计算机网络技术2016新版第7章网络互连

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1、第6章 网络的互连 计算机网络教研室 1 计算机网络基础 杜煜 本章主要内容 l互连网络的基本概念； l网络互连的类型和层次； l网络互连的基本设备； l广域网的一些技术，涉及到PSTN、X.25、DDN 、ISDN、FR等。 2 互连网络的基本概念 l互连网络是指将分布在不同地理位置的网络、设 备连接起来，以构成更大规模的网络，最大程度 地实现网络资源的共享。 l网络连接 l网络互连 l网络互通 3 网络互连的类型 l网络互连的类型分以下几种： l局域网局域网互连 l同构网互连：具有相同协议的局域网互连 ； l异构网互连：不同协议的局域网互连； l局域网广域网互连； l广域网广域网互连； l

2、网络互连需解决的问题 l处理互连网络的帧、分组、报文和协议的差异 问题； 4 网络互连的类型 l网络互连从通信协议的角度来看可以分成四个层次： 5 物理层的互连 l在不同的电缆段之间复制位信号是物理层互连的 基本要求。 l物理层的连接设备主要是中继器。中继器是最低 层的物理设备，用于在局域网中连接几个网段， 只起简单的信号放大作用，用于延伸局域网的长 度。 l严格地说，中继器是网段连接设备而不是网络互 连设备。 6 物理层的互连物理层的互连 7 数据链路层互连 l数据链路层互连要解决的问题是在网络之间存储 转发数据帧。 l互连的主要设备是网桥。 l网桥在网络互连中起到数据接收、地址过滤与 数据

3、转发的作用，它用来实现多个网络系统之 间的数据交换。 l用网桥实现数据链路层互连时，允许互连网络 的数据链路层与物理层协议是相同的，也可以 是不同的。 8 数据链路层互连数据链路层互连 9 网络层互连 l网络层互连要解决的问题是在不同的网络之间存储 转发分组。 l互连的主要设备是路由器。 l网络层互连包括路由选择、拥塞控制、差错处理与 分段技术等。 l如果网络层协议相同，则互连主要是解决路由选 择问题。 l如果网络层协议不同，则需使用多协议路由器。 l用路由器实现网络层互连时，允许互连网络的网络 层及以下各层协议是相同的，也可以是不同的。 10 11 高层互连 l传输层及以上各层协议不同的网络

4、之间的互 连属于高层互连。 l实现高层互连的设备是网关。 l高层互连使用的网关很多是应用层网关，通 常简称为应用网关。如果使用应用网关来实 现两个网络高层互连，那么允许两个网络的 应用层及以下各层网络协议是不同的。 12 13 网络互连设备网桥 l应用场合 l在一个单位内各个部门之间的局域网互连； l在一个企业或校园，有上千台计算机需要连网； l连网计算机之间的距离超过了单个局域网的最大覆盖范 围； l网桥工作在数据链路层，可以实现局域网互联， 并在两个局域网网段之间对数据链路层帧进行接 收、存储与转发，把两个物理网络连接成一个逻 辑网络； 14 网桥的特点 l特点： l使用网桥互连两个网络时

5、，必须要求每个网络在数据链路层以上 采用相同或兼容的协议。 l网桥互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传 输速率的网络。 l网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现两个互连网络之 间的通信，并实现大范围局域网的互连。 l网桥可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善互连网络的性 能。 l缺点： l由于网桥处理其接收到的数据，增加了时延，降低了网络性能； l网桥传递所有的广播； l网桥的成本比转发器高； 15 网桥分隔两个网络的通信量 16 不同MAC子层的局域网的连接 A A F F E E 网桥网桥1 1 D D C C B B HHGG KK I I J J 网桥网桥3 3网

6、桥网桥2 2 802.3802.3 802.3802.3 802.5802.5 802.4802.4 17 网桥转发所有广播数据 18 网桥的分类一 l根据介质访问控制协议的不同，网桥可分四种： l透明网桥 l源路由网桥 l转换式网桥 l源路由透明网桥 19 网桥的分类二 l本地网桥 l用于直接连接两个相距很近的LAN，通过网桥划分网段以 提高网络性能。 l远程网桥 l用来连接两个远距离的网络，通常可以利用公用网连接分 布在不同地理位置的网桥，以形成单个大型的网络（远程 网桥也可通过路由器来实现）。 20 网桥的分类三 l级联和多端口网桥 21 路由器（Router） l路由器的工作原理 22

7、 路由器的特点 l特点 l路由器是在网络层上实现多个网络之间互连的设备； l路由器为两个或三个以上网络之间的数据传输解决最佳 路径选择； l路由器与网桥的区别： l网桥独立于高层协议，它把几个物理子网连接起来，向用户 提供一个大的逻辑网络。 l路由器则是从路径选择角度为逻辑子网的节点之间的数据传 输提供最佳的路线； l路由器要求节点在网络层以上的各层使用相同或兼容的 协议。 23 路由器的基本功能 l连接功能 l网络地址判断 l最佳路由选择 l数据处理功能 24 路由器的相关概念 l静态路由 l动态路由 l路由表 l路由协议 l路由信息协议RIP l开放最短路径优先OSPF 25 路由器的分类

8、 l单协议和多协议路由器 26 路由器的分类 l桥路由器（Brouters） 27 路由器的分类 l本地和远程路由器 28 网关（Gateway） l网间协议变换器 l实现不同协议的网络之间的互连，包括不同网络操作系 统的网络之间互连， l实现局域网与远程网之间的互连。 l网关一般用于不同类型、差别较大的网络系统之 间的互连。又可用于同一个物理网而在逻辑上不 同的网络之间互连，还可用于不同大型主机之间 和不同数据库之间的互连。 29 7.2 网络互连协议（1） l在网络层，Internet可以看成是自治系统的集合， 是由网络组成的网络。 l网络之间互连的纽带是IP（Internet Proto

