物联网5 网络的互联

第五章网络的互联教学要求1．掌握：各种网络互联设备的工作原理及应用。2．理解：公用电话网、综合业务数字网以及ATM技术的工作原理。3．了解：网络互联的概念、网络互联的类型和层次。本章目录5.1互联网络的基本概念5.2网络互联设备5.3广域网的相关技术5.1互联网络的基本概念5.1.1网络互联的类型5.1.2网络互联的层次每种网络技术都有特定的限制，广域网络内各种类型网络的差别和应用局限性更加明显。不存在某种单一的网络技术对所有需求都是最好的，通常是根据实际的需求来确定网络的类型。使用多个物理网络的明显问题是，连接在一个网络内的计算机只能与连在同一网络内的其它计算机通信，不能与连在其他网络上的计算机通信。当一个机构拥有多个网络时，会给使用和管理带来极大的不便，同时也会造成资源浪费。为解决这一问题，就必须提供一种通用服务，使得任意两台计算机（无论在哪个网络上）都能进行通信，就像任意两个电话之间可以通话一样，在异构网络之间实现通用服务的方案称为网络互联。网络互联既需要硬件，也需要软件。通常使用专门的硬件将各种网络连接起来，在计算机及专用硬件上分别安装相应的服务软件。这种将各种网络连接起来构成的最终系统称为互联网络。5.1.1网络互联的类型网络互联的任务（1）扩大网络通信范围与限定信息通信范围（2）提高网络系统性能与系统可靠性网络互联的类型由于网络分为局域网（LAN）和广域网（WAN）两大类，因此网络互联的形式有LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN、LAN-WAN-LAN。为了将两个物理网络连接在一起，需要采用特殊的设备。这些设备根据其作用和工作原理的不同而有不同的名称，通常被称为中继器、网桥、路由器、网关。5.1.2网络互联的层次ISO的OSI七层协议参考模型的确定，为网络的互联提供了明确的指导，网络互联从通信协议的角度来看可以分成4个层次，即物理层、数据链路层、网络层和高层，与之对应的互联设备分别是中继器（repeater）、网桥（bridge）、路由器（router）和网关（gateway）。层次一：使用中继器在不同电缆段之间复制位信号；层次二：使用网桥在局域网之间存储、转发帧。层次三：使用路由器在不同网络间存储、转发分组；层次四：使用协议转换器提供高层接口。1．物理层互联在不同的电缆段之间复制位信号是物理层互联的基本要求。物理层采用的互联设备是中继器。由于信号在网络传输介质中有衰减和噪音，使有用的数据信号变的越来越弱，因此为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，要用中继器把所接收到的弱信号分离，并再生放大以保持与原数据相同。物理层的互联2．数据链路层互联数据链路层互联要解决的是局域网之间存储转发数据帧。该层使用的互联设备是网桥。数据链路层的互联3．网络层互联网络层互联要解决的是不同网络之间存储转发分组。网络层的互联4．高层互联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。高层的互联5.2网络互联设备5.2.1网桥5.2.2路由器5.2.3网关5.2.1网桥网桥是数据链路层互联的主要设备。作为不同局域网间的桥梁，网桥可以连接两个或多个局域网网段，对各网段的数据帧进行接收、存储、转发，并提供数据流量控制和差错控制。网桥以数据帧为单位存储和转发数据，与中继器只是放大和转发接收到的所有数据不同，网桥只向需要接收数据的网络转发数据帧。网桥可将一个较大的局域网分割为多个网段，或将两个以上的局域网互联为一个逻辑上的局域网。用网桥实现数据链路层互联时，允许互联网络的数据链路层与物理层协议相同，但也可以不同。网桥的功能网桥的功能概括如下：（1）隔离功能（2）数据过滤功能（3）自学习功能网桥互联网桥的类型根据网桥工作层次、连接网络的距离、处理过滤表格的方式以及网络的端口处理能力，可以将网桥分成若干类型。（1）MAC网桥和LLC网桥（2）透明网桥（3）源路由网桥（4）本地网桥和远程网桥本地网桥的应用远程网桥的应用网桥的应用（1）用于网络互联（2）提高网络性能（3）提高网络安全性5.2.2路由器路由器是网络层上主要的互联设备。它是一种多端口设备，可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。路由器属于OSI模型的第三层，即网络层。网络层指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。路由器的作用路由器的稳固性在于它的智能性。路由器不仅能追踪网络的某一节点，还能选择出两节点间最近、最快的传输路径。基于这个原因，还因为它们可以连接不同类型的网络，使得它们成为大型局域网和广域网中功能强大且非常重要的设备。带两个网卡的计算机充当路由器如果想要了解路由器能做些什么工作，可根据下列条件设想一下运行环境：（1）路由器拥有两个以上的端口（适配器），因此能够连接两个以上的网络。这时要确定将数据转发到何处去的问题，将会变得更加复杂，而且冗余路径的可能性也增加了。（2）用路由器连接起来的各个网络，每一个都与其他网络互相连接着。也就是说，路由器能够了解它并未直接连接的网络地址。路由器必须采用某种方法，将数据转发到它并未直接连接的网络上。（3）路由器连接的网络提供了冗余路径，每个路由器必须拥有一个手段，以确定应该使用哪一个路径。路由器和网络（图中每个节点都是用来连接网络的路由器）路由器的工作原理（1）路由器接收来自它连接的某个网站的数据。（2）路由器将数据向上传递，并且（必要时）重新组合IP数据报。（3）路由器检查IP头部中的目的地址。如果目的地址位于发出数据的那个网络，那么路由器就放下被认为已经达到目的地的数据，因为数据是在目的计算机所在网络上传输。（4）如果数据要送往另一个网络，那么路由器就查询路由表，以确定数据要转发到的目的地。（5）路由器确定哪个适配器负责接收数据后，就通过相应的软件传递数据，以便通过网络来传送数据。5.2.3网关网关也叫协议转换器。网关是比网桥与路由器更复杂的网络互联设备，它可以实现不同协议的网络之间的互联；不同网络操作系统的网络之间的互联；局域网与广域网之间的互联。实际上网关不能完全归为一种网络硬件。概括地说，它们应该是能够连接不同网络（异构网）的软件和硬件的结合产品。特别地，它们可以使用不同的格式、通信协议或结构连接起两个系统。网关实际上通过重新封装信息以使它们能被另一个系统读取。为了完成这项任务，网关必须能运行在OSI模型的几个层上。网关必须同应用通信，建立和管理会话，传输已经编码的数据，并解析逻辑和物理地址数据。网关的功能网关的重要功能是完成网络层以上的某种协议之间的转换，它将不同网络的协议进行转换。（1）远端业务协议封装（2）本地业务协议封装（3）协议转换网关的类型（1）传输网关传输网关用来在两个网络间建立传输连接。（2）应用网关应用网关在应用层上进行协议转换。网关的应用（1）局域网和广域网互联局域网与广域网之间的互联（2）局域网和主机互联（远程访问）局域网与主机之间的互联（3）局域网和局域网间互联支持位于相同类型或不同类型局域网上的执行不同协议应用系统之间的互联。例如，许多局域网都有专用的电子邮件系统，为了实现多个用户之间的电子邮件系统可以互通，使用电子邮件网关实现不同电子邮件系统之间的转换。5.3广域网的相关技术5.3.1公用电话网PSTN

