方式了

3、解光纤分布式数据接口、综合业务数字网、公共分组交换数据网、数字数据网、帧中继、ADSL和ATM技术等基本特点和应用重要术语 光纤分布式数据接口（FDDI）：Fiber Distributed Data Interface综合业务数字网（ISDN）：Integrated Services Digital Network非对称数字用户线路（ADSL）：Asymmetric Digital Subscriber Line模拟传输：Analog Transmission 互联：Interconnection互通：Intercommunication互操作：Interoperability网关：Gate

4、way应用网关：Application Gateway路由器：Router网桥：Bridge透明网桥：Transparent Bridge中继器：Repeat集线器：Hub交换机：Switch直通交换：Cut Through存储转发交换：Store Forward无碎片交换：Fragment Free网络适配器（NIC）：Network Interface Card数字数据网（DDN）：Digital Data Network帧中继（FR）：Frame Relay异步传输模式（ATM）：Asynchronous Transfer Mode 6.1 网络互联的基本概念6.1.1 网络互联的概述6

5、.1.2 网络互联的层次6.1.1 网络互联的概述1网络互联的要点网络互联是指把网络与网络连接起来，在用户之间实现跨网络的通信与操作的技术。在互联网络中，每个网络中的网络资源都应成为互联网中的资源。互联网络资源的共享服务与物理网络结构是分离的。互联网络结构对于网络用户是透明的，且屏蔽了各子网在网络协议、服务类型与网络管理等方面的差异。 网络互联的基本要求如下。（1）在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理和链路控制的链路。（2）在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据。（3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。（4）协调各个网络的不同特性。6.1.1 网络互联的概述2网络互联类型计算机网络

6、从传输距离上可以分为局域网、城域网和广域网3类，所以网络互联的类型主要有：l 局域网（LAN）局域网（LAN）l 局域网（LAN）广域网（WAN）l 局域网（LAN）广域网（WAN）局域网（LAN）l 广域网（WAN）广域网（WAN） 6.1.1 网络互联的概述802.5LAN网关WAN-WAN网关WAN802.3 LANX.25WANLAN-WAN网桥LAN-WAN802.3 LAN网关LAN-WAN-LAN802.4 LAN6.1.2 网络互联的层次1数据链路层互联数据链路层互联的设备是网桥（Bridge）。网桥可用于局域网之间的连接，也能支持局域网的远程连接，它在网络互联中起到了数据接收

7、、地址过滤与数据转发的作用。用网桥实现数据链路层互联时，互联网络的数据链路层与物理层的协议可以相同，也可以不同。2网络层互联网络层互联主要是解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。网络层互联的设备是路由器（Router）。路由器提供了各种速率的链路或子网接口，参加管理网络。用路由器实现网络层互联时，互联网络的网络层与以下各层的协议可以相同，也可以不同。3高层互联高层互联的设备是网关（Gateway）。传输层及以上各层协议不同的网络之间的互联属于高层互联。高层互联使用的网关大多是应用层网关，简称应用网关（Application Gateway）。用应用网关实现高层互联时，允许两个网络的

8、应用层及以下各层网络协议是不同的。 6.2 局域网互联设备和应用6.2.1 网络适配器6.2.2 中继器6.2.3 集线器6.2.4 网桥6.2.5 以太网交换机6.2.1 网络适配器网络适配器（Network Interface Card，NIC）简称网卡，是计算机与传输介质的接口。目前常用的网卡是PCI总线接口网卡（Peripheral Component Interconnect，外围设备互连）。网卡是工作在OSI模型物理层和数据链路层的接口设备。网卡通常包括RAM、EPROM、DSP芯片（也称数字信号处理器）、主机总线接口和物理链路接口、收发器（用于接收和发送物理层传输的信号）等部件。

