識網之計算機網絡互連課件

四、計算機網絡互連

網絡互連概述傳輸介質網絡適配器、集線器、中繼器、路由器、交換機、網關網絡互連實例

2/3/20231識網之網絡互連第一部分識網

計算機網絡概論計算機網絡體系結構互聯(lián)網計算機網絡設備2/3/20232識網之網絡互連四、網絡互連

為了實現(xiàn)數據通信和資源共享，將若干臺計算機相互連接，形成局域網。在網絡普及的今天，為了實現(xiàn)更大范圍的數據通信和資源共享，將若干個局域網互連形成一個互連網絡，為此需要掌握網絡互連的方式和實現(xiàn)網絡互連的技術及網絡互連的設備。2/3/20233識網之網絡互連一、網絡互連的概述

、互聯(lián)網的概念

計算機網絡往往由許多種不同類型的網絡互連而成，即從功能上和邏輯上看，這些計算機網絡已經組成了一個大型的計算機網絡，稱為互連網絡（internetwork），也簡稱為互聯(lián)網。將網絡互相連接起來要使用一些互連設備（中間設備），常用的網絡互連設備有網卡、中繼器、集線器、網橋、路由器、交換機和網關等。2/3/20234識網之網絡互連一、網絡互連的概述

、網絡互連的方式LAN-LAN互連層次：網絡互連發(fā)生在OSI/RM的數據鏈路層?；ミB設備：網橋、中繼器或路由器。

LAN-WAN互連層次：互連發(fā)生在網絡層。

互連設備：路由器。WAN-WAN互連層次：互連發(fā)生在OSI/RM的傳輸層及其上層。互連設備：網關。

2/3/20235識網之網絡互連一、網絡互連的概述

2/3/20236識網之網絡互連一、網絡互連的概述

網絡互連的層次關系見下圖

2/3/20237識網之網絡互連二、傳輸介質、雙絞線按結構分類，雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP，UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線（STP，ShieldedTwistedPair）兩類。按性能指標分類，雙絞線可分為1類，2類，3類，4類，5類，超5類，6類雙絞線。2/3/20238識網之網絡互連二、傳輸介質5類雙絞線

由于5類雙絞線增加了繞線密度，外套使用了高質量的絕緣材料。其最高傳輸頻率達到了100MHz，最高傳輸速率達100Mbps，既可用于語音，也可用于100Mbps以太網的數據傳輸。其最大網段長度也是100m，連接器采用RJ型式。超5類雙絞線超5類雙絞線是增強型的5類雙絞線，由于材料技術的提高，超5類雙絞線的衰減和串擾比5類小。雖然原標準規(guī)定超5類的傳輸特性與普通5類的相同，但現(xiàn)在許多廠家的產品都已遠遠超出標準的要求，最高的傳輸頻率可達200MHz，在工作于全雙工通信時，最高傳輸速率可達近1000Mbps。其最大網段長度也是100m，連接器采用RJ型式。

2/3/20239識網之網絡互連二、傳輸介質6類雙絞線

6類雙絞線是1000Mbps數據傳輸的最佳選擇。6類的性能超過超5類，標準規(guī)定其帶寬為250MHz。6類雙絞線的絞距比超5類更密，線對間的相互影響更小，從而提高了串擾的性能。其最大網段長度也是100m，連接器采用RJ型式。2/3/202310識網之網絡互連二、傳輸介質直連線（或直通線、正接線）和交叉線（或反接線）雙絞線接線可以根據需要制作成直連線和交叉線直連線是指雙絞線兩端接線線序一致，用于連接不同類型的設備交叉線是指雙絞線兩端分別使用不同的接線標準，一端用T568A，另一端用T568B，用于連接相同類型的設備2/3/202311識網之網絡互連二、傳輸介質、光纖光纖的橫截面為圓形，由纖芯、包層、外保護套構成光纖傳輸原理

