通信原理與通信技術(shù)（第五版）（張衛(wèi)鋼）第7-12章 第12章 網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

1講授：張衛(wèi)鋼通信原理與通信技術(shù)2024.8TEXTBOOK選用教材23微信公眾號(hào)12網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)4問(wèn)題：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有不同類型，為了擴(kuò)大通信覆蓋范圍，需要連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，而連接網(wǎng)絡(luò)需要網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)。那么，什么是網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)？什么設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連？CONTENT目錄5網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備通路與鏈路網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)12.112.212.3結(jié)語(yǔ)12.46網(wǎng)絡(luò)互連：利用互連設(shè)備把兩個(gè)或多個(gè)不同的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的過(guò)程或方法。網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)：能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連的相關(guān)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)12.1

網(wǎng)絡(luò)互連的目的是使一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的用戶能訪問(wèn)其它網(wǎng)絡(luò)上的資源和使不同網(wǎng)絡(luò)上的用戶可以互相通信（交流信息），實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的信息交流和資源共享。

簡(jiǎn)言之，網(wǎng)絡(luò)互連的目的或本質(zhì)就是使信息能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)之間互通。7網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)12.1根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)互連有四種基本形式：LAN-LAN局域網(wǎng)與局域網(wǎng)連接LAN-WAN-LAN局域網(wǎng)通過(guò)廣域網(wǎng)相互連接LAN-WAN局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)連接WAN-WAN廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)連接812.1網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)912.1

網(wǎng)絡(luò)通信是數(shù)據(jù)通信，與我們熟知的廣播、電視、電話（不包含移動(dòng)電話）等模擬通信有很大的不同，那么，網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)的主要特點(diǎn)是什么呢？

我們知道，模擬通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖切盘?hào)波形，主要靠放大器傳送信號(hào)，完成了波形傳送，也就實(shí)現(xiàn)了信息傳輸；而數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙y帶信息編碼的信號(hào)狀態(tài)，主要靠存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式“再生”信號(hào)，收信端只再現(xiàn)正確的信號(hào)狀態(tài)還不夠，還必須經(jīng)過(guò)譯碼才能獲得信息。換句話說(shuō)，數(shù)據(jù)通信的信息可從信號(hào)中分離出來(lái)。因此，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）必須在利用“硬”設(shè)備完成信號(hào)狀態(tài)傳送的基礎(chǔ)上，再依靠“軟”協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息傳送。網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)1012.1網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)從通信的角度看，網(wǎng)絡(luò)互連至少需要如下三類協(xié)議的支持。（1）數(shù)字信號(hào)傳輸協(xié)議。比如信號(hào)電平高低、速率大小的設(shè)置，接口形式的定義等；（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換協(xié)議。比如幀長(zhǎng)、幀格式的定義，差錯(cuò)控制等；（3）信息的編譯碼協(xié)議。比如ASCII編碼、摩爾斯電碼等。前兩類協(xié)議用于保證網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)正確傳輸，第三類協(xié)議則負(fù)責(zé)完成信息傳遞。“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”的信號(hào)傳輸方式和“轉(zhuǎn)換協(xié)議”的信息傳輸方式構(gòu)成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的兩大核心技術(shù)，而網(wǎng)絡(luò)互連就是這兩項(xiàng)技術(shù)在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。簡(jiǎn)言之，“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”和“協(xié)議轉(zhuǎn)換”是網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)的主要特點(diǎn)。11網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.2

根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，可把各類網(wǎng)絡(luò)抽象為兩種：類型相同的同類網(wǎng)（同構(gòu)網(wǎng)）和類型不同的異類網(wǎng)（異構(gòu)網(wǎng)）。網(wǎng)絡(luò)互連不外乎同類網(wǎng)連接和異類網(wǎng)連接兩種形式。網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備：能夠連接并實(shí)現(xiàn)多個(gè)同類網(wǎng)或異類網(wǎng)之間信息交互的設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備屬于通信子網(wǎng)的范疇（網(wǎng)關(guān)除外），主要有中繼器、集線器、網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)，它們的任務(wù)就是完成信息在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的傳送。12網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.213網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.1中繼器（repeater）

