网络工程师第五章 网络互连

admin管理员组

文章数量:1130349

第五章 网络互连

5.1 广域网技术

广域网由通信公司构建运营，能跨越国界，在因特网中占据重要地位。其发展历程伴随着通信技术的进步，从早期的公用交换电话网到如今的多种先进网络技术，不断满足日益增长的通信需求。

• 5.1.1 公用交换电话网：公共交换电话网（PSTN）早期主要用于话音通信，后来也用于数据传输，但当前其拨号联网方式基本被淘汰。电话系统是高度冗余的分级网络，用户通过用户回路连接端局，该回路只能传送模拟信号，而端局、长途局、中继局间的干线采用光纤传输数字信号，因此需要调制解调器进行数模转换，以实现信号的有效传输。公用电话网由本地网和长途网构成，我国固定电话网采用 4 级汇接辐射式结构，这种结构确保了电话通信的可靠性和覆盖范围。调制解调器（Modem）可实现数字脉冲与模拟信号的转换，不同技术的 Modem 传输速率有所不同。现代高速 Modem 采用格码调制（TCM）技术，有效降低了误码率，提高了数据传输的准确性和稳定性。

• 5.1.2 X.25 公共数据网：公共数据网提供公共电信服务，X.25 建议是访问分组交换网的重要协议标准，它分为物理层、链路层和分组层。分组层提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）服务，虚电路通过沿线节点分配缓冲区和虚电路代号来实现。建立和释放虚电路连接需要特定分组，这些分组在网络中有序传输，确保虚电路的正常建立与拆除。分组格式包含多种控制和数据传输字段，它们协同工作，保障数据的准确传输和网络的稳定运行。

X.25公共数据网：像“智能邮差”的分组交换系统  
X.25公共数据网就像一个高效的“智能邮差网络”，专门负责在不同设备间“打包”传送数据。它是ITU-T制定的网络协议，按OSI模型的物理层、数据链路层和网络层构建，曾在80-90年代撑起全球数据通信的“半边天”，如今仍在交易系统等领域发挥作用。  
网络结构：设备间的“连接桥梁”  
这个网络连接着“发件人”（数据终端设备DTE，如电脑、终端）和“中转站”（数据电路终接设备DCE），用户可通过专用线路接入。就像多个寄件人共用一条邮路，数据通过X.25接口进入网络后，会被分发到不同目的地。通信时，会先建立一条“虚拟通道”——虚电路，就像为信件规划好固定路线，确保数据按序送达。  
虚电路：数据的“专属通道”  
虚电路分两种：临时的像“一次性快递”，用完就拆；永久的则像“专线物流”，随时可用。每条虚电路有12位“编号”（4位组号+8位信道号），理论上一个设备最多能同时拥有4095条这样的“通道”，就像一个超级快递点能同时处理几千个包裹。  
分层协议：三层“保障体系”  
- **物理层**：好比“道路基建”，定义设备与网络的物理连接（常用RS-232-C接口），确保数据能“走得通”。  
- **数据链路层**：像“包裹打包员”，用LAP-B协议给数据“打包”，检查包装是否完好（错误校验），还能通知上层“包裹状态”。  
- **网络层**：扮演“路线规划师”，给数据分组添加“地址标签”，通过虚电路指引方向，保证数据准确“投递”。  
特点：可靠但“慢半拍”  
它的优点很突出：就像细心的邮差会反复检查包裹，X.25纠错能力强，哪怕线路质量差也能保证数据完好；还能让多个用户“拼车”用带宽，性价比高。但缺点也明显：每个“中转站”都要拆开检查包裹，导致速度偏慢，像快递每到一站都要开箱验货，难以满足实时传输需求。  
适用场景：“慢节奏”设备的好搭档  
适合那些“不急不躁”的设备，比如银行ATM、商场收款机，这些设备数据量小、对速度要求不高，却很看重可靠性。在边远地区，线路质量差，X.25的“细心”反而成了优势，就像泥泞路上的慢车反而更稳。  
与其他网络的关系：“前辈与后辈”的协作  
帧中继是它的“简化版”，就像快递取消了部分验货环节，速度更快；X.25的“包裹”还能装进帧中继的“大箱子”，或转成ATM的“小信封”，实现跨网络传送，就像不同快递系统间的包裹中转。

