第 5 章 广域网与网络互联

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第 5 章 广域网与网络互联

问题原由问题原由

随着计算机、通信和计算机网络技术的飞速发展，单一的局域网已不能满足社会对信息的需求，需将分布在不同地理位置的多个相同或不同类型的计算机网络互联 , 以实现更广泛的资源共享和信息交流。本章重点讨论数字数据网（ DDN ）和帧中继（ FR）网技术、网络互联的基本形式、网络互联设备的工作原理，以及局域网与局域网互联和局域网与广域网互联技术。

教学重点教学重点

能力要求能力要求

熟悉：计算机广域网的基本概念、数据网及帧中继 网技术、网络互联设备与网络互联方法。掌握：网络互联的基本概念、工作原理、典型互联 网络的实现方法与技术。

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本章内容

§5.1 计算机广域网

§5.3 局域网与局域网互联

§5.2 计算机网络互联

§5.4 局域网与广域网互联

§5.5 多层交换技术

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知识结构

广域网与网络互联

计算机网络互联

利用路由器实现互联

计算机广域网

局域网与广域网互联

网络互联的类型网络互联的类型

网络互联的目的网络互联的目的

网络互联的内涵网络互联的内涵

利用网关实现互联

利用网桥实现互联利用中继器实现互联

广域网类型

广域网组网 数字数据网

网络互联的层次网络互联的层次

互联设备的对比

帧中继网 ATM 网

第二、三层交换第四、七层交换

局域网与局域网互联

局域网与广域网互联

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§5.1 计算机广域网

广域网 (Wide Area Network）是以信息传输为主要目的的数据通信网，是进行网络互联的中间媒介。由于广域网能连接多个城市或国家，并能实现远距离通信，因而又称为远程网。广域网与局域网之间，既有区别 , 又有联系。 对于局域网，人们更多关注的是如何根据应用需求来规划、建立和应用，强调的是资源共享；对于广域网，侧重的是网络能够提供什么样的数据传输业务，以及用户如何接入网络等，强调的是数据传输。由于广域网的体系结构不同，广域网与局域网的应用领域也不同。广域网具有传输媒体多样化、连接多样化、结构多样化、服务多样化的特点，广域网技术及其管理都很复杂。

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5.1.1 　广域网的组网

11 、广域网的基本组成、广域网的基本组成 与局域网相似 , 广域网也由通信子网和资源子网组成 ,如图 5-1所示。

图 5-1 广域网的基本组成

C

AD

E

Host1

Host1

Host4

Host4

Host3

Host3

Host2

Host2

通信子网B

广域网中包含很多用来运行系统程序、用户应用程序的主机 (Host)，如服务器、路由器、网络智能终端等。其通信子网工作在 OSI/RM的下 3 层 ,OSI/RM高层的功能由资源子网完成。

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5.1.1 　广域网的组网

22 、广域网的组网方式、广域网的组网方式 为了适应广域网的特点，广域网提供了面向连接的服务模式和面向无连接的服务模式。 ⑴ 面向连接服务模式：好比电话系统 , 进行数据传输之前要建立连接，然后方可进行数据传输。 ⑵ 面向无连接服务模式：好比邮政系统 , 每个数据分组带有完整的目的地址，经由系统选择的不同路径独立进行传输。

上述两种服务模式各有所长。在实际应用中，对信道数据传输质量较好、实时性要求不高的应用，采用面向无连接的服务模式较好；相反，则采用面向连接的服务模式较好。对应于两种不同的数据传输模式，广域网提供了虚电路和数据报两种不同的组网方式。

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5.1.2 　广域网的类型

广域网主要由交换结点和公用数据网 (PDN)所组成。如果按公用数据网划分 , 有PSTN、 ISDN、 X.25、 DDN、 FR、 ATM等。按交换结点相互连接的方式进行划分，可分为以下 3 种类型： 11 、线路交换网、线路交换网 线路交换网即电路交换网，是面向连接的交换网络。 ⑴ 公用交换电话网（ PSTN）：也常被称为“电话网” , 是人们打电话时所依赖的传输和交换网络 , 是数字交换和电话交换两种技术的结合。 PSTN的组成如下图所示。

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5.1.2 　广域网的类型

⑵ 综合业务数据网 (lSDN)：是以电话综合数字网(IDN)为基础发展起来的通信网，是由国际电报和电话顾问委员会(CCITT)和各国的标准化组织开发的一组标准。 ISDN 的主要目标就是提供适合于声音和非声音的综合通信系统来代替模拟电话系统。 1984年 10月 CCITT给出了 ISDN的定义：“ ISDN是由综合数字电话网发展起来的一个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包括声音和非声音的，用户的访问是通过少量、多用途的用户网络标准实现的”。 ISDN的发展分为两个阶段：第一代为窄带综合业务数字网（ N-ISDN） , 第二代为宽带综合业务数字网（ B-ISDN）。N-ISDN 基于有限的特定带宽 ,B-ISDN 基于 ATM异步传输模式的综合业务数字网，它的最高速率是 N-ISDN的 100倍以上。

