网络第6章 网络互连技术
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第6章 网络互连技术
6.1 网络互连概述
在20世纪80年代，局域网技术迅猛发展，越来越多的个人计算机进入了网络环境，实现了彼此之间的信息交换和资源共享。但是由于局域网本身的距离限制，连接的站点有限。另外，由于不同的用户选择的局域网的类型各不相同，因此，不同的局域网之间就像一座座彼此分离的孤岛，无法相互通信。网络互连的目的就是采用适当的技术和设备将孤立的局域网连接起来，使不同网络中的计算机能够实现相互通信和资源共享。
6.1.1 网络互连的概念
网络互连是将多个网络互相连接，实现在更大范围内的信息交换、资源共享和协同工作。网络互连要实现多个网络之间的互连、互通和互操作。
1． 互连（Interconnection）
互连是在不同的物理网络之间建立物理连接。它涉及计算机之间传输信息的方法，包括物理介质上信号的传递、数据打包机制和从起点到达终点之间的多个网络之间的路由。这是网络互连的物理基础。
2． 互通（Intercommunication）
互通是通过适当的技术，屏蔽物理网络之间的差异，使不同子网中的任意站点之间都可以进行数据交换。互通仅涉及相互通信的两台计算机之间的端到端的连接与数据交换，它提供了不同的计算机系统之间相互操作的手段。
3． 互操作（Interoperability）
通过一定的技术手段，屏蔽不同计算机系统之间的差异，让使用完全不同的计算机操作系统和语言的计算机可以相互理解数据，从而使互联网络中的任意计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力。这是网络互连的最终目的。
6.1.2 网络互连的复杂性
由于不同网络在拓扑结构、网络设备、传输介质、速率/带宽、主机类型、网络操作系统 ·144· 等方面的不同，使不同网络具有各不相同的特性。为了实现不同网络中的任意两台主机之间的通信，网络互连必须协调下列各方面的差异：
1． 提供的服务
不同的网络可能提供不同类型的服务。面向连接的服务与无连接的服务的差异，使面向连接的网络发出的报文分组跨越无连接的网络后必须重新排序。互联网络的服务不应该依赖原有各个网络的服务性质。
2． 使用的协议
不同网络的各层协议均可能不同，如：物理层与数据链路层的协议有IEEE 802、PSTN、ISDN、X.25、DDN等，网络层的协议有IP、IPX、Apple Talk、DECnet等„„。因此，网络互连要考虑不同网络协议之间的转换问题。
3． 编址方案
每种网络的通信端点、编址方案不同，分组穿越不同网络时，可能需要进行地址变换，可能还要支持目录服务功能。
4． 分组大小
每个网络支持的最大分组尺寸不同。当一个分组从一个网络传送到另一个网络时，可能要进行分片，再传入另一个网络时，可能需要重组。
5． 多路广播
多路广播的分组穿越不支持多播与广播功能的网络时，要通过重传机制来实现多播与广播。
6． QoS与差错恢复
不同网络具有不同的服务质量与差错恢复能力，网络互连既不能影响也不能依赖各个网络原来的能力。
7． 安全机制
不同的网络操作系统具有不同的安全机制，对用户的访问控制也不相同，互联网要提供独立的安全机制，以解决安全保密问题。
8． 超时
不同网络的时延导致不同的超时，互联网络的定时机制应设置合适的超时值，以避免不必要的重传。
9． 计费方式
不同网络具有不同的计费方式（连接时间、分组传送的字节数），也可能不收费，在网络互连时，应考虑这些因素。
6.1.3 网络互连的类型
从互联网络的覆盖区域来看，网络互连分为以下几种类型： ·145· 1． 局域网互连
