1、第五章 网络的扩展与互连技术,5.1 网络扩展与互连概述,5.1.1 网络互连的基本概述,计算机网络互连是利用网络互连设备及相应的组网技术和协议把两个以上的计算机网络连接起来，实现计算机网络之间的互连。计算机网络互连的目的是使一个网络上的用户能够访问其他计算机网络上的资源，使不同网络上的用户能够相互通信和交流信息，以实现更大范围的资源共享和信息交流。,目前存在着局域网和广域网两种类型的网络，因而也存在以下三种网络互连：局域网与局域网互连；局域网与广域网互连；广域网与广域网互连。 为了将各种类型的网络互连成一个网络，目前主要采用两种方式：一是利用网间连接器实现网络互连,主要用于局域网与局域网互连
2、；二是通过互联网实现网络互连,主要用于局域网与广域网互连以及广域网与广域的互连。 常用的网络连接设备有以下几种： (1) 中继器常用于局域网的扩展，在物理层实现互连。,(3) 网桥主要用于局域网与局域网之间的互连，是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。 (4) 以太网交换机工作在OSI模型的数据链路层，过滤、转发和涌出基于每帧目的端地址的帧的网络设备。 (5) 路由器是用来连接多个不同的网络或网段，它工作在OSI模型的第三层，即网络层，它决定网络通信能够通过的最佳路径。 (6) 网关是用来连接两个协议差别很大的计算机网络，又称为网络协议转换器，它工作在OSI模型,的最高层，即应用层。它能够
3、在应用层将信息堆栈从一种协议转化为另一种协议。 (7) 调制解调器（即Modem）是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。,图5-1 OSI参考模型,5.1.2网间互连的层次 由于网络体系结构上的差异，实现网络互连可在不同的层次上进行，如图5-2所示。按OSI模型的层次划分，可将网络互连分为四个层次，与之对应的网络互连设备分别是： (1)中继器（Repeater）：实现物理层的互连
4、，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连，在局域网之间存储转发数据帧； (3)路由器（Router）：实现网络层的互连，在不同的网络之间存储转发数据包；,(4)网关（Gateway）：实现网络高层的互连，在网络的高层使用协议转换完成网络互连。,图5-2 网络A和网络B在四个层次上的互连情况,52 局域网的扩展与互连设备,当两个局域网内的计算机要资源共享时，就要把 这两个局域网连接起来。把两个局域网连接起来使它们能够通信的过程称为互连。局域网互连采用什么方式，使用何种网络互连设备，主要取决于实际需要和互连网络之间的兼容程度。局域网互连的主要设备有中继器、
5、以太网集线器、网桥和以太网交换机。,521中继器(REPEATER),中继器(REPEATER)中继器是物理层上面的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连，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。中继器对网络上传输衰减的信号进行放大，让信号保持与原数据相同，以达到延伸电缆长度的目的。中继器最典型的应用是连接两个以上的以太网电缆段，其目的是为了延长网络的长度。但延长是有限的，中继器只能在规定的信号延迟范围内进行有效的工作。如以太网著名的“5-4-3”规则：以太网最多有5个网段，由4个中继器相连，为了防止冲突，最多只能有3个网段连接工作站。,中继器具有如下一些特性：
6、(1)中继器工作用于物理层，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。如：502.3以太网到以太网之间的连接和802.5令牌环到令牌环网之间的连接。用中继器连接的局域网在物理上是一个网络，也就是说中继器把多个独立的物理网络互连成为一个大的物理网络。中继器在OSI参考模型如图5-3所示。,图5-3 中继器在OSI参考模型图,(2)中继器可以连接相同传输介质的同类局域网（如：粗同轴电缆以太网之间相互连接），也可以连接不同传输介质的同类局域网（例如：粗同轴电缆以太网与细同轴电缆以太网或粗同轴电缆以太网与双
7、绞线以太网之间相互连接）。 (3)中继器在物理层实现互连，所以对物理层以上的协议（数据链路层到应用层）完全透明，也就是说，中继器支持数据链路层及其以上各层的任何协议。5.2.2 以太网集线器(Hub)集线器(HUB)也称为集中器，它的主要功能是对接,收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。常见的集线器如图5-4所示。,图5-4 集线器,集线器的特性： (1) 放大信号； (2) 通过网络传播信号； (3) 无过滤功能； (4) 无路径检测或交换； (5) 作为以太网的集中连接点； (6) 不同速率的集线器不能级联。 以集线器为节点中心的优点是：
