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计算机网络技术基础(第三版) 主编:尚晓航 高等教育出版社

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1 计算机网络技术基础(第三版) 主编:尚晓航 高等教育出版社
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 第5章 网络的扩展与互连设备 计算机网络技术基础(第三版) 主编:尚晓航 高等教育出版社

2 本章学习目标 了解:网络互连的基本概念 掌握:网络互连设备的类型、层次与使用 掌握:网络接入技术的种类和概念
了解:可申请的广域网通信服务的类型

3 5.1 网络互连概述 1.什么是网络的连接或互连? (1)网络的延伸 (2)网络的分段
5.1 网络互连概述 1.什么是网络的连接或互连? (1)网络的延伸 (2)网络的分段 所谓的网络分段就是将一个大的网络系统分解成 几个小的局域网(即子网),然后再通过互连设备 (交换机、网桥或路由器)将各个子网连接成一个 整体网络。分段设计优点如下: ① 提高可靠性。 ② 分散了负荷,提高了网络的性能。 ③ 提高了安全性。

4 2. 互连网络必须要解决的问题 ①实现一种网络与另一种网络的互访与通信。 ②解决两种不同网络之间在协议方面的差异。 ③处理两种网络之间在传输速率方面的差别。 3.网间互连设备概述 “网络连接器”又称为“网间互连设备”,它 可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进行 处理。

5 2. 互连网络必须要解决的问题 (1)局域网连接或延伸用的网络互连 设备 中继器、集线器、网桥、交换机等。 (2)局域网远程连接时用的网络互连 设备 有调制解调器、桥式路由器、路由器远 程访问服务器和网关等。

6 5.2 物理层的扩展与连接设备 5.2.1 物理层设备和部件概述 1. 理论作用 2. 实际应用
5.2 物理层的扩展与连接设备 5.2.1 物理层设备和部件概述 1. 理论作用 信号的接收、放大、整形、向所有端口转发数据 的作用; 2. 实际应用 增长传输距离、增加网络结点数目、不同介质网络 的连接,以及组网。

7 5.2 物理层的扩展与连接设备 3. 冲突域和广播域 4. 常见设备和部件
5.2 物理层的扩展与连接设备 3. 冲突域和广播域 物理层设备互连的网络的各个结点都处于同一个 冲突域;另外,这层设备不能隔离广播信息的传播, 所以互连的网段都处于同一个广播域。 4. 常见设备和部件 物理层的设备主要有收发器、中继器、集线器, 以及接入点AP;网络部件主要有传输介质、介质 连接器、各类转换部件(RJ45-AUI)等

8 5.2.2 中继器和转接器 1. 中继器的功能 中继器又称“转发器”,它实现网络在物理层上 的连接。由于线路损耗的存在,在线路上传输的信 号功率将会随着距离的增加而逐步衰减,衰减到一 定程度时,将导致信号失真,从而发生连接错误。 中继器是最简单的和最便宜的网间连接设备,如 图5-1所示,中继器可以连接两个或多个网络的电 缆段。 中继器起到放大、整形、并且重新产生电缆上的数 字信号,并按原来的方向重新发送该再生信号,

9 中继器(收发器)既可以用来扩展网络距离, 也可以用来连接两个或多个使用不同传输介质 的局域网。
中继器具有接收、放大、整形和转发网络信息 的作用,因此,可以降低传输线路对信号的干 扰影响,起到扩充网络规模的作用。 使用带有不同接口的中继器,可以连接两个不 同类型的网络。

10 图5-1千兆以太网光纤收发器 图5-2 用中继器再生信号
图5-1千兆以太网光纤收发器 图5-2 用中继器再生信号

11 中继器的使用规则(中继规则) 在10Mb/s以太网中,这个限制规则称为5-4-3规则。 此规则规定,在以太网中最多允许有5个网段、使 用4个中继器,而这些网段中只有3个是可以连接客 户计算机(终端)的网段,图5-3形象地说明了5-4- 3规则。 图 Mb/s以太网的 5-4-3规则