• 5.1.3 ISDN 和 ATM：综合业务数字网（ISDN）分为窄带 ISDN（N - ISDN）和宽带 ISDN（B - ISDN） 。ISDN 提供基本速率 2B + D 和基群速率 30B + D 两种用户接口，满足不同用户的通信需求。B - ISDN 采用异步传输模式（ATM），以信元为单位传输数据，这种传输方式具有高效性和灵活性。ATM 支持两级连接，即虚通路和虚信道，为数据传输提供了更可靠的保障。ATM 网络层以虚电路提供面向连接服务，信元头结构在不同接口存在差异，高层业务分为 4 类，适配层负责处理高层信息，确保数据在不同层次间的准确传输和处理。

ISDN：通信世界里的“多面手”  
ISDN就像一条“万能数据线”，能把电话、传真、电脑数据等各种信息一股脑儿地传送。它分窄带和宽带两种，窄带ISDN的“基本速率接口”就像有2条“快车道”（B信道，每条64kbit/s）和1条“慢车道”（D信道，16kbit/s），快车道负责传声音、数据，慢车道管控制，比如一边打电话一边上网，两不耽误；“一次群速率接口”则是“多条快车道捆绑”，适合企业这种“大流量用户”。
它的优势是“随叫随到”，接通速度快得像电话拨号，而且各种业务在一条线上就能搞定，不用拉一堆线，曾是家庭和小企业的“通信好帮手”。  
ATM：数据传输的“高速快递”  
ATM（异步传输模式）像个“标准化快递中心”，不管是文字、语音还是视频，都被打包成统一大小的“小包裹”（信元），每个信元53字节，前5字节是“地址标签”，后48字节是“货物”。这些“小包裹”在网络里各走各的“专用车道”，到了目的地再重新拼起来。  
它速度快得惊人，就像给数据开了“高速直达车”，能同时处理多种业务，比如一边传高清电影，一边打视频电话，互不干扰。不过这个“快递中心”有点“讲究”，得用专用设备，成本不低，适合对速度和实时性要求高的场景，比如银行的大额交易、医院的影像传输等。  
ISDN和ATM就像“接力队友”，ISDN负责把用户的各种信息“送上路”，ATM则在“高速路”上把这些信息“飞快送达”，联手在通信领域发挥过不小的作用。

• 5.1.4 帧中继网：帧中继最初是作为 ISDN 的承载业务而定义的，它在第二层建立虚电路，简化了第三层的功能。帧中继网络提供永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）业务，协议采用 LAP - D，帧格式包含特定控制参数。帧中继具有透明传输、带宽灵活等优点，能够适应不同的网络需求，但它不适合对延迟敏感的应用，在实际应用中需要根据具体场景进行选择。

帧中继网：给数据“松绑”的高速通道  
帧中继网就像X.25的“轻量版兄弟”，它甩掉了X.25身上“逐站安检”的包袱，跑得更快更灵活。如果说X.25是“小心翼翼的慢递员”，每到一个中转站都要拆开包裹检查，那帧中继就是“高效快递员”，只在起点和终点核对，中间一路飞驰，把纠错的活儿交给了接收方，大大节省了时间。  

核心本事：“轻装快跑”的秘诀  
- **简化协议**：它只在物理层和数据链路层“干活”，像个“极简主义者”，不管网络层的复杂事儿，数据帧头只带必要的地址和控制信息，就像快递包裹只贴目的地标签，不写冗余说明，传输效率自然高。  
- **带宽“弹性伸缩”**：支持“承诺信息速率（CIR）”，就像给用户划了条“保底车道”，不够用时还能临时借用额外带宽，比如企业突发大量数据时，网络能“临时拓宽道路”，特别适合视频会议、大型文件传输这类忽快忽慢的业务。  

拿手场景：企业的“跨城高速路”  
它最擅长连接异地的企业局域网，就像在两个办公楼之间架了条专用高速通道，传输速率能到2Mbps甚至更高，比X.25快得多。在光纤这类传输质量好的线路上，它的优势更明显，因为线路本身出错少，“少检查”也不会出大问题，曾是企业跨地域通信的“性价比之选”。  

