第5章 網(wǎng)絡(luò)互連

第5章

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)1為了實現(xiàn)更廣泛的資源共享和信息交流，需要將兩個或多個計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在一起。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的核心是網(wǎng)絡(luò)之間的硬件連接和網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的目的就是擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使更多的網(wǎng)絡(luò)用戶可以共享資源與數(shù)據(jù)通信，由此提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和管理效率。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念局域網(wǎng)-局域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)廣域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)25.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)概述網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（Internetworking）是指將分布在不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備相連接，以構(gòu)成更大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源的共享；網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的目的：使一個網(wǎng)絡(luò)上的用戶能訪問其它網(wǎng)絡(luò)上的資源，并能使不同網(wǎng)絡(luò)上用戶互相通信相互交換信息。擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，使更多的網(wǎng)絡(luò)用戶共享資源和數(shù)據(jù)通信，提高網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和管理效率。以太網(wǎng)的發(fā)明人鮑勃·麥特卡爾夫告訴我們：網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的平方成正比(即N個聯(lián)結(jié)能創(chuàng)造N2的效益)。35.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)概述網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式：利用網(wǎng)間連接器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：主要用于局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：主要用于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)以及廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)。兩種方式在實現(xiàn)互聯(lián)時必須通過網(wǎng)絡(luò)中間連接設(shè)備相連，如下表5-1所示。4表5-1OSI層次與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備對照表OSI層次功能網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備應(yīng)用層向用戶提供接口網(wǎng)關(guān)表示層數(shù)據(jù)的表示、壓縮、加密網(wǎng)關(guān)會話層建立、管理和結(jié)束會話網(wǎng)關(guān)傳輸層將數(shù)據(jù)包傳送到指定端口網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)包傳送到指定網(wǎng)絡(luò)路由器、第三層交換機數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)幀傳送到指定主機網(wǎng)橋、局域網(wǎng)交換機物理層傳輸比特流中繼器、集線器等5一般說來，互聯(lián)層越高，互聯(lián)設(shè)備越復(fù)雜，參加互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)之間的差異就越大。中繼器是最簡單的互聯(lián)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)是最復(fù)雜的設(shè)備。應(yīng)該指出，現(xiàn)有的一些文獻將網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)等統(tǒng)稱為網(wǎng)關(guān)。因此，在說明網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時，對于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備應(yīng)搞清楚是在哪一層進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。6名詞internet和Internet以小寫字母i開始的internet（互聯(lián)網(wǎng)或互連網(wǎng)）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網(wǎng)絡(luò)互連而成的虛擬網(wǎng)絡(luò)。以大寫字母I開始的的Internet（因特網(wǎng)）則是一個專用名詞，它指當(dāng)前全球最大的、開放的、由眾多網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的特定計算機網(wǎng)絡(luò)，它采用TCP/IP

協(xié)議族，且其前身是美國的ARPANET。7物理層的設(shè)備主要設(shè)備有：中繼器和集線器。物理層互連設(shè)備的主要功能：對不同電纜段之間的信號進行復(fù)制、整形、再生和轉(zhuǎn)發(fā)位信號。使用物理層互連設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)在物理上成為一個網(wǎng)絡(luò)。適用范圍：局域網(wǎng)的延伸和擴展，將多個局域網(wǎng)連接起來，構(gòu)成更大范圍的局域網(wǎng)。8數(shù)據(jù)鏈路層的互連設(shè)備主要設(shè)備有：網(wǎng)橋和傳統(tǒng)交換機。功能：數(shù)據(jù)存儲、接收、根據(jù)物理地址進行過濾和有目的地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)橋可以實現(xiàn)兩個或兩個以上同類型局域網(wǎng)和不同類型局域網(wǎng)的互聯(lián)，構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)。9網(wǎng)絡(luò)層的互連設(shè)備主要設(shè)備有：路由器。功能：路徑選擇、擁塞控制和控制廣播信息主要用于：不同網(wǎng)絡(luò)之間的互連。如，當(dāng)一個局域網(wǎng)通過廣域網(wǎng)與遠(yuǎn)程局域網(wǎng)連接時，就應(yīng)當(dāng)使用這層設(shè)備。10交換機主要用來增加網(wǎng)絡(luò)帶寬（提高網(wǎng)絡(luò)速度）的網(wǎng)絡(luò)連接和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備?？梢赃B接多個網(wǎng)絡(luò)站點和其他網(wǎng)段，組成以其為中心的交換式網(wǎng)絡(luò)。第二層交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，具有信息流通和差錯控制功能。第三層交換機工作在網(wǎng)絡(luò)層，具有路由選擇能力，新型交換機與路由器功能相互滲透，技術(shù)也都有所兼容。同時具備2、3層交換功能，目前常用于大型園區(qū)網(wǎng)的核心層，替代傳統(tǒng)的路由器。完成網(wǎng)內(nèi)尋址和路由功能以及第2層高速轉(zhuǎn)發(fā)功能。具備高可伸縮性、流量管理、高轉(zhuǎn)發(fā)性能等優(yōu)勢。11

