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3.5 广域计算机网络 (WAN). 广域计算机网络 WAN(Wide Area Network) WAN 跨地区,跨国家 桥接起来的 LAN 并不是 WAN, 因带宽限制,不能连接任意多用户 WAN 与 LAN 的区别在于规模, WAN 可以不断扩展 多个不同地域的 LAN 通过公共网络互连,也构成 WAN 路由选择技术和异构网互连技术是 WAN 技术的重要组成部分 WAN 的参考模型 WAN 由主机 (host, 也称端系统 end system) 和 通信子网 (communication subnet, 也称子网 ) 组成
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3.5 广域计算机网络(WAN) • 广域计算机网络WAN(Wide Area Network) • WAN 跨地区,跨国家 • 桥接起来的LAN并不是WAN,因带宽限制,不能连接任意多用户 • WAN与LAN的区别在于规模,WAN可以不断扩展 • 多个不同地域的LAN通过公共网络互连,也构成WAN • 路由选择技术和异构网互连技术是WAN技术的重要组成部分 • WAN的参考模型 • WAN 由主机(host,也称端系统end system)和 通信子网 (communication subnet,也称子网)组成 将网络的通信(子网)和应用(主机)分离 (P.99 图3-27 主机与通信子网的关系)
3.5 广域计算机网络(WAN) • WAN的参考模型 • 在WAN中,由公共网络充当通信子网 由传输线和交换节点组成 交换节点也称为中间系统、数据交换设备,区别于端系统——主机 交换节点连接2个或多个传输线 • 通信子网工作在OSI模型的下3层,即物理层、数据链路层、网络层 • WAN的通信子网标准与OSI模型的关系:P.100 图3-26 • 公共网络系统: 电话交换网PSTN、 分组交换数据网X.25 帧中继网Frame Relay、 数字数据网DDN 等等 • 信道种类:电路、光纤、微波、卫星 等等 • 构筑WAN有多种选择
3.5 广域计算机网络(WAN) • WAN中的路由 • WAN扩展有2种方式: • 1、小规模扩展:增加单独的分组交换机的端口,可接入更多的计算机 • 2、大规模扩展:增加分组交换机,专门处理网络负载 • 内部交换机:只与交换机相连,没有与计算机(端点主机)相连 (例如上述2中的分组交换机) • 外部交换机:直接与计算机(端点主机)相连 • 在WAN中传送的数据单元称为分组(包,packet) • 在WAN的交换节点,采用“存储-转发”技术 即:当分组(包)到达交换节点(交换机)时,先将其放入一个队列, 直到交换机可以发送它们去目的地 • 交换机是一个专门用途的、硬件专门设计制造的计算机 有处理器、存储器、收发分组的I/O设备
3.5 广域计算机网络(WAN) • WAN中的路由 • 分组交换机互相连接起来,传递分组,构成WAN • 通过增加分组交换机,可以覆盖更多的地点,连接更多的计算机 以达到扩展WAN的目的 • 每个交换机都有自己的“路由表”。“路由表”应具备: • 1、路由的完备性:包含通往所有目的地的下一站信息 • 2、路由的优化性:所指的路径必须是最短路径 • 缺省路由机制,用一条缺省路由代替一长串下一站地址相同的站 • 任何路由表中只允许有一条缺省路由,且优先级低于其他路由 即:对于给定的目的地,找不到明确路由,才使用缺省路由
3.5 广域计算机网络(WAN) • WAN中的路由 • 例如:P.101 图3-29、表3-1、3-2 4个交换机、路由表及缺省路由表(将每列中红色压缩为1条记录) 2 1 3 4
3.5 广域计算机网络(WAN) • 路由表的计算 • 大型路由表用软件来计算完成 • 路由表计算方法有2种: 1、静态路由: 分组交换机启动时,由程序计算而后设置路由,此后,路由不再改变 例如:最短路径法、泛洪法、基子网拓扑和流量的路由算法 特点:简单,开销小;缺乏灵活性,路由不易改变 2、动态路由: 分组交换机启动时,由程序设置初始路由,当网络变化时随时更新 例如:距离向量法、链路状态法 特点:监测网络流量及硬件状态,由软件调整修改 大多数网络采用动态路由,能使网络自动适应变化
