计算机网络技术基础（第三版） 主编：尚晓航 高等教育出版社 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 第5章 网络的扩展与互连设备 计算机网络技术基础（第三版） 主编：尚晓航 高等教育出版社

本章学习目标 了解：网络互连的基本概念 掌握：网络互连设备的类型、层次与使用 掌握：网络接入技术的种类和概念 了解：可申请的广域网通信服务的类型

5.1 网络互连概述 1.什么是网络的连接或互连？ （1）网络的延伸 （2）网络的分段 5.1 网络互连概述 1.什么是网络的连接或互连？ （1）网络的延伸 （2）网络的分段 所谓的网络分段就是将一个大的网络系统分解成 几个小的局域网（即子网），然后再通过互连设备 （交换机、网桥或路由器）将各个子网连接成一个 整体网络。分段设计优点如下： ① 提高可靠性。 ② 分散了负荷，提高了网络的性能。 ③ 提高了安全性。

2. 互连网络必须要解决的问题 ①实现一种网络与另一种网络的互访与通信。 ②解决两种不同网络之间在协议方面的差异。 ③处理两种网络之间在传输速率方面的差别。 3.网间互连设备概述 “网络连接器”又称为“网间互连设备”，它 可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进行 处理。

2. 互连网络必须要解决的问题 （1）局域网连接或延伸用的网络互连 设备 中继器、集线器、网桥、交换机等。 （2）局域网远程连接时用的网络互连 设备 有调制解调器、桥式路由器、路由器远 程访问服务器和网关等。

5.2 物理层的扩展与连接设备 5.2.1 物理层设备和部件概述 1. 理论作用 2. 实际应用 5.2 物理层的扩展与连接设备 5.2.1 物理层设备和部件概述 1. 理论作用 信号的接收、放大、整形、向所有端口转发数据 的作用； 2. 实际应用 增长传输距离、增加网络结点数目、不同介质网络 的连接，以及组网。

5.2 物理层的扩展与连接设备 3. 冲突域和广播域 4. 常见设备和部件 5.2 物理层的扩展与连接设备 3. 冲突域和广播域 物理层设备互连的网络的各个结点都处于同一个 冲突域；另外，这层设备不能隔离广播信息的传播， 所以互连的网段都处于同一个广播域。 4. 常见设备和部件 物理层的设备主要有收发器、中继器、集线器， 以及接入点AP；网络部件主要有传输介质、介质 连接器、各类转换部件（RJ45-AUI）等

5.2.2 中继器和转接器 1. 中继器的功能 中继器又称“转发器”，它实现网络在物理层上 的连接。由于线路损耗的存在，在线路上传输的信 号功率将会随着距离的增加而逐步衰减，衰减到一 定程度时，将导致信号失真，从而发生连接错误。 中继器是最简单的和最便宜的网间连接设备，如 图5-1所示，中继器可以连接两个或多个网络的电 缆段。 中继器起到放大、整形、并且重新产生电缆上的数 字信号，并按原来的方向重新发送该再生信号，

中继器（收发器）既可以用来扩展网络距离， 也可以用来连接两个或多个使用不同传输介质 的局域网。 中继器具有接收、放大、整形和转发网络信息 的作用，因此，可以降低传输线路对信号的干 扰影响，起到扩充网络规模的作用。 使用带有不同接口的中继器，可以连接两个不 同类型的网络。

图5-1千兆以太网光纤收发器 图5-2 用中继器再生信号 图5-1千兆以太网光纤收发器 图5-2 用中继器再生信号

中继器的使用规则（中继规则） 在10Mb/s以太网中，这个限制规则称为5-4-3规则。 此规则规定，在以太网中最多允许有5个网段、使 用4个中继器，而这些网段中只有3个是可以连接客 户计算机（终端）的网段，图5-3形象地说明了5-4- 3规则。 图5-3 10Mb/s以太网的 5-4-3规则

中继器的应用特点 （1）优点 中继器安装简单，不仅可以扩展网络的距离，还能 将不同传输介质的网络连接在一起，而且是最便宜 的扩展网络距离的设备。 （2）缺点 ①有条件连接；第2~7层使用相同或兼容协议。 ②无网段隔离功能，多个网络连接后将增加网络的 信息量，易发生阻塞。 ③使用中继器扩展网段距离有所限制。 ④中继器不能控制广播风暴。

4. 使用和选择中继器时应注意的事项 5. 转接器 ① 网段的接口。 ② 网段扩展的极限距离。 4. 使用和选择中继器时应注意的事项 ① 网段的接口。 ② 网段扩展的极限距离。 使用中继器时，应当注意所连接的各个网段的高层 （2～7层）协议应当相兼容。 5. 转接器 由于网络的类型和介质连接器的种类繁多，因此， 在实际工程中经常需要各种物理层的转换部件。如： AUI-RJ45，BNC-RJ45，ST-RJ45等不同类型的接 口转换器，有时也称其为“跳线”,如，图5-4。

