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第四章

第四章. 网络互联. 4.1 网络互联概述. 所谓网络互联就是利用网络互联设备，将两个或者两个以上具有独立自治能力的计算机网络连接起来，通过数据通信，扩大资源共享和信息交流的范围，以容纳更多的用户。 由于目前存在着局域网和广域网两种类型的网络，因而可对应有以下 3 种网络互联： 1 ） LAN 与 LAN 互联 2 ） LAN 与 WAN 互联 3 ） WAN 与 WAN 互联. 网络互联的目的，主要是在地理位置不同的网络之间建立通信链路，完成信息的交换。 根据网络分层，网络之间的互联有以下 不同方法：.

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第四章

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  1. 第四章 网络互联

  2. 4.1 网络互联概述 • 所谓网络互联就是利用网络互联设备，将两个或者两个以上具有独立自治能力的计算机网络连接起来，通过数据通信，扩大资源共享和信息交流的范围，以容纳更多的用户。 • 由于目前存在着局域网和广域网两种类型的网络，因而可对应有以下3种网络互联： 1）LAN与LAN互联 2）LAN与WAN互联 3）WAN与WAN互联

  3. 网络互联的目的，主要是在地理位置不同的网络之间建立通信链路，完成信息的交换。网络互联的目的，主要是在地理位置不同的网络之间建立通信链路，完成信息的交换。 • 根据网络分层，网络之间的互联有以下 不同方法： • 在物理层之间相连，此时，网络互联设备称为中继器（Repeater）； • 在数据链路层之间相连，此时网络互联设备称为网桥或桥接器（Bridge）； • 在网络层之间互联，此时网络互联设备称为路由器（Router）； • 在网络层以上的各层互联，此时网络互联设备称为网关或信关（Gateway）。

  4. 网络各层之间的连接，需要解决的问题是不同的，其任务也不相同。因此，各种网络设备的工作原理和结构也是大不相同的。网络各层之间的连接，需要解决的问题是不同的，其任务也不相同。因此，各种网络设备的工作原理和结构也是大不相同的。 • 一般说来，愈是低层的网络互连设备，需要完成的任务愈少，功能也愈差，当然结构也愈简单；而愈是高层的网络互联设备需要完成的任务愈多，功能也愈强，当然结构也愈复杂。 • 目前，中继器、网桥、路由器、网关等网络设备都有着广泛的应用。

  5. 4.2 网卡和调制解调器 • 4.2.1 网卡 网卡(Network Interface Card，NIC)也叫网络适配器，是连接计算机与网络的硬件设备。网卡插在计算机或服务器扩展槽中，通过网络线（如双绞线、同轴电缆或光纤）与网络交换数据、共享资源。 • 一般而言，网卡可采用3种方式来分类：以接头种类区分、以总线（Bus）接口区分、以带宽（Bandwidth）区分。

  6. 4.2.1 网卡 • 1. 以接头种类区分 • 网卡上的接头有3种：AUI接头、BNC接头与RJ-45接头，它们分别用来连接3种不同的网线，即AUI线缆、RG-58线缆与双绞线（包括UTP及STP两种）。 AUI接头 BNC接头 RJ-45接头

  7. 2. 以带宽区分 • 目前局域网的带宽可区分为10 Mbit/s、100 Mbit/s 和1 000 Mbit/s 这3 个等级，因此若以带宽来区分网卡，也就有这3 种等级的网卡。 • 3. 以总线接口区分 • 网卡对外要连接网线，对内则是插在计算机的扩展槽上，通过“总线”（Bus）与计算机沟通。而总线的不同，直接影响到网卡的传输速率，所以看网卡的第二要诀，就是看它的总线接口，目前市面上常见的网卡有４种接口。

  8. 1 16 bit ISA接口的网卡 32 bit PCI接口的网卡 USB接口的网卡 PC卡式的网卡

  9. 4.2.2 调制解调器 • 4.2.2 调制解调器 调制解调器（即Modem），是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。 • 1. 以连接方式区分 • 调制解调器与计算机的连接方式可分为内置和外置。

  10. 内置调制解调器 外置调制解调器（使用RS-232接口） USB插座 电话线插孔 外置调制解调器使用ＵＳＢ接口 外置调制解调器

  11. 外置与内置的比较 1.外置式Modem的优势很明显，如安装使用简单方便，性能稳定，不占用计算机扩展曹，占用计算机的资源少，兼容性较强，面板上指示灯能方便用户了解Modem的工作状态，扬声器的声音更逼真、清晰。缺点是外置式Modem的价格相对与内置式Modem来说偏高。2.内置式Modem是指插在计算机内部的扩展槽上的Modem。它对主机来说，会模拟成一个端口以及占用一个主机的中断资源。内置式Modem的最大优点是价格便宜，而且省去了电源线，电缆线和空间。但安装内置式Modem比较麻烦，多多少少都要占用CPU资源。

