第5章 网络互联技术与设备

第5章网络互联技术与设备本章主要内容：网络互联概述网络互联设备广域网技术5.1网络互联概述网络互联的功能：基本功能：寻址、路由选择等扩展功能：协议转换、差错控制等网络互联的形式：LAN—LAN;LAN—WAN;WAN—WAN;LAN—WAN—LAN.网络互联的层次：物理层：使用中继器或集线器；数据链路层：使用网桥或交换机；网络层：使用路由器或第三层交换机；高层：使用网关。5.2网络互联设备5.2.1中继器中继器工作于物理层。功能是放大信号，补偿信号衰减，从而增加信号传输的距离，支持远距离的通信。优点：安装简便、使用方便、价格便宜。缺点：中继器只负责发送数据，无法判断错误数据或不适于网段的数据。5.2.2集线器集线器(HUB)是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备。集线器基本上是一个共享设备，其实质是一个中继器，主要提供信号放大和中转的功能，它把一个端口接收的全部信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。下图是一台标准的24口集线器。标准的24口集线器2.集线器的分类集线器有多种类型，各个种类具有特定的功能、提供不同等级的服务。⑴按总线带宽的不同，集线器分为10M、100M和10M/100M自适应三种；⑵按配置形式的不同可分为独立型、模块化和堆叠式三种；⑶按端口数目的不同主要有8口、16口、24口和32口几种；⑷按工作方式可分为智能型和非智能型两种。按工作方式区分有较普遍的意义，可以进一步划分为被动无源集线器、主动有源集线器、智能集线器和交换集线器四种。①被动无源集线器(passiveHUB)被动集线器只把多段网络介质连接在一起，允许信号通过，不对信号做任何处理，它不能提高网络性能，也不能帮助检测硬件错误或性能瓶颈，只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口分发，这是集线器可以做的最简单的事情。一般的总线带宽是10M。②主动有源集线器(activeHUB)主动集线器拥有被动集线器的所有性能，此外还能监视数据。在以太网实现存储转发功能中，主动集线器在转发之前检查数据，纠正损坏的分组并调整时序，并对微弱信号进行放大后转发。此外，主动集线器还可以报告哪些设备失效，从而提供了一定的诊断能力。③智能集线器(intelligentHUB)智能集线器除了主动集线器的特性外，还提供了集中管理功能。如果连接到智能集线器上的设备出了问题，可以很容易地识别、诊断和修补。智能集线器另一个出色的特性是可以为不同设备提供灵活的传输速率。除了上连到高速主干的端口外，智能集线器还支持到桌面的10/16/100Mbps的速率，即支持以太网、令牌环和FDDI。④交换集线器(switchingHUB)交换集线器就是在一般智能集线器功能上又提供了线路交换能力和网络分段能力的一种智能集线器。由于集线器基本上是作为一种共享设备来定义的，因此很多时候也把它划入入门级的交换机类型中。交换机与集线器的区别在于：用集线器组成的网络称为共享式网络，用交换机组成的网络称为交换式网络。同时，集线器只能在半双工方式下工作，而交换机同时支持半双工和全双工操作。3.集线器的选择⑴以外形尺寸为选择依据如果计算机网络内的用户比较少，被动无源集线器就比较适合。它们一般都有八个RJ-45口。如果准备将网络设备置于机柜中，需要选购几何尺寸符合机架标准的集线器。它们符合19英寸的工业规范，可以轻松地安装在机柜中，现在该类集线器以12口和24口的设备为主流。用户可依据自己站点数的不同选择不同端口数的集线器。⑵以带宽为选择依据集线器带宽的选择，主要决定于三个因素。①上连设备带宽：如果上连设备允许100M带宽，可购买100M集线器；否则10M集线器是理想的选择。②站点数：由于连在集线器上的所有工作站均争用同一个上行总线，处于同一冲突域内，所以站点数目太多，会形成广播风暴。通常，10M冲突域内的站点不宜超过25个，100M冲突域内的站点不宜超过35个，如果有超出的趋势或已经超出，这种情况下应使用交换机来代替集线器。③应用需求：一般来说，传输量相对较小时，带宽选10M就够了。如果传输量较大，且站点数比较多时应当选择100M。另外，有一双速集线器能自动在10/100M间切换。⑶以是否可管理为选择依据由于集线器最初是较低端的产品，且不可管理。随着技术的发展，部分集线器可通过增加网管模块实现对集线器的简单管理提供对SNMP支持。⑷按照扩展方式选择如果觉得端口不够，可以通过堆叠和级联两种扩展方式来增加端口数。①堆叠。在冲突域内的站点数不宜太多，堆叠层数也不能太多。一般可堆叠的层数越多，说明集线器的稳定性越高。②级联。现行集线器有两种级联方式：若集线器本身带级联口，则两个集线器间用直通双绞线连接；若集线器上无级联口，可用交叉双绞线连接两集线器的任意两个端口。5.2.3网桥网桥工作在OSI模型中数据链路层的MAC子层。网桥可以将局域网分成两个或更多的网段，它通过隔离每个网段内部的数据流量，从而增加了每个节点所能使用的有效带宽。网桥的重要功能是不受介质访问子层中冲突域的限制而扩展网长，对于众多的共享LAN可以隔离LAN段，为每一个LAN段提供相同的带宽，这就等于扩大了总带宽，既可使各个LAN段内部信息包、冲突包都不会广播到另一个LAN段，明显地提高了利用效率。同时网桥又具有存储、转发、过滤功能，使应当发送到另一个LAN的信息正确转发。2.网桥功能网桥主要具有如下功能：(1)物理上扩展网络一个网桥可以连接多个网络，同时一个网络又可以使用多个网桥与其他网络互连。(2)数据过滤功能在网桥中，要维持一个交换表，该表给出关于网桥不同接口所连主机的MAC地址信息。网桥根据数据帧中的目的地址判断是否转发该帧。也就是说，网桥从某一接口收到数据帧时，将首先获取目的MAC地址，然后查看交换表，若发送节点与目的节点在同一个网段内时，则网桥就不转发该帧，只有源节点与目的节点不在同一个网段时，网桥才转发该帧。