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计算机网络6网络互连

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计算机网络第六 计算机网络6 计算机网络6网络互连 计算机网络互连 互连计算机网络
资源描述:
中继器 路由器 交换机 *1 *2 *3 OSI层互连设备用 途 物理层中继器、集线器在电缆 段间复制比特流 数据链路层网桥、第二层交换在LAN间存储转发帧 网络层路由器、第三层交换在不同网间存储转发 分组 传输层 以上网关提供不同体系间互连接口 *4 中继器仅仅延长网络的距离, 没有过滤能力 中继器是一个再生器, 不是一个放大器 *5 *6 *7 *8 所有设备共享相同的带宽 接入设备越多冲突机率越大 用CSMA/CD技术 *9 工作在OSI模型的物理层、数据链路层和网 络层 同时连接两个或更多的网络, 并同时拥有它 们的地址 选择出两节点间”最短”的传输路径 “最短”可能意味着许多因素的组合, 包括最短、 最便宜、最快、最可靠等 连接不同传输速率并运行于各种环境的局 域网和广域网 *10 *11 传统的交换机工作于OSI模型的数据链路层 可作为多点网桥连接LAN中的设备或网段 *12 *13 存储转发 发送信息前把整帧数据读入内存并检查其正确 性 可以在不同传输速率的网段间传输数据 快捷模式 读取帧头后即决定把数据转发往何处 *14 直通转发 交换机检测到目标地址后即转发帧 存贮转发 完整地收到帧并检查无错后才转发 *15 Frame Frame Frame Frame *16 能够比路由器更快地传输数据 比路由器更容易安装和配置 功能比不上路由器 不能在以太网和令牌环网间传输数据, 不能打包 协议, 不能优化数据传输 在广域网中使用需要路由器, 在局域网中尽 量使用交换机 *17 最廉价的Cisco交换产品 可堆叠 8.8Gbps的交换背板带宽 最大4.4Gbps数据吞吐率 *18 中小型用户首选 端口设计模块化, 与Cisco 1600、 1700, 3600和3700系列共享模块化 接口 支持QoS、安全和网络集成特性 *19 16端口交换模块 ADSL信道单元模块 VoATM信道模块 可长期使用、能适应不断发展的网络要求 带防火墙保护的虚拟专用网(VPN)可降低成本 集成化路由和交换功能 语音、传真、数据多业务集成 安全、高性能模块化平台上的高速企业级DSL连接 支持QoS, 如资源预留协议(RSVP)、加权公平序列(WFQ)和IP优先级 *20 *21 汇聚层 核心层 接入层 产品功能与性能 安装与管理 弹性处理能力 投资保护 平滑升级 无缝远程接入 *22 *23 CRS1 80Mpps/LC GSR/C12000 4~50Mpps/LC ESR/C10000 6.2Mpps/LC C7600 32M~48Mpps/slot C7300 1Mpps~3.5Mpps C7200 400K~1Mpps C3800 C2800 C1800 C850/870 SB100 C800 C1700 C2600XM C3700 C7400 C7500 运营商核心 运营商边缘/ 企业核心 接入 运营商 运营商与大企业 中小规模企业 小企业 性能 SOHO 交付 (Delivery) 转发 (Forwarding) 路由 (Routing) *24 The network layer supervises the handling of the packets by the underlying physical networks. We define this handling as the delivery of a packet. *25 *26 Forwarding means to place the packet in its route to its destination. Forwarding requires a host or a router to have a routing table. When a host has a packet to send or when a router has received a packet to be forwarded, it looks at this table to find the route to the final destination. *27 *28 Next-hop method is the first technique to reduce the contents of a routing table. *29 Network-specific method is the second technique to reduce the routing table and simplify the searching process. *30 Default method is another technique to simplify routing. *31 In classless addressing, we need at least four columns in a routing table. ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址, 并 将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部, 然后根据这 个硬件地址找到下一跳路由器. *32 Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 180.70.65.140. Solution 1. The first mask (/26) is applied to the destination address. The result is 180.70.65.128, which does not match the corresponding network address. 