網絡設備工作原理

計算機網絡

ComputerNetworks第五講網絡設備工作原理2/2/20231網絡互連的層次網絡設備的工作原理2/2/20232網絡互連的層次 網絡互聯(lián)從通信協(xié)議的角度來看可以分成四個層次：物理層：使用中繼器在不同的電纜段之間復制位信號。數(shù)據(jù)鏈路層：使用橋在局域網之間存儲轉發(fā)數(shù)據(jù)幀。網絡層：使用路由器在不同的網絡之間存儲轉發(fā)分組數(shù)據(jù)。傳輸層及以上：使用協(xié)議轉換器也稱網關提供更高層次的接口，它是屬于端-端的主機互聯(lián)。2/2/20233網絡互連的層次LAN-LAN在傳輸層之下，一般用中繼器和網橋就夠了。LAN-WAN之間的協(xié)議差異大，多用路由器。少數(shù)協(xié)議差別較大的高層應用系統(tǒng)會用到網關（如CCITTX.400與SMTP之間的郵件網關）。2/2/20234網絡互連的層次網絡設備的工作原理2/2/20235網絡接口卡網絡接口卡（NIC）簡稱網卡，也被稱為網絡適配器就物理外表而言，網絡接口卡是與計算機主板或外圍設備上的總線擴展槽相適應的一種印刷電路板網絡接口卡是網絡通信的基本硬件組成部分，它能夠把計算機產生的串行信號轉換成可以在網絡電纜上傳送的串行格式。2/2/20236網絡接口卡網絡接口卡工作在OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層根據(jù)網絡介質訪問控制方法的不同，網卡可以分為以太網、令牌環(huán)、光纖分布式接口和異步傳輸方式等幾種。其中以太網卡是應用最廣泛的網卡。2/2/20237以太網卡以太網卡實現(xiàn)了MAC子層的CSMA/CD介質訪問，物理層的編碼/解碼、發(fā)送接收、載波檢測、沖突檢測等功能，并提供了與傳輸介質的連接接口，如RJ45、BNC和AUI接口。以太網卡包括以下幾部分：發(fā)送和接收部件載波檢測部件發(fā)送和接收控制部件曼徹斯特編碼/譯碼器LAN管理部件微處理器2/2/20238曼徹斯特編碼/譯碼器發(fā)送控制載波檢測接收控制微處理器LAN管理部分發(fā)送接收2/2/20239網卡總線類型16位—ISA（行業(yè)標準結構）32位—PCI（外部設備互聯(lián)）、EISA（擴展ISA）、MCA（微信道結構）其它—PCMCIA（個人計算機存儲卡國際協(xié)會）、并行口、USB2/2/202310接口類型RJ45—無屏蔽雙絞線接口AUI—粗同軸電纜接口BNC—細同軸電纜接口SC/ST—光纖接口2/2/202311網卡的使用網卡地址：即網卡的物理地址或稱為MAC地址，固化在網卡硬件中配置參數(shù)（跳線設置/軟件設置/PnP）

?中斷請求號IRQ（一般為3）

?I/O基地址I/OBase（一般為300H）

?存儲器基地址MemoryBase(一般為C000H)

?全雙工/半雙工

?傳輸速率（僅10/100Mbps雙速網卡可選）2/2/202312提高網卡傳輸性能的措施并行處理：發(fā)送/接收和數(shù)據(jù)處理同步進行全雙工：需集線器/交換機的支持突發(fā)傳輸方式（每次傳送更多的幀）智能網卡（讓網卡承擔更多的傳輸任務）提高與主機的傳輸速度：

