识网之计算机网络互连课件

四、计算机网络互连

网络互连概述传输介质网络适配器、集线器、中继器、路由器、交换机、网关网络互连实例

2/3/20231识网之网络互连第一部分识网

计算机网络概论计算机网络体系结构互联网计算机网络设备2/3/20232识网之网络互连四、网络互连

为了实现数据通信和资源共享，将若干台计算机相互连接，形成局域网。在网络普及的今天，为了实现更大范围的数据通信和资源共享，将若干个局域网互连形成一个互连网络，为此需要掌握网络互连的方式和实现网络互连的技术及网络互连的设备。2/3/20233识网之网络互连一、网络互连的概述

、互联网的概念

计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成，即从功能上和逻辑上看，这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络，称为互连网络（internetwork），也简称为互联网。将网络互相连接起来要使用一些互连设备（中间设备），常用的网络互连设备有网卡、中继器、集线器、网桥、路由器、交换机和网关等。2/3/20234识网之网络互连一、网络互连的概述

、网络互连的方式LAN-LAN互连层次：网络互连发生在OSI/RM的数据链路层。互连设备：网桥、中继器或路由器。

LAN-WAN互连层次：互连发生在网络层。

互连设备：路由器。WAN-WAN互连层次：互连发生在OSI/RM的传输层及其上层。互连设备：网关。

2/3/20235识网之网络互连一、网络互连的概述

2/3/20236识网之网络互连一、网络互连的概述

网络互连的层次关系见下图

2/3/20237识网之网络互连二、传输介质、双绞线按结构分类，双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）两类。按性能指标分类，双绞线可分为1类，2类，3类，4类，5类，超5类，6类双绞线。2/3/20238识网之网络互连二、传输介质5类双绞线

由于5类双绞线增加了绕线密度，外套使用了高质量的绝缘材料。其最高传输频率达到了100MHz，最高传输速率达100Mbps，既可用于语音，也可用于100Mbps以太网的数据传输。其最大网段长度也是100m，连接器采用RJ型式。超5类双绞线超5类双绞线是增强型的5类双绞线，由于材料技术的提高，超5类双绞线的衰减和串扰比5类小。虽然原标准规定超5类的传输特性与普通5类的相同，但现在许多厂家的产品都已远远超出标准的要求，最高的传输频率可达200MHz，在工作于全双工通信时，最高传输速率可达近1000Mbps。其最大网段长度也是100m，连接器采用RJ型式。

2/3/20239识网之网络互连二、传输介质6类双绞线

6类双绞线是1000Mbps数据传输的最佳选择。6类的性能超过超5类，标准规定其带宽为250MHz。6类双绞线的绞距比超5类更密，线对间的相互影响更小，从而提高了串扰的性能。其最大网段长度也是100m，连接器采用RJ型式。2/3/202310识网之网络互连二、传输介质直连线（或直通线、正接线）和交叉线（或反接线）双绞线接线可以根据需要制作成直连线和交叉线直连线是指双绞线两端接线线序一致，用于连接不同类型的设备交叉线是指双绞线两端分别使用不同的接线标准，一端用T568A，另一端用T568B，用于连接相同类型的设备2/3/202311识网之网络互连二、传输介质、光纤光纤的横截面为圆形，由纤芯、包层、外保护套构成光纤传输原理

在发送端先将电信号通过发光二极管转换为光信号。在接收端使用光电二极管将光信号转换成电信号。2/3/202312识网之网络互连二、传输介质光纤分为单模光纤和多模光纤两种类型单模光纤内径为<10μm，只传输单一频率的光，光信号沿轴路径直线传输，速率高，可达百G，传输距离远，达数十公里、成本高，用红外激光管作光源(ILD)。多模光纤纤芯直径为50~62.5μm，可以传输多种频率的光，光信号在光纤壁之间波浪式反射，多频率（多色光）共存，传输距离近，约2公里左右，损耗大，成本低，用发光二极管作光源(LED)。2/3/202313识网之网络互连三、网络设备-网卡网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备每台主机都应配置一个或多个网卡每个网卡都有一个或多个网络接口不能独立工作，必须依赖于宿主主机连接不同的局域网需要使用不同的网卡以太网卡令牌环网卡FDDI网卡ATM网卡2/3/202314识网之网络互连三、网络设备-网卡网卡的功能数据缓存匹配主机数据处理速率与网络的传输速率封装/解封装加上控制字段→以帧为单位进行传输→卸下控制字段介质访问控制CSMA/CD、TokenPassing串/并转换将主机的并行数据转换成串行位流数据编码/解码转换为适合网络介质传输的信号形式数据发送/接收2/3/202315识网之网络互连三、网络设备-网卡网卡的选择考虑的因素包括：LAN的类型：Ethernet、TokenRing、ATM、FDDILAN的速度：10M/100M/1000M、4M/16M、25M/155M网络接口类型：AUI/BNC、RJ-45、SC/ST/MT-RJ主机总线类型：ISA、EISA、PCI、USB、PCMCIA应用场合：服务器、工作站、笔记本其他附加功能：PnP、防病毒、远程唤醒、链路聚合等2/3/202316识网之网络互连三、网络设备-网卡以太网卡的类型2/3/202317识网之网络互连四、网络设备-中继器中继器及其作用中继器（工作在物理层）是一种延伸网络覆盖范围的设备，其主要作用是将接收的信号再生或放大，再传输出去。中继器不能无限的延伸网络例:以太网中的5-4-3规则。2/3/202318识网之网络互连四、网络设备-中继器特点：电信号再生放大转发中继器的作用是功能是对弱信号进行再生和转发。中继器检测由某个端口接收的输入信号，将其恢复为原始的波形和振幅，然后以最小的延迟将这些经过重整（重定时和恢复）的信号重新发送到接收端口之外的其他各个端口。无检错、纠错功能错误的数据经中继器后仍被复制到另一电缆段。用中继器连接的各网段属于同一个网络，具有相同的网络地址对数据链路层以上的协议来讲，用中继器互联起来的若干段电缆与单根电缆之间并没有差别（除了有一定时延）。用中继器连接的网络段都必须使用同样的介质访问方法。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作（如粗、细电缆混接）。2/3/202319识网之网络互连四、网络设备-集线器集线器(Hub)及其作用

