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计算机网络实用教程. 第 5 章 网络互连技术. 本章学习要求 ： 1 、了解网络互连的准则； 2 、理解网络互连设备工作原理及互联层次； 3 、掌握各种路由协议的配置，包括静态路由协议、动态路由协议； 4 、了解 Internet 接入技术。. 5.1 网络互连准则. 网络互连的优点： 可以扩大资源共享的范围，使更多的资源可以被更多的用户共享； 网络性能会随着网上结点的增加、网络覆盖范围的扩大而降低，网络互联可以隔离广播域，提高网络的性能； 将具有相同权限的用户主机组成一个网络，在网络互连设备上严格控制其它用户对该网的访问，从而实现网络的安全机制，可以提高安全性；
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第5章 网络互连技术 本章学习要求： 1、了解网络互连的准则； 2、理解网络互连设备工作原理及互联层次； 3、掌握各种路由协议的配置，包括静态路由协议、动态路由协议； 4、了解Internet接入技术。
5.1 网络互连准则 网络互连的优点： • 可以扩大资源共享的范围，使更多的资源可以被更多的用户共享； • 网络性能会随着网上结点的增加、网络覆盖范围的扩大而降低，网络互联可以隔离广播域，提高网络的性能； • 将具有相同权限的用户主机组成一个网络，在网络互连设备上严格控制其它用户对该网的访问，从而实现网络的安全机制，可以提高安全性； • 设备的故障可能导致整个网络的瘫痪，而通过子网的划分可以有效地限制设备故障对网络的影响范围，可以提高可靠性。
网络互连准则 • 不同的子网在性能和访问控制诸多方面存在差异，网络互连除了应当提供不同子网之间的网络通路之外，还应采取措施屏蔽或者容纳这些差异。 • 不能为提高网络之间传输的性能而影响各个子网内部的传输功能和传输性能。从应用的角度看，用户需要访问的资源主要还是集中在子网内部，一般而言，网络之间的信息传输量远小于网络内部的信息传输量。
5.2 网络互联层次及设备 网络互连设备是网络互连的关键，它既可以是专门的设备，也可以利用各子网原有的结点。网络互连设备在内部执行各子网的协议，成为子网的一部分；实现不同子网协议之间的转换，保证执行两种不同协议的网络之间可以进行互连通信。协议转换包括协议数据格式的转换、地址映射、速率匹配、网间流量控制等。参照ISO OSI/RM，协议转换的过程可以发生在任何层次，如果某设备在进行信息的转发时与其他系统共享第n层协议，不共享第n+1层协议，那么这个设备就称为工作在n层互联设备。例如：转发器与集线器工作在物理层，网桥与交换机工作在数据链路层，路由器工作在网络层，网关工作在应用层。
1、转发器与集线器 转发器又被称为中继器或放大器，执行物理层协议，实现电气信号的“接收-放大-整形-发送” .作为一种物理层设备网络互连部件，转发器用于互连两个完全相同的两类网络（例如：两个以太网段），其主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。当被延伸的传输媒体为数字信道时，转发器（中继器）根据阈值电平识别输入信号，并将失真了的数字信号还原到原来的形状（整形）；当被延伸的传输媒体是模拟信道时，转发器（放大器）将衰减的信号放大到适合的数值（放大）。转发器最多只能使用四个
集线器（HUB）就是一种具有多个转发端口的特殊转发器，例如8端口、16端口等，如图5-2所示：集线器（HUB）就是一种具有多个转发端口的特殊转发器，例如8端口、16端口等，如图5-2所示： 图5-2集线器的结构
2、网络适配器 网络适配器也称网络接口卡（Network Interface Card,NIC），简称网卡，工作在数据链路层，与传输介质共同实现 OSI 参考模型中的物理层的全部功能和链路层的大部分功能，即接口的定义、信号的收发、编码、介质访问控制、串并转换等 。
对于网卡而言，每块网卡都有一个唯一的网络结点地址，它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM（只读存储芯片）中的，我们把它叫做MAC地址（物理地址），是由48比特，6个八位组，每个组用16进制表示，如：00-30-18-A2-18-A6，其中前3个八位组（24位）是由生产网卡的厂商向IEEE申请的厂商地址O U I（o rganizationally unique identifier，组织唯一性标识），后3个八位组（24位）由厂商自行分配，如下图所示。
其中，O U I的3个八位组有一位表示G/I（组/个体）位，如果该位是0，则地址指一个特定的站点；如果该位是1，则地址是指站点的一个逻辑组。因此，全球机构并没有真正给出2 4位固定值，而只是固定值中的2 3位，剩下的一位是组/个体位。因此，当厂商购得一个地址块时，他得到了224个站点地址和224个组地址。另外一位是G/L（全球/局域）位，当厂商是从全球机构购得地址块时，全球/本地标志位将被设为0。
网桥又称桥接器或信桥，提供了一种对LAN的扩展，最早是为把那些具有相同物理层和介质访问子层的局域网互连起来而设计的，后来也用于具有不同介质访问MAC协议的局域网的互连，但LLC协议是一致的,如图5-3:网桥又称桥接器或信桥，提供了一种对LAN的扩展，最早是为把那些具有相同物理层和介质访问子层的局域网互连起来而设计的，后来也用于具有不同介质访问MAC协议的局域网的互连，但LLC协议是一致的,如图5-3: 3、网桥与交换机 图5-5 网桥协议转换
