4.1 网络互连的层次

4.2 网络互连的设备

第四章 网络互连设备

网络互连设备使网络硬件平台中最关键的系统。通常，我们将网络互连设备称为网络设备，足见其在网络中的重要性。本章将对各层互连设备的工作原理作一简单介绍，对于各种产品的性能指标以及系统集成时设备的选型知识，限于篇幅，这里不作详细介绍。

网络协议是分层的，那么网络互连也一定存在着互连层次的问题。根据网络层次的结构模型，网络互连的层次可以分为：

4.1网络互连的层次

1 ．物理层互连

物理层互连的设备是中继器和集线器（ HUB ），负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成对信号的再生和放大，以此来延长网络的长度。

2 ．数据链路层互连

数据链路层互连的设备是网桥。网桥在网络互连中起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。用网桥实现数据链路层互连时，允许互联网络的数据链路层与物理层协议是相同的，也可以使不同的。

3 ．网络层互连

网络层互连的设备是路由器（ Router ）。网络层互连主要是解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。如果网络层协议相同，则互连主要解决路由选择问题。如果网络层协议不同，则需要使用多协议路由器。用路由器实现网络互连时，允许网互连络的网络层级以下各层协议是不同的。

4 ．高层互连

传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连。实现高层互连的设备是网关 (Gateway) 。高层互连使用的网关很多是应用层网关，通常简称为应用网关。如果使用应用网关来实现两个网络高层互连，那么允许两个网络的应用层及以下各层网络协议是不同的。

在网络系统集成技术中，我们常常遇到“互连”、“互通”与“互操作”这三个术语。互连是指两个物理网络之间至少有一条在物理上连接的线路；互通仅仅涉及通信的两台计算机之间的端到端的连接与数据交换；互操作是指网络中不同计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力。因此，互连、互通、互操作表示了三层涵义。互连是基础，互通是手段，互操作则是网络互连的目的。

4.2.1中继器 (Repeater)

中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互连设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。

4.2网络互连的设备

物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

物理层 物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

中继器

OSI/RM 上的中继器

4.2.2集线器 (Hub)

集线器是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器在 OSI/RM 中的位置和中继器在 OSI/RM 中的位置相同。

集线器产品发展很快，局域网集线器通常分为五种不同的类型，它将对局域网交换机技术的发展产生直接影响。

1. 单中继器网段集线器

在硬件平台中，第一类集线器是一种简单中继局域网网段，最好的例子是叠加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件。某些厂商试图在可管理集线器和不可管理集线器之间划一条界线，以便进行硬件分类。

2. 多网段集线器

多网段集线器是从第一类集线器直接派生的，采用集线器背板，这种集线器带有多个中继网段。多网段集线器通常是由多个接口卡槽位的机箱系统。然而，一些非模块化叠加式集线器现在也支持多个中继网段。多网段集线器的主要技术优点是可以将用户的信息流量分载，网段之间的信息流量一般要求独立的网桥或路由器。

3 ．端口交换式集线器

端口交换式集线器是在多网段集线器的基础上将用户端口和背板网段之间的连接过程自动化，并通过增加端口交换局阵（ PSM ）来实现。 PSM 提供一种自动工具，用于将任何外来用户端口连接到集线器背板上的任何中继网段上。这一技术的关键是“矩阵”，一个矩阵交换机是一种电缆交换机，它不能自动操作，要求用户介入。它不能代替网桥和路由器，并不提供不同局域网段之间的连接性，其主要优点是实现了移动、增加和修改的自动化。

4 ．网络互连集线器

端口交换式集线器注重端口交换，而网络互连集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。这可以通过一台综合网桥、路由器或局域网交换机来完成。目前，这类集线器通常都采用机箱形式。

5 ．交换式集线器

目前，集线器和交换机之间的界限已变得越来越模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板，采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市，并且混合的集线器很可能在以后的几年里控制这一市场。应该指出，集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。

