[互联网]计算机网络

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1、计算机网络基础基础 （宋文官 蔡京玫 编著） 王 伟 （博士/博士后） ,西安工程大学 计算机科学学院,第6章 网络互联与设备,6.1 网络互联的基本概念 6.2 局域网互联设备和应用 6.3 路由器与网关 6.4 网络互联技术 6.5 扩展读物,6.1 网络互联的基本概念,6.1.1 网络互联的概述 6.1.2 网络互联的层次,6.1.1 网络互联的概述,QQ通信通过网络互联（Internet）来实现,6.1.1 网络互联的概述,网络互联的三个基本概念 （1）互联（Interconnection）：不同网络利用线路在物理上的连接，提供数据交换的物质基础和可能性。（物理基础） （2）互通（I

2、ntercommunication）：不同网络之间可以交换数据，为通信的两台PC提供端到端连接与数据交换，并为它们之间的互操作提供条件。（技术手段） （3）互操作（ Interoperability ）：不同PC之间能够透明地访问对方资源的能力，由高层软件来实现。（应用目标）,6.1.1 网络互联的概述,1网络互联 是指把网络与网络连接起来，在用户之间实现跨网络的通 信与操作的技术。 在互联网络中，各网络中的网络资源都应成为互联网资源。 而网络资源的共享服务与物理网络结构是分离（独立）的， 要求互联网络结构对于网络用户是透明的，目的在于屏蔽了各 子网在网络协议、服务类型与网络管理等方面的差异。

3、,6.1.1 网络互联的概述,网络互联的基本要求 （1）在网络之间提供一条链路，至少需要一条物理和链路控制的链路。 （2）在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据。 （3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。 （4）协调各个网络的不同特性。,6.1.1 网络互联的概述,2网络互联类型 计算机网络从传输距离上可以分为局域网、城域网和广 域网3类，所以网络互联的4种连接类型： （1）局域网（LAN） 局域网（LAN） （2）局域网（LAN） 广域网（WAN） （3）局域网（LAN） 广域网（WAN） 局域网（LAN） （4）广域网（WAN） 广域网（WAN）,6.1.1 网络互联的概述,4种连

4、接类型示意图,网关,6.1.2 网络互联的层次,1数据链路层互联 网桥（Bridge） 数据链路层互联的设备。 网桥可用于局域网之间的连接，也能支持局域网的远程连接， 它在网络互联中起到了数据接收、地址过滤与数据转发的作用。 用网桥实现数据链路层互联时，互联网络的数据链路层与物 理层的协议可以相同，也可以不同。,6.1.2 网络互联的层次,2网络层互联 网络层互联主要是解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分 段技术等问题。 路由器（Router）网络层互联设备。 路由器提供了各种速率的链路或子网接口，参加管理网络。 用路由器实现网络层互联时，互联网络的网络层与以下各层 的协议可以相同，也可以不同

5、。,6.1.2 网络互联的层次,3高层互联 网关（Gateway）高层互联的设备。 传输层及以上各层协议不同的网络之间的互联属于高层互联。高层互联使用的网关大多是应用层网关（应用网关）。 用应用网关实现高层互联时，允许两个网络的应用层及以下 各层网络协议是不同的。,6.2 局域网互联设备和应用,6.2.1 网络适配器 6.2.2 中继器 6.2.3 集线器 6.2.4 网桥 6.2.5 以太网交换机,6.2.1 网络适配器,网络适配器（Network Interface Card，NIC）简称网卡，是计 算机与传输介质的接口。 目前常用的网卡是PCI总线接口网卡（Peripheral Comp

6、onent Interconnect，外围设备互连）。 网卡是工作在OSI模型物理层和数据链路层的接口设备，包括 RAM、EPROM、DSP芯片（也称数字信号处理器）、主机总线 接口和物理链路接口、收发器（用于接收和发送物理层传输的 信号）等部件。,6.2.1 网络适配器,网卡的存储器（EPROM）中保存了一个全球唯一的网络节点 地址，称为介质访问控制（Media Access Control，MAC），又叫 硬件地址或网卡地址，由网卡生产厂商在生产网卡时写入网卡的 EPROM芯片中。 以太网的介质访问控制方法（CSMA/CD）在网卡内部实现的。,6.2.1 网络适配器,计算机通过适配器和局域

