计算机文化基础第七讲网络互联技术

计算机网络应用技术基础

第七讲网络互联技术

主要内容

网络互联概述

网络互联设备

局域网互联

广域网互联

1

网络互联概述

网络互联是指采用各种网络互

联设备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

互联网络系统，实现互联网络中的

资源共享。互联的网络与设备可以

是同种类型的网络，不同类型的网

络，以及运行不同网络协议的设备

与系统。

在互联网络中,每个网络中的

网络资源都应成为互联网中的资源。

互联网络资源的共享服务与物理网

络结构是分离的。对于网络用户来

说，互联网络结构对用户是透明的。

互联网络应该屏蔽各子网在网络协

议、服务类型与网络管理等方面的

差异。

为什么要进行网络互联?

LAN孤岛

多种网络平台并存

有时把大的LAN划分成若干个区

段（更小的LAN）

网络的安去可靠性的需要

4

实现网络互联的必要条件：

A在互连的网络之间提供链路，至少有

物理线路和数据线路。

A在不同网络结点的进程之间提供适当

的路由来交换数据。

A提供网络记昧服务，记录网络资源的

使用情况。

A提供各种互连服务，应尽可能不改变

互联网的结构。

不同网络之间的差异

不同网络之间存在着不同的特点，它们主要表现在以下

几个方面：

(1)不同的编址方案

每种网络有不同的端点名字、编址方法与目录保持方案,

需要提供全局网络编址方法与目录服务。

(2)不同的分段

在互连的网络中，分组从一个网络传送到另一个网络时,

往往需要分成几部分，这称为分段。

(3)不同的网络访问机制

对于不同的网络，访问控制机制可能是相同的，也可能

是不同的。

(4)不同的超时

面向连接的传送服务总要等待应答响应，如超时后仍没

有接到响应，则需要重传。但在互连的网络中，数据传

送有时需要经过多个网络，这需要更长的时间，因此应

设定合适的超时值，以防止引起不必要的超时重传。

⑸差错恢复

各个网络有不同的差错恢复功能，互联网络的服务既不

应依赖也不应影响各个网络原来的差错恢复能力。

(6)状态报告

不同的网络有不同的状态报告，互联网络还应提供网络

互连的状态报告信息。

⑺路由选择技术

网络内部的路径选择一般依靠各个网络特有的差错检测

与拥塞控制技术，而互联网络应具有在不同网络之间进

行路由选择的能力。

(8)用户访问控制

不同的网络有不同的用户访问控制方法，用于管理用户

对网络的访问权限。互联网络也需要具有对不同网络的

用户访问权限的控制能力。

(9)连接和无连接服务

不同的网络可能提供面向连接的服务，或无连接的数据

报服务。互联网络的服务不应该依赖于原来各个网络所

提供的服务类型。

画

提供的服务面向连接与无连接

协议IP,IPX,CLNP,等

寻址平面式（802）与层次式（IP）

多路广播提供与不提供（包括广播）

分组大小每个网络都有自己的最大值

服务质量存在与小存在

错误处理可靠的，有序的及无序的投递

流控制滑动窗口、速率控制及其他或无

拥塞控制丢弃分组、阻塞分组等

安全保密规则、加密等

参数不同的超时、流规范等

计费连接时间、分组数、字节数或无

9

网络互联的功能

网络互连功能可分为以下两类：

⑴基本功能

基本功能指的是网络互连所必需的功能，它包括

不同网络之间传送数据时的寻址与路由功能选择等

功能。

⑵扩展功能

扩展功能指的是当各种互连的网络提供不同的服

务类型时所需的功能，它包括协议转换、分组长度

变换、分组重新排序及差错检测等功能。

10

网络互联的类型与层次

目前，计算机网络可以分为广域

网、城域网与局域网三种。因此,

网络互连类型主要有以下几种：局

域网-局域网互连、即域"网I-广〜域I、网-一互

连、局域网-广域网-局域网互连、广

域网-广域网互连。

&蔻MU号一-

局域网-局域网互连

局域网-----局域网局域网-----广域网

(a)(b)

局域网-----广域网-------局域网广域网-----广域网

(C)(d)