?與主機的存儲器傳輸數(shù)據(jù)時采用DMA傳送方式

?總線采用傳輸速度較快的PCI總線2/2/202313網卡的安裝選擇網卡需要考慮的問題：網絡結構操作系統(tǒng)介質類型數(shù)據(jù)傳輸速率可用的總線類型2/2/202314網卡的安裝首先將網卡插入到一個合適的槽中（ISA或PCI）一些老的網卡配有滑動開關，DIP開關或跳線來控制網卡使用的DMA內存地址和IRQ中斷號，需按使用說明進行設置。大多數(shù)網卡是通過軟件來設置Window95/98/2000/xp能夠識別即插即用設備，當網卡安裝之后操作系統(tǒng)能自動識別，根據(jù)它的提示進行設置并安裝網卡所帶驅動程序即可如果操作系統(tǒng)無法識別網卡，則需手工安裝（如Win3.x、WinNT、UNIX、Linux）2/2/202315網絡集線器工作在OSI模型第一層的網絡設備中繼器集線器—多端口中繼器2/2/202316中繼器中繼器是第1層網絡設備中繼器的用途：在比特級上對網絡信號進行再生和重定時，從而可以使它們可以在網絡介質上傳輸更長的距離。缺點：不能對網絡流量進行過濾使用中繼器時注意：用中繼器連接的以太網不能形成環(huán)必須遵守MAC協(xié)議定時特性，不能用中繼器將電纜無限連接起來（四中繼器原則）2/2/202317四中繼器原則在網絡上的任何兩臺計算機之間不能安裝超過4臺的中繼器或者放大式集線器。該規(guī)則能保證當沖突發(fā)生時，沖突域中的每個節(jié)點都能知道已經發(fā)生了沖突。5-4-3-2-1網絡的5個部分，4臺集線器或中繼器，網絡的3個部分可以連接主機，兩個部分是鏈路部分，1個大的沖突域（如圖所示）2/2/2023182/2/202319集線器集線器是物理層網絡設備，也稱多端口中繼器對信號進行再生并且把它放大到所有的端口常見的有8，12，16，24口2/2/2023202/2/202321三種結構：獨立式（Standalone）：

