网络互连及设备
第六章
主要内容


互连设备
网络路由
1、互连设备





中继器（repeater）
网桥（bridge）
交换机
路由器（router）
网关（gateway）
网络互连概述

网络互连需求




扩大资源共享范围
实现分布式网络计算（多方合作设计）
部署大范围的应用（文档管理，email通信）
网络连接设备


网络内部连接－网络设备
网际连接－互联设备


LAN－LAN
LAN－WAN
网络互连概述

网络互连的原则



对原有网络的硬件和软件或者网络结构和协
议不应作太大的修改。
执行网络互连的部件应当具有协调子网不同
特性的能力。例如：编址方案、分组大小、
访问机制和协议转换等。
不应为提高网络之间传输的性能而影响各个
子网内部的传输功能和性能。
网络互连概述

网络互连因素考虑
连接设备
网络设备V.S OSI层次模型
中继器－Repeater(Hub)（1）
目的：延伸网段。
过程：信号（含噪声）的接收和整形。
形式：电缆延伸、光电转换等。
特点：通过转发器互连的设备处于同一广播域。
中继器－Repeater（2）
信号复制
中继器（3）
信号整形(增强）
Hub（4）
集线器
双绞线
细缆
转发器
堆叠式集线器
光纤
粗缆
网桥－Bridge（1）
目的：实现子网内冲突域的划分
不同子网之间的互连
功能：网络层以下协议转换，帧格式转
换，速率匹配，地址过滤，差错处
理，存储转发
特点：工作于数据链路层，可以连接不
同的网络
网桥－Bridge（2）
网桥
OSI高层
OSI高层
N
N
DL1
Ph1
网段1
DL1
DL2
Ph1
Ph2
DL2
Ph2
网段2
网桥－Bridge（3）
MAC帧头转换
Ethernet
校验码
FDDI
数据
MAC帧头
数据
新校验码
新MAC帧头
网桥－Bridge（4）

分类


简单网桥：地址表全部由人工输入。
透明网桥(transparent bridge)或生成树网
桥(spanning tree bridge)


全自动工作模式，对终端完全透明
源路由网桥(source routing)

对终端不透明，由终端进行路由的发现
透明网桥（5）

地址学习－逆向学习法(backward
learning)
地址广播
 地址学习
 地址查找
 地址表更新

透明网桥－地址表（6）
透明网桥－地址学习（7）
50873EA6, 00123456
10173846, 1017385A
00123456 04125456
10173856 1017385A
网段1
网段2
网段3
网段4
501C3dD56
地址映射表：
MAC地址
端口
00123456
50873EA6
1017385A
……
网段1
网段4
网段2
…
对吗?
50173E56
508C3dD5B 50873EA6
00123456, 50873EA6
透明网桥－环路处理（8）

网桥环路的产生


B1表
管理出错
多个网桥增加冗
余链路，增加可
靠性
1 B1 2
A
B
1
B2
2
B2表
MAC
PORT
MAC
PORT
A
1
A
1
A
2
A
2
B
2
B
2
B
1
B
1
透明网桥－环路处理（9）

环路的特点

引起站点之间有多条通路

造成地址映射表冲突
可能引起分组循环
环路的处理
 LAN网络抽象——〉图的处理
 生成树（spanning tree）算法，所产生的生成树是
覆盖所有节点的无环子图。


透明网桥－环路处理（10）


生成树（spanning tree)算法的特点

分布式

动态（出于不断构建之中，新加入或故障）
生成树（spanning tree)算法的目的


消除环路
任意两个互联的子网（网段）之间路径唯一
透明网桥－环路处理（11）

生成树算法原理(本次课作业)


网桥具有网桥标识和端口（网段）编号；端口可设
置“转发”、“阻塞” 状态。
选择一网桥作为树根，①根网桥（指定或最小地址
的桥）周期性（1-4s）发出Hello广播报文； ②所有
网桥记录并转发该报文； ③多个桥向同一网段转发
该报文时，小地址桥的端口置为“转发”状态，其
它桥的相应端口可置为“阻塞（不转发）”； ④保
证每个网段都（仅）有一个桥（端口）负责转发；
⑤当同一桥的多个端口冲突时，阻塞编号较高的端
口。⑥最终形成一个面向根节点（根网桥）的转发
非循环树。
透明网桥－环路处理（12）
A
C
F
2
5
D
1
3
B
E
4
6
G
透明网桥－环路处理（12）
A
F
C
2
5
D
1
E
4
3
6
B
G
A
C
F
2
D
1
B
3
5
E
4
6
G
源路由网桥（13）




