组网与网络管理技术计算机网络互连上.docx

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组网与网络管理技术计算机网络互连上

计算机网络互连（上）

[内容简介]

本章主要介绍LAN-LAN互连、LAN-WAN-LAN互连的方法，介绍常用的网桥、路由器的作用、规划、安装使用。

介绍保障网络运行安全的各种手段，包括管理和技术方面。

[学习目标]

通过本章的学习，应该做到：

1．掌握局域网、广域网的互连；

2．理解HUB、SWITCH、网桥以及路由器的规划和使用；

3．网络互连最新技术和新的网络互连设备。

[学习进度]

本章教学安排两次面授辅导。

3．1网络互连的一般概念

一个网络分类的标准是它的连接距离。

高度并行的计算机；多计算机。

多计算机又可分为局域网、城域网和广域网。

3．1．1局域网

局域网（LocalAreaNeteork），简称LAN。

LAN有和其他网络不同的三个特征：

（1）范围；

（2）传输技术；（3）拓扑结构。

LAN的覆盖范围比较小。

传统的LAN速度为10～100Mbps，新的LAN运行速度更高，可达到每秒数百兆位。

局域网采用的交换方式是分组交换。

常见的局域网有以太网（Ethernet）、令牌环网和Arcnet。

3．1．2广域网

广域网（WideAreaNetwork），或者称WAN。

是一种跨越大的地域的网络。

广域连线上的典型带宽比局域网低的多。

广域网采用的交换方式是电路交换。

3．1．3城域网

城域网（metropolitanareanetwork），或者称MAN，基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。