在实际的网络应用中，局域网-局域

网互连是最常见的一种，它的结构

如图a所示。局域网-局域网互连进一

步可以分为以下两种：

1,同种局域网互联

同种局域网互连是指符合相同协议的

局域网之间的互连。例如，两个以太网

之间的互连，或者是两个令牌环网之间

的互连。同种局域网之间的互连比较简

单，使用网桥可以将分散在不同地理位

置的多个局域网互连起来。

13

2,异型局域网互连

异型局域网互连是指不符合相同协

议的局域网之间的互连。例如，一个以

太网与一个令牌环网之间的互连，或者

是以太网与ATM网络之间的互连。异型

局域网之间的互连也可以用网桥来实现,

但是网桥必须支持要互连的网络使用的

以太网、令牌环网与令牌总线网都属

于传统的共享介质局域网，ATM网络与

传统共享介质局域网在协议与实现技术

上不同。因此，ATM网络与传统局域网

的互连必须解决局域网仿真问题。

局域网-广域网互连

局域网-广域网的互连也是常见的

方式之一，它的结构如图b所示。局

战网■广域网互连可以通过路由器或

网关来实现。

16

局域网■广域网.局域网互连

两个分布在不同地理位置的局域网通

过广域网实现互连，也是常见的互连类

型之一，它的结构如图C所示。局域网.

广域网■局域网互连可以通过路由器或网

关来实现。

局域网■广域网■局域网互连结构正在

改变传统接入模式，即主机通过广域网

中的通信控制处理机（CCP）的传统接

入模式。大量的主机通过局域网接入广

域网是今后接入广域网的重要方法。

广域网-广域网互连

广域网-广域网互连也是目前常见

的方式之一，它的结构如图d所示。

广域网与广域网之间的互连可以通

过路由器或网关实现，这样连入各

个广域网的主机资源可以实现共享。

网络互联的层次

,在网络系统集成技术中，我们常

常会遇到五连(interconnection)、

互通(intercommunication)与互操

作(interoperability)这三个术语。

会僵鬣摄一^不、同，的网络内的涵互连。、

互连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，它

为两个网络的数据交换提供了物质

基础和可能性，但并不能保证两个

网络一定能够进行数据交换，这要

取决于两个网络的通信协议是不是

相互兼容。

互通是指两个网络之间可以交换

数据。例如，在Internet中，TCP/IP

协议屏蔽了物理网络的差异性，它

能保证在互连的不同网络中的计算

机之间交换数据。因此，互通仅仅

涉及通信的两台计算机之间的端-端

连接与数据交换，它为不同计算机

系统之间的互操作提供了条件。

互操作是指网络中不同计算机系统之

间具有透明地访问对方资源的能力。因

此，互操作性是由高层软件来实现的。

例如,Internet的两个互联网络中各有一

台Sun工作站与一台VAX小型机，它们

之间可以通过TCP/IP协议实现互通，但

如不解决两个操作系统的差异性问题,

它们也无法透明地互相访问对方资源。

要做到这一点，就需要使用应用网关。

22

根据OSI参考模型的层次划分，网络

协议分别属于不同的层次,因此网络互

连一定存在着互连层次的问题。

根据网络层次的结构模型，网络互连

的层次可以分为：数据链路层互连、网

络层互连、高层互连。

(1)数据链路层互连

数据链路层互连的设备是网桥

(bridge)o网桥在网络互连中起着数

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，互

联网络的数据链路层与物理层协议可以

不相同。

⑵网络层互连

网络层互连的设备是路由器。网络层互

连主要是解决路由选择、拥塞控制、差

错处理与分段技术等问题。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(multiprotocolrouter)o