也就是说，网桥工作在数据链路层，进行相似的网络间的帧的转发，实现MAC子层的连接，例如：以太网—以太网、以太网—令牌环、以太网--FDDI。也就是说，网桥工作在数据链路层，进行相似的网络间的帧的转发，实现MAC子层的连接，例如：以太网—以太网、以太网—令牌环、以太网--FDDI。
网桥的结构由端口模块，存储模块、软件模块（端口管理软件、协议转换软件、地址表）、转发模块四部分组成，如图5-4所示。网桥的结构由端口模块，存储模块、软件模块（端口管理软件、协议转换软件、地址表）、转发模块四部分组成，如图5-4所示。 图5-6 网桥的结构
网桥的工作过程，就是由这四部分相互协调，实现“查找和转发”的过程。网桥从端口模块接收MAC帧，并把帧存放在缓存，即存储模块，软件模块检查该帧的源地址和目的地址，如果目的地址和源地址在同一网络中，则不对其进行转发，这起到了相应的“过滤”作用，从而实现了对网络的隔离。否则，根据它所保持的MAC地址表选择正确的转发端口，由转发模块进行“转发”，若在MAC地址表中未找到表项，则采用扩散算法转发到所有非输入端口。网桥的工作过程，就是由这四部分相互协调，实现“查找和转发”的过程。网桥从端口模块接收MAC帧，并把帧存放在缓存，即存储模块，软件模块检查该帧的源地址和目的地址，如果目的地址和源地址在同一网络中，则不对其进行转发，这起到了相应的“过滤”作用，从而实现了对网络的隔离。否则，根据它所保持的MAC地址表选择正确的转发端口，由转发模块进行“转发”，若在MAC地址表中未找到表项，则采用扩散算法转发到所有非输入端口。
根据网桥所采用的路由算法的不同，可以将局域网中使用的网桥分为生成树网桥和源路由选择网桥两种。根据网桥所采用的路由算法的不同，可以将局域网中使用的网桥分为生成树网桥和源路由选择网桥两种。
（1）生成树网桥 生成树网桥也叫透明桥（Transparent Bridge）。所谓“透明”，所有的路由判断全部由网桥自己确定。当网桥连接在网络中时，它能自动初始化并对自身进行配置，不需要人工做任何配置。网桥自动初始化的过程，采用一种称为基于向后学习(Backward Learning)的算法来建立和维护其路由表。为了处理动态拓扑问题，每当增加地址端口项时，在这项中注明帧的到达时间。每当表中已有的地址发来的帧到达里，用当前时间更新该项。网桥中的端口管理软件有一进程定期扫描地址端口表，清除存在时间大于某个设定值的全部项，这种处理意味着如果某台机器断开或停机一定时间，网桥中就不再保留该机器有关的地址端口项。
（2）源路由桥 源路由桥是由发送帧的源工作站负责路由选择。 为了选择最佳路由，源站以广播方式向目的站发送路由选择帧，沿所有可能的路径传送。当路由选择帧到达目的站后，就沿原路径返回源站，带回路由信息，源站从所有可能的路径中选择一条最佳路由，记入本站的路由选择表中。此后凡从这个源站向这个目的站发送的帧，其首部都携带源站所确定的路由信息。
路由信息可插入在MAC帧的源地址字段SA之后的路由信息（RI）字段中，用于详细说明从源站到目的站所经过的局域网段和网桥，并用MAC帧源地址字段中第一个字节的最低位1表示这种插入，因为源站只能是单个地址，不可能是为组地址，所以可以用这一位来标识。若源地址字段第一个字节的最低位为“0”，则表示该帧仅在本局域网上传送，不需要网桥转发，如下图。路由信息可插入在MAC帧的源地址字段SA之后的路由信息（RI）字段中，用于详细说明从源站到目的站所经过的局域网段和网桥，并用MAC帧源地址字段中第一个字节的最低位1表示这种插入，因为源站只能是单个地址，不可能是为组地址，所以可以用这一位来标识。若源地址字段第一个字节的最低位为“0”，则表示该帧仅在本局域网上传送，不需要网桥转发，如下图。
交换机，也称为交换式集线器，是一种具有多个转发端口的网桥，工作在数据链路层。交换机和网桥的不同在于,交换机端口数较多,交换机的数据传输效率较高。网桥的数据转发功能是通过软件实现的，交换机的数据帧转发功能是通过硬件实现的，传输时延少，由网桥的几百μs减少到几十μs，传输带宽高。交换机的特点有:支持少量的存储能力、少量的地址表（提高查表速度）、处理相同的帧格式（相同类型的网络互连）、具有分割子网的功能、每个端口独享指定的带宽、支持多个独立的数据流，具有较多的吞吐量硬件交换，交换速度快。交换机，也称为交换式集线器，是一种具有多个转发端口的网桥，工作在数据链路层。交换机和网桥的不同在于,交换机端口数较多,交换机的数据传输效率较高。网桥的数据转发功能是通过软件实现的，交换机的数据帧转发功能是通过硬件实现的，传输时延少，由网桥的几百μs减少到几十μs，传输带宽高。交换机的特点有:支持少量的存储能力、少量的地址表（提高查表速度）、处理相同的帧格式（相同类型的网络互连）、具有分割子网的功能、每个端口独享指定的带宽、支持多个独立的数据流，具有较多的吞吐量硬件交换，交换速度快。
4、路由器 路由器是工作在网络层上的网络互连设备，执行OSI网络层及其下层的协议转换 。 图5-8 路由器协议结构
路由器的基本功能主要如下： • 第一，网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接口，支持局域网和局域网、局域网和广域网互联，实现不同网络互相通信； • 第二，数据处理：提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能； • 第三，网络管理：路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。
