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1、第8章 网络互联设备和多层交换,本章主要内容：了解网络互联的基本概念及各层网络互联设备 掌握中继器和集线器的性能、作用和分类 掌握网桥和交换机的特点、工作原理和性能参数 掌握路由器的结构、分类和工作原理 初步了解路由选择、路由表和等基本概念 掌握网关的分类和作用 掌握三层交换和多层交换的概念,第8章 网络互联设备和多层交换,目录8.1 网络互联概述8.2 物理层互联设备中继器8.3 数据链路层互联设备网桥8.4 网络层互联设备路由器8.5 高层互联设备网关8.6 三层交换和高层交换,8.1 网络互联概述,网络互联类型,“互连”和“互联”两个术语的区别：,(1)局域网之间的互联（LAN-LAN）
2、l 同构网的互联 l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）,l 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）。l 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 网络互联概述,网络互联类型,网络互联层次,OSI
3、/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。,l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。l 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）。,8.2 物理层互联设备中继器,8.2.1 中继器,中继器也称转发器或收发器，Hub也是一种中继器。物理层互联设备可以将传送过来的二进制位信号进行复制、整形、再生和转发。主要用于局域网传输距离的延伸，增加节点数，以及连接采用不同传输介质和接口的同构网（如以太网）。,l 中继器的功能仅仅是将信号整形、再生数字信号，以维持通
4、过局域网的电平，扩大局域网的传输距离。中继器是一个再生器而不是一个放大器，一个中继器可以连接两个以上的网络段，通常用于局域网之间的互联。,l 局域网对中继器的使用有一定限制，这就是在 4.2节中介绍的5-4-3-2-1中继规则。利用中继器连接的网络虽然在物理上可以是两个以上的网络，但在逻辑上是将它们合并为一个网络，属于同一个冲突域。由于受冲突直径的限制，构建时一定要遵守中继规则。如果需要连接的网络希望是各自独立，则需要选用后面介绍的互联设备。,8.2 物理层互联设备中继器,l 集线器（Hub）作用和中继器类似，执行相同的功能，遵循相同的中继规则。Hub是一种多端口的中继器，每个端口都具有发送与
5、接收数据的能力。当某个端口收到连接该端口上的主机发来的数据时，就转发至其它端口。在数据转发之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。用Hub连接以太网时，虽然物理上是星型结构，但逻辑上仍是一个总线型结构。,1.集线器的分类 l独立型集线器 l 堆叠式集线器 l 模块化集线器,8.2.1 中继器8.2.2 集线器,8.2 物理层互联设备中继器,2.集线器的特点 l优点：l缺点：3.广播风暴 l所谓广播风暴是一种在网上广播的消息导致大量响应、每个响应又导致大量响应的状态，网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的通信无法正常进行。,8.3 数据链路层互联设备网桥,8.3.1 网桥,网桥作用
6、于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。它既可以延伸局域网的距离，扩充节点数，还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络，缩小冲突域。,网桥的作用 网桥（Bridge）可以根据物理地址对数据帧进行过滤和存储转发，实现网络分段。当一个数据帧通过网桥时，网桥检查数据帧的源和目的物理地址，如果这两个地址属于不同的网段，则网桥将该数据帧转发到另一个网段，否则不转发。所以，网桥能起到隔离网段的作用，网络的隔离意味着缩小了冲突域，提高了网络的有效带宽。网桥连接如图所示。,网桥的作用有两个方面：l将一个负载过重的网络分割成若干小段，每个网段各自享用自己独立的带宽，以提
7、高网络的效率，从而减少网络的信息流量。l延伸网络的距离，因为使用中继器受网络直径和中继规则的限制，通过网桥可进一步延伸网络的距离。,8.3 数据链路层互联设备网桥,8.3.1 网桥,网桥的作用 网桥的分类l按网桥所处的位置可分为内桥和外桥两种。l按网桥分布的地理范围可分为本地网桥和远程网桥。,网桥的学习功能 网桥接收到一个数据帧时，它检查数据帧的源地址（物理地址），并将该地址与网桥中的路径表中各项进行对比，如果在路径中没找到，则将新的源地址加入路径表中，这就是网桥对网络地址的学习功能。,网桥的特点 延伸网络的距离、隔离网段，但不能隔离广播、也不能控制广播风暴、网桥没有路由功能。,8.3 数据链
8、路层互联设备网桥,交换机和集线器外观相似，它是一种低价位高性能的多端口网络设备，它除了具有集线器的全部特性外，还具有自动寻址、数据交换等功能。交换技术可以工作在网络层及应用层。因此有所谓的第三层、第四层及高层交换的概念。这里只讨论工作在第二层的交换机（Switch）。,8.3.2 交换机,1.交换机的工作原理 交换机也按存储转发的原理工作，具有数据帧的过滤和地址学习功能。地址学习功能是：首先检查端口传送来的数据帧物理地址，与交换机内部的动态路径表进行比较，若不在路径表中，则加入路径表中，若在路径表中，则将数据帧转发到对应的目标端口，而且只向目标端口转发数据帧。,4.交换机的类型 独立式、模块式
