计算机网络技术-第7章_网络互联设备

1第7章网络互联设备问题原由网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以形成能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳更多用户的更加庞大的网络系统。本章重点讨论网络互联设备、概念、类型、解决方案、层次、物理层互联设备、数据链路层互联设备、网络层互联设备、应用层互联设备等。教学重点能力要求了解：了解网络互联的概念。熟悉：网络互联设备的工作原理。掌握：互联设备的工作层次、功能及应用。2本章目录§7.1网络互联概述§7.2网络互联设备3知识结构网络互联设备网络互联设备物理层互联设备网络互联的层次数据链路层互联设备网络层互联设备应用层互联设备网络互联概述网络互联解决方案网络互联类型网络互联概念4LAN的迅速增长，把越来越多的彼此独立的个人计算机带入了网络环境，从而达到了共享资源和交换信息的目的。然而，由于LAN本身的连接距离限制（一般在几公里之内）和用户针对不同的应用选择LAN的类型不一样，所以不同企业甚至是同一个企业的不同部门之间形成了多个LAN孤岛。如何把这些LAN互连起来，像使用电话系统那样方便地使用计算机网络，是网络互联要解决的问题。网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以形成能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳更多用户的更加庞大的网络系统。§7.1网络互联概述5计算机网络往往由许多种不同类型的网络互相连接而成。如果几个计算机网络只是在物理上连接在一起，它们之间并不能进行通信，那么这种“互连”并没有什么实际意义。因此通常在谈到“互联”时，就已经暗示这些相互连接的计算机是可以进行通信的，也就是说，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，或称为互联网络，也可简称为互联网、互连网。7.1.1网络互联概念67.1.1网络互联概念1、网络互连与网络互联互连（Interconnection）：是指网络在物理上的连接，两个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资基础和可能性，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。互联（internetworking）：网络互联是指网络在物理和逻辑上，尤其是逻辑上的连接。网络互联是指将两个或两个以上的计算机网络通过一定的方法，用一种或多种网络通信设备互联起来，从而构成更大的网络系统，实现网络间更广泛的资源共享，并通过通信达到不同网络上的用户可以进行信息和数据的交换。77.1.1网络互联概念要实现网络互联，需要满足的基本条件是：①在需要连接的网络之间提供至少一条物理链路，并对这条链路具有相应的控制规程，使之能建立数据交换的连接。②在不同网络之间具有合适的路由，以便能相互通信以交换数据。③可以对网络的使用情况进行监视和统计，以方便网络的维护和管理。87.1.1网络互联概念2、“互连”、“互通”、和“互操作”三个术语“互连”指在两个物理网络之间至少有一条物理链路，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，这了取决于两个网络的通信协议是否相互兼容。“互通”指两个网络之间可以交换数据，它仅仅涉及通信的两个网络之间的端端连接与数据交换，为互操作提供条件。“互操作“指两个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，一般由高层软件来实现。因此，互连、互通、互操作表示了三层含义，互联是基础，互通是手段，互操作才是网络互联的目的。97.1.2网络互联类型按照地理覆盖范围对网络进行分类，网络互联主要有以下4种类型：①局域网与局域网互连（LAN-LAN），例如以太网与令牌环之间的互连。②局域网与广域网互连（LAN-WAN），例如使用公用电话网、分组交换网、DDN、ISDN、帧中继等连接远程局域网。③广域网与广域网互连（WAN-WAN），例如专用广域网与公用广域网的互连。④局域网与广域网再连接局域网（LAN-WAN-LAN），例如以太网通过DDN与令牌环之间的互连。101、LAN-LAN互联在LAN-LAN互联中，根据LAN的传输性质和通信协议不同，又分为同构网互联和异构网互联两种形式。⑴同构网互联：指具有相同传输性质和相同通信协议的局域网互联。LAN-LAN互联结构图PCPCPCPCLAN1LAN2互连设备⑵异构网互联：指两种完全不同传输性质和不同通信协议的局域网互联。目前，不同类型的网络之间的互联大多是异构网互联。异构网的互联较复杂些，常用连接设备有网桥或路由器,如右图所示。7.1.2网络互联类型11WANWAN路由器WAN-WAN互联结构图2、LAN-WAN互联LAN-WAN互联可以使不同单位或机构的LAN连入范围更大的网络体系中。其连接如右图所示。3、WAN-WAN互联WAN与WAN互联一般在政府的电信部门或国际组织间进行将不同地区的网络互联，以构成更大规模的网络。WAN-WAN的互联主要使用路由器或网关来实现。其连接如下图所示。WAN路由器PCLAN-WAN互联结构图LANPCPC7.1.2网络互联类型124、LAN-WAN-LAN互联如果两个局域网的地理位置相隔很远，可以通过广域网实现两个局域网的互联。其连接如下图所示。PCLAN-WAN-LAN互联结构图WANPCPCPCPCPC路由器路由器路由器LANLANLAN7.1.2网络互联类型137.1.3网络互联解决方案使一个网络上的用户能访问其他网络的资源，网络互联的主要目的是使不同网络上的用户能互相通信，其中最主要的内容是网络扩展。进行网络扩展的主要原因有以下几点：①扩展覆盖范围，由于局域网受到传输介质、通信设备等限制，其通信距离总是有一定限制的，通过网络互联，可扩展其通信距离。②形成更大的网络，一个计算机网络所能连接的计算机数量总是有限的，通过网络互联，能增加连网络的计算机的数量，扩大网络规模。