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1、第三章 网络互连与Internet技术主要内容 3.1 网络互连的概念与互连设备3.1.1网络互连的目的与要求网络互连：是指把分别在不同地理位置处的计算机网络用网络互连设备连接起来，形成一个范围更广、规模更大的网络系统，实现更大范围内的资源共享两种情形：将大的网络划分为多个子网，便于管理多个网络连成一个大网，实现资源共享和数据通信3.1 网络互连的概念与互连设备网络互连的目的：充分、有效地利用已有的网络资源，实现更大范围、更广泛的资源共享改善网络性能，减少不必要的资源竞争提高网络的可靠性和安全性网络互连：同种网络互连异种网络互连3.1 网络互连的概念与互连设备n互联网（internet）：两个
2、或多个网络构成互联网。3.1 网络互连的概念与互连设备网络互连要解决的问题：必须适应不同网络的差异性，为用户提供透明的通信功能多种不同网络（协议）存在的原因：历史原因：不同公司的网络产品大量使用；价格原因：网络产品价格低，更多的人有权决定使用何种网络；技术原因：不同网络采用不同技术、不同硬件、不同协议。网络互连应满足以下要求：在互连的网络之间，提供物理链路及其控制规程；具有路径选择功能，以便数据交换；提供记帐服务，记录网络的使用情况，维护其状态信息对用户屏蔽网络差异，向用户提供透明的服务3.1 网络互连的概念与互连设备3.1 网络互连的概念与互连设备3.1.2网络互连的种类与方式网络互连的种类
3、：LANLAN互连同种网络：中继器或网桥异种网络：网桥或路由器LANWAN互连：路由器或网关LANWANLAN互连：路由器或网关WANWAN互连：路由器或网关3.1 网络互连的概念与互连设备网络互连的种类：物理层互连：中继器3.1 网络互连的概念与互连设备链路层互连：网桥网络层互连：路由器3.1 网络互连的概念与互连设备3.1 网络互连的概念与互连设备高层互连：网关n网络互连设备n中继器（repeater）n物理层设备，在电缆段之间拷贝比特；n对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。n网桥（bridge）n数据链路层设备，在局域网之间存储转发帧；n网桥可以改变帧格式。n多协议路由器（mult
4、iprotocol router）n网络层设备，在网络之间存储转发包；n必要时，做网络层协议转换。n传输网关（transport gateway）n传输层设备，在传输层转发字节流。n应用网关（application gateway）n应用层设备，在应用层实现互连；3.1 网络互连的概念与互连设备3.2 网桥技术n定义：网桥（bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。n网桥的工作原理n连接k个不同LAN的网桥具有k个MAC子层和k个物理层。3.2 网桥技术n为什么使用桥？n学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的LAN，为了进行交互，需要使用桥
5、来实现互连；n一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内，在每个建筑物内组建单独的LAN，并使用桥将这些LAN连接起来，是比较经济的方案；3.2 网桥技术Caption:A bridge connecting LAN segments in two buildings.An optical fiber is used to connect the bridge to a remote LAN segment.3.2 网桥技术n将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的几个LAN以减轻负担；3.2 网桥技术nLAN上的两台机器其距离超过2500米，必须使用网桥将这个 LAN 分隔以保证网络的正常工作
6、；n网桥可以互连不同类型的LAN；n网桥可以隔离负载，防止出故障的站点损害全网；n网桥可以有助于安全保密。Caption:A bridge using a leased satellite channel to connect LAN segments at two sites.A satellite bridge can span arbitrary distance.3.2 网桥技术连接 802.X和 802.Y的网桥n互连时需要解决的相同问题n不同LAN帧格式的转换；nFig.4-36n不同的LAN速率不同，网桥要有缓存能力；n高层协议的计时器设置；n不同的LAN支持的最大帧长度不同，分
7、别为1500，8191，5000。解决办法：丢弃无法转发的帧。3.2 网桥技术3.2 网桥技术n三种不同的LAN互连共有九种组合nFig.4-37n动作n格式转换和重新计算校验和n变换位的顺序n复制优先级n产生一个虚拟的优先级n放弃优先级n把环排空n设置A/C位n解决速率快慢问题n处理帧太长的问题3.2 网桥技术3.2 网桥技术n网桥的功能：n可以连接两个或多个本地局域网n网桥可以连接距离较远的局域网n网桥可以接受和转发帧n网桥可以进行协议转换n网桥有简单的路径选择功能n网桥可以改善局域网的性能n网桥可以提供网络的可靠性和安全性n网桥可以进行简单的差错控制3.2 网桥技术3.2.1 透明网桥/
8、生成树网桥n工作原理：n网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧；n网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发；n网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛（flooding）方法转发帧；n在转发过程中采用逆向学习（backward learning）算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表；n网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项；n帧的路由过程n目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧；n目的LAN与源LAN不同，则转发帧；n目的LAN未知，
9、则洪泛帧，并逆向学习。3.2 网桥技术n多个网桥（并行网桥）可能产生回路nFig.4-39n解决多个网桥产生回路的问题n思想n让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构。nFig.4-403.2 网桥技术3.2 网桥技术3.2 网桥技术3.2.2 源路由网桥nCSMA/CD和Token Bus选择了透明网桥，Token Ring选择了源路由网桥n源路由网桥的原理n帧的发送者知道目的主机是否在自己的LAN内；n如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的网桥、LAN的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置1；n例：图中A到D的路
10、由为：（L1，B1，L2，B2，L3）n每个LAN有一个12位的编号，每个网桥有一个4位的编号；n网桥只接收源地址的最高位为1的帧，判定是转发还是丢弃；3.2 网桥技术n源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。n若目的地址未知，源站发送“发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。n优点n对带宽进行最优的使用。n缺点n网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点要知道网络的拓扑结构。n802网桥的比较nFig.4-423.2 网桥技术3.2 网桥技术3
