第八章 网络互连技术基础(清华大学)

第八章网络互连技术基础第八章网络互连技术基础学习目的与要求本章主要介绍计算机网络互连技术的相关理论知识、网络互连的主要技术和结构、以及网络互连设备的工作原理和应用。通过本章学习，读者能够了解网络互连的基本概念，掌握网络互连的相关技术，掌握IP地址的运用，为后续章节的学习打下坚实的理论基础。第八章网络互连技术基础8.1网络互连的基本概念8.2网络互连的技术与结构8.1网络互连的基本概念“互连”和“互联”两个术语的区别：–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）。–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网络互连的基本概念网络互联类型–(1)局域网之间的互联（LAN-LAN）»同构网的互联»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）8.1网络互连的基本概念网络互联层次–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。–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）。8.1网络互连的基本概念网络互联类型–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。8.2网络互连的技术与结构8.2.1网络互连方式–1.中继器方式»中继器方式是工作于OSI/RM物理层的网络互连设备，可以互连数据链路层及以上层次协议相同的网络，一般用于拓展局域网的覆盖范围。»采用中继器的优点是价格低廉、使用简单，不需任何配置即可工作，效率高。缺点是不能均衡负载及阻止“广播风暴”，无法进行包过滤，由中继器所连接的以太网段处于同一个冲突域和广播域中。8.2网络互连的技术与结构–2.桥接器方式»桥接器(Bridge)是工作于OSI/RM数据链路层的网络互连送备，可以互连网络层及以上层次协议相同的网络。一般用于互连两个运行同类型网络操作系统的局域网，而网络的拓扑结构、通信介质和通信协议可以不同。»实际使用的网桥可分为三种：简易网桥、透明网桥、源路径网桥。8.2网络互连的技术与结构–3.路由器方式»路由器是工作在OSI/RM网络层的网络互连设备，实现网络层以及以下各层的协议转换，通常用来互连局域网和广播网或者实现在同一点两个以上的局域网的互连。»路由器根据网络层地址(如IP地址)进行信息的转发，其功能主要有两个：路由选择和信息转发，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。»由于路由器对于每一个到来的信息包都要进行“拆包组包”过程，而且一些复杂的处理功能都是采用软件实现的，因此，成为高速网络应用的瓶颈，近几年出现的第三层交换机，将路由与交换技术结合在一起，较好地解决了该问题，大大提高了网络性能，第三层交换机又称为路由交换机。8.2网络互连的技术与结构–4.网关方式»网关(Gateway)是在两种不同协议之间进行转换的设备。有广义网关和狭义网关之分。广义网关指所有用于网络互连的软、硬件；狭义网关特指工作于OSI/RM高层协议(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。这里所指的是狭义网关。»网关可以转换大多数协议层，覆盖OSI模型的全部七层，比中继器、网桥和路由器要复杂得多，效率相对也较低，网关一般有一定的专用性。8.2网络互连的技术与结构8.2.2IP地址–1.IP信息包»(1)IP信息包的传送机制IP是负责网络之间信息传送的协议，可将IP信息包从来源设备传送到目的设备。要达到这样的目的，IP必须依赖于两种机制：IP定址与IP路由。8.2网络互连的技术与结构»(2)分割与重组IP信息包IP信息包必须放到数据链路层进行传送。每一种数据链路层的技术都会有不同的最大传输单位(MTU)，即该种技术所能传输的最大信息包长度。IP信息包在传送过程中，可能会经过许多个使用不同技术的网络。为了解决此问题，路由器必须有IP信息包分割与重组的机制，将过长的信息包加以分割，以便能在最大传输单位较小的网络上传输。分割后的IP信息包，会由目的设备重组，恢复成原来IP信息包。8.2网络互连的技术与结构»(3)IP信息包的结构IP传送数据的基本单位是IP信息包。IP信息包主要由两部分所组成，如图所示。IP报头，记录有关IP地址、路由、信息包识别等信息。IPPayload，载送上层协议的信息包。8.2网络互连的技术与结构在IP信息包的传递过程中，IP报头扮演了极为关键的角色，其中记录了与IP相关的所有信息，以下为IP报头中较为重要的信息。–IP信息包的目的地址(DestinationAddress)–IP信息包的来源地址(SoureceAddress)–上层协议(Protocol)–IP信息包标识码(Identification)–分割与重组相关信息。