3．1．4网络互连的层次

1．LAN—LAN：

计算机科学家下载文件给工程人员。

2．LAN—WAN：

计算机科学家给远端的物理学家发送电子邮件。

3．WAN—WAN：

两位诗人交换诗作品。

4．LAN—WAN—LAN：

不同大学的工程师相互通信。

中继器、集线器、网桥、路由器、网关等产品都可以延伸网络和进行分段。

中继器（repeater）可以连接两局域网的电缆，重新定时并再生电缆上的数字信号，是ISO模型中物理层的网络连接设备。

中继器的作用是增加局域网的覆盖区域。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

粗缆的最大长度为500m，利用中继器连接4段电缆后，传输电缆最长可达2000m。

集线器（Hub）可以说是一种特殊的中继器，它克服了介质单一通道的缺陷。

已出现交换技术和网络分段方式的交换式集线器（switchinghub）。

网桥（Bridge）又称桥接器，是一种在链路层实现局域网互连的存储转发设备。

网桥从一个局域网接收MAC帧，拆封、校对、校验之后，按另一个局域网的格式重新组装，发往它的物理层。

不处理数据链路层以上层次协议所加的报头。

网桥可以连接完全不同的局域网适配器和介质访问控制协议的局域网段，只要它们使用相同的通信协议就可以。

网桥的用途有：

（1）连接同构型LAN；

（2）扩展工作站的平均占有频带；

（3）扩展LAN的地址范围；

（4）提高网络性能及可靠性。

路由器（Router）亦称选径器，是在网络层实现互连的设备。

网桥是中继器的功能改进，而路由器是网桥功能的改进。

路由器读数据包更复杂的网络寻址信息，可能还增添一些信息，使数据包通过网络。

路由器工作于ISO模型中的网络层（第三层）。

路由器只接受来自源站或另一个路由器的数据，因而，可以用作各网络段之间安全隔离设备，坏数据和“广播风暴”不可能通过路由器。

路由器允许管理员将一个网络分成多个子网络。

网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。

网关在运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。

网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。

网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

表3－2路由器、网桥和中继器的互连层次

应用层

网关

表示层

会话层

运输层

网络层

路由器

数据链路层

网桥

物理层

中继器

3．1．5网络设备的选择

一、中继器

优点：

1．易于操作；

2．很短的等待时间；

3．价格便宜；

4．突破线缆的距离限制来扩展局域网段的距离；

5．扩展某些来自局域网段或主干网的工作站的距离。

缺点：

1．功能有限；

2．某些情况下管理能力有限。

二、网桥

优点：

1．提高通信距离、增强了局域网段的性能；

2．运行独立于上层协议；

3．再生信号；

4．提供某些WAN互连（远程网桥）；

5．通常比路由器便宜；

6．比路由器的等待时间短。

缺点：

1．无法用于大型网络或多个网络的路由通信；

2．无法转换数据链路层以上的协议。

三、路由器

优点：

1．可在复杂的网络中从源到目的地路由分组；

2．可配置成允许多条路由路径；

3．允许网络数据流控制；

4．允许如Internet的大型网络访问；

缺点：

1．比网桥还要长的等待时间；

2．比中继器和网桥成本高。

四、集线器

优点：

1．更改配线相对容易；

2．易于网络扩展；

3．集中管理；

4．提供中继器功能。

缺点：

1．比采用同轴电缆方案成本高；

2．可能会在某个地方出故障。

五、网关

优点：

可以从一种网络结构转到另外一种结构；

缺点：

很长的等待时间。

六、交换机

优点：

1．很短的等待时间；

2．增强网络整体性能；

3．集中控制。

缺点：

与集线器和网关比较起来成本高。

交换机和路由器都可以通过装配来分割局域网和提供附加带宽。

如果应用项目需要支持多路径、智能化分组传递以及WAN访问，那么必须选择路由器。

如果应用项目只需要增加带宽以减少通信瓶颈，则选择交换机好一些。

因为交换机是专门的设备，它提供“线路速度”的包吞吐量，而且每个端口的成本比路由器更少。

想让服务器的带宽变得最大，并将每个客户机分成较小的冲突域，每个域共享10M的访问速度，仅有少数的客户机需要用专用的10M带宽来运行应用,同时为了消除不断增长的服务器瓶颈，可以选择交换机或者选择路由器方案来升级网络。

