計算機網(wǎng)絡與通信4網(wǎng)絡設備

1、 第4章 網(wǎng)絡設備與網(wǎng)絡軟件School of Computer 張滬寅 本章要點：認識重要的網(wǎng)絡設備，掌握其工作原理及應用了解主流的網(wǎng)絡軟件 第4章 網(wǎng)絡設備與網(wǎng)絡軟件1. 網(wǎng)卡的功能連接主機和傳輸介質(zhì)發(fā)送幀接收幀（包括地址識別）編碼與解碼差錯檢測進行串行/并行轉(zhuǎn)換。對數(shù)據(jù)進行緩存。 網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)向主機提交時需要I/O中斷。 4.1 網(wǎng)卡2. 網(wǎng)卡的分類（1）按適用的計算機分標準卡（以太網(wǎng)）PCMCIA普通Express卡USB卡4.1 網(wǎng)卡讀卡器2. 網(wǎng)卡的分類（2）按速率分10Mbps10/100Mbps10/100/1000Mbps4.1 網(wǎng)卡2. 網(wǎng)卡的分類（3）按介質(zhì)類型分雙絞線光

2、纖無線粗纜細纜4.1 網(wǎng)卡2. 網(wǎng)卡的分類（4）按與計算機的連接方式分ISAIndustry Standard Architecture PCIPeripheral Component Interconnct，外部設備互聯(lián)總線 PCI的總帶寬=33MHz32bit/8 =133MB/s PCI- X的總帶寬=133MHz64bit/8 =1.064GB/s PCI-Express：支持熱拔插，10GB/s USBPCMCIA/Express4.1 網(wǎng)卡左側(cè)3個白色PCI-X，黑色PCI-E，右白PCIPCI頻率：33MHz 總帶寬：133MB/S PCI-X頻率：66MHz、100MHz和 1

3、33MHz 總帶寬：533MB/s 、800MB/s 和1064MB/s PCI-E頻率：2.5GHz 總帶寬：500MB/s-10GB/s 4.1 網(wǎng)卡3. 網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu) 發(fā)送器作用 編碼器、CRC校驗碼生成器、自適應速率協(xié)商邏輯。 接收器作用 譯碼器、CRC效驗碼生成與差錯檢測、載波偵聽(1000M以下) ?？偩€接口發(fā)送緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)DMA控制器地址過濾器接收器發(fā)送器序列化與反序列化發(fā)送線接收線4.1 網(wǎng)卡1.集線器的功能(1)實現(xiàn)計算機連網(wǎng)RJ-45接口(2)實現(xiàn)信號再生2. 集線器的原理從一個端口接收的數(shù)據(jù)，從其它所有端口廣播出去物理上星型，邏輯上總線4.2 集線器3. 使用集線器的雙

4、絞線以太網(wǎng) 集線器兩對雙絞線站點RJ-45 插頭4.2 集線器4. 集線器的一些特點 集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運行。 使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 集線器很像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。 4.2 集線器具有三個接口的集線器 集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線4.2 集線器在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當網(wǎng)橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先

5、檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口。 4.3.1 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng) 4.3 交換機1. 網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 站表接口管理 軟件網(wǎng)橋協(xié)議 實體緩存接口 1接口 2網(wǎng)段 B網(wǎng)段 A111222站地址接口網(wǎng)橋網(wǎng)橋接口 1接口 212網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF4.3 交換機網(wǎng)橋的自學習和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟歸納 網(wǎng)橋收到一幀后先進行自學習。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的源地址有無相匹配的項目。如沒有，就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有，則把原有的項目進行更新。轉(zhuǎn)發(fā)幀。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。 如沒