2. The second mask (/25) is applied to the destination address. The result is 180.70.65.128, which matches the corresponding network address. The next-hop address and the interface number m0 are passed to ARP for further processing. *33 Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 201.4.22.35. Solution 1. The first mask (/26) is applied to the destination address. The result is 201.4.22.0, which does not match the corresponding network address (row 1). 2. The second mask (/25) is applied to the destination address. The result is 201.4.22.0, which does not match the corresponding network address (row 2). 3. The third mask (/24) is applied to the destination address. The result is 201.4.22.0, which matches the corresponding network address. The next-hop address and the interface number m3 are passed to ARP. *34 Show the forwarding process if a packet arrives at R1 with the destination address 18.24.32.78. Solution All masks are applied, one by one, to the destination address, but no matching network address is found. When it reaches the end of the table, the module gives the next-hop address 180.70.65.200 and interface number m2 to ARP. *35 *36 *37 Suppose a packet arrives for organization 4 with destination address 140.24.7.200. The first mask at router R2 is applied, which gives the network address 140.24.7.192. The packet is routed correctly from interface m1 and reaches organization 4. If, however, the routing table was not stored with the longest prefix first, applying the /24 mask would result in the incorrect routing of the packet to router R1. *38 *39 The regional ISP sends every packet with destination address 120.14.64.0 to 120.14.79.255 to local ISP1. Local ISP1 sends every packet with destination 120.14.64.0 to 120.14.64.3 to H001. *40 路由是发现、比较、选择通过网络到达目 的地的路径的过程 路由的目的是找到一条最经济的路径 路由分为静态路由和动态路由 最常用的两种动态路由方法 距离向量路由 链路状态路由 *41 要实现路由, 路由器必须知道 目的地址与源地址 所有可能的路由路径 最佳路由路径 管理路由信息 172.16.1.0 10.120.2.0 算法正确和完整 算法在计算上简单 自适应性 算法能适应通信量和网络拓扑的变化 算法具有稳定性 算法是公平的 算法是最佳的 *42 不存在一种绝对的最佳路由算法 所谓”最佳”只能是相对于某一种特定要求 下得出的较为合理的选择而已 实际的路由选择算法, 应尽可能接近于理想 的算法 路由选择是个非常复杂的问题 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果 路由选择的环境往往是不断变化的, 而这种变化 有时无法事先知道 *43 *44 静态路由 由网络管理员在路由器上手工添加路由信息以 实现路由目的 动态路由 根据网络结构或流量的变化, 路由协议会自动调 整路由信息以实现路由 因特网采用分层次的路由选择协议 因特网的规模非常大. 如果让所有的路由器知道 所有的网络应怎样到达, 则这种路由表将非常大 , 处理起来也太花时间. 