总之，帧中继用“抓大放小”的智慧，在X.25的基础上实现了提速，就像从“省道”升级成“高速”，虽然少了些细致的中途检查，却换来了更高效的长途运输。

5.2 IP 协议

IP 协议是 Internet 的核心网络层协议，在网络通信中起着关键作用，其发展经历了从 IPv4 到 IPv6 的演进，以适应不断变化的网络环境。

• 5.2.1 IPv4 协议数据单元：IPv4 协议数据格式包含版本号、IHL 等多个字段，各字段在数据报传输和控制中发挥着独特作用。版本号用于标识协议版本，确保不同版本之间的兼容性和差异性；IHL 表示 IP 头长度，为数据报的正确解析提供基础；服务类型用于区分不同的可靠性、优先级、延迟和吞吐率等参数，满足不同应用场景的需求；总长度包含 IP 头在内的数据单元总长度，有助于数据报的分段和重组；标识符唯一标识数据报，便于数据报在网络中的跟踪和处理；标志字段用于分段和重装配等控制，确保数据报在不同网络环境下的顺利传输；段偏置值指明该段在原来数据报中的位置，为重装配提供准确信息；生存期用经过的路由器个数表示，防止数据报在网络中无限循环；协议字段指明上层协议，实现不同协议间的协同工作；头校验和用于对 IP 头进行校验，保证数据报的完整性；源地址和目标地址分别表示发送和接收节点的地址，是数据报传输的关键标识；任选数据和补丁用于包含额外数据和补齐 32 位边界，增强了协议的灵活性。
  

• 5.2.2 IPv4 地址：IPv4 地址采用 “网络・主机” 形式，分为 A、B、C、D、E 五类，这种分类方式便于网络管理和地址分配。通过子网掩码可划分子网，形成三级寻址结构，提高了地址的利用效率。可变长子网掩码（VLSM）的出现进一步优化了地址分配，可根据实际需求灵活划分网络，减少地址浪费。
  

• 5.2.3 IPv4 协议的操作：包括数据报生存期控制、分段和重装配、差错控制和流控等关键操作。数据报生存期控制通过设置最大跳数或使用全局时钟来实现，防止数据报在网络中无限循环，浪费网络资源。分段和重装配是为了适应不同网络的最大分组长度限制，确保数据报能够在各种网络环境中传输。差错控制和流控机制用于处理数据报传输过程中的错误和流量问题，ICMP 协议在其中发挥着重要作用，它用于传送通信问题消息，如目标不可到达、超时等，帮助网络设备及时发现和解决问题。

• 5.2.5 IPv6 协议：随着网络应用的发展，IPv4 逐渐暴露出网络地址短缺、路由速度慢、缺乏安全功能和不支持新业务模式等问题。IPv6 应运而生，其分组格式由固定头部、扩展头部和负载组成，地址扩展到 1

第五章 网络互连

5.1 广域网技术

广域网由通信公司构建运营，能跨越国界，在因特网中占据重要地位。其发展历程伴随着通信技术的进步，从早期的公用交换电话网到如今的多种先进网络技术，不断满足日益增长的通信需求。

• 5.1.1 公用交换电话网：公共交换电话网（PSTN）早期主要用于话音通信，后来也用于数据传输，但当前其拨号联网方式基本被淘汰。电话系统是高度冗余的分级网络，用户通过用户回路连接端局，该回路只能传送模拟信号，而端局、长途局、中继局间的干线采用光纤传输数字信号，因此需要调制解调器进行数模转换，以实现信号的有效传输。公用电话网由本地网和长途网构成，我国固定电话网采用 4 级汇接辐射式结构，这种结构确保了电话通信的可靠性和覆盖范围。调制解调器（Modem）可实现数字脉冲与模拟信号的转换，不同技术的 Modem 传输速率有所不同。现代高速 Modem 采用格码调制（TCM）技术，有效降低了误码率，提高了数据传输的准确性和稳定性。

• 5.1.2 X.25 公共数据网：公共数据网提供公共电信服务，X.25 建议是访问分组交换网的重要协议标准，它分为物理层、链路层和分组层。分组层提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）服务，虚电路通过沿线节点分配缓冲区和虚电路代号来实现。建立和释放虚电路连接需要特定分组，这些分组在网络中有序传输，确保虚电路的正常建立与拆除。分组格式包含多种控制和数据传输字段，它们协同工作，保障数据的准确传输和网络的稳定运行。