也就是说，网桥具有基于第二层地址进行帧过滤的功能。(3)逻辑划分网络的功能通过对帧的过滤，网桥实现了物理网络内部通信的相互隔离，源和目标在同一物理网段中的数据帧由于网桥的数据过滤作用是不会被转发或渗透到其他网段中的。将网桥所具备的这种隔离功能称为逻辑划分网络的功能。(4)数据推进功能网桥根据数据过滤的结果实现数据帧的转发。(5)帧格式转换功能当数据帧通过网桥到达另一个执行不同局域网协议的LAN时，网桥还能够对帧格式进行转换处理。网桥的帧转发原理5.2.4交换机交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。另外，交换机还具备对虚拟局域网(VLAN)的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。如图所示为交换机的外观示意图。交换机外观示意图1.交换机的作用⑴端口带宽的独享集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待。而交换机最显著的特点在于端口带宽的独享。在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都是一个独立的冲突域，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是100Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×100Mbps＝200Mbps，而使用100Mbps的共享式集线器时，一个集线器的总流通量也不会超出100Mbps。⑵识别MAC地址，并完成封装转发数据包交换机可以识别MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。⑶网络分段使用带VLAN功能的交换机可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，分割通信量，使前往给定网段的某主机的数据包不至于传播到另一个网段上。这样可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。交换机的交换方式：直通式、存储转发、准直通转发、智能交换模式5.2.5第三层交换机三层交换机除了具有二层交换机的功能外，还具有路由的功能。三层交换机实际上好像是将二层交换机与传统路由器结合起来的网络设备。其中的路由系统会自动产生一个MAC地址与IP地址的映射表。三层交换机的特点：有机的软硬件结合使得数据交换加速；优化的路由软件使得路由过程效率提高；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由二层交换处理；多个子网互联时只是与三层交换模块逻辑连接，不像传统的外接路由器那样需要增加端口，节省了用户的投资。三层交换机的种类纯硬件的三层交换机技术复杂，成本高，但速度快，性能好。纯软件的三层交换机技术简单，速度慢，不适合作为主干。采用软件方式查看路由表。5.2.6路由器1.路由器的作用一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器是广域网与局域网连接时必不可少的互连设备，它将数据分组“封装”到含有路由和传送信息的数据包中，在公共数据网中传送。当路由器收到一个数据包后，读出其中的源和目标网络地址，然后根据路由表中的信息，利用复杂的路由算法，为数据包选择合适的路由并转发该数据包。数据包到达目标节点前的路由器后，分解为数据链路层所认识的数据帧，并把它传送到目标节点。这种转发和拥塞控制，减少数据传输的盲目性和平衡网络流量，改善网络性能。同时，延伸网络距离，实现局域网接入Internet和多个局域网之间的远程连接。路由器可用带有多块网卡的计算机与相应的路由软件配置而成，每块网卡与一个子网相连；当然，也可以与广域网相连，在Internet共享应用中，MODEM也可看作是一块广域网的网卡。2.路由器的分类我们可以从不同的角度对路由器进行不同的分类。例如：从支持网络协议能力的角度，我们可以将路由器分为单协议路由器和多协议路由器。从工作位置来分，可以将其分为访问路由器和边界路由器。从连接规模和能力考虑，又可以将其分为区域路由器、企业路由器、园区路由器等，它们分别用于构建不同规模的互联网络。3.路由器的选择⑴类型对口实用按照连接方式的不同，路由器又可以分为直连路由和非直连路由，由路由器各网络接口所直连的网络之间使用直连路由进行通信。如果要实现两个局域网的点到点连接，可以选用直连路由，这种路由器配置操作简单，特别适合那些没有专门网管人员的单位，因为这种类型的路由在配置完路由器网络接口的IP地址后自动生成的，而不再需要其他复杂的配置。如果单位组建的局域网是和其他许多局域网进行互联，此时就必须选择使用非直连路由。非直连路由是指人工配置的静态路由或通过运行动态路由协议而获得的动态路由。其中静态路由比动态路由具有更高的可操作性和安全性。⑵性价比考虑根据性能和价格，路由器还可分为低端、中端和高端三类。高端路由器又称核心路由器。低、中端路由器每秒的信息吞吐量一般在几千万至几十亿比特之间，而高端路由器每秒信息吞吐量均在100亿比特以上。对于低端路由器来说，它是许多用户首先需要考虑的品种，也是局域网用户接触最多的一种产品了。如果局域网中包含的主机很多，需要处理和传输的信息量很大的话，就应该考虑选择中端路由器了。与低端路由器相比，中端路由器支持的网络协议多、速度快，要处理各种局域网类型，支持多种协议，包括IP、IPX和Vine，还要支持防火墙、包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN(虚拟局域网)。高端路由器一般使用在某个行业或者系统的主干网上。互联网目前由几十个主干网构成，每个主干网服务几千个小网络，高端路由器实现企业级网络的互联。由于高端路由器工作的特殊性，因此对