网络互连设备

1、第第3章章 网络互连设备网络互连设备本章学习要点：本章学习要点：n了解网络互连的基本概念n掌握网络互连设备的类型、层次与原理n掌握各层设备的作用、特点与应用n掌握Internet硬件接入设备的可选类型n熟练掌握集线器与交换机的区别与使用n了解OSI模型与网间互连设备的关系第第3章章 网络互连设备网络互连设备 3.1网络互连概述网络互连概述n 所谓的网络互连（联）就是指不同网段、网络或子网之间通过网络的连接或互连设备（中继器、网桥、路由器或网关等）实现各个网络段或子网间的互相连接，其目的在于实现各个网段或子网之间的数据传输、通信、交互与资源共享。3.1网络互连概述网络互连概述n3.1.1网络互连

2、的类型n1.1. 什么是网络的连接或互连？什么是网络的连接或互连？n（1）网络的延伸n每种局域网的最大距离都有限制，如10BASET中的100m。如果实际网络的需要超过这个距离，就需要通过各种网络连接设备来延伸网络。3.1网络互连概述网络互连概述n（2）网络的分段n所谓的网络分段就是将一个大的网络系统分解成几个小的局域网（即子网），然后再通过互连设备（交换机、网桥或路由器）将各个子网连接成一个整体网络。n网络分段的优点：网络分段的优点：n提高可靠性。n分散了负荷。n提高了安全性。3.1网络互连概述网络互连概述n2.2. 互连网络的类型互连网络的类型n(1)网络互连的应用类型n局域网之间的互连局

3、域网之间的互连（LAN-LAN）n局域网与广域网的互连局域网与广域网的互连（LAN-WAN）n局域网通过广域网与局域网通过广域网与InternetInternet之间的互连之间的互连（LAN-WAN-Internet）n多个远程局域网之间互连为广域网多个远程局域网之间互连为广域网（LAN-WAN-LAN）3.1网络互连概述网络互连概述n（2 2）互连局域网的类型）互连局域网的类型n1） 同构网（homogeneous net）n2） 异构网（heterogeneous net）n（3 3）互连网络必须要解决的问题n 如何在物理上把两种不同的网络连接起来。n如何实现一种网络与另一种网络的互访与通

4、信。n如何解决两种不同网络之间在协议方面的差异。n如何处理两种网络之间在传输速率方面的差别。3.1网络互连概述网络互连概述n3.1.2网络互连的层次n1.1.网间互连中的重要概念网间互连中的重要概念n（1）网络的互连（Interconnection）n网络的“互连接”简称“互连”，是指在物理网络之间必须存在一条以上的物理连接线路。3.1网络互连概述网络互连概述n（2）网络的互通（Intercommunication）n网络的“互通信”，简称为互通，是指在网络的互连接的基础上，网络之间可以进行数据交换的手段。3.1网络互连概述网络互连概述n（3）网络的互操作（Interoperability）n

5、网络的互操作是指网络中计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力，而这种能力是建立在互连和互通基础之上，通过高层软件实现的。n说明：只有解决好网络之间的互连、互通和互操作3个层次上的问题，才能真正实现网络的“互联”。3.1网络互连概述网络互连概述n2.2.网间互连设备的层次网间互连设备的层次n（1）网间互连设备n可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进行处理。n（2）网间互连设备的层次n各种层次的特点及设备如下：3.1网络互连概述网络互连概述n 物理层的设备n这层的互接设备主要有中继器和集线器中继器和集线器。n 数据链路层的设备n这层的代表设备是网桥和传统交换机网桥和传统交换机，它们都具有数据的

6、存储、接收、根据物理地址进行过滤和有目的的转发数据帧的能力。3.1网络互连概述网络互连概述n 网络层互联的设备n这层的代表设备是路由器路由器，这层设备具有路径选择、拥塞控制和控制广播信息的能力。n 高层互联的设备n实现高层网络互连的设备是网关网关。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n3.2.1中继器n 中继器（Repeater）又称转发器或收发器，它工作在OSI模型的第一层，即物理层。n1.1. 中继器的功能中继器的功能n中继器又称“转发器”，中继器放大、整形、并且重新产生电缆上的数字信号，并按原来的方向重新发送该再生信号，参见图3-1。中 继 器变 弱 的 信 号再 生 的 信 号图3

7、-1 用中继器再生信号 图3-2 光纤收发器 3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n由此可见，第一第一，中继器具有接收、放大、整形和转发网络信息的作用；第二第二，使用带有不同接口的中继器，可以连接两个使用不同的传输介质、不同类型的以太网段。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n2.2. 中继器的使用规中继器的使用规则（中继规则）则（中继规则）n图3-3形象地说明了5-4-3规则，即在以太网中最多允许有5个网段、使用4个中继器，而只有其中的3个是可以连接客户计算机（终端）的网段。图3-3 10Mb/s以太网的5-4-3规则3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n3.3. 中继器的应用特