假定每个帧的发送者都知道接收者是否
在同一LAN上，当发送一帧到另外的LAN
时，源机器将目的地址的高位设置成1作
为标记。
在帧头加进此帧应走的实际路径。
网桥根据标注的路径进行转发。
源路由的查找

查找帧(discovery frame)
交换机（1）



交换机是特殊的网桥
交换机连接同构的网段（子网）
独享带宽 划分冲突域
交换机（2）
100M交换器
10M交换器
100M
100M
子网
10M
Hub
网段
Hub
网段
10M交换器
子网
交换机-VLAN（3）



目的：将不同物理网段上的节点划分为
逻辑工作组
特点：方便节点的移动、增加和删除
划分方法



按照交换机端口进行划分
按照主机MAC地址进行划分
按照主机IP地址进行划分
交换机-VLAN（4）
有何不同?
(port)
(MAC)
(IP)




















zw2-1>show vlan
VLAN Name
Status Ports
---- -------------------------------- --------- -----------------------------1 default
active
100 ggq
active Gi1/0/1, Gi1/0/2, Gi1/0/3
Gi1/0/4, Gi1/0/5, Gi1/0/6
Gi1/0/7, Gi1/0/8, Gi1/0/26
200 wgx
active Gi1/0/11, Gi1/0/12, Gi1/0/13
Gi1/0/14, Gi1/0/15, Gi1/0/16
300 ljz
active Gi1/0/17, Gi1/0/18, Gi1/0/19
Gi1/0/20, Gi1/0/21, Gi1/0/22
Gi1/0/23, Gi1/0/24, Gi1/0/27
Gi1/0/28
540 VLAN0540
active Gi1/0/9, Gi1/0/10
1002 fddi-default
act/unsup
1003 token-ring-default
act/unsup
1004 fddinet-default
act/unsup
1005 trnet-default
act/unsup
VLAN Type SAID
MTU Parent RingNo BridgeNo Stp BrdgMode Trans1
Trans2
---- ----- ---------- ----- ------ ------ -------- ---- -------- ------ ------
交换机-VLAN（6）



VLAN之间的通信由路由器或者具有三层
交换功能的交换机完成。
三层交换机功能：是指具有路由功能的
交换机，互联同构子网或网段，不需进
行协议转换，是一种简化的路由器。
三层交换机的特点：保持两层交换机的
灵活性，同时通过硬件完成路由和交换
功能，支持高速处理。
路由器（Router）（1）

功能







网络内子网之间的互连
同构(异构)网络之间的互连形成广域网
运行路由算法/协议(RIP, OSPF, BGP)
在输入链路到输出链路之间交换数据包
工作于网络层
访问控制
网络管理
路由器（Router）（2）
路由器
OSI高层
OSI高层
N1
N1
N2
N2
DL1
DL1
DL2
DL2
Ph1
Ph1
Ph2
Ph2
子网1
子网2
路由器（Router）（3）
体系结构
网络拥塞
路由器（Router）（4）
路由处理
Routing protocol
Routing
Protocol
Network
information
Routing
Algorithms
Route table
Route lookup
路由器（Router）（5）
交换模块
路由器（Router）（6）
输入端口
物理层:
bit-级接受数据链路层:
如：以太网


通过目的地址从路由表中查找输出接口
如果数据报到达速率>转发速率，则需
要排队
路由器（Router）（7）
输出端口

如果从交换结构到达速率大于卡的发送速率，
则需要排队
路由器（Router）（8）

路由协议


静态路由
动态路由



RIP－距离向量协议
OSPF－链路状态协议
BGP－边界网关路由协议
网关－Gateway

功能

高层协议的转换
网关
SMTP
SMTP
TCP
TCP
IP
IP
LLC
LLC
MAC
MAC
A-MHS
P
S
T
N
DL
Ph
A-MHS
P
S
T
N
DL
Ph
2. 网 络 路 由 技 术
网络互连应用
2. 网 络 路 由 技 术
通信子网构成形式
网络路由技术
问题解决
路由
路由器
交换机
网络路由技术
 路由行为－how




