物聯(lián)網(wǎng)5 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)

第五章網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)教學(xué)要求1．掌握：各種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的工作原理及應(yīng)用。2．理解：公用電話網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)以及ATM技術(shù)的工作原理。3．了解：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的概念、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型和層次。本章目錄5.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念5.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備5.3廣域網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)5.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念5.1.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型5.1.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的層次每種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都有特定的限制，廣域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種類型網(wǎng)絡(luò)的差別和應(yīng)用局限性更加明顯。不存在某種單一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)所有需求都是最好的，通常是根據(jù)實(shí)際的需求來確定網(wǎng)絡(luò)的類型。使用多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的明顯問題是，連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計(jì)算機(jī)只能與連在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它計(jì)算機(jī)通信，不能與連在其他網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)通信。當(dāng)一個(gè)機(jī)構(gòu)擁有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)給使用和管理帶來極大的不便，同時(shí)也會(huì)造成資源浪費(fèi)。為解決這一問題，就必須提供一種通用服務(wù)，使得任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)（無論在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)上）都能進(jìn)行通信，就像任意兩個(gè)電話之間可以通話一樣，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)通用服務(wù)的方案稱為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)既需要硬件，也需要軟件。通常使用專門的硬件將各種網(wǎng)絡(luò)連接起來，在計(jì)算機(jī)及專用硬件上分別安裝相應(yīng)的服務(wù)軟件。這種將各種網(wǎng)絡(luò)連接起來構(gòu)成的最終系統(tǒng)稱為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。5.1.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的任務(wù)（1）擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)通信范圍與限定信息通信范圍（2）提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能與系統(tǒng)可靠性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型由于網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）兩大類，因此網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的形式有LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN、LAN-WAN-LAN。為了將兩個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)連接在一起，需要采用特殊的設(shè)備。這些設(shè)備根據(jù)其作用和工作原理的不同而有不同的名稱，通常被稱為中繼器、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)。5.1.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的層次ISO的OSI七層協(xié)議參考模型的確定，為網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)提供了明確的指導(dǎo)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)從通信協(xié)議的角度來看可以分成4個(gè)層次，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和高層，與之對(duì)應(yīng)的互聯(lián)設(shè)備分別是中繼器（repeater）、網(wǎng)橋（bridge）、路由器（router）和網(wǎng)關(guān)（gateway）。層次一：使用中繼器在不同電纜段之間復(fù)制位信號(hào)；層次二：使用網(wǎng)橋在局域網(wǎng)之間存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)幀。層次三：使用路由器在不同網(wǎng)絡(luò)間存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)分組；層次四：使用協(xié)議轉(zhuǎn)換器提供高層接口。1．物理層互聯(lián)在不同的電纜段之間復(fù)制位信號(hào)是物理層互聯(lián)的基本要求。物理層采用的互聯(lián)設(shè)備是中繼器。由于信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中有衰減和噪音，使有用的數(shù)據(jù)信號(hào)變的越來越弱，因此為了保證有用數(shù)據(jù)的完整性，并在一定范圍內(nèi)傳送，要用中繼器把所接收到的弱信號(hào)分離，并再生放大以保持與原數(shù)據(jù)相同。物理層的互聯(lián)2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈路層互聯(lián)要解決的是局域網(wǎng)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。該層使用的互聯(lián)設(shè)備是網(wǎng)橋。數(shù)據(jù)鏈路層的互聯(lián)3．網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)要解決的是不同網(wǎng)絡(luò)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)分組。網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)4．