我們知道，不管哪一種傳輸介質(zhì)對(duì)信號(hào)均有衰減、延遲和失真作用。因此，通信設(shè)備輸出的基帶信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸距離就會(huì)受到限制。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，必須將由通信設(shè)備輸出的且經(jīng)過(guò)一段線路傳輸后，產(chǎn)生失真、衰減及延遲的數(shù)字基帶信號(hào)通過(guò)中繼器加以均衡、放大和再生處理，“恢復(fù)”信號(hào)（信息碼）質(zhì)量，再繼續(xù)傳輸。中繼器：工作在物理層能把衰減、失真的數(shù)字基帶信號(hào)恢復(fù)為正常信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

中繼器主要由均衡放大電路、定時(shí)提取電路、信碼判決和再生電路等硬件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖12-3（a）所示。

中繼器是最簡(jiǎn)單的互連設(shè)備，其作用是“再生”輸入端信號(hào)，以使信號(hào)具有足夠的能量在介質(zhì)中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。14網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.1中繼器（repeater）15網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.2（1）均衡放大：將經(jīng)傳輸線衰耗而且失真的基帶信號(hào)加以均衡放大，以補(bǔ)償傳輸線帶來(lái)的衰耗和頻率失真。（2）定時(shí)提取：從輸入的信碼中提取時(shí)鐘頻率信息（時(shí)間指針），以產(chǎn)生用于判決和再生電路的定時(shí)脈沖（和發(fā)信端頻率一致）。（3）信碼再生：將已均衡放大后的信號(hào)用時(shí)間指針在固定的時(shí)刻進(jìn)行判決，產(chǎn)生出再生的信息碼，以繼續(xù)傳輸。（4）判決方式：取均衡波幅度最大值的1/2為判決電平，當(dāng)判決時(shí)鐘到來(lái)后，若其幅度大于1/2的最大值，則判決為“1”，反之為“0”。顯然，均衡波的質(zhì)量直接影響判決結(jié)果。12.2.1中繼器（repeater）16網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.1中繼器（repeater）

中繼器工作在OSI模型的物理層。嚴(yán)格地講，它不算是一種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，只能用于一個(gè)LAN中多個(gè)網(wǎng)段之間的連接，起擴(kuò)展LAN規(guī)模的作用。換句話說(shuō)，中繼器的本質(zhì)是再生信號(hào)，作用是延長(zhǎng)傳輸距離，除了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行再生手術(shù)外，不進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，也沒(méi)有檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、過(guò)濾等其他功能。因此，它屬于介質(zhì)互連設(shè)備，類似模擬通信系統(tǒng)中的線路放大器。網(wǎng)段：不需要網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備就能彼此通信的計(jì)算機(jī)組（網(wǎng)）。

集線器HUB可以看作是一種具有多個(gè)端口的中繼器，主要用于連接雙絞線介質(zhì)或光纖介質(zhì)以太網(wǎng)。因?yàn)镠UB所連接的計(jì)算機(jī)都屬于同一個(gè)LAN，所以它也不能算是一種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。目前，集線器正被另一種產(chǎn)品——交換機(jī)所代替。17網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.2網(wǎng)橋（bridge）網(wǎng)橋：工作在數(shù)據(jù)鏈路層完成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間MAC幀轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

網(wǎng)橋是一種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，由硬件及軟件組成，通常只有兩個(gè)端口。網(wǎng)橋工作在OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層（如圖13-4所示），主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段或同類局域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)幀的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)，為網(wǎng)段或網(wǎng)絡(luò)提供透明通信。