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5.1.2 　广域网类型

22 、专用线路网、专用线路网 专用线路数据网是通过电信运营商在通信双方之间建立的永久性专用线路 , 适合于有固定速率的高通信量网络环境。目前最流行的专用线路类型是 DDN。 33 、分组交换网、分组交换网 分组交换数据网（ PSDN）是一种以分组为基本数据单元进行数据交换的通信网络。 PSDN诞生于 20世纪 70年代，是最早被广泛应用的广域网技术 , 著名的 ARPAnet就是使用分组交换技术组建的。通过公用分组交换数据网不仅可以将相距很远的局域网互联起来，也可以实现单机接入网络。它采用分组交换（包交换）传输技术，是一种包交换的公共数据网。典型的分组交换网有： X.25网、帧中继网、 ATM等。

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

11 、、 DDNDDN 的概念的概念 数字数据网（ DDN）是由光纤、数字微波或卫星等数字传输通道和数字交叉复用设备组成的数字通信网络。 22 、、 DDNDDN 的结构组成的结构组成 DDN主要由本地传输系统、交叉连接 / 复用系统、局间传输系统和网络管理系统等组成。 DDN的结构如图 5-2所示。

图 6-2 DDN 的网络结构

DXC DXC

DXC

NAU

本地传输系统 本地传输系统局间传输系统

数字信道

用户线

网络管理控制中心

用户线

NAU

DTEDTE

图 5-2 DDN的结构

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

⑴ 本地传输系统：由用户设备、用户线和网络接入单元组成，其中把用户线和网络接入单元称为用户环路。 ⑵ 交叉连接 / 复用系统：主要由数字交叉连接（ DXC）设备组成。数字交叉连接设备是 DDN中的主要结点设备，它是对数字群路信号及其子速率信号进行交换的设备。 ⑶ 局间传输系统：是指 DDN中各结点机通过数字信道连接组成的局间网络拓扑结构。局间传输的数字信道是指数字传输系统中的基群（ 2Mbit/s）信道。 ⑷ 网络管理系统：系统包括用户接入管理、路由的选择、网络资源的调度、网络状态的监控、网络故障诊断、网络运行数据的收集与统计、计费的统计等。图 6-2 DDN 的网络结构

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

时分复用技术

通信方式灵活

全透明传输传输质

量好

有网络管理中心

传输速率高

33 、、 DDNDDN 的功能特点的功能特点 DDN具有通话、传真、数据传输、会议电视、帧中继、组建虚拟专网等多种功能，并具有以下特点：

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

11

基本业务：点对点、点到多点通信业务。点到多点通信可以将数据信息流从一点同时传送到多点，使多点同时得到同一信息

22帧中继业务：是通过在 DDN节点上设置帧中继模块来实现的，提供永久性虚电路（ PVC ）连接方式的帧中继业务。

33话音 /G3 传真业务：通过在用户入网处设置的话音服务模块提供压缩话音 /G3 传真业务。

44虚拟专用网（ VPN ）业务： VPN 是利用 DDN 的部分网络资源所形成的一种虚拟网络。

44 、、 DDNDDN 提供的业务提供的业务 DDN实际上是我们常说的数据租用专线，是近年来广泛使用的数据通信服务， DDN提供的业务主要有以下 4 项：

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

55 、、 DDNDDN 的组网方式的组网方式

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数据终端接口单元接入：这是通常情况下的组网方式，其接口标准符合 ITU-T V.24、 V.35和 X.21 。

22Modem 接入：在电信局 DDN节点机机房配置一台调制解调器 , 在用户终端配置另一台与其相同或兼容的调制解调器。

33xDSL 系列设备接入：适用于支持高速用户接入，如 HDSL 接入速率可达 2048Kbit/s 。

44节点机接入：将小容量 DDN节点直接放到用户机房内。用户节点和网络节点之间采用光端机和光纤 , 提供一个或多个 E1连接。

55光纤电路接入：已将光纤接入到网络用户的家中，通信速率可灵活选择。

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5.1.3 　数字数据网（ DDN ）

66 、、 DDNDDN 的主要应用的主要应用 DDN作为一种数据业务的承载网络 , 不仅可以实现用户终端的接入，而且可以满足用户网络的互联，扩大信息的交换与应用范围，在各行各业、各个领域中的应用也较广泛。 DDN的主要应用有：数据传输，语音、图像传输，民航、火车站售票连网 , 银行联网、股市行情广播及交易 , 信息数据库查询等。特别适用于业务量大、实时性强的数据通信使用。 随着多媒体通信的普及，人们对网络的带宽、时延、传输质量等提出了更高的要求。 DDN独享资源 , 信道专用将会造成一部分网络资源的浪费，并对多媒体信息传输显得带宽太窄 , 致使现有 DDN传输技术不能适应数据业务的发展和网络规模的扩大。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

11 、帧中继网概念、帧中继网概念 帧中继 (Frame Relay， FR) 又称快速分组交换，它是在分组交换数据网（ PSDN ）的基础上发展起来的、在综合业务数字网（ ISDN ）标准化过程中一项最重要的革新技术，是在数字光纤传输线路逐渐代替原有的模拟线路、用户终端日益智能化的情况下，由 X.25 分组交换网发展起来的一种快速分组交换网。 帧中继采用了两种关键技术，即“虚拟租用线路”和“流水线”技术，从而使帧中继能够面向需要高带宽、低费用、额外开销低的用户群，而得到广泛应用。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