③提高网络性能，随着网络的广泛应用，人们要求更快的传输速度、更短的响应时间和更多的业务服务，通过网络互联，可以大大提高网络的整体功能。147.1.3网络互联解决方案1、面向连接的解决方案面向连接的解决方案要求两个节点在通信时建立一条逻辑通道，所有的信息单元沿着这条逻辑通道传输。路由器将一个网络中的逻辑通道连接到另一个网络中的逻辑通道，最终形成一条从源节点至目的节点的完整通道。2、面向非连接的解决方案与面向连接的互联网解决方案不同，面向非连接的解决方案并不需要建立逻辑通道。网络中的信息单元被独立对待，这些信息单元经过一系列的网络和路由器，最终到达目的节点。15按照连接网络的不同，网络互联设备分为中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。用户在构建网络系统和连接不同的网络时，正确地选择互联设备尤为重要。§7.2网络互联设备16网络互联不仅要把多个网络用物理线路连接起来，并且使用户无法察觉不同网络之间的差异。各种网络协议的功能不同，分属于不同的层次。网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来。网络各互联层与相应设备的对应关系如下图所示。互联设备的层次关系网络1网桥、交换机（链路层）网关（高层）路由器（网络层）中继器、集线器（物理层）子络1LAN1网段1网段2LAN2子络2网络27.2.1网络互联的层次17将网络互相连接起来要使用一些中间设备，ISO的术语称之为中继（relay）系统。中继系统在网间进行协议和功能转换，具有很强的层次性。根据中继系统所在的层次，可以有以下五种中继系统：①物理层中继系统，即转发器或中继器(repeater)；②数据链路层中继系统，即网桥(bridge)和交换机（switch)；③网络层中继系统，即路由器(router)和三层交换机（switch）；④网络层以上的中继系统（应用层），即网关(gateway)。7.2.1网络互联的层次18物理层是指OSI参考模型的最低层，物理层设备有中继器、集线器、无线AP等。工作在物理层的设备由于性能限制，无法分辨出传输信号中的数据信息，其任务就是为和它互相连接的设备，提供一个传输数据的物理连接，数据流在物理信道上是以信号的方式进行传输的。7.2.2物理层互联设备197.2.2物理层互联设备中继器中继器（RPrepeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。中继器的功能是在物理层内实现透明的二进制比特复制、补偿信号衰减。也就是说，中继器接收从一个网段传来的所有信号，放大后发送到另一个网段。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器两端连接相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。207.2.2物理层互联设备中继器是工作在OSI参考模型物理层上的一种最简单的局域网设备，用来实现网络物理层网段之间的互联。1、中继器的主要功能中继器的功能就是将因传输而衰减和畸变的信号进行放大、整形和转发，以延长信号的传输距离。但是，中继器并非能够无限制地扩展网络长度，使用时首先应注意以太网的5-4-3中继规则。2、中继器的工作原理中继器的结构非常简单,没有软件,只是物理层的信号增强，以便传输到另一个网段，而各网络段属于同一网络,各网段上的工作站可以共享某一网段上的文件服务器。21中继器的工作原理如下图所示。如果发送结点与接收结点之间的距离超过500m，就不能正确接收数据信号。中继器工作原理示意图7.2.2物理层互联设备223、中继器的基本类型⑴粗缆中继器：用来实现两粗缆网段互联，每段最长距离为500m。⑵细缆中继器：用来实现两细缆网段互联，每段最长距离为185m。⑶双绞线中继器：用来实现两双绞线网段互联，每段最长距离为100m，共享式集线器HUB实际上就是一个多端口的双绞线中继器。⑷光纤中继器：用来实现两光纤网段互联，若用4个光纤中继器时，每光纤段最长距离为500m；若用3个光纤中继器时，每光纤段最长距离为1000m。7.2.2物理层互联设备237.2.2物理层互联设备4、中继器的应用特点：（1）中继器的主要优点中继器安装简单、可以轻易地扩展网络的长度，使用方便、价格相对低廉。另外，中继器工作在物理层，因此它要求所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容协议。（2）中继器的主要缺点①中继器用于局域网之间有条件的连接。②中继器不能提供所连接网段之间的隔离功能。③中继器不能抑制广播风暴。④使用中继器扩展网段和网络距离时，其数目有所限制。24system4system5system6集线器集线器(Hub)是局域网中重要的部件之一，其实质是一个多端口的中继器。中继器通常带有两个端口,用于连接一对同轴电缆，而随着双绞线以太网的出现,中继器被做成具有多个端口的装置，用在星型布线系统中,并称其为集线器。集线器在网络中的连接如下图所示。HUB1Serversystem1system2system3HUB2集线器在网络中的连接7.2.2物理层互联设备251放大和整形功能2检测冲突功能3端口扩展功能4数据转发功能5介质互连功能1、集线器的主要功能在使用10Base-T的以太网协议组网时，集线器的作用就显得十分重要，它主要有以下5个方面的功能。7.2.2物理层互联设备26集线器的基本结构端口1端口2端口3端口4端口5端口6端口7端口8主机B主机A集线器2、线器的工作原理集线器作为以太网的中心连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。在物理结构是星型结构，在逻辑上仍然是总线型结构，并且在MAC层仍然使用CSMA/CD介质访问控制方法。集线器的基本结构如下图所示。7.2.2物理层互联设备273、集线器的基本类型集线器有多种不同的类型，并有多种不同的分类方法。⑴按网络类型分类，可分为：以太网Hub、令牌环网Hub、FD