计算机网络技术基础第五讲 网络互连

1第5讲网络互连2主要内容广域网概述网络互联3学习要求了解广域网的概念、组成及主要特点掌握网络互连的概念、目的和原理熟悉各种网络互连设备的功能和适用场合掌握网桥和路由器的工作原理45.1广域网概述广域网的概念广域网的组成55.1.1广域网的概念广域网是指将分布全国、甚至全球范围内的各种局域网、计算机和终端等互连在一起的计算机通信网络。也称作主干网。由于广域网的覆盖范围很广，造价较高，一般都是由国家或者较大的电信公司出资建造的。常见的广域网有公用电话交换网（PSTN）、公用数据分组交换网（X.25)、数字数据网(DDN)、综合业务数字网(ISDN)、帧中继网（FrameRelay)等几种类型。公用电话交换网（PSTN）是提供电话通信服务的公用网络系统，是国家公用通信基础设施之一，由国家电信部门统一建设、管理和运营。它主要提供语音通信服务，同时还提供数据通信业务，如电报、传真、数据交换、可视图文等。PSTN是以模拟技术为基础的电路交换网络。公用数据分组交换网（X.25）是一种采用分组交换技术实现的数据通信网。数字数据网（DDN）是一种利用数字信道（光纤、数字微波、卫星）和数字交叉复用技术组成的、以传输数字信号为主的数字数据传输网络。帧中继（FrameRelay）是一种快速分组交换网。广域网往往采用树型结构和网状结构组合起来的复合型结构。如下图所示图5.1广域网示例6广域网具有如下特点：－覆盖范围广，可达数百、甚至数千公里。－数据传输速率较低，其典型速率从56Kbps到155Mbps，但目前已有622Mbps、2.4Gbps甚至更高速率的广域网。－使用多种传输媒体，有线媒体有光纤、双绞线和同轴电缆等，无线媒体有微波、卫星、红外线和激光等。－数据传输延时大，例如卫量信道的延时可达几秒钟。－数据传输质量不高，例如误码率较高。－广域网管理和维护较为困难。645.2网络互连网络互连概述网络互连设备655.2.1网络互连概述网络互连是指将两个或两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一种或多种通信处理设备相互连接起来，以构成更大的网络系统。用于网络互连的设备被称为中继系统或网络互连设备。66网络互连的目的是实现不同网络之间的资源共享和不同网络上用户之间的信息交换，其主要内容是网络扩展。网络扩展的主要原因表现在以下几个方面：–扩展覆盖范围。由于局域网受到传输媒体、通信设备等限制，其通信距离总是有一定限制的，通过网络互连，可以扩展其通信距离。–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，通过互连，能增加连接网络的计算机的数量，扩展网络的规模。–提高网络的性能。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，通过互连，可以大大提高网络的整体性能。67常用的网络互连的形式主要有以下三种：–局域网与局域网的互连（LAN-LAN），例如以太网与令牌环网之间的互连。–局域网与广域网的互连（LAN-WAN，LAN-WAN-LAN），例如通过公用电话网、分组交换网或帧中继网等连接远程局域网。–广域网与广域网的互连（WAN-WAN），例如专用广域网与公用广域网的互连。68网络互连原则：要在异种网中具有相同协议的对应层之间进行协议的转换，并且该对应层之上不再存在协议不同的对应层。图5.2网络互联模型695.2.2网络互连设备根据互连层次的不同，网络互连设备可以分为:–中继器、集线器(物理层)–网桥、二层交换机(数据链路层)–路由器、三层交换机(网络层）–网关（ISO模型的高四层）701．中继器中继器是工作于OSI模型物理层的网络互连设备，它可以互连数据链路层及以上层次协议相同的网络，一般用于增加局域网的覆盖范围。图5.3中继器互联模型71计算机网络的覆盖范围会因为信号的衰减而受到限制，为了扩大信号的传输距离，在网段间可以使用中继器设备，它接收网上的所有信号，并将其放大、整形和恢复，并将再生的信号发送出去，从而扩展网络跨距。虽然中继器把一个网络的延伸范围扩大了，但从网络层看仍然是一个网络。对于传统以太网来讲，由于受时延、距离的限制，任意两个网上工作站所经过的中继器最多不能超过4个。集线器实际上是一个多端口的中继器。集线器接收到数据包后简单地向所有端口转发。集线器与交换机的区别？作业，自已总结。742．网桥网桥也称为桥接器，是工作于OSI模型数据链路层的网络互连设备，它可以互连网络层及以上层次协议相同的网络。一般用于互连两个相同类型或者不同类型的局域网。图5.4网桥互联模型76网桥在延长网络跨度上类似于中继器，但它能提供智能化连接服务，即根据帧的终点地址所处于的网段来进行转发和滤除。