4.2.3网桥（ Bridge）

网桥也称桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。一般情况下，被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程，但介质访问控制方法可以不同。网桥是数据链路层的连接设备，准确的说它工作在 MAC 层上，网桥在两个网络的数据链路层间按帧传送信息。

物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

物理层 物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

网桥

OSI/RM 上的网桥

数链层

一个典型的网桥是包括具有 CPU 、存储器和两个网络接口的计算机。网桥最有用的功能是帧过滤，在需要时网桥才转发帧。

1 ．网桥的应用环境

在很多实际应用中，需要将多个局域网互连起来。这些应用环境主要是：

① 一个单位的很多部门都需要将各自的服务器、工作站与微型机互连成网，不同的部门根据各自的需要选用了不同的局域网，而各个部门之间又需要交换信息、共享资源，这样就需要把多个局域网互连起来。

② 一个单位有多幢办公楼，每幢办公楼内部建立了局域网，这些局域网需要互连起来，构成支持整个单位管理信息系统的局域网环境。

③在一个大型的企业或校园内，有数千台计算机需要连网，如果将它们用一个局域网连接，局域网的负荷增加，性能下降。可行的办法是将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网，每个子网是一个局域网，多个局域网互连起来构成一个大型的企业网或校园网。

④ 如果连网计算机之间的距离超过了单个局域网的最大覆盖范围，可以将它们分成几局域网来组建，再把这几个局域网互连起来。

⑤ 如果一个企业中某一部门的信息对安全、保密方面要求较高，可以将这一部门的计算机单独连在一个局域网内，再把这个局域网与企业的其它局域网互连起来。

2 ．网桥的基本特征

网桥是在数据链路层上实现不同网络互连的设备，它的基本特征是：

① 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；

② 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连网络之间的通信；

③ 网桥需要互连的网络在数据链路层以上必须采用相同的协议；

④ 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。

3 ．网桥的基本工作原理

网桥最常见的用法是用于互连两个局域网。网桥根据接收到的数据帧，进行地址过滤以后，判断是否需要转发。

Bridge

LANA

LANB

104.Data

104.Data

201 202

103 104

网桥工作原理示意

4 ．网桥的类型

为了在网段之间加以选择，网桥需要一个包含有连接到它上面的所有站点地址的查找表，这个表指出每个站点属于哪个网段。这个表是如何生成的以及有多少个网段连接到同一个网桥上决定了网桥的类型和费用。

1) 简单网桥

2) 学习网桥

4.2.4 交换机

1. 交换机概述

1993年，局域网交换设备出现。 1994年，国内掀起了网络交换技术的热潮。其实，交换技术是一种具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在 OSI参考模型的第二层操作。与桥接器一样，交换机按每一数据包中的 MAC 地址相对简单的决策信息交换。

2. 三种交换技术

① 端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每一个网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间只互不相同的。以太网主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换属于模块的端口在背板的多个网段之间进行分配平衡。根据支持的程度，端口交换还可以细化为：模块交换、端口组交换和端口级交换。

② 帧交换

帧交换式目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统的传输介质进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲，每个公司的产品的实现技术均会有些差异，但对网络帧的处理方式一般有以下两种：直通方式、存储转发。

③ 信元交换

对于帧交换的直通方式，交换速度很高，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，也就是缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的交换，于是提出了存储转发方式。对于存储转发方式，有些厂商提出将网络帧进行分解，将其分解成固定大小的信元，对信元的处理用硬件实现。

3. 交换机应用中的几个问题

① 交换机网络中的瓶颈问题

在当前的客户 / 服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口（如 3COM LinkSwitch1000 可以配置一个或两个 100Mbps端口），方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。

② 网络中的广播帧

目前广泛使用的网络操作系统有 NetWare 、 Windows NT 等，而 LANServer 是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播帧的存在会大大降低交换机的速率，这时可以利用交换机的虚拟网功能将广播帧限制在一定的范围内。

