第九章网络互连 如果说由于微机的普及和发展,导致了若干台计算机相互连接,形成了局域网,那么网 络的普及则导致了网络互连的出现,即将若干个网络互连形成一个互联网络,从而实现了更 大范围的数据通信和资源共享 9.1网络互连的概述 9.1.1互联网的概念 目前,计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成。通常在谈到“互连”时,就 已暗示这些相互连接的计算机能进行相互通信,即从功能上和逻辑上看,这些计算机网络已 经组成了一个大型的计算机网络,称为互连网络( internetwork),也简称为互联网 互连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题需要解决,如:在物理上如何把两个网 络连接起来;一种网络如何与另一种网络实现互访与通信:如何解决它们之间协议方面的差 异;如何处理传输速率与带宽的差异等。 将网络互相连接起来要使用一些互连设备(中间设备),常用的网络互连设备有中继器 网桥、路由器、交换机和网关等。在网络互连中选择、配置和使用好这些网络连接设备是实 现网间正常连接的关键 因特网在网络层采用统一的网际协议IP。这样,参加互连的计算机网络在进行通信时, 就好像在一个网络上通信一样,大大简化了不同网络的互连问题 9.1.2网络互连的方式 由于网络分为局域网(LAN)和广域网(WAN)两大类,城域网(MAN)可划归到IEE802 局域网标准内。因此,网络互连的方式也就有:LAN-LAN、LAN-WAN、 WAN-WAN和LAN- WAN-LAN 等四种形式。如图91所示。 1. LAN-LAN (1)互连层次 LAN-LAN网络互连发生在OSI/RM的数据链路层,对同种LAN,例如802.3和802.3,可 用中继器实现互连。如图9-2所示 (2)互连设备 LAN-LAN网络的互连设备是网桥、中继器或路由器
第九章 网络互连 如果说由于微机的普及和发展，导致了若干台计算机相互连接，形成了局域网，那么网 络的普及则导致了网络互连的出现，即将若干个网络互连形成一个互联网络，从而实现了更 大范围的数据通信和资源共享。 9.1 网络互连的概述 9.1.1 互联网的概念 目前，计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成。通常在谈到“互连”时，就 已暗示这些相互连接的计算机能进行相互通信，即从功能上和逻辑上看，这些计算机网络已 经组成了一个大型的计算机网络，称为互连网络（internetwork），也简称为互联网。 互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：在物理上如何把两个网 络连接起来；一种网络如何与另一种网络实现互访与通信；如何解决它们之间协议方面的差 异；如何处理传输速率与带宽的差异等。 将网络互相连接起来要使用一些互连设备（中间设备），常用的网络互连设备有中继器、 网桥、路由器、交换机和网关等。在网络互连中选择、配置和使用好这些网络连接设备是实 现网间正常连接的关键。 因特网在网络层采用统一的网际协议 IP。这样，参加互连的计算机网络在进行通信时， 就好像在一个网络上通信一样，大大简化了不同网络的互连问题。 9.1.2 网络互连的方式 由于网络分为局域网（LAN）和广域网（WAN）两大类，城域网（MAN）可划归到 IEEE802 局域网标准内。因此，网络互连的方式也就有：LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN 和 LAN-WAN-LAN 等四种形式。如图 9-1 所示。 1．LAN-LAN ⑴互连层次 LAN-LAN 网络互连发生在 OSI/RM 的数据链路层，对同种 LAN，例如 802.3 和 802.3，可 用中继器实现互连。如图 9-2 所示。 ⑵互连设备 LAN-LAN 网络的互连设备是网桥、中继器或路由器。 １７６
第九章网络互连 WAN-WAN SNA WAN 802.3LAN 802,3LN X 25 WAN LAN-LAN LAN-WANE LAN-WAN-LAN B网桥R路由器G网关 图9-1网络互连方式 2. LAN-WAI (1)互连层次 LAN-WAN的互连发生在网络层。如图92所示。显然,在网络层上实现互连要比在数据 链路层上实现互连复杂些 (2)互连设备 LAN-WAN的互连设备是路由器。 3. WAN-WAN (1)互连层次 WAN-WAN互连发生在0SI/RM的传输层及其上层,如图9-2所示。 (2)互连设备 WAN-WAN的互连设备是网关。 系统A 系统B 应用 5图 表示图 网关 输图 伟输图 站由器 同络图 数特际层 理图 图9-2网络互连的层次 77