5. 转接器

5.2.3 有线和无线集线器 集线器主要指共享式集线器，又被称为多端口中继 器，工作在OSI模型的物理层；作用与中继器类似。 1. 集线器的分类 （1）无线集线器-AP：参见图5-5。AP用来连接周 边的无线网络终端，形成星形网络结构。 （2）有线集线器的分类 集线器和交换机的外型十分相似，按外型可以分为： 独立式集线器、堆叠式集线器和模块式集线器3种， 参见图5-6、图5-7和图5-8；按照速率可以分为： 10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s。

1. 集线器的分类（按外形）

集线器的应用特点 （1）优点 ①集线器可延伸网络的距离和增加网络的结点数目。 ②集线器安装极为简单，几乎不需要配置。 ③集线器可以连接多个物理层不同；但高层（2～7层） 协议相同或兼容的网络。 （2）缺点 ①集线器限制了介质的极限距离。 ②集线器没有数据过滤的功能，不能进行通信分段。 ③集线器使用数量有限制。 ④结点数目过多时，冲突增加，网络性能急剧下降。

3. 使用集线器时应注意的因素 ①在物理层以上使用相同或兼容协议。 ②应注意网络所使用的传输介质。 ③集线器专指共享式的集线器。 ④突破集线器级联数量的限制：集中增 加的结点很多时，使用堆叠或模块式设 备可以突破级联设备数量的限制。

5.3 数据链路层的扩展与连接设备 5.3.1 数据链路层设备概述 1. 理论作用 5.3 数据链路层的扩展与连接设备 5.3.1 数据链路层设备概述 数据链路层设备的主要部件有有线和无线网卡； 主要互联设备有网桥、交换机和无线网桥。 1. 理论作用 依据转发表中的数据进行过滤和筛选，最终依所 选的端口转发数据帧。这层设备允许不同端口间的 并发通信；因此，可以增加冲突域的数量。

5.3 数据链路层的扩展与连接设备 2. 实际作用 网桥和交换机都是一个软件和硬件的综合 系统。交换机又被称为“多端口网桥”。 5.3 数据链路层的扩展与连接设备 2. 实际作用 网桥和交换机都是一个软件和硬件的综合 系统。交换机又被称为“多端口网桥”。 这层设备在实际中的作用主要有3点：第 一，组网，由于连接各种计算机和结点设备； 第二，通过学习、过滤功能来自动维护交换 机的“转发表”；第三，依据自动生成的 “转发表”转发数据帧。

冲突域和广播域 （数据链路层设备） 数据链路层设备经常用于互连使用相 同网络号的IP子网。 交换机和网桥都是端口冲突和传播所 有广播信息的设备；因此，网桥和第2 层交换机互连的网络处于多个冲突域和 同一个广播域。 不能控制广播风暴；但具有VLAN功 能的交换机除外。

5.3.2 网桥（bridge） 1.网桥的定义 2.网桥的理论功能 （1）过滤和转发 （2）学习功能 一般是指用来连接两个或多个在数据链路层以上 具有相同或兼容协议的网络互连设备。网桥一般由 软件和硬件组成，它工作在OSI模型的第二层。 2.网桥的理论功能 （1）过滤和转发 （2）学习功能 网桥可以自动学习和生成由端口号和 MAC地址组成的站表。

图5-9 近程网桥；图5-10 远程网桥

3. 网桥应用与设计要点 （1）网络分段 （2）延伸网络的距离 （3）网桥可以连接物理层或数据链路层不 同的网络 （4）网桥的设计点 3. 网桥应用与设计要点 （1）网络分段 （2）延伸网络的距离 （3）网桥可以连接物理层或数据链路层不 同的网络 （4）网桥的设计点 网桥最简单的使用形式如图5-9所示。 在使用网桥时，一定要注意它在网络中的位 置，即8/2规则。网桥设计在最佳位置时，能 够阻挡80%的通信量进入分段后的其他网络段。

3. 网桥应用与设计要点 4. 网桥的分类 （1）按网桥硬件所处的位置分类 （2）按网桥分布的地理范围分类 3. 网桥应用与设计要点 4. 网桥的分类 （1）按网桥硬件所处的位置分类 （2）按网桥分布的地理范围分类 图5-11 一对网桥连接两个远程局域网

5.3.3 以太网交换机 1. 以太网交换机与集线器的异同 （1）不同之处：OSI模型中所处位置不同。 5.3.3 以太网交换机 1. 以太网交换机与集线器的异同 以太网交换机除了包括集线器的所有特性外， 还具有自动寻址、交换和处理等功能。 （1）不同之处：OSI模型中所处位置不同。 1）工作原理不同 2）网络工作方式不同 3）带宽不同 4）端口通信模式和速率不同 5）冲突域数目不同