8、点中继器的应用特点n（1）中继器的主要优点n中继器安装简单、可以轻易地扩展网络的长度、使用方便、价格相对低廉。另外，中继器工作在物理层，因此它要求所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容协议3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n（2）中继器的主要缺点n 中继器用于局域网之间有条件的连接。n 中继器不能提供所连接网段之间的隔离功能。n 中继器不能控制广播风暴。n 使用中继器扩展网段和网络距离时，其数目有所限制。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n4.4.使用选择中继器时的注意事项使用选择中继器时的注意事项n 网段的接口。n 网段扩展的极限距离。n 应当注意所连接的各个网段的高层（27层）

9、协议应当相兼容。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n3.2.2 以太网集线器n集线器（Hub）主要指共享式集线器，它工作在OSI模型的第一层，即物理层。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n1.1. 集线器的分类集线器的分类n（1）独立型共享式集线器n独立型集线器的外形如图3-4所示。n适合小型独立的工作小组、部门或者办公室使用。图3-4 以太网的独立型集线器3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n（2）堆叠式集线器n如图3-5所示的堆叠式集线器采用了集线器背板来支持多个中继网段。这种集线器的实质是具有多个接口卡槽位的机箱系统。它可以当作一个设备来进行管理，适用的场合与模块化集线器

10、类似。n（3）模块化集线器n模块化集线器上，配有机架或卡箱，带多个卡槽；每个槽内可以安装一块通信卡。每个卡的作用就相当于一个独立型集线器。 图3-5 堆叠式集线器 3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n2.2. 集线器的应用特点集线器的应用特点n（1）优点n集线器可扩充网络的规模，即延伸网络的距离和增加网络的节点数目。n集线器安装极为简单，几乎不需要配置。n集线器可以连接多个物理层不同，但高层（27层）协议相同或兼容的网络。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n（2）缺点n集线器限制了介质的极限距离。n集线器没有数据过滤的功能。n集线器使用数量的限制。n集线器互连网络中的多个节点共享网

11、络集线器的带宽。n集线器不能控制广播风暴。3.2物理层的互连设备物理层的互连设备 n3.3.集线器使用时应注意的因素集线器使用时应注意的因素n 中继规则：低速以太网的5-4-3规则。n 集线器互联网络的条件n 网络接口n 传输速率n 共享带宽3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n网络中数据链路层的互连设备主要指基于网络物理地址进行过滤和网络分段，以及跨网段数据转发的互连设备。常见的数据链路层的互连设备有网桥和传统（即第二层）交换机。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n3.3.1 网桥n1.1. 网桥的定义和应用条件网桥的定义和应用条件n网桥（bridge）一般是指用来连接

12、两个或多个在数据链路层以上具有相同或兼容协议的网络互连设备。它工作在OSI模型的第二层，在IEEE802模型中，它工作在介质访问控制（MAC）子层。n使用网桥互联多个网络时，互联网络的物理层、数据链路层可以使用相同或不同的协议，但高层（即OSI模型的第37层）的协议应当相同或相兼容。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n2.2. 网桥的理论功网桥的理论功能能n( 1）接收与学习功能n( 2）过滤和转发功能图3-6 连接两个本地局域网的网桥 3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n3.3.网桥的实际作用与设计要点网桥的实际作用与设计要点n（1）网络分段n（2）延伸网络的距离n（

13、3）网桥互联网络的条件n（4）网桥的设计要点3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n4.4. 网桥的分类网桥的分类n（1）按网桥硬件所处的位置分类n网桥按照其硬件所处的位置可以分为内部网桥和外部网桥两种。在服务器内部安装、使用两块网卡加上相应的软件就可以组成内部网桥；而外部网桥一般为专用的硬件设备。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（2）按网桥分布的 地理范围分类n网桥按照分布的地理范围，可以分为近程网桥和远程网桥图3-7 连接两个远程局域网的网桥3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n5.5. 网桥的应用特点网桥的应用特点n（1）优点n网桥通过对不需要传递的数据

14、进行过滤来实现基于物理地址的网络间的通信分段。n网桥可以连接使用不同传输介质、不同介质访问控制方式。n由于网桥的过滤性能，隔离了不需要传播的信息。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（2）缺点n互联的多个网络要求在“数据链路层”以上的各层（第37层）采用相同或相兼容的协议。n降低网络性能。n对于避免广播风暴，网桥无能为力。n一般来说价格比中继器贵。n网桥不能对网络进行分析，以实现传输数据时的最佳路由。n拥有网桥的网络通常不能使用备用通道。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n3.3.2 以太网交换机n交换机和交换式集线器均被称为交换机。目前，为了解决或减轻局域网中的信息瓶

15、颈问题，交换机正在迅速代替共享式集线器，并成为组建和升级以太局域网的首选设备。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n1.1.以太网交换机与集线器的异同以太网交换机与集线器的异同n（1）不同之处n在OSI模型中所处的位置不同n工作原理不同n网络工作方式和冲突域不同n节点享有的带宽不同n端口通信模式不同n逻辑拓扑结构不同：3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（2）相同之处n连线方式、物理拓扑结构、故障指示、组网功能，以及网卡、传输介质和速度选择等。它和集线器一样不能控制广播风暴。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n2.2. 有关交换机的基本概念有关交换机的基本概念