第九章 网络互连 １７７ 802.5 R WAN-WAN SNA WAN G 802.3 LAN 802.4 LAN 802.3 LAN B R X.25 WAN R LAN-LAN LAN-WAN LAN-WAN-LAN B 网桥 R 路由器 G 网关 图 9-1 网络互连方式 2．LAN-WAN ⑴互连层次 LAN-WAN 的互连发生在网络层。如图 9-2 所示。显然，在网络层上实现互连要比在数据 链路层上实现互连复杂些。 ⑵互连设备 LAN-WAN 的互连设备是路由器。 3．WAN-WAN ⑴互连层次 WAN-WAN 互连发生在 OSI/RM 的传输层及其上层，如图 9-2 所示。 ⑵互连设备 WAN-WAN 的互连设备是网关。 系统 A 系统 B 图 9-2 网络互连的层次
计算机网络技术及应用 9.2因特网的互连协议|P 互连网协议IP是TCPP体系中两个最重要的协议之一。与P协议配套使用的还有三个 协议: 地址转换协议ARP( Address Resolution protocol) 反向地址转换协议RARP( Reverse address resolution protocol) Internet控制报文协议ICMP( Internet Control Message Protocol) 9.2.1IP地址及转换 1.IP地址及其表示方法 Internet识别网络的方法是给网络上的每一台计算机分配一个P地址。IP地址就是给每 个连接在 Internet上的主机分配一个在全世界范围内唯一的32位二进制(4字节长)标识符 由于32位的二进制数字形式不适合阅读和记忆,为了便于用户阅读和理解IP地址, Internet 管理委员会采用了一种“点分十进制”方法表示IP地址,即将IP地址分为4个字节,且每 个字节用十进制表示,并用点号“.”隔开。如图9-3所示。 11000000101010000000101000111010 十进制转换 192.168.10.58 图9-3|P地址表示方法 IP地址被分为网络地址( net-id)和主机地址(host-id)两部分,IP地址的格式可表示为: 网络地址+主机地址。P地址的这种结构使我们在 Internet上很方便地进行寻址,先按P地 址中的网络号 net-id把网络找到,再按主机号host-id把主机找到 为了便于对IP地址进行管理,同时还考虑到网络的差异很大,有的网络拥有很多主机, 而有的网络上的主机则很少。因此将IP地址分为5类,即A类、B类、C类、D类和E类 其中D类地址是组播地址,E类地址保留今后使用。目前使用的IP地址仅A至C三类。 在IP地址的开头用1位或几位以标识P地址的类型,不同IP地址类的设计如图94所 售号 主民号 网号 系号 图9-4P地址分类
计算机网络技术及应用 9.2 因特网的互连协议 IP 互连网协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最重要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有三个 协议： 地址转换协议 ARP（Address Resolution Protocol） 反向地址转换协议 RARP（Reverse Address Resolution Protocol） Internet 控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol） 9.2.1 IP 地址及转换 1．IP 地址及其表示方法 Internet 识别网络的方法是给网络上的每一台计算机分配一个 IP 地址。IP 地址就是给每 个连接在 Internet 上的主机分配一个在全世界范围内唯一的 32 位二进制（4 字节长）标识符。 由于 32 位的二进制数字形式不适合阅读和记忆，为了便于用户阅读和理解 IP 地址，Internet 管理委员会采用了一种“点分十进制”方法表示 IP 地址，即将 IP 地址分为 4 个字节，且每 个字节用十进制表示，并用点号“．”隔开。如图 9-3 所示。 图 9-3 IP 地址表示方法 IP 地址被分为网络地址（net-id）和主机地址（host-id）两部分，IP 地址的格式可表示为： 网络地址+主机地址。IP 地址的这种结构使我们在 Internet 上很方便地进行寻址，先按 IP 地 址中的网络号 net-id 把网络找到，再按主机号 host-id 把主机找到。 为了便于对 IP 地址进行管理，同时还考虑到网络的差异很大，有的网络拥有很多主机， 而有的网络上的主机则很少。因此将 IP 地址分为 5 类，即 A 类、B 类、C 类、D 类和 E 类， 其中 D 类地址是组播地址，E 类地址保留今后使用。目前使用的 IP 地址仅 A 至 C 三类。 在 IP 地址的开头用 1 位或几位以标识 IP 地址的类型，不同 IP 地址类的设计如图 9-4 所 示。 图 9-4 IP 地址分类 １７８