8、当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。集线器的缺点： （1）用户带宽共享，带宽受限；,（2）广播方式，易造成网络风暴；（3）非双工传输，网络通信效率低。集线器的分类：(1)按照传输速率(即集线器所支持的带宽)来分，可分为10Mbps、100Mbps和10Mbps/100Mbps自适应三种类型。(2)按照配置形式的不同，集线器可以分为独立式、模块化和堆叠式三大类。(3)按照集线器的工作方式不同，可分为无源集线器、有源集线器和智能集线器。(4)按照集线器对数据信号的管理方式，可分为：切换式、共享式和可堆叠共享式三种。,如果一个网络的所有设备都仅仅是由一根电缆连接而
9、成，或者网络的网段由集线器之类无过滤能力的设备连接而成，可能会有不止一个用户同时向网络发送数据，引起多个节点试图同时发送数据，就会发生数据冲突。冲突发生时，每个设备上发出的数据相互碰撞而遭到破坏。数据包产生及发生冲突的网络区域叫做冲突域。解决网络上出现太多业务量及太多冲突的办法是使用网桥。5.2.3网桥 网桥（Bridge）又称桥接器，是连接两个局域网的一种存储转发设备。从协议层次上看，网桥工作在OSI参考模型的第二层，它在数据链路层对数据帧进行存储转发，实现网络互连。,1.网桥的基本工作原理 网桥的工作原理是：当网桥刚安装时，它对网络中的各工作站一无所知。当工作站开始传送数据时，网桥会自动记
10、下工作站的地址，直到建立一张完整的网络地址表为止，这过程称为“学习” 。地址表建立完，信息数据在通过网桥时，网桥就根据数据包比较地址表目的地址的网络号与源地址的网络号是否相同。若不同，则进行格式转换，将数据包传过“桥”去；否则，不转换，也不过“桥”。网桥的结构如图5-5所示。,图5-5 网桥工作原理示意图,3.网桥的特性： （1）网桥工作在数据链路层，它对高层协议是透明的，这就意味着，网桥能转发任何网络协议的数据流。网桥是一种存储转发设备，它先把接收的整个帧缓存起来，然后再进行转发。 （2）网桥工作在第二层，它不检查网络层的数据包和网络地址，与网络层无关。 （3）网桥能够互联不同的网络，在不同
11、的局域网之间提供转换功能。,5.2.4以太网交换机1.交换机的定义 局域网交换机，如图5-6所示，它拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。,图 5-6 交换机,2.交换机的特性 通过集线器共享局域网的用户不仅是共享带宽，而且是竞争带宽。可能由于个别用户需要更多的带宽而导致其他用户的可用带宽相对减少，甚至被迫等待，因而也就耽误了通信和信息处理。利用交换机的网络微分段技术，可以将一个大型的共享式局域网的用户分成许多独立的网段，减少竞争带宽的用户数量，增加每个用户的可用带宽，从而缓解共享网络的拥挤状况。由于
12、交换机可以将信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和带宽，能保护用户以前在介质方面的投资，并提供良好的可扩展性，因此交换机不但是网桥的理想替代物，而,且也是集线器的理想替代物。 与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能：（1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。 （2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备 或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。这种方法人们称之为网络微分段（Micro一segmentation）技术。 （3）虚拟网（VirtuaI LAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性。 （4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的
