盛立军《计算机网络技术基础》ppt课件第六章.pptx

,计算机网络技术基础,第6章,网络互连技术,随着计算机技术、通信技术和计算机网络技术的飞速发展，以及计算机网络的广泛应用，单一的网络的环境已经不能满足社会对信息的需求，往往还需要将多个相同或不同类型的计算机网络相互连接在一起，组成规模更大、功能更强的网络，以实现更广泛的资源共享和信息交流。本章主要讲解计算机网络互连的概念、常用网络互连介质的特性及其用途、网络互连设备的工作原理及其使用方法，以及常用的路由协议。,学 习 目 标,6.1 网络互连概述,网络互连是指将分布在不同地理位置的、相同或不同类型的网络通过网络互连设备（中继器、网桥、路由器或网关等）相互连接，形成一个范围更大的网络系统，以实现各个网段或子网之间的数据传输、通信、交互与资源共享；也可以是为增加网络性能或便于管理，先将一个很大的网络划分成几个子网或网段，然后再将子网互连起来组成大网。由相同或不同类型的子网络互连而成的大型计算机网络称为互连网络，简称为互联网。实际上，基于TCP/IP模型的因特网（Internet）就是由全世界无数的网络通过网络互连技术连接起来的，是国际上使用最广泛的一种互联网。,6.1 网络互连概述,随着计算机应用技术的飞速发展，社会对计算机网络的需求不断增长。在这种背景下，网络互连使用已是大势所趋，这也使得计算机网络之间的互连变得日益重要。归纳起来，网络互连的主要原因有以下几点：,6.1.1 网络互连的主要原因,（1）扩展网络覆盖范围的需要。,局域网的信息传输距离受到严格的限制。一般来说，从集线器或交换机端口到计算机设备之间的实际距离不能超过100 m。因此，需要通过网络互连，增加局域网内部的通信距离，扩展局域网的覆盖范围。,6.1 网络互连概述,（2）扩大资源共享范围的需要。,单个局域网内的资源是有限的。如果不连入大网，就会成为一个“信息孤岛”，无法与外部交流信息、共享资源，就发挥不出网络应有的作用。例如，全球性的企业集团带来了全球性的市场，要增强企业的竞争能力，就需要将分布在世界各地的企业计算机局域网互连起来。,（3）网络分割的需要。,随着局域网中接入计算机数量的增加和网络覆盖范围的扩大，网络中广播包的数目也会随之增加，这会导致网络性能降低，安全性变差。为了解决这一问题，需要将一个大的局域网分割成多个物理子网，不同的子网之间再采用互连设备进行连接，从而提高网络的可靠性和安全性，使网络更易于管理和维护。,6.1 网络互连概述,计算机网络从传输距离上可以分为局域网、城域网和广域网3类。其中，局域网与城域网的基本特征是相同的，只是规模上有差别。所以网络互连的类型主要有以下四种。,6.1.2 网络互连的类型,（1）局域网（LAN）局域网（LAN）互连。,在实际应用中，局域网与局域网之间的互连是最常见的一种。它包括两种情况：一是同类型局域网之间的互连，例如，以太网与以太网之间的互连；二是不同类型局域网之间的互连，例如，以太网与令牌网互连、以太网与ATM网互连。,6.1 网络互连概述,（2）局域网（LAN）广域网（WAN）互连。,局域网和广域网互连也是常见的网络互连类型。例如，企业网、校园网通过电信接入因特网。,（3）局域网（LAN）广域网（WAN）局域网（LAN）互连。,这种类型是指两个分布在不同地理位置的局域网通过广域网互连。众多全球型大企业的专用网就是局域网广域网局域网互连的典型例子。,（4）广域网（WAN）广域网（WAN）互连。,因特网是广域网互连的典型例子。,6.1 网络互连概述,不同的网络有着不同的寻址方式、分组限制、网络连接方式等。两个子网要实现互连，并达到相互之间信息交流与资源共享的目的，必须满足以下几个基本条件：（1）在互连网络之间至少应当有一条在物理上连接的链路以及对这条链路的控制规程。（2）在不同网络节点的应用程序间提供适当的路径来传递数据。（3）协调各个网络的不同特性，不对参与互连的某个网络的硬件、软件、网络结构或协议做大的修改。（4）不能为提高整个网络的传输性能而影响各子网的传输性能。（5）向互连的网络提供不同层次的服务功能，包括协议的转换，分组的分段、组合和重定序以及差错检测等。,6.1.3 实现网络互连的基本要求,6.1 网络互连概述,知识库,两个“互连”后的网络要实现相互之间信息交流与资源共享的目的，必须完全满足“互连”、“互通”与“互操作”这三个条件，缺一不可。因此，要学习和了解网络互连技术，必须弄清楚“互连”、“互通”与“互操作”这三个技术术语的内涵。（1）互连（Interconnection）：是指在两个物理网络之间至少有一条物理上连接的线路，为两个网络的数据交换提供物质基础与可能性。