第三層（網(wǎng)絡(luò)層）交換是相對于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層）的交換概念而提出的。而三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，三層交換技術(shù)就是二層交換技術(shù)+三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，三層交換機就是“二層交換機+基于硬件的路由器”。12

具有“路由器的功能、交換機的性能”的三層交換機雖然同時具有二層交換和三層路由的特性，但是三層交換機與路由器在結(jié)構(gòu)和性能上還是存在很大區(qū)別的。在結(jié)構(gòu)上，三層交換機更接近于二層交換機，只是實現(xiàn)了部分路由器的功能。13高層互連設(shè)備主要設(shè)備：網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)也稱為網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器，具有高層協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。它用于兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，所聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)可以使用不同的格式、通信協(xié)議或結(jié)構(gòu)。

具有協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能，可實現(xiàn)多個協(xié)議差別較大網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。目前使用最多的是：應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。高層互聯(lián)設(shè)備主要是網(wǎng)關(guān)（Gateway）。網(wǎng)關(guān)不能完全歸為一種網(wǎng)絡(luò)硬件，它是能夠連接不同網(wǎng)絡(luò)的軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品。14網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型（1）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的應(yīng)用類型局域網(wǎng)之間的互聯(lián)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)局域網(wǎng)通過廣域網(wǎng)與Internet之間的互聯(lián)多個遠(yuǎn)程局域網(wǎng)之間互聯(lián)為廣域網(wǎng)15（2）互聯(lián)局域網(wǎng)的類型同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所謂同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指具有相同特性和性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，也就是說它們具有相同的通信協(xié)議，呈現(xiàn)給接入設(shè)備的界面也相同。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所謂異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指具有完全不同的傳輸性質(zhì)和通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。165.2局域網(wǎng)-局域網(wǎng)互聯(lián)互聯(lián)又分為同種LAN互聯(lián)和異種LAN互聯(lián)，常用設(shè)備有中繼器和網(wǎng)橋。175.2.1中繼器圖5-1中繼器的應(yīng)用18中繼器的功能用于連接兩個網(wǎng)絡(luò)的電纜段，目的是延長網(wǎng)絡(luò)的長度。它可以放大、整形、再生電纜上的數(shù)字信號，并按原來的方向重新發(fā)送該再生信號。中繼器的使用規(guī)則在以太網(wǎng)中使用中繼器要注意5-4-3-2-l原則，即4個中繼器連接5個段，其中只有3個段可以連接主機，另2個段是連接段，它們共處于1個廣播域。對于10BASE-5局域網(wǎng)，規(guī)定網(wǎng)段的最大長度500米，允許最多4個中繼器延長，最長2500米19中繼器的特性（1）中繼器是第一層（物理層設(shè)備），用來增加信息傳輸?shù)拈L度（就是在中途擴大信號，類似電視塔那種），只能連接完全相同的局域網(wǎng)。（2）中繼器可以連接相同傳輸介質(zhì)的同類局域網(wǎng)，也可連接不同傳輸介質(zhì)的同類局域網(wǎng)。（3）在物理層互聯(lián)，對物理層以上各層協(xié)議透明。20圖5-2用中繼器連接兩個10Base-5電纜段21Hub圖5-3用中繼器連接不同傳輸介質(zhì)系統(tǒng)的以太網(wǎng)225.2.2網(wǎng)橋網(wǎng)橋是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，主要用于局域網(wǎng)－局域網(wǎng)互聯(lián)，是工作在在OSI的第2層，IEEE802的MAC子層的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。網(wǎng)橋的每一個端口連接一個局域網(wǎng)，常用于將共享帶寬的計算機節(jié)點數(shù)較多的局域網(wǎng)分為兩個局域網(wǎng)網(wǎng)段，以減少計算機在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時可能發(fā)生的沖突。網(wǎng)橋的主要功能是隔離不同網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)通信量。23圖5-4網(wǎng)橋的連接241、網(wǎng)橋的基本工作原理網(wǎng)橋不是一個復(fù)雜設(shè)備，它的主要工作原理：網(wǎng)橋接受一個整幀，然后分析進入的幀，并基于幀中的信息，根據(jù)幀的目的地址段，來決定是刪除該幀還是轉(zhuǎn)發(fā)該幀。如果目的站點和發(fā)送站點在同一個局域網(wǎng)，即在網(wǎng)橋的同一邊，網(wǎng)橋則將幀刪除，否則，進行路徑選擇，按指定的路徑將幀轉(zhuǎn)發(fā)給目的局域網(wǎng)。由于網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時能夠根據(jù)MAC地址對數(shù)據(jù)幀進行過濾，而且可以連接不同的網(wǎng)絡(luò)。25網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)段A網(wǎng)段B網(wǎng)橋MAC1MAC2MAC3MAC4MAC5MAC6122MAC62MAC52MAC41MAC31MAC21MAC1端口站地址

