网络互连课件

第九章网络互连

本章主要内容

□网络互连的概述

□因特网的互连协议IP

□网络互连设备

□网络互连实例

2011-7-1计算机网络技术及应用1

9」网络互连的概述

1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中继

器、网桥、路由器、交换机和网关等。

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9.1网络互连的概述

2网络互连的方式

□LAN-LAN

■互连层次

LAN-LAN网络互连发生在OSI/RM的数据链路层。

■互连设备

LAN-LAN网络的互连设备是网桥、中继器或路由器。

□LAN-WAN

■互连层次

LAN-WAN的互连发生在网络层。

■互连设备

LAN-WAN的互连设备是路由器。

2011-7-1计算机网络技术及应用3

9」网络互连的概述

□WAN-WAN

■互连层次

WAN-WAN互连发生在OSI/RM的传输层及其上层。

■互连设备

WAN-WAN的互连设备是网关。

网络互连的层次关系见下图。

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9.2因特网的互连岭IP

互连网协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协

议之一，与IP协议配套使用的还有三个协议:

■地址转换协议ARP(AddressResolution

Protocol)o

■反向地址转换协议RARP(ReverseAddress

ResolutionProtocol)。

■Internet控制报文协议ICMP(InternetControl

MessageProtocol)。

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9.2因特网的互连岭IP

1IP地址及转换

（I）IP地址及其表示方法

Internet识别网络的方法是给网络上的每一台计算机分配

一个IP地址。IP地址就是给每个连接在Internet上的主

机分配一个在全世界范围内唯一的32位二进制标识符。

由于32位的二进制数字形式不适合阅读和记忆，为了

便于用户阅读和理解IP地址，Internet管理委员会采

用了一种“点分十进制”方法表示IP地址。如下图所

Zj\o

2011-7-1计算机网络技术及应用6

9.2因特网的互连协逑IP

(2)网络地址和主机地址

■IP地址被分为网络地址(net-id)和主机地址

(host-id)两部分。

■IP地址的格式可表示为：网络地址+主机地址。

■IP地址的这种结构使我们在Internet上很方便地

进行寻址，先按IP地址中的网络号net-id把网络

找到，再按主机号host-id把主机找到。

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9.2因特网的互连岭IP

(3)IP地址的分类

为了便于对IP地址进行管

理，同时还考虑到网络的

差异很大，将IP地址分为

5类，即A类、B类、C类、人类

D类和E类，其中D类地址忖

是组播地址，E类地址保

留今后使用。目前使用的力

IP地址仅A至C三类。,中

在IP地址的开头用1位或

几位以标识IP地址的类型曜

如右图所不。

2011-7-1计算机网络技术及应用8

9.2因特网的互连协逑IP

(4)IP地址类型的识别

A类地址：第一个数的范围在0〜127之间,

地址范围从1.0.0.1至126.255.255.254。

B类地址：第一个数的范围在128〜191之间,

地址范围从128.1.0.1至191.255.255.254。

C类地址：第一个数的范围在192〜223之间,

地址范围从192.0.L1至223.255.255.254。

例如，IP地址是138.10.H8.25,它是一个B类地址,

网络ID是138.10,主机ID是118.25。

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9.2因特网的互连协二议IP

(5)内部网可用IP地址

为了避免某个单位内部网选择任意网络地址，

造成与合法的Internet地址发生冲突，IETF

分配了具体的A类、B类和C类地址供单位内

部网使用，这些地址为：

A类:10.0.0.0-10.255.255.255

B类：172.16.0.0-172.31.255.255

C类:192.168.0.0—192.168.255.255

2011-7-1计算机网络技术及应用10

9.2因特网的互连协议IP

(6)IP地址与硬件地址

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC

帧的首部。IP地址与硬件地址的关系如下图。

网络层及以上

使用IP地址

△

鞋路层及以下