但并不能保证两个网络一定能够进行数据交换，这要取决于两个网络的通信协议是不是相互兼容。,（2）互通（Intercommunication）：是指两个物理网络之间可以交换数据。例如，在Internet中，TCP/IP协议屏蔽了物理网络的差异性。它能保证互连的不同类型网络中的计算机之间可以交换数据，但不能保证两台计算机之间可以相互访问对方的资源。（3）互操作（Interoperability）：是指互连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。互操作性一般是由高层软件来实现的。互连、互通和互操作三者之间呈现递进关系：互连是基础，互通是手段，互操作是目标。也就是说，网络互连的最终目标是实现互操作。,6.2 网络互连介质,网络互连介质是连接各网络节点，承载网络中传输数据的物理实体。如果将网络中计算机比作货站，数据信息比作汽车的话，那么网络互连介质就是不可缺少的公路。根据介质的物理特征，网络互连介质分无线传输介质和有线传输介质两大类。目前常用的无线传输介质有无线电波、微波和红外线等，常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤等。,6.2 网络互连介质,6.2.1 双绞线,双绞线的组成结构,6.2 网络互连介质,双绞线的传输特性,双绞线主要是用来传输模拟声音信息的，但在短距离时同样适用于数字信号的传输。双绞线在传输数据时，信号的衰减比较大，并且容易产生波形畸变。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用双绞线的质量、长度及传输技术。当距离很短且采用特殊的电子传输技术时，传输率可达100 Mbps1 000 Mbps。,双绞线的分类,双绞线可分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）两大类。,6.2 网络互连介质,非屏蔽双绞线保护层较厚，包皮上通常标有类别号码，如“CAT5”字样表示为5类非屏蔽双绞线。常用的非屏蔽双绞线分为16类，最常用的为5类非屏蔽双绞线（见图6-2），适用于语音和多媒体等100 Mbps的高速和大容量数据的传输，常用于10Base-T和100Base-T等以太网。此外，超5类双绞线也属于非屏蔽双绞线，与5类双绞线相比，它在传送信号时的衰减更小、抗干扰能力更强，如在100 Mbps的网络中，用户设备受到的干扰只有普通5类线的1/4。超5类双绞线可以为将来网络发展提供解决方案。,图6-2 非屏蔽双绞线UTP,非屏蔽双绞线电缆外面只需一层绝缘胶皮，因而价格便宜、重量轻、易弯曲、易安装，组网灵活，非常适用于结构化布线。所以，在无特殊要求的计算机网络中常使用非屏蔽双绞线。,6.2 网络互连介质,由于双绞线传输信息时会向周围辐射，信息很容易被窃听，因此需要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线（STP）的外面有一层金属材料包裹，以减小辐射，防止信息被窃听，如图6-3所示。屏蔽双绞线具有较高的数据传输速率，如5类STP在100 m内可达到155 Mbps，而UTP只能达到100 Mbps。但屏蔽双绞线电缆的价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线困难，必须使用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽双绞线电缆高。,图6-3 屏蔽双绞线STP,6.2 网络互连介质,双绞线连网时的特点,双绞线一般用于室内星型网络的布线，每条双绞线通过两端安装的RJ-45连接器（俗称水晶头，见图6-4）与网卡和集线器（或交换机）相连，两个网络端口之间的最大距离为100 m。如果要加大网络的范围，在两段双绞线电缆间可安装中继器；但最多只能安装4个中继器，因此网络的最大范围为500 m。这种连接方法也称之为级连。,图6-4 RJ-45连接器,6.2 网络互连介质,6.2.2 同轴电缆,同轴电缆（Coaxial Cable）由一根空心的圆柱体和其所包围的单根内导线组成的，是网络中最常用的具有保护套的传输介质。如图6-5所示，同轴电缆从里到外依次是中心铜线、绝缘层、网状导体和塑料封套，这四个部分具有同一个轴心，因此称为同轴。同轴电缆的屏蔽性能好、抗干扰能力强，具有更高的带宽和噪声抑制特性。,广泛使用的同轴电缆有两种：一种是阻抗为50欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆。