3网络互联设备

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1、第 2 章 网络互联设备,1,学习重点,网络设备的种类 网络设备所处的位置 网络设备的功能（作用） 网络的工作原理（简单了解） 网络设备的不同,2,交换机,交换机,防火墙,防火墙,交换机,主机,主机,路由器,交换机,因特网,集线器,企业内部网,外部访问子网,因特网,3,网络设备在OSI体系中的位置,网络设备的功能层次,4,物理层 中继器、集线器、调制解调器 数据链路层 网卡、网桥、交换机 网络层 路由器、三层交换机 应用层 网关、防火墙,5,物理层 中继器、集线器、调制解调器 数据链路层 网卡、网桥、交换机 网络层 路由器、三层交换机 应用层 网关、防火墙,6,中继器(REPEATER),中继

2、器是为了解决电缆长度问题而用的。它可以将传送信号放大，从而使它在网络上传输的更远。 特点： 不进行存储信号延迟小 不检查错误会扩散错误 不对信息进行任何过滤 可进行介质转换如UTP（非屏蔽双绞线）转换为光纤,7,8,集线器（HUB）,“Hub”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。 特点： 具有与中继器同样的特点 可改变网络物理拓扑形式：总线连接星形连接 逻辑上仍是一个总线型共享介质网络 端口数：8，12，16，24,9,独立式（Stand alone） 固定端口配置，扩充时用级连的方法。 堆叠式（Stac

3、kable） 固定配置，用堆叠方法进行扩充堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理。 模块化（Module） 又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）。,集线器类型：按结构形式划分,10,用集线器构建的网络的特点,所有主机共享带宽 无法限制冲突和广播 适用于小型网络,11,例：用集线器搭建简单的网络,以1台服务器，3台PC机为例： 一台HUB 4块网卡 4台PC机 8个RJ45接头（水晶头） 若干米双绞线,NIC,HUB,PC机,服务器,12,调制解调器,英文是M

4、ODEM，即MOdulator/DEModulator(调制器/解调器) 一般是指用于电话网络的模拟调制解调器 三种调制技术 振幅调制振幅键控（ASK） 频率调制频移键控（FSK） 相位调制相移键控（PSK） 实际应用中，往往采用以上三种基本调制方式的组合来达到更高的调制效率,13,14,物理层 中继器、集线器、调制解调器 数据链路层 网卡、网桥、交换机 网络层 路由器、三层交换机 应用层 网关、防火墙,15,网卡（Network Interface Card ）,网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备 每台主机都应配置一个或多个网卡 每个网卡都有一个或多个网络接口 不能独立工作，必须依

5、赖于宿主主机 用来定义网络设备的位置 MAC地址 每个网卡芯片都会烧录一个全球唯一的MAC地址 Media Access Control，介质访问控制 提供寻址及媒体存取的控制方式，使得不同设备或网络上的节点可以在多点的网络上通讯，而不会互相冲突。,16,MAC地址,48比特长(6字节),16进制的数字组成. 0-23位叫做组织唯一标志符(organizationally unique ，是识别LAN（局域网）节点的标识. 24-47位是由厂家自己分配。 在网络底层的物理传输过程中，是通过物理地址来识别主机的，它一般也是全球唯一的。,17,如何获取本机的MAC,依次单击“开始”“运行” 输入“

6、CMD”输入“ipconfig/all”回车。即可看到MAC地址。,18,19,网卡的功能,数据缓存 匹配主机数据处理速率与网络的传输速率 封装/解封装 加上控制字段以帧为单位进行传输卸下控制字段 介质访问控制 串/并转换 将主机的并行数据转换成串行位流 数据编码/解码 转换为适合网络介质传输的信号形式 数据发送/接收,20,21,共享信道LAN的缺点 冲突域中的多个站点同时发送会造成冲突； 网络中站点越多，冲突现象越严重； 具有n个站点的总带宽B的共享网络，每个站点的平均拥有带宽为B/n。 解决的方法 提高网络传输速度没有从根本上解决问题 网络分段（微网段化） 减少每个网段中站点的数量, 使

7、冲突的概率减小 实现网络分段的设备：网桥、交换机、路由器,网桥、交换机、路由器,22,冲突域、广播域,冲突域： 连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽的节点集合。 广播域： 接收同样广播消息的节点的集合。当这些设备中的一个发出一个广播时，所有其他的设备都能接收到这个广播帧。,23,网络分段示意,广播域,独立的冲突域,独立的冲突域,网桥或网络交换机,交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域,HUB,冲突域/广播域,网段2,网段1,总带宽: BW2 结点带宽: BW/4,总带宽: BW 结点带宽: BW/8,24,网桥,网桥（Bridge）也称

8、桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。 网桥的功能： 网桥对所接收的信息帧只作少量的包装，而不作任何修改。 网桥可以采用另外一种协议来转发信息。 网桥有足够大的缓冲空间，以满足高峰期的要求。 网桥必须具有寻址和路径选择的能力。,25,网桥的内部结构,（A）,（B）,（C）,（X）,（Y）,（Z）,26,网桥的分类,（1）按网桥硬件所处的位置分类 内部网桥：在服务器的内部安装，使用两块网卡加上相应的软件就可以组成内部网桥。 外部网桥：一般是专用的硬件设备。 （2）按网桥分布的地理范围分类 近程网桥：连接两个相邻的局域网段。 远程网桥：连接两个远