图 5-4 帧中继组成结构

FR交换机

帧中继网络

FR交换机

FR 交换机

LAN 路由器

FR终端

FRADFR交换机

22 、帧中继网的结构组成、帧中继网的结构组成 在物理实现上，帧中继网络由用户设备与网络交换设备组成，其典型结构如图 5-4所示。

FR 交换机是帧中继网络的核心，其功能作用类似于以太网交换机 , 都是在数据链路层完成对帧的传送。帧中继网络中的用户设备负责把数据帧送到帧中继网络。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

33 、帧中继网的功能特、帧中继网的功能特点点

11

误码率低：采用光纤作为传输介质，将分组交换机之间的恢复差错、防止拥塞的处理过程简化 ,使数据传输误码率大大降低。

22效率高：帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，大大缩短了处理时间，提高了效率。

33适合多媒体传输：帧中继以帧为单位进行数据交换，特别适合于作为网间数据传输单元，适用于多媒体信息的传输。

44电路利用率高：帧中继采取统计复用方式，因而提高了电路利用率，能适应突发性业务的需要。

55连接性能好：帧中继网是由许多帧中继交换机通过中继电路连接组成的通信网络，可为各种网络提供快速、稳定的连接。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

44 、帧中继网提供的业务、帧中继网提供的业务 帧中继是一个简单的面向连接的虚电路分组业务，它既提供交换虚电路（ PVC），也提供永久虚电路（ SVC）。帧中继允许用户以高于约定传输速率的速率发送数据，而不必承担额外费用。帧中继可适用于以下情况： ◆ ◆ 在用户通信所需带宽要求为 64kbps～ 2Mbps且参与通信的用于多于两个。 ◆◆ 通信距离较长，应优先选用帧中继。 ◆◆ 数据业务量为突发性的 ,由于帧中继具有动态分配带宽的能力，选用帧中继可以有效处理。 帧中继适合于远距离或突发性的数据传输，特别适用于局域网之间互联。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

55 、帧中继网的组网方式、帧中继网的组网方式 若用户需要接入帧中继网 ,则可以根据用户的网络类型选择适合的组网方式。 ⑴ 局域网接入：用户接入帧中继网络一班通过 FRAD设备， FRAD指支持帧中继的主机、网桥、路由器等 , 连接如图 5-5所示。

图 5-5 LAN接入帧中继网示意图

帧中继交换机终端

路由器

UNIUNI

FRADFRAD FRS FRS

FRS FRS

帧中继网

帧中继终端

局域网

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

⑵ 终端接入：终端通常是指 PC或大型主机，大部分终端是通过 FRAD 设备接入到帧中继网络。如果是具有标准UNI

（用户网络接口）的终端，例如具有 PPP、 SNA或 X.25协议的终端，则可作为帧中继终端直接接入帧中继网络。帧中继终端或 FRAD设备可以采用直通用户电路接入到帧中继网络，也可采用电话交换电路或 ISDN 交换电路接入帧中继网络。 ⑶ 专用帧中继网接入：用户专用帧中继网接入公用帧中继网时，通常将专用网中的规程接入到公用帧中继网络。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

66 、帧中继网的主要应用、帧中继网的主要应用 帧中继网的应用十分广泛，但主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接。

局域网互联局域网互联

图像文件传送图像文件传送

局域网互联是帧中继最典型的一种应用 ,在世界上已经建成的帧中继网中 ,其用户数量占 90％以上。

虚拟专用网虚拟专用网帧中继网络可以将几个结点划分为一个分区，并可设置相对独立的网络管理机构对分区内的各种资源进行管理。

帧中继可以为医疗、金融机构提供图像、图表的传送业务。在不久的将来，“帧中继电话”将被越来越多的企业所采用。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

【应用案例【应用案例 5-15-1】】利用帧中继实现网络互联。某公司的总部和分支机构位于一个城市的不同区域，希望利用最实惠价格实现总部和两个分支机构高速网络通信。 案例分析：为了实现上述目标，可以利用帧中继联网，总部和两个分支机构通过帧中继线路建立 PVC连接 ,总部使用 T1(1.544Mbit/s)速率连接 ,两个分支机构使用64kbit/s速率连接，并为各机构连接的路由器分配数据连接标示符 (DLCI)。例如，分配给总部路由器连接的两个端口的 DLCI分别为 100和 400,代表 PVC连接的本地管理接口地址。可通过 LMI测试 PVC的连接状态 ,例如在总部查看帧中继的 PVC连接 ,通过 LMI信息显示： DLCI地址为 100和 400的端口都处于活跃 (Active）状态。网络连接如图 5-6所示。

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

PVCDLCI:200

DLCI:500

DLCI:100

U N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y

PVCDLCI:400

本地访问速 率 ＝T1

帧中继交换机

本地访问环速率

本地访问环速率

LMI100 ＝Active400 ＝Active

图 5-6 帧中继网络连接

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5.1.4 　帧中继（ FR ）网

总部和分支机构的路由器通过 CSU/DSU连接帧中继线路，速率为 64kbit/s。帧中继的地址配置如图 5-7所示。

在路由器的串行端口上需要封装帧中继协议，可采用静态方式配置 DLCI和 IP地址的映射。由于不同厂家的路由器其配置方法不同，因而具体配置帧中继作为作业由同学们完成。

