网络与信息技术

1. 网络与信息技术 第四章 网络互联 中国地质大学网络教育学院 杨强根

2. 内容提要 • 4.1 网络互联概论 • 4.1.1 网络互联的层次 • 4.2 网络互联设备 • 中继器（Repeater） • 网桥(Bridge） • 路由器（Router） • 网关（Gateway) • 集线器（HUB或Concentrator） • 交换机（Switch） • 4.3 虚拟局域网 • VLAN的特点与类型 • 4.4 ATM网络 • ATM的特点 • ATM交换原理 • ATM交换机 • ATM参考模型 中国地质大学网络教育学院 杨强根

3. 4.1 网络互联概论 • 网络互联是指用网络互联设备将两个以上的计算机网络（LAN或WAN）联接起来，构成更大的网络系统，实现网络间信息交换和资源共享。 • 网络互联主要解决个计算机网络之间的联通性和互操作性。联通性是指将个网络通信用的“信息高速公路”联接起来，一般对应于OSI模型的低三层协议。互操作性是指互联网上的一个网络用户与另一个网络用户相互透明交换信息的能力，而不管这两个网络上的硬件、软件的差异，互操作性对应于OSI模型的高层协议。 • 网络互联可分为以下四种形式： • 1、局域网之间的互联（LAN-LAN）； • 2、局域网与广域网之间的互联（LAN-WAN）； • 3、广域网之间的互联（WAN-WAN）； • 4、通过广域网实现局域网之间的互联（LAN-WAN-LAN）。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

4. 4.1.1 网络互联的层次 • 由于网络体系结构上的差异，实现网络互联可在不同的层次上进行。按OSI模型的层次划分，可将网络互联分为四个层次，与之对应的网络互联设备分别是： • 1）中继器（Repeater）：实现物理层的互联，在不同的电缆段之间复制位信号；2）网桥（Bridge）：实现数据链路层的互联，在局域网之间存储转发数据帧；3）路由器（Router）：实现网络层的互联，在不同的网络之间存储转发数据分组；4）网关（Gateway）：实现网络高层的互联，在网络的高层使用协议转换完成网络册互联。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

5. 4.1.1 网络互联的层次 • 按不同网络互联接口特性划分，也可将网络互联分为节点级互联和主机级互联。节点级互联相当于在网络层及以下进行互联，主机级互联相当于在网络层以上的层次进行互联，即使用网关进行的互联。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

6. 4.2 网络互联设备--中继器（Repeater） • 中继器（Repeater）是在物理层上实现局域网网段互联的设备，负责联接各个电缆段，对信号进行放大和整形，用来驱动长线电缆，起到在不同电缆段间复制信号的作用。中继器并不理解诸如协议、数据包地址及有关数据传输的事情，实际上中继器是一硬件设备，用来扩展LAN的跨度，起操作遵循物理层协议。严格说来，中继器不能称为网间联接器，它只是一种网段扩展的设备。 • 中继器通常是连接两个网段的具有两个端口的设备。当信号由一个端口进入被放大和整形后由另一端口发送出去。中继器不能用来联接不同网络类型的网段，不能用于将网络中的通信分段，以减少阻塞。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

7. 4.2 网络互联设备—网桥（Bridge） • 网桥（Bridge）是一种数据链路层上的网络互联设备，负责在数据链路层（LLC层）将信息帧进行存储转发，一般不对转发帧进行修改。 • 网桥可用于联接同构型LAN，也可用于联接异构网。按路由选择算法不同，可分为透明网桥（Transparent Bridge）和源路由选择网桥（Source Routing Bridge）两种。透明网桥技术主要用于以太网环境，源路由桥接技术主要用于令牌环网。 • 透明网桥具有学习、过滤、帧转发等功能。这种网桥插入电缆后就可自动完成路由选择的功能，无需由用户装入路由表或设置参数，网桥的功能是自己学习获得的。 • 源路由网桥采用源路径选择算法。源路径选择算法采用探测法来确定数据帧传递的确切路径。如果源站不知道目的站接在哪个LAN上，则先发送一广播帧，询问该目的站所在的局域网，广播帧被每个网桥所接受并转发至每个LAN。当目的站受到广播帧后，发一响应帧给源站，源站记录它的标识，并获得确切的路径信息。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

