第 5 章 网络互连及其设备

1. 第5章 网络互连及其设备

2. 第5章 网络互连及其设备 5.1 互连网络的基本概念 5.2 网络互连设备 5.3 路由器工作原理与路由协议 5.4 广域网的相关技术

3. 本章学习要求： • 了解：网络互连类型 • 掌握：网络互连层次 • 掌握：网桥、路由器、网关等网络设备 • 掌握：网络互连方案设计 • 了解：广域接入技术 • 了解：路由器工作原理 • 掌握：静态与动态路由协议 • 了解：ATM技术 • 掌握：xDSL 接入技术

4. 5.1 互连网络的基本概念 5.1.1 网络互连的类型 5.1.2 网络互连的层次

5. 5.1.1 网络互连的类型 • 根据应用场合，按地理覆盖范围对网络进行分类，计算机网络互连有以下四种型式： • 局域网与局域网互联，即LAN-LAN； • 局域网与广域网互联，即LAN-WAN； • 广域网与广域网互联，即WAN-WAN； • 局域网通过广域网互连，即LAN-WAN-LAN。

6. 5.1.2 网络互连的层次 • 由于计算机网络系统是分层次实现的，上层协议往往支持多种下层协议，并且对上层协议而言，下层协议的差异性被屏蔽起来了，似乎根本就不存在一样。因此，网络互连可以在不同的层次上实现。根据互连设备作用在OSI的哪一层，通常有以下几种类型： • 第1层（物理层）：中继器（Repeater）。中继器在两个局域网电缆段之间复制并传送二进制位信号，即复制每一个比特流； • 第2层（数据链路层）：网桥（Bridge）。网桥互连两个独立的局域网，在局域网之间存储转发数据帧； • 第3层（网络层）：路由器（Router）。路由器在不同的逻辑子网及异构网络之间，转发数据分组； • 第4层以上（包括：传输层、会话层、表示层和应用层）：网关(Gateway)。应用程序网关，可以工作在传输层以上，具有协议转换功能。

7. 5.2 网络互连设备 5.2.1 网桥（Bridge） 5.2.2 路由器（Router） 5.2.3 网关（Gateway）

8. 5.2.1 网桥（Bridge） 网桥又称桥接器，它是一种存储转发设备，常用于互连局域网。使用网桥连接起来的局域网从逻辑上是一个网络 。 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。 近几年，由于交换技术的迅速发展，交换机的应用越来越普遍。交换机和桥有很多共同的属性，它们都工作在数据链路层，但也有一些不同之处。交换机比桥转发速度快，由于交换机比网桥具有更好的性能，因此，网桥已逐渐被交换机所取代。

9. 5.2.2 路由器（Router） • 路由器又称为选径器，是网络层互连设备。 • 路由器连接的物理网络可以是同类网络，也可以是异类网。 • 路由器的基本功能 ： • （1）路由选择 • （2）数据转发 • 路由器的主要特点 ：由于路由器作用在网络层，因此它比网桥具有更强的异种网互连能力、更好的隔离能力、更强的流量控制能力、更好的安全性和可管理维护性等特点。

10. 5.2.3 网关（Gateway） 网关又称为协议转换器。它作用在OSI参考模型的4~7层，即传输层到应用层。 网关的构成是非常复杂的。综合来说，其主要的功能是进行报文格式转换、地址映射、网络协议转换和原语联接转换等。有传输网关和应用程序网关两种。 网关可以是一个专用设备也可以用计算机作为硬件平台，由软件实现网关的功能。

11. 5.3 路由器工作原理与路由协议 5.3.1 路由器工作原理 5.3.2 静态路由配置 5.3.3 RIP路由协议 5.3.4 OSPF路由协议 5.3.5 IGRP路由协议 5.3.6 EIGRP路由协议 5.3.7 BGP路由协议

12. ISDN BRI接口指示灯 同步串行接口指示灯 系统正常指示灯 以太网AUI接口指示灯 路由器 交换机 DDN专线 Internet HUB 控制口RJ-45) 以太网AUI接口 同步串行接口 电源线插口 电源开关 ISDN BRI接口 辅助口RJ-45) 5.3.1 路由器工作原理 • 路由器又称为选径器，是网络层互连设备。 • 路由器连接的物理网络可以是同类网络，也可以是异类网。它比网桥具有更好的隔离能力、更强的流量控制能力、更好的安全性等特点。 • 交换式LAN通过 路由器接入Internet ： • 路由器的背板 （具体型号 可能有所差异）