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 • 1970年代,诞生以数据通信为目的的公共数据网(PDN) • PDN内,各节点由交换机组成 • 交换机间,用储存-转发的方式交换分组 • ITU-T制定X.25规程。亦称PDN为X.25网 • 特点: • 能接入不同类型的用户设备 • 可靠性高。低3层协议。1台机器故障时,能沿其他路径传输 • 多路复用 • 流量控制,滑动窗口技术 • 点对点协议,不支持广播
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 X.25协议分层 • 定义了最低3层:物理层,数据链路层,网络(分组)层 • 对应通信子网的功能 • 物理层:bit流传输的机械、电气功能 连接/断开DTE(数据终端设备,用户设备) 与DCE(数据电路设备,网络设备) • 数据链路层:采用LAPB规程为DTE/DCE链路上定义了帧格式 网络层的分组作为无意义的数据被封装在LAPB帧中经物理层传输
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 X.25协议分层 字节: 1 1 1 可变 2 1 帧 头 帧 尾 标志域:标志LAPB帧的开始和结束 地址域:指示帧中携带的是命令信息还是响应信息 控制域:限定当前帧是命令帧还是应答帧 数据域:以分组形式封装的高层协议数据 FCS域: 错误检测
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 • X.25的第三层(分组层)对应着OSI模型的网络层 • 规定了DTE和DCE之间进行信息交换的分组格式 • 分组级协议的主要内容有: • 1、分组级DTE/DCE接口的描述 • 2、虚电路规程 • 3、分组格式 • 4、用户自选业务的规程与格式 • 5、分组级DTE/DCE接口状态变化等
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 X.25的网络设备 • 分组交换网主要由:分组交换机、用户接入设备和传输线路组成 • 分组交换机(分为中转交换机,本地交换机)的主要功能: • 1、为网络的业务提供支持 • 2、进行路由选择和流量控制 • 3、实现X.25, X.75等多种协议的互连 • 4、完成维护、管理、计费、统计等工作 • 用户接入设备:用户终端 分为:分组型终端、非分组型终端(用分组拆装设备PAD接入网络)
3.5 广域计算机网络(WAN) • X.25 X.25的网络设备 • 传输线路: • 分组交换网的中继传输线中,分为模拟/数字信号 使用Modem:模拟->数字,速率bps:9600,48k,64k PCM数字信道:速率bps:64k,128k,2M • 分组交换网的用户传输线中,亦分为模拟/数字信号 电话线 + Modem: 速率bps:1200 - 64k • 现有的分组交换网(X.25)的能力几乎达到极限 • 研究新的分组交换技术:帧中继、ATM等快速分组技术
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 概述 • 新的公共数据交换网,1992年起步,1994年开始迅速发展 • 与X.25网类似,是peer-peer(对等层)式的点对点式的交换网 • 可以多路复用 • 支持多种协议的封装并通过帧中继网传递,包括IP,IPX等 • X.25网强调可靠性,而帧中继网则侧重于数据的快速传输 • 高质量的光纤数据通信取代传统的铜线模拟通信,保证了可靠性 • 帧中继省略了X.25的分组层,避免了分组、重组,确认、重发等消耗,以链路层的帧为基础,大大提高了网络的吞吐量 • 帧中继速率是X.25的10倍,可达Mbps • 帧中继是N-ISDN过渡到B-ISDN(ATM)的理想方案之一
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 协议参考模型与工作原理 • 高性能的WAN协议,对应于OSI的物理层与数据链路层 • 为DTE与DCE之间定义了接口标准 • DTE为用户设备,例如:路由器、网桥、主机等 • DCE为帧中继网络设备,例如:交换机等 • DTE与DCE之间接口通过单个物理链路实现点对点的连接 单个物理链路可复用多个逻辑信道(虚电路) • 虚电路分为永久型虚电路(PVC)和交换型虚电路(SVC) • 在帧中继上,PVC是事先为两端用户设置一条双向信道,不需呼叫建立
