第3章 网络互联设备 学习目标 了解各层次网络互连设备的种类 掌握各层次设备的工作原理 重点掌握交换机路由器的工作原理与功能

主要内容 3.1 网络传输介质 3.2 物理层互联设备 3.3 数据链路层互联设备 3.4 网络层互联设备 3.5 应用层互联设备

3.1 网络传输介质 3.1.1 双绞线（TP） 3.1.2 同轴电缆 3.1.3 光纤 3.1.4 无线传输

3.1.1 双绞线（TP） 1. 概述 双绞线(TP：Twisted Pairwire)是综合布线工程中最常用传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，如图所示：

2. 规格型号 EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号: 第一类：主要用于传输语音,不用于数据传输。 第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。 第三类：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆 第四类：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输 第五类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。

3.1.2 同轴电缆 同轴电缆曾经是局域网中应用最多的传输媒体。同轴电缆的芯线为铜导线，外层为绝缘材料，绝缘材料外套装第二个金属屏蔽层（金属网或者金属套）最后再增加一层绝缘保护层如图所示:

3.1.3 光纤 光纤是近年来发展起来的新型传输媒体。光纤常采用非常细的，透明度极高的石英玻璃纤维（直径约为20--100μm）作为纤芯，外涂一层低折射率的包层和保护层，如图所示：

3.1.4 无线传输 无线传输常用于电（光）缆铺设不便的特殊地理环境，或者作为地面通信系统的备份和补充。无线传输是指通过无线电波在自由空间的传播进行通信。由于无线通信采用自由空间作为传输媒体，因此定向性及保密性较有线传输差 无线传输中使用较多的是微波通信。微波的频率范围为300MHz—300GHz，但实用的工作频率在10-100Hz。微波通信通过安装微波收发装置进行信号收发，除恶劣气候外，很少受环境的影响。 除微波通信之外，红外线和激光通信也偶尔使用。红外线和激光通信的收发设备必须处于视线范围之内，均具有很强的方向性，因此防窃取能力较强，但对环境因素（例如：天气影响等）较为敏感。

3.2 物理层互联设备 3.2.1 网络互联的层次 3.2.2 中继器 3.2.3 集线器

3.2.1 网络互联的层次 由于网络体系结构上的差异，实现网络互联可在不同的层次上进行。按OSI/RM模型的层次划分，可将网络互联分为4个层次 : 中继器（Repeater）：实现物理层的互联，在不同的电缆段之间复制位信号。 网桥（Bridge）：实现数据链路层的互联，在局域网之间存储转发数据帧。 路由器(Router)：实现网络层的互联，在不同的网络之间存储转发数据包。 网关（Gateway）：实现网络高层的互联，在网络的高层使用协议转换完成网络互联。

3.2.2 中继器 中继器（RP repeater）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联设备，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。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障

3.2.3 集线器 集线器也称集中器，HUB。集线器实际上是一种特殊的中继器（多口中继器），它作为网络传输介质间的中央结点，克服了介质单一通路的限制

3.3 数据链路层互联设备 3.3.1 网桥 3.3.2 网桥的优缺点 3.3.3 网桥的工作原理 3.3.4 交换机 3.3.5 MAC地址表 3.3.6 交换机的交换方式 3.3.7 交换机的工作模式

3.3.1 网桥 网桥是一种存储转发设备，工作在OSI参考模型的数据链路层（如图3-6），它可以将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来转发帧，我们可以把它看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。它可以有效地联接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。主要用来连接类型相似的局域网

3.3.2 网桥的优缺点 1. 网桥的优点 在局域网上使用网桥，具有许多优点。若使用得当，网桥是一种很好的网络设备。 相对路由器而言，网桥价格相对低廉且更易安装； 网桥可连接不同速率的网络； 易于管理，提高数据传输可靠度。可实现分区管制，阻隔两个相邻网络之间的广播信息；隔离不同网段的故障； 许多网桥可以适应环境的不断变化； 网桥可将多个局域网合并为一个虚拟网络； 网桥可实现局域网最低二层的协议转换，如网桥可互联以太网和令牌环网； 本地网桥（Local Bridge）主要用于局域网中，而远程网桥（Remote Bridge）通过调制解调器，可提供远程网络的连接。

2. 网桥的缺点 安装网桥后形成的逻辑网使得故障排除困难； 在类似于级联的拓扑结构中，由于延迟，协议可能会出现问题； 在MAC子层无流量控制功能； 网桥对广播信息不能识别，也不能过滤，最终形成广播风

3.3.3 网桥的工作原理 网桥主要具有三个基本操作：转发、过滤和学习。当网桥刚安装时，它对网络中的各工作站一无所知。当工作站开始传送数据时，网桥会自动记下工作站的地址，直到建立一张完整的网络地址表（也叫CAM表）为止，这个过程称为“学习”。地址表建立完，信息数据在通过网桥的时候，网桥根据数据包比较地址表目的地址的网络号与源地址的网络号是否相同。若不同，则进行格式转换，将数据包传过桥去；否则，不转换也不过桥。转发是指将帧传送到最终的目的地；过滤是指丢弃目的地不在此地的帧。

