第5章 网络互联设备和多层交换 本章要点： ◆ 了解网络互联的基本概念及各层网络互联设备 ◆ 掌握中继器和集线器的性能、作用和分类 第5章 网络互联设备和多层交换 　　　本章要点： ◆   了解网络互联的基本概念及各层网络互联设备 ◆   掌握中继器和集线器的性能、作用和分类 ◆   掌握网桥和交换机的特点、工作原理和性能参数 ◆   掌握路由器的结构、分类和工作原理 ◆   初步了解路由选择、路由表和等基本概念 ◆   掌握网关的分类和作用 ◆   掌握三层交换和多层交换的概念

第5章 网络互联设备和多层交换 目 录 5.1 网络互联概述 5.2 物理层互联设备－中继器 5.3 数据链路层互联设备－网桥 第5章 网络互联设备和多层交换 　　　目　　录 5.1 网络互联概述 5.2 物理层互联设备－中继器 5.3 数据链路层互联设备－网桥 5.4 网络层互联设备－路由器 5.5 高层互联设备－网关 5.6 三层交换和高层交换

5.1 网络互联概述 “互连”和“互联”两个术语的区别： 网络互联类型 l 同构网的互联 l 异构网的互联 5.1 网络互联概述 “互连”和“互联”两个术语的区别： 　 l 互连（Internet-connection）指仅是物理上连接在一起，实现网络距离上的延伸。例如使用中继器连接扩大网络距离（连接的是同构网）。 　 l 互联（Internet-working）指不仅在物理上连接在一起，而且在逻辑上也连接在一起。包括协议组的转换、数据包的封装等。互联的网络可以是同构的，也可以是异构的。 网络互联类型 　(1)局域网之间的互联（LAN-LAN） 　 l 　同构网的互联 　l　异构网的互联 　(2)局域网与城域网的互联（LAN-MAN） 　(3)局域网与广域网的互联（LAN-WAN） 　(4)多个远程局域网利用公用网互联（LAN-WAN-LAN） 　(5)广域网与广域网的互联（WAN-WAN）

5.1 网络互联概述 网络互联层次 网络互联类型 l 网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来 。 5.1 网络互联概述 网络互联层次 l　网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来 。 l 网络之间互联主要有中继器和网桥（用于局域网）。 　　 网际之间互联主要有路由器和网关（用于广域网）。 网络互联类型 　 OSI/RM共有 7个层次，不同功能层次的网络互联时，所选择网络互联设备也不同。它们和OSI/RM的对应关系如图所示。

5.2 物理层互联设备－中继器 　　　 中继器也称转发器或收发器，Hub也是一种中继器。物理层互联设备可以将传送过来的二进制位信号进行复制、整形、再生和转发。主要用于局域网传输距离的延伸，增加节点数，以及连接采用不同传输介质和接口的同构网（如以太网）。 5.2.1 中继器 　 l 中继器的功能仅仅是将信号整形、再生数字信号，以维持通过局域网的电平，扩大局域网的传输距离。中继器是一个再生器而不是一个放大器，一个中继器可以连接两个以上的网络段，通常用于局域网之间的互联。 　 l 局域网对中继器的使用有一定限制，这就是在 4.2节中介绍的5-4-3-2-1中继规则。利用中继器连接的网络虽然在物理上可以是两个以上的网络，但在逻辑上是将它们合并为一个网络，属于同一个冲突域。由于受冲突直径的限制，构建时一定要遵守中继规则。如果需要连接的网络希望是各自独立，则需要选用后面介绍的互联设备。

5.2 物理层互联设备－中继器 5.2.1 中继器 5.2.2 集线器 2. 集线器的特点 5.2 物理层互联设备－中继器 5.2.1 中继器 5.2.2 集线器 l 集线器（Hub）作用和中继器类似，执行相同的功能，遵循相同的中继规则。Hub是一种多端口的中继器，每个端口都具有发送与接收数据的能力。当某个端口收到连接该端口上的主机发来的数据时，就转发至其它端口。在数据转发之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。用Hub连接以太网时，虽然物理上是星型结构，但逻辑上仍是一个总线型结构。 　1. 集线器的分类 l　独立型集线器 l 堆叠式集线器 l 模块化集线器 2. 集线器的特点 　 　l　优点： 　l　缺点： 　 3. 广播风暴 l　所谓广播风暴是一种在网上广播的消息导致大量响应、每个响应又导致大量响应的状态，网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的通信无法正常进行。