高層互聯(lián)傳輸層及以上各層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)屬于高層互聯(lián)。高層的互聯(lián)5.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備5.2.1網(wǎng)橋5.2.2路由器5.2.3網(wǎng)關(guān)5.2.1網(wǎng)橋網(wǎng)橋是數(shù)據(jù)鏈路層互聯(lián)的主要設(shè)備。作為不同局域網(wǎng)間的橋梁，網(wǎng)橋可以連接兩個(gè)或多個(gè)局域網(wǎng)網(wǎng)段，對(duì)各網(wǎng)段的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，并提供數(shù)據(jù)流量控制和差錯(cuò)控制。網(wǎng)橋以數(shù)據(jù)幀為單位存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，與中繼器只是放大和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的所有數(shù)據(jù)不同，網(wǎng)橋只向需要接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)橋可將一個(gè)較大的局域網(wǎng)分割為多個(gè)網(wǎng)段，或?qū)蓚€(gè)以上的局域網(wǎng)互聯(lián)為一個(gè)邏輯上的局域網(wǎng)。用網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層互聯(lián)時(shí)，允許互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層與物理層協(xié)議相同，但也可以不同。網(wǎng)橋的功能網(wǎng)橋的功能概括如下：（1）隔離功能（2）數(shù)據(jù)過濾功能（3）自學(xué)習(xí)功能網(wǎng)橋互聯(lián)網(wǎng)橋的類型根據(jù)網(wǎng)橋工作層次、連接網(wǎng)絡(luò)的距離、處理過濾表格的方式以及網(wǎng)絡(luò)的端口處理能力，可以將網(wǎng)橋分成若干類型。（1）MAC網(wǎng)橋和LLC網(wǎng)橋（2）透明網(wǎng)橋（3）源路由網(wǎng)橋（4）本地網(wǎng)橋和遠(yuǎn)程網(wǎng)橋本地網(wǎng)橋的應(yīng)用遠(yuǎn)程網(wǎng)橋的應(yīng)用網(wǎng)橋的應(yīng)用（1）用于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（2）提高網(wǎng)絡(luò)性能（3）提高網(wǎng)絡(luò)安全性5.2.2路由器路由器是網(wǎng)絡(luò)層上主要的互聯(lián)設(shè)備。它是一種多端口設(shè)備，可以連接不同傳輸速率并運(yùn)行于各種環(huán)境的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，也可以采用不同的協(xié)議。路由器屬于OSI模型的第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層指導(dǎo)從一個(gè)網(wǎng)段到另一個(gè)網(wǎng)段的數(shù)據(jù)傳輸，也能指導(dǎo)從一種網(wǎng)絡(luò)向另一種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。路由器的作用路由器的穩(wěn)固性在于它的智能性。路由器不僅能追蹤網(wǎng)絡(luò)的某一節(jié)點(diǎn)，還能選擇出兩節(jié)點(diǎn)間最近、最快的傳輸路徑?；谶@個(gè)原因，還因?yàn)樗鼈兛梢赃B接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，使得它們成為大型局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中功能強(qiáng)大且非常重要的設(shè)備。帶兩個(gè)網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)充當(dāng)路由器如果想要了解路由器能做些什么工作，可根據(jù)下列條件設(shè)想一下運(yùn)行環(huán)境：（1）路由器擁有兩個(gè)以上的端口（適配器），因此能夠連接兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)要確定將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到何處去的問題，將會(huì)變得更加復(fù)雜，而且冗余路徑的可能性也增加了。（2）用路由器連接起來的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)都與其他網(wǎng)絡(luò)互相連接著。也就是說，路由器能夠了解它并未直接連接的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器必須采用某種方法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到它并未直接連接的網(wǎng)絡(luò)上。（3）路由器連接的網(wǎng)絡(luò)提供了冗余路徑，每個(gè)路由器必須擁有一個(gè)手段，以確定應(yīng)該使用哪一個(gè)路徑。路由器和網(wǎng)絡(luò)（圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是用來連接網(wǎng)絡(luò)的路由器）路由器的工作原理（1）路由器接收來自它連接的某個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)。（2）路由器將數(shù)據(jù)向上傳遞，并且（必要時(shí)）重新組合IP數(shù)據(jù)報(bào)。（3）路由器檢查IP頭部中的目的地址。如果目的地址位于發(fā)出數(shù)據(jù)的那個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么路由器就放下被認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到目的地的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)是在目的計(jì)算機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。（4）如果數(shù)據(jù)要送往另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么路由器就查詢路由表，以確定數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)發(fā)到的目的地。（5）路由器確定哪個(gè)適配器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)后，就通過相應(yīng)的軟件傳遞數(shù)據(jù)，以便通過網(wǎng)絡(luò)來傳送數(shù)據(jù)。5.2.3網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)也叫協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)是比網(wǎng)橋與路由器更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)；不同網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)；局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)。實(shí)際上網(wǎng)關(guān)不能完全歸為一種網(wǎng)絡(luò)硬件。概括地說，它們應(yīng)該是能夠連接不同網(wǎng)絡(luò)（異構(gòu)網(wǎng)）的軟件和硬件的結(jié)合產(chǎn)品。