第七章网络设备与网络互联

第七章2023/1/141【教学目标】1.了解:网络互联的基本概念；2.掌握:网络互连的类型与层次；3.掌握:网络互联技术及子网规划；4.掌握:网络互联常用设备及功能。第七章网络设备与网络互联2023/1/14第七章网络设备与网络互联§7.1网络互联概述

§7.2网络互连设备§7.3网络互联相关知识本章学习一些常用网络设备的功能与应用，包括集线器、网桥、交换机、路由器、网关等。另外还介绍网络专题。2023/1/14第七章网络设备与网络互联§7.1网络互联概述网络互联(Internetworking)本质:实现相同(或者不同)网络终端应用设备间的通信,主要涉及到局域网之间，广域网之间，局域网与广域网之间的相互通信。(课本P290)2023/1/14不同网络之间的差异主要表现在：每种网络有不同的命名、编址方法与目录结构，以提供全局的网络编址方法与目录服务；每种网络有不同的分组大小规定，分组在网络之间传输可能需要分段；每种网络有不同的用户访问控制机制，以管理用户对各种网络资源的访问权限；网络内部的路径选择依靠网络自己的差错检测与拥塞控制技术，具有在不同网络之间路由选择能力；不同网络可能提供面向连接或无连接的服务，互连网络不应依赖于原来网络所提供的服务类型。

2023/1/14§7.2网络互连的层次互连（Interconnection）：指在两个物理网络之间至少有一条在物理上连接的线路，但不能保证两个网络一定能进行数据交换，这取决于两个网络的通信协议是否相互兼容；互通（Intercommunication）：指两个网络之间可以交换数据；互操作（Interoperability）：指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；三者关系：互连是网络互连的基础，互通是网络互连的手段，互操作是网络互连的目的。2023/1/14根据网络层次的结构模型，网络互连的层次可以分为：物理层互连物理层互连的设备是中继器（Repeater）,集线器；数据链路层互连数据链路层互连的设备是网桥（Bridge）,二层交换机；网络层互连网络层互连的设备是路由器（Router）,三层交换机；高层互连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，高层互连的设备是网关（Gateway）。

2023/1/14数据链路层互连的结构

2023/1/14网络层互连的结构

2023/1/14高层互连的结构

2023/1/14§7.3网络互连设备(区别“互联”一词)网络互连设备是网络互连的关键。实现不同子网协议之间的转换，保证执行两种不同协议的网络之间可以进行互连通信。协议转换包括协议数据格式的转换、地址映射、速率匹配、网间流量控制等。一、物理层连接设备1.网卡(NIC,工作在物理层与数据链路层)ISA接口网卡PCI接口网卡PCMCIA网卡USB接口网卡2.调制解调器(modem)3.ADSL/Cablemodem2023/1/144.转发器转发器又被称为中继器或放大器，执行物理层协议，实现电气信号的“再生”。转发器用于互连两个相同类型的网段(连接两个BUS),主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。现在已经很难见到中继器。2023/1/145.集线器集线器(HUB)是局域网LAN中重要的部件之一，它是网络连线的连接点(中继接收信号)。集线器有多个户端口，连接计算机和服务器之类的外围设备。一个以太网数据包从一个站发送到集线器上，然后就被广播到集线器中的其它所有端口，所以基于集线器的网络是一个共享介质LAN。D-linkDE-809TC10M8口2023/1/14二、数据链路层连接设备1.网桥网桥在数据链路层上实现局域网互连(仅转接必要信息)；网桥能够互连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；网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。2023/1/14（1）网桥——桥接器（信桥），提供了一种对LAN的扩展。（2）使用场合：以太网、FDDI、令牌环、ATM网（3）特点：地址过滤、帧限制功能、监控能力、缓冲能力、透明性。（4）使用的协议：IEEE802.1（5）分类：透明网桥、源路由网桥、远程网桥2023/1/142023/1/14（1）网桥的应用环境：一个单位的多个部门局域网的互连；办公楼之间局域网的互连；将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网的互连；超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连；企业中部门的信息对安全、保密方面要求不同的局域网互连。具体网络如下：以太网—以太网以太网—FDDI以太网—令牌环以太网—ATM网

2023/1/14（2）网桥协议结构（802.1）2023/1/14（3）网桥的主要特点：网桥能互连两个采用不同数据链路层协议、传输介质与传输速率的网络；网桥以接收、转发与地址过滤的方式实现互连网络之间的通信；网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善各个网络的性能与安全性。

2023/1/142.网络交换机(Switch)

