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网络技术基础(六)网络互连技术

计算机基础 1年前
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零.简介

网络互连的核心是网络之间的硬件连接和网间互连协议,掌握网络互连的基本知识是进一步深入学习网络应用技术的前提。

一.简介

1.网络互连的含义:网络互连是指将分布在不同地理位置、使用不同数据链路层协议的单个网络通过网络互连设备进行连接,使之成为一个更大规模的互连网络系统。网络互连的目的是使处于不同网络上的用户间能够相互通信和相互交流,以实现更大范围的数据通信和资源共享。

2.网络互连的优点:

(1).扩大资源共享的范围;

(2).提高网络的性能;

(3).降低连网的成本;

(4).提高网络的安全性;

(5).提高网络的可靠性。

3.网络互连的要求:

(1).能为不同子网之间的通信提供路径选择和数据交换功能。

(2).在不修改互连在一起的各网络原有结构和协议的基础上,能够利用网间互连设备来协调和适配各个网络之间的差异。

(3).应考虑虚拟网络的划分、不同子网的差错恢复机制对全网的影响、不同子网的用户接入限制以及通过互连设备对网络的流量控制等问题。

(4).尽量避免为提高网络之间的传输性能而影响各个子网内部的传输功能和传输性能。

二.网络互连的类型和层次

1.网络互连的类型:

(1).局域网(LAN)-局域网(LAN);

(2).局域网(LAN)-广域网(WAN);

(3).局域网(LAN)-广域网(WAN)-局域网(LAN);

(4).广域网(WAN)-广域网(WAN)。

2.网络互连的层次:根据OSI参考模型的层次划分,网络协议分别属于不同的层次。因此网络互连一定存在着互连层次的问题。根据网络层次结构模型,网络互连的层次可以做如下划分:

(1).物理层使用中继器进⾏互连;

(2).数据链路层使用网桥进行互连;

(3).网络层使用路由器进行互连;

(4).高层使用网关进行互连。

三.典型网络互连设备

1.典型网络互连设备

网络互连的目的是为了实现网络间的通信和更大范围的资源共享,但是不同的网络所使用的通信协议往往也不相同。因此,网络间的通信必须要依靠一个中间设备来进行协议转换,这种转换既可以由软件来实现,也可以由硬件来实现。完成不同协议间转换的硬件设备被称为网络互连设备。网络互连的方式有多种,相应的网络互连设备也不相同。常用的网络互连设备有中继器、网桥、路由器和网关等。

2.中继器

中继器(Repeater)是最简单的网络设备,它工作在OSI参考模型的最低层——物理层,常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作。中继器在数据信号传输过程当中只起到一个放大电信号、延伸传输介质、将一个网络的范围扩大的作用,它并不具备检错和纠错的功能。中继器既可用于连接相同传输介质的局域网,也可用于连接不同传输介质的局域网。

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3.集线器

集线器(Hub)是一种特殊的中继器,多端口,用于连接双绞线介质或光纤介质以太网系统,是组成10Base-T、100Base-T或10Base-F、100Base-F以太网的核心设备。无源HUB的功能是只负责将多段传输媒体连在一起,⽽不对信号本身作任何处理。有源HUB和无源HUB相似,但它还具有信号放大、延伸网段的作用。智能HUB除具有有源HUB的全部功能外,还将网络的很多功能集成到HUB中。

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4.网桥

(1).当网桥收到一个数据帧后,首先将其传送到数据链路层进行分析和差错校验,根据该数据帧的MAC地址段来决定是删除这个帧还是转发这个帧。如果发送方和接收方处于同一个物理网络,网桥则将该数据帧删除;如果发送方和接收方处于不同的物理网络,网桥则进行路径选择,通过物理层传输机制和指定的路径将该帧转发到目的局域网。

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(2).网桥可实现不同结构、不同类型局域网络的互连,并在不同的局域网之间提供转换功能。而中继器只能实现同类局域网的互连。网桥或以隔离冲突域,因此可以增大网络跨径,而用中继器互连的网络跨径受到冲突域大小的约束。

(3).网桥具有隔离错误信息,保证网络安全的作用。而中继器只能作为数字信号的整形放大器,并不具备检错、纠错功能。

(4).可以根据网桥的不同特点对网桥的种类进行多种形式的划分:(a).根据网桥连接的范围分为本地网桥和远程网桥;(b).根据网桥是运行在服务器上还是作为服务器外的一个单独的物理设备可分为内桥和外桥;(c).根据网桥路径选择的方法分为透明网桥和源路由网桥。

5.网关

(1).网关是让两个不同类型的网络能够互相通信的硬件或软件。网关工作在OSI参考模型的传输层至应用层。网关是实现应用系统级网络互连的设备,它既可是一个专用设备,也可以用计算机作为硬件平台,由软件实现其功能。网关一般用于不同类型、不同协议、差别较⼤的网络系统之间的互连。

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(2).网关在很多情况下是与特定的服务一一对应。换句话说,网关总是针对某种特定的应用,通用型网关是根本不存在的。

(3).网关的主要功能是完成传输层以上的协议转换,一般有传输层网关和应用程序网关两种。网关既可以是一个专用设备,也可以用计算机作为硬件平台,由软件实现其功能。

6.路由器

(1).路由器工作在OSI参考模型的网络层,属于网络层的一种互连设备。一般说来,异种网络互连和多个子网互连都是采用路由器完成的。所谓“路由”,是指将数据包从一个网张送到另一个网络的路径信息。路由的完成离不开两个最基本的步骤:一是选择合适的路径,二是数据包转发。