5.3.3 以太网交换机 （2）相同之处 交换机和集线器只是在工作方式上不 同，而在其他方面则完全一致，例如： 连线方式、物理拓扑结构、故障指示、 组网功能，以及网卡、传输介质和速度 选择等。交换机与集线器互联的网络都 不能隔离广播信息，因此，所有结点都 处于同一广播域。

有关交换机的基本概念 （1）交换机端口类型与参数 ①单/多MAC地址。 ②专用端口和共享端口。 ③端口密度。 ④高速端口。 ⑤管理端口。 ⑥其他连接端口。

有关交换机的基本概念 （2）背板带宽： （3）MAC地址与支持MAC地址的数量 交换机的“背板带宽”又称“背板吞吐量”类 似于电脑主板上的总线，是交换机接口处理器或接 口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。 （3）MAC地址与支持MAC地址的数量 ① MAC地址的作用。 ② MAC地址的组成：由12位16进制数（0−F） 表示，共用48个二进制位；其中的前24位标识网卡 的生产厂商，后24位是网卡的序列号。

交换机的分类 （1）按照外型分类 （2）按照网络技术进行的交换机分类 （3）按照应用规模选择交换机 交换机按照其所适应的网络规模，由 小到大依次为：桌面交换机、工作组交换 机、骨干（部门）交换机和企业交换机。 三级交换式网络的应用结构如图5-12所示：

图5-12 千兆位三级交换式网络

3. 交换机的分类 4.选择交换机的要点 桌面型交换机 工作组交换机 部门交换机 校园网（骨干）交换机 企业交换机 在选择交换机时，可以从“技术的角度”、“应 用规模”和“品牌角度”等3个方面进行选择。

5. 局域网交换机的主要指标 常见的描述交换机容量性能的指标有： 交换容量(Gb/s) 背板带宽(Gb/s) 处理能力(Mb/s) 5. 局域网交换机的主要指标 常见的描述交换机容量性能的指标有： 交换容量(Gb/s) 背板带宽(Gb/s) 处理能力(Mb/s) 吞吐量(Mb/s) 建议用户抓住一个指标，如满足配置时的吞 吐量(Mb/s)。此外，局域网交换机的最主要的 指标还有端口的配置、数据交换能力和信息帧 （包）的交换速度等。

5.4 网络层的互联设备 5.4.1 网络层设备概述 网络层设备主要有第三层交换机和路由器，它们 都工作在OSI模型的第3层“网络层”。 1. 理论作用 这层设备不但能读懂第3层“数据分”头部的IP 地址信息；还能根据手动或自动建立起的“路由表” 选择最佳路径，并进行数据分组的路由。这层设备 丢弃收到的广播信息，因此，可以将广播信息隔离 在端口连接的网段内部。

实际应用 ① 网络互连； ② 网络管理； ③ 其他作用：提高子网的传输性能、安全 性、可管理性及保密性能的作用。 在网络中，路由器和第三层交换机都是一个 软件和硬件的综合系统；在TCP/IP网络中，它们 的主要任务是负责不同IP子网之间的数据包的转发。 实际中的作用如下： ① 网络互连； ② 网络管理； ③ 其他作用：提高子网的传输性能、安全 性、可管理性及保密性能的作用。

3. 冲突域和广播域 网络层设备主要用于互联，互联的网络结 点一般处于多冲突域。另外，第三层设备 丢弃所有的广播信息，因此，互联的网络 分别处于不同的广播域。 例如：当一个4口路由器上连接有3个子 网时，其广播域为3；冲突域的多少还要根 据其具体连接的子网的网络设备的类型来 确定。

5.4.2 Internet接入的首选设备路由器 1. Router-路由器的基本概念 路由器的工作在OSI模型第三层（网络层） 上的，一种在网络中负责寻找最佳路径的数 据转发设备。 （1）路由器的定义 用来连接两个以上复杂网络的、具有路由 选择及协议转换的、可以进行有条件异种网 络互连的、工作在OSI参考模型第三层的网 络互连设备。

5.4.2 Internet接入的首选设备路由器 （2）什么是路由 （3）路由表 路由就是选择一条数据包传输路径的过程。在广 域网中，从一点到另一点通常有多条路径，每条路 径的长度、负荷和花费都是不同的。 （3）路由表 路由器的路由表中保存着所连接子网的状态 信息。路由器工作时，正是利用路由表来进 行路径选择。 静态（static）路径表。 ② 动态（dynamic）路径表。