網(wǎng)橋采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式工作，它先把輸入數(shù)據(jù)幀完整接收并緩存起來(lái)，然后依據(jù)數(shù)據(jù)幀中的源地址和目的地址判斷該幀是否應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)。若目標(biāo)地址與源地址同屬一個(gè)網(wǎng)段（網(wǎng)絡(luò)）則將該幀丟棄，不予轉(zhuǎn)發(fā)，這就是“過(guò)濾”；若目標(biāo)地址與源地址不在一個(gè)網(wǎng)段（網(wǎng)絡(luò)），則將該幀從相應(yīng)的連接端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而完成段間或網(wǎng)間數(shù)據(jù)幀的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)。從數(shù)據(jù)幀的走向看，網(wǎng)橋通過(guò)物理層接收來(lái)自一個(gè)網(wǎng)段（網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)幀，并送到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行過(guò)濾和差錯(cuò)校驗(yàn)，然后回送至物理層，通過(guò)傳輸介質(zhì)傳送到另一個(gè)網(wǎng)段（網(wǎng)絡(luò)）。18網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.2網(wǎng)橋（bridge）MAC地址（硬件地址）：數(shù)據(jù)幀中的地址，也就是網(wǎng)卡所帶的地址。網(wǎng)橋主要有以下功能：（1）幀的接收和發(fā)送：網(wǎng)橋從它所連接的LAN端口接收無(wú)差錯(cuò)幀，并根據(jù)幀中目標(biāo)網(wǎng)或段地址判斷該幀是丟棄還是轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋相當(dāng)于一個(gè)過(guò)濾器，僅把發(fā)往目標(biāo)網(wǎng)或段的數(shù)據(jù)幀送出，從而有效減少了通往目標(biāo)網(wǎng)或段的信息（數(shù)據(jù)）流量。（2）緩沖管理：網(wǎng)橋中有兩類緩沖區(qū)。一類是接收緩沖區(qū)，用于暫存從端口收到的要發(fā)往另一個(gè)LAN的幀；另一類是發(fā)送緩沖區(qū)，用于暫存已經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換等處理后要發(fā)送到相鄰LAN的幀。緩沖區(qū)容量應(yīng)足夠大，否則將造成幀丟失。（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換：網(wǎng)橋的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能僅限于MAC子層和物理層，即將源LAN中的幀格式和物理層規(guī)則轉(zhuǎn)換為目標(biāo)LAN所采用的幀格式和物理層規(guī)則。19網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.2網(wǎng)橋（bridge）（4）差錯(cuò)控制：一是對(duì)所接收的幀進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)（包括是否為非法幀、CRC校驗(yàn)碼是否出錯(cuò)、幀長(zhǎng)是否超長(zhǎng)或小于最小長(zhǎng)度等）；二是生成新CRC碼（當(dāng)把幀轉(zhuǎn)發(fā)至與本網(wǎng)橋連接的另一個(gè)使用不同MAC規(guī)則的LAN時(shí)，要重新為所形成的MAC幀構(gòu)造新的CRC碼，并填入到新MAC幀的CRC字段中）。20網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.2網(wǎng)橋（bridge）

因?yàn)榫W(wǎng)橋完成的是數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，所以只能連接相同或相似的網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)與令牌環(huán)之間等。更準(zhǔn)確地說(shuō)，網(wǎng)橋只能連接在MAC子層之上協(xié)議相同的網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)際上是將多個(gè)同類局域網(wǎng)（或近似同類網(wǎng)）連成邏輯上單一的局域網(wǎng)。比如，兩個(gè)辦公室各有一個(gè)以太網(wǎng)，用網(wǎng)橋連接后，從物理結(jié)構(gòu)上看仍是兩個(gè)網(wǎng)，但它們對(duì)外共用一個(gè)IP地址。而中繼器連接的網(wǎng)絡(luò)無(wú)論在物理上還是邏輯上都是一個(gè)網(wǎng)。邏輯網(wǎng)：對(duì)外只有一個(gè)IP地址但卻由多個(gè)不同的局域網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

從通信角度看，網(wǎng)橋可以將兩個(gè)以上LAN互連為一個(gè)邏輯網(wǎng)，以減少局域網(wǎng)上的通信量，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，同時(shí)可擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的物理范圍。另外，因?yàn)榫W(wǎng)橋能隔離一個(gè)物理網(wǎng)段的故障，所以網(wǎng)橋還能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。21網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.2網(wǎng)橋（bridge）

與中繼器相比，網(wǎng)橋能在更大的地理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互連。中繼器只是簡(jiǎn)單地放大再生物理信號(hào)，沒(méi)有任何過(guò)濾作用，其職責(zé)就是保證把輸入端的信號(hào)“原封不動(dòng)”地轉(zhuǎn)到輸出端，屬于硬件功能。而網(wǎng)橋是中繼器的升級(jí)和擴(kuò)展，除了具有信號(hào)傳輸功能外，還擔(dān)負(fù)部分信息傳輸?shù)穆氊?zé)，能夠完成數(shù)據(jù)鏈路層以上相同網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞任務(wù)。