5.3.2综合业务数字网ISDN5.3.3ATM技术广域网WAN通常跨接很大的物理范围，它能连接多个城市或国家并能提供远距离通信。广域网是由许多交换机组成的，交换机之间采用点到点线路连接，几乎所有的点到点通信方式都可以用来建立广域网，包括租用线路、光纤、微波、卫星信道。广域网是基于报文交换或分组交换技术的（传统的公用电话交换网除外）。由局域网和广域网组成互联网5.3.1公用电话网PSTNPSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用交换电话网），也就是大多数家庭使用的典型的电话网络，是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的网络。电话网概括起来主要由三个部分组成：本地回路、干线和交换机。PSTN是一种电路交换的网络，可看作是物理层的一个延伸，在PSTN内部并没有上层协议进行差错控制。

PSTN的另一个缺点在于它不能满足许多广域网应用所要求的质量。PSTN更大的限制在于它的通信能力即吞吐量。典型的PSTN与因特网连接5.3.2综合业务数字网ISDNISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork，综合业务数字网）是一种国际标准。它是国际电信联盟为了在数字线路上传输数据而开发的。与PSTN一样，ISDN使用电话载波线路进行拨号连接。但它和PSTN又截然不同，它独特的数字链路可以同时传输数据和语音。ISDN线路可以同时传输两路话音和一路数据。所有的ISDN连接都基于两种信道：B信道和D信道。B信道是承载信道，采用电路交换技术通过ISDN来传输话音、视频、音频和其他类型的数据。D信道是数据信道，采用分组交换技术来传输关于呼叫的信息。ISDN提供了三个独立的数字信道：分别是B、B和D（通常写作2B+D）。常用的ISDN连接有两种类型：基本速率ISDN（BRI）和主速率ISDN（PRI）。这两种属于N-ISDN（窄带综合业务数字网，Narrowband-ISDN）。BRI使用两个B信道和一个D信道，这可以用下面的式子表示：2B+D。一个BRI链路PRI使用23个信道和一个64Kbps的D信道，这可以用下式表示：23B+D。一个PRI链路随着用户信息传送量和传送速率的不断提高，前两种N-ISDN已无法满足用户要求。80年代后期，提出了第三种ISDN连接，即B-ISDN（宽带ISDN，Broadband-ISDN），它能提供比BRI或PRI更高的通信容量。B-ISDN与N-ISDN相比，具有以下一些重大区别：（1）N-ISDN使用的是电路交换，它只是在传送信令（信令这个词，含有信号和指令双重意思）的D通路使用分组交换。B-ISDN则使用一种快速分组交换，称为异步传输方式ATM。（2）N-ISDN是以目前正在使用的电话网为基础，其用户环路采用双绞线（铜线）。但在B-ISDN中，其用户环路和干线都采用光缆（但短距离也可使用双绞线）。（3）N-ISDN各通路的比特率是预先设置的。如B通路比特率为64kbps。但B-ISDN使用虚通路的概念，其比特率只受用户到网络接口的物理比特率的限制。（4）N-ISDN无法传送高速图像，但B-ISDN可以传送。5.3.3ATM技术B-ISDN要支持如此高的速率，要处理很广范围内各种不同速率和传输质量的需求，需要面临两大技术挑战：一是高速传输；二是高速交换。光纤通信技术已经给前者提供了良好的支持；而异步传输模式（AsynchronousTransferMode，ATM）为实现高速交换展示了诱人的前景，使得B-ISDN网络的实现成为可能。ATM是一种广域网传输方法。它可以利用固定数据包的大小这种方法达到从25~622Mbps的传输速率。ATM技术建立在电路交换和分组交换的基