特別地，它們可以使用不同的格式、通信協(xié)議或結(jié)構(gòu)連接起兩個(gè)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)實(shí)際上通過重新封裝信息以使它們能被另一個(gè)系統(tǒng)讀取。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，網(wǎng)關(guān)必須能運(yùn)行在OSI模型的幾個(gè)層上。網(wǎng)關(guān)必須同應(yīng)用通信，建立和管理會(huì)話，傳輸已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)，并解析邏輯和物理地址數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)的功能網(wǎng)關(guān)的重要功能是完成網(wǎng)絡(luò)層以上的某種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，它將不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（1）遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)協(xié)議封裝（2）本地業(yè)務(wù)協(xié)議封裝（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的類型（1）傳輸網(wǎng)關(guān)傳輸網(wǎng)關(guān)用來在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間建立傳輸連接。（2）應(yīng)用網(wǎng)關(guān)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用層上進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用（1）局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)（2）局域網(wǎng)和主機(jī)互聯(lián)（遠(yuǎn)程訪問）局域網(wǎng)與主機(jī)之間的互聯(lián)（3）局域網(wǎng)和局域網(wǎng)間互聯(lián)支持位于相同類型或不同類型局域網(wǎng)上的執(zhí)行不同協(xié)議應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)。例如，許多局域網(wǎng)都有專用的電子郵件系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶之間的電子郵件系統(tǒng)可以互通，使用電子郵件網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同電子郵件系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。5.3廣域網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)5.3.1公用電話網(wǎng)PSTN

5.3.2綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN5.3.3ATM技術(shù)廣域網(wǎng)WAN通?？缃雍艽蟮奈锢矸秶苓B接多個(gè)城市或國(guó)家并能提供遠(yuǎn)距離通信。廣域網(wǎng)是由許多交換機(jī)組成的，交換機(jī)之間采用點(diǎn)到點(diǎn)線路連接，幾乎所有的點(diǎn)到點(diǎn)通信方式都可以用來建立廣域網(wǎng)，包括租用線路、光纖、微波、衛(wèi)星信道。廣域網(wǎng)是基于報(bào)文交換或分組交換技術(shù)的（傳統(tǒng)的公用電話交換網(wǎng)除外）。由局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng)5.3.1公用電話網(wǎng)PSTNPSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用交換電話網(wǎng)），也就是大多數(shù)家庭使用的典型的電話網(wǎng)絡(luò)，是以電路交換技術(shù)為基礎(chǔ)的用于傳輸模擬話音的網(wǎng)絡(luò)。電話網(wǎng)概括起來主要由三個(gè)部分組成：本地回路、干線和交換機(jī)。PSTN是一種電路交換的網(wǎng)絡(luò)，可看作是物理層的一個(gè)延伸，在PSTN內(nèi)部并沒有上層協(xié)議進(jìn)行差錯(cuò)控制。

PSTN的另一個(gè)缺點(diǎn)在于它不能滿足許多廣域網(wǎng)應(yīng)用所要求的質(zhì)量。PSTN更大的限制在于它的通信能力即吞吐量。典型的PSTN與因特網(wǎng)連接5.3.2綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDNISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它是國(guó)際電信聯(lián)盟為了在數(shù)字線路上傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的。與PSTN一樣，ISDN使用電話載波線路進(jìn)行撥號(hào)連接。但它和PSTN又截然不同，它獨(dú)特的數(shù)字鏈路可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和語音。ISDN線路可以同時(shí)傳輸兩路話音和一路數(shù)據(jù)。所有的ISDN連接都基于兩種信道：B信道和D信道。B信道是承載信道，采用電路交換技術(shù)通過ISDN來傳輸話音、視頻、音頻和其他類型的數(shù)據(jù)。D信道是數(shù)據(jù)信道，采用分組交換技術(shù)來傳輸關(guān)于呼叫的信息。ISDN提供了三個(gè)獨(dú)立的數(shù)字信道：分別是B、B和D（通常寫作2B+D）。常用的ISDN連接有兩種類型：基本速率ISDN（BRI）和主速率ISDN（PRI）。這兩種屬于N-ISDN（窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，Narrowband-ISDN）。BRI使用兩個(gè)B信道和一個(gè)D信道，這可以用下面的式子表示：2B+D。一個(gè)BRI鏈路PRI使用23個(gè)信道和一個(gè)64Kbps的D信道，這可以用下式表示：23B+D。一個(gè)PRI鏈路隨著用戶信息傳送量和傳送速率的不斷提高，前兩種N-ISDN已無法滿足用戶要求。80年代后期，提出了第三種ISDN連接，即B-ISDN（寬帶ISDN，Broadband-ISDN），它能提供比BRI或PRI更高的通信容量。B-ISDN與N-ISDN相比，具有以下一些重大區(qū)別：（1）N-ISDN使用的是電路交換，它只是在傳送信令（信令這個(gè)詞，含有信號(hào)和指令雙重意思）的D通路使用分組交換。B-ISDN則使用一種快速分組交換，稱為異步傳輸方式ATM。（2）N-ISDN是以目前正在使用的電話網(wǎng)為基礎(chǔ)，其用戶環(huán)路采用雙絞線（銅線）。但在B-ISDN中，其用戶環(huán)路和干線都采用光纜（但短距離也可使用雙絞線）。（3）N-ISDN各通路的比特率是預(yù)先設(shè)置的。如B通路比特率為64kbps。但B-ISDN使用虛通路的概念，其比特率只受用戶到網(wǎng)絡(luò)接口的物理比特率的限制。（4）N-ISDN無法傳送高速圖像，但B-ISDN可以傳送。5.3.3ATM技術(shù)B-ISDN要支持如此高的速率，要處理很廣范圍內(nèi)各種不同速率和傳輸質(zhì)量的需求，需要面臨兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是高速傳輸；二是高速交換。光纖通信技術(shù)已經(jīng)給前者提供了良好的支持；而異步傳輸模式（AsynchronousTransferMode，ATM）為實(shí)現(xiàn)高速交換展示了誘人的前景，使得B-ISDN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)成為可能。ATM是一種廣域網(wǎng)傳輸方法。它可以利用固定數(shù)據(jù)包的大小這種方法達(dá)到從25~622Mbps的傳輸速率。ATM技術(shù)建立在電路交換和分組交換的基