有一種與網(wǎng)橋相似的設(shè)備叫交換機(jī)。它和網(wǎng)橋都工作在數(shù)據(jù)鏈路層，但比網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)速度快，因?yàn)樗糜布?shí)現(xiàn)交換，而網(wǎng)橋用軟件實(shí)現(xiàn)交換。有些交換機(jī)支持直通交換，能夠減少網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)和延遲，而網(wǎng)橋僅支持存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式。交換機(jī)為每個(gè)網(wǎng)段提供專用帶寬，能夠減少碰撞和提供更高的端口密度。因?yàn)榻粨Q機(jī)比網(wǎng)橋具有更好的性能，所以，網(wǎng)橋也將逐漸被交換機(jī)所取代。22網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）1．路由器的基本概念中繼器只能延長(zhǎng)一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)段，網(wǎng)橋可以連接多個(gè)同類局域網(wǎng)，那么，異類網(wǎng)（異構(gòu)網(wǎng)）之間靠什么連接呢？比如LAN-WAN或LAN-WAN-LAN的連接。這個(gè)重任要由一種叫作路由器的設(shè)備來(lái)完成。路由器：工作在網(wǎng)絡(luò)層能夠選擇一條從信源到信宿至少經(jīng)過(guò)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的

最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。中間節(jié)點(diǎn)是指在子網(wǎng)間有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器。而信源和信宿都屬于終端節(jié)點(diǎn)，即在子網(wǎng)間沒(méi)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。路徑可看作是從源終端節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)終端節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的所有節(jié)點(diǎn)的連線，表示信息在網(wǎng)上的傳輸途徑。23網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）

路由器是一種典型的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，它與網(wǎng)橋一樣都可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但它們?cè)贠SI七層模型中所處的位置不同，網(wǎng)橋處于第二層，而路由器在第三層，如圖12-5所示。網(wǎng)絡(luò)層的工作包括處理數(shù)據(jù)分組、網(wǎng)絡(luò)地址和決定數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)及信息的完整路由等。因處理層次較高，故相對(duì)于網(wǎng)橋而言，路由器具有更多和更高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)互連功能。另外，路由器不必是個(gè)單獨(dú)外部設(shè)備，可通過(guò)在服務(wù)器上安裝多個(gè)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)路由功能。24網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.22．路由器的功能12.2.3路由器（router）

從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次看，工作在網(wǎng)絡(luò)層上的路由器具有更復(fù)雜的軟件和更豐富的功能，這是其它工作在較低層次上的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備所不能比擬的。除了路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)兩大典型功能外，路由器一般還具有流量控制、網(wǎng)絡(luò)和用戶管理等功能。（1）路徑選擇。根據(jù)距離、成本、流量和擁塞等因素選擇最優(yōu)傳輸路徑引導(dǎo)通信。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)比較簡(jiǎn)單，而路由選擇就相當(dāng)復(fù)雜。

路徑選擇需要按照某種路由通信協(xié)議查找路由表。路由表中列出整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中包含的各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)間的路徑情況和與它們相關(guān)的傳輸費(fèi)用。如果到特定的節(jié)點(diǎn)有一條以上路徑，則基于預(yù)先確定的準(zhǔn)則選擇最優(yōu)（如最經(jīng)濟(jì)）路徑。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，路由器還可以調(diào)整路由表使所選擇的路由保持最優(yōu)，這一功能可以很好地均衡網(wǎng)絡(luò)的信息流量，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠現(xiàn)象。25網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）