12 中继器的应用特点 (1)优点 中继器安装简单,不仅可以扩展网络的距离,还能 将不同传输介质的网络连接在一起,而且是最便宜 的扩展网络距离的设备。 (2)缺点 ①有条件连接;第2~7层使用相同或兼容协议。 ②无网段隔离功能,多个网络连接后将增加网络的 信息量,易发生阻塞。 ③使用中继器扩展网段距离有所限制。 ④中继器不能控制广播风暴。

13 4. 使用和选择中继器时应注意的事项 5. 转接器 ① 网段的接口。 ② 网段扩展的极限距离。
4. 使用和选择中继器时应注意的事项 ① 网段的接口。 ② 网段扩展的极限距离。 使用中继器时,应当注意所连接的各个网段的高层 (2~7层)协议应当相兼容。 5. 转接器 由于网络的类型和介质连接器的种类繁多,因此, 在实际工程中经常需要各种物理层的转换部件。如: AUI-RJ45,BNC-RJ45,ST-RJ45等不同类型的接 口转换器,有时也称其为“跳线”,如,图5-4。

14 5. 转接器

15 5.2.3 有线和无线集线器 集线器主要指共享式集线器,又被称为多端口中继 器,工作在OSI模型的物理层;作用与中继器类似。 1. 集线器的分类 (1)无线集线器-AP:参见图5-5。AP用来连接周 边的无线网络终端,形成星形网络结构。 (2)有线集线器的分类 集线器和交换机的外型十分相似,按外型可以分为: 独立式集线器、堆叠式集线器和模块式集线器3种, 参见图5-6、图5-7和图5-8;按照速率可以分为: 10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s。

16 1. 集线器的分类(按外形)

17 集线器的应用特点 (1)优点 ①集线器可延伸网络的距离和增加网络的结点数目。 ②集线器安装极为简单,几乎不需要配置。 ③集线器可以连接多个物理层不同;但高层(2~7层) 协议相同或兼容的网络。 (2)缺点 ①集线器限制了介质的极限距离。 ②集线器没有数据过滤的功能,不能进行通信分段。 ③集线器使用数量有限制。 ④结点数目过多时,冲突增加,网络性能急剧下降。

18 3. 使用集线器时应注意的因素 ①在物理层以上使用相同或兼容协议。 ②应注意网络所使用的传输介质。 ③集线器专指共享式的集线器。 ④突破集线器级联数量的限制:集中增 加的结点很多时,使用堆叠或模块式设 备可以突破级联设备数量的限制。

19 5.3 数据链路层的扩展与连接设备 5.3.1 数据链路层设备概述 1. 理论作用
5.3 数据链路层的扩展与连接设备 5.3.1 数据链路层设备概述 数据链路层设备的主要部件有有线和无线网卡; 主要互联设备有网桥、交换机和无线网桥。 1. 理论作用 依据转发表中的数据进行过滤和筛选,最终依所 选的端口转发数据帧。这层设备允许不同端口间的 并发通信;因此,可以增加冲突域的数量。

20 5.3 数据链路层的扩展与连接设备 2. 实际作用 网桥和交换机都是一个软件和硬件的综合 系统。交换机又被称为“多端口网桥”。
5.3 数据链路层的扩展与连接设备 2. 实际作用 网桥和交换机都是一个软件和硬件的综合 系统。交换机又被称为“多端口网桥”。 这层设备在实际中的作用主要有3点:第 一,组网,由于连接各种计算机和结点设备; 第二,通过学习、过滤功能来自动维护交换 机的“转发表”;第三,依据自动生成的 “转发表”转发数据帧。

