计算机网络6 网络互连

1、2020/7/6,1,6 网络互连,6.1 网络互连设备 6.2 交付、转发与路由 6.3 小结,2020/7/6,2,6.1 网络互连设备,中继器 路由器 交换机,2020/7/6,3,互连设备,2020/7/6,4,互连设备和OSI模型,2020/7/6,5,中继器,中继器仅仅延长网络的距离, 没有过滤能力 中继器是一个再生器, 不是一个放大器,2020/7/6,6,中继器,2020/7/6,7,中继器功能,2020/7/6,8,集线器: 多端口中继器,2020/7/6,9,集线器: 同一个冲突域,所有设备共享相同的带宽 接入设备越多冲突机率越大 用CSMA/CD技术,2020/7/6,1

2、0,路由器,工作在OSI模型的物理层、数据链路层和网络层 同时连接两个或更多的网络, 并同时拥有它们的地址 选择出两节点间”最短”的传输路径 “最短”可能意味着许多因素的组合, 包括最短、最便宜、最快、最可靠等 连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网,2020/7/6,11,路由器,2020/7/6,12,General architecture of an IP router,2020/7/6,13,交换机,传统的交换机工作于OSI模型的数据链路层 可作为多点网桥连接LAN中的设备或网段,2020/7/6,14,交换机,2020/7/6,15,两种交换策略,存储转发 发送信息前把整

3、帧数据读入内存并检查其正确性 可以在不同传输速率的网段间传输数据 快捷模式 读取帧头后即决定把数据转发往何处,2020/7/6,16,帧交换策略,直通转发 交换机检测到目标地址后即转发帧 存贮转发 完整地收到帧并检查无错后才转发,Frame,Frame,Frame,Frame,2020/7/6,17,用交换机组建VLAN,2020/7/6,18,第三层交换机与路由器,能够比路由器更快地传输数据 比路由器更容易安装和配置 功能比不上路由器 不能在以太网和令牌环网间传输数据, 不能打包协议, 不能优化数据传输 在广域网中使用需要路由器, 在局域网中尽量使用交换机,2020/7/6,19,例6.1

4、Cisco Catalyst 2950系列交换机,最廉价的Cisco交换产品 可堆叠 8.8Gbps的交换背板带宽 最大4.4Gbps数据吞吐率,2020/7/6,20,例6.2 Cisco 2600系列路由器,中小型用户首选 端口设计模块化, 与Cisco 1600、1700, 3600和3700系列共享模块化接口 支持QoS、安全和网络集成特性,16端口交换模块,ADSL信道单元模块,VoATM信道模块,2020/7/6,21,例6.3 采用Cisco 2600组建广域网,可长期使用、能适应不断发展的网络要求 带防火墙保护的虚拟专用网(VPN)可降低成本 集成化路由和交换功能 语音、传真、

5、数据多业务集成 安全、高性能模块化平台上的高速企业级DSL连接 支持QoS, 如资源预留协议(RSVP)、加权公平序列(WFQ)和IP优先级,2020/7/6,22,选择合适的产品,汇聚层,核心层,接入层,2020/7/6,23,选择产品要考虑的要素,产品功能与性能 安装与管理 弹性处理能力 投资保护 平滑升级 无缝远程接入,2020/7/6,24,Cisco全线智能路由器系列,CRS1 80Mpps/LC,GSR/C12000 450Mpps/LC,ESR/C10000 6.2Mpps/LC,C7600 32M48Mpps/slot,C7300 1Mpps3.5Mpps,C7200 400K

6、1Mpps,C3800,C2800,C1800,C850/870,SB100,C800,C1700,C2600XM,C3700,C7400,C7500,运营商核心,运营商边缘/ 企业核心,接入,运营商,运营商与大企业,中小规模企业,小企业,性能,SOHO,2020/7/6,25,6.2 交付、转发与路由,交付 (Delivery) 转发 (Forwarding) 路由 (Routing),2020/7/6,26,Delivery,The network layer supervises the handling of the packets by the underlying physical

7、 networks. We define this handling as the delivery of a packet.,2020/7/6,27,Direct and indirect delivery,2020/7/6,28,Forwarding,Forwarding means to place the packet in its route to its destination. Forwarding requires a host or a router to have a routing table. When a host has a packet to send or wh

8、en a router has received a packet to be forwarded, it looks at this table to find the route to the final destination.,2020/7/6,29,Route method versus next-hop method,Next-hop method is the first technique to reduce the contents of a routing table.,2020/7/6,30,Host-specific versus network-specific me

9、thod,Network-specific method is the second technique to reduce the routing table and simplify the searching process.,2020/7/6,31,Default method,Default method is another technique to simplify routing.,2020/7/6,32,Simplified forwarding module in classless address,In classless addressing, we need at l

10、east four columns in a routing table.,ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址, 并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部, 然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器.,2020/7/6,33,例. 6.4 Configuration example,2020/7/6,34,Forwarding process example,Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 180.70.65.140. Solution 1.