路由功能可以用一個(gè)交通現(xiàn)象類比：在一個(gè)交通樞紐（一個(gè)十字口）有一個(gè)交通警察指揮交通，在看到每輛需要經(jīng)過(guò)十字口的車輛（相當(dāng)于數(shù)據(jù)包）上標(biāo)明的目的地信息后，他就指揮車輛沿正確的方向（左、直、右）行駛。從該十字口到某目的地可能有多個(gè)選擇路線，交通警察根據(jù)自己掌握的路網(wǎng)信息可以按最近的、最省的、最可靠的或最快的路線引導(dǎo)車輛行駛。正常情況下，按“快”和“省”的原則引路，但若發(fā)現(xiàn)某方向可能會(huì)發(fā)生擁堵，則必須指揮后續(xù)車輛改道繞行，避免造成交通阻塞。他大腦中存儲(chǔ)的交通信息圖就相當(dāng)于路由表，當(dāng)路網(wǎng)發(fā)生變化，他也必須更新腦中的信息。（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)間完成數(shù)據(jù)分組（報(bào)文）的傳送。（3）流量控制?？刂剖瞻l(fā)雙方的數(shù)據(jù)流量，使兩者更匹配。26網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）（4）分段和重新組裝。由路由器互連的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)所采用的數(shù)據(jù)單元（分組）大小可能不同。若信源所用數(shù)據(jù)單元較大，而信宿的數(shù)據(jù)單元較小，則信宿將無(wú)法接收，此時(shí)，路由器可將信源發(fā)出的數(shù)據(jù)分組分成若干段并分別封裝成小分組后再發(fā)往信宿；反之，若路由器收到的分組較小，而在通往信宿的路由線路上所有節(jié)點(diǎn)都能接收較大分組，則此時(shí)路由器可把屬于同一報(bào)文的多個(gè)小分組按序號(hào)封裝成一個(gè)大分組后再傳送，以提高傳輸效率。（5）多協(xié)議路由器可以連接使用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，成為不同通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的通信連接平臺(tái)。支持多協(xié)議的路由選擇不僅能連接同類型LAN還能連接LAN與WAN，例如使用一個(gè)多協(xié)議路由器可以連接以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)和FDDI網(wǎng)等。（6）網(wǎng)絡(luò)管理。路由器是連接多種網(wǎng)路的匯集點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)之間的信息流都要通過(guò)它。利用路由器可監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的信息流動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)。27網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）

因大多數(shù)路由器可支持多種協(xié)議的信息傳輸，故它能實(shí)現(xiàn)LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN和LAN-WAN-LAN等網(wǎng)絡(luò)的互連。又因每種協(xié)議都有各自的規(guī)則，要在一個(gè)路由器中完成多種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，勢(shì)必會(huì)降低其性能，所以多協(xié)議路由器的性能一般都較低。路由器有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜及需要負(fù)載共享和最優(yōu)路徑選擇的場(chǎng)合；能更好地處理多媒體；安全性高；隔離不需要的通信量；節(jié)省局域網(wǎng)頻寬；減少主機(jī)負(fù)擔(dān)。缺點(diǎn)：不支持非路由協(xié)議；安裝復(fù)雜；價(jià)格高。28網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.23．路由協(xié)議12.2.3路由器（router）路由協(xié)議：根據(jù)指定的路由算法實(shí)現(xiàn)路由功能的規(guī)范集合。

路由協(xié)議是路由計(jì)算和更新的依據(jù)。按尋徑范圍的不同，一般分為內(nèi)部路由協(xié)議和外部路由協(xié)議兩大類。內(nèi)部協(xié)議有RIP、OSPF等。外部協(xié)議主要用BGP。

如果在自治系統(tǒng)內(nèi)部尋徑，就使用內(nèi)部路由協(xié)議；若是在自治系統(tǒng)之間尋徑，就使用外部路由協(xié)議。當(dāng)然，自治系統(tǒng)邊緣的路由器可能同時(shí)使用內(nèi)部和外部路由協(xié)議。所謂自治系統(tǒng)是一系列網(wǎng)絡(luò)的集合，這些網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)統(tǒng)一的管理者并且使用相同的路由策略。有些書籍將自治系統(tǒng)稱為自治域。29網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）

選擇或?qū)骄褪菍ふ业竭_(dá)目的地的最優(yōu)路徑，由路由選擇算法，即路由選擇協(xié)議中的路由信息協(xié)議RIP、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP等負(fù)責(zé)。

轉(zhuǎn)發(fā)就是沿尋徑定好的最優(yōu)路徑傳送信息分組，由路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議RP負(fù)責(zé)。路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議指路由器所支持的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如DECnet、AppleTalk、IPX和IP協(xié)議等。

路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和路由選擇協(xié)議既相互配合又相互獨(dú)立。前者使用后者維護(hù)的路由表，同時(shí)后者要利用前者提供的功能來(lái)發(fā)布路由協(xié)議數(shù)據(jù)分組。

典型的路由選擇（尋徑）方式有：靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由。

靜態(tài)路由在路由器中設(shè)置固定的路由表。除非網(wǎng)絡(luò)管理員干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會(huì)發(fā)生變化。因靜態(tài)路由不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)的改變做出反應(yīng)，所以一般用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定的網(wǎng)絡(luò)中。靜態(tài)路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效、可靠。30網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）