6、有，則通過所有其他接口（但進入網(wǎng)橋的接口除外）按進行轉(zhuǎn)發(fā)。 如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口進行轉(zhuǎn)發(fā)。 若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進入網(wǎng)橋的接口，則應丟棄這個幀（因為這時不需要經(jīng)過網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)）。4.3 交換機地址 接口轉(zhuǎn)發(fā)表的建立過程舉例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 24.3 交換機在網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入該網(wǎng)橋的時間。因為以太網(wǎng)的拓撲可能經(jīng)常會發(fā)生變化，站點也可能會更換適配器（這就改變了站點的地址）。 把每個幀到達網(wǎng)橋的時間登記下來，就可以在轉(zhuǎn)發(fā)表中只保留網(wǎng)絡拓撲的最新狀態(tài)信息。使得網(wǎng)橋中的轉(zhuǎn)發(fā)表

7、能反映當前網(wǎng)絡的最新拓撲狀態(tài)。 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中登記以下三個信息 4.3 交換機過濾通信量。 擴大了物理范圍。提高了可靠性?？苫ミB不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。 使用網(wǎng)橋帶來的好處 4.3 交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延。在MAC 子層并沒有流量控制功能。 具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時延更大。網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則會因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。廣播風暴 ：當網(wǎng)絡中結(jié)點很多，通過許多網(wǎng)橋進行互連時，有許多目的地址不明的幀被廣播到所有結(jié)點，結(jié)點不停地

8、忙于接收這些數(shù)據(jù)幀，在做“無用功”，使得結(jié)點不能正常地進行數(shù)據(jù)發(fā)送。 使用網(wǎng)橋帶來的缺點 4.3 交換機1990 年問世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網(wǎng)的性能。交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層）。以太網(wǎng)交換機通常都有十幾個接口。因此，以太網(wǎng)交換機實質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋。4.3.2 多接口網(wǎng)橋以太網(wǎng)交換機 4.3 交換機以太網(wǎng)交換機、局域網(wǎng)交換機從輸入端口到輸出端口的交換通道多對端口同時傳輸，實現(xiàn)并行傳輸背板交換速度（背板帶寬）：端口數(shù)相應端口速率2（全雙工模式）4.3 交換機4.3.3 功能(1)實現(xiàn)

9、計算機連網(wǎng)(2)實現(xiàn)信號再生(3)分隔沖突域，提高傳輸效率(4)實現(xiàn)VLAN(5)實現(xiàn)訪問控制對不同的MAC地址/IP地址進行訪問控制、針對不同的應用數(shù)據(jù)進行訪問控制（例如禁止QQ數(shù)據(jù)、禁止PING數(shù)據(jù)）可以對端口的數(shù)據(jù)率進行配置(6)實現(xiàn)部分路由功能（三層交換機）4.3 交換機4.3.4 工作原理從端口x收到幀在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找輸出端口d丟棄轉(zhuǎn)發(fā)d空閑？放入隊列廣播到除x外的每個端口 d=x？NYYYYNN源地址已登記？登記源地址N隊列為空？轉(zhuǎn)發(fā)NY二層交換機1. 特點：全雙工時發(fā)送、接收可同時進行。每個端口是獨立的沖突域。不需執(zhí)行CSMA/CD。端口速率可自動協(xié)商。4.3 交換機2. 交換方式

10、（1）直通交換：接收到目的地址后，立即建立 與目的端口的交換通道，不暫存幀。（2）存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。（3）碎片隔離交換：長度一次路由，二層轉(zhuǎn)發(fā) 4.3 交換機4.3.6 三層交換機 三層交換技術(shù)：二層交換技術(shù)+三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù) 由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分數(shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此三層交換機的速度很快，接近二層交換機的速度，同時比相同路由器的價格低很多。4.3 交換機4.3.7 堆疊與級聯(lián)堆疊（Stack）：可堆疊的交換機才能實現(xiàn)堆疊提供專用連接電纜，從一臺交換機的“UP”堆疊端口直接連接到另一臺交換機的“DOWN”堆疊端口堆疊在一起的所有交換機可視為一個整體的交換機來進行管理可增加