固定端口配置，擴充時用級連的方法堆疊式（Stackable）：

固定配置，用堆疊方法進行擴充——堆疊連接在一起的HUB在邏輯相當于一臺單獨的HUB，可統(tǒng)一管理模塊化（Module）：

又稱機箱式，由一臺帶有底板、電源的機箱和若干塊多端口的接口卡（線卡）組成。可靈活按需配置，通過插入不同的插卡滿足需求（如插入交換卡、路由卡、加密卡等）2/2/202322NICHUBUTPPC機用集線器搭建簡單的網絡服務器以1臺服務器，3臺PC機為例：一臺HUB4塊UTP接口的網卡4臺PC機8個RJ45接頭（水晶頭）若干米UTP雙絞線2/2/202323共享介質環(huán)境中的沖突和沖突域共享介質(多路訪問)擴展介質點到點2/2/202324沖突和沖突域在同一個網絡上，當兩個比特同時在進行傳輸時，就可能會發(fā)生沖突。一個網絡上若有過多的網絡流量則會導致嚴重的問題在網絡內部，數(shù)據(jù)分組產生和發(fā)生沖突的這樣一個區(qū)域被稱為沖突域所有共享介質環(huán)境都是沖突域，一條線路可通過接插電纜、收發(fā)器、中繼器和集線器與另一條線路進行連接，所有這些第1層互連設備都是沖突域的一部分當沖突發(fā)生的時候，卷入到沖突的數(shù)據(jù)分組會受到逐位的破壞2/2/202325工作站越多意味著沖突越多2/2/202326中繼器、集線器和沖突域中繼器會對比特進行再生和重定時，但是中繼器不能對通過它們的業(yè)務流量進行過濾。中繼器會把一個端口收到的信號轉發(fā)到所有的端口使用中繼器會擴展沖突域的范圍，在中繼器兩端的網絡是一個大的沖突域集線器也稱多端口中繼器，進入集線器一個端口的任何信號都會再生、重定時而且被發(fā)送到其余的所有端口中繼器和集線器都是第1層的設備，因此它們不會對網絡流量進行過濾。如圖所示2/2/202327沖突域：由一臺集線器和中繼器所擴展2/2/202328第2層設備網橋交換機2/2/202329網橋定義：網橋（bridge）是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的一種網絡互連設備，它在互連的類型相同但協(xié)議不同的LAN之間實現(xiàn)幀的存儲和轉發(fā)。為什么使用網橋？學校和企業(yè)的各個部門分別擁有自己獨立管理的LAN，為了進行交互，需要使用網橋來實現(xiàn)互連；一個企業(yè)分布在相隔很遠的不同建筑物內，在每個建筑物內組建單獨的LAN，并使用網橋將這些LAN連接起來，是比較經濟的方案；將一個負載很重的大LAN分隔成使用網橋互連的幾個LAN以減輕負擔；LAN上的兩臺機器其距離超過2500米，必須使用網橋將這個LAN分隔以保證網絡的正常工作；網橋可以隔離負載，防止出故障的站點損害全網；網橋可以有助于安全保密。2/2/202330圖12/2/202331用網橋實現(xiàn)多個網段互連hub10Base2-細纜Ethernet10Base5粗纜Ethernet10BaseT-雙絞線routerserverhub網橋網段3網段410Base5粗纜Ethernet網段1網段22/2/202332連接802.X和802.Y的網橋互連時需要解決的相同問題不同LAN幀格式的轉換；不同的LAN速率不同，網橋要有緩存能力；高層協(xié)議的計時器設置；不同的LAN支持的最大幀長度不同。解決辦法：丟棄無法轉發(fā)的幀。2/2/202333應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層應用層表示層會話層傳輸層網絡層鏈路層物理層IP包802.3PKT802.5PKT802.3PKT802.5PKT802.3介質802.5介質鏈路層物理層LLCMACPHY圖22/2/202334兩種類型的網橋透明網橋（TransparencyBridge）源選徑網橋（SourceRoutingBridge）2/2/202335透明網橋/生成樹網橋工作原理：網橋工作在混雜（promiscuous）方式，接收所有的幀；網橋接收到一幀后，通過查詢地址/端口對應表來確定是丟棄還是轉發(fā)；網橋剛啟動時，地址/端口對應表為空，采用洪泛（flooding）方法轉發(fā)幀；在轉發(fā)過程中采用逆向學習（backwardlearning）算法收集MAC地址。網橋通過分析幀的源MAC地址得到MAC地址與端口的對應關系，并寫入地址/端口對應表；網橋軟件對地址/端口對應表進行不斷的更新，并定時檢查，刪除在一段時間內沒有更新的地址/端口項；幀的路由過程目的LAN與源LAN相同，則丟棄幀；目的LAN與源LAN不同，則轉發(fā)幀；目的LAN未知，則洪泛幀。2/2/202336圖32/2/202337多個網橋（并行網橋）可能產生回路 如圖所示解決多個網橋產生回路的問題思想讓網橋之間互相通信，用一棵連接每個LAN的生成樹（SpanningTree）覆蓋實際的拓撲結構。如圖所示2/2/202338圖42/2/202339圖52/2/202340構造生成樹每個橋廣播自己的橋編號，號最小的橋稱為生成樹的根；每個網橋計算自己到根的最短路徑，構造出生成樹，使得每個LAN和橋到根的路徑最短；當某個LAN或網橋發(fā)生故障時，要重新計算生成樹；生成樹構造完后，算法繼續(xù)執(zhí)行以便自動發(fā)現(xiàn)拓撲結構變化，更新生成樹。2/2/202341源選徑網橋 CSMA/CD和TokenBus選擇了透明網橋，TokenRing選擇了源路由網橋特點：由源站負責路由選擇，路由信息放在發(fā)送的幀的首部（即把要經過的路徑放在幀中，幀按該路徑傳送）選路方法：源站向目的站發(fā)送探測幀，該幀在擴展的LAN中沿所有可能路由傳送；每個探測幀都記錄下它所經過的路由；這些探測幀在到達目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站選擇其中的最佳路由，作為發(fā)送幀中的路由信息。2/2/202342源選徑網橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：網橋功能可以很簡單；可以用最佳路由傳送。缺點：源站計算路由費時；主機負擔重。2/2/202343透明網橋源選徑網橋服務類型無連接面向連接對源站的透明性完全透明不透明配置、管理自動配置，容易管理人工方法選擇的路由次佳最佳目的地確定方法逆向學習探測幀故障處理及拓撲變化網橋負責主機負責復雜性和開銷網橋負擔主機負擔兩種網橋的比較2/2/202344網橋和中繼器的比較網橋可實現(xiàn)不同類型LAN的互聯(lián)（如以太網和令牌環(huán)之間）；中繼器只能用于以太網段間互聯(lián)。利用網橋可以實現(xiàn)大范圍局域網互聯(lián)；中繼器則受限從而只能在5段以太網段且距離有限。網橋可以隔離錯誤幀，提高網絡性能；中繼器只單純復制位，而不管正確與否。網橋可以提高網絡安全性，尤其對局域網廣播方式，可用于將不同網段隔離。2/2/202345以太網交換機第2層設備也稱多端口網橋網絡分段、流量過濾2/2/202346以太局域網的分段共享信道LAN的缺點：

