计算机网络之网络互连

1.什么是网络互连

1.1网络互连的目的

将两个或者两个以上具有独立自治能力的计算机网络连接起来，实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳更多用户。

网络互连包括：

同构网络、异构网络的互连，

局域网与局域网（LAN/LAN）的互连、

局域网与广域网（LAN/WAN）

局域网经广域网的互连。

1.2网络互连的意义

★ 扩大资源共享的范围 — 容纳更多的用户和资源；

★ 提高网络的性能 — 划分子网，有利于避免相互干扰；

★ 降低成本 — 统一入/出口，有利于降低外联的总体成本；

★ 提高安全性 — 入/出口监控，有利于统一管理和维护；

★ 提高可靠性 — 子网划分，有利于冗余设计。

1.3网络互连通信的可能问题

互连的网络要能够进行通信，须解决网络之间的差异：

不同的寻址方案

不同的最大分组长度

不同的超时控制

不同的差错恢复方法

不同的状态报告方法

不同的服务（面向连接服务和无连接服务）

不同的管理与控制方式，等等

1.4网络互连的准则

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（保持原有网络的特性）。

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。

执行网络互连的部件应当提供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。

2.网络互连的部件-互连的核心

执行不同协议的实体之间无法通信，因此作为互连部件应当具有：内部执行各子网的协议，成为子网的一部分，实现不同子网协议之间的转换，保证执行两种不同协议的网络之间可以进行互连通信。

协议转换包括：协议数据格式的转换、地址映射、速率匹配、网间流量控制等。

2.1网络互连的形式

单部件（网关）互连

通过某个专门的互连部件连接两个或者两个以上的网络（子网）。

两个子网执行不同协议时，单网关进行必要的协议转换。

半部件（网关）互连

通过一对提供互连功能的部件进行两个网络（子网）的互连；

互连部件只能屏蔽对应层之下各层次的差异，为了保证更高层实体之间的通信，通信双方应当执行相同的高层协议。

2.2网络互连部件的分类

互连部件的作用：低层协议的转换；

原则上可以对应到OSI/RM的任何层次。

有时，也将所有的互连部件统称为网关（Gateway）。

3.网络互连部件—转发器（中继器、集线器）

目的：互连仅在物理层及其下层（传输媒体）存在差异的网络；延伸网段，改变传输媒体，同构网络互连；

过程：信号（含噪声）的接收和再生/整形—补偿信号能量；

形式：电缆延伸、光电转换等；

常用集线器

共享式集线器（10/100M) 叠堆式集线器端口数为8的倍数；

转发器特点

延伸网段，模拟信道：信号（含噪声）接收和再生；

数字信道：信号接收和整形；易于实现，成本低；

局域网环境下，通过转发器互连的设备处于同一广播域，一个结点发出的信息被域中所有结点感知，限制了域中结点数。

4.网络互连部件—网桥（含交换器）

目的：互连两个独立的、仅在低两层实现上有差异的子网；

过程：信息帧的转发（含异构网互连时的重新封装）

常用场合

“相同”或者仅在底2层“相异”的网络互连；以太网—以太网（同构网络，如交换器）以太网---无线局域网（异构网桥，AP）以太网—FDDI（异构，网桥）以太网—令牌环（异构，网桥）以太网—ATM网（异构，网桥）

网桥的功能及特点

★ 地址过滤：具有统一的数据链路层的编址格式，网桥能够识别各种地址，并根据数据帧的宿地址，有选择地让数据帧穿越网桥。帧限制网桥不对帧进行分段，只进行必要的帧格式转换，以适应不同子网。超长帧被丢弃（上层实体协商帧长度）。各子网相对独立，控制帧不能穿越网桥。

★监控功能：作为单个子网的一部分，参与对子网的监控和对信息帧的校验。具有“存储-转发”的能力，接收帧、检查帧和转发帧。

★缓存能力：适应不同子网对媒体访问的控制方式。

★透明性：不应影响原有子网的通信能力。

网桥的路径选择—避免广播风暴

问题：多个子网互连时，如何找到分属不同子网的结点？

基本方法：

网桥对信息帧宿地址的处理：如果该地址不属于原子网，则向所有的端口转发（广播）。

结果：大量的“无用帧”扩散到网上—广播风暴。可能导致帧在网络上的无限制的转发。

解决方法：设置地址映射表—有选择地转发；设置计数器—丢弃转发过的帧。

地址映射表的使用：分析途经网桥的每个帧，如果宿地址出现在映射表中，封装/转发该帧至对应网段（端口），否则广播。

网桥循环的避免—冗余网桥及生成树

为提高网络可靠性，通常需设置冗余网桥或者冗余连接；

问题：可能导致地址映射表无法正常工作。

解决方法：不转发已转发过的帧？

潜在问题：如何保存和判别转发过的帧？结点增加，子网增多时问题更为严重。

解决方法：对于存在环路的网络，执行构树过程，确保网络中任意两个结点之间有且仅有一条路径。

★ 解决方法：执行生成树算法，消除循环，多余资源留作备用；

目标：任意两个结点之间仅有一条（跨越不同网段）的路径；

原理：逐个增加网桥（端口），一旦出现环路，则阻塞引起该环路的端口；

算法依据：网段为点，桥为边的图中求生成树（支撑树）；

辅助设施：网桥具有网桥标识和端口（网段）编号；端口可设置“转发”、“阻塞”等状态。

过程及原则： 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。

冗余网桥以及生成树示意图

5.网络互连部件—路由器

（1）原理网桥的限制：仅适合低二层有差异的网络互连；目的：互连两个或多个独立的同构或异构的网络，如局域网/广域网、局域网/局域网的互连；过程：分组的封装和转发，屏蔽3层以下的差异， OSI网络层的主要功能：路由选择—路由器；路由器的体系结构：

（2）路由器主要功能

★ 寻址：全网地址格式统一，如IP地址；路由选择：了解互连的子网工作状态，旁路故障和防止拥塞；分组分段/合段：根据子网的分组长度要求，进行分组的分段和合段；格式封装：构建适合子网传输和处理的分组；存储—转发（分组过滤）：分组校验（丢弃出错的分组）、存储和转发。路由器功能主要由软件完成，效率较低，高性能的路由器具有高的价格。

（3）路由器的主要应用

局域网—广域网—局域网互连