在發(fā)送端先將電信號通過發(fā)光二極管轉換為光信號。在接收端使用光電二極管將光信號轉換成電信號。2/3/202312識網之網絡互連二、傳輸介質光纖分為單模光纖和多模光纖兩種類型單模光纖內徑為<10μm，只傳輸單一頻率的光，光信號沿軸路徑直線傳輸，速率高，可達百G，傳輸距離遠，達數十公里、成本高，用紅外激光管作光源(ILD)。多模光纖纖芯直徑為50~62.5μm，可以傳輸多種頻率的光，光信號在光纖壁之間波浪式反射，多頻率（多色光）共存，傳輸距離近，約2公里左右，損耗大，成本低，用發(fā)光二極管作光源(LED)。2/3/202313識網之網絡互連三、網絡設備-網卡網絡接口卡（網卡）是連接主機與網絡的基本設備每臺主機都應配置一個或多個網卡每個網卡都有一個或多個網絡接口不能獨立工作，必須依賴于宿主主機連接不同的局域網需要使用不同的網卡以太網卡令牌環(huán)網卡FDDI網卡ATM網卡2/3/202314識網之網絡互連三、網絡設備-網卡網卡的功能數據緩存匹配主機數據處理速率與網絡的傳輸速率封裝/解封裝加上控制字段→以幀為單位進行傳輸→卸下控制字段介質訪問控制CSMA/CD、TokenPassing串/并轉換將主機的并行數據轉換成串行位流數據編碼/解碼轉換為適合網絡介質傳輸的信號形式數據發(fā)送/接收2/3/202315識網之網絡互連三、網絡設備-網卡網卡的選擇考慮的因素包括：LAN的類型：Ethernet、TokenRing、ATM、FDDILAN的速度：10M/100M/1000M、4M/16M、25M/155M網絡接口類型：AUI/BNC、RJ-45、SC/ST/MT-RJ主機總線類型：ISA、EISA、PCI、USB、PCMCIA應用場合：服務器、工作站、筆記本其他附加功能：PnP、防病毒、遠程喚醒、鏈路聚合等2/3/202316識網之網絡互連三、網絡設備-網卡以太網卡的類型2/3/202317識網之網絡互連四、網絡設備-中繼器中繼器及其作用中繼器（工作在物理層）是一種延伸網絡覆蓋范圍的設備，其主要作用是將接收的信號再生或放大，再傳輸出去。中繼器不能無限的延伸網絡例:以太網中的5-4-3規(guī)則。2/3/202318識網之網絡互連四、網絡設備-中繼器特點：電信號再生放大轉發(fā)中繼器的作用是功能是對弱信號進行再生和轉發(fā)。中繼器檢測由某個端口接收的輸入信號，將其恢復為原始的波形和振幅，然后以最小的延遲將這些經過重整（重定時和恢復）的信號重新發(fā)送到接收端口之外的其他各個端口。無檢錯、糾錯功能錯誤的數據經中繼器后仍被復制到另一電纜段。用中繼器連接的各網段屬于同一個網絡，具有相同的網絡地址對數據鏈路層以上的協(xié)議來講，用中繼器互聯(lián)起來的若干段電纜與單根電纜之間并沒有差別（除了有一定時延）。用中繼器連接的網絡段都必須使用同樣的介質訪問方法。一般情況下，中繼器的兩端連接的是相同的媒體，但有的中繼器也可以完成不同媒體的轉接工作（如粗、細電纜混接）。2/3/202319識網之網絡互連四、網絡設備-集線器集線器(Hub)及其作用

集線器（工作在物理層）是將網絡中的站點連接在一起的網絡設備。大多數集線器有都有信號再生或放大作用2/3/202320識網之網絡互連四、網絡設備-集線器集線器的工作原理集線器不能夠識別源地址和目的地址，沒有地址過濾功能采用廣播方式，即從一個端口接收數據，向除入口之外的所有端口廣播。多站點共享總線，共處于一個沖突域中任意時刻只能有一個站點發(fā)送數據，其他站點只能接收總線帶寬被多個站點均分。2/3/202321識網之網絡互連五、網絡設備-網橋網橋及其作用網橋是一個將網絡互連起來的設備，它可以在數據鏈路層上連接兩個局域網，使之相互通信網橋可以識別幀和物理地址，有地址過濾功能，如果源地址和目的地址屬于同一個網絡，網橋就丟棄數據幀，不會向其他網絡轉發(fā)，如果源地址與目的地址不屬于同一個網絡，網橋就會轉發(fā)數據幀。網橋的作用隔離局域網間的沖突提高網絡性能提高網絡的安全性擴展網絡覆蓋范圍2/3/202322識網之網絡互連五、網絡設備-網橋網橋的工作原理1）建立橋接表