,6.2 网络互连介质,（1）基带同轴电缆,只用于传输数字信号，可以作为计算机局域网的传输介质。基带同轴电缆的带宽取决于电缆长度。电缆增长，其数据传输率将会下降；短电缆可获得较高的数据传输率。当传输距离小于1 km时，传输速率可达到50 Mbps，误码率为10-710-11。,（2）宽带同轴电缆,既可用于传输模拟信号，也可传输数字信号。宽带电缆技术使用标准的闭路电视技术，可以使用的频带高达900 MHz，在传输模拟信号时可传输近100 km，对信号的要求也远没有像对数字信号那样高。宽带同轴电缆的性能比基带同轴电缆好很多，但需附加信号处理设备，适用于长途电话网、电缆电视系统及宽带计算机网络。,6.2 网络互连介质,6.2.3 光纤,光纤，是光导纤维（Optical Fiber）的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理传递光脉冲，实现光信号传输的新型材料。因为它携带的是光脉冲，不受外界的电磁干扰或噪声影响，在有大电流脉冲干扰的环境下也能保持较高的数据传输率并提供良好的数据安全性。因此，光纤是电气噪声环境中最好的传输介质，常用于以极快的速度传输巨量数据的场合。光纤好像是人体中的血管，被作为通信网络的主干，用于在各种网络设备之间提供最快和容错性最好的数据通路。,6.2 网络互连介质,光纤的结构与传导机理,图6-6 光纤的结构,6.2 网络互连介质,（1）纤芯直径约5 m75 m，材料主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。（2）纤芯外面有包层，包层有一层、二层或多层。包层的材料一般用纯二氧化硅，也可以掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟。掺杂的作用是降低材料的光折射率。（3）光纤最外面通常还有一层护套，用来防止光的泄露，对光纤起保护作用。,图6-7 光纤结构和光折射原理,6.2 网络互连介质,光纤的分类,光纤的种类繁多，根据不同的分类标准可将其划分为不同的种类。（1）按工作波长，可将光纤分为：短波长光纤与长波长光纤。（2）按光纤剖面折射率分布，可将光纤分为：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其他型（如三角型、W型、凹陷型等）光纤。（3）按光在光纤中的传输模式，可将光纤分为：单模光纤和多模光纤。（4）按制造原材料，可将光纤分为：石英玻璃光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）光纤。实际应用中，最常见的是单模光纤和多模光纤。,6.2 网络互连介质,根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与光波长相比拟时，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模激光传输时只有一个光斑（主模），即光线只沿着光纤的轴心传输，如图6-8（a）所示。这种光纤具有较宽的频带，传输损耗小，因此允许做无中继的长距离传输。但由于这种光纤难与光源耦合，连接较困难，价格也贵，故主要用作邮电通信中的长距离主干线。,（a）单模光纤图6-8 光传输模式示意图,6.2 网络互连介质,当光纤的几何尺寸远远大于光波波长时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式，这样的光纤称为多模光纤。多模激光传输时有多个光斑，如图6-8（b）所示。不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，而且随距离的增加会更加严重，降低了其传输容量。因此多模光纤仅适用于较小容量、传输距离比较近的光纤通信。,（b）多模光纤图6-8 光传输模式示意图,6.2 网络互连介质,光纤通信技术,光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。光纤通信是以光纤传输系统方式实现的。光纤传输系统主要由光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种光器件构成，如图6-9所示。,图6-9 光纤传输系统,6.2 网络互连介质,通信过程中，由一端对信号进行处理后将表示数字代码的电信号转变成光信号，由光发送机产生光束，并将光信号导入光纤。