13、网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。,3.交换机的工作原理 传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层） 交换机。把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。交换机（二层交换）的工作原理交换机和网桥一样，是工作在链路层的连网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学来了解每个端口的设备连接情况。,5.3网络的远程接入与Internet接入设备,借助电信部门的数据通信网络系统，并采用合适的接入技术，可以将一台计算机或一个网络接入Internet。接入Inte
14、rnet有两种常用的方式，即专线方式和电话拨号方式。5.3.1 调制解调器 调制解调器(modem)是通过普通电话线，连接网络的小型设备。它由调制器和解调器两部分组成。 调制解调器是成对使用的，电话线的每一端均有一个modem，如图5-7所示，经由RS-232电缆，每个调制解调器接入计算机或终端。调制解调器也可使用I/O总线或USB连接。发送消息时，调制解调器,接收通过RS-232接口从计算机或终端送来的数据。这些数据被调制为具有音频频段的模拟信号送入电话线。接收端的调制解调器解调信号，生成数字信号送入计算机或终端。,图5-7 RS-232和调制解调器,1.内置调制解调器 调制解调器有内置式和
15、外置式，内置式和普通的计算机插卡一样，都称为传真卡，外置式的却只能叫做调制解调器或Modem了。如图5-8所示。,图5-8 内置调制解调器,2. 外置调制解调器 以下是外置式的Modem，如图5-9所示 ：,图5-9 外置调制解调器,3.USB接口的MODEM USB技术的出现，给电脑的外围设备提供更快的速度、更简单的连接方法，SHARK公司率先推出了USB接口的56K的MODEM，如图5-10所示 ：,图5-10 USB接口的MODEM,5.3.2路由器 路由器(Router)又称为选径器，如图5-11所示，是网络层互连设备，主要用于局域网广域网互连（如图5-12所示）。从概念上讲，它与网桥
16、相类似，但它的作用层次高于网桥，所以路由器转发的信息以及转发的方法与网桥均不相同，而且使用路由器互连起来的网络与网桥也有本质的区别。用网桥互连起来的网络是一个单个的逻辑网，而路由器互连的是多个不同的子网。每个子网具有不同的网络地址（逻辑地址，如：IP地址）。一个子网可以对应一个独立的物理网段，也可以不对应（如：虚拟网）。,图5-11 路由器,图5-12 路由器工作原理示意图,1.路由器的基本工作原理 路由器在网络层实现网络互连，它主要完成网络层的功能。路由器负责将数据包(Packet)从源端主机经最佳路径传送到目的端主机。为此，路由器必须具备两个最基本的功能，那就是确定通过互连网到达目的网络的
17、最佳路径和完成数据包的传送，即路由选择和数据转发。 (1)路由选择 路由选择也称路径选择，路由器的基本功能之一就是路由选择功能。当两台连在不同子网上的计算机需要通信时，必须经过路由器转发，由路由器,把数据包通过互连网沿着一条路径从源端传送到目的端。在这条路径上可能需要通过一个或多个中间设备（路由器），所经过的每台路由器都必须要知道怎么把数据包从源端传送到目的端，需要经过哪些中间设备。为此，路由器需要确定到达目的端下一跳路由器的地址，也就是要确定一条通过互连网到达目的端的最佳路径。 路由选择实现的方法是：路由器通过路由选择算法，建立并维护一个路由表。在路由表中包含着目的地址和下一跳路由器地址等多
18、种路由信息。路由表中的路由信息告诉每一台路由器应该把数据包转发给谁，它的下一跳路由器地址是什么。路由器,根据路由表提供的下一跳路由器地址，将数据包转发给下一跳路由器。通过一级一级地把数据包转发到下一跳路由器的方式，最终把数据包传送到目的地。 (2)数据转发 路由器的另一个基本功能是完成数据包的传送，即数据转发，通常也称数据交换（Switching）。2.路由器的主要特点 (1)路由器可以互连不同的MAC协议、不同的传输介质、不同的拓朴结构和不同的传输速率的异种网，它有很强的异种网互连能力。,(2)路由器工作在网络层，它与网络层协议有关。 (3)对大型网络进行微段化，将分段后的网段用路由器连接起
19、来。3.多协议路由器5.3.3网关 网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。1.网关的工作原理,网关的工作原理是：当路由器的物理接口或路由模块的虚拟接口接收到数据包时，通过判断其目的地址与源地址是否在同一网段，来决定是否转发数据包，通常小型办公室的网络设备只有两个接口，一个连接Internet，另一个连接局域网集线器或交换机，因此，一般设成缺省路由，只要不是内部网段，全部转发。如图5-14所示。,图5-14 网关工作原理示意图,2.基本类型 网关有传输网关和应用程序网关两种基本类型。5.3.4 网