13. 路由器的的类型 • 接入路由器 接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户 • 企业级路由器 企业或校园级路由器连接许多LAN技术系统，其主要目标是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连。 • 骨干级路由器 骨干级路由器实现企业级网络的互联。对它的要求是速度和可靠性，而代价则处于次要地位。 • 太比特路由器 与现有的光纤技术和DWDM技术提供的原始带宽对应的路由器。

14. 路由器系列 性能指标 • 市场定位 • 运营商市场，主要应用于运营商的骨干网络、城域网、运营商企业管理和支撑，如DCN等，以及其他业务网络如IDC等等 ZXR10-T128 128G背板，96 Mpps 包转发能力， 16 I/O槽，支持POS2.5G/GE/FE/ATM等接口 ZXR10-T64E 64G背板，48 Mpps 包转发能力， 8I/O槽，支持POS2.5G/GE/FE/ATM等接口 • 企业、校园等内部网络的传统路由器市场 ，包括：企业网络、校园网络，及其INTERNET接入；金融、证券、保险，政府等专用网络 ZXR10-T32E 32G背板，30Mpps 包转发能力， 8I/O槽，支持POS/GE/FE/ATM/E1等接口 • 产品特点 • 产品系列全，T64E获得国内第一张信产部高端路由器入网证　 • 提供各类IP网络建设的所有接口 • 丰富的业务功能支持：包括安全、内置BAS、NAT等； • 支持QoS、组播、MPLS及其流量工程和MPLS VPN等； • 与业界主流厂家产品实现互联互通； • 完善的网络管理功能 20G背板，16Mpps 包转发能力，4/8I/O槽，支持POS/GE/FE/ATM/E1等接口 ZXR10-GER 16G背板，9.6Mpps 包转发能力，2/4I/O槽，支持GE/FE/ATM/E1等接口 ZXR10-T16C 全线覆盖CISCO26/36/72系列,8I/O槽，支持GE/FE/E1/V.35/语音等接口 ZXR10-GAR

15. T128 SDH/DWDM/RPR T64E 核心层 UAS10000 SDH/MSTP T32E UAS5000 汇聚层 GER T16C 8220 9210 GAR 接入层 8426 2202A 用户层 VoIP A D S L V D S L 五类线用户 集团用户 • 路由器系列

16. 路由器的基本功能 ： 其功能随着实践的发展而被不断完善，IP路由器的主要功能分为IP数据包的转发、路由的计算和更新、ICMP消息的处理、网络管理以及安全服务五个方面。 • IP数据包的转发 当一个IP数据包到达路由器时，路由器根据IP协议对其报头进行处理，然后根据处理结果对该数据包进行转发、本地处理、或者丢弃。 • 路由的计算和更新 最初的路由器主要采用静态路由配置； 依据路由协议自动实时地计算和更新路由叫做动态路由。

17. ICMP消息的处理 IP数据包在互联网中传输时难免会遇到各种问题，如：路由器故障、路径太长、系统拥塞等，这就需要互联网在IP层具有一定的控制功能，ICMP（Internet Control Message Protocol）协议就是互联网中传递控制信息的主要手段。 ICMP消息已发展为二十多种类型，其中主要包括：信宿不可到达、源抑制、重定向、回应请求／应答、路由器通告／请求、超时、参数出错、时戳请求／应答、信息请求／应答、子网模请求／应答、路径跟踪等。每个类型还可以细分为不同情形，每种情形用一个代码来表示。 • 网络管理以及安全服务 通过网管代理和数据包过滤来完成管理和安全服务。

18. 路由器的工作原理

19. 典型企业网结构

20. 路由及路由表 路由是指导IP报文发送的路径信息，路由表就是该信息的具体表项集合。 一行为一个表项，一列 为一个特征值。有适合的 路径叫match（匹配）。