第九章网络互连 一个A类地址用7位作为网络D,但有24位作为主机ID,A类地址的网络数为27(128) 个,每个网络包含的主机数为224(1677216)。B类地址用14位作为网络D,16位作为 主机ID,B类地址网络数为214个,每个网络号所包含的主机数为216个(实际有效的主机 数是2162)。C类地址网络数为221个,每个网络号所包含的主机数为256(实际有效的为 254,0和255分别用作本网地址和广播地址)个。 可以通过IP地址的第1个十进制数来识别所属的类别,规则如下 A类地址:第一个数的范围在0~127之间,编址范围从1.0.0.1至126.255.255.254。 B类地址:第一个数的范围在128~191之间,编址范围从128.1.0.1至191.255.255.254。 C类地址:第一个数的范围在192~223之间,编址范围从192.0.1.1至223.255.255.254。 例如,IP地址是138.10.118.25,你就知道它是一个B类地址,网络ID是138.10,主 机ID是118.25;如果IP地址是222.122.20.5,它是一个C类地址,网络ID是22.122.20, 主机ID是5 为了避免某个单位内部网选择任意网络地址,造成与合法的 Internet地址发生冲突, IETF已经分配了具体的A类、B类和C类地址供单位内部网使用,这些地址为 A类:10.0.0.0~10.255.25.255 B类:172.16.0.0~172.31.255.255 C类:192.168.0.0~192.168.255.255 全世界现有三个大的网络信息中心,它们负责IP地址和域名的申请与分配,即 InterNIC (美国和其他地区的网络信息中心)、 RIRENIC(欧洲网络信息中心)和APNC(亚太地区网 络信息中心)。目前IP地址资源非常紧张,新一代IP(IPv6:现有IPv4的升级版)地址的 方案采用128位地址空间,远远超过了现在的32位 2.IP地址与硬件地址 在学习IP地址时,很重要一点就是要分清一个主机的IP地址与硬件地址的区别。图9-5 说明了这两种地址的区别 2P置 墨及驶上 习 卫督懂 略是是p下 MAC. 使硬件悉 图9-5IP地址与硬件地址的区别 79
第九章 网络互连 一个 A 类地址用 7 位作为网络 ID，但有 24 位作为主机 ID，A 类地址的网络数为 27（128） 个，每个网络包含的主机数为 224（16777216）。B 类地址用 14 位作为网络 ID，16 位作为 主机 ID，B 类地址网络数为 214 个，每个网络号所包含的主机数为 216 个（实际有效的主机 数是 216-2）。C 类地址网络数为 221 个，每个网络号所包含的主机数为 256（实际有效的为 254，0 和 255 分别用作本网地址和广播地址）个。 可以通过 IP 地址的第 1 个十进制数来识别所属的类别，规则如下： A 类地址：第一个数的范围在 0～127 之间，编址范围从 1.0.0.1 至 126.255.255.254。 B类地址：第一个数的范围在128～191之间，编址范围从128.1.0.1至191.255.255.254。 C类地址：第一个数的范围在192～223之间，编址范围从192.0.1.1至223.255.255.254。 例如，IP 地址是 138.10.118.25，你就知道它是一个 B 类地址，网络 ID 是 138.10，主 机 ID 是 118.25；如果 IP 地址是 222.122.20.5，它是一个 C 类地址，网络 ID 是 222.122.20， 主机 ID 是 5。 为了避免某个单位内部网选择任意网络地址，造成与合法的 Internet 地址发生冲突， IETF 已经分配了具体的 A 类、B 类和 C 类地址供单位内部网使用，这些地址为： A 类：10.0.0.0～10.255.255.255 B 类：172.16.0.0～172.31.255.255 C 类：192.168.0.0～192.168.255.255 全世界现有三个大的网络信息中心，它们负责 IP 地址和域名的申请与分配，即 InterNIC （美国和其他地区的网络信息中心）、RIRENIC（欧洲网络信息中心）和 APNIC（亚太地区网 络信息中心）。目前 IP 地址资源非常紧张，新一代 IP（IPv6：现有 IPv4 的升级版）地址的 方案采用 128 位地址空间，远远超过了现在的 32 位。 2．IP 地址与硬件地址 在学习 IP 地址时，很重要一点就是要分清一个主机的 IP 地址与硬件地址的区别。图 9-5 说明了这两种地址的区别。 图 9-5 IP 地址与硬件地址的区别 １７９
