计算机通信网络技术及应用第5章网络互连

1第5章计算机通信网络互连技术及应用2【本章目标】•一个计算机系统，接入计算机通信网络，可以与其它计算机系统通信。计算机通信网络互连技术是解决两个计算机通信网络中的某两个计算机系统相互通信的技术。本章介绍计算机通信网络互连技术的层次性，各种互连设备的工作原理，以及路由协议、IP协议和移动IP、IP组播。3【本章要点】•1网络互连的层次结构（重点）•2网络互联设备（重点）•3路由协议：路由信息协议RIP，开放最短路径优先协议OSPF，边界网关协议4（BGP-4）•4IP协议：IP地址及子网（重点），ICMP协议•5移动IP•6IP组播：组管理协议：IGMP，组播路由协议•7IPv6：IPv6的特点，IPv6数据报格式，IPv6地址空间，IPv4到IPv6的过渡策略•本章计划6+课时45.1网络互连的层次结构•为什么要网络互连？•怎样理解网络互连的层次性？55.1.1网络互连概述•1.网络互连概述网络互连是指将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来形成规模更大的网络的过程。网络互连的目的是实现网络间的数据流通，扩大资源共享的范围，使网络可容纳更多的用户。（1）网络互连的原因：①解决网络长度的物理限制②实现更广泛的资源共享③实现不同网络之间的连接④提高网络的效率和管理的方便性6（2）网络互连的作用①扩大资源共享范围②提高网络性能③降低成本④提高安全性⑤提高可靠性（3）网络互连的主要类型①局域网—局域网互连②局域网—广域网互连③局域网—广域网—局域网互连④广域网—广域网互连（4）网络互连的模式网络互连模式有两种：无连接模式与面向连接模式。75.1.2网络互连的层次•1．网络互连的实现原理网络互连要解决的一个问题是，选定一个相应的协议层次，使得从该层次开始，被相互连接的网络设备中的高层协议都是相同的，其低层协议和硬件差异可通过该层屏蔽，从而使得不同网络中的用户可以互通。要实现网络互连，必须做到以下几点：①在互连的网络之间提供链路，至少有物理线路与数据线路；②在不同网络节点的进程之间提供适当的路由来交换数据；③提供网络记账服务，记录网络资源使用情况；④提供各种互连服务，应尽可能不改变互连的各网络原来的结构。8•2．网络互连的层次分类一般情况下，网络互连可以在ISO/OSI七层模型中的任意一层进行，分为以下几种：①物理层互连②数据链路层互连③网络层互连④高层互连网络互连的一般原则是从互连层开始，其上各层的协议要相同，而互连层下面各层的协议的异构特性则由互连层屏蔽。一般来说，互连的层次越高，互连协议就越复杂。95.2网络互联设备•有哪些网络互连设备？•怎样应用？哪种场合应用哪种网络互联设备？105.2.1网络互连设备概述网络互连设备的作用是连接不同的网络。根据网络互连所在的层次，常用的互连设备分为以下几类：①物理层互连设备②数据链路层互连设备③网络层互连设备④高层互连设备115.2.2物理层互联设备•1．中继器（Repeater）中继器（Repeater）又称重发器，它工作在OSI七层参考模型的物理层，使网络在物理层实现互连。中继器的主要特性：①中继器作用于物理层。②只有简单的放大、再生物理信号的功能。12中继器的应用举例FS1WSWS中继器WSWS工作站服务器FS2…………13•2．集线器(HUB)网络集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的设备上。集线器其实是一种特殊的中继器，它有一个端口和主干网连接，而其他的端口连接一组工作站，如图就是一个典型的集线器实物图。14•3．集线器的种类根据集线器的功能的不同，可以将集线器分成不同的类型:①独立式集线器②堆叠式集线器③模块式集线器④智能型集线器•网络集线器按照对输入信号的处理方式上，可以分为无源HUB、有源HUB。154.集线器的应用举例16路由器集线器集线器总线集线器集线器集线器集线器175.2.3数据链路层互连设备•1．网桥(Bridge)网桥又称桥接器，是一种在数据链路层实现局域网互连的存储——转发设备。