16、n（1）交换机端口参数和类型n 单/多MAC地址：n 端口密度：n 高速端口：n 管理端口：n 其他端口： 3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（2）背板带宽n（3）MAC地址与支持MAC地址的数量n MAC地址的作用：它用于控制对网络的访问，通过它可以实现计算机间的网络连接。 n MAC地址的组成：由12位16进制数（0F）组成；使用48个二进制位来表示，其中的前24位标识网卡的生产厂商，后24位是网卡的序列号。n MAC地址的数量：几个（14）、几十个、几百个或几千个。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n交换机与集线器类型类似，其类型主要有独立式、模块式和堆叠式交换

17、机，可参见图图3-8和图3-9。堆叠与级联不同，堆叠相当于并联电路，级联相当于串联电路，并联的效率比串联的效率要高得多。 图3-8 千兆以太网的模块化交换机 图3-9 堆叠式交换机 3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n3.3. 选择交换机的要点选择交换机的要点n（1）按“应用规模”选择n 对于支持500个信息点以上大型企业来说，应当选择“企业级交换机”或“骨干交换机”。n 对于支持300500个信息点的大中型企业，可以选择“部门级交换机”。n 对于支持100300个信息点的中小型单位，可以选择“工作组级交换机”。n 对于支持10100个信息点的小型单位，选择“工作组级交换机”或“桌

18、面交换机”。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（2）从“技术角度”进行选择n 从以太网交换机的工作方式类型进行选择。n 端口的传输模式。n 提供网管功能。n 提供虚拟局域网（VLAN）的管理功能。n 提供多模块和多类型端口的支持。3.3数据链路层的互连设备数据链路层的互连设备n（3）支持的MAC地址数量n选择时应根据实际网络的需要来选择交换机支持的MAC地址数量。n4.4. 局域网交换机的主要指标局域网交换机的主要指标n在选择交换机时，常见的描述交换机容量性能的指标有：交换容量(Gb/s)、背板带宽(Gb/s)、处理能力(Mb/s)、吞吐量(Mb/s)、MAC地址数目和端口的半双

19、工/全双工的支持等。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n1.1.路由器的基本概念路由器的基本概念n（1）路由器的基本概念n用来连接两个以上复杂网络的、具有路由选择的，网络层使用可路由协议的工作在OSI参考模型第三层的网络互联设备。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n（2）路由表n常见的路由表有以下两类。n 静态（static）路径表n 动态（dynamic）路径表3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n2.2. 路由器的工作原理和基本功能路由器的工作原理和基本功能n（1）工作原理n每当路由器收到一个数据分组后，它能读出数据包的网络地址，并对其进行分析和判断；再根据路由表中的数据，利于复

20、杂的路由算法，在所互连的网络之间，为通信的源节点和目的节点的数据通信选择合适的路由；最后，从所选的路径或网络接口中转发该数据包。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n（2）路由器的路径选择n所谓路由器的路由选择功能，是指它可以在互连的网络中，从多条路径中寻找一条最佳网络路径提供给用户通信。路由器支持各种局域网和广域网的接口，因此它可以互连不同类型的局域网或广域网，例如：连接以太网和DDN网。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n路由器能在多个网络和介质之间提供网络互连的能力，用路由器可以实现多个不同局域网的相互连接，如图3-10所示。也可以实现远程工作站对局域网的访问，参见图3-11。路由

21、器连接的网络中有一个选择最短路径进行通信的问题，如果某条通道坏了，有选择另一条通道把信息传送出去的能力，称为“路由路径选择”。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备图3-10 用路由器实现多个远程局域网的连接3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n3.3. 路由器的分类路由器的分类n（1）近程路由器和远程路由器n（2）“静态”路由器和“动态”路由器n（3）单协议路由器和多协议路由器3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n4.4. 路由器的应用特点路由器的应用特点n（1）优点n能够合理的、智能化的选择最佳路径。n减少和抑制广播风暴。n作为使用不同通信协议的网络互连平台。n互联第4层以上使用相同、

22、兼容、且第3层使用相同可路由协议的局域网。n能够隔离网络的通信量。n可以作为网桥。n提高网络的性能，减少主机的负担。n能够提供可靠传输、优先服务。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n（2）使用路由器的缺点n致使网络传输性能下降n安装和维护较为困难。n价格较高。n在互连多个网络时，对所连接网络使用的协议有所限制。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n5.5. 路由器在实际网络连接中的作用路由器在实际网络连接中的作用n（1）延伸距离n（2）使用路由器将局域网连接到Internetn（3）多个局域网的远程连接3.4网络层的互连设备网络层的互连设备n6.6. 小型企业网络使用调制解调器和路由小型企业网络使用调制解调器和路由器的方案器的方案n中小型企业网络使用路由器接入Internet和远程局域网之间连接的方案如图3-11所示。3.4网络层的互连设备网络层的互连设备图3-11 用路由器实现远程局域网的连接或接入Internet3.5高层的互连设备高层