计算机网络技术及应用 IP地址放在IP数据报的首部,而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层及以上使用 的是IP地址,而数据链路层及以下使用的是硬件地址。因而在数据链路层看不见数据报的 IP地址 3.地址的转换 每一个 Internet上的主机都有与之对应的三个地址,即物理地址(硬件地址)、IP地 址和主机域名。 主机的物理地址是网卡制造者制作在网卡上的无法改变的地址码。物理网络的技术和标 准不同,其网卡地址编码也不同。例如,以太网网卡地址用48位二进制数编码,因此,可以 用12个十六进制数表示一个网卡物理地均 IP地址只是主机在网络层的地址,若要将网络层中传送的数据报交给目的主机,还要传 到链路层转变成MAC帧后才能发送到网络。而MAC帧使用的是源主机和目的主机的硬件地址, 因此必须在IP地址和主机的物理地址之间进行转换。它们之间的相互转换由IP协议提供的 地址解析协议(ARP)和反向地址解析协议(RARP)实现。APR协议的功能是将IP地址转换成物 理地址,RARP协议的功能是将物理地址转换成IP地址 IP地址是一种二进制数的网络标识和主机标识,数字型标识对计算机网络是最有效的 但对使用网络的人却不愿意使用难于记忆的IP地址,为此人们研究出一种字符型标识,这就 是主机的域名。人们习惯记忆域名,但机器间互相只识别IP地址,因此也需要在主机域名和 IP地址之间的转换。它们之间的转换工作称为域名解析,域名解析由域名系统DNS( Domain Name System)来完成,整个过程是自动进行的 图9-6给出了主机域名、IP地址和物理地址之间转换的关系 E机域名 cumtb, edu.cn IP地址20211009.88 ARP RARP 硬件地址0020ED5240F3 图9-6主机域名、IP地址与物理地址之间的转换 9.2.2子网划分技术 子网的概念 传统的P地址用AB、C类划分DE类用于特殊目的),网络号与主机号的分隔必须固定 在某个点分符上,在地址越来越紧张的时候这个问题就很突出了。可变长子网掩码 VLSM(RFC1009)允许在主机号的比特位中继续定义子网掩码/子网扩展前缀,分隔不必在点 分符上。用IP地址中的主机号(host-id)字段中的前若干比特位作为“子网号字段”,后 面剩下的仍为主机号字段,再通过路由器将划分出的子网互连形成单位内部网,便于网络的 80
计算机网络技术及应用 IP 地址放在 IP 数据报的首部，而硬件地址则放在 MAC 帧的首部。在网络层及以上使用 的是 IP 地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。因而在数据链路层看不见数据报的 IP 地址。 3．地址的转换 每一个 Internet 上的主机都有与之对应的三个地址，即物理地址（硬件地址）、IP 地 址和主机域名。 主机的物理地址是网卡制造者制作在网卡上的无法改变的地址码。物理网络的技术和标 准不同，其网卡地址编码也不同。例如，以太网网卡地址用 48 位二进制数编码，因此，可以 用 12 个十六进制数表示一个网卡物理地址。 IP 地址只是主机在网络层的地址，若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，还要传 到链路层转变成 MAC 帧后才能发送到网络。而 MAC 帧使用的是源主机和目的主机的硬件地址， 因此必须在 IP 地址和主机的物理地址之间进行转换。它们之间的相互转换由 IP 协议提供的 地址解析协议(ARP)和反向地址解析协议(RARP)实现。APR 协议的功能是将 IP 地址转换成物 理地址，RARP 协议的功能是将物理地址转换成 IP 地址。 IP 地址是一种二进制数的网络标识和主机标识，数字型标识对计算机网络是最有效的， 但对使用网络的人却不愿意使用难于记忆的 IP 地址，为此人们研究出一种字符型标识，这就 是主机的域名。人们习惯记忆域名，但机器间互相只识别 IP 地址，因此也需要在主机域名和 IP 地址之间的转换。它们之间的转换工作称为域名解析，域名解析由域名系统 DNS（Domain Name System）来完成，整个过程是自动进行的。 图 9-6 给出了主机域名、IP 地址和物理地址之间转换的关系。 www.cumtb.edu.cn DNS 202.112.209.88 ARP RARP 0020ED5240F3 主机域名 IP地址 硬件地址 图 9-6 主机域名、IP 地址与物理地址之间的转换 9.2.2 子网划分技术 1．子网的概念 传统的 IP 地址用 A,B,C 类划分(D,E 类用于特殊目的)，网络号与主机号的分隔必须固定 在某个点分符上，在 IP 地址越来越紧张的时候这个问题就很突出了。可变长子网掩码 VLSM(RFC1009)允许在主机号的比特位中继续定义子网掩码/子网扩展前缀，分隔不必在点 分符上。用 IP 地址中的主机号（host-id）字段中的前若干比特位作为“子网号字段”，后 面剩下的仍为主机号字段，再通过路由器将划分出的子网互连形成单位内部网，便于网络的 １８０