集线器（工作在物理层）是将网络中的站点连接在一起的网络设备。大多数集线器有都有信号再生或放大作用2/3/202320识网之网络互连四、网络设备-集线器集线器的工作原理集线器不能够识别源地址和目的地址，没有地址过滤功能采用广播方式，即从一个端口接收数据，向除入口之外的所有端口广播。多站点共享总线，共处于一个冲突域中任意时刻只能有一个站点发送数据，其他站点只能接收总线带宽被多个站点均分。2/3/202321识网之网络互连五、网络设备-网桥网桥及其作用网桥是一个将网络互连起来的设备，它可以在数据链路层上连接两个局域网，使之相互通信网桥可以识别帧和物理地址，有地址过滤功能，如果源地址和目的地址属于同一个网络，网桥就丢弃数据帧，不会向其他网络转发，如果源地址与目的地址不属于同一个网络，网桥就会转发数据帧。网桥的作用隔离局域网间的冲突提高网络性能提高网络的安全性扩展网络覆盖范围2/3/202322识网之网络互连五、网络设备-网桥网桥的工作原理1）建立桥接表

某站点发送数据帧时，网桥收到这个数据帧后，就读取帧中的源地址和目的地址，并将源地址和接收该帧的端口记录在桥接表中。2）转发数据

当网桥收到一个数据帧时，就读取帧中的源地址和目的地址，然后去查桥接表，根据桥接表中记录的信息，网桥可能采用以下几种策略：（1）如果源地址和目的地址对应的端口是同一端口，网桥会丢弃数据帧。（2）如果源地址和目的地址对应的端口号不同，网桥就唯一的向目的地址对应的端口转发数据帧。（3）如果读取的目的地址在桥接表中没有相对应的记录，网桥将向除接收端口外的所有端口广播数据帧。2/3/202323识网之网络互连六、网络设备-路由器Router

利用网桥连接为数不多的局域网是非常有效，但当要互连的局域网数目很多时，或者要将LAN与WAN互连时，网桥就不能胜任了，此时要采用路由器，因为路由器具有更强的互连功能。2/3/202324识网之网络互连六、网络设备-路由器Router路由器的功能

路由器的核心功能是为接收到的数据包选择下一跳的路径(路径选择功能)。路由器根据收到数据包中的网络层地址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址，并且重写链路层数据包头实现转发数据包。路由器通过动态维护路由表来反映当前的网络拓扑，并通过与网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表。路由器除了路径选择功能外，还具有流量控制及网络管理等功能。2/3/202325识网之网络互连六、网络设备-路由器RouterInternet路由结构与路由表

Internet网络的主要节点设备是路由器，路由器通过路由表决定数据的转发。转发策略称为路由选择。决定转发的方法称为路由协议，Internet上现在大量运行的路由协议有RIP、OSPF和BGP。

路由器的主要工作是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。因此，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表（RoutingTable），供路由选择时使用。路由表就像我们平时使用的地图一样，标识着各种路线，路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以由系统管理员固定设置，也可以由系统动态修改。2/3/202326识网之网络互连六、网络设备-路由器Router路由器通常依靠所建立及维护的路由表来决定如何转发收到的数据，对如下图所示的网络，路由器R1的路由表如下表所示目的网络下一跳（NextHop）166.111.1.0直接转发166.111.2.0直接转发166.111.3.0166.111.2.2166.111.4.0166.111.2.2166.111.5.0166.111.2.32/3/202327识网之网络互连六、网络设备-路由器Router用路由器连接LAN-WAN示意图2/3/202328识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch交换机（Switch）