图 5-7 帧中继网络连接

总部 分支

路由器 B路由器 ACSU/DSU

U N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y 帧中继网络

帧中继交换机

DLCI＝ 110IP ＝10.16.0.1/24

DLCI＝ 110IP ＝10.16.0.2/24

CSU/DSU

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11、、 ATMATM 概念概念 异步传输模式 (ATM) 以信元 (cell) 为传输单位 , 并且是在数据链路层进行交换。 ATM和 B-ISDN 的结合可实现全世界的网络之间高速连接， ATM 是信息高速公路上的“高速公路” ,它比帧中继的传输速率更高，短距离时高达2.2Gbps, 长距离时可达 10Mbps～ 100Mbps 。 ATM 信元由信头和信息段两部分组成 , 为 53 个字节 , 其中信头为 5 个字节，信息段 48 个字节，信元长度固定，每个信元都花费同样传输时间。由于信元的发送无固定周期 , 可采用异步时分复用传输技术，故将 ATM 称为异步传输模式。 异步传输模式（ ATM ）能使用户设备同全局网络的连接 , 能方便地用数字的形式来处理声音、传真、影像和图像通信。

5.1.5 　 ATM 网

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100Mb/s

以太网

图 5-8 由 ATM交换机构成的LAN

155Mb/s到共用 ATM网络

155Mb/s到共用 ATM网络100Mb/s以太

网ATM交换

机

ATM交换机100Mb/s

22、、 ATMATM 网的配置方法网的配置方法 ATM 局域网有多种配置方法，例如在传统的局域网中加入一个 ATM 交换机，再把交换机作为路由器和通信中继器，通过它将局域网与广域网相联。图 5-8 所示是由 4台 ATM 交换机构成的主干局域网。

5.1.5 　 ATM 网

到共用 ATM网络

622Mb/s155Mb/s

FDDI

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5.1.5 　 ATM 网

33 、、 ATMATM 的功能特的功能特点点

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固定信元：所有数据信息被组织成 53 字节的信元。固定信元使网络用硬件直接处理，缩短信元的处理时间，保证快速交换。

22 简化数据链路层的功能：链路层没有差错控制与流量控制，所有工作由端到端高层协议处理。

33高效灵活的复用技术：在 ATM 传输中各信道信元是按信息量大小来排队的，是一种统计复用。

44能支持不同速率的各种业务： ATM允许终端有足够多的比特时就利用信道，从而取得灵活的带宽共享。

55面向连接： ATM采用虚路径与虚信道技术使得所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，保证实时数据的交换。

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5.1.5 　 ATM 网

44 、、 ATMATM 的主要应用的主要应用 ATM的应用领域很多，但就目前而言， ATM的应用领域主要有以下 3 个方面。 ⑴ 多媒体应用：适应于视频点播、电视会议、远程医疗诊断、远程教学和娱乐需要 , 图 5-9是 ATM传输多媒体信息的例子。

图 5-9 用于多媒体传输的虚通道结构

虚通路虚通道 VCI＝１（文本）

虚通道 VCI＝ 2 （语音）

虚通道 VCI＝ 3 （视频）学生端

文本

语音

视频教师端 信元 5 信元 4 信元 3 信元 2 信元 1

信元 5 信元 4 信元 3 信元 2 信元 1

信元 5 信元 4 信元 3 信元 2 信元 1

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5.1.5 　 ATM 网

⑵ 客户机 /服务器结构：在该结构中，服务器要为很多用户提供服务，所以服务器的吞吐能力关系到整个系统的性能 , 而服务器接入 ATM 网络就可以解决传输速率、网络带宽和大吞吐量的问题 , 并为更多的用户提供客户机服务。 ⑶ 高速主干网：在企业网和校园环境中 , 可以将ATM 网络作为高速主干网分布在各个部门。把众多的小规模 LAN 连接起来，以扩大网络规模，提高网络性能。 【提示】在广域网技术发展过程中， ATM这一面向连接的快速分组交换技术曾被认为是最有发展前景的高速互联网解决方案，但由于 ATM 技术、设备和兼容性等方面的原因，现在人们认为千兆、万兆以上的高速以太网技术更适合各局域网之间实现高速互联。

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§5.2 网络互联技术

11 、网络互连接（、网络互连接（ interconnectioninterconnection）） “互连接”是指在物理网络之间必须存在一条以上的物理连接线路。“互连接”包括网络互连与互联 , 两者是有区别的 , 前者是网络的物理连接，后者主要是指逻辑上的连接。 22 、网络互通信（、网络互通信（ intercommunicationintercommunication）） “互通信”是指在网络互联接的基础上，网络之间可以进行数据交换的手段。 33 、网络互操作（、网络互操作（ interoperabilityinteroperability）） “互操作”是指网络中计算机之间具有透明地访问对方资源的能力，而这种能力是建立在互连接和互通信基础之上，通过高层软件实现的。

5.2.1　　5.2.1　　 网络互联的内涵网络互联的内涵

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5.2.2　　 网络互联的目的

网络互联的目的

22

55

33

44

11延长局域网缆段的长度

扩大网络覆盖的地理范围

提高网络效率和网络性能

消去网络存在的差异

实现更大范围资源共享和信息交

流

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5.2.3　　 网络互联的类型

11、、 LAN-LANLAN-LAN 互联互联 在 LAN-LAN互联中，根据 LAN的传输性质和通信协议不同，又分为同构网互联和异构网互联两种形式。 ⑴ 同构网互联：指具有相同传输性质和相同通信协议的局域网互联。

