第3章-网络互联.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,1.,*,2007,第,3,章,网络互联,计算机网络技术基础,主讲教师,:,郑洪凯,返回总目录,第,3,章网络互联,网络世界发展迅猛,各种技术丰富多采。在过去的,20,年中最为成功的一项技术就是网络互联,(Internetworking),技术。网络互联是指将使用不同链路层协议的单个网络连结,成一个整体,使之能够相互通信的一种技术和方法。,正是由于发展和设计了网络互联协议,(,如,IP),才使网络互联成为可能。互连网中的主机利用互联协议服务,必要时通过路由器进行通信。,教学目的,OSI,参考模型,网络互联设备,网络拓扑,结构,本章内容,在计算机网络产生之初，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构的概念，它们之间互不相容。为此，国际标准化组织（,ISO,）在年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统互联的体系结构,(Open Systems Interconnection),简称,OSI,，,开放,这个词表示：只要遵循,OSI,标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循,OSI,标准的其他任何系统进行连接。这个分委员提出了开放系统互联，即,OSI,参考模型，它定义了连接异种计算机的标准框架。,OSI,参考模型OSI,参考模型,OSI,参考模型分为层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。各层的主要功能及其相应的数据单位如下：,OSI,参考模型,物 理 层,(Physical Layer),我们知道，要传递信息就要利用一些物理媒体，如双纽线、同轴电缆等，但具体的物理媒体并不在,OSI,的,7,层之内，有人把物理媒体当作第,0,层，物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性。如规定使用电缆和接头 的类型，传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。,数 据 链 路 层,(Data Link Layer),数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发方重发这一帧。,OSI,参考模型,网 络 层,(Network Layer),在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息,-,源站点和目的站点地址的网络地址。,OSI,参考模型,传 输 层,(Transport Layer),该层的任务时根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。在这一层，信息的传送单位是报文。,OSI,参考模型,会 话 层,(Session Layer),这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。,OSI,参考模型,表 示 层,(Presentation Layer),这一层主要解决拥护信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于,OSI,系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作都由表示层负责。,OSI,参考模型,应 用 层,(Application Layer),应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。,OSI,参考模型,网络,互联通常是指将不同的网络或相同的网络用互联设备连接在一起而形成一个范围更大的网络，也可以是为增加网络性能和易于管理而将一个原来很大的网络划分为几个子网或网段。对局域网而言，所涉及的网络互联问题有网络距离延长；网段数量的增加；不同,LAN,之间的互联及广域互联等。网络互联中常用的设备有路由器（,Router,）和调制解调器（,Modem,）等，下面分别进行介绍。,网络互联设备,网络互联设备,什么是路由器,在互联网日益发展的今天，是什么把网络相互联接起来？是路由器。路由器在互联网中扮演着十分重要的角色，那么什么是路由器呢？通俗的来讲，路由器是互联网的枢纽、,交通警察,。路由器的定义是：用来实现路由选择功能的一种媒介系统设备。所谓路由就是指通过相互联接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。通常人们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是完全一样的,。,网络互联设备,其实，路由和交换之间的主要区别就是交换发生在,OSI,参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。,网络互联设备,路由器是互联网的主要节点设备,。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（,routing,），这也是路由器名称的由来（,router,，转发者）。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于,TCP/IP,的国际互联网络,Internet,的主体脉络，也可以说，路由器构成了,Internet,的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互联的质量。因此，在园区网、地区网、乃至整个,Internet,研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个,Internet,研究的一个缩影。,网络互联设备,路由器的作用,路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。选择通畅快捷的近路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益来。,网络互联设备,路由器的结构路由器的体系结构,从体系结构上看，路由器可以分为第一代单总线单,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等多类。