5.3 数据链路层互联设备－网桥 5.3.1 网桥 ◆ 网桥的作用有两个方面： 5.3 数据链路层互联设备－网桥 　　　 网桥作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。它既可以延伸局域网的距离，扩充节点数，还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络，缩小冲突域。 5.3.1 网桥 　 ◆ 网桥的作用 　　　 网桥（Bridge）可以根据物理地址对数据帧进行过滤和存储转发，实现网络分段。当一个数据帧通过网桥时，网桥检查数据帧的源和目的物理地址，如果这两个地址属于不同的网段，则网桥将该数据帧转发到另一个网段，否则不转发。所以，网桥能起到隔离网段的作用，网络的隔离意味着缩小了冲突域，提高了网络的有效带宽。网桥连接如图所示。 ◆ 网桥的作用有两个方面： 　　 l　将一个负载过重的网络分割成若干小段，每个网段各自享用自己独立的带宽，以提高网络的效率，从而减少网络的信息流量。 　　 l　延伸网络的距离，因为使用中继器受网络直径和中继规则的限制，通过网桥可进一步延伸网络的距离。

5.3 数据链路层互联设备－网桥 5.3.1 网桥 ◆ 网桥的分类 ◆ 网桥的学习功能 ◆ 网桥的特点 5.3 数据链路层互联设备－网桥 5.3.1 网桥 　 ◆ 网桥的作用 　◆ 网桥的分类 　　l　按网桥所处的位置可分为内桥和外桥两种。 　　l　按网桥分布的地理范围可分为本地网桥和远程网桥。 　 ◆ 网桥的学习功能 　　　 网桥接收到一个数据帧时，它检查数据帧的源地址（物理地址），并将该地址与网桥中的路径表中各项进行对比，如果在路径中没找到，则将新的源地址加入路径表中，这就是网桥对网络地址的学习功能。 　 ◆ 网桥的特点 　　　 延伸网络的距离、隔离网段，但不能隔离广播、也不能控制广播风暴、网桥没有路由功能。

5.3 数据链路层互联设备－网桥 5.3.2 交换机 　　 交换机和集线器外观相似，它是一种低价位高性能的多端口网络设备，它除了具有集线器的全部特性外，还具有自动寻址、数据交换等功能。 　 交换技术可以工作在网络层及应用层。因此有所谓的第三层、第四层及高层交换的概念。这里只讨论工作在第二层的交换机（Switch） 。 　 1. 交换机的工作原理 　　　 交换机也按存储转发的原理工作，具有数据帧的过滤和地址学习功能。地址学习功能是：首先检查端口传送来的数据帧物理地址，与交换机内部的动态路径表进行比较，若不在路径表中，则加入路径表中，若在路径表中，则将数据帧转发到对应的目标端口，而且只向目标端口转发数据帧。 2. 交换机的带宽 　 　 由一个16口100 Mbps交换机组成的交换式以太网，可以为每个端口都提供100 Mbps的专用带宽，则该交换机的最大数据流通量为16×100 Mbps。 　 3. 交换机的性能参数 端口、业务接口、主板（背板）、主处理器、FLASH、MAC地址的数量。 　 4. 交换机的类型 　　 独立式、模块式和堆叠式三种

5.4 网络层互联设备－路由器 　　　 网桥根据第二层地址（MAC地址）转发数据帧。而路由器转发数据包时，通过第三层地址（如IP地址），以决定一个数据包如何重新包装及送到哪里。当它接收到数据包时，负责寻址，选择转发到下一个节点的最佳路径。它是Internet、Intranet和Extranet中必不可少的设备之一。 5.4.1 路由器的基本概念 　 　　◆ 路由器 　　　 路由器（router）用于互联物理层和数据链路层相同或不同的协议、网络层使用路由协议、而传输层以上使用的协议必须是相同或兼容的网络。路由器丢弃所有的广播帧，所以可以抑制广播风暴。

5.4 网络层互联设备－路由器 5.4.1 路由器的基本概念 最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。 ◆ 路由器 ◆ 路由表 5.4 网络层互联设备－路由器 5.4.1 路由器的基本概念 　　 ◆ 路由器 　 　◆ 路由表 　　 l　静态（static）路由表：事先设置固定不变的路径表。 　　 l　动态（dynamic）路由表：根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。 　 ◆ 最小费用路由 　　 最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。 　　 　l　路径最短可以用跳步数计数，每经过一个路由为一跳，而不管这条路径的实际长度为多少，都被认为是等长的。 　　　 l　另一种方法是将一个权值赋予某条链路，权值也称为链路的符号长度。