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(2).路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径,并将该数据包有效地传送到目的站点。因此选择最佳路径的策略,即路由算法,是路由器的关键所在。

(3).为了路由选择这项工作,在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表,供路由选择时使用。路由表是路由器选择路径的基础,表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数以及下一个路由器的地址等内容。路由表一般包括两个部分:(a).静态路由:由系统管理员设置,并不随网络结构的变化而改变。(b).动态路由:依照路由选择算法,根据网络结构的情况随时调整,自动计算数据传输的最佳路径。

(4).路由器的另一个重要功能是完成对数据包的传送。网络上各类信息的传送都是以数据包为单位进行的。数据包中除了包括要传送的数据信息外,还包括要传送信息的目的地址。当一个路由器收到数据包时,将根据数据包中的目的地址查找路由表,并根据查找的结果将此数据包传到对应端口。下一个路由器收到此数据包后继续转发,直至到达目的地。通常情况下,为每一个远程网络都建立一条路由表是不现实的,为了简化路由表,一般还要在网络上设置一个默认路由器。一旦在路由表中找不到目的地址所对应的路由器,就将该数据包交给网络的默认路由器来完成下一级的路由选择。

(5).路由器的另一个重要功能是充当数据包的过滤器,它将来自其它网络的不需要的数据包阻挡在网络之外,从而有效地减少了网络之间的通信量,提高了网络的利用率。

四.路由协议

1.路由算法和路由协议

路由器使用路由选择算法来决定到达某一目的网络的最佳路径。路由选择算法根据其收集到的网络信息,按照自己的标准选择出最佳路由写入路由表,并根据网络情况的变化维护和更新路由表。路由协议就是指实现路由选择算法的协议。常⽤的路由协议有RIP、OSPF、BGP等。

2.路由协议的分类

由一个ISP运营的网络称为一个自治域。自治域是一个具有统一管理机构、统一路由策略的网络。根据是否在一个自治域内部使用,路由协议又有内部网关协议IGP和外部网关协议EGP之分。RIP和OSPF是自治域内部使用的路由协议,属于IGP,而BGP是多个自治域之间的路由协议,属于EGP。

3.路由信息协议RIP

(1).RIP采用距离矢量算法,即路由器根据距离选择路由。RIP通过UDP报文交换路由信息,每隔30秒向外发送一次更新报文。如果路由器经过180秒没有收到更新报文,则将来自所有其它路由器的路由信息标记为不可达。若在其后的120秒内仍未收到更新报文,就将这些路由从路由表中删除。

(2).RIP使用跳数来衡量到达目的地的距离,称为路由权。在RIP中,路由器到与之直接连接的网络的跳数为0,通过1个路由器可达的网络的跳数为1,其余依此类推。为限制收敛时间,RIP规定跳数的取值是0~15的整数,⼤于或等于16的跳数被定义为无穷大,即目的网络或主机不可达。

(3).RIP有RIPv1和RIPv2两个版本。RIP2支持明文认证和MD5认证,并支持变长子网掩码。为了提高性能,防止产生路由环路,RIP支持水平分割、毒性逆转,并采用了触发更新机制。每个运行RIP的路由器管理一个路由数据库,该路由数据库包含了到网络所有可达目的地的一个路由项。

(4).RIP路由数据库中的路由项包含下列信息:(a).目的地址:主机或网络的地址;(b).下一跳地址:为到达目的地,本路由器要经过的下一个路由器地址;(c).接口:转发报文的接口;(d).路由权值:本路由器到达目的地的开销;(e).定时器:该路由项最后一次被修改的时间;(f).路由标记:区分该路由为内部路由协议路由还是外部路由协议路由的标记。

(5).虽然RIP简单、可靠、易于配置,但还有较大的局限性。(a).支持的网络规模有限。RIP最多支持15跳,任何超过15跳的目的地均被标记为不可到达。而且RIP每隔30秒一次的路由信息广播也会占用网络带宽。(b).依据固定度量计算路由。RIP只以跳数作为评价路由优劣的标准,而不考虑其它影响网络性能的因素。

4.开放式最短路径优先协议OSPF

OSPF是一种基于链路状态的路由协议,它需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息,包括所有接口信息、量度和其它一些变量等。利用OSPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息,并根据一定的路由选择算法计算出到达每个网络的最短路径。

(1).OSPF可以将一个自治域再划分为区,以简化路由管理,提高网络性能。

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5.边界网关协议BGP

BGP是一种不同自治域的路由器之间进行通信的外部网关协议。BGP既不是基于纯粹的链路状态算法,也不是基于纯粹的距离矢量算法。其主要功能是与其它自治域的BGP交换网络可达信息,各个自治域可以运行不同的内部网关协议。

(1).BGP与RIP和OSPF的主要区别在于:BGP使用TCP作为传输层协议,两个运行BGP的系统之间首先建立一条TCP连接,然后交换整个BGP路由表。一旦路由表发生变化,就发送BGP更新信息。这些更新信息通过TCP传送出去,以保证传输的可靠性。

(2).从本质上讲,BGP还是一个距离矢量协议。与RIP不同的是,RIP使用跳数来衡量到达目的地的距离,BGP则详细地列出了到每个目的网络的路由。避免了一些距离矢量协议中存在的问题,在实际应用中得到了广泛的使用。

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