网桥的工作原理如图所示。网桥的应用形式有两个：近程网桥和远程网桥。网桥的标准有两个，即透明网桥和源选径网桥，它们分别由IEEE802.1和IEEE802.5两个分委员会制定。2．第二层交换机18一种网桥的图片19•2．第二层交换机（1）第二层交换机工作原理（2）第二层交换机的交换方式●直接交换方式●存储转发交换方式●改进的直接交换方式（3）第二层交换机的主要技术特点●低交换传输延迟●高传输带宽●允许不同的传输速率共存●可以用局域网交换机组建虚拟局域网。20第二层交换机应用举例21•1．路由器:是一种工作在网络层的网络互连设备。•（1）路由器的工作：–从输入端口收到分组–按照分组的目的地址，将分组从合适的输出端口转发给下一个路由器或主机。•（2）多个输入端口和多个输出端口的专用计算机5.2.4网络层互连设备22•（3）路由器的结构：–路由选择部分(控制部分)：•核心构件路由选择处理机；•根据所选定的路由选择协议构造路由表•需和相邻路由器交换路由信息不断更新和维护路由表。–分组转发部分•交换结构：根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去•一组输入端口•一组输出端口。23•典型的路由器的结构路由选择处理机路由选择协议路由表123分组处理转发表转发表交换结构123输入端口输入端口321输出端口321输出端口分组转发路由选择245.2.4网络层互连设备•（4）路由器的应用路由器适合于连接复杂的大型网络，它工作于网络层。用路由器实现多个网络互相连接。网络网络网络网络网络2526（5）路由器和广域网中结点交换机的区别根据目的站所接入的交换机号找出下一跳根据目的站所在的网络号找出下一跳使用所在广域网的特定协议使用统一的网间协议可接上许多个主机专门用来转发分组在一个特定的网络中工作连接不同的网络结点交换机路由器272．第三层交换机•（1）第三层交换机的思路：●将第网络层的数据分组的转发和第二层的交换技术结合起来，提高分组转发的速度。（2）第三层交换机的种类：●纯硬件的三层交换机技术●基于软件的三层交换机技术华为S5700-48TP-SI(AC)28（3）第三层交换机原理•第三层交换机实际上是将传统交换机与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。•当然，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。•其中最重要的是，当某一信息源的第一个数据流进入第三层交换机后，其中的路由系统将会产生一个MAC地址与IP地址映射表，并将该表存储起来，当同一信息源的后续数据流再次进入第三层交换机时，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第二层由源地址传输到目的地址，而不再需要经过第三层路由系统处理，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率。295.2.5网关网关又称网间连接器或协议转换器，它实现传输层上的互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关可以通过以下两种方式来实现协议转换：①直接将输入网络的数据包的格式转换成输出网络的数据包的格式②将输入网络的数据包的格式转换成一种统一的标准网间数据包格式305.2.6网络互联设备的比较与应用选择表中列出中继器（集线器）、网桥（第二层交换机）、路由器（第三层交换机）、网关等互连方式的特点比较.315.3路由协议5.3.1路由协议概述5.3.2路由信息协议RIP5.3.3开放最短路径优先协议OSPF5.3.4边界网关协议BGP325.3.1路由协议概述•路由协议是关于路由选择方面的协议。•路由信息主要在路由器之间交换。主机也需要知道路由信息。•因特网上的主要路由协议：路由信息协议RIP、开放最短路径优先协议OSPF、IS-IS协议、4边界网关协议BGP。