5.4.2 Internet接入的首选设备路由器 2. 路由器的工作原理 根据路由表自动选择传输效率比较高的路径。 3.路由器具有的基本功能 （1）路由器的理论功能 ① 静态/动态路由选择功能。 ② 转发数据分组。 ③ 数据处理。 ④ 隔离通信：。 ⑤ 网络管理。 ⑥ 路径选择。

图5-13 路由器互联的多个远程局域网

路由器的分类 （1）近程路由器和远程路由器 （2）内部路由器和外部路由器 （3） “静态”路由器和“动态”路由器 （4）单协议路由器和多协议路由器 5. 路由器的应用特点 路由器最主要的功能是选择合适的路由，引导 网络通信。通过路由器发送数据的协议必须是专门 设计的可以支持路由选择的协议，即“可路由”协 议。

路由器的应用特点 （1）使用路由器的优点 ①能够合理的、智能化的选择最佳路径。 ②路由器可以把广播风暴信息隔离在源网络内。 ③多协议路由器可以连接使用不同通信协议的网络。 ④单协议路由器互联的网络。 ⑤使用路由器能够隔离不需要的通信，起到网络屏 障的作用。 ⑥路由器的网络分段功能，可以提高网络的性能， 减少主机的负担。 能够提供可靠传输、优先服务。

路由器的应用特点 （2）使用路由器的缺点 ①安装路由器时有许多初始配置。 ②与网桥不同，路由器是与协议相关。 ③使用较多的时间进行处理，致使网络传输 性能下降。 ④价格较高。 ⑤路由器不支持非路由协议。 ⑥需要专门的管理员。

路由器在实际网络连接中的作用 （1）延伸距离 （2）将局域网连接到Internet （3）远程局域网间的互联 7. 小型企业网络使用调制解调器和路由器的 方案 （1）接入Internet 中小型企业网络使用路由器接入Internet 方案如图5-14所示。

图5-14 两级交换以太网通过有线宽带路由器接入Internet

（2） 远程互联与访问的解决方案 1)RAS远程访问服务 2) 小型局域网的RAS解决方案 3)大中型局域网的RAS解决方案 （2） 远程互联与访问的解决方案 1)RAS远程访问服务 RAS技术是指通将位于本地网络以外的计算机或 局域网，连接并访问本地网络及资源的技术。 2) 小型局域网的RAS解决方案 ①RAS连接的远程访问方式。 ②VPN连接的远程访问方式。 3)大中型局域网的RAS解决方案 通常使用专用的网络设备（远程访问路由器）来实 现远程局域网之间的互联，方案如图5-15。

5.5 网关 5.5.1 高层互联设备概述 网关（Gateway）工作在OSI七层模型的高三层， 即会话层、表示层和应用层的。网关具有协议的翻 译和转换的功能，因此又叫做网间协议转换器。 1. 网关的定义 网关通常是指用来连接使用不同协议网络的软 件，而不是指它的物理设备。软件网关一般是指安 装了网关软件的计算机、服务器或小型机等。复杂 的硬件高端网关，可能是硬件和软件集成在一起的 复杂设备。

5.5 网关（gateway） 2. 理论作用 3. 网关的应用 网关是一种复杂的网络连接设备，它可以支持不同 协议之间的转换，实现使用不同协议网络间的互连。 3. 网关的应用 ①实际作用：网关能够连接多个高层协议完全不同 的局域网和广域网，实现LAN-WAN互连，以及 LAN-Internet互连。 ② 互联条件：选择支持互联双方协议的网关。网 关则容许使用不同协议的网络互联。当前，大多使 用应用层网关进行互联。

5.5 网关（gateway） 4. 网关的类型与应用 （1）按照网关可以转换的协议数量分类 通常情况下，网关只能实现一种协议到另一 种协议的转换，而高端网关能够提供有限的几 种协议的转换功能；前者是“双边协议网关”， 后者是“多边协议综合性网关”。 在互连设备中，网关是最复杂的，没有一种 网关可以转换所有的协议。

5.5 网关（gateway） （2） 按照网关的应用类型分类 ①局域网协议转换网关：图5-16。 ②邮件网关。 ③支付网关。 ④CGI通用网关接口。 ⑤VOIP语音网关。 ⑥安全网关。 ⑦综合网关。 ⑧其他流行的网关：WAP（无线通讯协议）网关、 计费网关、媒体网关、防火墙/应用网关和短信网关。

5.5.2 网络连接设备的应用场合 何时使用中继器、网桥、交换机、网桥路由器、 路由器、网关？ 应根据实际情况及图5-17进行选择设计。一般， 互联涵盖OSI模型的层次愈少，功能就越简单，价 格也越便宜，速度也越快。 选择和设计网间互连设备的准则为，根据当时 的实际情况，并且兼顾未来的发展需要，根据需要 选择，以最低的成本达到最高的效益。

图5-17 OSI模型与网间互联设备