21. 路由表中路由的来源（proto，protocol） • 链路层协议发现的路由（Direct） 开销小，配置简单，无需人工维护，只能发现本接口所属网络的路由 • 手工配置静态路由（Static） 无开销，配置简单，需人工维护，适合简单拓扑结构的网络 • 动态路由协议发现的路由（RIP、OSPF…） 开销大，配置复杂，无需人工维护，适合复杂拓扑结构的网络

22. 路由优先级（pref，preference） 从优先级最高的协议获得的路由被优先选择加入路由表中。数字越小越优先选用。

23. 路由的花费（metric） 路由的花费标识出了到达这条路由所指的目的地址的代价，通常以下因素会影响到路由的花费值：线路延迟、带宽、线路占有率、线路可信度、跳数、最大传输单元等。 静态路由和直接路由的花费值为0。不同的动态路由协议会选择以上的一种或几种因素来计算花费值。该花费值只在同一种路由协议内有比较意义。不同的路由协议之间的花费值没有可比性、也不存在换算关系。

24. 5.3.2 静态路由配置 • 静态路由的配置

25. 缺省路由配置 Internet上大约99.99%的路由器上都存在一条缺省路由！缺省路由并不一定都是手工配置的静态路由，有时也可以由动态路由协议产生。

26. 路由自环 路由自环是指某个报文从一台路由器发出，经过几次转发之后又回到初始的路由器。原因是其中部分路由器的路由表出现错误。产生的原因可能是配置静态路由有误，有时动态路由协议也会错误地计算路由。 “路由自环”对网络的危害极大，应该尽量避免。

27. 动态路由协议 • 路由协议是路由计算和更新的依据： RIP、OSPF和BGP协议，是互联网上现在大量运行的路由协议。 RIP（Routing Information Protocol-路由信息协议）、OSPF（Open Shortest Path First--开放式最短路优先）和BGP（Border Gateway Protocol—边界网关协议）。 RIP、OSPF是内部网关协议（IGP，interior gateway protocol），适用于单个ISP的统一路由协议的运行，由一个ISP运营的网络称为一个自治系统；BGP是自治系统间的路由协议，是一种外部网关协议（EGP，exterior gateway protocol）。

28. 路由协议的基本原理 • 动态路由协议是做什么的： 计算路由的。计算本路由器到网络中其它网段的路由。 • 如何做到这一点 每台路由器将自己已知的路由相关信息发给相邻的路由器，由于大家都这样做，最终每台路由器都会收到网络中所有的路由信息。然后运行某种算法，计算出最终的路由来。（实际要计算的是该条路由的下一跳和花费）

29. 动态性是如何实现的： • “天王盖地虎”——“宝塔镇河妖” 每种路由协议都有自己的语言（相应的路由协议报文），如果两台路由器都实现了某种路由协议并已经启动该协议，则具备了相互通信的基础。 • “初次见面，请多关照” 一台新加入的路由器应该主动把自己介绍给网段内的其他路由器。通过发送广播报文或发送给指定的路由器邻居来做到这一点。 • “好久不见，近况如何” 为了能够察觉到某台路由器突然失效（路由器本身故障或连接线路中断）这种异常情况，规定两台路由器之间的协议报文应该周期性地发送。

30. 5.3.3 RIP路由协议 RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路径，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路径信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其它信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其它路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。 RIP使用非常广泛，它简单、可靠，便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。

31. 向量-距离路由选择算法的基本思想 路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器自己可以到达的网络以及到达该网络的距离。 相邻路由器可以根据收到的路由信息修改和刷新自己的路由表。

32. 向量-距离算法 • 路由器启动时初始化自己的路由表初始路由表包含所有去往与该路由器直接相连的网络路径初始路由表中各路径的距离均为0 • 各路由器周期性地向其相邻的路由器广播自己的路由表信息 • 路由器收到其他路由器广播的路由信息后，刷新自己的路由表（假设Ri收到Rj的路由信息报文）