7、网通信,6.2.1 网络适配器,网卡的工作原理：从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的MAC 地址，若是发往本站的帧则收下，再进一步处理； 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。,IP 数据报,1010 0110,帧,取出,数据 链路层,网络层,链路,物理层,数据 链路层,结点 A,结点 B,(a) 三层简化模型,(b) 仅考虑数据链路层,发送,接收,链路,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,6.2.1 网络适配器,网卡实现CSMA/CD协议具体步骤： （1）在发送数据时，网卡首先侦听传输介质上是否有载波信号，直至传输介质内没有载波信号了，则开始传输数据。 （2

8、）网卡在数据传输中继续侦听，如果检测到信号冲突，则立即停止该次的信号发送，并等待一段时间后，再重新发送数据信号。如果多次重传后仍然发生冲突，就放弃发送。 （3）在接收数据时，网卡查看传输介质上的数据信号，如果发现数据帧中的目的地址与本网卡地址相同，并对数据帧进行差错检测。检验正确的数据帧，网卡才会接收。,6.2.2 中继器,Repeater工作在OSI模型物理层的互联设备，实现两个网络间 电气连接，只用于连接相同局域网（同类型、同协议和同速率）， 维持通过局域网的信号电平，作用是把一个局域网中传输的电信 号增强后再传送到另一个局域网上，扩展局域网段的长度。,6.2.3 集线器,Hub工作在OS

9、I模型的物理层，是将局域网中节点的线缆集中 在一起的设备，作为网络连接（UTP）的中心点。 特点：当网络中某条线路或某个节点出现故障时，不会影响 网络上其他节点的正常工作。,6.2.4 网桥,Bridge是工作在OSI模型数据链路层（MAC子层及LLC子层） 的互联设备。 据此网桥分为： （1）MAC子层网桥：只连接相同局域网 （2）LLC子层网桥：连接不同局域网。,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,6.2.4 网桥,Bridge工作原理：它根据 MAC 帧的目的地址对帧进行转发： 当网桥收到一个帧时，并不是向所有的

10、接口转发此帧，而是 先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再 确定将该帧转发到哪 个接口。,6.2.4 网桥,技术上，网桥可分为 （1）透明网桥：可以连接以太网、令牌环网和FDDI网，但主要 应用以太网中。特点：数据帧在传输时，路径选择由网桥决定。 （2）源路由选择网桥：可连接以太网、令牌环网和FDDI网，主要用于连接令牌环网和FDDI网。特点是：网络中的源节点在发送数据帧时，已知道目标节点的最佳路径。网桥中不存放地址数据表，源节点将到目标节点的最佳路径插入到数据帧的头部。网桥根据帧头中的地址信息转发数据帧。,6.2.4 网桥,1透明网桥 3个主要功能：地址学习、数据帧过滤和转发 工作原理 网桥

11、中保存一个地址数据表，用于存放网桥端口和MAC地址。该表通 过自学习的方式自动地、动态地和自主地建立。 （1）地址数据表初始为空； （2）当一个帧到达网桥某端口时，网桥检索地址数据表： 若该帧目的地址不在表中，则网桥将该数据帧复制到其余端口（除进入 端口）缓冲区中，广播到与这些端口相连的网段中。 若该帧目的地址在表中，将该帧转发到合适端口，并转发给目的主机。,6.2.4 网桥,A向B发送数据时，网桥不会将数据帧转发到LAN2； A向F发送数据时，网桥会转发到LAN2。,6.2.4 网桥,2源路由选择网桥 主要用于连接令牌环网和FDDI网，可用于将大型的令牌环网 和FDDI网分成多个网段，以提高