9、数据链路控制器EDLC曼彻斯特编码/译码器MCC内部接收器RJ-45BOOTROM主机接口控制ASIC站地址EPROM缓冲区RAM主机系统总线6.2.1 网络适配器网卡的存储器（EPROM）中保存了一个全球唯一的网络节点地址，这个地址被称为介质访问控制（Media Access Control，MAC），又叫硬件地址或网卡地址，由网卡生产厂商在生产网卡时写入网卡的EPROM芯片中。以太网的介质访问控制方法（CSMA/CD）是在网卡内部实现的。具体步骤如下。（1）在发送数据时，网卡首先侦听传输介质上是否有载波信号，一直到侦听到传输介质内没有载波信号了，则开始传输数据。（2）网卡在数据传输中继续侦

10、听传输介质，如果检测到信号冲突，则立即停止该次的信号发送，并等待一段时间后，再重新发送数据信号。如果数据经过多次重传后仍然发生冲突，就放弃发送。（3）在接收数据时，网卡查看传输介质上的数据信号，如果发现数据帧中的目的地址与本网卡地址相同，并对数据帧进行差错检测。检验正确的数据帧，网卡才会接收。6.2.2 中继器中继器是工作在OSI模型物理层的互联设备，实现两个网络之间的电气连接。因此，中继器只能用于连接两个相同的局域网，其作用是把一个局域网中传输的电信号增强后再传送到另一个局域网上。中继器要求网络是同类型的，而且采用相同的协议和速率，且起到了维持通过局域网的信号电平，从而扩展了局域网段的长度。

11、如图所示显示了一个中继器连接两个相同类型的局域网。 6.2.3 集线器集线器（Hub）一般认为工作在OSI模型的物理层，是将局域网中节点的线缆集中在一起的设备，主要作为网络连接的中心点，通常联网的节点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。使用集线器连接网络的特点是：当网络中某条线路或某个节点出现故障时，不会影响网络上其他节点的正常工作。6.2.4 网桥网桥（Bridge）是工作在OSI模型数据链路层的互联设备。数据链路层包括MAC子层及LLC子层，因此网桥也分为MAC子层网桥和LLC子层网桥。MAC网桥只能连接相同的局域网，而LLC网桥能连接不同的局域网。 网桥可分为透明网桥（Transparent

12、Bridge）和源路由选择网桥。（1）透明网桥可以连接以太网、令牌环网和FDDI网，但主要应用在以太网中。透明网桥的特点是：数据帧在传输时，路径的选择由网桥决定。（2）源路由选择网桥也可以连接以太网、令牌环网和FDDI网，但主要用于连接令牌环网和FDDI网。源路由网桥的特点是：网络中的源节点在发送数据帧时，已知道目标节点的最佳路径。网桥中不存放地址数据表，源节点将到目标节点的最佳路径插入到数据帧的头部。网桥根据帧头中的地址信息转发数据帧。 6.2.4 网桥1透明网桥透明网桥有3个主要功能：地址学习、数据帧过滤和转发。在网桥中保存着一个地址数据表，用于存放网桥端口和MAC地址（相连网段中计算机的

13、MAC地址）。该表是自动地、动态地和自主地建立的。即通过自学习的方式，不需要网络管理员与配置协议的干预。自学习和转发过程如下。（1）地址数据表初始为空。（2）当一个数据帧到达网桥的一个端口时，网桥检索地址数据表，如果发现该帧的目的地址不在表中，则网桥将该数据帧复制到所有其他端口（除了进入端口）的缓冲区中，该帧被广播到与该端口相连的网段中。（3）当一个数据帧到达网桥的一个端口时，并且该帧的目的地址在表中，网桥将该帧转发到合适的端口。如果在一段时间后，没有接收到以表中某一个地址作为源地址的数据帧，网桥将表中这个地址删除。6.2.4 网桥6.2.4 网桥2源路由选择网桥源路由选择网桥主要用于连接令牌