便用碳侔地址

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9.2因特网的互连岭IP

(7)地址的转换

□每一个Internet上的主机都有与之对应的三个地址,

即物理地址(硬件地址)、IP地址和主机域名。

□主机的物理地址是网卡制造者制作在网卡上的无法

改变的地址码。

□IP地址是一种二进制数的网络标识和主机标识，数

字型标识对计算机网络是最有效的，但对使用网络

的人却不愿意使用难于记忆的IP地址，为此人们研

究出一种字符型标识，这就是主机的域名。

□主机域名、IP地址和物理地址之间的关系如下图。

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9.2因特网的互连协议IP

主机域名www.cumtb.edu.cn

DNS

v

IP地址202.112.209.88

ARPRARP

硬件地址0020ED5240F3

图9-6主机域名、IP地址与物理地址之间的转换

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9.2因特网的互连协逑IP

2子网划分技术

(1)子网的概念

□传统的IP地址用A,B,C等类划分，网络号与主机号

的分隔必须固定在某个点分符上，在IP地址越来越

紧张的时候这个问题就很突出了。可变长子网掩码

VLSM(RFC1009)允许在主机号的比特位中继续定

义子网掩码/子网扩展前缀，分隔不必在点分符上。

用IP地址中的主机号(host-id)字段中的前若干

比特位作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机

号字段，再通过路由器将划分出的子网互连形成单

位内部网，便于网络的管理和使用。

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9.2因特网的互连协议IP

(2)子网的划分方法

□子网的划分方法是将单个网络号对应的主机

号分为两个部分，其中一部分用于子网号编

址，另一部分用于主机号编址，如下图所示。

网络号主机号

网络号子网号主机号

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9.2因特网的互连岭IP

（3）子网掩码（SubnetMask）

□在划分子网时，TCP/IP使用了子网掩码。子网掩码

也是一个32位的二进制数，其形式与IP地址相同。

它主要有两大功能：一是通过子网掩码，可以区分

一个IP地址中的哪些位对应于网络地址（包括子网

地址）、哪些位对应于主机地址；二是将网络分为

多个子网。

□子网掩码的取值，通常是将对应于IP地址中网络地

址（网络号和子网号）的所有位都设置为“1”，对

应于主机地址（主机号）的所有位都设置为“0”。

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9.2因特网的互连岭IP

□子网掩码和IP地址结合使用，对子网掩码和IP地址进

行“按位与”运算，可以分出一个IP地址的网络号和主

机号。下表是一个例子，IP地址为141.58.97.235的主机,

如采用的子网掩码是255.255.2400通过“与”运算，

可以断定该主机是141.58.96.0网络中的第491号主机。

1P炳W1000110100U10100110000111101011

nuiuiuimunuoooooooooooo

UHSPiO1000110100U10100U0000000000000

000000000000000000000001111010U

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9.2因特网的互连协逑IP

(4)子网划分的规则

□RFC950中的规则

RFC950规定了子网划分的规范，其中对网络地址中

的子网号作了如下的规定：由于网络号全为“0”代

表的是本网络，所以网络地址中的子网号也不能全

为“0”，子网号全为“0”时，表示本子网网络；网

络号全为“1”表示的是广播地址，所以网络地址中

的子网号也不能全为“1”，全为“1”的地址用于向

子网广播。所以，在划分子网时需要考虑子网号不

能全取“1”和“0”。

以下通过例子依据RFC950中的规定说明划分子网

的具体步骤。

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9.2因特网的互连岭IP

某单位现有100台计算机需要联网，要求每个子

网内的主机数不少于40台，问使用一个C类

地址如何划分子网？

■第一步，确定需要划分的子网数。使用一个C类

地址划分子网，必然要从代表主机号的第四个

字节中取出若干位用于划分子网。若取出1位，

根据子网划分规则，无法使用。若取出3位，可

以划分出8个子网，但每个子网容纳主机数为30,

而实际要求是每个子网内的主机不少于40台。