3.3.4 交换机 交换机一般用于LAN-LAN 的连接，交换机源于网桥，是数据链路层的设备；有些交换机也可支持第三层的交换，这种交换机既有交换机线速转发报文的能力，又有路由器良好的控制功能。集线器与交换机的主要区别是所有用户是共享带宽还是独占带宽，是争用信道还是可同时通信。用交换机构建的局域网称为交换式局域网，而用集线器构建的局域网称为共享式局域网。

3.3.5 MAC地址表 MAC地址表是交换的基础，由于它来源于网桥，所以又称网桥表。它用来记录各个设备是连接在交换机的哪个端口上的，这样，当交换机收到数据包后，才能够决定应该向何处转发。如图所示：

3.3.6 交换机的交换方式 1. 直通式（Cut Through） 2. 存储转发式（Store & Forward） 这种方式先将数据包完整的接收下来，经过CRC检查，如果数据包没有错误，再根据地址进行转发。 2. 存储转发式（Store & Forward） 3. 碎片隔离式（Fragment Free） 这种方式可保证碰撞碎片不在网络中传播，提高了网络效率，它的数据处理速度介于直通式和存储转发式之间。多用于低端交换机产品。

3.3.7 交换机的工作模式 半双工模式（Half duplex） 2. 全双工模式（Full duplex） 在一个端口上，同一时刻只能发送数据或接收数据。也即发送和接收不能同时进 2. 全双工模式（Full duplex） 在一个端口上，同一时刻可同时进行数据的发送和接收

3.4 网络层互联设备 3.4.1 路由器概述 3.4.2 路由器的主要特点 3.4.3 路由器的工作原理 3.4.4 路由选择算法与路由协议

3.4.1 路由器概述 路由器其实可通俗地说成“路径选择器”，因为它最主要的功能就是在不同的网络间选择一条最佳的传输路径。路由器内部有CPU、RAM等，选择最佳路径的工作便由它根据网络的综合情况智能完成。路由器（Router）工作在OSI参考模型中的网络层，具有智能化管理网络的能力。它拥有互联网络的路由表，使用最有效的路径来转发信息包。它能处理多条路由，能够利用网络中所有路由，绕过故障路由或避开拥塞路由，提高互联网络的容错能力。路由器可以很容易地实现LAN-WAN、WAN-WAN和LAN-WAN-LAN的多种网络连接形式。

3.4.2 路由器的主要特点 （1）路由器可以互连不同的MAC协议、不同的传输介质、不同的拓扑结构和不同的传输速率的异种网，它有很强的异种网互连能力； （2）路由器也是用于广域网互连的存储转发设备，它有很强的广域网互连能力， 被广泛地应用于LAN-WAN-LAN的网络互联环境； （3）路由器可以隔离不同逻辑子网的广播域，避免“广播风暴”。因为路由器互连不同的逻辑子网，具有选择路径的功能，不会在子网之间转发广播信息； （4）路由器具有流量控制、拥塞控制功能，能够对不同速率的网络进行速度匹配， 以保证数据包的正确传输； （5）路由器工作在网络层，它与网络层协议有关。多协议路由器可以支持多种网络层协议(如：TCP/IP 、IPX、 DECNET 等），转发多种网络层协议的数据包；

（6）路由器检查网络层地址，转发网络层数据分组（Packet）。因此，路由器能够基于IP 地址进行包过滤，具有包过滤（Packet filter）的初期防火墙功能； （7）对大型网络进行微段化，将分段后的网段用路由器连接起来。这样可以达到提高网络性能，提高网络带宽，而且便于网络的管理和维护。这也是共享式网络为解决带宽问题所经常采用的方法； （8）路由器不仅可以在中、小型局域网中应用，也适合在广域网和大型、复杂的互联网络环境中应用。

3.4.3 路由器的工作原理 我们知道路由器是用来连接不同网段或网络的，在一个局域网中，如果不需与外界网络进行通信的话，内部网络的各工作站都能识别其它各节点，完全可以通过交换机就可以实现目的发送，根本用不上路由器来记忆局域网的各节点MAC地址。路由器识别不同网络的方法是通过识别不同网络的网络ID号进行的，所以为了保证路由成功，每个网络都必须有一个唯一的网络编号。路由器要识别另一个网络，首先要识别的就是对方网络的路由器IP地址的网络ID，看是不是与目的节点地址中的网络ID号相一致。如果是当然就向这个网络的路由器发送了，接收网络的路由器在接收到源网络发来的报文后，根据报文中所包括的目的节点IP地址中的主机ID号来识别是发给哪一个节点的，然后再直接发送。

