网络互联设备和多层交换

第8章网络互联设备和多层交换本章主要内容：◆了解网络互联的基本概念及各层网络互联设备◆掌握中继器和集线器的性能、作用和分类◆掌握网桥和交换机的特点、工作原理和性能参数◆掌握路由器的结构、分类和工作原理◆初步了解路由选择、路由表和等基本概念◆掌握网关的分类和作用◆掌握三层交换和多层交换的概念第8章网络互联设备和多层交换目录8.1网络互联概述8.2物理层互联设备－中继器8.3数据链路层互联设备－网桥8.4网络层互联设备－路由器8.5高层互联设备－网关8.6三层交换和高层交换8.1网络互联概述网络互联类型“互连”和“互联”两个术语的区别：(1)局域网之间的互联（LAN-LAN）l同构网的互联l异构网的互联(2)局域网与城域网的互联（LAN-MAN）(3)局域网与广域网的互联（LAN-WAN）(4)多个远程局域网利用公用网互联（LAN-WAN-LAN）(5)广域网与广域网的互联（WAN-WAN）l互连（Internet-connection）指仅是物理上连接在一起，实现网络距离上的延伸。例如使用中继器连接扩大网络距离（连接的是同构网）。l互联（Internet-working）指不仅在物理上连接在一起，而且在逻辑上也连接在一起。包括协议组的转换、数据包的封装等。互联的网络可以是同构的，也可以是异构的。8.1网络互联概述网络互联类型网络互联层次OSI/RM共有7个层次，不同功能层次的网络互联时，所选择网络互联设备也不同。它们和OSI/RM的对应关系如图所示。l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。l网络之间互联主要有中继器和网桥（用于局域网）。网际之间互联主要有路由器和网关（用于广域网）。8.2物理层互联设备－中继器8.2.1中继器中继器也称转发器或收发器，Hub也是一种中继器。物理层互联设备可以将传送过来的二进制位信号进行复制、整形、再生和转发。主要用于局域网传输距离的延伸，增加节点数，以及连接采用不同传输介质和接口的同构网（如以太网）。l中继器的功能仅仅是将信号整形、再生数字信号，以维持通过局域网的电平，扩大局域网的传输距离。中继器是一个再生器而不是一个放大器，一个中继器可以连接两个以上的网络段，通常用于局域网之间的互联。l局域网对中继器的使用有一定限制，这就是在4.2节中介绍的5-4-3-2-1中继规则。利用中继器连接的网络虽然在物理上可以是两个以上的网络，但在逻辑上是将它们合并为一个网络，属于同一个冲突域。由于受冲突直径的限制，构建时一定要遵守中继规则。如果需要连接的网络希望是各自独立，则需要选用后面介绍的互联设备。8.2物理层互联设备－中继器l集线器（Hub）作用和中继器类似，执行相同的功能，遵循相同的中继规则。Hub是一种多端口的中继器，每个端口都具有发送与接收数据的能力。当某个端口收到连接该端口上的主机发来的数据时，就转发至其它端口。在数据转发之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。用Hub连接以太网时，虽然物理上是星型结构，但逻辑上仍是一个总线型结构。1.集线器的分类l独立型集线器l堆叠式集线器l模块化集线器8.2.1中继器8.2.2集线器8.2物理层互联设备－中继器•2.集线器的特点•l优点：•l缺点：•3.广播风暴•l所谓广播风暴是一种在网上广播的消息导致大量响应、每个响应又导致大量响应的状态，网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的通信无法正常进行。8.3数据链路层互联设备－网桥8.3.1网桥网桥作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。它既可以延伸局域网的距离，扩充节点数，还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络，缩小冲突域。◆网桥的作用网桥（Bridge）可以根据物理地址对数据帧进行过滤和存储转发，实现网络分段。当一个数据帧通过网桥时，网桥检查数据帧的源和目的物理地址，如果这两个地址属于不同的网段，则网桥将该数据帧转发到另一个网段，否则不转发。所以，网桥能起到隔离网段的作用，网络的隔离意味着缩小了冲突域，提高了网络的有效带宽。网桥连接如图所示。◆网桥的作用有两个方面：l将一个负载过重的网络分割成若干小段，每个网段各自享用自己独立的带宽，以提高网络的效率，从而减少网络的信息流量。l延伸网络的距离，因为使用中继器受网络直径和中继规则的限制，通过网桥可进一步延伸网络的距离。8.3数据链路层互联设备－网桥8.3.1网桥◆网桥的作用◆网桥的分类l按网桥所处的位置可分为内桥和外桥两种。l按网桥分布的地理范围可分为本地网桥和远程网桥。◆网桥的学习功能网桥接收到一个数据帧时，它检查数据帧的源地址（物理地址），并将该地址与网桥中的路径表中各项进行对比，如果在路径中没找到，则将新的源地址加入路径表中，这就是网桥对网络地址的学习功能。◆网桥的特点延伸网络的距离、隔离网段，但不能隔离广播、也不能控制广播风暴、网桥没有路由功能。8.3数据链路层互联设备－网桥交换机和集线器外观相似，它是一种低价位高性能的多端口网络设备，它除了具有集线器的全部特性外，还具有自动寻址、数据交换等功能。交换技术可以工作在网络层及应用层。因此有所谓的第三层、第四层及高层交换的概念。这里只讨论工作在第二层的交换机（Switch）。8.3.2交换机1.交换机的工作原理交换机也按存储转发的原理工作，具有数据帧的过滤和地址学习功能。