第1章网络互联基本概念.

第1章网络互联基本概念和网络互联设备1.1网络互联基本概念•网络世界发展迅猛，各种技术丰富多采。在过去的20年中最为成功的一项技术就是网络互联（Internetworking）技术。网络互联是指将使用不同链路层协议的单个网络连结成一个整体，使之能够相互通信的一种技术和方法。•从通信协议的角度看，网络互联分为四个层次：物理、链路、网络、传输及以上。一般Lan-Lan互联由于在传输层以下，大多采用中继器和桥，有时也用路由器做信息隔离。而LAN-WAN互联一般采用路由器，少数用网关，并且可以利用公共传输系统联网。中继器、桥及路由器等设备的特点和用途将在后面章节进行介绍。1.1.1网络互联的方式•1.1.1网络互联的方式•由于互联网络的规模不一样，网络互联有以下几种形式：•1．局域网的互联。由于局域网种类较多（如今牌环网、以太网等），使用的软件也较多，因此局域网的互联较为复杂。对不同标准的异种局域网来讲，既可实现从低层到高层的互联，也可只实现低层（在数据链路层上，例如网桥）上的互联；•2．局域网与广域网的互联。不同地方（可能相隔很远）的局域网要借助于广域网互联。这时每个独立工作的局域网都能相当于广域网的互联,常用网络接入、网络服务和协议功能；•3．广域网与广域网的互联。这种互联相对以上两种互联要容易些。这是因为广域网的协议层次常处于OSI七层模型的低层，不涉及高层协议。著名的X.25标准曾经是局域网连入Internet的主要方式。帧中继与X.25网、DDN均为广域网。它们之间的互联属于广域网的互联，目前没有公开的统一标准。下面所要说的网络互联的方式就是针对上述的网络互联而言的。1.1.2上网方式•目前常见的上网方式通常有以下几种：•1．ISDN（综合业务数字网）•ISDN的英文全称是IntegratedServicesDigitalNetwork，中文意思就是综合业务数字网。在国内前几年才开始应用，而国外整整比我们早了二十多年。ISDN的概念是在1972年首次提出的，是以电话综合数字网（IDN）为基础发展而成的通信网，它能提供端到端的数字连接，用来承载包括语音和非语音等多种电信业务。ISDN分为两种：N-ISDN（窄带综合业务数字网）和B-ISDN（宽带综合业务数字网）。由于ISDN是数字信号，所以比普通模拟电话信号更加稳定，而上网的稳定性是速度的最根本的保证。ISDN比模拟电路更不易塞车，并且它可以按需拨号。2.ADSL•2.ADSL（非对称数字用户服务线）•ADSL是AsymmetricDigitalSubscriberLoop（非对称数字用户回路）的缩写，它的特点是能在现有的铜双绞普通电话线上提供高达8Mbit/s的高速下载速率和Mbit/s的上行速率，而其传输距离为3km到5km。其优势在于可以不需要重新布线，它充分利用现有的电话线网络，只需在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高速高带宽的接入服务，它的速度是普通Modem拨号速度所不能及的，就连ISDN一线通的传输率也约只有它的百分之一。这种上网方式不但降低了技术成本，而且大大提高了网络速度。因而受到了许多用户的关注。器接口地址的网络之间的路由器3．DDN专线•DDN是“DigitalDataNetwork”的缩写，意思是数字数据网，即平时所说的专线上网方式。数字数据网是一种利用光纤、数字微波或卫星等数字传输通道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网，它可以为用户提供各种速率的高质量数字专用电路和其他新业务，以满足用户多媒体通信和组建中高速计算机通信网的需要。主要有六个部分组成：光纤或数字微波通信系统；智能节点或集线器设备；网络管理系统；数据电路终端设备；用户环路；用户端计算机或终端设备。它的速率从64Kbit/s-2Mbit/s可选。4．ATM异步传输方式•4．ATM异步传输方式•ATM是目前网络发展的最新技术，它采用基于信元的异步传输模式和虚电路结构，根本上解决了多媒体的实时性及带宽问题。实现面向虚链路的点到点传输，它通常提供155Mbit/s的带宽。它既汲取了话务通讯中电路交换的“有连接”服务和服务质量保证，又保持了以太、FDDI等传统网络中带宽可变、适于突发性传输的灵活性，从而成为迄今为止适用范围最广、技术最先进、传输效果最理想的网络互联手段。ATM技术具有如下特点：ATM技术具有如下特点：•（1）实现网络传输有连接服务，实现服务质量保证(QoS)。•（2）交换吞吐量大、带宽利用率高。•（3）具有灵活的组网拓扑结构和负载平衡能力，伸缩性、可靠性极高。•（4）ATM是现今惟一可同时应用于局域网、广域网两种网络应用领域的网络技术，它将局域网与广域网技术统一。它的速率可达千兆位（1000Mbit/s）。5．有线电视网•利用有线电视网进行通信，可以使用CableModem，即电缆调制解调器，可以进行数据传输。CableModem主要面向计算机用户的终端。它连接有线电视同轴电缆与用户计算机之间的中间设备。目前的有线电视节目传输所占用的带宽一般在50~550MHz范围内，有很多的频带资源都没有得到有效利用。由于大多数新建的CATV网都采用光纤同轴混合网络（HFC网，即HybridFiberCoaxNetwork），使原有的550MHzCATV网扩展为750MHz的HFC双向CATV网，其中有200MHz的带宽用于数据传输，接入国际互联网。这种模式的带宽上限为860MHz~1000MHz。CableModem技术就是基于750MHzHFC双向CATV网的网络接入技术的。1.2网络互联设备•1.2.1路由器（Router）•最简单的网络可以想象成单线的总线，各个计算机可以通过向总线发送分组信息以互相通信。但随着网络中的计算机数目增长，这会产生许多问题：•1．带宽资源耗尽。•2．每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。•3．网络变得无法管理，任何错误都可能导致整个网络瘫痪。•4．每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。