21 冲突域和广播域 (数据链路层设备) 数据链路层设备经常用于互连使用相 同网络号的IP子网。
交换机和网桥都是端口冲突和传播所 有广播信息的设备;因此,网桥和第2 层交换机互连的网络处于多个冲突域和 同一个广播域。 不能控制广播风暴;但具有VLAN功 能的交换机除外。

22 5.3.2 网桥(bridge) 1.网桥的定义 2.网桥的理论功能 (1)过滤和转发 (2)学习功能
一般是指用来连接两个或多个在数据链路层以上 具有相同或兼容协议的网络互连设备。网桥一般由 软件和硬件组成,它工作在OSI模型的第二层。 2.网桥的理论功能 (1)过滤和转发 (2)学习功能 网桥可以自动学习和生成由端口号和 MAC地址组成的站表。

23 图5-9 近程网桥;图5-10 远程网桥

24 3. 网桥应用与设计要点 (1)网络分段 (2)延伸网络的距离 (3)网桥可以连接物理层或数据链路层不 同的网络 (4)网桥的设计点
3. 网桥应用与设计要点 (1)网络分段 (2)延伸网络的距离 (3)网桥可以连接物理层或数据链路层不 同的网络 (4)网桥的设计点 网桥最简单的使用形式如图5-9所示。 在使用网桥时,一定要注意它在网络中的位 置,即8/2规则。网桥设计在最佳位置时,能 够阻挡80%的通信量进入分段后的其他网络段。

25 3. 网桥应用与设计要点 4. 网桥的分类 (1)按网桥硬件所处的位置分类 (2)按网桥分布的地理范围分类
3. 网桥应用与设计要点 4. 网桥的分类 (1)按网桥硬件所处的位置分类 (2)按网桥分布的地理范围分类 图5-11 一对网桥连接两个远程局域网

26 5.3.3 以太网交换机 1. 以太网交换机与集线器的异同 (1)不同之处:OSI模型中所处位置不同。
5.3.3 以太网交换机 1. 以太网交换机与集线器的异同 以太网交换机除了包括集线器的所有特性外, 还具有自动寻址、交换和处理等功能。 (1)不同之处:OSI模型中所处位置不同。 1)工作原理不同 2)网络工作方式不同 3)带宽不同 4)端口通信模式和速率不同 5)冲突域数目不同

27 5.3.3 以太网交换机 (2)相同之处 交换机和集线器只是在工作方式上不 同,而在其他方面则完全一致,例如: 连线方式、物理拓扑结构、故障指示、 组网功能,以及网卡、传输介质和速度 选择等。交换机与集线器互联的网络都 不能隔离广播信息,因此,所有结点都 处于同一广播域。

28 有关交换机的基本概念 (1)交换机端口类型与参数 ①单/多MAC地址。 ②专用端口和共享端口。 ③端口密度。 ④高速端口。 ⑤管理端口。
⑥其他连接端口。

29 有关交换机的基本概念 (2)背板带宽: (3)MAC地址与支持MAC地址的数量
交换机的“背板带宽”又称“背板吞吐量”类 似于电脑主板上的总线,是交换机接口处理器或接 口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。 (3)MAC地址与支持MAC地址的数量 ① MAC地址的作用。 ② MAC地址的组成:由12位16进制数(0−F) 表示,共用48个二进制位;其中的前24位标识网卡 的生产厂商,后24位是网卡的序列号。

30 交换机的分类 (1)按照外型分类 (2)按照网络技术进行的交换机分类 (3)按照应用规模选择交换机 交换机按照其所适应的网络规模,由 小到大依次为:桌面交换机、工作组交换 机、骨干(部门)交换机和企业交换机。 三级交换式网络的应用结构如图5-12所示:

31 图5-12 千兆位三级交换式网络

32 3. 交换机的分类 4.选择交换机的要点 桌面型交换机 工作组交换机 部门交换机 校园网(骨干)交换机 企业交换机
在选择交换机时,可以从“技术的角度”、“应 用规模”和“品牌角度”等3个方面进行选择。