LAN-LAN互联结构图

PC PC

PCPC

LAN1

LAN2互连设备

⑵ 异构网互联：指两种完全不同传输性质和不同通信协议的局域网互联。 目前，不同类型的网络之间的互联大多是异构网互联。异构网的互联较复杂些，常用连接设备有网桥或路由器 , 如右图所示。

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5.2.3　　 网络互联的类型

WANWAN路由器

WAN-WAN互联结构图

22、、 LAN-WANLAN-WAN 互联互联 LAN-WAN互联可以使不同单位或机构的 LAN连入范围更大的网络体系中。其连接如下图所示。 33、、 WAN-WANWAN-WAN 互联互联 WAN与 WAN互联一般在政府的电信部门或国际组织间进行将不同地区的网络互联，以构成更大规模的网络。 WAN-WAN的互联主要使用路由器或网关来实现。其连接如下图所示。

WAN

路由器

PC

LAN-WAN互联结构图

LAN

PC PC

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5.2.3　　 网络互联的类型

44、、 LAN-WAN-LANLAN-WAN-LAN 互联 互联 如果两个局域网的地理位置相隔很远，可以通过广域网实现两个局域网的互联。其连接如下图所示。

PC

LAN-WAN-LAN互联结构图

WAN

PCPC

PCPC

PC

路由器

路由器

路由器LAN

LAN

LAN

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5.2.4　　 网络互联的层次

网络互联不仅要把多个网络用物理线路连接起来，并且使用户无法察觉不同网络之间的差异。各种网络协议的功能不同，分属于不同的层次。网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来。网络各互联层与相应设备的对应关系如图 5-10所示。

图 5-10 互联设备的层次关系

网络 1网络 1

网桥、交换机（链路层）

网桥、交换机（链路层）

网关（高层）网关（高层）

路由器（网络层） 路由器（网络层）

中继器、集线器（物理层） 中继器、集线器（物理层）

子络 1子络 1 LAN1LAN1 网段 1网段 1 网段 2网段 2 LAN2LAN2 子络 2子络 2 网络 2网络 2

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5.2.4　　 网络互联的层次

11 、物理层的互联、物理层的互联 用于两个相同网段的互联，所要解决的问题是在不同的电缆段之间复制位信号 , 互联的主要设备是中继器或集线器。 22 、数据链路层互联、数据链路层互联 用于同操作系统的局域网互联，所要解决的问题是在网络之间存储转发数据帧，互联的主要设备是网桥或交换机。 33 、网络层互联、网络层互联 用于 LAN与 LAN、 LAN与 WAN、 WAN与 WAN之间的互联，所要解决的问题是在不同的网络之间存储转发分组，互联的主要设备是路由器。 44、高层互联、高层互联 用于 WAN与 WAN互联。所要解决的问题是对两个网络的应用层以下各层网络协议进行转换，互联的主要设备是网关。

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§5.3 局域网与局域网的互联 5.3.1　　5.3.1　　 利用中继器实现互联利用中继器实现互联

中继器是工作在 OSI参考模型物理层上的一种最简单的局域网设备，用来实现网络物理层网段之间的互联。 11 、中继器的主要功能、中继器的主要功能 中继器的功能就是将因传输而衰减和畸变的信号进行放大、整形和转发，以延长信号的传输距离。但是，中继器并非能够无限制地扩展网络长度，使用时首先应注意以太网的5-4-3 中继规则。 22 、中继器的工作原理、中继器的工作原理 中继器的结构非常简单 , 没有软件 ,只是物理层的信号增强，以便传输到另一个网段，而各网络段属于同一网络,各网段上的工作站可以共享某一网段上的文件服务器。

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中继器的工作原理如图 5-11 所示。如果发送结点与接收结点之间的距离超过 500m，就不能正确接收数据信号。

图 5-11 中继器工作原理示意图

5.3.1　　5.3.1　　 利用中继器实现互联利用中继器实现互联

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5.3.1　　 利用中继器实现互联

33 、中继器的基本类型、中继器的基本类型 ⑴ 粗缆中继器：用来实现两粗缆网段互联，每段最长距离为 500m。 ⑵ 细缆中继器：用来实现两细缆网段互联，每段最长距离为 185m。 ⑶ 双绞线中继器：用来实现两双绞线网段互联，每段最长距离为 100m，共享式集线器 HUB实际上就是一个多端口的双绞线中继器。 ⑷ 光纤中继器：用来实现两光纤网段互联，若用 4个光纤中继器时，每光纤段最长距离为 500m；若用 3个光纤中继器时，每光纤段最长距离为 1000m。 中继器的应用参见【例 5-1 】和【例 5-2 】所示。

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5.3.2 　利用网桥实现互联

网桥又称桥接器 , 用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。网桥不但能扩展网络的距离或范围，而且可以提高网络系统的安全和保密性能。 11 、网桥的主要功能、网桥的主要功能 ⑴ 接收与学习功能：当网桥接收到一个信息包时，它会查看信息帧的源（物理）地址，并将该地址与网桥地址表中的各项对比，如果在其地址表中查不到，则将新的源地址加到地址表中，在不进行任何新的配置的情况下，网桥可以根据地址表中的地址重新配置网桥 ,这就是所谓的“学习”功能。 ⑵ 过滤和转发功能：学习过程完成后，每当网桥接到一个信息帧时，它就会根据自己学习到的地址表来检查信息帧的源地址和目的地址。