  12. 2. 以上网带宽区分 • 以带宽区分，调制解调器可分为窄带和宽带。窄带指的是带宽在56 kbit/s以下的调制解调器，也就是传统的调制解调器。

  13. 4.3 物理层互联设备 • 4.3.1 中继器 • 中继器（repeater）是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

  14. 具有光纤和BNC接口的中继器 背面的RJ-45接口 背面的BNC接口 具有AUI和RJ-45接口的中继器

  15. Repeater 500m 中继器实现互联

  16. Repeater 特性: (1)它工作在物理层,在物理层扩展网络,只具有简单的放大、再生物理信号的功能; (2)它只能连接相同的局域网。(3)它可以连接相同传输介质的同类局域网，也可以连接不同传输介质的同类局域网。 (4)用中继器连接的局域网在物理上是一个网络，也就是说中继器把多个独立的物理网络连接成为一个大的物理网络。 (5)由于中继器在物理层实现互联，所以它对物理层以上各层协议完全透明，也就是说，中继器支持数据链路层及其以上各层的任何协议。

  17. 4.3.2 集线器 • 4.3.2 集线器 • 集线器（Hub）可以说是一种特殊的中继器，作为网络传输介质间的中央节点，它克服了介质单一通道的缺陷。以集线器为中心的优点是：当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。集线器可分为无源（Passive）集线器、有源（Active）集线器和智能（Intelligent）集线器。

  18. 无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号作任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半。无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号作任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半。 • 有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能。 • 智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集成到集线器中，如网络管理、选择网络传输线路等。

  19. 迷你型集线器 5口的集线器

  20. HUB • 　集线器的Port虽然可以有很多个，但是要记住一个重要的概念：在任何时刻只能有一对Port在传输数据，不能多对Port同时传输。 • 　换句话说，所有的Port都是共享一个传输带宽，因此这种集线器又称为“共享式集线器”。共享式集线器的最大缺点，就是当连接的计算机越来越多时，大家抢用带宽的情况就越激烈，因此每部计算机平均能抢到的概率越少，可是一旦抢到手，还是有完整的10Mbit/s(或100Mbit/s)带宽可用。

  21. HUB • 　除了以Port数量多少来区分集线器之外，另一项非常重要的考虑因素为所适用的带宽，同网卡一样，集线器可分为： 1) 10Mbit/s集线器 10Mbit/s集线器当然用在10 BASE-T的网络结构上，上面通常标示着“10 BASE-T Ethernet Hub”或“Ethernet Hub”字样。 2) 100Mbit/s集线器 　　目前市面上大多数的产品，应该都是100 BASE-TX这种规格。

  22. HUB 3) 10+100Mbit/s集线器 4) 10/100M集线器 5) 堆叠式集线器 　　假设集线器的接口不够用，就得将Hub串接起来，10Mbit/s的Hub可使用同轴电缆或UTP线连接，100Mbit/s的Hub，则只适合以UTP线串接(因同轴电缆限于10Mbit/s的带宽)。但是这种串接方式仍受到“5-4-3原则”的限制，Hub的数量不能太多，如果Port数目还是不够用，改用“堆叠式集线器”应该是最佳的解决方案。

  23. 所谓“5-4-3原则”是指：以太网最多只能使用４个中继器（包含集线器），所以会形成５个网段，但只有３个网段可以连接计算机，其余两个网段因为不能连接计算机，只能用来扩展距离，故称为IRL(Inter Repeater Link)。而整个原则当中分别分别出现了“5”、“４”、“３”３个数字，为方便记忆便称为“5-4-3原则”。 “5-4-3原则”扩充局域网示意图

  24. 提示： 集线器（Hub）是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。但是，严格来说，集线器未必是中继器，因为某些集线器并无加强信号的功能，只是单纯地集中线路而已。

  25. 4.4 数据链路层互联设备 • 4.4.1 网桥 • 网桥(bridge),在网络互联中它起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，用来实现多个网络系统之间的数据交换。 网桥的基本特征： • 1. 网桥在数据链路层上实现局域网互连； • 2. 网桥能够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； • 3. 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信； • 4. 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议； • 5. 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。