而所有这些路由器之间 交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信 链路饱和 许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局 细节和本部门所采用的路由选择协议(这属于本 部门内部的事情), 但同时还希望连接到因特网 上 *45 *46 自治系统 AS 的定义[RFC 4271]: 在单一的技术管理下的一组路由器, 而这些路由 器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度 量以确定分组在该 AS 内的路由, 同时还使用一 种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS 之间的路由 自治系统 AS 的定义强调以下事实: 尽管一个 AS 使用了多种内部路由选择协议和度 量, 但重要的是一个 AS 对其他 AS 表现出的是一 个单一的和一致的路由选择策略 *47 *48 基于距离向量的分布式路由选择协议 仅和相邻路由器交换信息 交换的信息是当前本路由器所知道的全部 信息, 即自己的路由表 RIP定义“距离“为到目的网络所经过的路由 器数, 最大可达距离为15(16表示不可达) RIP只适用于小型网络 RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由 路由器每隔30s向相邻路由器广播自己的路 由表 *49 *50 网络 ID下一跳距离 ·················· ·················· ·················· ·················· 路由器在刚刚开始工作时, 只知道到直接连 接的网络的距离(此距离定义为1) 以后, 每一个路由器也只和数目非常有限的 相邻路由器交换并更新路由信息 经过若干次更新后, 所有的路由器最终都会 知道到达本自治系统中任何一个网络的最 短距离和下一跳路由器的地址 RIP 协议的收敛(convergence)过程较快, 即在 自治系统中所有的结点都得到正确的路由 选择信息的过程 *51 收到相邻路由器的信息后, 1.对每条通告中的跳数(hop count)加1. 2. 对每条通告重复一下步骤: ▪ 1). If (目标不在路由表中) ▪ 将通告信息加到信息表中. ▪ 2). Else ▪ a. If (下一跳字段相同) ▪ 用通告的信息项代替路由表的表项. ▪ b. Else if (通告的跳数小于路由表中的跳数) ▪ 用新的信息项替换路由表的项. 3.若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由 表, 则将距离置为16 4. Return. *52 已知路由器R6的路由表: 现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息: 试更新R6的路由表 *53 目的网络 距离 下一跳路由器 Net23R4 Net34R5 ……… 路由表的更新不需要知道网络的拓扑. 目的网络 距离 下一跳路由器 Net13R1 Net24R2 Net31直接交付 先把R4发来的路由表中的距离都加1, 并把下一跳 都改为R4: 再将这个表中的每一行与R6的路由表进行比较, 得到更新后的路由表: *54 目的网络 距离 下一跳路由器 Net14R4 Net25R4 Net32R4 目的网络 距离 下一跳路由器 说明 Net14R4 原来路由表中没有这一信息, 新增 Net25R4 下一跳地址相同, 更新 Net32R4 下一跳不同, 比较距离再选择 ……… RIP协议最大的优点是实现简单, 开销较小 RIP存在的一个问题是当网络出现故障时, 要 经过比较长的时间才能将此信息传送到所 有的路由器 RIP限制了网络的规模, 它能使用的最大距离 为15 (16表示不可达) 路由器之间交换的路由信息是路由器中的 完整路由表, 因而随着网络规模的扩大, 开 销也就增加 *55 *56 R2R1 网 1网 3网 2 正 常 情 况 1 1  1 2 R1 R1 说: “我到网 1 的距离是 1, 是直接交付. “ “1“表示“从本路由器到网 1“ “1“表示“距离是 1“ ““表示“直接交付“ *57 R2R1 网 1网 3网 2 正 常 情 况 1 1  1 2 R1 R2 说: “我到网 1 的距离是 2, 是经过 R1. “ “1“表示“从本路由器到网 1“ “2“表示“距离是 2“ “R1“表示 经过 R1 *58 R2R1 网 1网 3网 2 R2R1 网 1网 3网 2 网 1出了故障 正 常 情 况 1 1  1 16  1 2 R1 1 2 R1 R1 说: “我到网 1 的距离是 16 (表示无法到达), 是直接交付.“ 但 R2 在收到 R1 的更新报文之前, 还发送原来的报文, 因为这时 R2 并不知道 R1 出了故 障. *59 R2R1 网 1网 3网 2 R2R1 网 1网 3网 2 网 1出了故障 正 常 情 况 1 1  1 16  1 2 R1 1 2 R1 R1 收到 R2 的更新报文后, 误认为可经过 R2 到达网1, 于是更新自己的路由表, 说: “ 我到网 1 的距离是 3, 下一跳经过 R2“. 然后将此更新信息发送给 R2. 1 3 R2 *60 R2R1 网 1网 3网 2 R2R1 网 1网 3网 2 网 1出了故障 正 常 情 况 1 1  1 16  1 2 R1 1 2 R1 R2 以后又更新自己的路由表为“1, 4, R1“, 表明 “我到网 1 距离是 4, 下一跳经过 R1“. 1 3 R2 1 4 R1 *61 R2R1 网 1网 3网 2 R2R1 网 1网 3网 2 网 1出了故障 正 常 情 况 1 1  … 1 16  1 3 R2 1 5 R2 1 16 R2 1 2 R1 1 2 R1 1 4 R1 1 16 R1 … 这样不断更新下去, 直到 R1 和 R2 到网 1 的距离都增大到 16 时, R1 和 R2 才知道网 1 是 不可达的. 