（1）本地局域网互连（LAN1——LAN2） 本地局域网之间可以通过中继器、网桥、交换机、路由器等网络设备实现互连。不同的网络设备实现的互联网络具有不同的特性，我们将在本章的后续几节中相继介绍。
（2）远程局域网互连（LAN1——WAN——LAN2） 远程局域网之间可以通过点到点的链路或分组交换网络进行互连。使用的网络设备可以是网桥、路由器或网关。如果是同构的局域网，可以采用隧道技术进行远程互连。
如图6-1所示，两个基于TCP/IP协议的以太网LAN1和LAN2，通过一对多协议路由器R1、R2和由广域网WAN构成的隧道实现远程互连。当LAN1中的主机H1要发送信息给LAN2中的主机H2时，先将信息封装到IP分组中，IP分组的源地址和目标地址分别为H1和H2的IP地址，再将该IP分组封装到以太帧中，帧的目标地址是R1的本地接口地址。该帧在LAN1中传递，将送达本地路由器R1。R1收到该帧后，从中取出IP分组放入WAN的分组的数据域中，再次封装成WAN的分组，发送给远端的路由器R2。R2收到分组后从中取出原IP分组，再通过物理帧传给主机H2。WAN的分组就像运输车载着IP分组穿越隧道进行传输。两端的主机无需知道传输的细节。实际上，隧道WAN的作用类似于在R1和R2之间连接的一条串行线路。
2． 局域网与广域网互连（LAN——WAN）
局域网与广域网之间实现互连的主要设备是路由器和网关。通常要进行协议的转换。
3． 广域网互连（WAN——WAN）
广域网之间也可以通过路由器或网关实现互连，使连入广域网的主机或局域网之间能够相互共享资源。
6.1.4 网络互连的不同层次
从OSI层次模型的观点出发，可将网络互连分为物理层、数据链路层、网络层和高层四个层次。与之对应的网络互连设备分别是中继器（Repeater）、网桥（Bridge）、路由器（Router）和网关（Getway）。在ISO的术语中，把这些网络互连设备统称为中继（Relay）系统，参见H1 H2 R2 R1
WAN
IP分组
以太帧 IP分组 IP分组
以太帧 WAN帧
图6-1 两个以太网通过隧道技术实现远程互连 LAN1 LAN2 ·146· 图6-2。
1． 物理层互连
物理层互连属于中继互连，是使用中继器连接几个电缆段。中继器（Repeater）又称为转发器，其功能就是在不同电缆段之间复制位信号。
2． 数据链路层互连
数据链路层互连属于桥接互连，是使用网桥（Bridge）连接多个使用兼容的地址方案的物理网络。网桥的功能是在物理网络之间存储转发帧（Frame）。
3． 网络层互连
网络层互连属于路由互连，是使用路由器（Router）连接几个逻辑网络。路由器的核心功能是在逻辑网络之间进行数据包（Packet）的存储转发。它支持通用的网际互连协议（如：IP协议）和各种路由协议（Routing Proctcol）。
4． 高层互连
高层互连是使用网关连接不同体系结构的网络。网关（Getway）也称为网间协议变换器，它涉及OSI模型的七个层次，由适当的硬件和软件构成。
注意，由于历史的原因，许多关于TCP/IP的文献将网络层的路由器称为网关，但实际上二者的功能并不相同。
纵观网络互连的各个层次可知：物理层的互连技术最为简单。中继器只是一个简单的信号转发设备，无须任何软件支持。而越往高层，所用的设备越来越复杂，对软件的依赖性更强。实际上，除了中继器以外，网桥、路由器、网关均由独立的计算机担任。
6.2 网络互连设备
物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层
中继器 网桥 路由器 网关
简单 复杂
硬件 软件
图6-2 网络互连的不同层次和相应设备 ·147· 6.2.1 中继器和集线器