局域网交换机可以分为以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等多种类型。交换机按照采用的交换方式不同分为:①直通模式（CutThrough）；②存储转发模式（StoreandForward）；③碎片丢弃方式（FragmentFree）。2023/1/14HUBHUBMAC广播域独立的冲突域独立的冲突域网桥或网络交换机注意：网络交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域，会产生广播风暴。以太网交换机&网桥：它们属同一类设备，工作在数据链路层上。网络交换机的端口数多，速度快。网络交换机又称为多端口网桥。2023/1/14千兆主干交换机服务器校园网10MbpsUTP100MbpsUTP（连接校园网）1000MbpsFiber100MbpsUTP例：某高校计算机中心网络结构图二级交换机HUB2023/1/141.路由器概念及工作原理

三、网络层互联设备路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备；局域网的数据链路层与物理层可以是不同的，但数据链路层以上的高层要采用相同的协议；路由器可以有效地隔离多个局域网的广播通信量，每一个局域网都是独立的子网。2023/1/14路由器工作原理2023/1/142.路由器的分类方法按路由器的性能指标：高档路由器、中档路由器与低档路由器；按路由器的端口结构：固定端口路由器、模块化路由器；按路由器应用的网络规模：骨干级路由器、企业级路由器与接入级路由器；按路由器应用的网络位置：边界路由器、中间节点路由器。2023/1/14路由器定义：用来实现路由选择功能的一种媒介系统设备。路由：指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。路由器是互联网的主要节点设备。路由器的转发策略成为路由选择（router，转发者）2023/1/14路由器作用：连通不同的网络、选择路径传送消息。一般情况下：异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器进行互联。静态路由表、动态路由表2023/1/14路由器类型：接入路由器企业级路由器骨干级路由器太比特路由器2023/1/14Cisco公司的系列华为3Com公司的Quidway系列D-Link公司的DI系列Juniper公司的系列TP-link公司的R系列3.典型的路由器产品TP-LINKTL-WR340G+Cisco-LinksysWRT150N2023/1/144.典型应用2023/1/141.网关概念四、高层互联设备网关（Gateway）的功能：结合硬件与软件实现不同网络协议之间的转换；硬件和软件的作用：硬件提供不同网络的接口，软件实现不同互连网协议之间的转换。网关可以由两个半网关(HalfGateway)构成。2023/1/14早期因特网网关指路由器，是一个网络通往网络世界的大门。现在的路由器功能多样，不再只有网关功能，成为多功能的网络连接设备网关确切的定义已经不存在。分类：协议网关、应用网关、安全网关2023/1/14协议网关：通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。应用网关：在使用不同数据格式间翻译数据的系统安全网关：保护网络作用。2023/1/142.网关工作原理2023/1/143.网关实现协议转换的方法

方法一：网关直接将输入网络的信息包的格式转换成输出网络信息包的格式；方法二：首先制定一种标准的网间信息包格式，网关在输入端将输入网络信息包格式转换成标准网间信息包格式，在输出端再将标准网间信息包格式转换成输出网络信息包格式。

2023/1/14五、第三层交换技术与应用

1.第三层交换产生的背景

增加网络带宽与提高网络服务质量的解决途径可以有两个：一是采用光纤作为传输介质，增加传输通道的带宽；二是研究出性能更优越的路由器产品，提高网络数据交换能力;高性能的网络路由器设备是网络硬件制造商重点研究的问题之一;将交换机制引入路由器的设计中，大幅度缩短路由器对数据包的处理时间，提高网络数据交换能力，由此产生了第三层交换的概念。2023/1/142.网桥、交换机与第二层交换局域网交换机与传统的集线器相比较，具有低数据传输延迟、高传输带宽的明显优点；网桥的数据帧转发功能是通过软件来实现的，而局域网交换机的数据帧转发功能是通过硬件来实现的；局域网交换机可以起到网桥的作用，同时又具有低交换传输延迟、高传输带宽的优点；通过硬件结构，使得局域网交换机的数据帧处理的延迟时间由网桥的几百个μs减少到几十μs。

2023/1/143.第三层交换技术与产品第三层交换技术：将局域网交换机的设计思想应用在路由器的设计中，就出现了第三层交换的概念；传统路由器通过软件实现路由选择功能，第三层交换的路由器通过专用集成电路芯片实现路由选择功能，将数据包处理时间从传统路由器的几千μs减少到几十μs，缩短数据包在设备中的传输延迟时间；通过硬件实现第三层交换的路由器，在网络层协议类型上受到一定的限制。2023/1/14典型的第三层交换产品：Cabletron公司的SmartSwitch系列路由器Foundry公司的BigIron系列与SererIron系列交换机PacketEngines公司的PowerRail系列交换式路由器Cisco公司的Catalyst2900G-L3系列交换机2023/1/14总结：互连网络中间设备包括：网络扩充①物理层，中继器（转发器）Repeater②数据链路层，网桥（桥接器）Bridge③网络层，路由器（Router）④网桥+路由器，桥路由（Brouter)⑤在网络层以上的网关（Gateway）网络互连2023/1/14路由选择算法（1）距离矢量协议（2）链路状态路由选择2023/1/14互联网路由选择（1）自治系统