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 协议参考模型与工作原理 • 帧中继的帧格式 • 帧中继支持对多种相邻高层协议的封装 例如:IP, IPX, Apple Talk, DECNet, APPN, XNS
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 • 网络组成和用户接入 1、网络设备和组成 帧中继网组成的三要素: • 帧中继接入设备:用户住宅设备,主机,桥接/路由器, 分组交换机,特殊的帧中继“PAD” • 帧中继交换设备: T1/E1一次群复用器,分组交换机等 为用户提供标准帧中继接口 • 公用帧中继业务: 通过标准帧中继接口与公用帧中继网相连 提供公用帧中继业务
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 • 网络组成和用户接入 2、用户接入方式 • LAN接入形式:通过桥接/路由器,集线器,“PAD”等接入 • 计算机接入形式: 将非标准的接口规程转换为标准的UNI接口规程 接入帧中继网络 • 用户帧中继交换机接入公用帧中继: 将专用网络中的1台交换机作为公用帧中继网的用户 以标准的UNI接口规程接入
3.5 广域计算机网络(WAN) • 帧中继 • 帧中继业务应用,永久虚电路(PVC)业务的例子 • 1、LAN互连 总公司与外地分支机构的LAN需要交换信息,互连 在已建成的帧中继网络中,进行LAN互连的用户占90%以上 • 2、图象 传送1张图象,需8Mbps的带宽 分组交换网端到端传送,延时过长 电路交换网传送,费用太高 帧中继具有高速率,低延时,动态分配带宽,低成本等特点 • 3、虚拟专用网:分区结构 将若干节点划为一个分区,设置相对独立的管理机构 分区内各节点共享区内网络资源,各分区之间相对独立
3.5 广域计算机网络(WAN) • SLIP和PPP • SLIP(Serial Line Internet Protocal) • PPP(Point-to-Point Protocal) • 串行线上最常用的2个链路层通信协议 • SLIP是较早期的协议,较简单,对许多高层应用不支持 • PPP逐渐取代SLIP,PPP具有以下优点: • 1、支持多种协议,有良好的扩展性,可支持许多上层协议 • 2、有错误检测的功能 • 3、链路管理,可进行选项协商、链路层用户授权、 链路质量管理、环路检测等 • 4、选项协商,允许通信双方动态协商某些选项,允许链路的一方 配置另一方,适用于异构环境通信 • 5、链路层授权 • 6、IP地址协商,允许服务器对客户端动态分配地址
3.5 广域计算机网络(WAN) • SLIP和PPP • PPP的工作原理 • 发送端PPP首先发送LCP(Link Control Protocal)帧, 配置和测试数据链路 • 发送端PPP再发送NCP(Network Control Protocal)帧, 选择和配置一个(或多个)网络层协议 • 配置完成后的链路一直保持通信状态,直到LCP帧或NCP帧提示关闭,或其他外部事件发生 • 1、PPP对物理层的要求:可以工作在任何DTE/DCE接口上 全双工电路,专用或交换式的均可 对传输速率限制不严
3.5 广域计算机网络(WAN) • SLIP和PPP • PPP的工作原理 • 2、PPP的帧格式 • (1)Flag标志域:指示一个帧的开始或结束 • (2)地址域:标准的广播地址。PPP不指定单个工作站的地址 • (3)Protocal协议域:标识封装在信息域中的协议类型 • (4)Info数据域:0-1500 Byte • (5)FCS帧检测序列:2或4个字节,检测错误 • PPP协议与多数常用的硬件兼容,支持在单一链路上, 复用多种网络层协议
3.5 广域计算机网络(WAN) • SLIP和PPP • PPP的工作原理 • 3、PPP是个协议族,包含以下协议: (1)链路控制协议LCP,管理点对点的链接 (2)IP控制协议IPCP,管理IP协议、IP地址的协商 (3)口令授权协议PAP(Password Authentication Protocal) 询问握手授权协议CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocal) 认证身份