14、环网和FDDI网。源路由选择网桥可用于将大型的令牌环网和FDDI网分成多个网段，以提高网络的性能。与透明网桥将路由信息放置在网桥中相反，源路由选择网桥将路由信息交给源节点处理。源路由选择网桥要求信息源（不是网桥本身）提供传递帧到终点所需的路由信息，网桥对帧实施转发和过滤的依据是帧头部包含的路由信息。 6.2.4 网桥3网桥的主要性能（1）网桥可以连接两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络。（2）网桥接收从两个局域网介质传来的各帧，然后根据帧的目的地址，有选择地把从一个网络来的链路帧重新发送到另一个网络上去，实现通信。（3）网桥互联的网络在数据链路层以上采用相同的协议。（4

15、）网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互联网络的性能与安全性。（5）网桥对更高层次的协议是透明的，即用户看不到它们的存在，这样互联的网络看起来就像一个单一的逻辑网络。用网桥连接局域网时，当网段之间的数据传输量较大时，网桥可能成为网络的数据传输瓶颈，从而降低网段之间的通信速度。 6.2.5 以太网交换机交换机（Switch）是交换式局域网的核心设备，属于OSI模型中的数据链路层设备，由多端口的网桥发展而来。用交换机互联可以带来下列好处。（1）交换机允许各个网段之间的通信，同时每个网段是独立的广播域。（2）可以互联不同速度和类型的网段，且对网络的大小没有限制。（3）交换机各端口独享交换

16、机的带宽，可实现全双工通信，例如，1台100Mb/s的24口交换机，其每个端口理论上均可同时达到100Mb/s的速率。6.2.5 以太网交换机1交换机性能指标影响交换机性能的指标主要是MPPS和背板带宽。MPPS是Million Packet Per Second的缩写，即每秒可转发多少个百万数据包。2交换机分类以太网交换机有多种分类方法。从外观形态和功能上可分为模块式交换机和固定端口交换机。从应用规模上可分为企业级交换机、部门级交换机、工作组级交换机等。从实用角度上可分为低端固定交换机、低端可变端口交换机、中型交换机和高端交换机等。3交换机工作方式交换机的工作方式是存储转发，它将某个端口发送

17、的数据帧先存储在该端口的缓冲区，通过解析数据帧，获得目的MAC地址，然后在交换机的MAC地址与端口对应地址表中，检索该目的主机所连接到的交换机端口，找到后就将数据帧从源端口直接复制到目的端口缓冲区中，转发到该网段或主机。6.2.5 以太网交换机4“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护以太交换机是利用“端口号/MAC地址映射表”进行数据交换的，因此该表的建立和维护十分重要。交换机利用“地址学习”方法来动态建立和维护地址表。5交换机的交换方式（1）直接交换交换机的直接交换（Cut Through）方式是指交换机一旦接收到数据帧头，立刻检查和读出帧中的目的地址信息，查询端口的地址表，如果有该地址项

18、，就把该帧转发到相应端口，交换控制器不作任何处理。直接交换的优点是延迟较小；缺点是坏帧也会转发出去。（2）存储转发交换存储转发交换（Store Forward）与直接交换不同的是增加了一个高速缓冲存储器。（3）无碎片交换无碎片交换（Fragment Free）综合了直接交换和存储转发交换的优点，也称为改进的直接交换。6.3 路由器与网关6.3.1 路由器6.3.2 网关6.3.1 路由器路由器（Router）是一种能连通不同的网络或网段的互联设备，工作在OSI模型的网络层，是目前用来构建Internet骨干网的核心互联设备。1路由器的结构从体系结构上看，路由器可以分为：第一代单总线单CPU结构