動(dòng)態(tài)路由指網(wǎng)絡(luò)中路由器之間相互傳遞路由信息并更新路由表及再尋徑的過(guò)程，它能實(shí)時(shí)地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。如果路由更新信息表明網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，路由選擇軟件就會(huì)重新計(jì)算路由并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)引起各路由器重新啟動(dòng)其路由算法并更新各自的路由表以動(dòng)態(tài)地反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。?dòng)態(tài)路由適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，各種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議會(huì)不同程度地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU資源。

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分為內(nèi)部路由（網(wǎng)關(guān)）協(xié)議（IGP）和外部路由（網(wǎng)關(guān)）協(xié)議（EGP）。

靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由有各自的特點(diǎn)和適用范圍，因此在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補(bǔ)充。當(dāng)一個(gè)分組在路由器中進(jìn)行尋徑時(shí)，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據(jù)相應(yīng)的靜態(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)分組；否則再查找動(dòng)態(tài)路由，即在所有路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)動(dòng)態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時(shí)，以靜態(tài)路由為準(zhǔn)。

31網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）4．路由器的工作原理

路由器主要由路由模塊、交換模塊和輸入/輸出端口三部分構(gòu)成，如圖12-6所示。圖中的方框1、方框2、方框3分別表示OSI模型的第1層、第2層、第3層。32依據(jù)TCP/IP協(xié)議，路由器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程如下：第一步，從網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行物理層處理，把編碼數(shù)據(jù)信號(hào)還原為數(shù)據(jù)。第二步，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理接口，路由器調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路層功能以解釋此數(shù)據(jù)包的鏈路層協(xié)議的報(bào)頭，主要是對(duì)數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行驗(yàn)證，如CRC校驗(yàn)、幀長(zhǎng)度檢查。第三步，在數(shù)據(jù)鏈路層完成對(duì)數(shù)據(jù)幀的完整性驗(yàn)證后，路由器在網(wǎng)絡(luò)層開(kāi)始處理此數(shù)據(jù)幀，即根據(jù)數(shù)據(jù)幀中IP包頭的目的IP地址，在路由表中查找下一跳的IP地址，IP數(shù)據(jù)包頭的生存時(shí)間TTL域開(kāi)始減數(shù)，并計(jì)算新的校驗(yàn)和。如果接收數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)接口類型與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)接口類型不同，則IP數(shù)據(jù)包還可能因?yàn)樽畲髱L(zhǎng)度規(guī)定的不同而需要分段或重組。這一過(guò)程是路由器的核心功能。第四步，根據(jù)在路由表中所查到的下一跳IP地址，IP數(shù)據(jù)包送往相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)鏈路層，被封裝上相應(yīng)的鏈路層包頭，最后經(jīng)物理層輸出到網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去。顯然，路由器在本質(zhì)上是一個(gè)分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備或一個(gè)分組交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.3路由器（router）33網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.4網(wǎng)關(guān)（gateway）網(wǎng)關(guān)：能在傳輸層及以上各層進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

網(wǎng)關(guān)也可稱為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，屬于應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。而前面介紹的中繼器、網(wǎng)橋和路由器都屬于通信子網(wǎng)范疇的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，與應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)工作在OSI參考模型的4～7層，如圖12-7所示。其主要功能是完成傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（傳輸協(xié)議和物理網(wǎng)絡(luò)都不同）的連接。因此，網(wǎng)關(guān)既是計(jì)算機(jī)之間互相通信的信道，又是各種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換器。它可以是一個(gè)專用設(shè)備也可以用計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，由軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。34網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.4網(wǎng)關(guān)（gateway）35

網(wǎng)關(guān)可分為傳輸網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用程序網(wǎng)關(guān)兩種。傳輸網(wǎng)關(guān)是在傳輸層連接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，應(yīng)用程序網(wǎng)關(guān)是在應(yīng)用層連接兩部分應(yīng)用程序的網(wǎng)關(guān)。另外，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)要連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，故網(wǎng)關(guān)還要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