3.5 广域计算机网络(WAN) • SLIP和PPP • PPP应用举例 • 1、普通电话线(PSTN网)可作为PPP的链路介质 用RS-232标准异步串行线路传送IP/IPX包 Internet IP拨号/电话专线上网方式 • 2、将拨号PPP链路作为分组交换网的备份线路 当主线路(分组交换网链路)流量超过一定限量时, 启动PPP链路分流或顶替主线路
3.5 广域计算机网络(WAN) • 数字数据网DDN(Digital Data Network) • DDN概念 DDN利用数字信道提供永久性电路,具有以下特点: • 1、是传输网,不具备交换能力 • 2、传输速率高,网络延时小 • 3、传输质量高,信道利用率高 • 4、连接方式灵活,支持数据、话音、图像等多种业务 • 5、支持多种传输速率,速率范围:45.5bps – 1984kbps • 6、提供定时开放的能力
3.5 广域计算机网络(WAN) • 数字数据网DDN(Digital Data Network) • DDN概念 DDN可向用户提供多种业务: • 1、时分复用(TDM)专用电路,多种速率的数字数据专线业务 特别适用各企业网络的广域连接线路 • 2、话音/G3传真业务 • 3、虚拟专网业务(VPN) • 4、帧中继业务DDN,光纤线路,永久虚电路(PVC)连接
3.5 广域计算机网络(WAN) • 数字数据网DDN(Digital Data Network) • DDN用户接入方式 用户可通过以下几种方式接入DDN : • 1、通过2线/4线Modem接入 • 2、通过(N-ISDN提供的)2B+D速率的数据终端单元(DTU) 接入DDN的端局 • 3、通过用户集中设备接入 将多个低速用户通过集中器复用成高速数据流接入DDN (1)几个低速用户,如多个 2.4, 9.6kbps复用成 64kbps的速率 再经过基带Modem接入DDN (2)多个64kbps通过基群复用器复用成2048kbps, 与DDN节点机相连 (3)DDN小型复用设备属于DDN网络的一部分,接受网管中心内的管理
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM 异步转移模式 • 1989年,ITU-T提出 • 是未来的B-ISDN的底层传输技术 • 将来,会将电话网、电视网、数据网“三网合一” • ATM基本思想:把数据分割成固定长度的“信元(cell)” 信头:5字节; 净荷(payload):48字节 • ATM用硬件实现信元的快速转发 • ATM采用星型拓扑结构,端系统连到交换机,交换机互连 • 端系统接口基本的发送速率为155Mbps, 可满足高清晰度电视、视频点播等应用 • ATM特点:面向连接,固定信元长度, 统计复用,多种服务
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM 的虚路径与虚通道 虚信道(VC,Virtual Channel): 一条单向ATM信元传输信道。虚信道标识符VCI 虚通道(VP,Virtual Path): 也是一条单向ATM信元传输信道 一条虚路径包含许多虚通路,这些虚通路标志符相同 虚路径标识符VCI 一条物理链路中的虚通路,由其VPI和VCI共同确定
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM 的连接 • 永久虚连接(PVC): 相当于租用线路,预先建立好的,随时使用 • 交换虚连接(SVC): 像电话一样,每次使用时先建立连接 • SETUP 请求建立连接 • CALL PROCEEDING 正在建立连接 • CONNECT 接受该连接请求 • CONNECT ACK 对CONNECT的应答 • RELEASE 请求释放连接 • RELEASE COMPLETE 释放连接完成
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM 的业务类型: • 恒定比特率业务(CBR):固定带宽连接。用于实时视频等 • 实时可变比特率业务(rt-VBR): 可变速率,用于使用MPEG压缩技术的视频会议系统等 • 非实时可变比特率业务(nrt-VBR):内容传到本地后才显示 • 可用比特率业务(ABR,Available Bit Rate):吞吐量不确定 • 非特定比特率业务(UBR,Unspecified Bit Rate): 非紧急应用,质量要求不高的应用
