现代通信网技术第五章IP交换.ppt

第五章 局域网交换与IP交换,5.1 局域网及其交换5.2 路由器5.3 IP交换,本章重点：路由器工作原理，IP交换机工作原理本章难点：路由器工作原理本章课时：4学时学习本章达到的目的和要求：1了解局域网基本概念、局域网分类和局域网工作标准及协议。掌握局域网组成和局域网工作原理。2了解路由器基本概念、路由器分类和路由器标准及协议。掌握路由器组成和路由器工作原理。3了解IP交换基本概念和IP交换协议。掌握IP交换机组成和IP交换工作原理。,5.1局域网及其交换局域网基本概念,局域网(LAN)：一般限定在较小的区域内(小于10Km的范围)，通常采用有线的方式连接起来。城域网(MAN)：规模局限在一座城市的范围内(10Km100Km的区域)。广域网(WAN)：网络跨越国界、洲界、甚至遍及全球范围。,LAN特性：极高的数据传输速率LAN内各个计算机之间的数据传输速率一般不小于10Mbit/s，最快可以达到100Mbit/s或1000Mbit/s；范围较小在无中继器情况下，LAN各个计算机之间的距离一般不超过2500m，并且连接距离取决于网络之间的传输介质，其中使用光纤介质的传输速率最快，距离最远；误码率较低由于LAN的传输距离较短，经过的网络连接设备较少，并且受外界干扰的程度也较小，因此数据在传输时误码率也较低，一般在10-1110-8范围内。,按照网络的拓扑结构分类 总线型、环形、星形和树形。按照遵守的标准不同分类 以太网、令牌环、令牌总线和光纤分布式数据接口。按照数据通信介质的类型分类 有线局域网和无线局域网。,5.1.2 局域网分类,一、局域网标准目前共有14类与局域网有关的标准，其分类及功能描述如下：IEEE802.1通用网络概念、局域网体系结构、寻址、网络互联与网络管理；IEEE802.2逻辑链路控制LLC；IEEE802.3以太网CSMA/CD访问控制方法与物理层规范；IEEE802.3i10Base-T访问控制方法与物理层规范；IEEE802.3u100Base-T访问控制方法与物理层规范；IEEE802.3ab1000Base-T访问控制方法与物理层规范；IEEE802.3z1000Base-SX和1000Base-LX访问控制方法与物理层规范；IEEE802.4传递令牌总线访问控制方法与物理层规范；IEEE802.5令牌环访问控制方法；IEEE802.6城域网访问控制方法与物理层规范；IEEE802.7宽带局域网访问控制方法与物理层规范；IEEE802.8FDDI访问控制方法与物理层规范；IEEE802.9综合数据语音网络；IEEE802.10网络安全与保密；IEEE802.11无线局域网访问控制方法与物理层规范；IEEE802.12请求式优先访问局域网规范；IEEE802.16宽带无线接入；IEEE802.20移动宽带无线接入。,5.1.2 局域网工作标准及协议,二、局域网协议NetBEUI是IBM在1983年开发的一套用于实现计算机之间相互通信的标准，其目的是开发一种仅在小型局域网上使用的通信规范。IPX/SPX是Novell公司的通信协议集。TCP/IP是一个工业标准协议套件，是为跨广域网的大型互联网络而设计的。,TCP/IP协议族中还主要有如下协议：地址解析协议ARP完成IP地址与MAC地址转换；Internet控制消息协议ICMP在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等；用户数据报协议UDP是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务；路由选择信息协议RIP在网关与主机之间交换路由选择信息；简单网络管理协议SNMP用于网络管理；简单邮件传输协议SMTP提供电子邮件传输；域名系统DNS提供域名解析；远程登陆Telnet提供远程登陆功能；文件传输协议FTP用于在不同操作系统间传输文件；超文本传输协议HTTP用于传输超文本文件。,5.1.4 局域网组成,一、网络硬件 局域网网络硬件一般由服务器、工作站、通信介质、网络设备等组成。二、网络软件 常用的网络操作系统UNIX、Novell、Windows NT/2000/2003/2008/XP等。,5.1.5 局域网工作原理,一、CSMA/CD访问控制法CSMA/CD的访问规则载波监听(CS)：网段中每个站点都不间断地探取媒介上的业务信息和信号，并确定帧传输的间隙。多路访问或接入(MA)：任何一个站点在检测到网络处于空闲(即无业务信息和信号)的条件下，可以在任何时候发送需要传送的数据帧。冲突检测(CD)：如果LAN中两个或两个以上站点在近乎同时开始发送帧，则发送站之间会导致物理信号的相互干扰，即冲突，其结果是这些帧信息都被扰乱，失去意义。发送站必须在完成帧发送前就能尽快发现冲突，并中止发送，然后等待一个准随机的时间之后再重新发送未成功传送的帧数据。,CSMA/CD的操作步骤CSMA/CD的具体操作步骤分无冲突和有冲突两个不同的处理分支。