网络协议层和路由器的位置•通过把网络分段可以解决这些问题，但同时必须提供一种机制使不同网段的计算机可以互相通信，这通常涉及到在一些ISO网络协议层选择性地在网段间传送数据，下面来看一下网络协议层和路由器的位置（如图1-1所示）路由器位于网络层•由图1-1中可以看到，路由器位于网络层。本文假定网络层协议为IPv4，因为这是最流行的协议，其中涉及的概念与其他网络层协议是类似的。•路由器属于网络层互联设备，用于连接多个逻辑上分开的网络。路由器有自己的操作系统，运行各种网络层协议（如IP协议、IPX协议、AppleTalk协议等），用于实现网络层的功能。路由器的主要工作•路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路径表（RoutingTable），供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。路由器•路由器是互联网络的枢纽、“交通警察”。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军路由器的分类•路由器通常用于节点众多的大型网络环境，它处于ISO/OSI模型的网络层。路由器可分为接入路由器、企业或校园级路由器、骨干级路由器和大比特路由器等若干种不同的类型。•接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户。接入路由器已经开始提供SLIP/PPP（串行Internet协议/点对点协议）连接方式。这些协议要能在每个端口上运行。诸如ADSL等技术将很快提高各家庭的可用带宽，这将进一步增加接入路由器的负担。由于这些趋势，接入路由器将来会支持许多异构和高速端口，并在各个端口能够运行多种协议，同时还要避开电话交换网。路由器的主要优缺点•路由器的优点主要是：适用于大规模的网络、复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径、能更好地处理多媒体、安全性高、隔离不需要的通信量、节省局域网的频宽、减少主机负担等。而路由器的缺点主要表现在：它不支持非路由协议、安装复杂、价格高等几个方面。•路由器具有四个要素：输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。1.2.2多层交换机•局域网交换技术是作为对共享式局域网提供有效的网段划分的解决方案而出现的，它可以使每个用户尽可能地分享到最大带宽。交换技术是在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层进行操作的，因此交换机对数据包的转发是建立在MAC（MediaAccessControl）地址--物理地址基础之上的，对于IP网络协议来说，它是透明的，即交换机在转发数据包时，不知道也无须知道信源机和信宿机的IP地址，只需知其物理地址即MAC地址。交换机•交换机在操作过程当中会不断的收集资料去建立它本身的一个地址表，这个表相当简单，它说明了某个MAC地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机收到一个TCP／IP封包时，它便会看一下该数据包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以确认应该从哪个端口把数据包发出去。由于这个过程比较简单，加上这功能由一崭新硬件进行--ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，因此速度相当快，一般只需几十微秒，交换机便可决定一个IP封包该往那里送。值得一提的是：万一交换机收到一个不认识的封包，就是说如果目的地MAC地址不能在地址表中找到时，交换机会把IP封包扩散出去，即把它从每一个端口中送出去，就如交换机在处理一个收到的广播封包时一样。二层交换机的弱点正是它处理广播封包的手法不太有效，比方说，当一个交换机收到一个从TCP/IP工作站上发出来的广播封包时，他便会把该封包传到所有其他端口去，哪怕有些端口上连的是IPX或DECnet工作站•这样一来，非TCP/IP节点的带宽便会受到负面的影响，就算同样的TCP/IP节点，如果他们的子网跟发送那个广播封包的工作站的子网相同，那么他们也会无原无故地收到一些与他们毫不相干的网络广播，整个网络的效率因此会大打折扣。从90年代开始，出现了局域网交换设备。从网络交换产品的形态来看，交换产品大致有三种：端口交换、帧交换和信元交换。在IOS的七层参考模型中，第二层（数据链路层）是实现交换的，第三层（网络层）是实现路由的。第三层交换机•第三层交换机实际上是将传统交换器与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。当然，这种二层设备与三层设备的结合，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合，其中最重要的表现是，当某一信息源的第一个数据流进入第三层交换机后，其中的路由系统将会产生一个MAC地址与IP地址映射表，并将该表存储起来，当同一信息源的后续数据流再次进入第三层交换机时，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第二层由源地址传输到目的地址，而不再需要经过第三层路由系统处理，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率，解决了网间传输信息时路由产生的速率瓶颈。第三层交换机第三层交换机非常适应局域网，而路由器可在广域网中尽显英雄本色，也就是说，第三层交换机无法适应网络拓扑各异，传输协议不同的广域网环境。但近年来，随着第三层交换技术的不断发展与创新，第三层交换机的应用已从企业网络环境的骨干层、汇聚层，开始渗透到网络边缘接入层，尤其是小区宽带网络的发展，第三层交换机完全适合放置在小区中心和多个小区的汇聚层位置。所以说，第三层交换机虽然无法替代路由器，但却完全动摇了企业路由器的地位，即在企业内联网络系统，第三层交换机正在取代路由器