路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面： （1）工作层次不同 （2）数据转发所依据的对象不同 （3）传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；而路由器可以分割广播域 （4）路由器提供了防火墙的服务
第三层交换技术 • 第三层交换技术也称多层交换技术或IP交换技术，是相对于传统交换概念而提出的。第三层交换技术就是将交换机制采用硬件进行基于MAC地址转发的思想引入路由器的设计中，大幅度缩短路由器对数据包的处理时间，提高网络数据交换能力。传统路由器通过软件实现路由选择功能，第三层交换的设备通过专用集成电路芯片实现路由选择功能，将数据包处理时间从传统路由器的几千μs减少到几十μs，大大缩短数据包在设备中的传输延迟时间。
其工作过程是： • 假设两个站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送结点A在开始发送时，把自己的IP地址与B的IP地址比较，来确定B站是否与自己在同一子网内。若B与A在同一子网内，则进行二层转发；若两个机器不在同一子网内，发送站A要向“缺省网关”发出ARP请求，而“缺省网关”其实是三层交换机的第三层交换模块软件中设置的IP地址。
所以当发送站A对“缺省网关”广播出一个ARP请求时，如果第三层交换模块在以往的通信过程中已得到B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否则第三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请示后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。所以当发送站A对“缺省网关”广播出一个ARP请求时，如果第三层交换模块在以往的通信过程中已得到B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否则第三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请示后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。
从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，这就是所谓的“一次选路，多次交换”。因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，这就是所谓的“一次选路，多次交换”。因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。
5、网关 转发器、网桥和路由器主要用于下三层有差异的子网的互连，互连后的网络仍然属于通信子网的范畴。而网关是工作在高层的协议翻译器。不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，必须使用网关。网关，同时也可以提供过滤和安全功能。网关根据工作的层不同可分为：传输层网关、应用层网关，大多数工作在应用层。
图5-9 网关协议转换图 图5-10 网关协议转换
5.3 路由选择技术 1、路由选择算法 网络互联，使得通信子网为端结点的通信提供了多条传输路径的可能性，端结点主要完成数据的分组和组装，中间结点则基于存储-转发技术，采用一定的算法在多条传输路径中选择一条来，并维持一个路由表来记录有关的路径信息，采用的算法就是路由选择算法。在数据报方式中，网络结点要为每个分组做出路由选择，而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。路由选择算法有多种，大致可分成静态算法和动态算法两大类。
静态路由是在路由器中设置的固定路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。静态路由是在路由器中设置的固定路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。
动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。
静态路由和动态路由有各自的特点和适用范围，因此在网络中动态路由通常作为静态路由的补充。当一个分组在路由器中进行寻径时，路由器首先查找静态路由，如果查到则根据相应的静态路由转发分组；否则再查找动态路由。静态路由和动态路由有各自的特点和适用范围，因此在网络中动态路由通常作为静态路由的补充。当一个分组在路由器中进行寻径时，路由器首先查找静态路由，如果查到则根据相应的静态路由转发分组；否则再查找动态路由。
2、路由选择协议 在动态路由选择算法中，路由器通过与相邻结点周期地交换路由信息来更新和维护路由表，交换路由信息所使用的协议就是路由协议。 因特网采用分层次的路由选择协议，之所以采用层次的路由选择协议主要基于以下两点考虑。第一，因特网的规模非常大，如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和。第二，许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议（这属于本部门内部的事情），但同时还希望连接到因特网上。
