网络互连技术

网络互连技术第一页，共52页。7.1网络互连的基本概念7.1.1网络互连的概念商业需求；应用需求；技术进步；信息高速公路网络互连（Internetworking）是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互连网络系统，并实现互连网络资源的共享；？第二页，共52页。7.1.2网络互连的难点互连的网络和设备可以是同种或不同种类型的网络，以及运行不同网络协议的设备与系统；网络互连的难点：编址方法与目录服务；

最大分组尺寸；网络访问机制；

连接和无连接服务超时机制；

差错恢复；状态报告；

路由选择；用户访问控制；

第三页，共52页。7.1.3网络互连的目标基本功能

必需功能，包括不同网络之间传送数据时的寻址与路由选择功能；扩展功能是指当互连的网络提供不同的服务类型时所需的功能，包括协议转换、分组长度变换、分组重新排序及差错检测等功能。

第四页，共52页。7.2

网络互连的类型与层次

7.2.1网络互连的类型网络互连的类型分以下几种：局域网—局域网互连；局域网—广域网互连；局域网—广域网—局域网互连；广域网—广域网互连；网络互连需解决的问题：处理互连网络的帧、分组、报文和协议的差异问题；第五页，共52页。7.2

网络互连的类型与层次

7.2.1网络互连的类型局域网—局域网互连同构网互连：具有相同协议的局域网互连；异构网互连：不同协议的局域网互连；局域网—广域网互连：通过路由器或网关实现广域网—广域网互连：通过路由器或网关实现第六页，共52页。LAN—LAN桥接器桥接器路由器第七页，共52页。LAN—WANWANLAN路由器第八页，共52页。WAN—WANWANWANWANWAN路由器路由器路由器第九页，共52页。LAN–WAN–LANWANLANLANLAN路由器路由器路由器第十页，共52页。7.2

网络互连的类型与层次

7.2.2网络互连的层次互连（Interconnection）是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）是指两个网络之间可以交换数据；互操作（Interoperability）是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；第十一页，共52页。7.2

网络互连的类型与层次

7.2.2网络互连的层次互连是基础互通是手段互操作是目的第十二页，共52页。7.2.2

网络互连的层次传输层网络层数据链路层物理层网络A应用层表示层会话层路由器网桥中继器网关传输层网络层数据链路层物理层网络B应用层表示层会话层传输介质传输介质从通信协议的角度来看可以分成四个层次：第十三页，共52页。7.2.3物理层的互连

在不同的电缆段之间复制二进制位信号是物理层互连的基本要求。物理层的连接设备主要是中继器。中继器是最低层的物理设备，用于在局域网中连接几个网段，只起简单的信号放大作用，用于延伸局域网的长度。严格地说，中继器是网段连接设备而不是网络互连设备。第十四页，共52页。物理层的互连

第十五页，共52页。7.2.4数据链路层互连

数据链路层互连要解决的问题是在网络之间存储转发数据帧。互连的主要设备是网桥。网桥在网络互连中起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。用网桥实现数据链路层互连时，允许互连网络的数据链路层与物理层协议是相同的，也可以是不同的。第十六页，共52页。数据链路层互连

第十七页，共52页。7.2.5网络层互连

网络层互连要解决的问题是在不同的网络之间存储转发分组。互连的主要设备是路由器。网络层互连包括路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等。如果网络层协议相同，则互连主要是解决路由选择问题。如果网络层协议不同，则需使用多协议路由器。用路由器实现网络层互连时，允许互连网络的网络层及以下各层协议是相同的，也可以是不同的。第十八页，共52页。网络层互连

第十九页，共52页。7.2.6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。实现高层互连的设备是网关。高层互连使用的网关很多是应用层网关，通常简称为应用网关。如果使用应用网关来实现两个网络高层互连，那么允许两个网络的应用层及以下各层网络协议是不同的。第二十页，共52页。高层互连

第二十一页，共52页。网络互连小结物理层互连互联设备是中继器（Repteater），信号放大，扩大局域网连接范围。数据链路层互连

互连的设备是网桥（Bridge）；在LAN之间存储转发数据帧，提供链路层上的协议转换。网络层互连互连设备是路由器（Router）；在不同的网间存储转发分组，提供网络层的协议转换，进行路由选择。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）。提供不同体系间互连接口。第二十二页，共52页。7.3网络互连设备7.3.1中继器（Repteater）中继器是最简单的局域网延伸设备，运行在物理层，即OSI的最底层。由于网络受最远距离的限制，当网络段超过最大传输距离时，需要增加一个设备来延伸该网络，这个设备称为中继器。它实际上是一种信号再生放大器，将接收到的弱信号中的数据进行放大，再重新传入物理媒体。中继器的主要优点是安装简单，使用方便，几乎不需要维护，它的处理速度快，基本能保持原有介质的传输速度。第二十三页，共52页。网络段1中继器网络段27.3网络互连设备第二十四页，共52页。

