第8章 计算机网络网络互连

第8章网络互连•网络互连是指两个以上的网络按照一定的体系结构模式，通过网络互连部件和协议软件相互连接起来，以构成一种较之原来有更大规模的网络，亦即互连网络（internetworks），或简称互连（联）网（internet）。•一般而言，Internet是特指因特网的，它与一般互连（联）网的区别在于因特网的英文名首字母必须是大写的。从某种意义上讲，Internet可以看成是世界上最大的互连（联）网，因此它也常被叫做国际互连（联）网。8.1网络互连部件•典型的网络互连部件可包括中继器（Repeater）、网桥（Bridge）、路由器（Router）、网关（Gateway）等。8.1.1中继器•中继器（Repeater）可在物理层将两个网络（相同物理层协议、传输介质相似、访问协议相同）或网络段（Segment）互连起来。多路中继器还能将多段粗、细电缆互连成星形结构。中继器是最简单的网际互连部件，其基本功能是对信号进行放大和整形，以驱动长距离电缆，从而达到延伸网络距离和改变网络拓扑的目的。•使用中继器时还得注意：•①用它连接的以太网不能形成环；•②必须遵守MAC协议定时特性，即不能将电缆段无限连起来。例如，一个以太网上最多只允许有4个中断器，连接5个电缆段。•中继器按其接口个数可分为双口中继器和多口中继器。前者有两个接口，一个用于输入，另一个用于输出；后者接口数大于两个，又称为集线器（Hub）。•集线器（Hub）又称集中器，是多口的中继器。把它作为一个中心节点，可用它连接多条传输介质。其优点是当某条传输介质发生故障时，不会影响到其他的节点。•例8.1现有一幢四层办公大楼，每层楼均有微机若干台，若采用以太网和中继器等部件，应如何组网。•依据中继器和以太网组网特点，以及办公大楼的实际情况，其网络结构图如图8.1所示。其中楼层之间可用一粗电缆垂直连接，各层可用细电缆水平连接，并通过中继器与粗电缆互连。整个系统仍属于一个网络整体。各水平网络段可不必单独设置文件服务器。细同轴电缆第四层第三层第二层第一层粗同轴电缆图8.1采用中继器互连的层次型以太网8.1.2网桥•网桥是用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网络的互连部件。•一般而言，通过网桥的数据帧，不需要进行网络协议转换及原语连接的转换，只需要附加新的路由信息和全局地址。•网桥需要有足够大的RAM缓冲区，它可用于扩展网络距离和转发数据到另一个目的网工作站。若缓冲区溢出，则会将发送的帧丢弃，不作任何其他处理，而等待端对端的协议处理。•网桥具有寻址和路由选择功能。它能对进入网桥的数据源/目的地址进行检测。若目的地址是本地网的工作站，则允许数据进入本地网。若目的地址是另一个网络的，则发送到目的网工作站。•筛选/过滤功能，它可隔离掉不需要在网间传输的信息，从而减少了网络的负载，改善了网络的性能。•网桥对广播信息不能识别，也不过滤。•一般而言，网桥可分为本地网桥和远程网桥。网桥按功能还可分为4种形式：透明网桥、源路由网桥、翻译网桥和打包网桥。•与中继器相比，网桥具有以下特点：•（1）网桥可实现不同类型网络的互连，如以太网与令牌环的互连，而中继器则只有实现同类网络段的互连。•（2）网桥可实现更大范围的网络互连。这是由于它工作在数据链路层，不再受MAC定时特性的限制，因而可互连距离较远的网络。例如，利用网桥可将多个距离较远的网络连接到一条高速主干网络（Backbone）上。•（3）网桥可隔离要害部门（如财务、金融、银行系统）的网络段，也可隔离和丢弃错误信息，以提高网络的安全性。1．透明网桥（TransparentBridge）•透明网桥也叫做生成树网桥（SpanningTreeBridge），其基本特点是无需用户设置地址开关和装入路由表，也不必修改硬件和软件。•用户在使用网络时，感觉不到网桥的存在，即对用户来说是完全透明的。这类网桥所要实现的基本功能是网际帧格式变换、速率匹配、网际寻址和网际路由选择等。•透明网桥可用生成树算法（SpanningTree）来解决这个问题。使用该算法，可以保证在任何两个网站之间建立一条通路。这些通路被叫做该网络的生成树。2．源路由网桥SRB（SourceRoutingBridge）•这类网桥的基本特点是，源站知道和保持了通向某一目的节点的详细路由信息，从而可使信包沿最优路径抵达目的节点。•在这类网桥中，如果目的节点和源节点不在同一网络内，则将信包的目的地址最高位置1，并在包头标示出应走的实际路径，其结构为局域网、网桥、局域网等的特定序列。•若目的节点和源节点在同一网络内，则应将目的地址的最高位置0，此时，网桥将不转发这种信包。•若源站不知道抵达目的节点的路径时，可通过发广播包并回收应答包的方法来获取路径。信源路由网桥SRB算法是一种由IBM公司提出，并由IEEE802.5建立的一种适用于IEEE802.5令牌环的桥接技术。在此之后，IBM公司又向IEEE802建议了透明源路由网桥（SRT）和混合介质网桥等桥接技术。虽然SRT已被认同，但SRB仍被广泛使用。8.1.3路由器•路由器（Router）是网络层的互连部件，可提供此网桥更丰富、更灵活的网络互连功能，是目前使用得最多的网络互连部件之一。•1．体系结构•路由器往往可支持多种协议栈，并可完成数据过滤、避免广播风暴、计费、网络管理、路由选择、均衡网络负载、控制数据传输等功能。从某种意义上讲，路由器属于中间系统（IS）。2．工作原理•（1）接收帧，并分解IP数据包当IP数据包封装在数据链路帧中，沿某种物理网络传送到路由器的某个端口时，路由器中的底层驱动程序按照相应的数据链路层协议接收该帧，并从中分解出IP数据包后交给IP层软件处理。