这就是好消息传播得快, 而坏消息传播得慢. 网络出故障的传播时间往往需要较长的时 间(例如数分钟). 这是 RIP 的一个主要缺点. 基于链路状态的分布式路由选择协议 依靠各路由器之间交换信息来建立链路状 态数据库, 并维持其在全网范围内的一致性 OSPF的两个主要目标 改善网络的可扩展性 快速收敛 *62 *63 通告者网络费用邻居 ························ ························ ························ ························ 由于各路由器之间频繁地交换链路状态信 息, 因此所有的路由器最终都能建立一个链 路状态数据库 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图, 它在全网范围内是一致的(这称为链路状态 数据库的同步) OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新, 使各个路由器能及时更新其路由表. OSPF 的 更新过程收敛得快是其重要优点 *64 为了使OSPF能够用于规模很大的网络, OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范 围, 叫作区域 每一个区域都有一个32位的区域标识符(用 点分十进制表示) 区域也不能太大, 在一个区域内的路由器最 好不超过200个 *65 *66 自治系统 AS 区域 0.0.0.1 区域 0.0.0.3 主干区域 0.0.0.0 至其他自治系统 R9 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 网 8 网 6 网 3 网 2 网 1 网 7 区域 0.0.0.2 网 4 网 5 R8 OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传送 其IP首部的协议字段值为89 OSPF构成的数据报很短. 这样做可减少路由 信息的通信量 数据报很短的另一好处是可以不必将长的数据 报分片传送. 分片传送的数据报只要丢失一个, 就无法组装成原来的数据报, 而整个数据报就必 须重传 *67 对不同链路可根据IP分组的TOS而设置成不同 代价 因此, OSPF对于不同类型的业务可计算出不同路由 如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径 , 那么可以将通信量分配给这几条路径 这叫作多路径间的负载平衡 所有在OSPF路由器之间交换的分组都具有鉴 别功能 保证仅在可信赖的路由器之间交换信息 支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR 每一个链路状态都带上一个32位的序号, 序号 越大状态就越新 *68 提出“goto有害论“ 提出信号量和PV原语 解决了有趣的“哲学家聚餐“问题 Dijkstra最短路径算法的创造者 第一个Algol 60编译器的设计者和实现者 THE操作系统的设计者和开发者 与D. E. Knuth并称为我们这个时代最伟大的计算 机科学家 在与癌症进行了多年的斗争之后, Edsger Wybe Dijkstra于2002年8月6日在荷兰Nuenen自己的家中 与世长辞!终年72岁. *69 1. 通过识别树的根节点创建树(每个路由器的 树根是它自己). 2. 分配费用0到这个节点并将它作为第一个永 久节点. 3. 检查最后永久节点的每个相邻节点. 4. 分配累加的费用到每个临时节点. 5. 在临时节点列表中 a. 找出具有最小费用的节点并能够将其作为永久节 点. b. 如果一个节点可以通过多条途径到达, 选择具有 最短路径的途径. 6. 重复步骤3-5直至每个节点都成为永久节点. *70 *71 A 网络: 55 网络: 78 网络: 23 B 1 3 2 4 网络: 14 0 E 3 网络: 08 2 F 2 网络: 92 0 C 网络: 66 D 3 0 0 0 2 0 2 0 0 0 0 0 0 0 5 3 费用在包离开路由器时赋予;从网络到路由器的代价为0. *72 A 55 78 23 B 1 3 2 1 14 3 E 2 08 4 F 3 92 6 C 3 66 D 4 5 9 *73 F692 378 B566 B355 223 114 E408 邻居费用网络 *74 更新报文 ACK报文 R R R R t1 t2 t3 t4 *75 采用洪泛法(flooding)向本系统中的所有路由器发 送信息 RIP仅向相邻的路由器发送信息 发送的信息是: 与本路由器相邻所有路由器 的链路状态 RIP发送的信息是: 到所有网络的距离和下一跳路 由器 只有当链路状态变化时, 才发送信息 RIP周期性地交换路由信息 OSPF还规定每隔一段时间, 如30分钟, 要刷 新一次数据库中的链路状态 由于一个路由器的链路状态只涉及到与相 邻路由器的连通状态, 因而与整个互联网的 规模并无直接关系 因此当互联网规模很大时, OSPF协议要比距离向 量协议RIP好得多 OSPF没有“坏消息传播得慢“的问题, 据统计, 其响应网络变化的时间小于100ms *76 网络互连设备连接网络以构建一个互联网 网络互联设备分为4种: 中继器、网桥、路 由器和网关 在距离向量路由中, 每个路由器周期性地将 关于网络的知识与其邻居共享 在链路状态路由中, 每个路由器使用Dijkstra 算法搜寻到其他路由器的最短路径 *77 精品课件! 精品课件!
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