  26. 1.网桥的类型 根据网桥的路径选择方法、网桥的工作层次和网桥连接的两个局域网之间的距离，可以将网桥分为： 1）透明桥 2）源路由桥 3）MAC桥 4）LLC桥 5）本地桥 6）远程桥

  27. 2.网桥的工作原理 网桥不是一个复杂的设备，它的工作原理是：网桥接收一个整帧，然后分析进入的帧，并基于包含在帧中的信息，根据帧的目的地址(MAC地址)段，来决定是删除这个帧，还是转发这个帧。如果目的站点和发送站点在同一个局域网，换句话说，就是源局域网和目的局域网是同一个物理网络，即在网桥的同一边，桥则将帧删除，不进行转发；如果目的局域网和源局域网不在同一网络时，桥则进行路径选择，并按着指定的路径将帧转发给目的局域网。

  28. 网桥的工作过程： 图4－10 互联不同局域网时网桥的工作流程图

  29. 3.网桥的作用 网桥的主要作用是将两个以上LAN互联为一个逻辑网，以减少局域网上的通信量，提高整个网络系统的性能。网桥的另一个作用是扩大网络的物理范围。另外，由于网桥能隔离一个物理网段的故障，所以网桥能够提高网络的可靠性。网桥与中继器相比有更多的优势，它能在更大的地理范围内实现局域网的互联。网桥在转发数据帧的同时，能够根据MAC地址对数据帧进行过滤，而且网桥可以连接不同的网络。

  30. 5.特性：（1）不受介质访问子层中冲突域的限制而扩展网长，对于网站众多的共享LAN 可以隔离LAN 段，为每一个LAN段提供相同的带宽，提高了网络效率。（2）具有存储、转发、过滤功能，使应当发送到另一LAN的信息正确转发,均衡网络负载,隔离网段的作用。（3）还具备一些高级功能，如定制过滤器、强化安全选择和桥服务分级等。这些都因桥模型而异。（4）工作依赖于设备的物理地址（MAC地址）（5）不能隔离广播分组，对广播风暴无能为力。使用时不能成环

  31. 4.4.2 交换机 • 4.4.2 交换机 • 交换机(Switch)也叫交换式集线器，是一种基于MAC (网卡的介质访问控制地址)识别、能完成封装转发数据包功能的网络设备。它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用。交换机不懂得IP地址，但它可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

  32. 交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个端口上数据的快速有效传输。由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，而不会向所有端口发送，避免了和其它端口发生冲突，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输冲突，提高了网络的实际吞吐量。交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个端口上数据的快速有效传输。由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，而不会向所有端口发送，避免了和其它端口发生冲突，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输冲突，提高了网络的实际吞吐量。 图4－11 交换机

  33. 6 Port 100 Mbit/s交换机 适用于两种环境(10M和100Mbps)的交换机

  34. 网桥与交换机 • 网桥与交换机： 交换机与网桥有很多共同的属性，它们都工作在数据链路层，但也有一些不同之处。交换机比网桥转发速度快，因为它用硬件实现交换，而网桥是用软件实现交换的。有些交换机支持直通网交换，直通式交换机减少了网络的抖动与延迟，而网桥仅支持存储转发。交换机为每个网段提供专用带宽，能够减少碰撞，而且交换机还能提供更高的端口密度。由于交换机比网桥具有更好的性能，因此，网桥将逐渐被交换机所取代。

  35. 交换机与集线器 • 交换机与集线器的区别： 集线器的功能只是一个多端口的转发器，无论从哪个端口传出来的讯号都会整形再生放大后向所有的端口广播出去，并且所有的端口都会挤用同一个共享信带的带宽，造成数据量大时所有端口的带宽大幅减少；而交换机相当于多端口桥，它为用户提供的是独占的点对点的连接，数据包只发向目的端口而不会向所有端口发送，这样减少了信号在网络发生碰撞，而且交换机上的所有端口均有独享的信道带宽。

  36. 4.5 网络层互联设备 • 4.5.1 路由器 （1）特性： • 它工作在网络层,不仅在转发数据的方法与网桥不同，而且在互联的网络本质也不同（网桥互联的网络是一个单一的逻辑网络，而用路由器互联的网络是多个不同的逻辑子网)。 • 它既可以连接同类网络，也可连接异构网络。多协议路由器能支持多种不同的网络层协议（IP及IPX）。 • 路由器能容易地实现LAN-LAN、WAN-WAN和LAN-WAN-LAN的多种网络连接形式。它的最典型的应用在INTERNET上。 • 路由器可以隔离广播分组，使用时可以成环。