无冲突时 发送站准备数据帧；在传输媒介空闲时，转向步骤；当传输媒介被占用时，保持等待直至正在发送的帧结束，此时发送站要附加等待9.6s的帧间隔，才执行下一步；发送站向传输媒介发送数据帧直至完成，期间要监视有无冲突发生。发生冲突时 两个或两个以上站点同时或接近同时检测到传输媒介处于空闲；一个以上数据帧在共享物理媒介传送时产生互相干扰，参与发送和接收的站点很快都可以检测到冲突发生，均放弃发送和接收；为不使更多站点争用已发生冲突的传输媒介，处于发送的站点要接着发送3.24.8s时长的干扰信号；发生冲突后的所有发送站，按“截断二进制指数退避”算法计算等待时间，并重新尝试发送过程。,二进制指数退避算法的技术，其算法过程如下：1.将冲突发生后的时间划分为长度为2t的时隙 2.发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时隙在开始重传 3.发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0，1，2或3个时隙在开始重传 4.第i次冲突后，在0至2的i次方减一间随机地选择一个等待的时隙数，在开始重传 5.10次冲突后，选择等待的时隙数固定在0至1023（2的10次方减一）间 6.16次冲突后，发送失败，报告上层。,二、令牌环访问控制法令牌环:介质访问控制方式使用一个令牌沿着环循环，当各站点都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，称空令牌。当一个站点要发送帧时，需等待空令牌通过，然后将它改为忙令牌，即011111110，紧跟着把数据帧发送到环上。由于令牌是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。发送的帧在环循环一周后再回到发送站点，校验无误后，将该帧从环上移去。同时将忙令牌改为空令牌，传至后面的站点，使之获得发送帧的许可权。接收帧的过程是当帧通过站点时，该站点将帧的目的地址和本站点的地址相比较，如地址相符合，则将帧放入接收缓冲器，再输入站点。同时将帧送回至环上。如地址不符合，则简单地将数据帧重新送入环中。在轻负载时，由于等待令牌需要时间，因此效率较低。在重负载时，对各站点公平，且效率高。考虑到数据和令牌形式有可能相同，所以用位插入的办法以区别数据和令牌。采用发送站点从环上收回帧的策略可实现广播，即有多个站点接收同一数据帧。同时这种策略还具有对发送站点自动应答的功能。,三、令牌总线访问控制法令牌总线介质访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物理上看，这是一种总线结构的局域网。和总线网一样，站点共享的传输介质为总线。但是，从逻辑上看，这是一种环型结构的局域网，接在总线上的各站点组成一个逻辑环，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置。和令牌环一样，站点只有取得令牌，才能发送帧，令牌在逻辑环依次传递。这是现场总线中很常见的介质访问控制方法。令牌总线控制方式的优点是不同工作站按照优先等级的不同，使用介质的时间可以不同。此外，它的信息包的长度有限，这样在网络高负荷下效率高于CSMA/CD。当网络的负荷较轻时，工作站要等待令牌毫无目的的绕行一周，这是这种方法的缺点。,5.1.6 局域网互连设备,中继器:物理层的连接设备，用于互连类型相同的网络。主要完成数据比特流信号的整形和放大，以延长网络传输距离。集线器:就其本质而言也是一种中继器，其区别仅在于集线器能提供更多的端口服务，也被称为多端口中继器。网桥:也称桥接器，工作在数据链路层。数据链路层又分为逻辑链路控制LLC和媒体访问控制MAC。,路由器:在网络层上实现网络互联的设备。路由器依靠转发网络层数据包来实现网络互联。本章第二节对路由器的概念、路由器分类、路由器标准及协议、以及路由器组成和路由器工作原理做了详细的介绍。网关:又称网间连接器、协议转换器，网关在传输层上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。,5.1.7 局域网交换技术,一、二层交换二层交换机在OSI七层模型中的位置与网桥相同，工作在数据链路层。它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。二、三层交换 三层交换机直接根据第三层网络层IP地址来完成端到端的数据交换。简单地说，三层交换技术就是“二层交换技术+三层转发”。,三、四层交换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数据流会话，这些信息包括TCP/UDP端口号、标记应用会话开始与结束的“SYN/FIN”位以及IP源目的地址。利用这些信息，四层交换机可以做出向何处转发会话传输流的智能决定。四、七层交换可以处理网络应用层数据转发的交换技术就是第七层交换技术。七层交换机也叫应用层交换机。第七层交换技术通过逐层解开每一个数据包的每层封装，并识别出应用层的信息，以实现对内容的识别。