光信号在光纤中传播，在另一端由光接收机负责接收光纤上传出的光信号，并进一步将其还原成为发送前的电信号。为了防止长距离传输而引起的光能衰减，在大容量、远距离的光纤通信中每隔一定的距离需设置一个中继器。光纤通信与传统的电气通信相比有很多优点：传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻；原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强，可在特殊环境或军事上使用。,由于光纤的传输速率高、传输距离远，因此被广泛应用于远距离传输系统和各种计算机网络系统中。因为光纤只能单向传输信号，为了实现双向通信，光纤必需成对使用，一根用于发送数据，另一根用于接收数据。将多根光纤捆扎成一组，外面再加上保护层所构成的光导纤维电缆称为光缆。在实际工程中光纤是以光缆形式应用的。,6.2 网络互连介质,双绞线、同轴电缆与光纤的性能比较如表6-1所示。,表6-1 双绞线、同轴电缆与光纤的比较,6.2.4 无线传输介质,随着信息时代的到来，移动电话、PDA等移动设备已广泛应用于人们的日常工作和生活中，人们希望随时随地都可以依赖网络来实现通信、信息共享、协同工作等，而有线的传输介质约束了网络的可移动性。在这种背景下，无线网络得以迅速发展。,6.2 网络互连介质,图6-10 电磁波谱,6.2 网络互连介质,提 示,6.2 网络互连介质,中低频无线电波的频率在1 MHz以下，它们是沿着地球表面传播。该波段上的无线电波很容易穿过一般建筑物，但其电磁波强度随着传播距离的增大而急剧递减。利用中低频无线电波进行数据通信的主要问题是通信带宽较低，传输距离较短，很容易受到其他电子设备的各种电磁干扰。高频、甚高频和特高频无线电波的频率在1 MHz到1 GHz之间，这些波段上的无线电波会被地球表面吸收，但是到达离地球表面大约100 km500 km高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面。我们可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。这类无线电波传输距离较远，传输质量与气候有密切关系，存在很大的不稳定性，很容易受到其他电子设备的各种电磁干扰。,6.2 网络互连介质,微波是指频率在300 MHz300 GHz的无线电波，是计算机网络中最早使用的无线信道类型。微波通信是利用微波进行信息传输的一种通信方式，其典型的工作频率为2 GHz、4 GHz、8 GHz和12 GHz。微波只能沿直线传播，因此微波的发射天线和接收天线必须精确对准。由于地球是一个不规则球体，因此其传播距离受到限制，一般只有50 km。为了增加传输距离，每隔一段距离就需要一个中继站，两个中继站之间的距离一般为30 km到80 km之间。为了避免地面上的遮挡，地面中继站的天线一般架设比较高。微波通信具有较高的传输速率和较强的可靠性，可同时传送大量的消息，常应用于卫星通信、电视转播和军事领域。,6.2 网络互连介质,红外线被广泛应用于短距离通信，例如家用电器的遥控器、移动设备的红外线传输器。虽然红外线传输具有方向性好、便宜、易于制造等优点，但是红外线不能通穿过固体物质，这一问题的存在严重影响了它的发展前景。,提 示,6.3 网络互连设备,图6-11 网络互连层次与互连设备示意图,6.3 网络互连设备,6.3.1 中继器、集线器,物理层与物理层之间的互连属于同一个局域网内的计算机之间的互连，可以通过中继器和集线器实现。,中继器,中继器（Repeater）又称为转发器，是最简单的网络互连设备。中继器常用于在两个网络节点的物理层之间按比特位双向传递物理信号，完成信号的复制、调整和放大功能，以扩大数据的传输距离。由于中继器只是在物理层内进行比特流的复制并补偿信号衰减，仅将比特流从一个物理网段复制到另一个物理网段，而完全不关注封装在帧中的任何地址或路由信息，因此中继器的两端连接的只是网段，而不是子网。中继器不能用于隔离网段之间的不必要的流量，也不能互连不同类型的网络。另外，中继器在放大了网络上有用信息的同时，也放大了有害的噪声。,6.3 网络互连设备,图6-12 光纤信号中继器,6.3 网络互连设备,集线器,图6-13 集线器,当以集线器为中心设备时，网络中某条线路产生故障时并不影响其他线路的工作，所以集线器最初在局域网中得到了广泛的应用。但是由于集线器会把收到的任何数字信号经过再生或放大，再从集线器的所有端口广播发送出去，这种广播信号很容易被窃听，降低了网络的安全性和可靠性；并且，所有连到集线器的设备共享端口带宽，设备越多每个端口的带宽就越低。