寻径: 即判定到达目的地的最佳路径，由路由协
议和选择算法来实现，本过程产生路由表。
转发（forward）: 即沿寻径好的最佳路径传送信
息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否
知道如何将分组发送到下一个站点（路由器或主
机）。
Route
routing ?
Windows下的命令
 Route
netstat
网络路由技术

路由转发表的形式
Destination
MASK
Next-hop
flag
Interface
127.0.0.0
255.0.0.0
127.0.0.1
UH
lo0
0.0.0.0
0.0.0.0
140.252.1.4
UG
le0
140.252.13.3 255.255.255.255 140.252.1.183 UHG
5
le0
202.112.11.0
le0
255.255.255.0
140.252.1.183
UG
网络路由技术
主机终端路由实例
Active Routes:
Destination
Netmask
Gateway
Interface
0.0.0.0
0.0.0.0
211.65.59.1
211.65.59.60
127.0.0.0
255.0.0.0
127.0.0.1
127.0.0.1
211.65.59.0
255.255.255.0
211.65.59.60 211.65.59.60
211.65.59.60
255.255.255.255 127.0.0.1
127.0.0.1
211.65.59.255 255.255.255.255 211.65.59.60 211.65.59.60
224.0.0.0
224.0.0.0
211.65.59.60 211.65.59.60
255.255.255.255 255.255.255.255 211.65.59.60 211.65.59.60
Default Gateway:
211.65.59.1
Metric
1
1
1
1
1
1
1
网络路由技术

路由表（routing table）

静态路由
 静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。


由于静态路由不能对网络的改变作出反映，
一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网
络中。
静态路由的优点是简单、高效、可靠。
网络路由技术


路由表（routing table）
动态路由
 动态路由是路由器之间动态地传递路由信
息，不断更新路由表的过程。
 它能实时地适应网络结构的变化，通过路
由算法，更新各自的路由表以动态地反映
网络拓扑变化。
 动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复
杂的网络。当然，各种动态路由协议会不
同程度地占用网络带宽和CPU资源。
网络路由技术

静态路由与动态路由优先级


在所有的路由中，静态路由优先级最高，
当动态路由与静态路由发生冲突时，以静
态路由为准。
网络中动态路由通常作为静态路由的补充，
当分组被路由时，路由器首先查找静态路
由，如果查到则根据相应的静态路由转发
分组；否则再查找动态路由。
网络路由技术
Other routers

动态路由产生
（D_routing ）
 Routing protocol


Network info.
Routing protocol
Routing
Protocol
Network
information
Routing
Algorithms
routing algorithm


Use network info.
Create routes.
Route table
Route lookup
Different routing mechanisms
数据报工
作模式
虚电路工
作模式
USER11
USER12
USER13
RouterPhysical link
1
1
2
1
2
3
USER21
USER22
2
3
3
USER23
Route Table





Direct Route
Redirect Route
Specific Host Route
Specific Network Route
Default Route
Route Table
Destination
NetMask
Nexthop
Flag
IF
127.0.0.0
255.0.0.0
127.0.0.1
UH
lo0
0.0.0.0
0.0.0.0
140.252.1.4
UG
le0
140.252.13.3
5
255.255.255. 140.252.1.183 UHG
255
le0
202.112.11.0
255.255.255. 140.252.1.183
0
le0
UG
Ct
CIDR 无类域间路由
prifix
Gateway
Flag
IF
202.112.13.0\15
127.0.0.1
UH
lo0
Routing Algorithms