选择路由器不是最经济的，从成本来看，路由器在每个端口的花费都很高，而且长时间的管理费用也比交换机高。

从技术角度看，路由器提供的吞吐量比交换机的小。

例3.1.1填空：

局域网与其他网络不同的三个特征是范围、和。

（P87）传输技术、拓扑结构

例3.1.2填空：

LAN是_________的简称，它覆盖的范围比较_______，传输速率_________，采用的交换方式是___________。

（P87～88）局域网小较高分组交换

例3.1.3填空：

WAN是_________的简称，它覆盖的范围比较______，传输速率_________，采用的交换方式是_________。

（P88）广域网大较低电路交换

例3.1.4填空：

_________和_________都可以通过装配来分割局域网和提供附加带宽。

（P94）交换机路由器

例3.1.5单选：

中继器的作用是（）。

A．分隔网络流量B．延长网段长度

C．减少网络冲突D．纠正传输错误

（P91）B

例3.1.6单选：

下列描述属于中继器功能的是（）。

A．配置路由B．扩展局域网网段

C．再生信号D．异构网互联

（P91）B（C）

例3.1.7单选：

网桥可以接受（），然后进行拆封、校对、校验，并发往物理层。

A．IP地址B．包

C．数据D．MAC帧

（P91）D

例3.1.8单选：

如果在一个采用粗缆作为传输介质的Ethernet网中，两个节点之间的距离超过500m，最简单的方法是选用（）来扩大局域网覆盖的范围。

A．中继器B．网桥

C．路由器D．网关

（P91）A

例3.1.9单选：

中继器是在（）将信号复制、调整和放大，以延长电缆的长度。

A．物理层B．数据链路层

C．网络层D．运输层

（P91）A

例3.1.10单选：

网桥是在（）将多个局域网互连的存储转发设备，这些局域网的逻辑链路子层相同，而介质访问子层可以不同。

A．物理层B．数据链路层

C．网络层D．运输层

（P91）B

例3.1.11单选：

在数据链路层工作的网络互连设备是（）。

A．中继器B．网桥

C．路由器D．网关

（P92）B

例3.1.12单选：

下列设备工作于数据链路层的是（）。

A．普通HubB．中继器

C．路由器D．网桥

（P92）D

例3.1.13单选：

下列描述中错误的是（）。

A．从技术角度看，路由器提供的吞吐量比交换机要小

B．交换机和路由器都可以增加带宽

C．集线器可以提供中继器的功能

D．网关在运输层以上实现网间互连

（P92）B

例3.1.14单选：

路由器是（　　）设备。

A．数据链路层B．物理层

C．网络层D．传输层

（P92）C

例3.1.15单选：

下列关于网桥的描述，不正确的是（）。

A．网桥是数据链路层的设备

B．网桥对末端节点是透明的，末端节点在工作时，必须了解网桥的位置和特征

C．网桥有内桥、外桥之分

D．网桥可以增加工作的总的物理距离

（P92,98）B

例3.1.16单选：

下列关于中继器的描述正确的是（）。

A．中继器主要用于连接广域网

B．中继器工作在网络层

C．中继器可以对数据进行纠错处理

D．中继器可以扩展网段

（P92）D

例3.1.17单选：

哪一个设备工作在网络层（）。

A．网卡B．路由器

C集线器D．网桥

（P92）B

例3.1.18单选：

使用哪种设备能够将网络分隔成多个IP子网（）。

A．网桥B．集线器

C．交换机D．路由器

PxD

例3.1.19单选：

下列描述中错误的是（）。

A．中继器和网桥都可以提高局域网网段的距离

B．网桥和路由器都可以用于大型网络的路由通信

C．通常情况下，路由器比网桥和中继器的成本要高

D．路由器可配置成允许多条路由路径

（P92）B

例3.1.20单选：

路由器工作在（）。

A．物理层B．数据链路层

C．网络层D．运输层

（P92）C

例3.1.21单选：

哪种设备的数据转发时延最长（）。

A．网桥B．路由器

C．交换机D．网关

（P94）D

例3.1.22单选：

路由器的缺点是（）。

A．不能进行局域网联接B．容易成为网络瓶颈

C．无法隔离广播D．无法进行流量控制

（P94）B

例3.1.23单选：

下面关于集线器的说法哪一个是不正确的（）。

A．采用级联方式时，各集线器之间的端口不在同一个冲突域

B．集线器的100Base-T端口可以连接10Base-T的工作站

C．主动式集线器能够比被动式集线器支持更长的传输介质

D．采用交换式集线器可以分隔冲突域，但不能分隔广播域

（P94～97）A

例3.1.24多选：

局域网与其他网络不同的特征是（　　）。

A．范围B．传输技术

C．拓扑结构D．使用TCP/IP协议

（P87）ABC

例3.1.25多选：

下列设备工作于物理层的是（），工作于数据链路层的是（），工作于网络层的是（）。

A．普通HubB．中继器

C．路由器D．网桥

（P91）AB，D，C

例3.1.26多选：

下列设备属于网间连接设备的是（）。

A．中继器B．集线器

C．路由器D．网桥

（P91～92）CD

例3.1.27判断：

中继器能够再生信号。

（）

（P91）√

例3.1.28判断：

中继器可以扩展网络传输范围，同时检测传输数据是否有误。

（　）

（P91）×

例3.1.29判断：

路由器只应用于广域网，不应用于局域网。

（　　）

（P92）×

例3.1.30判断：

交换机可以增加网络带宽，减少通信瓶颈。

（）

（P94）√

例3.1.31简答：

什么情况下，你会用网桥代替路由器？

（P91～92）

参考答案：

不需要进行网络层的互联，只需要在链路层实现局域网互联；需要比路由器更短的等待时间时使用网桥；需要比路由器更低的价格时使用网桥；对于较小型的简单的网络使用网桥而不使用路由器。