因此，由于以上种种原因，加之交换机的价格有所降低，大部分集线器已被交换机取代。,6.3 网络互连设备,6.3.2 网桥和二层交换机,网桥和二层交换机都是网络中数据链路层的互连设备，它们具有物理层和数据链路层两层的功能，既可以用于局域网的延伸、节点的扩展，也可以用于将负荷过重的网络划分为较小的网段，以达到改善网络性能和提高网络安全性的目的。,网桥,网桥（Bridge）也叫桥接器，是连接两个或多个在数据链路层以上具有相同或兼容协议的局域网的一种存储转发设备。网桥在局域网互连中，起到数据接收、地址过滤（不传输本网段内的信息）与数据转发的作用。,在由集线器连接的网络中，从集线器某一端口上接收到的数据帧会被广播到网络中所有集线器的所有端口，这样会使冲突域急剧扩大，导致网络传输效率降低。这种情况在网桥上就不会发生。与集线器相比，网桥具有如下的功能和特点。（1）网桥能将一个较大的局域网分割为多个较小的局域网，进而分隔较小局域网之间的广播通信量，有利于提高互连网络的性能与安全性。（2）网桥能将两个以上相距较远的局域网互连成一个大的逻辑局域网，使局域网上的所有用户都可以访问服务器，扩大网络的范围。（3）网桥可以互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质或不同传输速率的网络，但这两个网络在数据链路层以上应采用相同或相兼容的协议。（4）网桥以“存储转发”的方式实现互连网络之间的通信。,6.3 网络互连设备,根据网桥工作原理的不同，可以将网桥分为透明网桥和源路由网桥。,6.3 网络互连设备,（1）透明网桥,是指网桥对于通信双方完全是透明的。在透明网桥中，所有的路由选择全部由网桥自己确定，局域网上各节点不负责路由选择。透明网桥是一个具有“自学”功能的智能化设备，采用“学习、泛洪、过滤、转发和老化”的方式处理数据帧。,学习：当数据帧进入网桥以后，网桥读取数据帧的帧头信息，将源MAC地址与发出这个帧的端口号的对应关系记录到自己的MAC地址表中。这张表最大能存储4 096条记录。老化：如果MAC地址表中已经存在这个源MAC地址的记录，它就会刷新这个条目的老化计时器。,6.3 网络互连设备,泛洪：网桥检查帧头中的目标MAC地址后，如果发现这个地址是一个广播地址、多播地址或者是未知的单播地址，就将这个数据帧转发到除了接收到这个数据帧的端口之外的所有端口。转发：如果MAC地址表中有目标MAC地址的相应条目，网桥就从MAC地址表中找到相应的端口，然后将数据帧从相应端口转发给目标地址。过滤：当数据帧中的目标地址和源地址处于同一个端口上时，网桥会丢弃这个数据帧，这个过程称为过滤。,（2）源路由网桥,路由选择由发送帧的源节点负责，即源路路由网桥要求信息源（不是网桥本身）提供传递帧到终点所需的路由信息。源节点在发送帧时，需要将详细的路由信息放在帧的首部，网桥只需要根据数据帧中的路由信息进行存储和转发即可。源路由网桥在理论上可用于连接任何类型的局域网，但主要用于互连令牌环网。,实际应用中，网桥在很多方面都具有一定的局限性：（1）网桥互连的多个网络要求在数据链路层以上的各层采用相同或相兼容的协议。（2）网桥要处理接收到的数据信息，需要先存储，再查找MAC地址与端口的对应记录表，因此增加了时延及数据的传输时间，降低了网络性能。（3）网桥不能对广播分组进行过滤，因此对于避免广播风暴，网桥无能为力。（4）网桥没有路径选择能力，不能对网络进行分析并选择数据传输的最佳路由。随着先进的交换技术和路由技术的发展，网桥技术已经远远地落伍了。一般来说，现在很难再见到把网桥作为独立设备的情况，而是使用二层交换机来实现网桥的功能。,6.3 网络互连设备,6.3 网络互连设备,二层交换机,二层交换机工作于OSI参考模型的第二层，其本质是网桥，所以又可以称为多端口网桥。但网桥一般只有两个端口，而交换机通常有多个端口，如12口、24口、48口等。网桥在发送数据帧前，通常要对接收到的完整的数据帧执行帧检验（FCS），而交换机在一个数据帧接收结束前就可以发送该数据帧了。二层交换机的功能包括物理编址、构建网络拓扑结构、错误校验、传输数据帧序列以及流量控制。在选择路由的策略上，二层交换机和透明网桥是类似的，但在交换数据帧时有着不同的处理方式。有关二层交换机的工作原理和帧转发方式等内容已在5.3.2节中介绍过，这里不再重复了。,6.3 网络互连设备,交换机在外形上与集线器很相似，在实际应用中也很容易弄混。我们可以从以下几个方面来区别它们：,工作层次不同：集线器属于OSI参考模型的物理层设备，而交换机属于数据链路层设备。