11、 The first mask (/26) is applied to the destination address. The result is 180.70.65.128, which does not match the corresponding network address. 2. The second mask (/25) is applied to the destination address. The result is 180.70.65.128, which matches the corresponding network address. The next-hop

12、 address and the interface number m0 are passed to ARP for further processing.,2020/7/6,35,Forwarding process example, continued,Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 201.4.22.35. Solution 1. The first mask (/26) is applied to the destination address. The

13、 result is 201.4.22.0, which does not match the corresponding network address (row 1). 2. The second mask (/25) is applied to the destination address. The result is 201.4.22.0, which does not match the corresponding network address (row 2). 3. The third mask (/24) is applied to the destination addre

14、ss. The result is 201.4.22.0, which matches the corresponding network address. The next-hop address and the interface number m3 are passed to ARP.,2020/7/6,36,Forwarding process example, continued,Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 18.24.32.78. Solutio

15、n All masks are applied, one by one, to the destination address, but no matching network address is found. When it reaches the end of the table, the module gives the next-hop address 180.70.65.200 and interface number m2 to ARP.,2020/7/6,37,Address aggregation,2020/7/6,38,Longest mask matching,2020/

16、7/6,39,Longest mask matching, continued,Suppose a packet arrives for organization 4 with destination address 140.24.7.200. The first mask at router R2 is applied, which gives the network address 140.24.7.192. The packet is routed correctly from interface m1 and reaches organization 4. If, however, t

17、he routing table was not stored with the longest prefix first, applying the /24 mask would result in the incorrect routing of the packet to router R1.,2020/7/6,40,Hierarchical routing with ISPs,The regional ISP sends every packet with destination address 120.14.64.0 to 120.14.79.255 to local ISP1. L

18、ocal ISP1 sends every packet with destination 120.14.64.0 to 120.14.64.3 to H001.,2020/7/6,41,路由,路由是发现、比较、选择通过网络到达目的地的路径的过程 路由的目的是找到一条最经济的路径 路由分为静态路由和动态路由 最常用的两种动态路由方法 距离向量路由 链路状态路由,2020/7/6,42,路由,要实现路由, 路由器必须知道 目的地址与源地址 所有可能的路由路径 最佳路由路径 管理路由信息,172.16.1.0,10.120.2.0,2020/7/6,43,理想的路由算法,算法正确和完整 算法在计算

19、上简单 自适应性 算法能适应通信量和网络拓扑的变化 算法具有稳定性 算法是公平的 算法是最佳的,2020/7/6,44,关于最佳路由,不存在一种绝对的最佳路由算法 所谓”最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已 实际的路由选择算法, 应尽可能接近于理想的算法 路由选择是个非常复杂的问题 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果 路由选择的环境往往是不断变化的, 而这种变化有时无法事先知道,2020/7/6,45,静态路由和动态路由,静态路由 由网络管理员在路由器上手工添加路由信息以实现路由目的 动态路由 根据网络结构或流量的变化, 路由协议会自动调整路由信息以实现路由,2020

20、/7/6,46,分层路由选择协议,因特网采用分层次的路由选择协议 因特网的规模非常大. 如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达, 则这种路由表将非常大, 处理起来也太花时间. 而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和 许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议(这属于本部门内部的事情), 但同时还希望连接到因特网上,2020/7/6,47,自治系统 (Autonomous System),2020/7/6,48,自治系统,自治系统 AS 的定义RFC 4271: 在单一的技术管理下的一组路由器, 而这些路由器使用一种 AS 内部的路

21、由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由, 同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS之间的路由 自治系统 AS 的定义强调以下事实: 尽管一个 AS 使用了多种内部路由选择协议和度量, 但重要的是一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略,2020/7/6,49,路由协议,2020/7/6,50,RIP (Routing Information Protocol),基于距离向量的分布式路由选择协议 仅和相邻路由器交换信息 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息, 即自己的路由表 RIP定义距离为到目的网络所经过的路由器数, 最大可达距离

22、为15(16表示不可达) RIP只适用于小型网络 RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由 路由器每隔30s向相邻路由器广播自己的路由表,2020/7/6,51,距离向量路由表,2020/7/6,52,路由表的建立,路由器在刚刚开始工作时, 只知道到直接连接的网络的距离(此距离定义为1) 以后, 每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息 经过若干次更新后, 所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址 RIP 协议的收敛(convergence)过程较快, 即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程,2020/7/6,53,