3.4.4 路由选择算法与路由协议 路由协议主要分为两大类，即静态路由和动态路由 1.静态路由是由网络管理员预先手工设定好固定的路由表。路由表一旦建立，它就不会改变，除非网络管理员修改它 2.动态路由是指使用路由选择算法根据实测或估计的距离、时延和网络拓扑结构等度量权值，自动建立最佳路径和建立路由表，且能自动适应网络拓扑结构的变化，实时、动态更新路由表。动态路由实现了路由表的动态更新，特别适应大型且经常变化的网络环境。现代的计算机网络通常采用动态路由选择算法。

路由选择算法 : （1）距离矢量路由选择算法（Distance Vector Routing）主要原理是，路由器在接收其他路由器传送来的信息的基础上，建立起自己的路由表，然后，再周期性地将自己的路由表传递给下一个路由器，传递的周期随协议的不同而不同，以完成路由表的更新。路由表中存放着到达每个目的站点已知的最佳距离和路径。距离矢量路由选择算法的基本要素是距离和矢量 （2）链路状态路由选择算法（Link State Routing）它弥补了距离矢量路由算法的缺陷，更为先进。其基本原理是，路由器利用收集到的链路状态信息，建立和维护一张互联网络拓扑结构图，根据Dijkstra算法，计算出到达目的地的最短路径，并建立路由表；当某条链路上发生变化时，相应的路由器将已变化的路由信息传至整个网络上的所有路由器。

2. 路由协议: 路由协议是路由选择算法实现的协议，也有静态路由和动态路由之分。动态路由协议主要分为内部网关协议和外部网关协议两种类型。 内部网关协议：即在自治系统（AS）边界内部运行的路由协议。如：RIP、OSPF、IS-IS、IGRPE和IGRP。内部路由协议的路由信息只在AS内部传播。 外部网关协议：即在自治系统之间运行的路由协议。如：BGP4。

3.5 应用层互联设备 3.5.1 网关概述 3.5.2 网关的主要功能 3.5.3 网关的工作原理 3.5.4 网关的分类

3.5.1 网关概述 大家都知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。顾名思义，网关(Gateway)就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。网关工作在OSI参考模型的传输层及其以上层次，它是传输层及其以上的互联设备的总称，又称协议转换器。它提供了不同体系间互联接口，用于实现不同体系结构网络之间的互联，支持不同的协议之间的转换，实现不同协议网络之间的通信和信息共享。而前述中继器、网桥和路由器都是属于通信子网范畴的网间互联设备，它们与应用系统无关。

3.5.2 网关的主要功能 网关的主要功能是完成传输层以上的协议转换，可连接完全不同的网络，即其可连接OSI七层完全不同的网络结构。局域网连上广域网常用网关来完成。 网关通常提供以下功能： （1）地址格式的转换； （2）寻址和路由选择； （3）数据包格式的转换； （4）数据字符格式的转换； （5）网络传输流量控制； （6）协议转换。

3.5.3 网关的工作原理 网关实现协议转换的方法主要有以下两种： （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。一个双边网关要能进行两种网络协议的相互转换；对于互联三个网络的网关，则要求能进行6种协议的转换；如果互联n个网络，则网关要进行n (n-1) 种协议的转换，即要编写n (n-1) 种协议转换程序模块，同时，系统支网关的存储空间与处理能力也随n的增大而越来越高。 （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。这种方法是：制定一种统一的标准网间信息包格式。网关在输入端将输入信息包格式转换成标准网络间信息包格式，在输出端再将标准信息包格式转换成输出网络信息包格式。

3.5.4 网关的分类 据互联网络类型分类: （1）IBM主机网关：把LAN上工作站与IBM主机系统连接起来。最早的网关模拟IBM主机的320终端，使LAN的工作站成为主机的终端 （2）LAN网关：LAN网关提供LAN之间数据传送的通道。通常居间的LAN因使用不同的协议，数据需要做些转换才能通过。不少路由器提供以太网与FDDI的连接，可以充当此任。另外，有提供AppleTalk与TCP/IP、IPX与TCP/IP等协议转换的网关。 （3）因特网网关：在因特网中，以往的网关现在称为路由器。网关现在是指一种系统，这种系统进行网络和应用协议的转换，使TCP/IP网和非TCP/IP网上的用户和应用可以相互通信。

2.据实现方式分类: （2）软件网关：它是指在计算机上运行的程序代码。作为主机中的一个进程运行。 （1）硬件网关：上层和下层协议转换均在硬件网关上实现。而数据转换则可不在该网关实现。 （2）软件网关：它是指在计算机上运行的程序代码。作为主机中的一个进程运行。 （3）硬件和软件混合网关：如使用接口板和相关的软件实现网关的功能。