  37. 4.5.1 路由器 • （2）工作原理： 它工作依赖设备的逻辑地址（如：IP地址），对到来的数据包进行过滤和转发（以寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点）。为了完成该任务，在路由器中存在着各种传输路径的相关数据-----路由表。路由表可以是系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改的（即动态路由） 动态路由：是由守护进程自动更新路由表。通常路由选择的守护进程周期性侦听所有路由刷新信息，并将收到的信息广播，以便其他路由器更新其路由表。 图4－12 路由器

  38. 图4－13局域网中路由器的连接

  39. 4.5.1 路由器 • （3）基本功能： • 路由选择 所谓路由选择就是通过路由算法确定到达目的地址（目的端的网络地址）的最佳路径。路由选择实现的方法是：路由器通过路由选择算法，建立并维护一个路由表。在路由表中包含着目的地址和下一跳路由器地址等多种路由信息。路由表中的路由信息告诉每一台路由器应该把数据包转发给谁，它的下一跳路由器地址是什么。路由器根据路由表提供的下一跳路由器地址，将数据包转发给下一跳路由器。通过一级一级地把数据包转发到下一跳路由器的方式 ，最终把数据包传送到目的地。 • 数据转发

  40. 实例 • 假设有这样一个简单的网络。如图所示，A、B、C、D四个网络通过路由器连接在一起。 • 现在我们来看一下在如图所示网络环境下路由器又是如何发挥其路由、数据转发作用的。现假设网络A中一个用户A1要向C网络中的C3用户发送一个请求信号时，信号传递的步骤如下：

  41. 第1步：用户A1将目的用户C3的地址C3，连同数据信息以数据帧的形式通过集线器或交换机以广播的形式发送给同一网络中的所有节点，当路由器A5端口侦听到这个地址后，分析得知所发目的节点不是本网段的，需要路由转发，就把数据帧接收下来。 • 第2步：路由器A5端口接收到用户A1的数据帧后，先从报头中取出目的用户C3的IP地址，并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。因为从分析得知到C3的网络ID号与路由器的C5网络ID号相同，所以由路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳途经。 • 第3步：路由器的C5端口再次取出目的用户C3的IP地址，找出C3的IP地址中的主机ID号，如果在网络中有交换机则可先发给交换机，由交换机根据MAC地址表找出具体的网络节点位置；如果没有交换机设备则根据其IP地址中的主机ID直接把数据帧发送给用户C3，这样一个完整的数据通信转发过程也完成了。

  42. 4.6 网关 • 一、网关的定义与特性1、网关可以概括为能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。从原理上讲，网关实际上是通过重新封装信息以使它们能被另一个系统处理。2、网关可以设在服务器、微型计算机或大型计算机上。3、网关工作在OSI七层协议的传输层或更高层。4、网关主要是用于连接不同体系结构的网络或LAN与主机的连接。 网关端口:4个10M/100M、2个RJ-11

  43. 4.3.2 网关 • 二、网关的分类1、 协议网关：通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一转换过程可以发生在OSI参考模型的第二层、第三层、或第二层、第三层之间。2、应用网关：是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。3、全网关：是各种技术的融合，具有重要的保护作用。

  44. TCP/IP协议下的网关 • TCP/IP协议里的网关是最常用的，在这里我们所讲的“网关”均指TCP/IP协议下的网关。 • 那么网关到底是什么呢？网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机（如附图所示）。网络B向网络A转发数据包的过程也是如此。

  45. 什么是默认网关如果搞清了什么是网关，默认网关也就好理解了。就好像一个房间可以有多扇门一样，一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。

  46. 4.7 广域网实例 • 公用电话交换网PSTN • 不对称式数字用户线ADSL • 有线电视网Cable Modem • 公用分组交换网X.25 • 数字数据网DDN • 帧中继FR • 综合业务数字网ISDN • 交换式多兆位数据服务SMDS

  47. 1. PSTN • 公共电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network)是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的网络。 • 电话网概括起来主要由三个部分组成：本地回路、干线和交换机。其中干线和交换机一般采用数字传输和交换技术，但本地回路(也称用户环路)基本上采用模拟线路。 • 当两台计算机想通过PSTN传输数据时，中间必须经双方Modem实现计算机数字信号与模拟信号的相互转换。

  48. PSTN • 拨号线连接 模拟信号 数字信号 数字信号 PSTN • 特点： • 使用公用交换电话网PSTN作为通信线路 • 借助传输速率为9.6~56Kbps的调制解调器 • 采用电路交换技术，话音传输和计算机数据通信不能同时进行

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