33. 向量-距离算法 • Rj列出的某表目Ri中没有：Ri须增加相应表目，其“目的网络”是Rj表目中的“目的网络”，其“距离”为Rj表目中的距离加1，而“路径”则为Rj • Rj去往某目的地的距离比Ri去往该目的地的距离减1还小：Ri修改本表目，其“目的网络”不变，“距离”为Rj表目中的距离加1，“路径”为Rj • Ri去往某目的地经过Rj，而Rj去往该目的地的路径发生变化：Rj不再包含去往某目的地的路径，Ri中相应路径须删除；Rj去往某目的地的距离发生变化，Ri中相应表目中的“距离”须要修改，以Rj中的“距离”加1取代之

34. 按照向量—距离路由选择算法更新路由表

35. 向量—距离路由选择算法特点 • 优点 算法简单、易于实现 • 缺点 慢收敛问题：路由器的路径变化需要像波浪一样从相邻路由器传播出去，过程缓慢 需要交换的信息量较大：与自己路由表的大小相似 • 适用环境 路由变化不剧烈的中小型互联网

36. RIP协议 • RIP协议是向量-距离路由选择算法在局域网上的直接实现 • RIP协议规定了路由器之间交换路由信息的时间、交换信息的格式、错误的处理等内容： • 相邻的路由器之间每30s交换一次路由信息 • 路由信息来源于本地路由表 • 路由器到达目的网络的距离以“跳数”计算

37. 5.3.4 OSPF路由协议 • OSPF（ Open Shortest Path First--开放式最短路优先） 以链路-状态算法为基础 • 主要优势 • 收敛速度快 • 支持服务类型选路 • 提供负载均衡和身份认证 • 适用环境 • 规模庞大、环境复杂的互联网

38. OSPF路由协议 • 主要缺陷 • 要求较高的路由器处理能力 • 一定的带宽需求 • 主要解决方法 • 分层 • 指派路由器

39. OSPF路由协议 • 名词解释 • 变长子网掩码（VLSM，variable-length subnet mask） • 服务类型（TOS，Type of Service） • SPF （Shortest Path First）算法 • 链接状态公告（LSA，Link State Advertisement） • 自治系统（AS ，Autonomous System） • 指定路由器（ DR， Designated Router）和备份指定路由器（ BDR， Backup Designated Router）

40. 向量—距离算法 与链路—状态算法的原理性差异 • 向量-距离路由选择算法 • 不需要路由器了解整个互联网的拓扑结构 • 通过相邻的路由器了解到达每个网络的可能路径 • 链路-状态路由选择算法 • 依赖于整个互联网的拓扑结构图 • 利用整个互联网的拓扑结构图得到SPF树，进而由SPF树生成路由表

41. 链路-状态路由选择算法的基本思想 • 互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与相邻路由器的连接关系 • 互联网上的每个路由器利用收到的路由信息画出一张互联网拓扑结构图 • 利用画出的拓扑结构图和最短路径优先算法，计算自己到达各个网络的最短路径（以它本身为根，使用SPF算法去计算一个无环路的拓扑图。来描述它所知道的到达每一个目的地的最短路径（最小的路径代价），这个拓扑图就是SPF算法树）

42. 链路-状态路由选择算法的基本思想举例

43. OSPF通过链路状态 描述网络的拓扑结构

44. 对以太网的链路状态描述

45. 对PPP（点对点）的链路状态描述

46. 对Frame-Relay的链路状态描述

47. 对X. 25的链路状态描述

48. 部署和选择路由协议— 静态路由 • 适合于小型、单路径、静态IP互联网环境 • 小型互联网可以包含2到10个网络 • 单路径表示互联网上任意两个节点之间的数据传输只能通过一条路径进行 • 静态表示互联网的拓扑结构不随时间而变化

49. 部署和选择路由协议—RIP路由 • 适合于小型到中型、多路径、动态IP互联网环境 • 小型到中型互联网可以包含10到50个网络 • 多路径表明在互联网的任意两个节点之间有多个路径可以传输数据 • 动态表示互联网的拓扑结构随时会更改（通常是由于网络和路由器的改变造成的）

50. 部署和选择路由协议—OSPF路由 • 适合较大型到特大型、多路径、动态IP互联网环境 • 大型到特大型互联网应该包含50个以上的网络 • 多路径表明在互联网的任意两个节点之间有多个路径可以传播数据 • 动态表示互联网的拓扑结构随时会更改（通常是由于网络和路由器的改变造成的）