多個站點同時發(fā)送會造成沖突；網絡中站點越多，沖突現(xiàn)象越嚴重；每個站點的平均擁有帶寬為W/n；解決的方法：網段分割，在各段之間分離流量通過創(chuàng)建更小的沖突域，使每個用戶可以獲取更多的帶寬2/2/202347網絡分段HUBHUBMAC廣播域獨立的沖突域獨立的沖突域網橋或網絡交換機交換機只能分隔沖突域，但不能分隔廣播域2/2/202348能夠用來為局域網分段的設備

網橋交換機路由器2/2/202349辨別沖突域集線器網橋交換機路由器沖突域:14442/2/202350交換技術交換機的三種功能生成樹協(xié)議幾種交換方法2/2/202351交換機的三種功能地址學習轉發(fā)/過濾避免環(huán)路2/2/202352地址學習初始MAC地址表是空的MAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD2/2/202353地址學習A站發(fā)送一幀到C站交換機通過學習數(shù)據(jù)幀中的源地址緩存A站MAC地址對應端口E0表項A站發(fā)送到C站的幀被洪泛輸出到除E0以外的所有其它端口MAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBA2/2/202354地址學習D站發(fā)送一幀到C站交換機通過學習數(shù)據(jù)幀的源地址緩存D站MAC地址對應端口E3表項D站發(fā)送到C站的幀被洪泛輸出到除端口E3以外的所有其它端口MAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E3:0260.8c01.4444E0E1E2E3DCAB2/2/202355過濾A站發(fā)送一幀到C站目的已知，幀不被洪泛，直接輸出到端口E2E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMACaddresstable2/2/202356交換機轉發(fā)信息的方式Cut-through（直通方式）交換機檢查目的地址并立即開始轉發(fā)幀F(xiàn)rameFrameStoreandforward（存儲轉發(fā)方式）幀被完全接收，轉發(fā)之前要對幀進行校驗FrameFrameFrameFragmentfree（無碎片直通方式）

