第四章第四章第四章第四章 网络设备与网络协议网络设备与网络协议网络设备与网络协议网络设备与网络协议第第4/64/6章章1网络技术第4次课 目目 录录网络互连基础网络互连基础一数据链路层及设备数据链路层及设备二二三三四四设备比较与总结设备比较与总结物理层及设备物理层及设备2网络技术第4次课 将许多网络（相同或不相同类型的）连接起来，使互将许多网络（相同或不相同类型的）连接起来，使互连的计算机可以进行通信，成为一个大型的计算机网络，连的计算机可以进行通信，成为一个大型的计算机网络，称之为互连网络（称之为互连网络（internetworkinternetwork），也可简称为互联网），也可简称为互联网/ /互互连网（连网（internetinternet，注：不是，注：不是，注：不是，注：不是InternetInternet）。）。1、概念：网络互连、概念：网络互连一、网络互联基础一、网络互联基础3网络技术第4次课LAN-LAN LAN-WAN LAN-WAN-LAN WAN-WAN 基本类型基本类型2、网络互联的基本类型：、网络互联的基本类型：4网络技术第4次课应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路数据链路物理层物理层应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路数据链路物理层物理层网桥、交换网桥、交换机机路由器路由器中继器、集中继器、集线器线器网关网关3、网络互联的层次、网络互联的层次5网络技术第4次课二、物理层及设备二、物理层及设备1、物理层介绍：、物理层介绍：l物理层是OSI的最低层，它建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，为数据链路实体间实现透明的比特透明的比特(bit)流传流传送送。l“透明透明”是指某个实际存在的事物看起来好像不存在一样。l“透明的比特流传送透明的比特流传送”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对比特流来说“看不见”这个电路，换一句话说，这个电路对该比特流来说是透明的。l四大特性。 6网络技术第4次课2、物理层设备：中继器、物理层设备：中继器网络层网络层链路层链路层物理层物理层传输层传输层应用层应用层网络层网络层链路层链路层物理层物理层传输层传输层应用层应用层物理层物理层 物理层物理层中继器中继器集线器集线器电缆段电缆段2电缆段电缆段17网络技术第4次课ABCA A A A向向向向B B B B发送数据时，发送数据时，发送数据时，发送数据时，D D D D向向向向E E E E不能发送，不能发送，不能发送，不能发送，否则产生冲突否则产生冲突否则产生冲突否则产生冲突DEF不能发送不能发送不能发送不能发送HubHubHubHubHubHub 3、物理层设备、物理层设备:集线器集线器-HUB8网络技术第4次课HUBHUB广播域广播域冲突域冲突域冲突域冲突域网桥或网络交换机网桥或网络交换机HUB冲突域冲突域/广播域广播域网段网段2网段网段1总带宽总带宽: BW*2节点带宽节点带宽: BW/4总带宽总带宽: BW节点带宽节点带宽: BW/8l广播域网络上所有能够接收到同样广播包的设备的集合。l冲突域网络中任意两个设备同时发送数据都将会产生冲突的设备的集合。 4、广播域与冲突域、广播域与冲突域9网络技术第4次课三、数据链路层及设备三、数据链路层及设备1、数据链路层介绍：、数据链路层介绍：l它以物理层为基础，负责网络内部的数据帧传负责网络内部的数据帧传输输。 一般就是指将网络层的数据报通过路径中的单段链路节点到节点节点到节点的传送。而且不同的相邻节点间的数据帧的承载协议可能不同。l数据链路层是任何网络都必须有的层次数据链路层是任何网络都必须有的层次。l注意还有其他的很多功能。10网络技术第4次课2、 设备设备:网络接口卡网络接口卡NICl网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备l每台主机都应配置一个或多个网卡；l每个网卡都有一个（或多个）网络接口；l不能独立工作，必须依赖于宿主主机。l网卡工作在物理层和数据链路层；l连接不同的局域网需要使用不同的网卡l以太网卡l令牌环网卡lFDDI网卡lATM网卡11网络技术第4次课3、网卡的功能、网卡的功能l介质访问控制lCSMA/CD：进行载波侦听，确定能否发送数据或接受数据，以及进行冲突处理等工作；l封装/解封装l数据帧的封装：为数据加上帧头、PAD、CRC等控制字段；l数据帧的解封装：对收到帧进行CRC校验并将控制字段去掉；l数据编码/解码l数据编码：将数据转换为适合网络介质传输的信号形式；l数据解码：收到的信号解释为对应的数据；l数据发送/接收l发送数据：将主机的并行数据转换成串行位流，并通过MAC进行发送；l接收数据：通过MAC接收信号，经解码后由串行位流转换成并行数据；l数据缓存l匹配主机数据处理速率与网络的传输速率不一致问题。12网络技术第4次课4. 网卡的结构网卡的结构载波检测部件：检测介质上有否载波信号；曼彻斯特编码/解码器：对发送的数据编码，变换成适合于在LAN上传输的信号或把接收的信号解码为二进制数据；发送/接收部件：负责信号的发送、接收；数据缓冲区：缓冲数据；主机总线接口部件：与主机数据流交换；CPU(部分网卡有)：增强网卡智能化，减少网络传输对 主机CPU的依赖，提高传输效率；LAN管理部件：网络管理。