11、背板帶寬不會產(chǎn)生性能瓶頸 4.3 交換機4.3.7 堆疊與級聯(lián)級聯(lián)（Uplink）：任意交換機間都可級聯(lián)級聯(lián)端口或普通端口級聯(lián)級聯(lián)后，某些交換機易產(chǎn)生性能瓶頸 4.3 交換機4.3.7 堆疊與級聯(lián)級聯(lián)（Uplink）：4.3 交換機工作在網(wǎng)絡層三種主要的連接方式(1) 連接交換機(2) 連接遠程計算機(3) 混合式連接路由器互聯(lián)、路由器交換機互聯(lián)等InternetMODEM池4.4 路由器4.4.1 路由器的作用 4.4.2路由器的功能(1)網(wǎng)絡互連(2)路由選擇(3)分組轉(zhuǎn)發(fā)(4)拆分和組裝數(shù)據(jù)包(5)擁塞控制(6)計費數(shù)據(jù)記錄(7)安全功能4.4 路由器 4.4.3路由器分類1. 按性能檔

12、次分分為高、中和低檔。依據(jù)背板交換速度。（大于40Gbps的為高檔，25Gbps40Gbps的為中檔）重要指標：包轉(zhuǎn)發(fā)速度-Mpps 4.4 路由器 4.4.3路由器分類2. 按結(jié)構(gòu)分模塊化結(jié)構(gòu)非模塊化結(jié)構(gòu) 3. 按功能分核心層路由器（骨干級）：高速度和高可靠性 匯聚層路由器（分發(fā)層，企業(yè)級）接入層路由器。4.4 路由器 4.4.3路由器分類4. 按應用分通用專用。例如接入路由器、VPN路由器 5. 按所處位置分邊界路由器中間節(jié)點路由器 4.4 路由器 4.4.4 路由器的結(jié)構(gòu) 路由器具有多個輸入端口和多個輸出端口，其任務是轉(zhuǎn)發(fā)分組。路由器將某個輸入端口收到的分組，按照分組要去的目的地址，將該

13、分組從某個合適的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由器。 4.4 路由器 路由器的結(jié)構(gòu)可劃分為二部分： 路由選擇：也叫控制部分，其核心構(gòu)件是路由選擇處理機。任務是根據(jù)所選擇的路由選擇協(xié)議構(gòu)造出路由表，同時經(jīng)常或定期地和相鄰路由器交換路由信息而不斷地更新和維護路由表。 交換結(jié)構(gòu)：將輸入端口中的包送到輸出端口。 分組轉(zhuǎn)發(fā) 一組輸入端口：接收、緩存輸入包。 一組輸出端口：緩存、輸出待轉(zhuǎn)發(fā)包。 4.4 路由器 4.4.4 路由器的結(jié)構(gòu)路由選擇路由選擇處理機路由選擇協(xié)議路由表3輸入端口3交換結(jié)構(gòu)輸入端口輸出端口分組轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表分組處理輸出端口11133122223網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層4.4 路由器輸入端口的處理

14、 數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢臀膊亢?，將分組送到網(wǎng)絡層的隊列中排隊等待處理。這會產(chǎn)生一定的時延。 物理層處理數(shù)據(jù)鏈路層處理網(wǎng)絡層處理 分組排隊 交換結(jié)構(gòu) 輸入端口的處理從線路接收分組查表和轉(zhuǎn)發(fā)4.4 路由器輸出端口的處理 當交換結(jié)構(gòu)傳送過來的分組先進行緩存。數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊將分組加上鏈路層的首部和尾部，交給物理層后發(fā)送到外部線路。 物理層處理數(shù)據(jù)鏈路層處理網(wǎng)絡層處理 分組排隊 輸出端口的處理向線路發(fā)送分組緩存管理交換結(jié)構(gòu)4.4 路由器 交換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)1. 通過存儲器進行交換 輸入端口收到包（中斷）路由選擇處理機將其復制到存儲器路由選擇處理機根據(jù)頭部信息查找路由表復制到輸出端口 2. 通過總線進行交