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5.3.2 　利用网桥实现互联

22 、网桥的工作原理、网桥的工作原理 网桥主要用来连接两个局域网，通过接收数据帧、地址过滤、存储与转发数据帧方式实现多个局域网系统的互联。网桥根据局域网中数据帧的源地址与目的地址来决定是否接收和转发数据帧。图 5-14是通过网桥实现网络互联的示意图。

图 5-14 网桥工作原理示意图

LAN1

LAN2

结点 104

结点 103

结点 201

结点 202

网桥

104 Data

104 Data

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5.3.2 　网桥

33 、网桥的基本类、网桥的基本类型型

11

透明网桥：通过一个内部转发地址进行路径选择，它的存在和操作对网络站点是完全透明的，故称它为透明桥。

22 源路由桥：采用与透明桥不同的路径选择方案，路径选择由发送数据帧的源站点负责。

33MAC 网桥：是工作在介质访问控制子层的网络互联设备，它只能互联具有相同 MAC协议的同类局域网。

44LLC 网桥：它作用于逻辑链路控制子层，能够连接采用不同MAC协议的异类局域网。

55本地桥和远程桥：本地网桥用于连接近距离局域网；远程网桥具有广域网连接能力，实现局域网的远程连接，如无线网桥。

44

§5.4 局域网与广域网互联

　　随着网络的扩大，特别是多种工作平台连接成大规模的广域网环境，网桥在路由选择、流量控制以及网络管理等方面已远远不能满足要求，这时就需要使用路由器或者网关。

Ethernet

FDDI Token Bus

Token Ring路由器 1

路由器 3

路由器 2

路由器 4

5.4.1　　5.4.1　　 利用路由器实现互联利用路由器实现互联

　　路由器与网关是局域网与广域网互联的主要设备。路由器是工作在OSI/ISO参考模型的第三层的网络互联设备，使以连接两个或多个逻辑上相互独立的网络。

45

11 、路由器的主要功能、路由器的主要功能

11

网络分段与互联功能：在组网时常根据实际需求将整个网络分割成不同的子网，路由器可以将不同的 LAN 进行互联。

22 隔离广播风暴功能：将网络分成各自独立的广播网域，使网络中的广播通信量限定在某一局部，避免广播风暴的形成。

33地址判断和最佳路由选择功能：路由器为每一种网络层协议建立路由表 , 并按指定协议路由表中的数据决定数据的转发与否。

44安全访问控制功能：路由器具有加密和优先级等处理功能，能有效地利用带宽资源 , 并能利用数据过滤限定特定数据的转发。

55设备管理功能：路由器可了解高层信息，还可以通过软件协议本身的流量控制参量来控制转发的数据流量 , 以解决拥塞问题。

5.4.1 　利用路由器实现互联

46

路由器1

路由器3

22 、路由器的工作原理、路由器的工作原理 路由器是在网络层实现多个网络互联的设备，它除了应具有网桥的功能外，还具有路径选择功能，图 5-17给出了用三个路由器实现互联的四个不同类型的网络。

5.4.1 　利用路由器实现互联

网络1

图 5-17 路由器的连接示意图

网络3工作站

A

路由器2

网络2

工作站B

网络4

47

5.4.1 　利用路由器实现互联

33 、路由器的基本类型、路由器的基本类型 ⑴ 近程路由器和远程路由器：近程路由器 ( 本地路由器 )用来连接本地网络的传输介质 , 如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器用来连接远程介质及其设备 , 如电话线及调制解调器等。 ⑵ 静态路由器和动态路由器：静态路由器需要管理员来修改所有网络的路由表 , 它一般只用于小型的网间互联 ; 动态路由器能根据指定的路由器协议自动修改路由器信息 , 所以一般大型的网间连接均使用动态路由器。 ⑶ 单协议路由器和多协议路由器：仅支持单一路由协议的路由器被称为单协议路由器 , 它所连接的两个网络的网络层的路由协议必须一样 ; 如果路由器支持多种路由协议，则称其为多协议路由器。

48

5.4.2 　利用网关实现互联

11 、网关的主要功能、网关的主要功能 网关的主要作用是实现不同网络传输协议的翻译和转换工作。网关的重要功能是完成网络层上的某种协议之间的转换。网关支持不同协议之间的通信的方式有 3 种： ⑴ 远端业务协议封装：外部业务数据采用本地网络数据格式进行封装，当数据到达接收端用户后，去掉本地网络的封装格式，将原有的数据内容提交给应用系统。 ⑵ 本地业务协议封装：本地业务数据采用远端网络数据格式进行封装，当数据传送给接收端用户后，去掉本地网络的封装格式，将原有的数据内容提交给应用系统。 ⑶ 协议转换：通过中间网络设备改变数据的封装格式，以保证不同协议格式的系统之间可以进行通信。