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • 拥塞控制 ATM网络使用了多种机制来预防和控制拥塞 • 接纳控制(Admission Control) • 资源预约(Resource Reservation) • 数据流整形(Traffic Shaping) • 流量监控(Traffic Policing)
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM局域网仿真(LAN Emulation) • LAN配置简单,目前占有巨大的份额 • 向ATM转化,仍保留LAN的业务,平稳过渡 • ATM的仿真局域网 (ELAN, Emulated LAN) • 以太网等LAN与ATM网络的差别: 1、以太网等是无连接的,而ATM网络提供有连接服务 2、以太网是广播媒质,而ATM网络是点到点服务 3、以太网的MAC地址与网络拓扑无关, 而ATM地址由网络分配决定 • 在ELAN技术中,一个大的ATM划分为多个逻辑子网 • 每个子网为一个ELAN。ELAN与传统的LAN有很好的兼容性 • 不同的ELAN之间的通信仍要通过路由器设备
3.5 广域计算机网络(WAN) • ATM(Asynchronous Transfer Mode) • MPOA • MPOA是在ATM网络上使用的路由机制,解决路由瓶颈问题 • 一个子网(逻辑IP子网LIS,本地地址组LAG)内,主机具有相同的子网地址,可以直接通信 • 跨子网的通信必须通过路由器(Router) • 由于路由器本身协议的复杂性,成为通信的瓶颈 • MPOA技术,在源和目的之间建立直接的ATM连接 将路由器从传输路径中短路掉,提高网络的传输能力 • MPOA的本质是把一个数据流(FLOW)直接映射到一个ATM的 VC连接上 • MPOA在ATM网上支持多种互连协议,如IP, IPX等
3.6 网际互联技术(IP) • 集线器(Hub) • 集线器相当于中继器,价廉易用 • 集线器与主机用双绞线、RJ45接头连接 • 是以太网的标准连接器,遵循IEEE标准
3.6 网际互联技术(IP) • 集线器(Hub) • 集线器的类型 1、被动集线器(哑Hub,共享式Hub) 共享带宽,无电源,不放大信号,不过滤包 价格低廉 2、主动集线器(交换式Hub) 有电源,放大、再生信号 采取存储-转发方式,在发送包之前进行过滤 价格较贵 3、智能集线器 扩展网络性能,支持多种网络媒质、协议、设备 与功能强大的软件一起使用,是网络监测、管理的工具
3.6 网际互联技术(IP) • 集线器(Hub) • 集线器的类型 4、高级特性 (1)堆叠共享式Hub,通过级连,可当作一个大Hub 易扩充用户 (2)多个AC电源,作为供电备份 (3)多个风扇,降温 (4)智能Hub,可检测纠正某些错误 例如,可纠正双绞线连线接反的错误 (5)配置了多个时钟系统,用于分组发送计时 (6)存储了其他集线器的配置 (7)配置了与其他网络设备的接口
3.6 网际互联技术(IP) • 网桥(Bridge) • 网桥是连接LAN的桥梁 • 属于链路层的设备 • 按照MAC地址(物理地址)转发帧 OSI模型 连接设备
3.6 网际互联技术(IP) • 网桥(Bridge) • 网桥的类型 • 1、透明网桥:用于互连以太网分段 建立各段主机的MAC地址表 隔绝同段信息,只转发跨段信息 不得形成回路 • 2、源路由的网桥:用于互连令牌环分段 不用建立主机的MAC地址表 由主机决定路由信息 • 网桥可以使用内桥和外桥 内桥:文件服务器中安装多块不同的LAN的网卡,建立同种LAN的连接 由网络操作系统来管理,在整个网络上运行 外桥:运行在独立的工作站上,可以实现不同种类的LAN的连接
3.6 网际互联技术(IP) • 网桥(Bridge) • 网桥与中继器 • 网桥:链路层(第2层)设备,能识别、处理完整的“帧” 使用和计算机相同的接口设备 • 中继器:物理层(第1层)设备,不能识别、处理“帧” • 网桥与路由器 • 网桥:链路层(第2层)设备,不必了解所发帧中包含的高层协议 网桥不支持路由协议 • 路由器:网络层(第3层)设备