33 5. 局域网交换机的主要指标 常见的描述交换机容量性能的指标有: 交换容量(Gb/s) 背板带宽(Gb/s) 处理能力(Mb/s)
5. 局域网交换机的主要指标 常见的描述交换机容量性能的指标有: 交换容量(Gb/s) 背板带宽(Gb/s) 处理能力(Mb/s) 吞吐量(Mb/s) 建议用户抓住一个指标,如满足配置时的吞 吐量(Mb/s)。此外,局域网交换机的最主要的 指标还有端口的配置、数据交换能力和信息帧 (包)的交换速度等。

34 5.4 网络层的互联设备 5.4.1 网络层设备概述 网络层设备主要有第三层交换机和路由器,它们 都工作在OSI模型的第3层“网络层”。 1. 理论作用 这层设备不但能读懂第3层“数据分”头部的IP 地址信息;还能根据手动或自动建立起的“路由表” 选择最佳路径,并进行数据分组的路由。这层设备 丢弃收到的广播信息,因此,可以将广播信息隔离 在端口连接的网段内部。

35 实际应用 ① 网络互连; ② 网络管理; ③ 其他作用:提高子网的传输性能、安全 性、可管理性及保密性能的作用。
在网络中,路由器和第三层交换机都是一个 软件和硬件的综合系统;在TCP/IP网络中,它们 的主要任务是负责不同IP子网之间的数据包的转发。 实际中的作用如下: ① 网络互连; ② 网络管理; ③ 其他作用:提高子网的传输性能、安全 性、可管理性及保密性能的作用。

36 3. 冲突域和广播域 网络层设备主要用于互联,互联的网络结 点一般处于多冲突域。另外,第三层设备 丢弃所有的广播信息,因此,互联的网络 分别处于不同的广播域。 例如:当一个4口路由器上连接有3个子 网时,其广播域为3;冲突域的多少还要根 据其具体连接的子网的网络设备的类型来 确定。

37 Internet接入的首选设备路由器 1. Router-路由器的基本概念 路由器的工作在OSI模型第三层(网络层) 上的,一种在网络中负责寻找最佳路径的数 据转发设备。 (1)路由器的定义 用来连接两个以上复杂网络的、具有路由 选择及协议转换的、可以进行有条件异种网 络互连的、工作在OSI参考模型第三层的网 络互连设备。

38 5.4.2 Internet接入的首选设备路由器 (2)什么是路由 (3)路由表
路由就是选择一条数据包传输路径的过程。在广 域网中,从一点到另一点通常有多条路径,每条路 径的长度、负荷和花费都是不同的。 (3)路由表 路由器的路由表中保存着所连接子网的状态 信息。路由器工作时,正是利用路由表来进 行路径选择。 静态(static)路径表。 ② 动态(dynamic)路径表。

39 Internet接入的首选设备路由器 2. 路由器的工作原理 根据路由表自动选择传输效率比较高的路径。 3.路由器具有的基本功能 (1)路由器的理论功能 ① 静态/动态路由选择功能。 ② 转发数据分组。 ③ 数据处理。 ④ 隔离通信:。 ⑤ 网络管理。 ⑥ 路径选择。

40 图5-13 路由器互联的多个远程局域网

41 路由器的分类 (1)近程路由器和远程路由器 (2)内部路由器和外部路由器 (3) “静态”路由器和“动态”路由器
(4)单协议路由器和多协议路由器 5. 路由器的应用特点 路由器最主要的功能是选择合适的路由,引导 网络通信。通过路由器发送数据的协议必须是专门 设计的可以支持路由选择的协议,即“可路由”协 议。

42 路由器的应用特点 (1)使用路由器的优点 ①能够合理的、智能化的选择最佳路径。 ②路由器可以把广播风暴信息隔离在源网络内。
③多协议路由器可以连接使用不同通信协议的网络。 ④单协议路由器互联的网络。 ⑤使用路由器能够隔离不需要的通信,起到网络屏 障的作用。 ⑥路由器的网络分段功能,可以提高网络的性能, 减少主机的负担。 能够提供可靠传输、优先服务。