若取出2位，可以划分出2个可用子网，每个子

网可容纳62个主机号，因此取出2位划分子网是

可行的。

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9.2因特网的互连协逑IP

■第二步，确定子网掩码。按照子网掩码的取值

那则，子网掩码为255.255.255.192。如下图所

Zj\O

C类的网络192・168•1.0i

使用2位划分子网J

划分子网~192•168~•1flI

子网掩码11111111111111111111111111000000

子网掩码为：255.255.255.192

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9.2因特网的互连岭IP

■第三步，确定标识每一个子网的网络地址。如

下图所示，两个子网的网络地址分别为

192.168.1.64和192.168.1.128。

2011-7-1计算机网络技术及应用21

9.2因特网的互连协议IP

■第四步，确定每一个子网的主机地址范围。如

下图所示。

每制

地址

01000001|192.168.1.65-

192.168.1.64192•168•1

01111110192.168.1,126

10000001

192.168.1,128192•168•1192.168.1.129-

10111110192.168.1,190

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9.2因特网的互连协逑IP

（4）子网划分的规则

□RFC1878中的规则

1985年制定的RFC950中阻止使用全0全1的子网号以

便与老式的路由器兼容，所以上例中的4个子网还

要减去两个。但现在新的路由器大都支持CIDR

（ClasslessInter-DomainRouting:无类域间路由）

协议，CIDR摒弃了传统基于类的地址分配方式，规

定可以使用任意长度的网络地址部分，因此在1995

年制定的RFC1878（IPv4可变长子网表）中允许使用

全0和全1的子网号，所以上例中对C类网络使用子

网掩码255.255.255.192划分出的4个子网都可以使

用，每个子网的网络地址和主机IP地址范围如下表

所示。

2011-7-1计算机网络技术及应用23

9.2因特网的互连岭IP

■上例中每个子网的网络地址和主机地址范围。

千瞰3网的网钻的批干网的主MIF曲世有国

子网11911K.1.0192.168.1.1-192.168.1.62

孑网2192.168a.M192.168.1.65-192.168.1.126

干网3192.168.1.128192.168.1.129-192.166.1.190

孑网4192.168.1.192192.168.1.193-192.168.1.251

2011-7-1计算机网络技术及应用24

9.2因特网的互连岭IP

(5)默认网关(DefaultGateway)

为了使一台计算机能在TCP/IP环境中正常工作，必须

提供如下地址信息：

①计算机的IP地址：用于标识网络中的每一台计算机；

②计算机所在网络的子网掩码：用于区分IP地址中的网

络ID和主机ID；

③一个默认网关的IP地址：用于将子网掩码过滤出的IP分

组导向目的主机。

发往同一个子网上的数据分组可以直接流向目的地，而对于

那些目的地不是本地网络上的计算机的数据分组，就需

要一个默认的网关，把这些分组导向另一个子网中的目

标系统。

2011-7-1计算机网络技术及应用25

9.3网络互连设备

网络互连设备根据它工作的网络层次和所支持

的协议可分为四种类型：

□中继器

□网桥/第二层交换机

□路由器/第三层交换机

口网关

2011-7-1计算机网络技术及应用26

9.3网络互连设备

1中继器（Repeater）

□中继器的功能

由于信号在介质上传输时，其

幅度将不断地衰减，中继器

是在物理层上实现局域网网

段互连的，用于扩展局域网

的距离，其具体功能是接收

从一条电缆上传输过来的信

号，并将其放大后，再发送

到另一条电缆上。

2011-7-1计算机网络技术及应用27

9.3网络互连设备

□中继器的选择

根据不同的用户需求和用途，市场上的中继器产品有多

种类型：双口中继器、多口中继器、集线器（HUB）

和多路复用器等。双口中继器是最常用的中继器，可用

于扩展两个10BASE-2或10BASE-5网段的同轴电缆长度。

集线器是一种多口中继器，主要用于10BASE-T网络中

双绞线的连接。多路复用器主要用来提高物理介质的利

用率。

□中继器的使用限制

事实上，并不能利用任意多个中继器将任意多个网段互

连起来。IEEE802.3规定，最多只能用4个中继器来连接

5段同轴电缆的网段，以保证信号质量和传输速率。

2011-7-1计算机网络技术及应用28

9.3网络互连设备

2网桥(Bridge)