13网络技术第4次课 网卡地址网卡地址：即网卡的物理地址，或称为：即网卡的物理地址，或称为MAC地址，全球统一地址，全球统一分配，固化在网卡硬件中（有些网卡可由用户修改）；分配，固化在网卡硬件中（有些网卡可由用户修改）； 配置参数配置参数（跳线设置（跳线设置 / 软件设置软件设置 / PnP） -中断请求号中断请求号 IRQ（一般为一般为3）；）； -I/O基地址基地址 I/O Base（一般为一般为300H）；）； -存储器基地址存储器基地址 Memory Base (一般为一般为C000H)； -全双工全双工 / 半双工；半双工； -传输速率（仅传输速率（仅10/100Mbps双速网卡可选）。双速网卡可选）。3网卡的配置参数网卡的配置参数14网络技术第4次课4、网桥、网桥(Bridge)l共享信道设备的缺点：l多个站点同时发送数据时会造成冲突，信道利用率3040 %；l网络中站点越多，冲突现象越严重；l如果网络总带宽为BW ，n个站点平均拥有的带宽为 ：BW / n。l解决的方法l提高网络传输速度没有从根本上解决问题；l增加了网络的总体带宽；l网络分段：减少每个网段中站点数量, 使冲突概率减小；l实现网络分段的设备：网桥、交换机、路由器l网桥和交换机可以隔离冲突域；l路由器不仅可以隔离冲突域，还能隔离广播域。15网络技术第4次课5、 网桥网桥(Bridge）的工作原理）的工作原理l定义：网桥用于在链路层连接两个局域网的一种存储转发设备，工作在数据链路层。l功能：l可以扩展网络的物理距离；l在不同的网段之间进行互联，并能对数据帧进行转换与过滤；l通过过滤，有助于信息的保密:l目的地址过滤l源地址过滤l协议包过滤网桥网桥交换机交换机MAC地址地址 转发端口转发端口A 1B2 16网络技术第4次课 6、网桥的、网桥的特点特点l优点：l可实现不同类型的LAN互连；l限制了冲突域的范围；l隔离故障。l缺点：l无法控制广播；l只能用存储转发方式，速度比较慢；l存在广播风暴问题；l无流量控制，负载重时会出现丢帧现象。17网络技术第4次课7、 交换机交换机l网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层上。但网络交换机的端口数多，并且交换速度快。在这个意义上，网络交换机可看作是多端口的高速网桥。分为可管理与不可管理的。l交换机比网桥优越的地方：l交换速度快，可实现线速转发；l端口密度高，一台交换机可连接多个网段，降低了组网成本。l工作原理与网桥类似：l逆向学习源地址（构造MAC表）l过滤本网段帧（隔离冲突域）l转发异网段帧（交换）l广播未知目的地址的帧（寻找目的站点）18网络技术第4次课8、交换机的内部结构、交换机的内部结构v背板交换矩阵结构：背板交换矩阵结构：v交换机的每个端口访问交换机的每个端口访问另一个端口时，都有一条另一个端口时，都有一条专有的线路，不会产生冲专有的线路，不会产生冲突。突。19网络技术第4次课9、交换机数据包转发方式、交换机数据包转发方式l存储转发（Store and forward）l整个帧完整接收后，对帧进行差错检验，然后再进行转发操作。l优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段。l缺点：延迟比较大。l直通转发（Cut-through）l只要收到帧的前6个字节（目的MAC地址），就开始进行转发操作。l优点：交换延迟小。l缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段。l无碎片直通转发（Fragment free cut-through）l接收到一帧的前64字节后，再进行转发操作。小于64字节的帧不转发l帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧）。l优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率l缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时大于直通转发。线速交换线速交换20网络技术第4次课10、详细讨论交换机工作过程、详细讨论交换机工作过程l简单的说，交换机是通过学习和维护一张MAC地址与其端口对应关系表来工作的，即基于MAC地址和端口进行数据帧的转发。