9、程网段。此时，要使用两个远程网桥，远程网桥要成对使用。,27,用网桥进行网络互联的优缺点,优点： 可实现不同类型的LAN互联； 能够隔离错误帧，不会使错误扩散； 限制了冲突域的范围； 隔离故障。 缺点： 无法控制广播； 只能用存储转发方式，速度比较慢； 无流量控制，负载重时会出现丢帧现象。,28,网络交换机（Switch ）,网络交换机（二层交换机）是数据链路层的设备，它能够读取数据包中的MAC地址信息并根据MAC地址来进行交换。 网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层 网络交换机的端口数多，并且交换速度快。在这个意义上，网络交换机可看作是多端口的高速网桥。,29,交换机的特点,交换机

10、通过内部的交换矩阵把网络划分为多个网段每个端口为一个冲突域； 交换机能够同时在多对端口间无冲突地交换帧。,30,例：交换网络的带宽,若交换机每个端口带宽为BW，则交换机构成的网络 网络总带宽 (BWn)/2 BWn n8，BW=10Mb/s时，网络总带宽最高可达80Mb/s； 若每个交换机端口只连接一台计算机，则每台计算机的可用带宽为10Mb/s 。 比较： 10Mb/s 的8口集线器构成的网络（连接了8台计算机） 网络总带宽仍为10Mb/s ； 网络中每台计算机的带宽为1.25Mb/s。,31,二层交换机的工作原理,交换机内部有一个地址表，这个地址表标明了MAC地址和交换机端口的对应关系。

11、当交换机从某个端口收到一个数据包，它首先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的。 它再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口 如果表中有与这目的MAC地址对应的端口，则把数据包直接复制到这端口上； 如果在表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。 二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。,32,二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC （Application specific Integrated

12、 Circuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。,33,交换机 网桥 比较,交换机比网桥优越的地方： 交换速度快，可实现线速转发； 能解决网络主干上的通信拥挤问题； 端口密度高，一台交换机可连接多个网段，降低了组网成本。 工作原理与网桥类似： 学习源地址（构造转发表） 过滤本网段帧（隔离冲突域） 转发异网段帧（交换） 广播未知帧（寻找目的站点）,34,交换机的三种转发方式,存储转发（Store and forward） 整个帧完整接收后，对帧进行差错检验，然后再进行转发操作。 优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段。 缺点：延迟比较大。 直通转发（Cut-through） 只要收到帧的

13、前6个字节（目的MAC地址），就开始进行转发操作。 优点：交换延迟小。 缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段。 无碎片直通转发（Fragment free cut-through） 接收到一帧的前64字节后，再进行转发操作。小于64字节的帧不转发。 小于64字节的帧一般是冲突造成的帧碎片（错误帧） 优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率 缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时大于直通转发。,35,使用网络交换机的好处,分割冲突（碰撞）域减少了冲突 允许建立多个连接提高了网络总体带宽 减少了每个网段中的站点数提高了站点平均拥有带宽 允许全双工连接提高带宽、消除冲突 能

14、够连接不同速度的网段,36,以网桥/交换机为核心的网络的特点,每个网段独享带宽 最佳可达到每台主机独享带宽 可以限制冲突，但不能限制广播 有可能产生广播风暴 适用于小型部门级网络到大型园区网络 大型网络中需解决广播问题,37,物理层 中继器、集线器、调制解调器 数据链路层 网卡、网桥、交换机 网络层 路由器、三层交换机 应用层 网关、防火墙,38,路由器（Router）,功能： 在网络之间转发网络分组； 为网络分组寻找最佳传输路径； 实现子网隔离，限制广播风暴。 目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播。 提供逻辑地址，以识别互联网上的主机； 提供广域网服务。 应用：把LAN连入广域网或

15、作为广域网的核心连接设备。,39,用路由器进行网络互联的特点： 用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（IP地址），通过广播是无法与之进行通信的。,40,用路由器进行网络互联,路由器,冲突域2,冲突域1,路由器可以隔离冲突域和广播域,冲突域3,广播域2,广播域1,41,路由器内部有一个路由表，这表标明了如果要去某个地方，下一步应该往哪走。 路由器从某个端口收到一个数据包，它首先把链路层的包头去掉（拆包），读取目的IP地址，然后查找路由表。 若能确定下一步往哪送，则再加上链路层的包头（打包），把该数据包转

16、发出去； 如果不能确定下一步的地址，则向源地址返回一个信息，并把这个数据包丢掉。,42,路由表,路由器如何确定最佳路由？路由表（Routing Table） 路由表是保存到达其他网络的路由信息的数据库 包含目的网络地址（号）、传输路径、传输开销等 根据目的网络地址查找路由表并确定分组转发路径的过程称为路由选择（Routing）。,43,路由表,路由表的信息随网络拓扑的变化而变化建立、更新路由表的算法称为路由算法（Routing Algorithm）： 网络中的每个路由器都会根据路由算法定时地或在网络拓扑发生变化时更新其路由表； 静态路由：由网络管理员预先手工设置路由信息； 动态路由：由路由器在运行时动态地建立与更新。 自动学习、记忆网络的变化并根据路由算法重新计算路由的协议称为路由选择协议（Routing Protocol）。,44,路由器的路由选择过程,采用存储转发的方法： 接收并缓存IP数据分组； 提取分组中的目的主机的IP地址； 计算目的主机所在的网络地址； 用目的网络地址查找路由表决定转发路径： 如