工作原理：当网桥收到数据帧时，它根据数据帧中所带的目的MAC地址查找其内部MAC地址站点与端口连接关系表，以确定该向哪个端口转发数据。站点与端口连接关系表简称为站连表，是网桥通过不断地“自学习”所获得的端口与MAC地址站点的连接信息。77图5.5网桥工作原理81由于网桥工作在数据链路层，由网桥所连接的以太网段处于不同的碰撞域，这样它连接的以太局域网理论上可以不受以太网覆盖范围的局限。采用网桥的好处是扩展了网络，而且具有信息过滤功能，效率高，配置简单。网桥实际上是二层交换机的别名。823．路由器路由器是工作在OSI模型网络层的网络互连设备，它实现网络层以及以下各层的协议转换。路由器通常用来实现局域网和广域网的互连或者实现在同一点两个以上的局域网的互连。图5.6路由器互联模型83路由器的作用类似于网桥，但是它的功能比网桥强得多。路由器根据网络层地址进行信息的转发，其功能主要有两个：路由选择和数据转发，除此之外，还有负载均衡、流量控制、网络和用户管理等功能，能够隔离广播域，阻止“广播风暴”传递到整个网络，具有更强的异种局域网互连能力。三层交换机实际是一种路由器。17当源主机通过通信子网向目的主机发送数据分组时，可能需要通过若干中间设备（路由器），所经过的每台路由器必须知道为了把信息分组从源端发送到目的端，需要将分组交给（与它相连的）下一个路由器的地址。每一个路由器中都有一张路由表，用来记录到达目标地址的下一个路由器的地址。路由表（目的地址，下一跳）路由表通过路由选择算法建立并维护。路由计算方法分为静态路由和动态路由两种。（1）路由选择21图5.8每个交换机结点的路由表图5.7三层交换机节点组成的广域网22分析图5.8所示的路由表，可以发现表中有很多个重复的项。这种情况下，搜索路由表会很费时。为了减少路由表中的重复项，大部分广域网中都采用了一种消除重复路由的机制。这种机制用一个项来代替路由表中许多具有相同下一跳值的项，称为缺省路由（DefaultRoute）。图5.9简化后的路由表87图5.10路由器工作原理86路由器在收到数据分组时，首先取出数据分组中的目的IP地址，查找路由表判断端口所连接的是否是目的子网，如果是目的子网，就直接把分组通过端口送到网络上；如果不是目的子网，则通过下一路由器来转发。如果路由表中查找不到目的IP地址，路由器会将数据分组送向它的缺省网关处理。路由器通过逐跳的转发，最终将数据分组送往目的地。对于无法转发的数据分组，路由器将丢弃它。（2）数据转发88从实际应用来看，路由器可以分两大类：简易路由器和专用路由器，大多数路由器可以支持多种路由选择协议，并提供多种类型的接口。简易路由器一般由微机插入多协议转换卡并运行相应路由器仿真软件来仿真路由器的功能，价格相对较为便宜。专用路由器由专用路由器生产厂商生产，属于一种专用硬件设备，协议软件内置在硬件之中，应用方便，价格相对较为昂贵。89使用路由器进行网络互连具有如下优点：适用于大规模的网络；适用于在复杂的网络拓扑结构中提供最优路径；能很好地处理多媒体信息；网络安全性高；能隔离不需要的通信量；节省局域网的带宽；可减少主机负担。路由器也有一些缺点，它价格较高，不支持非路由协议，安装和调试比较复杂；另外数据分组需要软件处理，容易成为瓶颈。路由器与交换机的区别？作业，自已总结。904．网关网关又称为协议转换器，它是工作于OSI参考模型高层（网络层以上）的网络互连设备，负责高层协议的转换，通常用于广域网与广域网互连、网络与大型主机系统的互连等。图5.11网关互联模型91现在有很多的硬件网关设备，但从根本上说，网关不能归为一种网络硬件，它是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品，来实现不同协议之间的转换。其中硬件提供不同网络的接口，软件实现不同的网络协议之间的转换。92常见的网关有如下几种：–应用系统网关。通过应用系统网关可以实现两种不同类型操作系统之间的互操作。例如NetWare操作系统与UNIX操作系统互操作时就需要应用系统网关。–电子邮件网关。通过电子邮件网关可以从一种类型的邮件系统向另一种类型的邮件系统传输数据和电子邮件。例如因特网上用简单邮件传输协议（SMTP）进行电子邮件传输，如果要与微软的Exchange进行互通，则需要电子邮件网关。93–数据库网关。通过数据库网关能够实现不同类型的数据库系统之间的数据交换。例如Oracle数据库的数据与Sybase数据库的数据交换时需要数据库网关。94在网络互连设备中，网关的功能要比交换机或路由器等其他网络互连设备更复杂，因此它传输数据的速度要比交换机或路由器低。由于经过网关传输数据的速度较慢，有可能造成网络堵塞。在某些场合，只有网关能胜任工作，完成特定应用协议的转换。