工作方式不同：集线器采用的是广播模式，当集线器的某个端口工作时，其他所有端口都会收到信息，容易产生广播风暴；而交换机工作时，只有发出请求的端口和目的端口之间进行通信，并不会影响其他端口，这种方式隔离了冲突域，有效抑制了广播风暴的产生。端口带宽使用方式不同：集线器的所有端口共享带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据；而交换机的每个端口独享自己的固定带宽，既可以工作在半双工模式下，也可以工作在全双工模式下。,6.3 网络互连设备,6.3.3 路由器和三层交换机,工作在OSI模型网络层的互连设备主要有路由器与三层交换机。随着因特网的不断发展，路由器已成为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP国际互联网（Internet）的主体骨架，而三层交换机构成了交换式以太网的主体骨架。,路由器,路由器（Router）是一种连接多个相同或不同类型网络的网络互连设备，如图6-14所示。它具有按某种准则自动选择一条到达目的子网的最佳传输路线的能力，用来连接两个及以上复杂网络。,图6-14 路由器,6.3 网络互连设备,路由器由硬件和软件组成。硬件主要由中央处理器、内存、接口、控制端口等物理硬件和电路组成。从硬件的角度看，路由器是一台连接两个或多个网络的专用计算机，虽然它没有屏幕、显示器与硬盘，但它有内存和处理器。它是用于在与它相连接的各个网络之间传送数据的专用的高性能计算机。软件主要由路由器的IOS操作系统和各种网络运行参数所组成。,路由器把各个子网在逻辑上看作为多个独立的整体。路由器的作用就是完成这些子网之间的数据传送，它从一个子网接收输入的分组，然后向另一个子网转发。,6.3 网络互连设备,路由选择：路由是指路由器接收到数据时，选择最佳路径将数据穿过网络传递到目标地址的行为。路由器为经过它的每个分组都进行路由选择，寻找一条最佳的传输路径将其传递到目的地址。连接网络：路由器既可以将不同类型的网络连接起来，又可以将局域网连接到Internet。例如，在银行系统中，各个部门的局域网一般通过路由器连接成一个较大规模的企业网或城域网，最终构成全国范围内的连网。划分子网：路由器可以从逻辑上把网络划分成多个子网段，对数据转发实施控制。例如，可以规定外网的数据不能转发到子网内，从而避免网上黑客对内部子网的攻击。隔离广播：当大量的广播帧同时在网络中传播时，就会发生数据包的碰撞而导致发送失败。网络为了改善这种情况就会重传很多数据包，导致更大量的广播流，进而使网络可用带宽减少，并最终使网络失去连接而瘫痪。这一现象称为广播风暴。路由器可以自动过滤网络广播，避免“广播风暴”。,6.3 网络互连设备,路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略，即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表是工作在网络层实现子网之间数据转发的一个核心组件，它的具体格式随操作系统的不同而有所不同，但基本都包含以下几项：,（1）路由表。,6.3 网络互连设备,目的地址和掩码：是整个表的关键字，两个字段共同指出目的网络地址。转发地址：如果目的IP地址所在的网络和当前路由器不直接相连时，则路由表项中会出现下一跳路由器的地址。对于与主机或者路由器直接相连的网络，转发地址字段可能是连接到网络的接口地址。接口：指出数据转发所使用的路由器接口信息，一般为端口号或其他逻辑标识符。标识：用于说明路由的类型和情况。H表示该路由是主机路由，即该路由项指明到一台具体的主机；G则表示转发地址是一个有效的下一跳路由器的地址；C表示下一跳是与本站直接相连的；S表示该路由表项是静态的；O表示该路由表项是通过OSPF路由协议得到的；R表示是通过RIP协议得到。,以如图6-15所示的网络互连拓扑为例，表6-2给出了主机A中的路由表，共有4条路由信息。,6.3 网络互连设备,图6-15 网络互连拓扑,6.3 网络互连设备,表6-2 主机A中的路由表, 第一条是到127.0.0.0子网的路由。127.0.0.0为回送地址，所以该子网为回送子网。凡是送往该子网的数据包实际都交给本机去处理。如果数据包的目的地址为127.0.0.0，则和路由表中的该路由项匹配，IP协议则把数据包交给本机虚拟的回送接口（loopback，用lo0表示）去处理。 第二条路由项的目的子网是与该主机直接相连的子网地址（162.105.1.0）。目的子网为该子网的子网号，而掩码为该网络接口上的掩码。由于没有设置标志位G，表示网关域并不是一台真正的路由器地址。