20、络互连设备的应用场合(如图5-15所示),图5-15 网络互连设备,5.4 广域网的组网技术,5.4.1 公共交换电话网,1.PSTN网络连接关系,图5-16 PSTN接入网用户与PSTN的连接关系,2.PSTN接入设备 按照不同的分类标准，可以把Modem分成以下几类： (1)按数据率分类，可以把Modem分成高速Modem和低速Modem。 (2)按通信同步方式分类，可以把Modem分为异步Modem和同步Modem。 (3)按照产品结构分类，可以把Modem分为卡式、台式、PCMCIA和组合式4种。 (4)按照传输介质分类，可以把Modem分为有线Modem和无线Modem。,3.PST
21、N接入网使用的协议 (1)物理接口协议 (2)数据链路层协议 (3)网络层协议5.4.2 综合业务数字网ISDN1.ISDN的提出 2.ISDN的概念模型 按照原CCITT的定义，ISDN是以提供了端到端的数字连接的综合数字电话网IDN为基础发展起来的通信网，用以支持电话及非话的多种业务；用户通过,一组有限的标准用户网络接口接入ISDN网内。即ISDN： (1) 是通信网； (2) 以电话网、IDN为基础发展而成； (3) 支持端到端(End-to-End)的数字连接； (4) 支持各种通信业务； (5) 支持话音类及非话业务； (6) 提供标准的用户-网络接口(UNI)； (7) 使得用户能
22、通过一组有限个多用途的UNI接入ISDN。3.业务综合,4.ISDN的承载业务类型5.ISDN协议模型 (1) ISDN协议分层 参照OSI参考模型，ISDN分为四层，如下图5-19所示:,图5-19 ISDN协议分层,第一层：物理层，规定了ISDN各种设备的电气机械特性，及物理电气信号标准； 第二层：数据链路层，完成物理连接间的数据成帧/解帧及相应的纠错等功能，向上层提供一条无差错的通信链路； 第三层：网络层，进行路由选择、数据交换等，负责把端到端的消息正确地传递到对端。 (2) 层间信息交换 层间通信在各层提供的业务接入点(SAP)依靠消息原语（Message Primitives）进行，
23、如图5-20所示。,图5-20 层间信息交换,(3) ISDN功能设备定义及参考点 ISDN提供如下各类的标准设备： TE1：ISDN标准终端设备； TE2：非标准ISDN终端设备； NT1：网络终端1，标志本地环路的物理终结，具有用户传输线终端和用户网络接口(UNI)功能；NT2：网络终端2，可以是PABX或局域网LAN；LE：本地交换设备，完成用户本地环路内的设备间信息交换；TA：终端适配器，完成非标准设备到ISDN速率的匹配及协议转换(它可以在TE2中内嵌实现)；,6. ISDN的特点ISDN相对传统电信网有很多的优点：(1)业务的综合：不同的业务可以通过相同的物理电路进行连接，增加新业
24、务方便。 (2)由于采用了公共信道信令(CCS：Common Channel Signal)，不同业务的呼叫建立互相独立，且快速方便，更有效的利用了链路资源；支持话音和各种非话增值业务，如主叫识别、呼叫转移、可视电话、会议电话等。 (3)采用了统一的标准用户网络接口UNI。 5.4.3 数字数据网(DDN)1.系统特点,(1)传输质量高，DDN的主干传输为光纤传输，高速安全。 (2)采用点对点或点对多点的专用数据线路，特别适用于业务量大、实时性强的用户。 (3)标准的ISDN 2B+D传输模式，在一对双绞线上同时传输二路64Kbps电路。 (4)网管中心能以图形化的方式对网络设备进行集中监控，
25、电路的连接、测试、告警、路由迂回均由计算机自动完成，使网络管理智能化，减少不必要的人为错误。2.业务功能 (1)点对多点通信,(2)帧中继 (3)话音传输3. 接入方式 (1)单点用户接入 (2)网络用户接入 (3)业务定位 4.适用范围5.4.4帧中继（FRAME RELAY）1.帧中继的优点 (1)帧中继和分组交换类似，但却以比分组容量大的帧为单位而不是以分组为单位进行数据传输；,而且，它在网路上的中间节点对数据不进行误码纠错。帧中继技术在保持了分组交换技术的灵活及较低的费用的同时，缩短了传输时延，提高了传输速率。 (2)其特点是按需分配带宽，网络资源利用率高，网络费用低廉；采用虚电路技术，适用于突发性业务的使用；不采用存储转发技术，时延小、传输速率高、数据吞吐量大；兼容X.25、SNA、DECNET、TCP/IP等多种网络协议，可为各种网络提供快速、稳定的连接；,2.帧中继提供的功能及其应用范围 (1)局域网间互连 (2)局域网与广域网的连接 (3)组建虚拟专用网 (4)电子文件传输 3.应用方案5.4.5 xDSL技术1.xDSL技术的导入,