9、col） 协议。 7.2.1因特网网络层协议 30 7.2 网络互连协议（2） 7.2.1.1IP协议 lIP头格式 lIP头包括20个字节的固定部分和变长（最长40字节）的可选部 分，从左到右传输； l版本域（version）； lIHL：IP包头长度，最小为5，最大为15，单位为32-bit word ； 31 7.2 网络互连协议（3） l服务类型域（Type of Service） l3个优先级位； l3个标志位：D（Delay）、T（Throughput）、 R（Reliability）； l2个保留位； l目前，很多路由器都忽略服务类型域。 l总长度域（Total length）

10、l标识域（Identification） lDF：Dont Fragment； l所有机器必须能够接收小于等于576字节的段。 lMF：More Fragments l除最后一个段外的所有段都要置MF位。 32 7.2 网络互连协议（4） l段偏移量（Fragment offset） l除最后一个段外的所有段的长度必须是8字节（基 本段长）的倍数。 ID =x offset =0 fragflag =0 length =4000 ID =x offset =0 fragflag =1 length =1500 ID =x offset =1480 fragflag =1 length =150

11、0 ID =x offset =2960 fragflag =0 length =1040 One large datagram becomes several smaller datagrams 33 7.2 网络互连协议（5） l生存期（Time to live） l实际实现中，IP包每经过一个路由器TTL减1，为0则丢弃， 并给源主机发送一个告警包。 l协议域（Protocol）：上层为哪种传输协议，TCP、 UDP l头校验和（Header checksum） l只对IP包头做校验； l算法：每16位求反，循环相加（进位加在末尾），和再求反 ； l有简单算法。 l源地址（Source

12、address）和目的地址（Destination address） 34 7.2 网络互连协议（6） l选项（Options） l变长，长度为4字节的倍数，不够则填充，最长为40字节； 35 7.2 网络互连协议（7） lIP地址（IP Address） l地址组成：网络号 + 主机号； lFig. 5-47 l地址表示采用用点分隔的十进制表示法，如166.111.68.3； l全0和全1有特殊含义 l全0：表示本网络或本主机； l全1：表示广播地址； lFig. 5-48 l子网（Subnets） l分而治之的思想：为了便于管理和使用，可以将网络分成若 干供内部使用的部分，称为子网。对外界

13、，该网络还是一个 单独的网络。 lFig. 5-49 36 7.2网络互连协议（8） 37 7.2网络互连协议（9） 38 7.2网络互连协议（10） 39 7.2 网络互连协议（11） 7.2.1.2 Internet控制协议 lInternet控制报文协议ICMP（The Internet Control Message Protocol） l主要用来报告出错和测试； l报文类型 lICMP报文封装在IP包中。 40 7.2 网络互连协议（12） l地址解析协议ARP（The Address Resolution Protocol） l解决网络层地址（IP地址）与数据链路层地址（MAC地

14、址）的映射问题； lFig. 5-51 l工作过程 l建立一个ARP表，表中存放（IP地址，MAC地址）对； l若目的主机在同一子网内，用目的IP地址在ARP表中查 找，否则用缺省网关的IP地址在ARP表中查找。若未找 到，则发送广播包，目的主机收到后给出应答，ARP表 增加一项； l每个主机启动时，广播它的（IP地址，MAC地址）映射 ； lARP表中的表项有生存期，超时则删除。 41 7.2网络互连协议（13） 42 7.2 网络互连协议（14） l反向地址解析协议RARP（The Reverse Address Resolution Protocol） l解决数据链路层地址（MAC地址）

15、与网络层地址（IP 地址）的映射问题； l主要用于无盘工作站启动； l缺点：由于路由器不转发广播帧，RARP服务器必须与 无盘工作站在同一子网内。一种替代协议BOOTP（使 用UDP）。 7.2.2 X.75 协议（自学） X.25网络的网络互连标准 43 7.2 网络互连协议（15） 7.2.3 IPv6 lIPv6的提出 lCIDR仅仅是一种临时补救措施，不能从根本上解决IP地 址空间匮乏的问题； l移动电话、家电上网等需要大量的IP地址； l1990年，IETF开始IPv6的工作，收到21个建议； l1992年，7个建议被讨论； l1993年，3个比较好的建议发表在IEEE网络上，进一步

16、讨 论、修改、结合后，形成IPv6； lIPv6与IPv4不兼容，但与其它因特网协议兼容，如TCP、 UDP、OSPF、边界网关协议、DNS等，但实际上还是需 要开发另外一套协议栈。 44 7.2 网络互连协议（16） lIPv6的目标 l即使在不能有效分配地址空间的情况下，也能支持数十 亿的主机； l减少路由表的大小； l简化协议，使得路由器能够更快的处理包； l提供比IPv4更好的安全性； l更多的关注服务类型，特别是实时数据； l支持多点传送； l支持移动功能； l协议具有很好的可扩展性； l增强安全性 l在一段时间内，允许IPv4与IPv6共存。 45 7.2 网络互连协议（17） l与IPv4相比，IPv6的主要变化 l地址变长，由32位变成128位； lIP头简化，由13个域减少为7个域，提高路由器处理速度 l由于IPv6包头定长，取消IHL域； l协议域取消，用下一个首领域表示； l取消与分段有关的域，IPv6采用不同的分段方法：所有主 机和路由器必须支持576字节的包，当主机发送一个大包 时，路由器不做分段，而是给主机发一个错误信息，由主 机做分段；