例3.1.32简答：

集线器、网桥、交换机、路由器分别应用在什么场合？

它们之间有何区别？

（P93）

参考答案：

集线器是连接网络的重要、常用的设备，主要用于将服务器与工作站连接到网络上，它是星型网络拓扑中常用的设备，在局域网中最为常见。

网桥主要应用于局域网之间的连接，它可以将不同拓扑结构的局域网连接在一起，如总线型网、环型网、星型网的互联。

网桥也可以将一个局域网分成不同的网段。

网桥的主要作用包括互连、网络寻址、网段隔离、负载均衡和数据转发。

交换机有二层交换机和三层交换机，二层交换机工作在数据链路层，二层交换机主要查看传输的帧内的MAC地址，如果知道目的地址，就将信息发送给相应的接口；三层交换机工作在第三层，主要实现路由功能。

路由器是典型的网络层设备，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能。

常用于异种网络的互联。

（也可参考书中93页的内容分析解答）

例3.1.33简答：

比较交换机与路由器的应用场合。

（P94）

参考答案：

交换机和路由器都可以通过装配来分割局域网和提供附加带宽。

如果应用项目需要支持多路径、智能化分组传递以及WAN访问，那么必须选择路由器。

如果应用项目只需要增加带宽以减少通信瓶颈，则选择交换机好一些。

因为交换机是专门的设备，它提供“线路速度”的包吞吐量，而且每个端口的成本比路由器更少。

3．2LAN-LAN互连

如果连接差别非常大的网络可选用网关（gateway）。

若各局域网段在物理上靠得较近，那么网桥、路由器就可以用来延伸粗缆。

FDDI体系结构采用一个光缆环（主、副环）传送数据，两个环同处于一个物理级数据拓扑结构中，副环主要目的是在主环出现故障时提供后备连接。

3．2．1中继器与集线器

中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，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。

中继器具有以下特征：

1．中继器再生信号使得信号能传播更远。

2．中继器一般用于如以太网的线性电缆系统。

3．中继器用于协议栈的最底层──物理层。

高层协议不使用中继器。

4．用中继器连接的网络段都必须使用同样的介质访问方法。

5．用中继器相连的网络段成为同一网络的一部分，具有相同的网络地址。

6．中继器一般在单座建筑中使用。

7．网段中的每个节点有自己的地址。

扩展段中的节点地址和已有的网段节点地址必须相同，因为它们已成为同一网络段上的一部分。

集线器是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。

集线器可分为被动式集线器、主动式集线器和智能集线器。

被动式集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号作任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半。

主动式集线器类似于被动式集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能。

智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集成到集线器中，如网络管理、选择网络传输线路等。

若以带宽为选择依据的话，集线器带宽的选择，主要决定于三个因素：

（1）所连设备带宽。

（2）站点数。

依据工程经验，10M冲突域内的站点不宜超过25个，100M冲突域内的站点不宜超过35个。

（3）应用需求。

如果端口不够，可以采用堆叠和级联两种延伸方式来增加端口数。

3．2．2网桥

网桥也称桥接器，是数据链路层的连接设备，准确说它工作在MAC子层上，在两个局域网的数据链路层（DDL）间接帧传送信息。

网桥对末端节点用户是透明的，末端节点在其报文通过网桥时，并不知道网桥的存在，它可以将相同或不相同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网络。

网桥的一些常用环境:

第一，大学的系或公司的部门都有各自的局域网，这些系（或部门）之间需相互交往，因而需要网桥。

第二，单位在地理位置上较分散，并且相距较远，不如在各个地点建立一个局域网，并用网桥连接起来。

第三，可能有必要将一个逻辑上单一的LAN分成多个局域网，以调节载荷。

第四，相距最远的机器之间的物理距离太远（比如超过802.3所规定的2.5km）。

由于来回时延过长，网络不能正常工作。

办法是将局域网分段，在各段之间放置网桥。

通过使用网桥，可以增加工作的总物理距离。

第五，可靠性问题。

网桥可以设置在局域网中的关键部位，就像建筑物内的放火门一样，防止因单个节点失常而破坏整个系统。

第六，网桥有助于安全保密。

如果网中多处设置网桥并谨慎地拦截无须转发的重要信息，那么就可以把网络分隔以防止信息被窃。

根据网桥连接的不同设备和网络，网桥可分为内桥、外桥和远程桥。

3．2．3组播

在一个网络上有200个用户需要接收相同的信息时，传统的解决方案要么把这一信息分别发送200次，以便确保需要数据的用户能够得到所需的数据；要么采用广播的方式，在整个网络范围内传送数据，需要这些数据的用户可直接在网络上获取。

这些方式都浪费了大量宝贵的带宽资源，特别是网络上只有少数用户需要数据时，这种浪费更加明显。

IP组播就是为了解决这个棘手问题而开发出来的。

IP组播采用了组地址的概念，把需要数据的用户编人用户组，并利用一些高级的网络协议来确保最经济地利用带宽，把数据通过用户组传递给真正需要的用户。

IP组播还能减轻服务器的负担，提高电子商务应用程序的效率，从而革命性地改变网络的性能，节省大量的经费，并能带来更多新的增值服务。

广播方式也不利于信息的安全和保密。

IP组播仅仅给所有需要相同数据的用户发送一次信息，并且在传递的过程中在网络关键节点处不断地进行信息的复制和分发，因此信息能被准确高效地传送到每个需要它的用户。

简单来说，IP组播是一种保存带宽的技术。

IP组播技术对于像视频会议、远程教育和实时训练等应用来说非常适合。

一、IP组播中的组动态

IP组播依靠虚拟组地址的概念进行工作。

在IP组播的环境中，数据包的目的地址不是一个而是一组，形成组地址。

组中的所有成员都能接收到数据包，因此为了接收数据包，必须首先成为组的成员，而数据包的发送者并不需要是组中的成员。

二、主机—路由器协议

主机—路由器协议存在于网络中的PC、客户端、服务器以及路由器之中。

最基本的主机—路由器组播协议是Internet组管理协议（IntemetGroupManagementProtocol，IGMP）。

IGMP通知路由器有关组成员的信息，并使路由器能通过和自己直接相连的主机来了解组内其他成员的情况。

特定的应用程序能知道是来自哪个数据源的信息发送到了哪个组中。

三、交换和桥接网络中的IP组播

在传统的交换或者桥接环境中，组播被当成广播一样对待，所以只要是连在同一个第二层交换机上的用户，都会收到组播传来的数据，这种现象称为流量“泛洪”。

一个在第二层上控制流量泛洪的办法就是采用IGMP欺骗。

另外一些其他的协议也能控制组播的泛洪，Cisco公司开发的Cisco组成员协议就是其中之一。

近来IEEE定义了一个新的协议，称为组播注册协议（GroupMulticastRegistrationProtocol，GMRP），目的也是控制组播的泛洪。

四、组播路由协议

因为组播中的组地址是虚拟的，所以不可能如同单播那样，直接从数据源一端路由到特定的目的地址。

组播路由建立了一个从数据源端到多个接收端的无环数据传输路径。

组播路由协议的任务就是构建分发树结构。

组播路由器不仅要知道数据将传往何处，而且知道数据是从何处传来的。

组播路由器能采用多种方法来建立数据传输的路径，即分发树。

五、稠密模式组播

稠密模式组播把数据包用泛洪的方法传递给网络中每个路由器的所有网络接口，稠密模式组播其实并不是一种理想的组播实现方式，因为它在大型或具有冗余功能的网络中并不能很好地得到应用。