用路由器实现网络层互连时，互联网络

的网络层及以下各层协议可以不相同。

(3)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。一般来说，高层互连使

用的网关很多是应用层网关，通常称为

应用网关(applicationgateway)。

用应用网关来实现两个网络的高层互

连时，两个网络的应用层及以下各层网

络协议可以不相同。

典型网络互连设备

两个网络之间互联时，它们之间

的差异可以表现在OSI七层模式之中

的任一层上，因为非OSI系统要与

OSI相连，非OSI之间也要相连，按

照它们是对哪一层实施连接，网络

互联设备通常分成下面4种：中继器、

网桥、路由器、网关。

1,中继器

网络连接最简单的设备是中继器，其

作用是对弱信号再生，并将再生信号发

送到网络的其他分支上，提供电流以实

现较长距离的传输。

中继器工作在OSI模型的最低层（物理

层），因此只能用来连接具有相同物理

层协议的LAN。

2,网桥

网桥是在数据链路层上实现网络互连的设备，它

具有以下几个基本特征：

»能够连接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。

A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。

A要求互连的网络在数据链路层以上采用相同的协

议。

A可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改

善互联网的性能与安全性。

202

局域网1

[J网桥

局域网2

104data

104

30

如果局域网1中地址为201的结点想与同

一局域网中地址为202的结点通信，网桥就

可以接收到发送帧，但网桥在进行地址过

滤后认为不需要转发，因而会将该帧丢弃;

如果结点201要与中结点104通信，结点201

发送的帧就可以被网桥接收到，网桥进行

地址过滤后识别出该帧应发送到局域网2,

网桥将通过与局域网2的网络接口转发该帧,

这时局域网2中的104结点将能接收到这个

帧。

从用户的角度看，用户并不知道网

桥的存在，局域网1与局域网2就像是

一个网络。这一个大型局域网中，网

桥常被用来将局域网分成既独立又能

相互通信的多个子网，从而改善各个

子网的性能与安全性。

32

目前的网桥标准有两个，分别由

IEEE的802.1与802.5两个分委员会制

定，它们的区别在于路由选暴的策略

不同。基于这两种标准的网桥分别是:

透明网桥

源路选网桥

33

(2)源路选网桥

源路选网桥由发送帧的源结点负责

路由选择，即网桥假定了每个结点在

发送帧时都已经清楚地知道发往各个

目的结点的路由，源结点在发送帧时

需要将详细的路由信息放在帧的首部。

⑥—解

网桥的应用环境

在很多实际应用中，需要将多个局

域网互连起来，这些应用环境主要有

下面几种：

36

⑴一个单位的很多部门都需要将各自的

服务器、工作站与微型机互连成网，不

同的部门根据各自的需要选用了不同的

局域网，而各个部门之间又需要交换信

息、共享资源，这样就需要把多个局域

网互连起来。

(2)一个单位有多幢办公楼，每幢办公楼

内部建立了局域网，这些局域网需要互

连起来，构成支持整个单位管理信息系

统的局域网环境。

⑶在一个大型的企业或校园内，有数千

台计算机需要连网，如果将它们用一个

局域网连接，那么局域网的负荷将会增

加并且性能也会下降。可行的办法是将

数千台计算机按地理位置或组织关系划

分为多个子网，每个子网是一个局域网,

将多个局域网互连起来构成一个大型的

企业网或校园网。

38

(4)如果连网计算机之间的距离超过了单

个局域网的最大覆盖范围，就可以将它

们分成几个局域网来组建，再把这几个

局域网互连起来。

(5)如果一个企业中某一部门的信息在安

全、保密方面要求较高，就可以将这一

部门的计算机单独连在一个局域网内,

再把这个局域网与企业的其他局域网互

连起来。

39

⑥—媛

网桥与广播风暴

从网络体系结构看，网络系统的最

低层是物理层，第二层是数据链路层,

第三层是网络层。在介绍网桥的工作

原理时已经指出，网桥工作在第二层

（数据链路层）。网桥以接收数据帧、

地址过滤、存储与转发数据帧的方式,

来实现多个局域网系统的互连。

网桥根据局域网中数据帧的源地址

与目的地址来决定是否接收和转发数

据帧。根据网桥的工作原理，网桥对

同一个子网中传输的数据帧不转发，

因此可以达到隔离互联子网的通信量

的目的。

因为网桥要确定传输到某个目的结

点的数据帧要通过哪个连接端口转发

出去，就必须在网桥中保存一张“端

口■结点地址表”。但是，随着网络规

模的扩大与用户结点数的增加，会不

断出现“端口■结点地址表”中没有的

结点地址信息。当带有这一类目的地

址的数据帧出现时，网桥将无法决定

应该从哪个端口转发。

42

下图显示了网桥与广播风暴的形成过

程。图中有4个局域网（局域网1、局域

网2、局域网3与局域网4）分别通过端

口号为N・l、N.2、N.3与N.4的端口与网

桥相连，通过网桥实现了局域网之间的

互连。网桥为了确定接收数据帧的转发

路由，需要建立“端口■结点地址表”。

局域网3

局域网4

504

如果局域网4中结点号为504的计算机刚刚接

入，那么“端口■结点地址表”的记录中：N.1

对应结点101,N.2对应结点803,N.3对应结点

205,N.4对应结点504。

在这种情况下，如果局域网1中结点号为101

的计算机希望给结点号为205的计算机发送数

据帧，那么网桥可以通过“端口■结点地址表”