49

5.4.2 　利用网关实现互联

22 、网关的工作原理、网关的工作原理 网关工作在 OSI模型的高 3 层，即会话层、表示层和应用层，它支持不同协议之间的转换，实现使用不同协议网络之间的互联。实现网络协议转换的方法有以下两种： ⑴ 直接转换：将进入网关的报文格式直接转换成输出网络的报文格式，如图 5-22（ a ）所示。 如果一个网关互联 2 个网络，则要进行 2 种网络协议之间的转换，即网络 A 到网络 B 的转换和网络 B 到网络 A 的转换； 如果一个网关互联 3 个网络 , 则要进行 6 种协议间的转换； 如果互联 n 个网络，则要进行 n （ n-1）种转换。显然，网关互联的网络数越多，编写协议转换程序模块的工作量越大。同时 , 系统对网关的存储空间与处理能力的要求也越高。

50

5.4.2 　利用网关实现互联

⑵ 制定标准的网间报文格式：将进入网关的报文格式转换为标准的网间报文格式 , 在输出端再由网间报文格式转换为另一网络的报文格式，如图 5-22（ b ）所示。

网关

（ a ） 直接转换

（ b ） 通过网间报文格式转换

图 5-22 网关的两种转换方法

网络 A→网络 B网络 A←网络 B

网络 A 网络 B

网络 A→ 网间 网间→网络B

网络 A← 网间 网间←网络B

网络 A 网络 B

51

5.4.2 　利用网关实现互联

11

协议转换网关：可分为双边协议网关和多边协议网关。双边网关进行两种协议的转换；多边网关实现多种协议之间的转换。

22应用型网关：针对一些专门应用而设置的网关，将一种数据格式转化为该服务的另外一种数据格式，从而实现数据交流。

33安全型网关：对数据包的原地址、目的地址、端口号、网络协议进行过滤， 对那些没有许可权的数据包进行拦截或丢弃。

44半网关：把一个网关分成两个部分，选择两种不同的半网关组合，可以灵活地互联两种不同的网络。

33 、网关的基本类型、网关的基本类型 网关可用于不同体系结构的局域网与主机系统的连接，在互联设备中，它是最复杂的。常用应用网关如下几种：

52

5.4.3 　互联设备的对比

表 6-1 4种互联设备的连接层次和各具有的性能特点比较

互联设备

互联层次 应用场合 功 能 优 点 缺 点

中继器

物理层

互联相同 LAN的多个网段

信号放大；延长信号传送距离

互联容易；价格低；基本无延迟

互联规模有限；不能隔离不需要的流量；无法控制信息传输

网桥

数据链路层

各种局域网的互联

连接局域网；改善局域网性能

互联容易；协议透明；隔离不必要的流量；交换效率高

会产生广播风暴；不能完全隔离不必要的流量；管理控制能力有限有延迟

路由器

网络层

LAN与 LAN互联LAN与 WAN互联WAN与 WAN互联

路由选择；过滤信息；网络管理；

适合于大规模复杂网络互联；管理控制能力强；充分隔离不必要的流量；安全性好

网络设置复杂；价格高；延迟大；

网关

传应输用层层

互联高层协议不同的网络；连接网络与大型主机

在高层转换协议可以互联差异很大的网络；安全性好

通用性差；不易实现

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§5.5 多层交换技术 5.5.1 5.5.1 第二层交换技术第二层交换技术

11 、第二层交换技术的引入、第二层交换技术的引入 20世纪 90年代初，在网络系统集成模式中大量引入了局域网交换机，用于 OSI第二层的交换 , 在当时属于第二层网络设备，称为第二层交换机。因为它同时具备集线器和网桥的功能，所以又称为交换式集线器或多口网桥。 22 、第二层交换机的工作原理、第二层交换机的工作原理 第二层交换机属于数据链路层设备，主要依靠数据链路层的 MAC地址来传送帧信息 , 将每个信息数据帧从正确的端口转发出去。第二层交换机可以识别数据包中的 MAC地址信息，根据 MAC地址进行转发，并将这些 MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。

54

33 、第二层交换机的类型、第二层交换机的类型 ⑴ 简单的 10Mbit/s交换机：用来连接专用的10Mbit/s以太网结点或 10Mbit/s以太网集线器。 ⑵ 快速交换机：用于快速以太网或大型局域网的主干网。

⑶ 10/100Mbit/s自适应交换机：它可以自动检测端口连接设备的传输速率与工作方式，并自动作出调整以保证 10M与 100M结点工作在同一网络中。 44 、第二层交换机的局限、第二层交换机的局限 第二层交换技术比较成熟，它的最大优点是具有极快的传输速率，能增强系统的带宽，但由于其工作在第二层，和网桥一样，不具有隔离广播数据包的能力。交换机最早的处理过程是由其内部软件来设置，运行速度较慢，生产成本较高。

5.5.1 5.5.1 第二层交换技术第二层交换技术

55

11 、第三层交换技术的引入、第三层交换技术的引入 第二层交换技术能够克服网络带宽的局限，并提供灵活的网络配置。但是，第二层交换机对组建一个大规模的局域网来说还不够完善，需要使用路由器来完成相应的路由选择功能。因此，在交换机不断发展的过程中，出现了将第二层交换和第三层路由相结合的设备，这就是第三层交换机，也被称作“路由交换机”，如图 5-24所示。

5.5.2 5.5.2 第三层交换技术第三层交换技术

路由器 / 三层交换机

交换机 / 网桥

集线器 / 中继器

包(Packet)

帧 (Frame)

比特 (Bit)