大型网络会被分解成为多个自治系统（AS），每个自治系统被看做是一个自我管理的网络，一个自治系统只负责管理自己内部的路由。2023/1/14内部网关路由协议

大多数的路由选择协议是指运行在一个自治系统内部。如RIP（路由信息协议）、OSPF（开放最短路径路由协议）

思科的IGRP和EIGRP2023/1/14外部网关路由协议（最初是EGP)

在自治系统之间运行的路由选择协议。如BGP。多处于系统的边缘。2023/1/1414一月202345of42HiNEC广域网的基本概念由相距较远的局域网或城域网互连而成，通常是除了计算机设备以外，还要涉及一些电信通讯方式与局域网区别之一在于需要向外界的广域网服务供应商申请广域网服务广域网技术主要 体现在

OSI参考 模型的下3层14一月202346of42HiNEC广域网的技术利用电信服务商所提供的通信方式X.25帧中继ISDNATMxDSLDDN14一月202347of42HiNECX.25模拟线路，不适合数字数据的传输EIA-232-D与RS-449CCITT(InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee,国际电话与电报顾问委员会，现改为ITU,InternationalTelecommunicationsUnion,国际电信同盟)于1976年通过了用于数字信道的物理接口标准X.21建议书。X.25协议是CCITT（ITU）建议的一种协议，它定义终端和计算机到分组交换网络的连接。14一月202348of42HiNECX.25分组交换原理定义接口，OSI的低3层分组层数据链路层物理层DTE分组层数据链路层物理层DCE分组级协议帧级协议物理级协议X.2514一月202349of42HiNEC接入方式能完全处理X.25协议的终端：直接接入到X.25分组交换网中不能处理X.25协议的终端：通过PAD(PacketAssembly/Disassembly)接入到分组网中14一月202350of42HiNEC帧中继14一月202351of42HiNECISDN1984年，在CCITT的召集和组织下，世界上主要的电话公司和电信部门一致同意建立一个全新的、完全数字化的电路交换电话系统，称为综合业务数字网ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)，其最初的目标是综合话音和非话音服务。ISDN提供端到端的数字连接。ISDN采用3类电话线，由于在模拟纠错和传输技术方面有了改进，因此其传输数据的速率较快14一月202352of42HiNECISDN的特点和优越性通信业务的综合化。利用一条用户线就可以提供电话、传真、可视图文及数据通信等多种业务；提高了通信质量。因为ISDN是全数字化的，所以通信质量好于模拟信道；使用方便。信息信道和信令信道分离，在一条2B+D的用户线上可以连接8台终端，其中3台可以同时工作；使用费用低。14一月202353of42HiNECISDN的组成ISDN技术的核心就是将带宽分成几个信道ISDN提供了两种类型的信道：信息信道，用于传送各种信息流是信令信道，用于传送对用户和网络实施控制的信令信息信息信道B信道：64KbpsH信道：384Kbps、1536Kbps、1920Kbps信令信道：16Kbps、64Kbps14一月202354of42HiNECISDN连接示意图14一月202355of42HiNEC设备连接NT1TATE2TE1NT2本地环路存在的终端ISDN终端终端适配器RSTU业务提供网络

14一月202356of42HiNECATMATM是在电路交换和分组交换的基础上发展起来的快速分组交换美国：快速分组交换(FPS,FastPacketSwitch)欧洲：异步时分复用(ATD,AsynchronousTimeDivision)CCITT：异步传输模式(ATM,AsynchronousTransferMode)14一月202357of42HiNECSONET同步光纤网是以信号速度的层次化为基础的。与之相类似的还有在北美使用的同步传输系统(STS)和在欧洲使用的同步数字序列(SDH)。STS也称为光载波信号(OC)。STS/OC信号层次是以51.84Mbps的基本信号速率为基础的，又称为STS–1/OC–1。