Routing algorithms

Shortest Path Routing
Routing Algorithms

Distance Vector Routing (Bellman-Ford)
Routing Protocol

IGP



RIP
OSPF
EGP

BGP
Routing Protocol
AS 100
R1
AS 200
IGP
IGP
IGP
EGP
IGP
R2
IGP
IGP
IGP
IGP
EGP
EGP
R3
H1
IGP
IGP
H2
IGP
AS 300
内部网关协议
（IGP）
外部网关协议
（EGP）
内部网关协议
（IGP）
Routing Protocol

RIP（Route information protocol）



Rfc2453（ripv2）(for small & middle
network<16hops)
Algorithm：distance vector algorithm
Procedure:


Every 30 seconds, the RIP process is awakened to
send an unsolicited Response message containing the
complete routing table to every neighboring router.
Compare the resulting update distances with the
current routing table entries.
If the new resulting distance is smaller
than the existing value, adopt the new
route.
 If the updater is the router from which
the existing route came, i.e., then use
the new metric even if it is larger than
the old one.

Routing Protocol

RIP-----Count-to-infinity

Example:
NET0
NET0
NET1
10
NET2
1
R1
R3
R2
NET3
1
R4
交换次数
R1路由表
R4路由表
R 2路由表
R3路由表
初始
Net0
-
1
Net0
-
16
Net0
-
16
Net0
-
16
第1次
Net0
-
1
Net0
R1
2
Net0
R1
11
Net0
-
16
第2次
Net0
-
1
Net0
R1
2
Net0
R4
3
Net0
R4
3
Here, 16means infinity
NET0
NET0
NET1
10
NET2
1
R1
R3
R2
NET3
1
R4
交换次数
R1路由表
R4路由表
R 2路由表
R3路由表
初始
Net0
-
1
Net0
-
16
Net0
R4
3
Net0
R4
3
第1次
Net0
-
1
Net0
R2
4
Net0
R4
3
Net0
R4
3
第2次
Net0
-
1
Net0
R2
4
Net0
R4
4
Net0
R4
4
第3次
Net0
-
1
Net0
R2
5
Net0
R4
4
Net0
R4
4
…
…
…
Net0
Net0
R1
11
Net0
R4
12
…
-
1
Net0
…
R2
12
在180s之内，R4没有收到邻居R1关于Net0的消息，则
认为链路中断，距离置为16


Problem: two routers have routes pointing
at each other . The two solutions as
following:
"split horizon with poisoned reverse"


"Split horizon" is a scheme for avoiding
problems caused by including routes in updates
sent to the router from which they were
learned.
“Split horizon with poisoned reverse“ includes
such routes in updates, but sets their metrics
to infinity（i.e route=infinity in undates）.

"triggered updates"


“Split horizon with poisoned reverse” will
prevent any routing loops that involve only
two routers. However, it is still possible to end
up with patterns in which three routers are
engaged in mutual deception.
To get triggered updates, we simply add a rule
that whenever a router changes the metric
for a route, it is required to send update
messages almost immediately, even if it is not
yet time for one of the regular update
message.
Routing Protocol

OSPF(open shortest path first)(rfc2328)



OSPF is classified as an Interior Gateway
Protocol (IGP). This means that it distributes
routing information between routers belonging
to a single Autonomous System. The OSPF
protocol is based on link-state or SPF
technology.
Based on shortest path algorithm to compute
the required route .
Every entity(router) has the complete route
information data base isolated from other areas.
Routing Protocol
–OSPF(open shortest path first)(rfc2328)
主区域
区域边界路由器
内部路由器
AS1
Area0
EGP
R1
R2
Area1
R3
Area2
AS0
自治域边界路由器
Routing Protocol

EGP

BGP






自治系统间的协议
距离向量路由协议和链路状态路由协议不适合
支持管理策略的路径向量协议，关注的是可达性
采用TCP可靠协议进行分组的交换
RIP采用UDP，度量采用跳数Hops，端口：520
OSPF直接封装在IP里，度量为带宽
Routing Protocol
–BGP
AS100
AS200
Net2
R5
Net3
R2
Net1
Net4
Net1 R1 AS100
R1
R6
Net1 R2 AS200, AS100
R4
R9
R3
Net1 R3 AS300, AS200, AS100
Net8
Net5
Net7
R7
R8
Net9
Net6
AS400
AS300