15、換 輸入端口總線輸出端口 3. 通過縱橫(Crossbar)交換結(jié)構(gòu)進行交換 NN crossbar4.4 路由器交換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)I1I3I2O1O2存儲器I1I3I2O1O2I1I3I2O1O2O3(a) 通過存儲器(c) 通過CrossBar(b) 通過總線總線互連網(wǎng)絡O3O3路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的步驟 第一步鏈路層處理：對數(shù)據(jù)的完整性進行驗證，如CRC校驗、幀長度檢查等。 第二步處理IP層：根據(jù)目的IP地址，在路由表中查找下一跳的IP地址；IP數(shù)據(jù)包頭的TTL（Time To Live）域開始減數(shù)，并重新計算校驗和（Checksum）。 第三步輸出：根據(jù)查到的下一跳IP地址，將IP數(shù)據(jù)包送往相應

16、的輸出端口，被封裝上相應的鏈路層包頭，最后經(jīng)輸出網(wǎng)絡物理接口發(fā)送出去。 4.4 路由器直接交付和間接交付 間接交付間接交付間接交付ABC直接交付直接交付直接交付不需要使用路由器但間接交付就必須使用路由器4.4 路由器 轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇的區(qū)別： 轉(zhuǎn)發(fā)：路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表將用戶的IP數(shù)據(jù)報從合適的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。 路由選擇：就是按照復雜的分布式算法，根據(jù)從各相鄰路由器所得到的整個網(wǎng)絡的拓撲變化情況，動態(tài)地改變所選擇的路由。 轉(zhuǎn)發(fā)表是從路由表得出的。包含完成轉(zhuǎn)發(fā)功能所必須的信息。即包含要到達的目的網(wǎng)絡、輸出端口和某些MAC地址信息(如下一跳的以太網(wǎng)地址)的映射。 路由表一般包含目的網(wǎng)絡與下一跳(用IP地址

17、表示)的映射。 轉(zhuǎn)發(fā)表的結(jié)構(gòu)應當使查找過程最優(yōu)化；路由表則需要對網(wǎng)絡拓撲變化的計算最優(yōu)化。 4.4 路由器 路由器與三層交換機的區(qū)別： 路由器一般由基于微處理器的軟件路由引擎執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換，而三層交換機通過硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換。 三層交換機在對第一個數(shù)據(jù)流進行路由后，它將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，當同樣的數(shù)據(jù)流再次通過時，將根據(jù)此表直接從二層通過而不是再次路由，從而消除了路由器進行路由選擇而造成網(wǎng)絡的延遲，提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率。 三層交換機的路由查找是針對數(shù)據(jù)流的，它利用緩存技術(shù)，很容易利用ASIC技術(shù)來實現(xiàn)，可以大大節(jié)約成本，并實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)。而路由器的轉(zhuǎn)發(fā)采用最長匹配的方式，實

18、現(xiàn)復雜，通常使用軟件來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)效率較低。 路由器支持NAT、VPN、ACL等功能，三層交換機不支持。 路由器上直接接光纖可以上網(wǎng)，而將光纖接到三層交換機設備上是不能上網(wǎng)了。 4.4 路由器協(xié)議轉(zhuǎn)換器，工作在傳輸層及以上的層次。用于不同體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡或者局域網(wǎng)與主機系統(tǒng)的連接。三類：1協(xié)議網(wǎng)關 2應用網(wǎng)關 3安全網(wǎng)關 4.5 網(wǎng)關將計算機通過無線方式連接到網(wǎng)絡的設備Internet 范圍：無線局域網(wǎng)（802.11a/b/g/n ，Wi-Fi）無線城域網(wǎng)（802.16系列，WiMAX） 作用：無線交換機無線路由器 ：DHCP、防火墻 4.6 APAP的主要功能有：(1) 實現(xiàn)移動計算機的無線接入(2) 實現(xiàn)DHCP(動態(tài)主機配置協(xié)議)(3) 接入Internet：靜態(tài)IP地址接入、動態(tài)IP地址接入、PPPoE接入(4) 安全功能：MAC地址過濾、IP地址過濾、身份驗證、數(shù)據(jù)加密等 (5) 地址轉(zhuǎn)換（NAT）問題：干擾4.6 AP按照所連接的線路分類(1)音頻調(diào)制解調(diào)器 V.90