19、路由器；第二代单总线主从CPU结构路由器；第三代单总线对称式多CPU结构路由器；第四代多总线多CPU结构路由器；第五代共享内存式结构路由器；第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器。 2路由器的组成一个通用的路由器由4部分组成：输入端口、交换结构、选路处理器和输出端口。6.3.1 路由器3路由器的特点 （1）寻址能力。（2）路由选择。（3）分段和重组。（4）存储转发。（5）数据包过滤。4路由器的功能（1）网络互联。路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互联局域网和广域网，实现不同类型网络互相通信。 （2）数据处理。提供数据包的过滤、数据包的寻址和转发、优先级、复用、加密、压缩和防

20、火墙等功能。 （3）网络管理。路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。6.3.1 路由器5数据包的路由和转发过程为了完成数据包的路由，路由器中保存着一张路由表（Routing Table），主要包含每个目标网络的IP地址、下一个路由器以及跳步数等信息，供路由选择时使用。路由表分为静态路由表和动态路由表。由系统管理员预先设置好固定的路由表称之为静态（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置的，它不会随未来网络结构的改变而改变。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的路由表。路由器根据路由选择协议（Routing Pro

21、tocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径，更新路由表。 6.3.1 路由器6.3.2 网关执行网络层以上高层协议的转换，或者实现不同体系结构的网络协议转换的互联部件称为网关（Gate way），网关是传输层及其以上层次的互联设备，主要用于不同体系结构网络的互联。 用网关互联的两个网络，在物理上也可以是同一个网络。例如，在同一个以太网上某些站运行TCP/IP网络协议，而另一些站却运行Novell网络协议。此时，可将该以太网看作是两个逻辑网，一个是TCP/IP网，另一个是Novell网。这两个逻辑网的站之间交换信息必须通过网关进行协议转换。 DL2PH

22、1A1DL1PH1体系结构1网关DL1PH1A2DL2PH2体系结构26.3.2 网关网关实现不同网络协议之间的转换是通过使用适当的硬件与软件。硬件提供不同网络的端口，软件实现不同互联网协议之间的转换。网关实现协议转换的方法主要有两种。（1）直接将输入网络信息包的格式转换成输出网络信息包的格式两个网络通过一个网关互联，最简单的方法就是直接将输入网络的信息包格式转换成输出网络信息包的格式。（2）将输入网络信息包的格式转换成一种统一的标准网间信息包的格式与前一种方法不同，使用该方法可以制定一种统一的标准网间信息包格式。6.4 网络互联技术6.4.1 光纤分布式数据接口6.4.2 综合业务数字网6.

23、4.3 公共分组交换数据网6.4.4 数字数据网6.4.5 帧中继6.4.6 xDSL技术6.4.7 ATM技术6.4.1 光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口，（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是一种采用光纤作为传输介质、高速且通用的令牌环网。1FDDI标准（1）介质访问控制（MAC）：定义了MAC服务及协议两部分。（2）物理层协议（PHY）：定义了物理层中与介质无关的部分，如MAC间的服务和传送数字数据的编码部分等。（3）依赖物理介质部分（PMD）：定义了物理层中依赖于光纤介质的部分，如光驱动器、光接收器的特性以及网站接入部件的细节（光缆及光连接

24、器）等。（4）层管理（LMT）：定义网络中FDDI各层进程管理，以达到网上各站协同工作。由于FDDI采用了以光纤作为传输介质，同时又提供了以双环作为拓扑结构的一系列容错措施，从而使其具有明显的特点。6.4.1 光纤分布式数据接口2FDDI的主要特点（1）传输速率高（2）吞吐量大（3）通信距离远（4）可靠性高（5）安全保密性好（6）兼容性好（7）通用性强3FDDI的主要应用（1）用于主机互联的后端网络6.4.1 光纤分布式数据接口（2）用于多个低速局域网互联的主干网6.4.2 综合业务数字网综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）有窄带与