地址学习功能是：首先检查端口传送来的数据帧物理地址，与交换机内部的动态路径表进行比较，若不在路径表中，则加入路径表中，若在路径表中，则将数据帧转发到对应的目标端口，而且只向目标端口转发数据帧。4.交换机的类型独立式、模块式和堆叠式三种2.交换机的带宽由一个16口100Mbps交换机组成的交换式以太网，可以为每个端口都提供100Mbps的专用带宽，则该交换机的最大数据流通量为16×100Mbps。3.交换机的性能参数端口、业务接口、主板（背板）、主处理器、FLASH、MAC地址的数量。8.4网络层互联设备－路由器8.4.1路由器的基本概念网桥根据第二层地址（MAC地址）转发数据帧。而路由器转发数据包时，通过第三层地址（如IP地址），以决定一个数据包如何重新包装及送到哪里。当它接收到数据包时，负责寻址，选择转发到下一个节点的最佳路径。它是Internet、Intranet和Extranet中必不可少的设备之一。◆路由器路由器（router）用于互联物理层和数据链路层相同或不同的协议、网络层使用路由协议、而传输层以上使用的协议必须是相同或兼容的网络。路由器丢弃所有的广播帧，所以可以抑制广播风暴。8.4网络层互联设备－路由器8.4.1路由器的基本概念◆路由器◆路由表l静态（static）路由表：事先设置固定不变的路径表。l动态（dynamic）路由表：根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。◆最小费用路由最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。l路径最短可以用跳步数计数，每经过一个路由为一跳，而不管这条路径的实际长度为多少，都被认为是等长的。l另一种方法是将一个权值赋予某条链路，权值也称为链路的符号长度。8.4网络层互联设备－路由器路由器改进了网桥的功能，它将数据帧“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。8.4.2路由器的工作原理8.4.3路由器的结构、分类和作用1.路由器的结构主要有CPU、RAM、FLASH、NVRAM、ROM、接口等硬件组成。2.路由器的分类l近程路由器和远程路由器l静态路由器和动态路由器l单协议路由器和多协议路由器3.路由器的作用延伸网络距离、局域网接入Internet、多个局域网之间的远程连接。8.5高层互联设备－网关高层互联设备主要是网关（Gateway）。网关不能完全归为一种网络硬件，它是能够连接不同网络的软硬件结合的产品。网关可以工作在OSI/RM的所有七层中。网关也称为网间协议转换器，具有高层协议的转换功能。它用于两个异构网络的互联，所联的网络可以使用不同的格式、通信协议或结构。网关通常是安装在路由器内部的软件。所以，在Internet中，常将路由器和网关两个概念混用。安装了防火墙软件的计算机就是一种网关。◆按可转换的协议数分类：双边协议网关和多边协议网关（综合网关）◆按网关的应用类型分类l电子邮件网关l局域网协议转换网关lInternet网关l支付网关lIBM主机网关l公用网关接口CGIlVOIP(VoiceoverIP)语音网关l安全网关l综合网关8.6三层交换和高层交换8.6.1三层交换的概念交换技术受电路交换的启示，让正在通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。交换技术有许多优点，因此，现代网络已将交换技术应用于第三、四等各层。1.二层交换的优点及三层的瓶颈问题交换机可以通过检查帧头的目标地址，经过高速背板总线将数据帧只转发到连接目标站点的端口。第二层采用了交换技术提高了吞吐率，但是在网络的高层出现了瓶颈。大型扁平式的交换网络会有广播风暴、扩展树环路、网络间的安全以及低效率的寻址等问题，因此引入了路由器到桥接式网络中。8.6三层交换和高层交换交换机和路由器相比，转发能力更强。但路由器又拥有交换机所没有的路由功能。因此，各个网络设备厂商推出了一个综合路由器和交换机功能的产品，即三层交换机，也称交换路由器或路由交换机。三层交换机可以将第二层的交换（高性能和强大的网络流量转发能力）和第三层的的路由功能（具有网络可伸缩性）结合起来，再集成一些特殊的服务面形成的。2.三层交换机8.6三层交换和高层交换8.6.1三层交换的概念3.三层交换的优点l多伸缩性l流量管理l高性能8.6.2三层交换技术1.逐包转发交换逐包转发交换是对第三层的每个数据包进行转发，这更像路由器2.IP交换技术IP交换也称直通式路由或一次交换随后路由。3.标记交换标记交换基于数据包或基于信元的网络，它为传输多协议帧赋予标记。4.基于路由的IP汇聚交换（ARIS）基于路由的IP汇聚变换是在一个集成交换路由器（ISR）网络中建立起数据链路层的交换通路，数据包的标签由帧的目的地址部分携带。8.6三层交换和高层交换8.6.3高层交换1.第四层交换这里的第四层主要指TCP/IP的第四层，即TCP/IP的应用层。第四层交换就是根据数据包的内容决定传输策略，例如TCP和UDP信息包头部的端口号等额外的信息进行有关QoS、安全和过滤方面的决策。因此需要交换机和路由器具有更多的智能。◆第四层交换可以在应用层上实现控制，主要有以下几种：l应用层的QoSl应用层的网络安全l应用层记帐l服务器交换2.服务器交换把用于主机前端处理器上的应用对话管理和控制功能重新改写，并应用到服务器和集群上去。l减少凌乱，增加弹性l均衡负担，改善性能l分担事务，提高效率