端口管理軟件

網(wǎng)橋協(xié)議實體緩存端口2端口112站表（A）（B）（C）（X）（Y）（Z）26網(wǎng)橋的主要作用是將兩個以上局域網(wǎng)互聯(lián)為一個邏輯網(wǎng)，以減少局域網(wǎng)上的通信量，提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。網(wǎng)橋的另一個作用是擴大網(wǎng)絡(luò)的物理范圍。此外，網(wǎng)橋能夠隔離一個物理網(wǎng)段的故障，可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。27圖5-5網(wǎng)橋工作原理示意圖282、網(wǎng)橋的類型（1）透明網(wǎng)橋：目前使用最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparentbridge)。它對任何數(shù)據(jù)站都完全透明，用戶感覺不到它的存在，也無法對網(wǎng)橋?qū)ぶ贰Ｋ械穆酚膳袥Q全部由網(wǎng)橋自己確定。當(dāng)網(wǎng)橋連入網(wǎng)絡(luò)時，它能自動初始化并對自身進行配置。（2）源路由網(wǎng)橋：源路由選擇網(wǎng)橋要求信息源(不是網(wǎng)橋本身)提供傳遞幀到終點所需的路由信息。每個結(jié)點清楚知道發(fā)往各個目的結(jié)點的路由。源結(jié)點在發(fā)送幀時需要將詳細(xì)的路由信息放在幀的首部。293、網(wǎng)橋的特性

1.網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，對高層協(xié)議透明，能夠轉(zhuǎn)發(fā)任何網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的數(shù)據(jù)流。2.網(wǎng)橋工作在第二層，不檢查網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)分組和網(wǎng)絡(luò)地址，與網(wǎng)絡(luò)層無關(guān)，而廣播信息是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址進行傳播，網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)所有的廣播幀，沒有隔離廣播信息的能力。3.網(wǎng)橋能夠互聯(lián)不同的網(wǎng)絡(luò)，在不同的局域網(wǎng)之間提供轉(zhuǎn)換功能；