25、宽带之分，分别称为N-ISDN（Narrowband-ISDN）和B-ISDN（Broadband-ISD N），无特殊说明，ISDN指N-ISDN。1B-ISDN与N-ISDN的主要区别（1）N-ISDN是以公用电话交换网为基础，而B-ISDN是以光纤作为主干线和传输介质。（2）N-ISDN采用同步时分多路复用技术，B-ISDN采用异步传输模式ATM技术。（3）N-ISDN各通路及其速率是预定的，B-ISDN使用通路的速率不是预定的。6.4.2 综合业务数字网2常用的ISDN网络信道（1）4kHz模拟电话信道，记作A信道。（2）用于话音或数据传输的64kb/s数字PCM信道，记作B信道。B信

26、道是电路交换的基本单位。（3）8kb/s或16kb/s数字信道，记作C信道。（4）用于带外信令传输的16kb/s或64kb/s数字信道，称作D信道。当没有信令信息需要传送时，D信道也可用来传送分组数据或低速的（如100 b/s）遥控遥测数据。（5）用于1SDN内部信令传输的64kb/s数字信道，记作E信道。（6）用于传送高速的用户信息信道或不用做电路交换时的信令信道，记作H信道。 6.4.2 综合业务数字网3ISDN的标准（1）基本速率（简称基速）信道，它由2B1D信道组合而成。目前我国上海、北京等已采用此方法。（2）一次群（简称基群）信道，它由23B1D（适用于美国和日本等）或30B1D（适

27、用于欧洲等）组合而成。（3）混合信道。它由1A1C组合而成，此即模拟信道和数字信道的一种混合。4ISDN与Internet的连接ISDN与Internet的连接方法如图所示。 交换机NT2传输线路NT1TE1TE2TAPC6.4.3 公共分组交换数据网为了适应数据通信网的发展和网络互联的需要，国际电报电话咨询委员会（CCITT）制定了一系列的X建议，如X.1，X.2，X.3，X.25等。其中X.25是公用分组数据交换网标准。它定义了数据终端设备DTE（如计算机主机、用户终端）与数据通信设备DCE（如Modem等）之间的数据交换标准。 6.4.4 数字数据网数字数据网（Digital Data

28、Network，DDN）是利用数字信道来传输数据信号的数据通信传输网。1DDN的主要作用（1）向用户提供专用的数字数据传输信道，为用户建立自己的专用数据网提供条件。（2）用于计算机通信。可传送数字化传真、数字话音及其他数字化信号，即可向用户提供图像通信、数字电话通信、数据广播通信、计算机局域网互联、计算机远程通信等。（3）为公用分组数据交换网（PSPDN）提供用户与网络连接使用的信道及数据传输信道，从而提高分组交换网的数据通信质量。2DDN的主要业务功能（1）专用电路业务。（2）虚拟专用网业务。（3）帧中继业务。（4）压缩话音/G3传真业务。DDN提供8kb/s、16kb/s、32kb/s压缩

29、话音业务和G3传真业务，用于话机和PBX（Private Branch Exchange，专用小交换机）或PBX之间的互联。6.4.4 数字数据网NMCNMTNMCNMCNMC：一级干线网节点：二级干线网节点：本地网节点至其他国家或地区NMC：网管控制中心NMT：网管控制终端6.4.5 帧中继人们采用光纤作为数据传输介质的帧中继（Frame Relay）技术，以提高传输速率，降低误码率，减少网络传输延迟。帧中继是一种能提供低层（物理层和数据链路层）服务的交换技术，用来代替X.25。1帧中继优点（1）高数据率。（2）突发数据用户在不同时候需要不同的带宽。（3）减少开销。2帧中继的主要特点（1）将分组交换网中规定的物理层、数据链路层和分组层的3层协议简化为物理层和数据链路层的一部分，也就是说由这两层来完成交换功能。（2）传送的信息长度不受限制，它对各种网络的互联提供了方便。（3）路由功能是在第二层实现的。（4）只检测在节点之间数据传输交换过程中出现的差错，而不进行纠错，由终端的计算机去负责差错的恢复和处理。（5）在数据链路层实现网络资源