9、和堆叠式三种,2.交换机的带宽 由一个16口100 Mbps交换机组成的交换式以太网，可以为每个端口都提供100 Mbps的专用带宽，则该交换机的最大数据流通量为16100 Mbps。,3.交换机的性能参数 端口、业务接口、主板（背板）、主处理器、FLASH、MAC地址的数量。,8.4 网络层互联设备路由器,8.4.1 路由器的基本概念,网桥根据第二层地址（MAC地址）转发数据帧。而路由器转发数据包时，通过第三层地址（如IP地址），以决定一个数据包如何重新包装及送到哪里。当它接收到数据包时，负责寻址，选择转发到下一个节点的最佳路径。它是Internet、Intranet和Extranet中必不
10、可少的设备之一。,路由器 路由器（router）用于互联物理层和数据链路层相同或不同的协议、网络层使用路由协议、而传输层以上使用的协议必须是相同或兼容的网络。路由器丢弃所有的广播帧，所以可以抑制广播风暴。,8.4 网络层互联设备路由器,8.4.1 路由器的基本概念,路由器,路由表 l静态（static）路由表：事先设置固定不变的路径表。l动态（dynamic）路由表：根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。,最小费用路由 最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。l路径最短可以用跳步数计数，每经过一个路由为一跳，而不管这条路径的实际长度为多少，都被认为是等长的。l另一种方法是
11、将一个权值赋予某条链路，权值也称为链路的符号长度。,8.4 网络层互联设备路由器,路由器改进了网桥的功能，它将数据帧“封装”到含有路由和传送信息的数据包中，在公共数据网中传送。当路由器收到一个数据包后，读出其中的源和目标网络地址，然后根据路由表中的信息，利用复杂的路由算法，为数据包选择合适的路由并转发该数据包。数据包到达目标节点前的路由器后，分解为数据链路层所认识的数据帧，并把它传送到目标节点。,8.4.2 路由器的工作原理,8.4.3 路由器的结构、分类和作用 1.路由器的结构主要有CPU、RAM、FLASH、NVRAM、ROM、接口等硬件组成。2.路由器的分类 l近程路由器和远程路由器 l
12、 静态路由器和动态路由器 l单协议路由器和多协议路由器 3.路由器的作用 延伸网络距离、局域网接入Internet、多个局域网之间的远程连接。,8.5 高层互联设备网关,高层互联设备主要是网关（Gateway）。网关不能完全归为一种网络硬件，它是能够连接不同网络的软硬件结合的产品。网关可以工作在OSI/RM的所有七层中。网关也称为网间协议转换器，具有高层协议的转换功能。它用于两个异构网络的互联，所联的网络可以使用不同的格式、通信协议或结构。网关通常是安装在路由器内部的软件。所以，在Internet中，常将路由器和网关两个概念混用。安装了防火墙软件的计算机就是一种网关。,按可转换的协议数分类：双
13、边协议网关和多边协议网关（综合网关）,按网关的应用类型分类 l电子邮件网关 l局域网协议转换网关 lInternet网关 l支付网关 lIBM主机网关 l公用网关接口CGI lVOIP(Voice over IP)语音网关 l安全网关 l综合网关,8.6 三层交换和高层交换,8.6.1 三层交换的概念,交换技术受电路交换的启示，让正在通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。交换技术有许多优点，因此，现代网络已将交换技术应用于第三、四等各层。,1.二层交换的优点及三层的瓶颈问题 交换机可以通过检查帧头的目标地址，经过高速背板总线将数据帧只转发到连接目标站点的端口。第二层采用了交换技术提高了吞吐率，
14、但是在网络的高层出现了瓶颈。大型扁平式的交换网络会有广播风暴、扩展树环路、网络间的安全以及低效率的寻址等问题，因此引入了路由器到桥接式网络中。,8.6 三层交换和高层交换,交换机和路由器相比，转发能力更强。但路由器又拥有交换机所没有的路由功能。因此，各个网络设备厂商推出了一个综合路由器和交换机功能的产品，即三层交换机，也称交换路由器或路由交换机。三层交换机可以将第二层的交换（高性能和强大的网络流量转发能力）和第三层的的路由功能（具有网络可伸缩性）结合起来，再集成一些特殊的服务面形成的。,2.三层交换机,8.6 三层交换和高层交换,8.6.1 三层交换的概念,3.三层交换的优点 l多伸缩性 l流
15、量管理 l高性能,8.6.2 三层交换技术,1.逐包转发交换逐包转发交换是对第三层的每个数据包进行转发，这更像路由器 2.IP交换技术 IP交换也称直通式路由或一次交换随后路由。3.标记交换 标记交换基于数据包或基于信元的网络，它为传输多协议帧赋予标记。4.基于路由的IP汇聚交换（ARIS）基于路由的IP汇聚变换是在一个集成交换路由器（ISR）网络中建立起数据链路层的 交换通路，数据包的标签由帧的目的地址部分携带。,8.6 三层交换和高层交换,8.6.3 高层交换,1.第四层交换 这里的第四层主要指TCP/IP的第四层，即TCP/IP的应用层。第四层交换就是根据数据包的内容决定传输策略，例如TCP和UDP信息包头部的端口号等额外的信息进行有关QoS、安全和过滤方面的决策。因此需要交换机和路由器具有更多的智能。,第四层交换可以在应用层上实现控制，主要有以下几种：l应用层的QoS l应用层的网络安全 l应用层记帐 l服务器交换,2.服务器交换 把用于主机前端处理器上的应用对话管理和控制功能重新改写，并应用到服务器和集群上去。l减少凌乱，增加弹性 l均衡负担，改善性能 l分担事务，提高效率,