,网络互联设备,路由器的构成,路由器具有四个要素：输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。,网络互联设备,路由器的类型,互联网各种级别的网络中随处都可见到路由器。接入网络使得家庭和小型企业可以连接到某个互联网服务提供商；企业网中的路由器连接一个校园或企业内成千上万的计算机；骨干网上的路由器终端系统通常是不能直接访问的，它们连接长距离骨干网上的,ISP,和企业网络互联网的快速发展无论是对骨干网、企业网还是接入网都带来了不同的挑战。骨干网要求路由器能对少数链路进行高速路由转发。企业级路由器不但要求端口数目多、价格低廉，而且要求配置起来简单方便，并提供,QoS,。,网络互联设备,1,接入路由器,接入路由器连接家庭或,ISP,内的小型企业客户。接入路由器已经开始不只是提供,SLIP,或,PPP,连接，还支持诸如,PPTP,和,IPSec,等虚拟私有网络协议。这些协议要能在每个端口上运行。诸如,ADSL,等技术将很快提高各家庭的可用带宽，这将进一步增加接入路由器的负担。由于这些趋势，接入路由器将来会支持许多异构和高速端口，并在各个端口能够运行多种协议，同时还要避开电话交换网。,网络互联设备,2,企业级路由器,企业或校园级路由器连接许多终端系统，其主要目标是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互联，并且进一步要求支持不同的服务质量。许多现有的企业网络都是由,Hub,或网桥连接起来的以太网段。尽管这些设备价格便宜、易于安装、无需配置，但是它们不支持服务等级。相反，有路由器参与的网络能够将机器分成多个碰撞域，并因此能够控制一个网络的大小。此外，路由器还支持一定的服务等级，至少允许分成多个优先级别,。,网络互联设备,3,骨干级路由器,骨干级路由器实现企业级网络的互联。对它的要求是速度和可靠性，而代价则处于次要地位。硬件可靠性可以采用电话交换网中使用的技术，如热备份、双电源、双数据通路等来获得。这些技术对所有骨干路由器而言差不多是标准的。骨干,IP,路由器的主要性能瓶颈是在转发表中查找某个路由所耗的时间。当收到一个包时，输入端口在转发表中查找该包的目的地址以确定其目的端口，当包越短或者当包要发往许多目的端口时，势必增加路由查找的代价,。,网络互联设备,4,太比特路由器,在未来核心互联网使用的三种主要技术中，光纤和,DWDM,都已经是很成熟的并且是现成的。如果没有与现有的光纤技术和,DWDM,技术提供的原始带宽对应的路由器，新的网络基础设施将无法从根本上得到性能的改善，因此开发高性能的骨干交换,/,路由器（太比特路由器）已经成为一项迫切的要求。太比特路由器技术现在还主要处于开发实验阶段。,网络互联设备,调制解调器,（,Modem,）作为末端系统和通信系统之间信号转换的设备，是广域网中必不可少的设备之一。分为同步和异步两种，分别用来与路由器的同步和异步串口相连接，同步可用于专线、帧中继、,X.25,等，异步用于,PSTN,的连接。,调制解调器（,Modem,）,网络互联设备,网络拓扑,结构是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。将参与,LAN,工作的各种设备用媒体互联在一起有多种方法,实际上只有几种方式能适合,LAN,的工作。如果一个网络只连接几台设备,最简单的方法是将它们都直接相连在一起，这种连接称为点对点连接。用这种方式形成的网络称为全互联网络,如下图所示。,网络拓扑结构,网络拓扑结构,网络拓扑结构,图中有,6,个设备，在全互联情况下,需要,15,条传输线路。如果要连的设备有,n,个,所需线路将达到,n(n-1)/2,条,!,显而易见,这种方式只有在涉及地理范围不大，设备数很少的条件下才有使用的可能。即使属于这种环境,在,LAN,技术中也不使用。我们所说的拓扑结构，是因为当需要通过互联设备,(,如路由器,),互联多个,LAN,时,将有可能遇到这种广域网,(WAN),的互联技术。目前大多数网络使用的拓扑结构有,3,种,:,星行拓扑结构,;,环行拓扑结构,;,总线型拓扑结,;,1.,星型拓扑结构,星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如下图所示。其中,图,(a),为电话网的星型结构,图,(b),为目前使用最普遍的以太网,(Ethernet),星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为,Hub,。,网络拓扑结构,a),电话网的星行结构,(b),以,Hub,为中心的结构,网络拓扑结构,这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。,网络拓扑结构,这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如下图所示。每个,Hub,与端用户的连接仍为星型,Hub,的级连而形成树。然而,应当指出,Hub,级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。,以,Hub,构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式,网络拓扑结构,2.,环型网络拓扑结构环型结构在,LAN,中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图,5,所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。,环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图,5,中,用户,N,是用户,N+1,的上游端用户,N+1,是,N,的下游端用户。如果,N+1,端需将数据发送到,N,端，则几乎要绕环一周才能到达,N,端。,网络拓扑结构,环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。,网络拓扑结构,3.,总线拓扑结构总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如下图所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。,网络拓扑结构,这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是网络技术中使用最普遍的一种。,