某站點發(fā)送數據幀時，網橋收到這個數據幀后，就讀取幀中的源地址和目的地址，并將源地址和接收該幀的端口記錄在橋接表中。2）轉發(fā)數據

當網橋收到一個數據幀時，就讀取幀中的源地址和目的地址，然后去查橋接表，根據橋接表中記錄的信息，網橋可能采用以下幾種策略：（1）如果源地址和目的地址對應的端口是同一端口，網橋會丟棄數據幀。（2）如果源地址和目的地址對應的端口號不同，網橋就唯一的向目的地址對應的端口轉發(fā)數據幀。（3）如果讀取的目的地址在橋接表中沒有相對應的記錄，網橋將向除接收端口外的所有端口廣播數據幀。2/3/202323識網之網絡互連六、網絡設備-路由器Router

利用網橋連接為數不多的局域網是非常有效，但當要互連的局域網數目很多時，或者要將LAN與WAN互連時，網橋就不能勝任了，此時要采用路由器，因為路由器具有更強的互連功能。2/3/202324識網之網絡互連六、網絡設備-路由器Router路由器的功能

路由器的核心功能是為接收到的數據包選擇下一跳的路徑(路徑選擇功能)。路由器根據收到數據包中的網絡層地址以及路由器內部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數據包頭實現(xiàn)轉發(fā)數據包。路由器通過動態(tài)維護路由表來反映當前的網絡拓撲，并通過與網絡上其他路由器交換路由和鏈路信息來維護路由表。路由器除了路徑選擇功能外，還具有流量控制及網絡管理等功能。2/3/202325識網之網絡互連六、網絡設備-路由器RouterInternet路由結構與路由表

Internet網絡的主要節(jié)點設備是路由器，路由器通過路由表決定數據的轉發(fā)。轉發(fā)策略稱為路由選擇。決定轉發(fā)的方法稱為路由協(xié)議，Internet上現(xiàn)在大量運行的路由協(xié)議有RIP、OSPF和BGP。

路由器的主要工作是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點。因此，選擇最佳路徑的策略即路由算法是路由器的關鍵所在。為完成這項工作，在路由器中保存著各種傳輸路徑的相關數據——路由表（RoutingTable），供路由選擇時使用。路由表就像我們平時使用的地圖一樣，標識著各種路線，路由表中保存著子網的標志信息、網上路由器的個數和下一個路由器的名字等內容。路由表可以由系統(tǒng)管理員固定設置，也可以由系統(tǒng)動態(tài)修改。2/3/202326識網之網絡互連六、網絡設備-路由器Router路由器通常依靠所建立及維護的路由表來決定如何轉發(fā)收到的數據，對如下圖所示的網絡，路由器R1的路由表如下表所示目的網絡下一跳（NextHop）166.111.1.0直接轉發(fā)166.111.2.0直接轉發(fā)166.111.3.0166.111.2.2166.111.4.0166.111.2.2166.111.5.0166.111.2.32/3/202327識網之網絡互連六、網絡設備-路由器Router用路由器連接LAN-WAN示意圖2/3/202328識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch交換機（Switch）

市場上用于計算機網絡的交換機主要分為3種：ATM交換機第二層交換機（又稱LAN交換機）第三層交換機

其中第二層交換機和第三層交換機主要采用分組交換，ATM交換機主要采用信元交換。

最初的交換機相當于多端口的網橋，稱為第二層交換機，第二層交換機已經取代了集線器和網橋。目前常用的第三層交換機增加了路由選擇功能。所謂交換，是指報文從交換機的輸入端口到輸出端口的過程。第二層交換利用幀中的物理地址（如MAC地址）實現(xiàn)類似網橋的轉發(fā)幀和過濾幀的功能，第三層交換利用分組中網絡地址（如IP地址）實現(xiàn)類似路由器的轉發(fā)分組和過濾分組的功能。2/3/202329識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch第二層交換機