网络层数据链路层物理层

图 5-24 三层交换技术示意图

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22 、第三层交换机的作用、第三层交换机的作用 第三层交换技术既克服了路由器数据转发效率低的缺点，又克服了第二层交换机不能隔离广播风暴的缺点，具有 IP路由选择的功能和极强的数据交换性能，能有效地提高网络数据传输的效率和隔离网络广播风暴，主要作用是：一是作为大、中型局域网的网络骨干互联设备；二是用于虚拟局域网的划分。

5.5.2 5.5.2 第三层交换技术第三层交换技术

图 5-25 使用第三层交换机作为主干的校园网

VLAN1

VLAN3

VLAN1

VLAN3

VLAN4

VLAN4

Cisco 2950 Cisco 2948G-

L3

Cisco 2950

Cisco 2950

Cisco 2950

VLAN1

VLAN2

VLAN2

VLAN4

VLAN1

VLAN2

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11 、第四层交换技术的引入、第四层交换技术的引入 第二层交换实质上是桥接，第三层交换实质上是路由，它们都是基于端口地址的端对端交换过程，无法根据端口主机的应用需求来自主确定或动态限制端口的交换过程和数据流量，即缺乏智能应用交换需求。 22 、第四层交换机的工作原理、第四层交换机的工作原理 第四层交换技术利用第三层和第四层包头中的信息来识别应用程序的数据流会话 ,TCP/UDP端口号、标记应用会话开始结束的标记位、源地址和目的 IP地址等。利用这些信息，第四层交换机可以做出向何处转发会话数据流的决定。 第四层交换机是为高速的企业网而设计的，可以监测 Web服务器的可用性，包括物理连接、 Web服务器主机、 Http服务器本身性能状态。

5.5.3 5.5.3 第四层交换技术第四层交换技术

58

33 、第四层交换机的类型、第四层交换机的类型 第四层交换主要用来提高服务器和服务器群的可靠性和可扩充性。具有第四层交换功能的产品有 Berkeley Networks公司的 expone NT e4、 Alteon Networks公司的 ACEswith l80、 Cabletron公司的 Smart Switch Router、 Torrent Networking Technologies公司的IP9000 Gigabit Router等。 44 、第四层交换机的局限、第四层交换机的局限 第四层交换机支持 TCP/UDP第四层以下的所有协议，可识别至少 80字节的数据包包头长度。它根据 TCP/UDP端口号来区分数据包的应用类型 , 从而实现应用层的访问控制和服务质量的保证。然而，却无法识别流过此端口的不同类型的传输流，因此对所有传输流同等对待。

5.5.3 5.5.3 第四层交换技术第四层交换技术

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11 、第七层交换技术的引入、第七层交换技术的引入 为了解决第四层交换机识别流过 TCP/UDP端口传输流类型问题，实现有效的数据流优化和智能负载均衡，引入了“第七层交换技术”。 22 、第七层交换机的工作原理、第七层交换机的工作原理 从本质上讲 , 这种智能性迁移超越了第四层的功能。以端口 80为例，除了一般类型的 Web传输流之外，还有许多类型的传输流流过此端口。第七层的智能性能够进行进一步的控制，即对所有传输流和内容的控制。由于可以自由地完全打开传输流的应用层／表示层，仔细分析其中的内容，因此可根据应用的类型而非仅仅依据 IP和端口号做出更智能的负载均衡决定。这不仅仅基于 URL做出全面的负载均衡决策，而且还能根据实际的应用类型做出决策

5.5.4 5.5.4 第七层交换技术第七层交换技术

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33 、第七层交换机的类型、第七层交换机的类型 目前 , 还没有这类第七层功能的标准与提供像 Diff-Serv这类服务的网络可以和谐共存。过去，总需要在智能性与速度之间进行权衡，在采用第七层认知技术的情况下，可以线速做出更智能性的传输流决策。用户将自由地根据得到的信息就各类传输流和其目的地做出决策 , 从而优化 Web访问 , 为用户提供更好的服务。 目前，第四层和第七层交换技术均属于最新交换技术，并且已有一些厂商推出了相应的交换机产品 , 例如 Cisco公司通过将 Local Director服务器连接管理软件的已有特性和新特性结合起来 , 对服务器和应用的可能性进行查询 , 实现具有认知功能的七层交换技术，但真正推广使用还有较远距离。

5.5.4 5.5.4 第七层交换技术第七层交换技术

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本章小结

网络互联是指把分布在不同地理位置上的计算机网络用网络互联设备连接起来，形成一个范围更广、规模更大的网络系统，实现更大范围内的资源共享和数据通信。

实现广域网互联的常用公共用数据网有数字数据网（ DDN ）、帧中继（ FR ）网和 ATM 网等。现代数据通信有两个显著的特点，即信息的突发性和按需分配带宽，帧中继能很好地解决这两个问题。

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本章小结

为了提高网络交换时数据的传输速率，采用了许多方法来解决局域网和互联网的带宽和容量等问题，如第二层交换、第三层交换、第四层交换和第七层交换。所有这些交换技术都是为了提高网络性能、改善网络路由，以更好地解决数据流在网络中传递的速度和容量，达到增强网络可扩展性的目的。

4网络互联的基本设备有网桥、路由器和网关。网桥用于互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；路由器在网络层上实现局域网与局域网、局域网与广域网互联；网关是在传输层及其以上高层实现不同网络协议之间的转换功能。

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