335.3.2路由信息协议RIP运行设备：路由器、主机–主机采用被动模式，不发送更新消息–路由器采用主动方式•运行在UDP之上：端口520•距离度量为跳段数的距离向量路由协议•每个RIP路由器每隔30秒广播一个路由消息•RIP选择16作为无穷大。34路由信息协议RIPRIP路由器上的路由表项：•目的地的IP地址、•到目的地的路径的距离的度量(该路由要经过的路由器的个数)、•到目的地的路径的下一个路由器的IP地址（如果目的地是直接连接的，不需要这个字段）、•路由改变标志（指示这条路由信息是否最近被改变过）、•和这条路由有关的一些计时器。35RIP协议的局限性局限性：–因为RIP选择16作为无穷大，不能用在网络直径大于15的网络中。–同时RIP使用的距离度量非常简单，不能完全反应网络运行的动态（比如网络延迟或负载）。–尽管RIP采用了很多措施（比如毒性反转的水平分割和触发更新等）来解决无穷计数问题，但是这种可能性仍然存在，因此RIP一般用在网络规模不是很大的场合。365.3.3开放最短路径优先协议OSPF•OSPF是一种链路状态路由协议•动态的路由算法，能够自动而且快速地适应拓扑结构的变化•OSPF支持负载平衡功能，当同时有几条到目的地的最短路径时，可以将负载分流到这些路由之上。•允许网络管理人员配置路径花费的度量•支持区域的概念，可以用于大规模网络•支持认证服务，只有被授权的路由器才能进行自治系统的路由处理•允许路由器交换通过别的方法（比如通过边界网关协议BGP了解到的到其他自治系统的路由）了解到的路由信息37主干主干路由器内部路由器自治系统边界路由器AS2AS1区域边界路由器用EGP连接各AS区域385.3.4边界网关协议（BGP-4）•BGP协议是一种真正的外部网关协议,它所传递的路由信息足够用来构建一个AS的连接图。•从BGP路由器的观点来看，互联网由其他BGP路由器及连接它们的线路组成。•BGP消息是通过一条BGP路由器之间的TCP连接来发送的。39BGP-4•BGP-4是一种Path-Vector协议：–和距离向量协议类似–每个边界路由器向邻居广播到目的地的完整路径（AS列表）：路由器X发送的到目的地Z的路径:Path(X,Z)=X,Y1,Y2,Y3,…,Z–路由选择可能采取策略路由•路由器W可能并不一定采取路由器X通告的路由–基于路径花费–基于策略控制：–为了防止回路出现•X可以控制到来的负载：如果不想转发到Z的负载，则不通告到Z的路由405.4IP协议•5.4.1Internet协议概述•5.4.2IP地址及子网•5.4.3IP协议•5.4.4ICMP协议415.4.1Internet协议概述•Internet协议也叫TCP/IP协议族。IP在Internet的主要协议中的位置。425.4.2IP地址及子网•1．IP地址IP地址分为：A、B、C、D、E五类，其格式如图所示。以下是各类地址的使用：A类地址用来支持超大型的网络B类地址用来支持中大型网络的需求C类地址用来支持小型网络的需求D类地址是多播地址（组播地址）。E类地址保留在今后使用。单播和广播用A、B、C类地址。43用来表示一个网络不可以不可以全0Net-id用作本地软件环回测试之用可以可以非全0或全1的任何数127对net-id上的所有主机进行广播可以不可以全1Net-id只在本网络上进行转发可以不可以全1全1在本网络上的某个主机不可以可以Host-id0在本网络上的本主机不可以可以00代表的意思目的地址使用源地址使用主机号网络号特殊的IP地址44•专用或私有地址的地址块：–10.0.0.0~10.255.255.255；–172.16.0.0~172.31.255.255；–192.168.0.0~192.168.255.255。•这些地址是保留给专用网的，专用地址在机构内部是唯一的，但是在全球范围内则不是唯一的。具有专用地址的IP数据报不能在因特网上传输，它们只能用于内部网中。45•2．子网划分为了充分利用IP地址，提出了掩码（mask）和子网（subnet）的概念。掩码是与IP地址对应的32位数字。通过掩码可以