從通信角度看，網(wǎng)關(guān)與路由器很相似，都可實(shí)現(xiàn)異類網(wǎng)之間的信息傳輸，但網(wǎng)關(guān)工作的層次比路由器高，因此，它的異類網(wǎng)連接能力比路由器強(qiáng)。或者說(shuō)，網(wǎng)關(guān)與路由器的信號(hào)傳輸功能差不多，但網(wǎng)關(guān)的信息傳輸能力比路由器強(qiáng)。比如網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)公用交換網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)和綜合數(shù)字業(yè)務(wù)網(wǎng)等的互連。

因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)是針對(duì)應(yīng)用的，而人們常說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備主要指工作在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備，所以，它不應(yīng)該被當(dāng)作一種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備加以討論。網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.4網(wǎng)關(guān)（gateway）36網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）1.基本概念交換機(jī)：一種工作在OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層、基于MAC地址識(shí)別、能完成封裝

轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

交換機(jī)也叫交換式集線器，它先把輸入信號(hào)再生，然后內(nèi)部處理，再轉(zhuǎn)發(fā)至指定端口，具備自動(dòng)尋址和交換能力。其所有端口均有獨(dú)享的信道帶寬，可保證每個(gè)端口上的數(shù)據(jù)快速有效傳輸。交換機(jī)根據(jù)所傳遞數(shù)據(jù)包的目的地址將每一數(shù)據(jù)包獨(dú)立地從源端口送至目的端口，而不會(huì)向所有端口發(fā)送，故它可同時(shí)互不影響地傳送多路數(shù)據(jù)包并能防止傳輸沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。另外，其傳輸方式主要是全雙工，因此，傳輸遲延小、速度快。37網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.22.主要分類12.2.5交換機(jī)（switch）（1）根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，交換機(jī)分為廣域網(wǎng)交換機(jī)和局域網(wǎng)交換機(jī)。廣域網(wǎng)交換機(jī)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信基礎(chǔ)平臺(tái)。而局域網(wǎng)交換機(jī)則應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接終端設(shè)備，如PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的不同，交換機(jī)分為接入層交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)和核心層交換機(jī)。

（3）根據(jù)傳輸速度的不同，局域網(wǎng)交換機(jī)可以分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等多種。

（4）根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不同，又有企業(yè)級(jí)、部門級(jí)和工作組級(jí)交換機(jī)之分。支持500個(gè)信息點(diǎn)以上大型企業(yè)應(yīng)用的交換機(jī)為企業(yè)級(jí)；支持300個(gè)信息點(diǎn)以下中型企業(yè)的交換機(jī)為部門級(jí)，而支持100個(gè)信息點(diǎn)以內(nèi)的交換機(jī)為工作組級(jí)。

38網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）

（5）根據(jù)工作層次的不同，交換機(jī)可分為第二層、第三層一直到第七層交換機(jī)。其中，基于MAC地址工作的第二層交換機(jī)最為常見(jiàn)，主要用于網(wǎng)絡(luò)接入層和匯聚層?；贗P地址和協(xié)議進(jìn)行交換的第三層交換機(jī)普遍應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的核心層，少量應(yīng)用于匯聚層。部分第三層交換機(jī)同時(shí)具有第四層交換功能。第四層以上的交換機(jī)被稱為內(nèi)容型交換機(jī)，主要用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。二層以上交換機(jī)的核心功能仍是二層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換，只是多了一定的處理IP層甚至更高層數(shù)據(jù)包的能力。

39網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）（6）根據(jù)管理功能的不同，交換機(jī)可分為可管理型交換機(jī)和不可管理型交換機(jī)。它們的區(qū)別在于對(duì)SNMP、RMON等網(wǎng)管協(xié)議的支持。可管理型交換機(jī)便于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、流量分析，但成本也相對(duì)較高。大中型網(wǎng)絡(luò)在匯聚層應(yīng)該選擇可管理型交換機(jī)，在接入層視應(yīng)用需要而定，核心層交換機(jī)則全部是可管理型交換機(jī)。

（7）根據(jù)堆疊方式的不同，交換機(jī)可分為可堆疊型交換機(jī)和不可堆疊型交換機(jī)。設(shè)計(jì)堆疊技術(shù)的一個(gè)主要目的是為了增加端口密度。