X.25公共数据网：像“智能邮差”的分组交换系统  
X.25公共数据网就像一个高效的“智能邮差网络”，专门负责在不同设备间“打包”传送数据。它是ITU-T制定的网络协议，按OSI模型的物理层、数据链路层和网络层构建，曾在80-90年代撑起全球数据通信的“半边天”，如今仍在交易系统等领域发挥作用。  
网络结构：设备间的“连接桥梁”  
这个网络连接着“发件人”（数据终端设备DTE，如电脑、终端）和“中转站”（数据电路终接设备DCE），用户可通过专用线路接入。就像多个寄件人共用一条邮路，数据通过X.25接口进入网络后，会被分发到不同目的地。通信时，会先建立一条“虚拟通道”——虚电路，就像为信件规划好固定路线，确保数据按序送达。  
虚电路：数据的“专属通道”  
虚电路分两种：临时的像“一次性快递”，用完就拆；永久的则像“专线物流”，随时可用。每条虚电路有12位“编号”（4位组号+8位信道号），理论上一个设备最多能同时拥有4095条这样的“通道”，就像一个超级快递点能同时处理几千个包裹。  
分层协议：三层“保障体系”  
- **物理层**：好比“道路基建”，定义设备与网络的物理连接（常用RS-232-C接口），确保数据能“走得通”。  
- **数据链路层**：像“包裹打包员”，用LAP-B协议给数据“打包”，检查包装是否完好（错误校验），还能通知上层“包裹状态”。  
- **网络层**：扮演“路线规划师”，给数据分组添加“地址标签”，通过虚电路指引方向，保证数据准确“投递”。  
特点：可靠但“慢半拍”  
它的优点很突出：就像细心的邮差会反复检查包裹，X.25纠错能力强，哪怕线路质量差也能保证数据完好；还能让多个用户“拼车”用带宽，性价比高。但缺点也明显：每个“中转站”都要拆开检查包裹，导致速度偏慢，像快递每到一站都要开箱验货，难以满足实时传输需求。  
适用场景：“慢节奏”设备的好搭档  
适合那些“不急不躁”的设备，比如银行ATM、商场收款机，这些设备数据量小、对速度要求不高，却很看重可靠性。在边远地区，线路质量差，X.25的“细心”反而成了优势，就像泥泞路上的慢车反而更稳。  
与其他网络的关系：“前辈与后辈”的协作  
帧中继是它的“简化版”，就像快递取消了部分验货环节，速度更快；X.25的“包裹”还能装进帧中继的“大箱子”，或转成ATM的“小信封”，实现跨网络传送，就像不同快递系统间的包裹中转。

• 5.1.3 ISDN 和 ATM：综合业务数字网（ISDN）分为窄带 ISDN（N - ISDN）和宽带 ISDN（B - ISDN） 。ISDN 提供基本速率 2B + D 和基群速率 30B + D 两种用户接口，满足不同用户的通信需求。B - ISDN 采用异步传输模式（ATM），以信元为单位传输数据，这种传输方式具有高效性和灵活性。ATM 支持两级连接，即虚通路和虚信道，为数据传输提供了更可靠的保障。ATM 网络层以虚电路提供面向连接服务，信元头结构在不同接口存在差异，高层业务分为 4 类，适配层负责处理高层信息，确保数据在不同层次间的准确传输和处理。

ISDN：通信世界里的“多面手”  
ISDN就像一条“万能数据线”，能把电话、传真、电脑数据等各种信息一股脑儿地传送。它分窄带和宽带两种，窄带ISDN的“基本速率接口”就像有2条“快车道”（B信道，每条64kbit/s）和1条“慢车道”（D信道，16kbit/s），快车道负责传声音、数据，慢车道管控制，比如一边打电话一边上网，两不耽误；“一次群速率接口”则是“多条快车道捆绑”，适合企业这种“大流量用户”。
它的优势是“随叫随到”，接通速度快得像电话拨号，而且各种业务在一条线上就能搞定，不用拉一堆线，曾是家庭和小企业的“通信好帮手”。  
ATM：数据传输的“高速快递”  
ATM（异步传输模式）像个“标准化快递中心”，不管是文字、语音还是视频，都被打包成统一大小的“小包裹”（信元），每个信元53字节，前5字节是“地址标签”，后48字节是“货物”。这些“小包裹”在网络里各走各的“专用车道”，到了目的地再重新拼起来。  
它速度快得惊人，就像给数据开了“高速直达车”，能同时处理多种业务，比如一边传高清电影，一边打视频电话，互不干扰。不过这个“快递中心”有点“讲究”，得用专用设备，成本不低，适合对速度和实时性要求高的场景，比如银行的大额交易、医院的影像传输等。  
ISDN和ATM就像“接力队友”，ISDN负责把用户的各种信息“送上路”，ATM则在“高速路”上把这些信息“飞快送达”，联手在通信领域发挥过不小的作用。

• 5.1.4 帧中继网：帧中继最初是作为 ISDN 的承载业务而定义的，它在第二层建立虚电路，简化了第三层的功能。帧中继网络提供永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）业务，协议采用 LAP - D，帧格式包含特定控制参数。帧中继具有透明传输、带宽灵活等优点，能够适应不同的网络需求，但它不适合对延迟敏感的应用，在实际应用中需要根据具体场景进行选择。