市场上用于计算机网络的交换机主要分为3种：ATM交换机第二层交换机（又称LAN交换机）第三层交换机

其中第二层交换机和第三层交换机主要采用分组交换，ATM交换机主要采用信元交换。

最初的交换机相当于多端口的网桥，称为第二层交换机，第二层交换机已经取代了集线器和网桥。目前常用的第三层交换机增加了路由选择功能。所谓交换，是指报文从交换机的输入端口到输出端口的过程。第二层交换利用帧中的物理地址（如MAC地址）实现类似网桥的转发帧和过滤帧的功能，第三层交换利用分组中网络地址（如IP地址）实现类似路由器的转发分组和过滤分组的功能。2/3/202329识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch第二层交换机

第二层交换机实质上是多端口网桥。在交换机中保存一张端口地址映射表，用来映射MAC地址和与之对应的端口，这张表是通过检查进入端口的帧的源MAC地址而建立起来的。交换机的工作是首先检查目标MAC地址，并与端口地址映射表中的端口地址相匹配，如果匹配成功，该帧就被转发到对应的端口。如果某帧的目的MAC地址在端口地址表中没有找到，则交换机就把该帧广播到本交换机的所有端口上。如果通过广播建立了通信，那么返回的帧就携带了对应的MAC地址，交换机可以从返回帧中学习该端口与地址的映射关系，从而把此MAC地址填入端口地址映射表，以便下次通信时避免广播。2/3/202330识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch第三层交换机第三层交换机本质上是完成路由器功能。第三层交换机与第二层交换机一样需要建立地址映射表，不同的是第二层交换机建立端口与MAC地址的映射关系，而第三层交换机建立端口与网络层地址（如IP地址）之间的映射关系。把第二层交换和第三层路由组合到一个设备中，就形成第三层交换机。与路由器相比的优势是：路由器是通过软件交换数据包，其配置和管理技术复杂，而第三层交换机是一个基于硬件的设备，数据包交换速度通常要比路由器快得多。2/3/202331识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch交换机产品从交换机产品结构上分，交换机分为模块化交换机和可堆叠集成式交换机。从交换机端口速率上分，交换机产品可分为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s及混合支持的产品。如3COM的SuperStackⅡ1100支持10Mb/s的端口速率，SuperStackⅡ3300支持10/100Mb/s自适应的端口速率，SuperStackⅡ3900提供10/100/1000Mb/s不同速率的端口，SuperStackⅡ9300只支持1000Mb/s的端口速率。2/3/202332识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch交换机的级联和堆叠当一台交换机的端口数量不能满足连网计算机用户的数量要求时，需要扩充交换机的端口。常见的方法是将一台交换机与另一台或多台交换机连接起来。交换机之间的连接有堆叠(Stack)和级联(Uplink)两种方式，它们的主要目的是增加端口密度。级联是通过交换机的某个端口与其它交换机相连的，而堆叠是通过交换机的背板连接起来的。可堆叠交换机常用的堆叠方式有两种：菊花型和星型（如下图所示）。2/3/202333识网之网络互连七、网络设备-交换机Switch菊花型堆叠星型堆叠2/3/202334识网之网络互连八、网络设备-网关Gateway网关(Gateway)

网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层。2/3/202335识网之网络互连八、网络设备-网关Gateway网关的用途

网关可用于以下几种场合的网络互连，它们均属于异构网络互连。异构型LAN互连LAN与WAN互连WAN与WAN互连网关被广泛用在广域网之间或广域网与局域网之间的互连上，它解决了LAN和WAN之间由于协议不同而不能直接通信的问题。2/3/202336识网之网络互连网络互连设备的对比

以上各种网络互连设备的对比见下表所示2/3/202337识网之网络互连九、网络设备-网络互连实例

某企业的内部网采用ATM+Ethernet的混合技术实现。ATM技术是当前网络发展的主要方向之一，以太网技术已经得到广泛应用，用户和网络管理人员更熟悉以太网。两者的结合体现了先进性和实用性统一的原则。三级网络结构一级主干网

以总部为中心节点，以主楼、办公楼和实验中心为主连接节点，采用双三角连接，用12芯光缆互连上述四个楼宇，构筑一级主干网。一级主干网使用622Mb/sATM技术。二级主干网

分别以总部和主楼为中心用8芯光缆连接全企业其他楼宇，构筑二级主干网。二级主干网比较复杂。首先，以总部为中心，使用155Mb/sATM技术连接计算中心、科研所楼、图书馆等楼宇；其次，以主楼为中心，使用100Mb/s交换以太网技术连接行政楼、教学楼等楼宇。2/3/202338识网之网络互连九、网络设备-网络互连实例楼内局域网在各楼内局域网中，均使用100Mb/s交换以太网技术为主连接技术，使用10Mb/s交换以太网