(modifiedcut-through)交換機檢查開始的64個字節(jié)然后立即開始轉發(fā)幀哪種方式速度最快？比較三種方式的優(yōu)缺點2/2/202357以太網交換機幀轉發(fā)方式直接交換方式 在此方式中，交換機只要接受并檢測到目的地址字段，立即將該幀轉發(fā)出去，而不管這一幀數(shù)據(jù)是否出錯，幀出錯檢測任務由節(jié)點主機完成。這種交換方式的優(yōu)點是交換延遲時間短；缺點是缺乏差錯檢測能力，不支持不同輸入輸出速率的端口之間的幀轉發(fā)。2/2/202358以太網交換機幀轉發(fā)方式存儲轉發(fā)交換方式 在此方式中，交換機首先完整地接受發(fā)送幀，并先進行差錯檢測。如果接受幀是正確的，則根據(jù)幀目的地址確定輸出端口號，然后再轉發(fā)出去。這種交換方式的優(yōu)點是具有差錯檢測能力，并能支持不同輸入輸出速率的端口之間的幀轉發(fā)；缺點是交換延遲時間將會增長。2/2/202359以太網交換機幀轉發(fā)方式無碎片直通方式(改進直接交換方式) 它將前兩者結合起來，在此方式中，交換機在接受到幀的前64字節(jié)后，判斷以太網幀的幀頭字段是否正確，如果正確則轉發(fā)出去。這種方法對于短的以太網幀來說，其交換延遲時間與直接交換方式比較接近；而對于長的以太網幀來說，由于它只對幀的地址字段和控制字段進行了差錯檢測，因此交換延遲時間將會減少。2/2/202360冗余拓撲冗余拓撲可以消除單點造成的失敗冗余拓撲會導致廣播風播，多幀復制等問題網段1網段2Server/hostXRouterY交換機A交換機B2/2/202361廣播風暴網段1網段2服務器/主機X路由器Y廣播交換機A交換機B2/2/202362多幀復制網段1網段2服務器/主機X路由器Y

單播交換機A交換機B主機X發(fā)送一單播幀到路由器Y路由器YMAC地址還沒有被交換機學習到路由器Y將接收到兩個相同的幀單播單播2/2/202363解決辦法：生成樹協(xié)議將部分端口設為阻塞狀態(tài)阻塞x2/2/202364生成樹協(xié)議每個網絡一個根橋（標識號最小的橋）每個非根橋一個根端口每個網段一個指定端口x指定端口(轉發(fā))根端口(轉發(fā))指定端口(轉發(fā))非指定端口(阻塞)根橋非根橋SWXSWY100baseT10baseT2/2/202365生成樹協(xié)議----根橋的選擇交換機Y缺省優(yōu)先權：32768

MAC0c0022222222交換機X缺省優(yōu)先權：32768

MAC0c0011111111

BPDUBPDU=橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元根橋=最小橋標識號橋標識號=橋優(yōu)先權+橋MAC地址上圖中哪個交換機標識號最小?2/2/202366生成樹協(xié)議端口狀態(tài)交換機Y缺省優(yōu)先權：32768MAC0c0022222222交換機X缺省優(yōu)先權：32768MAC0c0011111111根橋xPort0Port1Port0Port1100baseT10baseT

指定端口根端口非指定端口指定端口2/2/202367生成樹舉例:交換機YMAC0c0022222222缺省優(yōu)先權32768交換機XMAC0c0011111111缺省優(yōu)先權32768Port0Port1Port0Port1交換機ZMac0c0011110000缺省優(yōu)先權32768Port0請指出根橋、指定端口、根端口和非指定端口哪些是轉發(fā)端口，哪些是阻塞端口？

100baseT100baseT2/2/202368生成樹舉例:交換機YMAC0c0022222222缺省優(yōu)先權32768交換機XMAC0c0011111111缺省優(yōu)先權32768Port0Port1Port0Port1交換機ZMac0c0011110000缺省優(yōu)先權32768Port0請指出根橋、指定端口、根端口和非指定端口哪些是轉發(fā)端口，哪些是阻塞端口？

100baseT100baseT指定端口根端口非指定端口指定端口根端口根橋2/2/202369主要基于軟件每個橋一個生成樹通常每個橋最多16個端口網橋局域網交換機主要基于硬件(ASIC)每個交換機多個生成樹交換機具有更多的端口2/2/202370下圖是直接交付和間接交付的示意圖。路由器在網際互連中的作用2/2/202371路由器是一種具有多個輸入端口和多個輸出端口的專用計算機，其任務是轉發(fā)分組。下圖給出了典型的路由器的構成框圖。2/2/2023722/2/202373整個的路由器結構可劃分為兩大部分：路由選擇部分和分組轉發(fā)部分。路由選擇部分也叫做控制部分，其核心構件是路由選擇處