稠密模式下的典型路由协议是稠密模式下的协议独立组播、距离向量组播路由协议以及开放最短路径路由协议的组播扩展。

六、稀疏模式组播

稀疏模式组播克服了网络中只有少数用户时的流量泛洪问题。

目前最流行的稀疏模式组播协议是稀疏模式下的PIM协议。

七、在IP网络上配置组播的策略

为了能在企业网和服务提供商网络上成功地配置IP组播，必须首先确认网络中的第二层交换机能够控制组播流量的泛洪传播。

其次，网络必须支持稀疏模式组播路由协议。

八、组播的多媒体应用

多媒体应用包括视频点播、视频会议、图像监控等，这些应用的特点主要是信息流量大、应用信息点不多。

采用组播技术，不仅可以减少这些应用对其他应用的干扰，还能够保证这些应用本身的传输质量。

3．2．4服务质量QoS

多年来，QoS一直是广域网的关键需求。

带宽、延迟和延迟变化的需求都是广域网中优先考虑的内容。

QoS可以保护关键任务应用免受多媒体、网络广播及实时视频服务等需要极大带宽的应用的干扰。

QoS起到了如下重要作用：

1．保护电子商务、ERP（EnterpriseResourcePlanning企业资源计划）或自动销售系统等关键任务应用。

2．给予基于销售和工程等业务的用户组以优先权。

3．实现远程教学或桌面电视会议等多媒体应用。

4．网络管理员可能需要就不同的应用提供不同的服务级别。

CiscoIOS软件的关键QoS功能包括：

1．加权随机早期检测（WRED）：

避免网络流量的振荡。

2．加权平衡排队（WFQ）：

WFQ将信息包分成若干列或类别，然后对信息包的输出进行排程，以满足其带宽分配及延迟要求。

3．资源保留协议（RSVP）：

应用可以使用RSVP对必需的网络资源进行动态的请求和保留，从而满足其特定的QoS要求。

4．IP优先：

通过使用现有的IP优先排队机制（如WFQ，WRED等），IP优先信号在网络中区分QoS。

5．基于策略的路由选择（PBR）：

PBR根据源地址和应用端口等标准为所选的信息包提供了定制的路由路径，并可经由IP优先权对信息包分类并作出标记，这使得主干网路由器可以在拥挤时给予其优先权。

3．2．5局域网互连实例

例3.2.1填空：

在FDDI体系结构中，当主环出现故障后提供后备连接。

（P95）副环

例3.2.2填空：

集线器带宽的选择主要决定于三个因素：

________、_________、

_________。

（P97）所连设备带宽站点数应用需求

例3.2.3单选：

集线器带宽的选择不决定于下列（）因素。

A．所连接设备的带宽B．站点数

C．价格D．应用需求

（P97）C

例3.2.4单选：

采用级联方式连接多个集线器可以（）。

A．减少网络冲突

B．分隔网络流量

C．增加可用端口数

D．提高网络可用带宽

（P97）C

例3.2.5单选：

在链路层实现局域网互连的存储转发设备是（）。

A．集线器B．网桥C．中继器D．路由器

（P98）B

例3.2.6单选：

指出错误的说法（）。

A．虽然快速以太网采用的介质访问技术仍然是CSMA/CD，但由于带宽增加了10倍，因此冲突的机会比10M以太网要大为减少

B．在服务器中安装两块网卡就可以使该服务器提供网桥的功能

C．连接到交换式集线器的工作站虽然仍然采用CSMA/CD技术，但能够独享带宽

D．在以太网中不管采用什么样的网络操作系统，MAC层的技术都是相同的

（P97～99）A

例3.2.7单选：

将本地网络与一个远程工作站相连，需要（）网桥。

A．在互联的两端各装一个

B．在远程装一个

C．在本地网络安装一个远程

D．在本地网络安装一个本地

（P99～100）A

例3.2.8单选：

（）技术对于视频