30圖5-6互聯(lián)不同局域網(wǎng)時網(wǎng)橋的工作過程31圖5-7網(wǎng)橋應(yīng)用實例32圖5-8使用網(wǎng)橋互聯(lián)異構(gòu)網(wǎng)總線網(wǎng)星型網(wǎng)335.3局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)用來連接的設(shè)備是路由器或網(wǎng)關(guān)。345.3.1路由器路由器也叫選徑器，是網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)設(shè)備，主要用于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互聯(lián)。路由器有多個端口可以分別連到不同的網(wǎng)段上，或者連到另一臺路由器。路由器中保存了一個可路由選擇的路由表，路由器利用所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中的邏輯地址與路由表中的地址信息決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂健?5典型的路由器的結(jié)構(gòu)路由選擇路由選擇處理機路由選擇協(xié)議路由表3輸入端口3交換結(jié)構(gòu)輸入端口輸出端口分組轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表分組處理輸出端口……11133122223——網(wǎng)絡(luò)層2——數(shù)據(jù)鏈路層1——物理層36

路由器的主要功能有：（l）在網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)（2）選擇最合理的路由（3）多協(xié)議的路由器可以連接使用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)段，作為不同通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)段通信連接的平臺。

當(dāng)數(shù)據(jù)從一個子網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€子網(wǎng)時，需要通過路由器來完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。因此，路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中建立靈活的連接。路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑的策略即路由算法是路由器的關(guān)鍵所在。

37網(wǎng)

110.0.0.0網(wǎng)

440.0.0.0網(wǎng)

330.0.0.0網(wǎng)

220.0.0.010.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7目的主機所在的網(wǎng)絡(luò)下一跳路由器的地址20.0.0.030.0.0.010.0.0.040.0.0.020.0.0.730.0.0.1直接交付，接口1直接交付，接口0路由器R2的路由表30.0.0.110.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.730.0.0.1鏈路

4鏈路

3鏈路

2鏈路

1R2R3R101R2R3R1在路由表中，對每一條路由，最主要的是（目的網(wǎng)絡(luò)地址，下一跳地址）38圖5-10路由器工作原理示意圖39網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)絡(luò)CA1C1B1D1BD圖5-11路由選擇403、路由器的主要特點

1.路由器可以互聯(lián)不同的MAC協(xié)議、不同的傳輸介質(zhì)、不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的傳輸速率的異構(gòu)網(wǎng)，具有很強的異種網(wǎng)互聯(lián)能力。2.路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，它與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)，多協(xié)議路由器支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。3.對大型網(wǎng)絡(luò)進行微段化，將分段后的網(wǎng)段用路由器連接起來，這樣可以達到提高網(wǎng)絡(luò)性能、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的目的，便于網(wǎng)絡(luò)的管理和維護。

41多協(xié)議路由器的工作原理如果互聯(lián)的局域網(wǎng)高層采用了不同的協(xié)議，這時就需要用多協(xié)議路由器（MultiprotocolRouter）。這種結(jié)構(gòu)的缺點是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主機之間的通信受到路由器協(xié)議的限制。為了解決互聯(lián)局域網(wǎng)中不同類型主機之間的通信問題，可以采用多協(xié)議路由器互聯(lián)結(jié)構(gòu)。多協(xié)議路由器具有處理多種不同協(xié)議分組的能力，它可以處理不同分組的路由選擇與分組轉(zhuǎn)發(fā)問題。多協(xié)議路由器會為不同類型的協(xié)議建立和維護不同的路由表。42圖5-12多協(xié)議路由器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)意圖43圖5-13路由器實現(xiàn)LAN-WAN-LAN互聯(lián)示例445.3.2網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)是又稱協(xié)議轉(zhuǎn)換器，作用在OSI參考模型的4-7層，是實現(xiàn)應(yīng)系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備，可以用于廣域網(wǎng)-廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)-主機互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)是在高層上實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備。網(wǎng)關(guān)可以完成不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)一般是一臺專用的計算機，該機器上配置有實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能的軟件，這些軟件具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。4546網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法：首先制定一種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)間信息包格式，網(wǎng)關(guān)在輸入端將輸入網(wǎng)絡(luò)信息包格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)間信息包格式，在輸出端再將標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)間信息包格式轉(zhuǎn)換成輸出網(wǎng)絡(luò)信息包格式。（A→BB→C）47圖5-14網(wǎng)關(guān)工作原理示意圖482、網(wǎng)關(guān)的基本類型網(wǎng)關(guān)通過使用適