21网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理10111B334422AABBA端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2data端口端口3端口端口3主机主机11给主机给主机33发送一个数据帧：发送一个数据帧：目标地址：目标地址：33源地址：源地址： 1122网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理102AMAC地址端口号l交换机A在接收到数据帧后，执行以下操作：l交换机A查找MAC地址表l交换机A学习主机11的MAC地址l交换机A向其他所有端口发送广播11 123网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理10311B334422AABBA端口端口1端口端口1端口端口2data端口端口2端口端口3端口端口3data24网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理104l交换机B在接收到数据帧后，执行以下操作：l交换机B查看MAC地址表l交换机B学习源MAC地址和端口号l交换机B向所有端口广播数据包l主机22，查看数据包的目标MAC地址不是自己，丢弃数据包BMAC地址端口号11 322data25网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理105B334422AABBA端口端口1端口端口1端口端口2data端口端口2端口端口3端口端口3data11data26网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理106l主机33，接收到数据帧l主机44，丢弃数据帧3344datadata在这个过程中，交换机的在这个过程中，交换机的MAC地址表中没有需要的条地址表中没有需要的条目，交换机通过广播的方式，目，交换机通过广播的方式，转发了数据帧转发了数据帧27网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理107B334422AABBA端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2端口端口3端口端口3data11这时，主机这时，主机44要给主机要给主机11发送一个数据发送一个数据帧：帧：目标地址：目标地址：11源地址：源地址： 4428网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理108BMAC地址端口号11 3l交换机B在接收到数据帧后，执行以下操作：l交换机B学习源MAC地址和端口号l交换机B查看MAC地址表，根据MAC地址表中的条目，单播转发数据到端口344 229网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理109AMAC地址端口号11 1l交换机A在接收到数据帧后，执行以下操作：l交换机A学习源MAC地址和端口号l交换机A查看MAC地址表，根据MAC地址表中的条目，单播转发数据到端口1l主机11，收到数据帧44 330网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理1010B334422AABBA端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2端口端口3端口端口311data在这个过程中，交换机的在这个过程中，交换机的MAC地址表中已经学到了需地址表中已经学到了需要的条目，交换机通过单播的要的条目，交换机通过单播的方式，转发了数据帧方式，转发了数据帧31网络技术第4次课交换机数据转发原理交换机数据转发原理1011AMAC地址端口号11 144 322 233 3MAC地址端口号11 344 222 333 1v交换机最终的交换机最终的MAC地址表地址表B32网络技术第4次课11、交换机的特性、交换机的特性l转发l交换机根据MAC地址表单播转发数据帧l学习lMAC地址表是交换机通过学习接收的数据帧的源MAC地址来形成的l广播l如果目标地址在MAC地址表中没有，交换机就向除接收到该数据帧的端口外的其他所有端口广播该数据帧l更新l交换机MAC地址表的老化时间是300秒l交换机如果发现一个帧的入端口和MAC地址表中源MAC地址的所在端口不同，交换机将MAC 地址重新学习到新的端口33网络技术第4次课12、交换机的连接方式、交换机的连接方式级联级联交换机有交换机有交换机有交换机有“UpLinkUpLinkUpLinkUpLink（级联）（级联）（级联）（级联）”端口端口端口端口交换机没有交换机没有交换机没有交换机没有“UpLinkUpLinkUpLinkUpLink（级联）（级联）（级联）（级联）”端口端口端口端口堆叠（好处多多）堆叠（好处多多）交换机的配置自学先交换机的配置自学先34网络技术第4次课13、三层及多层交换技术、三层及多层交换技术三层交换：三层交换：（也称多层交换技术，或（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。三层交换技术是在统交换概念而提出的。三层交换技术是在OSI模型模型中的网络层实现了数据报的高速转发。简单地说，中的网络层实现了数据报的高速转发。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术三层转发技三层交换技术就是：二层交换技术三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。 35网络技术第4次课总结：总结：l总结网络互连的层次l每层使用的设备都是什么？l列举几个网络设备生产厂商。l比较两层设备的不同之处。l思考，如果要分割广播域应该怎么做？36网络技术第4次课