帧中继网：给数据“松绑”的高速通道  
帧中继网就像X.25的“轻量版兄弟”，它甩掉了X.25身上“逐站安检”的包袱，跑得更快更灵活。如果说X.25是“小心翼翼的慢递员”，每到一个中转站都要拆开包裹检查，那帧中继就是“高效快递员”，只在起点和终点核对，中间一路飞驰，把纠错的活儿交给了接收方，大大节省了时间。  

核心本事：“轻装快跑”的秘诀  
- **简化协议**：它只在物理层和数据链路层“干活”，像个“极简主义者”，不管网络层的复杂事儿，数据帧头只带必要的地址和控制信息，就像快递包裹只贴目的地标签，不写冗余说明，传输效率自然高。  
- **带宽“弹性伸缩”**：支持“承诺信息速率（CIR）”，就像给用户划了条“保底车道”，不够用时还能临时借用额外带宽，比如企业突发大量数据时，网络能“临时拓宽道路”，特别适合视频会议、大型文件传输这类忽快忽慢的业务。  

拿手场景：企业的“跨城高速路”  
它最擅长连接异地的企业局域网，就像在两个办公楼之间架了条专用高速通道，传输速率能到2Mbps甚至更高，比X.25快得多。在光纤这类传输质量好的线路上，它的优势更明显，因为线路本身出错少，“少检查”也不会出大问题，曾是企业跨地域通信的“性价比之选”。  

总之，帧中继用“抓大放小”的智慧，在X.25的基础上实现了提速，就像从“省道”升级成“高速”，虽然少了些细致的中途检查，却换来了更高效的长途运输。

5.2 IP 协议

IP 协议是 Internet 的核心网络层协议，在网络通信中起着关键作用，其发展经历了从 IPv4 到 IPv6 的演进，以适应不断变化的网络环境。

• 5.2.1 IPv4 协议数据单元：IPv4 协议数据格式包含版本号、IHL 等多个字段，各字段在数据报传输和控制中发挥着独特作用。版本号用于标识协议版本，确保不同版本之间的兼容性和差异性；IHL 表示 IP 头长度，为数据报的正确解析提供基础；服务类型用于区分不同的可靠性、优先级、延迟和吞吐率等参数，满足不同应用场景的需求；总长度包含 IP 头在内的数据单元总长度，有助于数据报的分段和重组；标识符唯一标识数据报，便于数据报在网络中的跟踪和处理；标志字段用于分段和重装配等控制，确保数据报在不同网络环境下的顺利传输；段偏置值指明该段在原来数据报中的位置，为重装配提供准确信息；生存期用经过的路由器个数表示，防止数据报在网络中无限循环；协议字段指明上层协议，实现不同协议间的协同工作；头校验和用于对 IP 头进行校验，保证数据报的完整性；源地址和目标地址分别表示发送和接收节点的地址，是数据报传输的关键标识；任选数据和补丁用于包含额外数据和补齐 32 位边界，增强了协议的灵活性。
  

• 5.2.2 IPv4 地址：IPv4 地址采用 “网络・主机” 形式，分为 A、B、C、D、E 五类，这种分类方式便于网络管理和地址分配。通过子网掩码可划分子网，形成三级寻址结构，提高了地址的利用效率。可变长子网掩码（VLSM）的出现进一步优化了地址分配，可根据实际需求灵活划分网络，减少地址浪费。
  

• 5.2.3 IPv4 协议的操作：包括数据报生存期控制、分段和重装配、差错控制和流控等关键操作。数据报生存期控制通过设置最大跳数或使用全局时钟来实现，防止数据报在网络中无限循环，浪费网络资源。分段和重装配是为了适应不同网络的最大分组长度限制，确保数据报能够在各种网络环境中传输。差错控制和流控机制用于处理数据报传输过程中的错误和流量问题，ICMP 协议在其中发挥着重要作用，它用于传送通信问题消息，如目标不可到达、超时等，帮助网络设备及时发现和解决问题。

• 5.2.5 IPv6 协议：随着网络应用的发展，IPv4 逐渐暴露出网络地址短缺、路由速度慢、缺乏安全功能和不支持新业务模式等问题。IPv6 应运而生，其分组格式由固定头部、扩展头部和负载组成，地址扩展到 1

本文标签： 第五章网络工程师网络