4 网络互连技术与网络互连设备

计算机网络技术与应用第4章网络互连技术与网络互连设备2本章主要内容网络互连的基本概念1网络互连的类型与层次2网络互连设备34网络布线3网络互连的基本概念网络互连相关的几个重要概念1网络互连的目的与特点2网络互连的基本要求与功能3互连网络必须解决的问题44网络互连相关的几个重要概念互连是指借助于相应的网络设备使得两个网络之间至少在物理上有一条连接的线路，该线路为两个网络的数据交换提供了物质基础，目的是解决子网之间的数据流通。互通是指两个网络之间不依赖于其具体连接形式而可以交换数据。如TCP/IP协议。5网络互连相关的几个重要概念互操作是指网络中不同计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力，是由高层软件来实现的。互联是指网络在物理和逻辑上的连接，尤其是逻辑上的连接。互连是基础，互通是手段，互操作则是网络互连的目的。6网络互连的目的与特点网络互连的目的是扩大网络覆盖和资源共享的范围以容纳更多的用户，使各个不同网络的用户能够互相通信、交换信息和共享资源。网络互连具有以下特点：(1)突破网络长度的限制，扩大资源共享的范围。(2)实现高级的用户服务。(3)提高网络的性能。(4)提高安全性，有利于网络管理。7网络互连的基本要求与功能网络互连时的基本要求(1)提供互连的网络间的物理和链路控制。(2)提供路由选择和转发。(3)提供各用户使用网络的记录及保持状态信息，记录网络资源的使用情况。(4)提供各种互连服务，应尽可能不改变原有各网络的网络结构，因此网络互连需要能够协调各个网络之间不同的网络特性。8网络互连的基本要求与功能网络互连的功能可以分为以下两类：(1)基本功能。基本功能指的是网络互连所必需的功能，即对同类型的网络互连也应具有的功能，它包括不同网络之间传送数据时的寻址与路由选择功能等。(2)扩展功能。扩展功能指的是当各种互连的网络提供不同的服务级别时所需的功能，如协议转换、分组长度变换、分组重新排序及差错检测等功能。9互连网络必须解决的问题编址方案最大分组长度网络访问机制超时差错恢复状态报告路由选择技术用户访问控制连接和无连接服务10网络互连的类型与层次网络互连的类型1网络互连的层次211网络互连的类型局域网与局域网的互连(LAN-LAN)局域网互连是日常应用中比较常用的一种互连方式，包括同构网络互连和异构网络互连。局域网与广域网的互连(LAN-WAN)实现局域网与广域网互连的主要设备是路由器或网关。远程局域网互连(LAN-WAN-LAN)可以使用路由器或网关等设备实现局域网的互连。广域网与广域网的互连(WAN-WAN)是通过路由器或网关互连起来的。12网络互连的类型13网络互连的层次根据网络层次的结构模型，可以将网络互连的层次从通信协议的角度分类如下：(1)物理层互连物理层互连主要解决的问题是在不同的电缆段之间复制、整形、再生和转发位信号。物理层的连接设备主要是中继器和集线器。(2)数据链路层互连数据链路层互连主要解决的问题是在网络之间进行数据帧接收、地址过滤和有目的转发数据帧。数据链路层的互连设备是网桥和传统交换机。14网络互连的层次根据网络层次的结构模型，可以将网络互连的层次从通信协议的角度分类如下：(3)网络层互连网络层互连主要解决的问题是在不同的网络之间存储转发分组。网络层的互连设备主要是路由器。(4)高层互连实现高层互连的设备是网关或应用网关。15网络互连设备中继器1集线器2网桥3交换机4路由器5网关6网络互连实例716中继器中继器是最低层的物理设备，用于连接具有相同或兼容物理层协议的局域网，与高层协议无关，是局域网互连中最简单的设备。它的主要优点是安装简单，使用方便，价格低廉。17中继器中继器的功能如下：(1)能够进行信息恢复。(2)可以连接不同的传输媒体。(3)中继器的使用数目有所限制。(4)中继器不能提供所连接网段之间的隔离功能，不能控制广播风暴。18集线器集线器(HUB)，通常是指共享型集线器，是采用中继器的原理设计的，也被称为多端口中继器。19集线器集线器提供的功能有：(1)集线器能够提供多端口服务，进行信号的再生和信息包的转发。(2)在局域网上连接多台计算机，减少网络堵塞并提供不同类别的局域网之间的连接能力。(3)由于集线器不处理和检查其上的通信量，所有连接到集线器上的设备共享同一个介质。因此，它们共享同一冲突域，广播和带宽，同样会传播广播风暴。20集线器从不同的角度，可以将集线器分为不同的类型：1.按端口数量分类目前主流集线器主要有8口、16口和24口等大类，但也有少数品牌提供非标准端口数,如4口和12口等。2.按带宽分类如果按照集线器所支持的带宽不同，我们通常可分为10 Mbps、100 Mbps、10/100 Mbps自适应三种。3.按配置的形式分类一般可分为独立型集线器、堆叠式集线器和模块化集线器三种。21集线器从不同的角度，可以将集线器分为不同的类型：4.按工作模式来分类按照集线器的工作模式分为无源集线器、有源集线器和智能集线器。根据需求，网络需要扩展时，端口不够用时，一般有两种拓展用户数目的方法：（1）堆叠。（2）级联。通常有两种级联方式：使用Uplink端口级联和普通端口级联22网桥网桥工作在数据链路层，用来连接两个在数据链路层以上各层具有相同协议的网络。23网桥网桥的特点网桥的互连特点是将实际上分离的局域网连成一个逻辑上单一的局域网。网桥可以是专门硬件设备，也可以由安装网桥软件的计算机来实现。网桥有如下功能：(1)过滤和转发功能。(2)学习功能。24网桥网桥的优点：(1)使用网桥进行互连克服了物理限制，使得构成LAN的数据站总数和网段数很容易扩充；(2)网桥的存储和转发功能可使其适应于连接使用不同MAC协议的两个LAN，因而构成一个不同LAN混连在一起的混合网络环境；(3)网桥的中继功能仅仅依赖于MAC帧的地址，因而对高层协议完全透明；(4)网桥将一个较大的LAN分成段，有利于改善可靠性、可用性和安全性。(5)网桥能对数据帧进行差错和完整性检测，不会转发有错误的数据帧，可以将网络故障控制在一个网段内。25网桥网桥的缺点：(1)网桥不能过滤广播分组，也向各个端口发送广播帧，无法避免广播风暴；网桥依赖于物理设备的地址；(2)由于网桥处理其接收到的数据，增加了时延，降低了网络性能；(3)由于网桥不提供流控功能，因此在流量较大时有可能使其过载，从而造成帧的丢失；(4)网桥没有路由选择功能，对互联网中的回路无法解决。