43 路由器的应用特点 (2)使用路由器的缺点 ①安装路由器时有许多初始配置。 ②与网桥不同,路由器是与协议相关。 ③使用较多的时间进行处理,致使网络传输 性能下降。 ④价格较高。 ⑤路由器不支持非路由协议。 ⑥需要专门的管理员。

44 路由器在实际网络连接中的作用 (1)延伸距离 (2)将局域网连接到Internet (3)远程局域网间的互联 7. 小型企业网络使用调制解调器和路由器的 方案 (1)接入Internet 中小型企业网络使用路由器接入Internet 方案如图5-14所示。

45 图5-14 两级交换以太网通过有线宽带路由器接入Internet

46 (2) 远程互联与访问的解决方案 1)RAS远程访问服务 2) 小型局域网的RAS解决方案 3)大中型局域网的RAS解决方案
(2) 远程互联与访问的解决方案 1)RAS远程访问服务 RAS技术是指通将位于本地网络以外的计算机或 局域网,连接并访问本地网络及资源的技术。 2) 小型局域网的RAS解决方案 ①RAS连接的远程访问方式。 ②VPN连接的远程访问方式。 3)大中型局域网的RAS解决方案 通常使用专用的网络设备(远程访问路由器)来实 现远程局域网之间的互联,方案如图5-15。

47 5.5 网关 5.5.1 高层互联设备概述 网关(Gateway)工作在OSI七层模型的高三层, 即会话层、表示层和应用层的。网关具有协议的翻 译和转换的功能,因此又叫做网间协议转换器。 1. 网关的定义 网关通常是指用来连接使用不同协议网络的软 件,而不是指它的物理设备。软件网关一般是指安 装了网关软件的计算机、服务器或小型机等。复杂 的硬件高端网关,可能是硬件和软件集成在一起的 复杂设备。

48 5.5 网关(gateway) 2. 理论作用 3. 网关的应用
网关是一种复杂的网络连接设备,它可以支持不同 协议之间的转换,实现使用不同协议网络间的互连。 3. 网关的应用 ①实际作用:网关能够连接多个高层协议完全不同 的局域网和广域网,实现LAN-WAN互连,以及 LAN-Internet互连。 ② 互联条件:选择支持互联双方协议的网关。网 关则容许使用不同协议的网络互联。当前,大多使 用应用层网关进行互联。

49 5.5 网关(gateway) 4. 网关的类型与应用 (1)按照网关可以转换的协议数量分类
通常情况下,网关只能实现一种协议到另一 种协议的转换,而高端网关能够提供有限的几 种协议的转换功能;前者是“双边协议网关”, 后者是“多边协议综合性网关”。 在互连设备中,网关是最复杂的,没有一种 网关可以转换所有的协议。

50 5.5 网关(gateway) (2) 按照网关的应用类型分类 ①局域网协议转换网关:图5-16。 ②邮件网关。 ③支付网关。 ④CGI通用网关接口。 ⑤VOIP语音网关。 ⑥安全网关。 ⑦综合网关。 ⑧其他流行的网关:WAP(无线通讯协议)网关、 计费网关、媒体网关、防火墙/应用网关和短信网关。

51 5.5.2 网络连接设备的应用场合 何时使用中继器、网桥、交换机、网桥路由器、 路由器、网关? 应根据实际情况及图5-17进行选择设计。一般, 互联涵盖OSI模型的层次愈少,功能就越简单,价 格也越便宜,速度也越快。 选择和设计网间互连设备的准则为,根据当时 的实际情况,并且兼顾未来的发展需要,根据需要 选择,以最低的成本达到最高的效益。

52 图5-17 OSI模型与网间互联设备


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