集线器实际上是一种特殊的中继器(多口中继器)，它作为网络传输介质间的中央结点，克服了传输介质单一通路的限制。

优点在于，在网络上某条双绞线电缆或结点出现故障时，不会影响网络上其他结点的正常工作。可以在HUB中加上检测功能，以解决网络的管理功能。7.3网络互连设备第二十五页，共52页。7.3.2网桥（Bridge）网桥又称桥接器，是一种存储转发设备，主要用于局域网与局域网互联。可以将两个以上独立的物理网络连接在一起，构成一个逻辑局域网。网桥是一种数据链路层上的网络互连设备，负责在数据链路层上将数据帧进行存储转发。网桥的作用是扩大网络的距离，并过虑信息流减轻网络的负担。7.3网络互连设备第二十六页，共52页。1

网桥的工作原理第二十七页，共52页。1.网桥的工作原理数据帧接收与转发担任网桥的计算机中安装不同种网络结构的网卡及其驱动程序；网卡负责数据的接收与发送；网桥软件负责数据转发与地址过滤。地址过滤数据为同一局域网，丢弃数据为不同局域网，转发第二十八页，共52页。网桥能互连MAC子层不同的局域网AFE网桥1DCBHGKIJ网桥3网桥2802.3802.3802.5802.4第二十九页，共52页。网桥分隔两个网络的通信量第三十页，共52页。2网桥的基本特征

网桥在数据链路层上实现局域网互连；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；网桥互连的网络需要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。第三十一页，共52页。3网桥的分类按数据帧转发策略分透明网桥由各网桥自己来决定路由选择，局域网上的各结点不负责路由选择；网桥对于网络的各个结点来讲是“透明”的；源路由网桥由发送帧的源结点负责路由选择。按端口数目分：双端口、多端口按连接线路分：普通、无线、远程第三十二页，共52页。3网桥的分类透明网桥路由表由网桥生成；路由表包含三个信息：MAC地址、端口、时间；根据转发过程建立路由表，根据时间更新路由表。源路由网桥源结点以广播方式向目的结点发送用于探测的发现帧；发现帧以所有可能的路径到达目的帧，并记录返回路由信息；源结点从中选择跳步最少的路由信息，并将该信息裝于帧首部。第三十三页，共52页。4

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。第三十四页，共52页。5.网桥存在的问题

转发速率广播风暴

第三十五页，共52页。6局域网交换机的应用交换机和网桥有很多共同的属性，随着交换机的普遍使用，网桥逐渐被交换机代替。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，转发速度快；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；第三十六页，共52页。7.3.3路由器（Router）

路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备，主要用于局域网－广域网互连。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。第三十七页，共52页。1.路由器的基本工作原理（Router）第三十八页，共52页。1.路由器工作原理数据传输路径由路由器中的路由表决定；路由器含有多块网卡，负责处理不同类型的数据帧；发送数据结点的分组头中含有目的结点地址；分组数据进入路由器后，由结点的源和目的IP地址，根据路由表信息，决定分组传输的路由器或结点；网卡负责数据帧的发送与接收；路由器软件负责分组接收、转发、路由选择。网络层以上协议不同，就要采用多协议路由器第三十九页，共52页。2.路由器的特点路由器是在网络层上实现多个网络之间互连的设备；路由器为两个或三个以上网络之间的数据传输解决最佳路径选择；路由器要求结点在网络层以上的各层使用相同或兼容的协议。第四十页，共52页。3.路由器与网桥的区别网桥独立于高层协议，它把几个物理子网连接起来，向用户提供一个大的逻辑网络。路由器则是从路径选择角度为逻辑子网的结点之间的数据传输提供最佳的路线；第四十一页，共52页。4.路由器实现LAN-WAN-LAN互联示例第四十二页，共52页。典型企业网结构第四十三页，共52页。7.3.4网关（Gateway）

网关也称为网间协议变换器，是实现不同协议的网络、不同操作系统之间的网络互连；网关是在高层上实现多个网络互连的设备；能实现局域网与远程网之间的互连。网关一般用于不同类型、差别较大的网络系统之间的互连。又可用于同一个物理网而在逻辑上不同的网络之间互连，还可用于不同大型主机之间和不同数据库之间的互连。网关采用硬件+软件的方式实现网间协议变换，硬件提供不同的网络接口，软件实现协议之间的转化。第四十四页，共52页。网络协议转换的方法

方法一：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；互连n个网络需要n(n-1)种转换程序；连接的网络数量越多，网关的性能要求也越高。方法二：首先指定一种标准的网间报文格式。在输入端将输入网络信息包转换成标准格式，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；互连n个网络需要2n种转换程序；格式转换只在网关中，网络之间使用标准网间报文格式。7.3.4网关（Gateway）

第四十五页，共52页。7.4

第三层交换技术与应用

7.4.1第三层交换技术产生的背景增加网络带宽与提高网络服务质量的途径有两个：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。第四十六页，共52页。7.4

第三层交换技术与应用

7.4.2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，具有数据传输延迟低、高传输带宽的优点；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，二者都在网络的第二层上实现了数据交换；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