8. 网桥（Bridge）基本工作原理 • 下图表示一个网桥连接两个LAN的情况。这两个LAN运行相同的MAC和LLC协议。当MAC帧的目标地址和源地址属于不同的LAN时，该帧被网桥捕获、暂时缓冲，然后传送到另一个LAN。当两个站之间有通信时，两个站中的对等LLC实体之间就有对话，而网桥不需要知道LLC地址，网桥只是传输MAC帧。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

9. 4.2 网络互联设备—路由器（Router） • 路由器（Router）是网络层的互联设备，能实现LAN之间、LAN与WAN之间的互连，在不同的网络之间存储转发分组。因此，它实现的是OSI参考模型的下三层功能： • 选择最佳传输路由。当一个报文分组到达时，能将此分组以最佳的由向前转发出去。 • 支持多种协议的路由选择，可连接异构型LAN。能识别多种网络协议，因此能连接多种形式的LAN，使得大中型的网络组建起来更加地方便。 • 流控，分片和重装。流控指路由器能控制信源和信宿的数据流量，使两者的速率更好地匹配。分片和重装则适应数据单元大小不同的网络之间的信息传输。 • 网络管理。路由器往往是多个网络的汇集点，因此，可利用路由器监视网络的数据流动、网络设备的工作情况，同时，也经常在它上面采取一些安全措施，以防止外界对内部LAN的侵入。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

10. 4.2 网络互联设备—网关（Gateway） • 网关（Gateway）是传输层及传输层以上的网络互联设备。联接两个或多个不同的网络，使之能相互通信。网关可用来联接异构网络，因此被称作协议转换器。由于网关要将一种协议转换成另一种协议，且仍要保留原有的功能，故它是网间互联设备中最复杂的一种。由于工作复杂，因而利用网关互联网落时效率较低，而且透明性不好，往往都用于针对某种特殊用途的专用联接。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

11. 4.2 网络互联设备—集线器（HUB） • 集线器按其功能强弱分为以下几种： • (1)低档集线器(非智能集线器) 将分散的、用于连接网络设备的线路集中在一起，称集线器或集中器。 • (2)中档集线器(低档智能集线器) 连接各个同构的LAN，具网桥功能。 • (3)高档集线器(智能集线器) 一般用于企业级。这种集线器一般支持多协议、可堆叠、网络管理，还有一定的容错功能。 • 集线器按其工作原理分为以下类型： • (1)共享式集线器（Shared HUB）：采用共享式集线器的网络从物理上看是一个星型拓扑结构，但从逻辑上看仍然是一个总线网。 • (2)交换式集线器（Switch HUB）：交换式集线器构成的网络是星型拓扑结构。交换式集线器的特点是，所有端口平时都不联通，当工作站需要通信时，交换式集线器能同时联通许多对端口，使每一对端口都像独占通信媒体那样无冲突地传输数据，通信完成后，断开联接。 • 从结构上，集线器可分为： • (1)固定式集线器 • (2)堆叠式集线器 • (3)模块式集线器 中国地质大学网络教育学院 杨强根

12. 4.2 网络互联设备—交换机（SWITCH） • 区分交换机和交换式集线器不是其工作机制，而是拥有的功能。交换式集线器和交换机都能给终端提供独占带宽，都能自动建立维护站表，并根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。但交换机提供更多现代网络所要求的功能：信息流优先级、服务分类、虚拟网、远程监测、自动流控制、内嵌网络管理代理等。交换机不仅能提供高速的数据传输能力，而且提供良好的服务质量，把纯粹的数据传输网延伸到适合多媒体应用、实时数据传输等新的应用领域。 • 交换机的分类 • 从广义上看，交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。局域网交换机则应用于局域网络，用于联接终端设备。 • 从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

13. 交换机的交换方式 • 以太网交换机的主要功能分为两大部份：建立虚联接和转发。当两个站点间有包传递时，在这两个站点间临时建立一条点对点的联接，包发送完后，就立即拆除这条联接。在交换机内部保存了一张地址表，存储它所联接的各站点所在的交换机端口号和MAC地址之间的对应关系。交换机从一个端口收到包，识别出包中的目的站MAC地址，查地址表，得到目的站所在的端口，就可在两个端口间建立一条虚联接，将包从源端口转发到目的端口，包发送完成后，就立即拆除这条虚联接。 • 交换机通过以下三种方式进行交换 • 1）直接交换方式 • 2）存储转发交换方式 • 3）改进的直接交换方式 中国地质大学网络教育学院 杨强根