STS–1/OC–1 51.84Mbps STS–3/OC–3 155.52Mbps STS–12/OC–12 622.08Mbps STS–24/OC–24 1,244.16Mbps STS–48/OC–48 2,488.32Mbps STS–192/OC–192 9,953.28Mbps14一月202358of42HiNECxDSL概述对Internet的访问速度的要求现有系统不适应要求DSL（数字用户线路，DigitalSubscriberLine）是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合，它包括HDSL、SDSL、VDSL、ADSL和RADSL等，一般称之为xDSL。它们主要的区别就是体现在信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两个方面。14一月202359of42HiNECDDNDigitalDataNetwork是利用数字信道传输数据信号的数据传输网传输媒介有光缆、数字微波、卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线§7.4网络互联专题1.从OSI/RM层次观点考察网络互联原理2.IP编址和子网化问题3.无分类编址方法4.一般网络设计方法5.网络终端配置设计举例2023/1/141.从OSI/RM层次观点考察网络互联原理物理层：在电缆段之间复制比特信号（无地址）网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层中继器、集线器2023/1/14数据链路层:在网段之间转发数据帧（根据物理地址）网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层网桥、交换机数据链路层2023/1/14网络层：在网络之间转发报文分组（根据逻辑地址）网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层路由器数据链路层网络层2023/1/14更高层：连接不同体系结构的网络网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层网关数据链路层网络层返回2023/1/142.IP编址和子网化问题在TCP/IP体系中，IP地址是一个最重要的概念。IP地址:给每一个连接在Internet上的主机分配一个在全世界范围是唯一的32bit地址。『网号，主机号』构成完整的IP地址。『网号，主机号』在全网是唯一的。

IP网内主机间的通信由下层网完成。

IP网间主机间的通信由路由器完成。2023/1/14子网的划分与子网掩码？例如：IP地址中的A至C类地址，可供分配的网络号超过211万个；第一，设计者没有预示到PC会普及的如此之快，网上的主机数目的急剧增长。第二，IP地址在使用时有很大的浪费。例：某单位申请到B类地址，B类可容纳6.5万个，该单位有1万台主机，其余：5.5万个IP地址浪费。2023/1/14默认子网掩码,子网掩码中“1”的长度就是网络号的长度：A类B类11…10000…011………100………08bit24bit16bit16bitC类子网掩码255.0.0.0默认值子网掩码255.255.0.0默认值子网掩码255.255.255.0默认值11………100…024bit8bit2023/1/14(网络寻址)例题1：一分组首部中的目的地址为130.50.15.6

子网掩码为255.255.252.0，步骤如下：

1）路由器先检查该分组的IP地址网络号

130.50.15.6Λ

255.255.252.0=130.50.12.02）网络号是本网络，检查IP地址中的子网号

12.00000110000000000子网号目的地址中的子网号为33）子网是本子网，查主机号找出发送端口，将分组交给该主机2023/1/14(子网化)例题2：一个大型跨国公司的管理者从网络管理中心获得一个A类IP地址121.0.0.0；需要划分为1000个子网。

分析：该公司需要有1000个物理网络，加上主机号全0和全1的两种特殊地址，子网数量至少为1002；选择子网号的位长为10，可以用来分配的子网最多为1024，满足用户要求。

2023/1/14解答：A类地址子网划分后的结构2023/1/14划分子网后的地址范围2023/1/14划分子网后的网点内部结构2023/1/143.无分类编址补充例题2023/1/14例题

某学校有一个行政楼和五个下属部门，公司分配到的网络地址是198.79.53.0/24。学校的网络布局如下图所示。共有五个局域网，其中的LAN1～LAN2都连接到路由器R1上，R1再通过LAN3与路由器R2相连。R2和远地的五个部门的局域网LAN4～LAN8通过广域网相连。试给每一个网络分配一个合适的网络地址，并用无分类地址表示出来(完成后再自己考虑用子网划分规则做)。分析：假设LAN1-LAN8分别含有48、13、30、11、22、20、25、5台主机数。

解答略

2023/1/144.网络设计通常情况下，网络设计考虑以下三方面的问题：（1）网络环境，包括网络的地理分布特征（2）性能需求，包括网络可靠性，数据通信的吞吐量，网络中计算机的网卡速率和硬盘的访问速率（3）网络参数，包括网络拓扑结构、线缆速率和数据转发的路径。网络设计原则1．实用性和经济性2．可靠性和稳定性3．可扩展性和可管理性4．安全性和保密性5．先进性和成熟性2023/1/14网络设计的过程需求分析：确定需求(规模、应用、网络、网络安全)；网络分析：拓扑结构，协议理解，估计测量(流量、设备利用)，IP规划和VLAN设计；逻辑设计：选择符合需求的设计；物理设计：布线系统，将逻辑设计应用到物理空间；安装维护：设备选型，实现物理设计。需求分析网络分析逻辑设计物理设计安装维护2023/1/14网络工程设计的主要文档

可行性研究报告项目开发实施计划系统需求说明书数据要求说明书概要设计说明书详细设计说明书

用户手册操作手册测试计划测试分析报告设计进度报告项目设计总结报告系统维护运行建议2023/1/145.网络终端配置设计举例(个人建议，仅供参考，欢迎交流)㈠计算机购置时要考虑的因素①价格；②用途；③爱好；④其他需求。购买建议：数码产品功能够用