•（2）IP包头合法性验证若IP数据包在下列任何一项测试中失败，它将被丢弃，同时进行差错统计。•（3）IP数据包选项处理对于记录路由选项，路由器在选项数据字段中写入自己的IP地址；对于时间戳（TimeStamp）选项，写入自己的IP地址及当前字段标准时间计算值；对于源路由选项，要先写入自己的IP地址，后面还要作进一步的处理。（4）IP数据包本地提交和转发（5）转发寻径（6）转发验证（7）TTL处理（8）数据包分段3．功能特点（1）地址映射（2）数据转换（3）路由选择（4）协议转换（5）网络隔离（6）流量控制4．路由器结构•（1）采用传统计算机结构•（2）采用并行处理结构•（3）背板采用纵横式交换结构•（4）并行处理与背板交换相结合的结构例8.5试利用路由器将以太网和令牌环连接到FDDI光纤主干网上。•这种互连网结构如图8.9所示。图8.9中一个令牌环和两个以太网分别通过路由器连接到FDDI光纤主干网上。它允许IP包从以太网或令牌环传送到FDDI高速网或其他子网上。其中路由器就能支持包括TCP/IP在内的多种协议。令牌环FDDI……以太网1……以太网2路由器2路由器3路由器1图8.9将以太网和令牌环连入FDDI主干网•8.1.4网关•网关或信关（Gateway）的功能具有更多的层次，除了低3层处，还需增加高4层的有关功能。•网关是网际互连的关键部件，它是两个或多个异种网络（网络操作系统不同，通信协议不同）的界面，也是两个自治网络的协议接口。•其基本作用是终止单个子网的内部协议，为不同子网的信息交换提供通道，协同其邻接子网实现网际协议功能和网际协议换。•其中网际协议功能主要包括网际寻址、网际路由选择、网际流控制与拥塞控制、网际保安与差错控制等。8.2内部网关协议Internet使用的路由协议可分成以下两类：•（1）内部网关协议IGP（InteriorGatewayProtocol）即在一个自治系统内部使用的路由协议，与互连网中的其他自治系统选用何种路由协议无关。目前这类路由协议使用得最多，如RIP，OSPF和HELLO协议。•（2）外部网关协议EGP（ExternalGatewayProtocol）若源站和目的站处在不同的自治系统中（这两个自治系统使用不同的内部网关协议），当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由信息传递到另一自治系统中。这样的协议就是外部网关协议EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是BGP。8.2.1路由信息协议（RIP）•例8.7图8.13表示基于路由器的网络拓扑结构图。它包括5台路由器（A~E），路由器之间通过链路（边）连接起来，旁边的数字表示链路距离。它表示一种链路代价（Cost），如链路长度、传输延迟等。ACEDB223432图8.13网络拓扑结构•在距离向量算法中，每台路由器向相邻的路由器报告通过自己可以到达的网络和路由器的信息。例如，C向A报告自己可以到达D，并报告自己到D的距离为5。A和C是相邻的路由器，所以它知道自己到达C的距离为2。这样，A可以计算得到：•A经过C到达D的距离=A到C的距离+C到D的距离=2+5=7。同样，B也会向A报告自己到D的距离为2。A将计算得到：•A经过B到达D的距离=A到B的距离+B到D的距离=3+2=5。•A从这两条路由中选择距离值较短的作为到目的地D的路由。虽然，A应选B作为到目的地D的下一站路由器。•8.2.2开放最短路径优先协议（OSPF）•OSPF把一个自治系统（AS）分成多个区域（Area），每个区域包括一组网络。一个区域内的路由器相互之间交换所有的信息，而对于同一个AS内的其他区域的路由器，则隐藏其详细拓扑结构信息。这种分级结构可以减少路由信息的流量，并且可简化路由器的计算。•每个运行OSPF的路由器维护其所在的AS链路状态数据库。通过这个数据库，使用Dijkstra最短的路径算法，每个路由器可以构造一个以其自己为根到该AS内部各个网络的最短路径树。路由器之间可使用OSPF协议相互交流这些拓扑信息。•OSPF使用IP协议中的服务类型（TOS）参数控制传输报文的服务质量。•OSPF支持各种灵活的IP子网配置方式。•为了确保路由信息可靠地进行交换，OSPF路由器要相互认证（Authentication）。8.4多播路由策略•多播路由（MulticastRouting）适用于某些特殊的应用场合（如视频会议、远程教学等）。能提供多播路由功能的路由器叫做多播路由器MR（MulticastRouter）。在IP协议中使用D类地址表示一个多播组。一个组的成员可能分布在整个网络的各个地方，网络上的主机可以使用IGMP协议动态地加入或退出某一个组。8.5QoS路由策略•为了支持更大范围的QoS需求，路由协议需要一个更复杂的模型，该模型将采用多个特征值（如带宽、延迟、丢失率等）来描述网络特性。通常把这种根据网络上可利用的资源和数据流的QoS需求来决定的路由机制，称为QoS路由。•QoS路由的基本问题就是在源和目的站之间，如何找到条能够同时满足多个约束条件的路径。多特征值可以在某种程度上满足多个约束条件的路径要求。多特征值可以在某种程度上更精确地描述网络。然而，找到一条符合多个约束条件的路径本质上是一个很困难的问题。•这个问题的多项式算法可能不存在。M.R.Garey和D.S.Johnson已经将两个约束的寻径问题“最短加权约束路径”列为NP-完全问题。由此推出多个特征值的相加、相乘、取极值以及这几种方式混合的寻径问题，都属于NP-完全问题。