14. 4.3 虚拟局域网（VLAN） • 虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Networks）是在整个网络中通过网络交换设备建立的虚拟工作组，是不考虑用户的物理位置而根据功能、应用等因素将用户逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组。 • 虚拟网在逻辑上等于OSI模型的第二层的广播域，与具体的物理网及地理位置无关。虚拟工作组可以包含不同位置的部门和工作组，不必在物理上重新配置任何端口，真正实现了网络用户与它们的物理位置无关。虚拟网技术把传统的广播域按需要分割成各个独立的子广播域，将广播限制在虚拟工作组中，由于广播域的缩小，网络中广播包消耗带宽所占的比例大大降低，网络的性能得到显著的提高。 • 构成虚拟局域网的条件是：所有用户都要直接联接到支持虚拟局域网的交换机端口上。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

15. 4.3.1 VLAN的类型 • 基于端口的VLAN • 基于端口的VLAN的划分是最简单、最有效的VLAN划分方法。该方法只需网络管理员针对网络设备的交换端口进行重新分配组合在不同的逻辑网段中即可。而不用考虑该端口所联接的设备是什么。 • 基于MAC地址的VLAN • MAC地址是指网卡的标识符，每一块网卡的MAC地址都是唯一的。基于MAC地址的VLAN划分其实就是基于工作站、服务器的VLAN的组合。在网络规模较小式，该方案亦不失为一个好的方法，但随着网络规模的扩大，网络设备、用户的增加，则会在很大程度上加大管理的难度。 • 基于路由的VLAN • 基于路由的VLAN工作在网络层，该方式允许一个VLAN跨越多个交换机。一般来说，采用该方法的交换机比使用第二层信息的交换机速度要慢，因为查询第三层地址所需的时间比查询MAC地址所用的时间要多。 • 基于策略的VLAN • 基于策略的VLAN的划分是一种比较有效而直接的方式。这主要取决于在VLAN的划分中所采用的策略。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

16. 4.4 ATM网络 • 目前通信网上的传递方式可分为同步传递方式(STM)和异步传递方式(ATM)两种。 • 同步传递方式，其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号中，各路原始信号都是按一定时间间隔周期性出现，所以只要根据时间就可以确定现在是哪 一路的原始信号。 • 异步传递方式的各路原始信号不一定按照一定时间间隔周期性地出现， 因而需要另外附加一个标志来表明某一段信息属于哪一段原始信号。例如采用在信元前附加信头的标志就是异步传递方式。宽带ISDN中ATM信元的信头就是一个例子。 • 现代通信网中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。 • 电路交换方式适用于电话业务。分组交换适用于数据业务。而ATM信元中承载的是宽带综合业务，既有电话业务，又有数据业务，还有其他业务。 • ATM采用的是ATM交换方式，它是一种新的交换方式，它既像电话交换方式那样适用于电话业务，又像分组交换方式那样适用于数据业务，并且还能适用于其他业务 。 • ATM（Asynchronous Transfer Mode）是国际电信联盟-电信标准部ITU-T（Internet Telecommunication Union-Telecommunications Sector）在宽带综合业务数字网（B-ISDN）标准的基础上制定的信元中继标准。 ATM是一种高速交换和多路复用技术，采用固定长度的数据包传输，具有很高的灵活性，能在一个单一的主体网络上携带多种信息媒体，进行多种通信业务。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

17. 4.4.1 ATM的特点 • 1、简化的网络功能 • ATM交换节点不参与任何数据链路层功能，将差错控制与流量控制工作都交给主机去做。除了第一层的功能之外，交换节点不参与任何工作，从而提高了信息交换速度。 • 2、固定长度的信元 • ATM采用固定长度的数据包作为传输的基本单位，称之为信元。 • ATM使用固定长度的信元，每个信元的长度为53个字节，其中前面5个字节为信头，用来表示这个信元来自何处，到何处去，是什么类型等。后面48个字节是要在线路上传送的信息。 • 3、多路并行传输 • ATM支持多路用户信息并行传输。ATM交换机可以同时为多路用户信息进行交换和处理，保证每个用户独占固定带宽。 • 4、异步时分复用 • 时分复用技术是在一条传输介质上按时间片分时传送多路信息的多路复用技术。ATM不是采用同步传输方式通过时隙在帧内的位置来区分不同的子信道，而是采用异步时分复用技术在信元头上标记其所属的通道号。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