如前所述，中继器（Repeater）工作在OSI模型的物理层，其功能是在不同电缆段之间转发位信号。我们知道，网络中的物理信号会随着传输距离的增加而衰减，因此物理网络的覆盖范围会由于所使用的传输介质和信号类型而受到限制。为了扩大信号的传输距离可以采用中继器对信号进行整理放大。
中继互连的实质是对网络进行距离上的物理扩展。中继器接收物理网络上的所有信号（包括冲突信号）经过整理、再生、放大，再发送出去，从而扩展网络的跨距。中继器将原本分离的多个较小的物理网络（或网段）合并成一个较大的物理网络。因此，从严格的意义上讲，用中继器扩展网络不是真正的网络互连。
1．中继器的特性
1）中继器工作在物理层，仅对信号进行透明的整理、再生、放大，不涉及协议的转换。因此，中继互连的网段必须采用一致的数据链路协议。
2）中继器主要用于线性电缆系统（如以太网），但也可以用于扩展令牌环网的距离。
3）中继器连接的以太网不能形成环路。由于以太网采用的是CSMA/CD介质访问法，网络中的信息没有固定的流动方向，每个独立的以太网就是一个冲突域（CSMA/CD域）。如果形成环路会导致信号的循环叠加而出错。
4）中继器连接的各个网段上的节点地址不能相同。
5）中继器不能无限延长网段。中继器虽然可以延长网段，但延长的距离受到网络MAC协议的定时特性的限制。如，由于受到时延、距离的限制。在一个10Mbps的标准以太网中，最多使用4个中继器，连接5个电缆段，且其中只有3个网段可以连接计算机，其余2个是纯粹用于扩展距离的链路。这称为以太网的5-4-3规则。
2．共享式集线器HUB
共享式集线器HUB是特殊的多端口中继器。它将任一端口收到的数据信号转发到所有其他端口。一个集线器对应一个或多个共享网段。共享式集线器的分为以下两类。
（1）单网段集线器 集线器的所有端口都连接到其内部的一个共享网段上。市场上价格便宜的集线器大多属于这一类。这种集线器连成的网络外观看似一个星状网络，但内部实质上是一条共享的总线，因此这种网络拓扑结构也称为星状总线结构。
（2）多网段集线器 这种集线器采用集线器背板，支持多个共享网段。集线器的端口分别连接到其内部的不同网段上。各网段是分离的冲突域和广播域，需要外接网桥或路由器来互连。
随着网络技术的发展，出现了交换式集线器和智能型集线器，可以支持不同的局域网协议，甚至还可以配置网桥模块和路由器模块。但这些集线器已经不属于中继器。
3．中继器的缺点
中继器虽然价格低廉、易于使用，无需任何配置即可工作，但由于其本身特性的限制， ·148· 存在以下缺点。
1）中继器工作在物理层，不能均衡负载，不能阻止广播风暴的发生。
2）中继器将分离的多个物理网络（或网段）合并成一个的物理网络。如果合并前的每个网段是独立的小冲突域，中继互连后它们被合并成一个大的冲突域。合并后，冲突的概率增加了，网络的效率下降。
例如：以太网用中继器扩展后，冲突概率增加时，带宽可能降至零。这是因为以太网虽为成功的技术，但并非精致的技术，它耗费了大量时间来处理冲突。在正常情况下平均效率仅有70%，即不可能获得全速。
3）如果各个网段的介质访问法不同，即使只是速率不同，也不可能在物理层进行中继互连。
随着网络交换技术的发展，中继器和共享式集线器已经逐渐被其他网络设备所取代。
6.2.2 网桥（Bridge）
网桥工作在OSI模型的数据链路层，其功能是在物理网络之间转发帧。网桥可连通两个使用兼容的地址方案的物理网络，从逻辑上把它们连接为单一的网络，使一个物理网络上的用户可以透明地通过网桥访问另一个物理网络上的资源。
1．网桥的特点
与中继器相比，网桥具有以下特点：
1）可实现不同类型的局域网互连。两个不同类型的局域网，只要它们的网络层协议相同，且MAC协议的地址方案兼容，就可以通过网桥连通为一个逻辑网络。例如：采用IP协议的以太网和令牌环网之间就可以通过网桥互连。而中继器只能连接两个MAC协议完全相同的物理网络。