记录所有与分割、重组相关的信息。–存活时间(TTL)8.2网络互连的技术与结构–2.IP地址表示法»IP地址本质上是一个长度为32Bits的二进制值，为了方便起见，一般使用下列方式来转换成十进制。»目前互联网上通用的IP版本为第4版，称为IPv4。IPv4的IP地址是由32Bits组成»IETF开始推出下一版的IP规格——IPv6，IPv6的IP地址是由128位组成的，由此，可以提供非常充裕的IP地址空间。8.2网络互连的技术与结构–3.IP地址的等级»(1)IP地址的结构网络地址主机地址8.2网络互连的技术与结构»(2)三种常见的地址等级A类：网络地址的长度为8位，第一位必须为0。A类网络地址可从00000000至01111111，总共有27=128个，如图所示。8.2网络互连的技术与结构B类：网络地址的长度为16位，前导位有两位，必须是10。因此B类的IP地址必然介于128.0.0.0与191.255.255.255之间，如图所示。8.2网络互连的技术与结构C类：网络地址的长度为24位，前导位有三位，必须是110。因此C类的IP地址必然介于192.0.0.0与223.255.255.255之间，如图所示。8.2网络互连的技术与结构»(3)特殊的IP地址主机地址全为0用来代表“这个网络”。主机地址全为1代表网络中的全部设备，也就是广播地址。若网络地址与主机地址都为1，即255.255.255.255，称为“Limited”或“Local”广播信息包。各个等级地址的最后1个网络地址(除前导位外，其余的网络地址位都设为1)代表“Loopback”地址(环回地址)。私有地址：–A类：10.0.0.0~10.255.255.255–B类：172.16.0.0~172.31.255.255–C类：192.168.0.0~192.168.255.2558.2网络互连的技术与结构–4.子网划分»(1)子网分割的原理分割子网的重点便是让每个子网拥有一个独一无二的子网地址(SubnetAddress)，以此识别子网。由于企业分配到的网络地址是无法变动的，因此，如果要分割子网的话，必须从主机地址“借用”前面几位，作为子网地址。原先的网络地址加上子网地址便可用来识别特定的子网。8.2网络互连的技术与结构»(2)子网掩码子网掩码长度为32位，与IP地址的长度相同。子网掩码必须是由一串连续的1，再跟上一串连续的0所组成。为了方便阅读，子网掩码使用与IP地址相同的十进制来表示。子网掩码必须与IP地址配对使用才有意义。单独的子网掩码不具任何意义。当子网掩码与IP地址一起时，子网掩码的l对映至IP地址便是代表网络地址位，0对映至IP地址便是代表主机地址位。原有等级式的网络地址仍然可继续使用。原先使用A、B、C三种等级的网络所对应的子网掩码为：–A类：255.0.0.0–B类：255.255.0.0–C类：255.255.255.08.2网络互连的技术与结构»(3)子网分割实例子网分割是相当常见的应用，以下便以实例说明如何在企业内部分割子网。假设A企业费了一番功夫终于申请到如下的ClassCIP地址：–IP地址：11001011010010101100110100000000(203.74.205.0)–子网掩码：11111111111111111111111100000000(255.255.255.0)A企业由于业务需求，内部必须分成A1、A2、A3、A4等4个独立的网络。此时便需要利用子网分割的方式，建立数个子网，以便分配给这4个独立的网络。8.2网络互连的技术与结构首先要决定的是子网地址的长度。若子网地址为2位，可形成4个子网，但是子网地址不可全为0或1，因此实际上可用的子网只有2个。若子网地址为3位，可形成8个子网，扣除子网地址全为0或1的子网，因此实际上可用的子网有6个，足以符合A企业的需求。决定了子网地址的长度后，便可以知道新的子网掩码，以及主机地址的长度。由于使用了3位作为子网地址，网络地址变成24+3=27位。因此，新的子网掩码为：11111111111111111111111111100000(255.255.255.224)8.2网络互连的技术与结构网络可设置的IP地址子网掩码A1203.74.205.33一203.74.205.62255.255.255.224A2203.74.205.65—203.74.205.94255.255.255.224A3203.74.205.97—203.74.205.126255.255.255.224A4203.74.205.129—203.74.205.158255.255.255.224未分配203.74.205.161—203.74.205.190255.255.255.224未分配203.74.205.193一203.74.205.222255.255.255.224