26网桥网桥的实际应用网桥的分类(1)从应用上分为本地网桥、远程网桥和主干网桥。(2)从帧转发功能分配分为透明网桥和源路径选择网桥。(3)从硬件配置的位置来分，网桥通常分为内部网桥和外部网桥两种。27网桥网桥与中继器的比较中继器可以延长网络距离，从一个网络电缆里接收信号，并放大整形，将其送入下一个电缆；但它们对所转发消息的内容毫不在意；网桥将两个相似的网络连接起来，并对帧进行检查决定是否需要转发，能对网络数据的流通进行管理。28交换机交换机Switch，又称交换式集线器，它是一种基于MAC地址(网卡的硬件地址)识别，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。交换机的功能交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN的支持、对链路汇聚的支持，有的还具有防火墙的功能。29交换机交换机的功能（1）学习30交换机交换机的功能（2）转发/过滤（3）消除回路交换机的类型（1）按交换机应用领域来划分，可分为台式交换机、工作组交换机、主干交换机、企业交换机、分段交换机、端口交换机、网络交换机等。（2）从网络覆盖范围划分，可分为局域网交换机和广域网交换机。31交换机交换机的类型（3）从交换机产品结构来划分，可分为模块化交换机和固定配置交换机。（4）从交换机端口速率来划分，交换机产品可分为10 Mbps，100 Mbps，1000 Mbps及混合支持的产品。（5）用于计算机网络的交换机主要分为三种：第二层交换机(又称LAN交换机)、第三层交换机、ATM交换机。32交换机交换机的产品思科公司是全球领先的互联网解决方案供应商。Cisco的交换机产品以“Catalyst”为商标，包含1900、2800、2900、3500、4000、5000、5500、6000、8500等十多个系列。总的来说，这些交换机可以分为两类：一类是固定配置交换机，另一类是模块化交换机。交换机的性能指标局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。33交换机交换机的性能指标(1)端口类型是指交换机上的端口是以太网、令牌环、FDDI还是ATM等类型。(2)吞吐率又称背板带宽，背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，是指交换机接口处理器和数据总线之间所能吞吐的最大数据量，单位为Gbps。(3)背板速率是“以太网的速度×端口数”。(4)延时是指从交换机接收到数据包到开始向目的端口复制数据包之间的时间间隔。34交换机交换机的性能指标(5)帧丢失率是指丢失的用户信息帧占所有发送帧的比率，能反映交换机在过载时的性能表现。在选购交换机时，还要考虑到系统的扩充能力，主干线连接手段，交换机总交换能力，是否需要路由选择能力，是否需要热切换能力，是否需要容错能力，能否与现有设备兼容、顺利衔接，网络管理能力等。35交换机交换机的工作模式(1)直通交换方式(Cut-through)优点:只检查数据包的包头(通常只检查14个字节)，不需要存储，所以延时小，交换速度快。缺点：①缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，不能提供错误检测能力。②不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，容易丢包。③当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难。适用环境：网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境，延迟时间跟帧的大小无关。36交换机交换机的工作模式(2)存储转发方式(store-and-forward)优点:①可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入／输出端口间的交换，可有效地改善网络性能。②这种交换方式支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。缺点：数据处理延时大适用环境：适用于普通链路质量或质量较为恶劣的网络环境，这种方式要对数据包进行处理，所以，延迟和帧的大小有关。37交换机交换机的工作模式(3)自由分段式(FragmentFree)特点:该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通交换方式慢，由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存，这种缓存是一种先进先出的FIFO(firstinfirstout)，比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。适用环境：一般的通讯链路。38交换机交换机的连接多台交换机的连接方式可采用级联、堆叠方式。（1）级联：是最常见的连接方式，有使用光纤连接和双绞线连接两种情况。（2）堆叠：只有支持堆叠的交换机之间才可进行堆叠，统一堆叠中的交换机必须是同一品牌。虚拟网的划分VLAN(virtuallocalareanetwork)又称虚拟局域网，是指在交换局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。39交换机虚拟网的划分优点：(1)限制广播域，提高网络访问速度。(2)增强了网络安全性，简化了网络管理。组建VLAN应遵循以下原则：（1）在网络中尽量使用同一个厂家的产品，在能使用交换机的地方尽量使用交换机；（2）层次化地将交换机相连，避免使用传统路由器，保证网络的连通性。40交换机虚拟网的划分通常虚拟网可以分类如下：(1)根据端口划分VLAN41交换机虚拟网的划分通常虚拟网可以分类如下：(2)根据MAC地址划分VLAN42交换机虚拟网的划分通常虚拟网可以分类如下：(3)根据网络层划分VLAN(4)根据IP组播划分