网桥是一种帧存储转发设备，用来连接两个

相似类型的局域网。从协议的层次看，网桥

是在MAC层对数据帧进行存储转发。

□网桥的使用方式

从硬件配置的位置来分，网桥通常分为内部

网桥和外部网桥两种。组成内部网桥的网卡

安装在文件服务器内，如图9T2所示。外部

网桥则是专用作网桥的PC或其他硬件设备，

如图9-13所示。

2011-7-1计算机网络技术及应用29

9.3网络互连设备

□内部网桥和外部网桥示意图。

9-18n

□网桥的功能

■过滤和转发

■协议转换

■缓冲管理

2011-7-1计算机网络技术及应用30

9.3网络互连设备

3路由器（Router）

□路由器的功能

路由器工作在0SI模型的网络层。由于它比网桥工作在

更高一层，因此路由器的功能比网桥更强，它除了

具有网桥的全部功能外，还应具有路径选择、流量

控制及网络管理等功能。

□路由器产品

路由器产品的性能参数主要有：吞吐量、时延、支持

的路由协议、网络传输协议、网络管理平台、广域

网接口类型和服务类型、局域网接口类型及数据压

缩能力等。按照性能和价格的高低，路由器可分成

高档、中档和低档等三种类型。

2011-7-1计算机网络技术及应用31

9.3网络互连设备

□用路由器连接LAN-WAN示意图

2011-7-1计算机网络技术及应用32

9.3网络互连设备

4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。

2011-7-1计算机网络技术及应用33

9.3网络互连设备

(1)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。

2011-7-1计算机网络技术及应用34

9.3网络互连设备

（2）第三层交换机

□第三层交换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。

2011-7-1计算机网络技术及应用35

9.3网络互连设备

(3)交换机的性能指标

□端口支持

□吞吐率

□背板速率

□延迟

□帧丢失率

□交换机的交换方式

■存储转发(Store-and-forward)

■直通(CutThrough)

■碎片丢弃(FragmentFree)

2011-7-1计算机网络技术及应用36

9.3网络互连设备

（4）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、

lOOMb/s、lOOOMb/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。

2011-7-1计算机网络技术及应用37

9.3网络互连设备

5网关(Gateway)

网关又称为协议转换器，一般是指用于连接不同体

系结构网络(简称异构网络)的软件，而不是指它

的物理设备。

(1)网关的功能

□网关的基本功能是实现不同网络协议之间的转换，

实现在OSI传输层及以上层次上的互连，网关是互

连设备中最为复杂的设备。

□网关除提供互联网间协议转换的基本功能外，还执

行报文存储转发及流量控制功能；提供虚电路接口

及相应的服务；支持应用层互通及互联网的网络管

理功能。

2011-7-1计算机网络技术及应用38

9.3网络互连设备

(2)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。

2011-7-1计算机网络技术及应用39

9.3网络互连设备

6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。

LLI

路由选修LAN-LAN

LAN-WAN

划分VLAN

路由选修国城网内部互连

异版LAN-LAN

LAN-WAN

WAN-WAN

2011-7-1计算机网络技术及应用40

9.4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。

1三级网络结构

□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。该结构具有安全而

实用的双重特征，从安全角度看，五组光缆线路中，

任何一组光缆出现故障都不会导致一级主干网瘫痪。

一级主干网使用622Mb/sATM技术。

2011-7-1计算机网络技术及应用