为了能够采用分层的路由协议，因特网引入了自治系统 AS的概念。自治系统 AS 的定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由，同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS之间的路由。在AS的基础上，因特网引入了两大类路由选择协议 ：
内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如路由选择信息协议RIP（Routing Information Protocol） 、开放式最短路径优先OSPF (Open Shortest Path First)、中间系统到中间系统的路由选择协议IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Routing Protocol）、Internet组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol）等。 • 外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是边界网关协议BGP-4。
自治系统B 自治系统A 用外部网关协议 （例如，BGP-4） R1 内部网关协议 （例如，OSFP） 内部网关协议（例如，RIP） （例如，RIP） 图5-11 Internet 路由协议关系
3、RIP协议 • 路由信息协议（RIP）协议是基于DVR距离矢量的路由选择协议。RIP协议中，如果路由器A和网络B直接相连，那么路由器A到网络B的距离就是1。如果从路由器A出发，到达网络B中间需要经过N个路由器，那么路由器A到网络B的距离就是N+1。RIP协议中的距离也称为“跳数”，每增加一个路由器，跳数就加1。 • RIP协议允许一条路径上最多包含15个路由器，因此距离的最大值为16（表示网络不可达），所以RIP协议只适合于小型的网络。在RIP协议中，路由表不但要记录到达目的网络的下一站信息，还要记录到达目的网络的距离（跳数）。如图5-9所示：
RIP协议认为距离最小的路就是最好的路，其工作原理如下：RIP协议认为距离最小的路就是最好的路，其工作原理如下： • 每个路由器每隔30s给自己的所有的邻居路由器广播RIP报文，报文的内容是这个路由器当前的路由表信息。 • 收到邻居路由器的路由表信息后，每个路由器都要更新自己的路由表，填加新的路由表项后更改旧的路由表项。这样下一次就可以将更新后的路由表告诉自己的领居。 • 如果180s内没有收到某个路由器的路由表信息，就认为这个路由器出了故障，路由表中所有以这个路由器为下一站的表项中的距离修改为16，表示目的网络不可达。 • 经过一段时间后，每个路由器都会知道到达每个网络的路由，构建出完整的路由表。
4、OSPF协议 RIP协议比较简单，但只适用于规模较小的网络（跳数<=16)。并且定期广播路由表会耗费比较大的网络资源。开放的最短路径优先OSPF协议（Open Shortest Path First）是对RIP的改进，支持大型的网络。OSPF是基于链路状态的路由协议。 对于一个路由器而言，它的链路状态是指这个路由器与哪些路由器相邻，以及它们之间链路的“度量”。 OSPF使用带宽、延时、负载、距离和费用等多种因素来考虑度量，度量越小，代价越低。链路状态不包含路由信息，只是表明了两个路由器之间的连接状态。 每个路由器都有一个链路状态数据库，记录当前网络的连接状况。
OSPF支持大型的网络，它将一个自治系统分为若干个区域，每个区域内的路由器相互交换链路状态信息，区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。 存在一个主干区域，连接各个区域，主干区域负责收集非主干区域发出的汇总路由信息，并将这些信息发送给到各区域。划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域，如图所示：
OSPF由五种类型的分组来完成链路的更新： • 类型1，问候(Hello)分组。 • 类型2，数据库描述(Database Description)分组。 • 类型3，链路状态请求(Link State Request)分组。 • 类型4，链路状态更新(Link State Update)分组，用洪泛法对全网更新链路状态。 • 类型5，链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组。
OSPF的工作原理就是由该五类分组完成 ： • 每个路由器会周期性地向相邻路由器发送探测报文，检测其是否可达。如果邻站给与应答，说明链路正常；否则说明链路出了故障。 • 如果一个路由器检测到某条链路状态发生了变化，该路由器就发送链路状态更新报文，使用泛洪法对全网更新链路状态。所谓泛洪法是指每个路由器收到更新报文后都将这个报文发送给自己的相邻路由器，直到报文送达到整个网络。 • 即便链路状态没有发生变化，每隔30分钟路由器要向网络中的其他路由器广播链路状态信息，以确保链路状态数据库与全网保持一致。 • 每个路由器收到其他路由器的链路状态信息后，更新链路状态数据库，构建整个网络的拓扑图，利用Dijkstra的最短路径算法计算出到达每个网络的最短路径。