5.4 网络层互联设备－路由器 5.4.2 路由器的工作原理 5.4.3 路由器的结构、分类和作用 5.4 网络层互联设备－路由器 5.4.2 路由器的工作原理 　 路由器改进了网桥的功能，它将数据帧“封装”到含有路由和传送信息的数据包中，在公共数据网中传送。当路由器收到一个数据包后，读出其中的源和目标网络地址，然后根据路由表中的信息，利用复杂的路由算法，为数据包选择合适的路由并转发该数据包。数据包到达目标节点前的路由器后，分解为数据链路层所认识的数据帧，并把它传送到目标节点。 5.4.3 路由器的结构、分类和作用 1. 路由器的结构 　　　主要有CPU、RAM、FLASH、NVRAM、ROM、接口等硬件组成。 2. 路由器的分类 　　　 l　近程路由器和远程路由器 　　　 l 静态路由器和动态路由器 　　　 l　单协议路由器和多协议路由器 3. 路由器的作用 　　 延伸网络距离、局域网接入Internet、多个局域网之间的远程连接。

5.5 高层互联设备－网关 　　　 高层互联设备主要是网关（Gateway）。网关不能完全归为一种网络硬件，它是能够连接不同网络的软硬件结合的产品。网关可以工作在OSI/RM的所有七层中。 　　　 网关也称为网间协议转换器，具有高层协议的转换功能。它用于两个异构网络的互联，所联的网络可以使用不同的格式、通信协议或结构。 　　　 网关通常是安装在路由器内部的软件。所以，在Internet中，常将路由器和网关两个概念混用。安装了防火墙软件的计算机就是一种网关。 　 ◆ 按可转换的协议数分类：双边协议网关和多边协议网关（综合网关） 　 ◆ 按网关的应用类型分类 l　电子邮件网关 　　　l　局域网协议转换网关 l　Internet网关 l　支付网关 l　IBM主机网关 l　公用网关接口CGI l　VOIP(Voice over IP)语音网关 l　安全网关 l　综合网关

5.6 三层交换和高层交换 　　　 交换技术受电路交换的启示，让正在通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。交换技术有许多优点，因此，现代网络已将交换技术应用于第三、四等各层。 5.6.1 三层交换的概念 　　　　1. 二层交换的优点及三层的瓶颈问题 交换机可以通过检查帧头的目标地址，经过高速背板总线将数据帧只转发到连接目标站点的端口。 　　　 第二层采用了交换技术提高了吞吐率，但是在网络的高层出现了瓶颈。大型扁平式的交换网络会有广播风暴、扩展树环路、网络间的安全以及低效率的寻址等问题，因此引入了路由器到桥接式网络中。 　2. 三层交换机 　　　 交换机和路由器相比，转发能力更强。但路由器又拥有交换机所没有的路由功能。因此，各个网络设备厂商推出了一个综合路由器和交换机功能的产品，即三层交换机，也称交换路由器或路由交换机。 三层交换机可以将第二层的交换（高性能和强大的网络流量转发能力）和第三层的的路由功能（具有网络可伸缩性）结合起来，再集成一些特殊的服务面形成的。

5.6 三层交换和高层交换 5.6.1 三层交换的概念 5.6.2 三层交换技术 3. 三层交换的优点 1. 逐包转发交换 5.6 三层交换和高层交换 5.6.1 三层交换的概念 3. 三层交换的优点 　 l　多伸缩性 l　流量管理 l　高性能 5.6.2 三层交换技术 1. 逐包转发交换 　　逐包转发交换是对第三层的每个数据包进行转发，这更像路由器 2. IP交换技术 　　IP交换也称直通式路由或一次交换随后路由。 3. 标记交换 　　标记交换基于数据包或基于信元的网络，它为传输多协议帧赋予标记。 4. 基于路由的IP汇聚交换（ARIS） 　　基于路由的IP汇聚变换是在一个集成交换路由器（ISR）网络中建立起数据链路层的 交换通路，数据包的标签由帧的目的地址部分携带。

5.6 三层交换和高层交换 5.6.3 高层交换 1. 第四层交换　 　　　 这里的第四层主要指TCP/IP的第四层，即TCP/IP的应用层。第四层交换就是根据数据包的内容决定传输策略，例如TCP和UDP信息包头部的端口号等额外的信息进行有关QoS、安全和过滤方面的决策。因此需要交换机和路由器具有更多的智能。 ◆ 第四层交换可以在应用层上实现控制，主要有以下几种： 　　 l　应用层的QoS 　　 l　应用层的网络安全 　　 　　 l　应用层记帐 　　 l　服务器交换 2. 服务器交换 把用于主机前端处理器上的应用对话管理和控制功能重新改写，并应用到服务器和集群上去。 　　 l　减少凌乱，增加弹性 　　 l　均衡负担，改善性能 　　 　　 l　分担事务，提高效率