第二層交換機實質上是多端口網橋。在交換機中保存一張端口地址映射表，用來映射MAC地址和與之對應的端口，這張表是通過檢查進入端口的幀的源MAC地址而建立起來的。交換機的工作是首先檢查目標MAC地址，并與端口地址映射表中的端口地址相匹配，如果匹配成功，該幀就被轉發(fā)到對應的端口。如果某幀的目的MAC地址在端口地址表中沒有找到，則交換機就把該幀廣播到本交換機的所有端口上。如果通過廣播建立了通信，那么返回的幀就攜帶了對應的MAC地址，交換機可以從返回幀中學習該端口與地址的映射關系，從而把此MAC地址填入端口地址映射表，以便下次通信時避免廣播。2/3/202330識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch第三層交換機第三層交換機本質上是完成路由器功能。第三層交換機與第二層交換機一樣需要建立地址映射表，不同的是第二層交換機建立端口與MAC地址的映射關系，而第三層交換機建立端口與網絡層地址（如IP地址）之間的映射關系。把第二層交換和第三層路由組合到一個設備中，就形成第三層交換機。與路由器相比的優(yōu)勢是：路由器是通過軟件交換數據包，其配置和管理技術復雜，而第三層交換機是一個基于硬件的設備，數據包交換速度通常要比路由器快得多。2/3/202331識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch交換機產品從交換機產品結構上分，交換機分為模塊化交換機和可堆疊集成式交換機。從交換機端口速率上分，交換機產品可分為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s及混合支持的產品。如3COM的SuperStackⅡ1100支持10Mb/s的端口速率，SuperStackⅡ3300支持10/100Mb/s自適應的端口速率，SuperStackⅡ3900提供10/100/1000Mb/s不同速率的端口，SuperStackⅡ9300只支持1000Mb/s的端口速率。2/3/202332識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch交換機的級聯(lián)和堆疊當一臺交換機的端口數量不能滿足連網計算機用戶的數量要求時，需要擴充交換機的端口。常見的方法是將一臺交換機與另一臺或多臺交換機連接起來。交換機之間的連接有堆疊(Stack)和級聯(lián)(Uplink)兩種方式，它們的主要目的是增加端口密度。級聯(lián)是通過交換機的某個端口與其它交換機相連的，而堆疊是通過交換機的背板連接起來的?？啥询B交換機常用的堆疊方式有兩種：菊花型和星型（如下圖所示）。2/3/202333識網之網絡互連七、網絡設備-交換機Switch菊花型堆疊星型堆疊2/3/202334識網之網絡互連八、網絡設備-網關Gateway網關(Gateway)

網關(Gateway)又稱網間連接器、協(xié)議轉換器。網關在傳輸層上以實現(xiàn)網絡互連，是最復雜的網絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網絡互連。網關既可以用于廣域網互連，也可以用于局域網互連。網關是一種充當轉換重任的計算機系統(tǒng)或設備。在使用不同的通信協(xié)議、數據格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網關是一個翻譯器。與網橋只是簡單地傳達信息不同，網關對收到的信息要重新打包，以適應目的系統(tǒng)的需求。同時，網關也可以提供過濾和安全功能。大多數網關運行在OSI7層協(xié)議的頂層--應用層。2/3/202335識網之網絡互連八、網絡設備-網關Gateway網關的用途

網關可用于以下幾種場合的網絡互連，它們均屬于異構網絡互連。異構型LAN互連LAN與WAN互連WAN與WAN互連網關被廣泛用在廣域網之間或廣域網與局域網之間的互連上，它解決了LAN和WAN之間由于協(xié)議不同而不能直接通信的問題。2/3/202336識網之網絡互連網絡互連設備的對比

以上各種網絡互連設備的對比見下表所示2/3/202337識網之網絡互連九、網絡設備-網絡互連實例

某企業(yè)的內部網采用ATM+Ethernet的混合技術實現(xiàn)。ATM技術是當前網絡發(fā)展的主要方向之一，以太網技術已經得到廣泛應用，用戶和網絡管理人員更熟悉以太網。兩者的結合體現(xiàn)了先進性和實用性統(tǒng)一的原則。三級網絡結構一級主干網

以總部為中心節(jié)點，以主樓、辦公樓和實驗中心為主連接節(jié)點，采用雙三角連接，用12芯光纜互連上述四個樓宇，構筑一級主干網。一級主干網使用622Mb/sATM技術。二級主干網

分別以總部和主樓為中心用8芯光纜連接全企業(yè)其他樓宇，構筑二級主干網。二級主干網比較復雜。首先，以總部為中心，使用155Mb/sATM技術連接計算中心、科研所樓、圖書館等樓宇；其次，以主樓為中心，使用100Mb/s交換以太網技術連接行政樓、教學樓等樓宇。2/3/202338識網之網絡互連九、網絡設備-網絡互連實例樓內局域網在各樓內局域網中，均使用100Mb/s交換以太網技術為主連接技術，使用10Mb/s交換以太網