此时数据包应该往以太网接口eth0上发送，而下一跳地址应该是IP数据包中的目的主机的IP地址。,6.3 网络互连设备, 第三条路由项是到以太网3的路由。路由项中的G标志位有效，表示到达162.105.4.0子网应该经过下一跳路由器162.105.1.2。 第四条路由项目的地址和掩码全为0，表示和任何目的地址都可以匹配。这样的路由称为默认路由，表示如果目的地址和路由项中所有其他项都不能匹配，则最后使用该项给出的162.105.1.1作为其下一跳路由器的地址，并且通过本机的eth0接口转发数据包。在查找路由表时，要求使用最佳匹配原则。因为在路由表中每条路由的掩码长度不同，如果有多条成功匹配的路由表项，则选择掩码最长的表项所对应的路由作为最佳匹配。实际上，路由器一般都是按照掩码的长度从长到短排序。这样，在查找路由表的时候，自然就从掩码最长的路由开始搜索。默认路由的掩码长度为0，所以它应该是整个路由表的最后一项。,6.3 网络互连设备,一个IP数据报在从源端到目的端的过程中，一般要经历若干路由器。因此，数据转发也是路由器的一大基本功能。下面用实例说明路由器数据转发的特性及转发流程，如图6-16所示。假设主机A要发送数据给主机B，其途中需经过路由器R1、R2和R3，数据包的转发过程分析如下。,（2）IP数据报的转发过程。,图6-16 IP数据报的转发过程,6.3 网络互连设备,主机A向主机B发送数据时，已经知道它的网关R1的IP地址（219.243.10.1）和MAC地址（已提前配置或由ARP获得），于是A首先把数据包发送给它的网关R1。R1在收到主机A发送给主机B的数据包后，交由IP协议去处理。IP协议第一步先检验IP数据报头中各个域的正确性，包括版本号、校验和及长度等。如果发现错误，则丢弃该数据包。如果数据包头部信息正确无误，则进行TTL处理：首先把TTL域的值减1，然后查看TTL值。如果TTL值为“0”，表明该数据包在网络中的生存时间已到，应该丢弃。如果TTL大于“0”，则继续进行路由。然后，R1根据IP数据报中的目的地址查询路由表。如果路由表中没有到达主机B的路由信息，则丢弃该数据包。如果路由表中有该路由信息，则把该数据报包转发给下一跳路由器。在图6-16中，R1的下一跳路由器是R2的一个端口，其IP地址为210.32.16.1。R1根据这个IP地址，从ARP表中查找R2的MAC地址，并修改数据包中的MAC地址，将IP数据报转发给R2。,6.3 网络互连设备,数据包在经过路由器R1时，由于R1修改了IP报头中的TTL值，所以R2还需要重新计算IP报头中的校验和。如果IP报头中带有IP选项，则还需要根据选项的内容进行处理。在处理过程中，凡是出现错误或路由不通等情况，IP协议都要向数据包的源端发送一个ICMP差错数据包，报告不能转发的原因。R2从R1接收数据包后作与R1同样的处理，然后再将数据包转发给R3，依次进行下去，直到把数据转发到主机B，最终完成数据包的转发。,IP数据报转发的过程可以总结如下： 当路由器从端口接收到数据帧时，首先检查数据目的地址字段中的数据链路标识，如果标识符是路由器端口标识符或广播标识符，则从数据帧中去掉帧封装，将剥离出来的报文传递给网络层。然后，路由器检查数据报文的目的地IP地址，如果目的地IP地址是路由器端口IP地址或者所有主机的广播地址，则继续检查报文协议字段，根据其代表的协议向相应的内部进程发送数据。,6.3 网络互连设备, 如果数据报文的目的地IP地址不是路由器端口IP地址或者所有主机的广播地址，即报文需要继续路由到下一跳路由器，则查看本地路由表，查找是否存在能与目的IP地址完全相同的条目。如果查找成功，则把报文发送到目的地IP地址。 若上述查找失败，则重新查看路由表，查找能与目的地IP地址中的网络号相同的条目。如果查找成功，把报文发送到指定的下一跳IP地址或直接连接的网络接口。如果多于一项条目与之匹配，则继续匹配子网位，直到实现最佳匹配。 若上述查找失败，则重新查看路由表，查找是否存在默认路由。查找成功，按照默认路由将报文转发。 若上述查找都失败，则该报文被丢弃；同时路由器向发送该数据的源IP地址主机发送ICMP报文，报告网络不可达信息。,6.3 网络互连设备,三层交换机,三层交换机是一种在二层交换机的基础上增加了三层路由模块，能够检查数据包信息，并根据IP地址转发数据包，在网络层实现数据包高速转发，以及在多个局域网间完成数据传输的网络互连设备。三层交换机对数据包（或分组）的处理与传统路由器相似，它可以实现如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能。