（8）根據(jù)用戶范圍的不同，局域網(wǎng)交換機(jī)可以分為桌面型交換機(jī)、工作組型交換機(jī)和校園網(wǎng)交換機(jī)。

桌面型交換機(jī)使用廣泛，在辦公室、小型機(jī)房和業(yè)務(wù)受理較為集中的業(yè)務(wù)部門及多媒體制作中心、網(wǎng)站管理中心等部門最常見(jiàn)且大都提供多個(gè)具有10/100M自適應(yīng)能力的端口。40網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.23.主要功能12.2.5交換機(jī)（switch）交換機(jī)的主要功能除了物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流量控制外，還具備對(duì)VLAN和鏈路匯聚的支持及防火墻等功能。

交換機(jī)除了能夠連接同類網(wǎng)絡(luò)之外，還可以在異類網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)）之間進(jìn)行互連。許多交換機(jī)都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)中的其它交換機(jī)或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務(wù)器提供附加帶寬。41網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）

交換機(jī)的基本功能可概括如下：

（1）像集線器一樣，提供了大量供線纜連接的端口，以便可以采用星型拓?fù)洳季€。

（2）像中繼器、集線器和網(wǎng)橋那樣，以“再生”方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字信號(hào)。

（3）像網(wǎng)橋那樣，在每個(gè)端口上都使用相同的轉(zhuǎn)發(fā)或過(guò)濾邏輯。

（4）像網(wǎng)橋那樣，將局域網(wǎng)分為多個(gè)沖突域，每個(gè)沖突域都具有獨(dú)立寬帶。因此，大大提高了局域網(wǎng)的帶寬。

（5）除了具有網(wǎng)橋、集線器和中繼器的功能外，還提供虛擬局域網(wǎng)等更先進(jìn)的性能。

與網(wǎng)橋不同的是，交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，性能接近單個(gè)局域網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通網(wǎng)橋連接的網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)性能。

與集線器的本質(zhì)區(qū)別在于：當(dāng)A發(fā)消息給B時(shí)，若通過(guò)集線器傳輸，則接入集線器的所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到這條消息（廣播形式）。而如果通過(guò)交換機(jī)，除非A通知交換機(jī)廣播這條消息，否則發(fā)給B的消息其他節(jié)點(diǎn)絕對(duì)不會(huì)收到。42網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）4.二層交換機(jī)和三層交換機(jī)

二層交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，擁有一條帶寬很高的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有端口都掛接在這條背部總線上。

二層交換機(jī)可對(duì)多個(gè)端口的數(shù)據(jù)同時(shí)交換。另外，因其總線帶寬較大且含有處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的專用集成芯片，故可實(shí)現(xiàn)線速交換，即按照通信線路上的數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行交換。

總之，二層交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別、能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

三層交換機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十Gbit/s。（2）簡(jiǎn)潔的路由軟件使路由過(guò)程簡(jiǎn)化。除了必要的路由選擇交由路由軟件處理外，大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)都由二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)。43網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5交換機(jī)（switch）（3）三層交換機(jī)的實(shí)質(zhì)就是路由器。所有的處理基本上都由硬件完成。（4）因硬件性能所限，三層交換機(jī)并不能實(shí)現(xiàn)普通路由器的所有功能，比如，不支持多協(xié)議。但它比基于軟件的普通路由器更快、更便宜。

三層交換機(jī)因接口類型豐富、路由能力強(qiáng)大而用于大型網(wǎng)絡(luò)間的路由。若把大型網(wǎng)絡(luò)按照部門、地域等等因素劃分成一個(gè)個(gè)小局域網(wǎng)，就會(huì)導(dǎo)致大量的網(wǎng)際互訪，而二層交換機(jī)不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互訪。如只用路由器也會(huì)因?yàn)榻涌跀?shù)量有限和路由轉(zhuǎn)發(fā)速度慢而限制網(wǎng)絡(luò)速度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。故采用同時(shí)具有路由和快速轉(zhuǎn)發(fā)功能的三層交換機(jī)就成為首選。三層交換機(jī)最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速度，加入路由功能也是為這個(gè)目的服務(wù)的。

另外，不能一概認(rèn)為交換機(jī)就比HUB有優(yōu)勢(shì)，尤其當(dāng)用戶的網(wǎng)絡(luò)并不擁擠，尚有很大可利用空間時(shí)，使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源。二層交換機(jī)因具有快速交換功能、多個(gè)接入端口和低廉的價(jià)格而多用于小型局域網(wǎng)。44網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備12.212.2.5