可以处理网络应用层数据转发的交换技术就是第七层交换技术。七层交换机也叫应用层交换机。第七层交换技术通过逐层解开每一个数据包的每层封装，并识别出应用层的信息，以实现对内容的识别。,5.2 路由器 路由器基本概念,一、路由器定义路由指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作，路由器正是执行这种行为动作的机器。路由器主要功能有：网络互连支持各种LAN和WAN接口，主要用于互连LAN和WAN，实现不同网络互相通信；数据处理提供分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能；网络管理提供配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。,二、路由器分类从交换能力上可分为高端路由器和中低端路由器从路由器设备系统结构上可分为模块化结构和非模块化结构从路由器所处的网络位置划可分为核心路由器和接入路由器从主要完成的功能可分为通用路由器和专用路由器从接口性能上可分为线速路由器和非线速路由器,三、路由器发展第一代单总线单CPU结构路由器第二代单总线主从CPU结构路由器第三代单总线对称式多CPU结构路由器第四代多总线多CPU结构路由器第五代共享内存式结构路由器第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器,四、路由器组成,5.2.2 路由协议,一、路由器协议概述路由动作包括两项基本内容：寻址和转发。典型的路由选择方式有两种：静态路由和动态路由。静态路由也叫固定路由，由网络管理员手工配置固定路由表。动态路由也叫自适应路由，由路由器根据软件计算自动建立路由表，并根据实际情况变化不断调整。,路由协议按照运行范围分两类：运行在自治系统AS内的称为域内路由协议，主要有RIP、OSPF、ISIS、IGRP、EIGRP等；运行在AS间的路由协议主要是BGP。,RIP协议,路由选择信息协议RIP是最著名、历史最悠久的动态路由协议。该协议属于距离矢量协议，最早由Palo Alto研究中心开发。RIP最初为LAN设计，现在已被应用到MAN甚至WAN中。RIP是TCP/IP协议族的重要组成部分，也是在Internet中最早得到广泛应用并且一直持续至今的简单路由协议。,OSPF协议,开放式最短路径优先OSPF是目前Interne和Intranet采用最多、应用最广泛的路由协议之一。OSPF路由协议由IETF（Internet Engineering Task Force）提出，它以SPF算法为基础，也称为Dijkstra算法。OSPF最初在RFC 1131中规范，但很快由RFC 1247替代。随着RFC 1370、RFC 1584、RFC 2328和RFC 4552等的制定，OSPF被进一步完善。通常将RFC 2328称为OSPFv2，RFC 4552称为OSPFv3。OSPF的协议号为89。,BGP协议,边界网关协议BGP是用于AS之间的路由协议。它是IETF制定的一个加强的、完善的、可伸缩的协议。BGP是为取代最初的外部网关协议EGP设计的。它是一个路径矢量协议。其基本功能是与其它BGP自治系统交换网络可达性信息及实现AS间的分组路由。网络可达性信息包含有通往目的地所要经过的自治系统的地址记录。利用这些信息，系统就可以建成一个无环的AS连接图，并把获得的外部路由信息重发给内部网关协议。,5.2.3 路由器工作原理一、路由表,目的IP地址目的网络ID号或者目的IP地址；掩码是一个32比特地址，用于屏蔽IP地址的一部分，以区别网络标识和主机标识，说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上；接口连接一个子网的路由器接口；下一跳地址下一台路由器的端口地址；路由开销指到达目的网络所经过的路由器数目。一般情况下，到达目的网络都会存在不止一条路由的可能，但路由器仅选择其中的一条，即成本最低的一条；路由类型路由类型有直连路由(Direct)、静态路由(Static)、动态路由(RIP、OSPF)几种，直连路由为目的子网直接与该路由器相连；静态路由为人工输入的路由；动态路由(RIP或OSPF)为通过RIP协议或OSPF学习到的路由；状态表明路由是否有效，如启用(Up)/关闭(Down)，或路由的优先级等。,5.3 IP交换5.3.1 IP交换基本概念,IP交换（IP Switch）是Ipsilon公司开发的一种高效的IP over ATM技术。它只对数据流的第一个数据包进行路由地址处理，按路由转发，随后按以计算的路由在ATM网上建立虚电路VC。以后的数据包沿着VC以直通（Cut-Through）方式进行传输，不再经过路由器，从而将数据包的转发速度提高到第2层交换机的速度。IP交换的核心思想就是对用户业务流进行分类。对持续时间长、业务量大、实时性要求较高的用户业务数据流直接进行交换传输，用ATM虚电路来传输；对持续时间短、业务量小、突发性强的用户业务数据流，使用传统的分组存储转发方式进行传输。