11、.2 网桥技术3.2.3 其他类型的网桥n封装网桥：n主要用于通过另一个网络连接两个相同局域网的场合；n没有进行协议的转换，只是对所传送的帧加上“信封”后传输；n转换网桥3.3 路由器n路由器是工作在网络层的互连设备n对报文分组进行存储转发和过滤；n路由选择n实现多个网络互连n基本功能n路径选择n协议转换n实现网络层的一些功能n网络管理与安全n多协议路由选择3.3 路由器R3ABCR1R2R4DEFR5R5FR3ER3DNext HopDestinationDDWhat is Routing?R3ABCR1R2R4DEFR5R5FR3ER3DNext HopDestinationDDDD163
12、241DataOptions(if any)Destination AddressSource AddressHeader ChecksumProtocolTTLFragment OffsetFlagsFragment IDTotal Packet LengthT.ServiceHLenVer20 bytes What is Routing?ABCR1R2R3R4DEFR5What is Routing?LookupIP AddressUpdateHeaderHeader ProcessingAddressTableLookupIP AddressUpdateHeaderHeader Proc
13、essingAddressTableLookupIP AddressUpdateHeaderHeader ProcessingAddressTableDataHdrDataHdrDataHdrBufferManagerBufferMemoryBufferManagerBufferMemoryBufferManagerBufferMemoryDataHdrDataHdrDataHdrGeneric Router Architecture3.3 路由器n单总线，单处理器n传统的计算机结构，处理器成为处理瓶颈n单总线，多处理器，每个接口卡上有一个处理器，主处理器负责协调。n包转发由本地处理器完成，减
14、少总线负担n交换结构+专用硬件（ASIC，FPGA，NP）n交换结构实现无阻塞转发n硬件实现对IP包的处理和路由查找nInternet Routing Matrixn多结点级连，类似并行计算机RouteTableCPUBufferMemoryLineInterfaceMACLineInterfaceMACLineInterfaceMACTypically 0.5Gb/s aggregate capacityFirst Generation RoutersShared BackplaneLine InterfaceCPUMemorySecond Generation RoutersRouteTa
15、bleCPULineCardBufferMemoryLineCardMACBufferMemoryLineCardMACBufferMemoryFwdingCacheFwdingCacheFwdingCacheMACBufferMemoryTypically 5Gb/s aggregate capacityThird Generation RoutersLineCardMACLocalBufferMemoryCPUCardLineCardMACLocalBufferMemorySwitched BackplaneLine InterfaceCPUMemoryFwdingTableRouting
16、TableFwdingTableTypically 50Gb/s aggregate capacityFourth Generation Routers/SwitchesOptics inside a router for the first timeSwitch CoreLinecardsOptical links100sof metres0.3-10Tb/s routers in developmentn路由器提供了两种不同的报文处理路径：n数据路径：数据路径：处理目的地址不是本路由器而需要转发的报文，因此数据路径是整个路由器的关键路径，它的实现好坏直接影响着路由器的整体性能。n控制路径：
17、控制路径：处理目的地址是本路由器的高层协议报文，特别是各种路由协议报文。虽然控制路径不是路由器的关键路径，但是它负责完成路由信息的交互，从而保证了数据路径上的报文沿着最优的路径转发。报文处理路径数据路径的工作流程nRFC1812规定IP路由器必须完成两个基本功能：n首先路由器必须能够对每个到达本路由器的报文做出正确的转发决策，决定报文向哪一个下一跳路由器转发。为了进行正确的转发决策，路由器需要在转发表中查找能够与转发报文目的地址最佳匹配的表项，这个查找过程被称为路由查找（Route Lookup）。n其次路由器在得到了正确的转发决策之后必须能够将报文从输入接口向相应的输出接口传送，这个过程被称
18、为内部交换过程（Switching）。IP Address LookupLookupIP AddressUpdateHeaderHeader ProcessingAddressTableLookupIP AddressUpdateHeaderHeader ProcessingAddressTableLookupIP AddressUpdateHeaderHeader ProcessingAddressTableBufferManagerBufferMemoryBufferManagerBufferMemoryBufferManagerBufferMemoryLookupIP AddressAd
19、dressTableLookupIP AddressAddressTableLookupIP AddressAddressTable路由查找过程示意图headerpayloadRouterDestination AddressOutgoing PortDestinationNext HopForwarding TableRouting Lookup Data Structure65.0.0.0/8128.9.0.0/16149.12.0.0/193173.4 网关 n网关是网络层的设备，其主要作用是进行协议转换n网关可分为双向网关和多向网关n实现协议转换的两种方法：n直接转换n直接进行协议间的
20、格式转换n多为双向网关采用n中间格式转换n采用统一的网间数据包格式，对出入包的协议转换均通过统一网间格式作为中间转换格式n支持多协议之间的转换 3.4 网关 3.5 互连方式的比较 设备层次应用场合功能优点缺点中继器物理层互连相同局域网的几个网段信号放大延长信号传送距离互连容易价格低基本无延迟 互连规模有限不能隔离不需要的流量无法控制信息的传输网桥数据链路层各种局域网的互连连接局域网，改善局域网性能互连容易、协议透明、隔离不必要的流量、交换效率高会产生广播风暴、不能完全隔离不必要的流量、管理控制能力有限、有延迟路由器网络层LANLAN互连LANWAN互连WANWAN互连路由选择过滤信息网络管理适合于大规模复杂网络互连、管理控制能力强、充分隔离不必要的流量、安全性好网络设置复杂、价格高、延迟大网关传输层应用层互连高层协议不同的网络，连接网络与大型主机在高层转换协议可以互连差异很大的网络安全性好通用性差