,三层交换技术也称为IP交换技术或高速路由技术。三层交换技术是相对于传统的二层交换概念而提出的。简单地说，三层交换技术等于在二层交换技术的基础上增加了三层转发技术。这是一种利用第三层协议中的信息来加强二层交换功能的机制。三层交换机实质上就是将二层交换机与路由器结合起来的网络设备，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在二层交换机上。,6.3 网络互连设备,图6-17 三层交换机的工作过程,（1）当某个信息源的第一个数据包进入三层交换机时，三层交换机需要分析、判断该数据包中目的IP地址与源IP地址是否在同一网段内。（2）如果目的IP地址与源IP地址在同一网段，三层交换机会通过二层交换模式直接对数据包进行转发。（3）如果目的IP地址与源IP地址分属不同网段，三层交换机会将数据包交给三层路由模块进行路由。三层路由模块在收到数据包后，首先要在内部路由表中查看该数据包目的MAC地址与目的IP地址间是否存在对应关系，如果有，则将其转回二层交换模块进行转发。（4）如果两者没有对应关系，三层路由模块会在对数据包进行路由处理后，将该数据包的MAC地址与IP地址映射记录添加至内部路由表中，然后将数据包转回二层交换模块进行转发。,6.3 网络互连设备,这样一来，当相同信息源的后续数据包再次进入三层交换机时，交换机能够根据第一次生成并保存的MAC地址与IP地址映射表，直接从二层由源IP地址转发到目IP的地址，而不需要再经过三层路由模块处理；这种方式实现了“一次路由，多次交换”，从而消除了路由选择造成的网路延迟，提高了数据包的转发效率，解决了不同网络间传递信息时产生的网络瓶颈。,6.3 网络互连设备,虽然三层交换机也具有“路由”功能，与传统路由器的路由功能总体上是一致的，但三层交换机并不等于路由器，同时也不可能取代路由器。三层交换机与路由器存在着相当大的区别，主要体现在以下3个方面。,路由器的主要功能是路由功能，它的优势在于选择最佳路由、负荷分担、链路备份及与其他网络进行路由信息的交换等。其他功能只是其附加功能，其目的是使设备适用面更广、实用性更强。而三层交换机虽然同时具备了数据交换和路由转发两种功能，但它的主要功能仍是数据交换。,（1）主要功能不同。,6.3 网络互连设备,路由器一般由基于微处理器的软件路由引擎执行数据包交换，采用最长匹配的方式，实现复杂，转发效率较低。而三层交换机通过硬件执行数据包交换，在对第一个数据流进行路由后，它将会产生一个MAC地址与IP地址的映射表，当同样的数据流再次通过时，将根据此表直接从二层通过而不是再次路由，从而消除了路由器进行路由选择而造成网络的延迟，提高了数据包转发的效率。同时，三层交换机的路由查找是针对数据流的，它利用缓存技术，可以大大节约成本，并实现快速转发。,（2）处理数据的方式不同。,在数据交换方面，三层交换机的性能要远优于路由器，但三层交换机接口非常简单，只能支持单一的网络协议，一般适用于数据交换频繁的相同协议局域网的互连。而路由器的接口类型非常丰富，它的路由功能更多地体现在不同类型网络之间的互连上，如局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等。,（3）用途不同。,6.3 网络互连设备,三层交换机作为核心交换设备，被广泛应用于校园网、城域教育网中。在实际应用中，三层交换机通过将一个大的交换网络划分为多个较小的VLAN广播域，各个VLAN之间再采用三层交换技术互相通信。它解决了局域网中网段划分之后，各网段必须依赖第三层路由设备进行管理的局面，解决了路由器传输速率低、结构复杂所造成的网络瓶颈问题。需要注意的是，三层交换机最重要的作用是加快大型局域内部数据的交换速度，其所具备的路由功能也主要是围绕这一作用而开发的，没有同档次的专业路由器强，例如在安全、协议等方面还有欠缺，并不能完全取代专业路由器。在实际应用中的典型做法是：同一个局域网中各个子网的互联以及VLAN间的路由使用三层交换机；而局域网与公网之间的互联，则使用专业路由器。,6.3 网络互连设备,6.3.4 网关,网关（Gateway）又称网间连接器或协议转换器，用于将两个或多个在OSI参考模型的传输层以上层次使用不同协议的网络连接在一起，并在多个网络间提供数据转换服务的软件和硬件一体化设备。,网关的作用,在互连的、不同结构的网络中的主机之间相互通信时，由网关完成这两种网络的数据报格式的相互转换，以实现不同网络协议的翻译和转换工作。例如，如果要将使用TCP/IP协议的微软系统与使用SNA系统的银行系统互连，则这两个网络系统之间需要用网关进