中保存的信息，很容易确定通过N.3端口线路

转发到局域网3,结点号为205的计算机一定能

接收到该数据帧。

如果，，端口■结点地址表“里没有结点号

为504的计算机的记录，那么网桥采取的

方法是：将该数据帧从网桥除输入端口之

外的其他端口广播出去。这样，在与网桥

连接的N.2、N.3与N.4端口，网桥都转发

了同一个数据帧。这种盲目发送数据帧的

做法，势必大大增加网络的通信量，发生

常说的"广播风暴L

3,路由器

路由器是在网络层上实现多个网络互

连的设备。下图是三个局域网使用路由

器互连的结构示意图。在这种结构中，

局域网的数据链路层与物理层可以不同,

但数据链路层以上的高层要采用相同的

协议。路由器可以有效地将多个局域网

的广播通信量相互隔离开来，每一个局

域网都是独立的子网。

局域网I

C.104data局域网3

,=....叩

局域网1中的源结点101生成了一个或多个分

组，这些分组带有源IP地址与目的IP地址。如

果局域网1中的101结点要向局域网3中的目的

结点104发送数据，那么它只需按正常工作方

式将带有源IP地址与目的IP地址分组装配成帧

发送出去。连接在局域网1的路由器接收到来

自源结点101的帧后，由路由器的网络层检查

分组头，根据分组的目的IP地址去查路由表，

确定该分组输出路径。路由器确定该分组的目

的结点在局域网3,它会将该分组发送到目的

结点所在的局域网。

由路由器互连的局域网中，每个局域

网只要求网络层及以上高层的协议相同，

数据链路层与物理层协议可以是不同的。

例如，路由器可以分别连接以太网与令牌

环网。路由器与以太网连接使用以太网卡,

而与令牌环网连接就需要用令牌环网卡。

虽然以太网与令牌环网的帧格式与MAC

方法不相同，但路由器可以通过不同的网

卡处理不同类型局域网的帧。

在一个大型互联网中，经常用多个

路由器将多个局域网或局域网与广域

网互连起来，路由器之间也可以用点

到点线路连接。路由器应该能够根据

互联网结构的变化来更新与维护路由

表，还应该允许结点增加、减少与移

动位置。

I&翘血魂然媛

多协议路由器

如果互连的局域网高层采用了不同的协议，就需

要用多协议路由器。例如，在互连的局域网中，既

有支拮TCP/IP协议的主机，同时又看NetWare主机

它们分别采用不同的通信协议。这时，分布在网络

中的TCP/IP主机只能通过路由器与其他的TCP/IP

主机通信，但不能与同一局域网或其他局域网中的

NetWare主机通信。NetWare主机也只能通过盅用

的路由器与其他的NetWare主机通信。这种结构的

缺点是：互联网主机之间的通信受到路由器协议的

限制。

为了解决互联局域网中不同类型主机之

间的通信问题，可以采用多协议路由器的

互连结构。多协议路由器具有处理多种不

同协议分组的能力，它可以处理不同的分

组的路由选择与分组转发问题。多协议路

由器要为不同类型的协议建立与维护不同

的路由表。

下图给出了使用多协议路由器实现多个

局域网互连的结构。

TCP/IP结点

通过路由器实现网络互连

随着对网络互连需求的增加，用

户对路由器的需求量随之大幅度增

长。目前，应用比较广泛的路由器

产品主要有以下几种：Cisco公司的

系列路由器、3Com公司的Office

ConnectNetBuilder系列路由器、

Nortel公司的Accelar系列珞由器，

以及Intel公司的ExpressRouter系歹U

路由器。

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司网

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乡

实互

前化

地同

公域

起互

生产部门I

Catalyst5(X)0

系列交换机

Cisco4(X)0

系列路由器

公司总部

Cisco7500

系列路由器

Catalyst5000

系列交换机

图中所示的企业网由两个生产部

门的局域网、一个