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 最简单的网络可被想象为一根总线,计算机通过共享的总线通信 • 随着计算机数量的增加,总线网络会出现以下问题: • 1、用尽了网上的带宽 • 2、广播通信占用了很多共享资源,其信息不是每个用户必需的 • 3、网络难以管理,容易崩溃 • 4、每个用户都能监听其他用户的通信 • 将一个大的网络进行分段(划分为子网),有助于解决问题 • 不同网段(子网)之间的通信需要网络连接设备 (如网桥,路由器等) • 路由器是网络层设备,具有判断网络地址和选择路径的功能 • 异种网络互连、子网互连都使用路由器
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 用路由器连接多个子网 • 路由器是一台用于网络互连的专用计算机 • 路由器可将两个不同技术、介质、物理编址、帧格式的子网互连 B D F R1 R2 A C E
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 用路由器联接的互网体系结构 • 根据业务需求、可靠性、容量、价格等方面的因素,规划网络 • 主机、路由器及协议层次 • 路由与网桥连接 • 网桥只能在相同(或相似)的数据链路层协议上连接网络 数据链路层地址:MAC(介质访问控制)地址 • 路由无此限制,只要使用相同的网络层协议,就能连接 网络层地址:IP地址,由网络地址和主机地址组成
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 将网络层连至数据链路层 层间服务:ARP(地址解析协议),RARP(反向地址解析协议) ARP/RAPR 保存的表项格式为(IP地址,MAC地址) ARP 第2层 MAC地址 第3层 IP地址 RARP • IP寻址 IP地址为32位域,由网络地址和主机地址组成 例如:210.32.128.6 , 网络地址210.32.128, 主机地址6
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 主机与网关 • 主机的新定义:连接到一个或多个网络的设备 可与这些网络中的任何一个通信 • 计算机可以作为一个网关使用,非专用网关(软网关) • 路由器就是一个专用的网关
3.6 网际互联技术(IP) • IP地址 标准长度:32比特,分为网络标识部分和主机标识部分 A类 0 网络标识7位 主机标识24位 B类 1 0 网络标识14位 主机标识16位 C类 1 1 0 网络标识21位 主机标识8位 D类 1 1 1 0 组播地址 E类 1 1 1 1 留待后用 0 7 15 23 31
3.6 网际互联技术(IP) • IP地址 IP地址分为4节,用“.”隔开,用十进制书写 例如:10000001 00110100 00000000 00001111 写为:129.52.0.15
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 路由表 (查阅路由表命令:netstat/rn) • 一个主机有多个网络接口,要将包送到某个IP地址 选哪个接口?由路由表决定
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 路由协议 • 各种各样的路由协议被用来填写网络中的路由表 例如:BGP(the Border Gateway Protocal) OSPF(Open Shortest Path First) RIF(Router Information Protocal) • 每个路由节点能否储存它所能到达的目标点的信息? 当网络规模较大时,路由信息量巨大,无法储存处理 路由表最小化,局部化 • 路由器探测网上主机地址信息,路由表自动生成,定时刷新
3.6 网际互联技术(IP) • 路由器(Router) • 太比特路由器(Tbit Router) • 1 Tbit = 1024 Gbit • 新功能: 1、冗余功能:有能力承担额外的任务,增加网络的稳健性 2、路由计算功能 3、自动切换功能 4、路由群集功能 5、提高软件的可靠性
3.6 网际互联技术(IP) • 网关(Gateway) • 网关的功能体现在OSI模型的高层 • 当连接不同类型网络且协议差别较大时,需用网关 • 协议转换较为困难,一般是一对一转换 • 网关难以实现通用的协议转换功能 • 网关转换的应用协议有电子邮件、文件传输、远程登录等 • 网关和多协议路由器组合,可连接多种不同类型的系统 • 网关与路由器的概念是相近的 • 主要有三类网关: • 一、协议网关 • 二、应用网关 • 三、安全网关