12、网络的性能。 与透明网桥将路由信息放置在网桥中相反，源路由选择网桥 将路由信息交给源节点处理： 由信息源（非网桥自身）提供传递帧到终点所需的路由信息， 网桥对帧实施转发和过滤依据是帧头部包含的路由信息。,6.2.4 网桥,3网桥主要性能 （1）连接两个不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率网络。 （2）接收从两个局域网介质传来的帧，根据帧目的地址，有选择地从一个网络发送到另一网络，实现通信。 （3）网桥互联的网络在数据链路层以上采用相同协议。 （4）分隔两个网络之间广播通信量，有利于改善互联网络性能与安全性。 （5）对更高层次协议是透明的，即用户看不到它们存在，互联网络看起 来就像一个

13、单一的逻辑网络。 用网桥连接局域网时，当网段之间的数据传输量较大时，网桥可能成 为网络的数据传输瓶颈，从而降低网段之间的通信速度。,6.2.5 以太网交换机,交换机（Switch）是交换式局域网的核心设备，属于OSI模型 中的数据链路层设备，由多端口网桥发展而来。 用交换机互联好处： （1）交换机允许各个网段之间的通信，同时每个网段是独立的冲突域。 （2）可互联不同速度和类型网段，且对网络的大小没有限制。 （3）交换机各端口独享交换机的带宽，可实现全双工通信，例 如，1台100Mb/s的24口交换机，其每个端口理论上均可同时达 到100Mb/s的速率。,6.2.5 以太网交换机,1交换机性能指

14、标 MPPS（每秒可转发多少个百万数据包）和背板带宽。 2交换机分类 以太网交换机有多种分类方法： （1）从外观形态和功能上：模块式交换机和固定端口交换机； （2）从应用规模上：企业级交换机、部门级交换机、工作组级交换机； （3）从实用角度上：低端固定交换机、低端可变端口交换机、中型交换机和高端交换机等。,6.2.5 以太网交换机,3交换机工作方式 交换机的工作方式是存储转发： (1) 将从某个端口接收的数据帧先存储在该端口的缓冲区，解析数据 帧，获得目的MAC地址； (2)在交换机的MAC地址与端口对应地址表中，查找该目的主机所连 的交换机端口； (3) 将数据帧从接收端口直接复制到送出端口

15、缓冲区中，转发给目的 主机。,6.2.5 以太网交换机,4“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护 交换机是利用“端口号/MAC地址映射表”进行数据交换的， 利用“地址学习”方法来动态建立和维护该表。,6.2.5 以太网交换机,5交换机的交换方式 （1）直接交换 一旦接收到数据帧，立刻检出帧中目的地址信息，查询端口的地址表， 如果有该地址项，就把该帧转发到相应端口，不作任何处理。直接交 换的优点是延迟较小；缺点是坏帧也会转发出去。 （2）存储转发交换 与直接交换不同的是增加了一个高速缓冲存储器。 （3）无碎片交换 综合了直接交换和存储转发交换的优点，也称为改进的直接交换。,【课后作业】,思考题

16、： 3 4,6.3 路由器与网关,6.3.1 路由器 6.3.2 网关,6.3.1 路由器,Router是一种能连通不同的网络或网段的互联设备，工作在 网络层，是构建Internet骨干网的核心互联设备。 1路由器的结构 第一代单总线单CPU结构路由器； 第二代单总线主从CPU结构路由器； 第三代单总线对称式多CPU结构路由器； 第四代多总线多CPU结构路由器； 第五代共享内存式结构路由器； 第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器。,6.3.1 路由器,2路由器的组成 通用的路由器由4部分组成： 输入端口、交换结构、选路处理器和输出端口。,6.3.1 路由器,3路由器的特点 （1）寻址能力：IP地址； （2）路由选择：最佳路径； （3）分段和重组：数据包长度； （4）存储转发：分析和格式； （5）数据包过滤：错误的数据包。,6.