18. 4.4.1 ATM的特点 • 5、虚路径和虚通道联接 • ATM技术是一种面向联接的技术。当两个站点要通信时，ATM首先要选择路径，在两个通信实体之间建立虚电路。它将路由选择和数据转发分开，使传输中的控制较为简单。 • ATM路由通过虚路径标识符VPI（Virtual Path Identifier）和虚通道标识符VCI（Virtual Channel Identifier）两级寻址来实现。在信元结构中，VPI和VCI是最重要的两部分。这两部分合起来构成了一个信元的路由信息，也就是这个信元从哪里来，到哪里去。ATM交换机就是根据各个信元上的VPI－VCI来决定把它们送到哪一条线路上去。 • ATM的虚联接有两种基本类型：永久虚联接和交换虚联接。永久虚联接是一个由网络管理等外部机制建立的连接。在这种联接方式中，处于ATM源和目的系统之间的一系列交换机都被赋予了适当的VPI/VCI值。交换虚联接是一种由信令协议自动建立的联接。ATM信令是建立虚联接时使用的带有路径标识符的联接信号。ATM信令沿着路径标识符指出的传输路径，直至抵达目标端点系统。而端点系统可以接受并确认这种联接请求，由于这种联接是沿着联接请求所通过的路径建立的，因此，以后的数据也沿着同一路径传送。 • 6、支持不同的传输速率 • ATM网络的传输速率可达到Gbps级，它允许在同一网络中以不同的传输速率进行数据交换，它支持各种不同速率的设备，提供不同速率的接口。每一条链路可根据需要选择传输速率。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

19. 4.4.2 ATM交换原理 • 当发送端想要和接收端通信时，它通过用户网络接口向ATM交换机发送一个要求建立联接的控制信号(信令)。接收端通过网络接收到控制信号并同意建立联接后，一条虚电路就会被建立。ATM交换机中就会自动建立一张虚联接表，该表分成左右两部分，左边是入线信息,右边是出线信息，每一部分都包含相应的端口、VPI值和VCI值。同时，虚电路上所有的中继站都会建立虚电路映射表。若发送端有一个以上发往不同地点的信息要同时发送，则根据相同程序建立不同的到达相应收端的虚电路，信息则可交替地送出。 • 虚电路建立后，需要传送的信息即被分割成53字节的信元发送出去。信元头上带有VPI和VCI，这两部分合起来构成了一个信元的路由信息。当一个信元到达某一交换机时，交换机将读出该信元信元头中的VPI和VCI值，并与路由对照表比较，从表中找到相应的输出端口及其相应的VPI和VCI，信元头的VPI和VCI就被更新，然后信元被发往下一个结点，最终传送到接收方。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

20. 4.4.3 ATM交换机 • 1、ATM交换机的任务 • ATM交换机是ATM网络的核心。ATM交换机的任务，就是根据ATM信元头上VPI和VCI值，把送入的ATM信元转送到相应的中继线或用户线上去。 • 2、ATM交换机的组成 • 一个ATM交换机一般由四个基本组成部分：入线处理单元、出线处理单元、ATM交换单元和ATM控制单元，如图4-13所示；其中ATM交换单元完成交换动作，ATM控制单元对ATM交换单元的动作进行控制，入线处理单元对各入线上的ATM信元进行转换处理，使它们成为适合ATM交换单元处理的形式，出线处理单元对ATM交换单元送出的ATM信元进行转换处理，使它们成为适合传榆的形式。 • 3、ATM的交换结构 • 在ATM交换机中，交换单元的交换结构主要有多级互联交换结构、异步时分交换结构、总线交换结构和光交换结构。 中国地质大学网络教育学院 杨强根

21. 4.4.4 ATM的参考模型 • 1、ATM用户层 • ATM用户层的基本模型如图4-18所示，它可以分为用户平面、控制平面和管理平面。用户平面提供用户信息流的转移及有关控制功能，控制平面与信令有关，它提供呼叫控制与联接功能，管理平面提供网络监视功能。 • 2、ATM适配层（ATM Adaptation Layer：AAL） • ATM适配层(AAL)负责适配从用户来的信息，以形成ATM网络可传输的形式。 • 3、ATM层 • ATM层的设计目标是对网络中的用户和用户应用提供一套公共的传输服务。 ATM层提供的基本服务是完成ATM网上用户和设备间信息传输。信息传输是通过在这些用户和设备之间建立虚联接而进行的。 • 4、物理层 • 物理层由传输汇聚子层和物理介质相关层组成。 中国地质大学网络教育学院 杨强根