23、RIP路由更新算法,收到相邻路由器的信息后, 1.对每条通告中的跳数(hop count)加1. 2. 对每条通告重复一下步骤: 1). If (目标不在路由表中) 将通告信息加到信息表中. 2). Else a. If (下一跳字段相同) 用通告的信息项代替路由表的表项. b. Else if (通告的跳数小于路由表中的跳数) 用新的信息项替换路由表的项. 3.若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表, 则将距离置为16 4. Return.,2020/7/6,54,例6.6 路由表的更新(1),已知路由器R6的路由表: 现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息: 试更新R6的路由表,路由

24、表的更新不需要知道网络的拓扑.,2020/7/6,55,例6.6 路由表的更新(2),先把R4发来的路由表中的距离都加1, 并把下一跳都改为R4: 再将这个表中的每一行与R6的路由表进行比较, 得到更新后的路由表:,2020/7/6,56,RIP协议的优缺点,RIP协议最大的优点是实现简单, 开销较小 RIP存在的一个问题是当网络出现故障时, 要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器 RIP限制了网络的规模, 它能使用的最大距离为15 (16表示不可达) 路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表, 因而随着网络规模的扩大, 开销也就增加,2020/7/6,57,RIP无限计数问题

25、,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 说: 我到网 1 的距离是 1, 是直接交付. ,1表示从本路由器到网 1,1表示距离是 1,表示直接交付,2020/7/6,58,RIP无限计数问题,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R2 说: 我到网 1 的距离是 2, 是经过 R1. ,1表示从本路由器到网 1,2表示距离是 2,R1表示经过 R1,2020/7/6,59,RIP无限计数问题,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 说: 我到网 1 的距离是 16 （表示无法到达）, 是直接交付.,但 R2 在收到 R1 的更新报文之前, 还

26、发送原来的报文, 因为这时 R2 并不知道 R1 出了故障.,2020/7/6,60,RIP无限计数问题,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 收到 R2 的更新报文后, 误认为可经过 R2 到达网1, 于是更新自己的路由表, 说: 我到网 1 的距离是 3, 下一跳经过 R2. 然后将此更新信息发送给 R2.,2020/7/6,61,RIP无限计数问题,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R2 以后又更新自己的路由表为1, 4, R1, 表明 我到网 1 距离是 4, 下一跳经过 R1.,2020/7/6,62,RIP无限计数问题,R2,R1,R2,R1,

27、网 1出了故障,正 常 情 况,1 1 ,1 16 ,1 5 R2,1 2 R1,1 2 R1,这样不断更新下去, 直到 R1 和 R2 到网 1 的距离都增大到 16 时, R1 和 R2 才知道网 1 是不可达的.,这就是好消息传播得快, 而坏消息传播得慢. 网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟). 这是 RIP 的一个主要缺点.,2020/7/6,63,OSPF (Open Shortest Path First),基于链路状态的分布式路由选择协议 依靠各路由器之间交换信息来建立链路状态数据库, 并维持其在全网范围内的一致性 OSPF的两个主要目标 改善网络的可扩展性 快速

28、收敛,2020/7/6,64,链路状态包(link-state packet),2020/7/6,65,链路状态数据库(link-state database),由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息, 因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图, 它在全网范围内是一致的(这称为链路状态数据库的同步) OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新, 使各个路由器能及时更新其路由表. OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点,2020/7/6,66,OSPF的区域(area),为了使OSPF能够用于规模很大的网络, OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小

29、的范围, 叫作区域 每一个区域都有一个32位的区域标识符(用点分十进制表示) 区域也不能太大, 在一个区域内的路由器最好不超过200个,2020/7/6,67,两种不同的区域,区域 0.0.0.1,区域 0.0.0.3,主干区域 0.0.0.0,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域 0.0.0.2,网 4,网 5,R8,2020/7/6,68,直接用IP数据报传送,OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传送 其IP首部的协议字段值为89 OSPF构成的数据报很短. 这样做可减少路由信息的通信量 数据报很短的另一好处

30、是可以不必将长的数据报分片传送. 分片传送的数据报只要丢失一个, 就无法组装成原来的数据报, 而整个数据报就必须重传,2020/7/6,69,OSPF的特点,对不同链路可根据IP分组的TOS而设置成不同代价 因此, OSPF对于不同类型的业务可计算出不同路由 如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径, 那么可以将通信量分配给这几条路径 这叫作多路径间的负载平衡 所有在OSPF路由器之间交换的分组都具有鉴别功能 保证仅在可信赖的路由器之间交换信息 支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR 每一个链路状态都带上一个32位的序号, 序号越大状态就越新,2020/7/6,70,Dijkstra,提出goto有害论 提出信号量和PV原语 解决了有趣的哲学家聚餐问题 Dijkstra最短路径算法的创造者 第一个Algol 60编译器的设计者和实现者 THE操作系统的设计者和开发者 与D. E. Knuth并称为我们这个时代最伟大的计算机科学家 在与癌症进行了多年的斗争之后, Edsger Wybe Dijkstra于2002年8月6日在荷兰Nuenen自己的家中与世长辞！终年72岁.,202