,5.3 IP交换5.3.1 IP交换基本概念,IP交换技术也有称为第三层交换技术、多层交换技术、高速路由技术等。其实，这是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制。因为IP不是唯一需要考虑的协议，把它称为多层交换技术更贴切些。IP交换机可看作是IP路由器和ATM交换机的组合，其中ATM交换机去除了ATM信令和协议，并受IP路由器控制。IP交换可提供两种信息传送方式：一种是ATM交换，另一种是基于逐跳(hop-by-hop)方式的传统IP交换。采用何种方式取决于数据流的类型，对于连续的、业务量大的数据流采用ATM交换；对于持续时间短、业务量小的数据流采用传统IP传输技术。,IP交换技术主要有：IpsilonIP交换：改进ATM交换机，去除ATM控制器中的信令和协议，加上IP交换控制器，与ATM交换机通信。该技术适用于机构内部的LAN和校园网。Cisco标签交换：给数据包贴上标签，此标签在交换节点读出，判断包传送路径。该技术适用于大型网络和Internet。3Com快速IP交换：侧重数据策略管理、优先原则和服务质量。FastIP协议保证实时音频或视频数据流能得到所需的带宽。FastIP支持其它协议(如IPX)，可以运行在除ATM外的其它交换环境中。客户机需要有设置优先等级的软件。IBM聚类基于路由的IP交换ARIS：与Cisco的标签交换技术相似，包上附上标记，借以穿越交换网。ARIS一般用于ATM网，也可扩展到其它交换技术。边界设备是进入ATM交换环境的入口，含有第三层路由映射到第二层虚电路的路由表。允许ATM网同一端两台以上的计算机通过一条虚电路发送数据，从而减少网络流量。基于ATM的多协议MPOA：ATM论坛提出的一种规范。经源客户机请求，路由服务器执行路由计算后给出最佳传输路径。然后建立一条交换虚电路，即可越过子网边界，不用再做路由选择。,5.3.2 IP交换协议,通用交换机管理协议GSMP(RFC 1983)用在IP交换控制器中，完成控制ATM交换的功能。Iplison流管理协议IFMPIFMP(RFC 1953)用于IP交换机、IP网关或IP主机中，它把现有网络或主机接入到由IP交换机组成的IP交换网中，用来控制数据传送。,GSMP协议GSMP是交换结构的一部分，用于IP交换控制器。GSMP是一种异步协议，它把IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，使IP交换控制器用来控制ATM交换机的工作。IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出下列要求：建立和释放穿过ATM交换机的虚连接；在点到多点连接中，增加或删除端点；控制ATM交换机端口；进行配置信息查询；进行统计信息查询；为某个用户流建立新的VPI/VCI。GSMP按照主从方式、请求响应式方式工作。IP交换控制器向ATM交换硬件发送请求，ATM交换硬件在动作完成后给出一个响应。,IFMP协议IFMP用于相邻的IP交换机对某个数据流的信元进行重新标记。IFMP协议消息从IP交换机传递到其上游交换机。IFMP功能包括关联协议和重定向协议，前者发现链路上的对等IP交换机，后者管理指派给某个数据流的标记(VPI/VCI)。,IFMP重定向协议支持5种类型的消息：(1)重定向消息：通知相邻的上游IP交换机在某时间段内把某个标记赋予某个数据流。(2)重声明消息：通知相邻的上游IP交换机解除一个或多个流与标记的关联关系，并释放这些标记以便数据流标识符字段能够分配给其他数据流。当网络拓扑变化或者下游IP交换机的标记不够用时，有必要进行这种操作。解除关联关系的数据流重新采用缺省的转发工作方式释放标记以便将来使用。(3)重声明确认消息：在每个上述的重声明消息成功地释放了一个或多个标记后，相邻的IP交换机利用重声明确认消息给出确认。(4)标记范围消息：上游IP交换机向下游IP交换机发出标记范围消息，响应包含标记的重定向消息，指明上游IP交换机(发送端)不能分配该标记。标记范围消息包含了最小和最大的标记值，上游IP交换机只能支持此范围内的标记值。(5)出错消息：对IFMP重定向消息的响应，用来通知下游的IP交换机，发送端由于处于异常状态而无法成功处理重定向消息。,5.3.3 IP交换机组成,5.3.4 IP交换机工作原理,一、IP交换数据流类型,二、IP交换机与传统路由器的数据转发方式比较,与传统的一跳一跳路由器相比，IP交换机增加了直接路由。,三、IP交换机工作过程 对默认信道上传来的数据分组进行存储转发向上游节点发送重定向消息收到下游节点的重定向消息在ATM直通连接上传送分组,本章结束,1局域网基本概念、局域网分类和局域网工作标准及协议。2路由器基本概念、路由器分类和路由器标准及协议。掌握路由器组成和路由器工作原理。3IP交换基本概念和IP交换协议。IP交换机组成和IP交换工作原理。,