③ 虚拟网的划分

虚拟网是交换机的重要特征，通常虚拟网的实现有以下几种：

1) 静态端口分配

2) 动态虚拟网

3) 多虚拟网端口配置

4.2.5路由器 Router

路由器是一种典型的网络层设备。它在两个局域网之间按帧传输数据，转发时需要改变帧中的地址。

物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

物理层 物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层

路由器

OSI/RM 上的路由器

数链层

网络层

1 ．路由器基本工作原理

路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备。使用路由器互连的三个局域网结构，在这种结构中，局域网的数据链路层与物理层可以是不同的，但数据链路层以上的高层要采用相同的协议 ( 例如 TCP／ IP 协议 ) 。路由器可以有效地将多个局域网的广播通信量相互隔离开来，每一个局域网都是独立的子网。

101

104

LANA

LANCLANB

C.104 Data

C.104 Data

Router

用路由器实现局域网互连的结构

2 ．多协议路由器 (Multiprotocol Router)

如果互连的局域网高层采用了两种不同的协议，例如一种是 TCP/IP 协议，另一种是 SPX/IPX 协议，这时就需要使用多协议路由器来连接。

TCP/IP

TCP/IPNetWare

LAN1

TCP/IP

NetWareTCP/IP

LAN2TCP/IP

TCP/IP

NetWare

LAN3

Multiprotocal Router

使用多协议路由器实现多个局域网互连的结构

3 ．第三层交换技术

第三层交换是 Intranet 应用的关键技术之一。第三层交换是一个模型，它将第二层交换机和第三层路由器两者的优势结合成一个灵活的解决方案，可在各个层次提供线速性能。这种集成化的结构还引进了策略管理性能，它不仅是第二层与第三层相互关联起来，而且还提供流量优化处理、安全以及多种其它的灵活功能，如 Trunking ，虚拟网和 Intranet 的动态部署。

4.2.5网关 Gateway

1 ．网关的基本概念

很常见的一种情况是一个 NetWare Client节点要与 Linux 网中的一台主机 Mainframe 通信。在这种情况下，由于 NetWare 与 Linux的高层网络协议是不同的，局域网 LAN 中的NetWareClient 不能直接访问 Linux 网中的大型机。如果二者要进行通信，就必须使用一种叫做 Gateway 的互连设备，它可以完成不同网络协议之间的转换。

NetWare Client 与 Mainframe 通过 Gateway 互连结构

GatewayNetWareClient

NetWareClient

NetWareClient

MainframeLinux network

LAN

2 ．网关的基本类型

网关通过使用适当的硬件与软件，来实现不同网络协议之间的转换功能。硬件提供不同网络的接口，软件实现不同的互连网协议之间的转换。

网关结构

网 1 网间 网间 网

2

网 关

网 2

网 1

网关实现协议转换的方法主要有两种：

① 直接将输入网络信息包的格式转换成输出网络信息包的格式

② 将输入网络信息包的格式转换成一种统一的标准网间信息包的格式

本章思考题1. 能够用来限制广播辐射影响的设施是 ( )

A. 路由器 B. 第 2 层交换机

C. 网络集线器 D. 网桥

2. 能够降低网络拥塞的设备是 ( )

A. 路由器 B. 局域网交换机

C. 网桥 D. 集线器

 

3. 如果交换机不认可目的地 MAC 地址，它将如何处理数据帧？ ( )

A.删除帧

B. 将帧转发到所有端口

C. 将帧转发到路由器

D.只将帧转发到中继端口

4. 一个好的 TCP/IP 网络设计的主要目的应该是保持 尽量小。

A.防火墙 B. 路由选择表

C. 交换机 D. 多播组

5. 下列哪个是应用于点对点网络链接的最好的子网掩码？ ( )

A.255.255.255.252

B.255.255.255.248

C.255.255.255.240

D.255.255.255.224

6. 下列哪个协议是不可以路由的？ ( )

A.AppleTalk B.IPX

C.IP D.NetBIOS

7 ．路由器利用以下那个功能来延迟网络间的数据分组？ ( )

A. 应用和介质

B. 路径选择和交换

C.广播和冲突检测

D. 以上都不是