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计算机网络互连设备

数据在网络中是以"包"的形式传递的，但不同网络的"包",其格式也是不一样的。如果在不同的网络间传送数据，由于包格式不同，导致数据无法传送，于是网络间连接设备就充当"翻译"的角色，将一种网络中的"信息包"转换成另一种网络的"信息包".

信息包在网络间的转换，与OSI的七层模型关系密切。如果两个网络间的差别程度小，则需转换的层数也少。例如以太网与以太网互连，因为它们属于一种网络，数据包仅需转换到OSI的第二层(数据链路层)，所需网间连接设备的功能也简单(如网桥)；若以太网与令牌环网相连，数据信息需转换至OSI的第三层(网络层)，所需中介设备也比较复杂(如路由器)；如果连接两个完全不同结构的网络TCP/IP与SNA,其数据包需做全部七层的转换，需要的连接设备也最复杂(如网关)。

一、中继器(Repeater)

在一种网络中，每一网段的传输媒介均有其最大的传输距离，如细缆最大网段长度为185m,粗缆为500m,双绞线为100m,超过这个长度，传输介质中的数据信号就会衰减。如果需要比较长的传输距离，就需要安装一个叫做"中继器"的设备，如图1-15所示。中继器可以"延长"网络的距离，在网络数据传输中起到放大信号的作用。数据经过中继器，不需进行数据包的转换。中继器连接的两个网络在逻辑上是同一个网络。

图1-15  中继器

中继器的主要优点是安装简单、使用方便、价格相对低廉。它不仅起到扩展网络距离的作用，还可以将不同传输介质的网络连接在一起。中继器工作在物理层，对于高层协议完全透明。

二、集线器(HUB)

集线器是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。集线器主要以优化网络布线结构，简化网络管理为目标而设计的。集线器(HUB)是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。

通常集线器分为无源集线器、有源集线器和智能集线器。无源集线器只是把相近的多段媒体集中到一起，对它们所传输的信号不作任何处理，而且对它所集中的传输媒体，只允许扩展到最大有效传输距离的一半。有源集线器把相近的多段媒体集中到一起，而且对它们所传输的信号进行整形、放大和转发，并可以扩展传输媒体长度。智能集线器在具备有源集线器功能的同时，还具有网络管理和路径选择功能。

集线器(HUB)是对网络进行集中管理的最小单元，它只是一个信号放大和中转的设备，不具备自动寻址能力和交换作用，由于所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口，因而容易形成数据堵塞。集线器(HUB)源于早期组建10BASE-T网络时所使用的集成器。从HUB的作用来看，它不属于网间连接设备，而应叫做网络连接设备。因此它与前面介绍的网桥、路由器、网关等不同，不具备协议翻译功能，而只是分配带宽。例如使用一台N个端口的HUB组建10BASE-T Ethernet网，每个端口所分配的带宽是10Mbps/N.

以集线器为结点中心的优点是：当网络系统中某条线路或某结点出现故障时，不会影响网上其他结点的正常工作，这就是集线器刚推出时与传统的总线网络的最大的区别和优点，因为它提供了多通道通信，大大提高了网络通信速度。

然而随着网络技术的发展，集线器的缺点越来越突出：用户带宽共享，使带宽受限；其广播方式，易造成网络风暴；其非双工传输，使网络通信效率低。正因如此，尽管集线器技术也在不断改进，但实质上就是加入了一些交换机技术，目前集线器与交换机的区别越来越模糊了。随着交换机价格的不断下降，集线器仅有的价格优势已不再明显，它的市场越来越小，已处于淘汰的边缘。尽管如此，集线器对于家庭或者小型企业来说，在经济上还是有一点诱惑力的，特别是应用于家庭几台机的网络中。

三、网桥(Bridge)

当一个单位有多个LAN,或一个LAN由于通信距离受限无法覆盖所有的结点而不得不使用多个局域网时，需要将这些局域网互连起来，以实现局域网之间的通信。这样就扩展了局域网的范围，扩展局域网最常见的方法是使用网桥。图1-16给出了一个网桥的内部结构要点。最简单的网桥有两个端口，复杂些的网桥可以有更多的端口。网桥的每个端口与一个网段(这里所说的网段就是普通的局域网)相连。在图中所示的网桥，其端口1与网段A相连，而端口2则连接到网段B.

图1-16  网桥

网桥从端口接收网段上传送的各种帧。每当收到一个帧时，就先存放在其缓冲区中。若此帧未出现差错，且欲发往的目的站地址属于另一个网段，则通过查找站表，将收到的帧送往对应的端口转发出去。否则，就丢弃此帧。因此，仅在同一个网段中通信的帧，不会被网桥转发到另一个网段去，因而不会加重整个网络的负担。例如，设网段A的三个站的地址分别为①，②和③，而网段B的三个站的地址分别为④，⑤和⑥。若网桥的端口1收到站①发给站②的帧，通过查找站表，得知应将此帧送回到端口1.但这表明此帧属于同一个网桥上通信的帧，于是丢弃此帧。若端口1收到站①发给站⑤的帧，则在查找站表后，将此帧送到端口2转发给网段B,然后再传送给站⑤。

最常见的网桥有透明网桥和源站选路网桥。透明网桥是由各网桥自己来决定路由选择，而局域网上的各站都不管路由选择，这种网桥的标准是IEEE 801.1(D)或ISO 8801.Id."透明"是指局域网上的每个站并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，而网桥对各站来说是看不见的。透明网桥在收到一个帧时，必须决定是丢弃此帧还是转发此帧，若转发此帧，则应根据网桥中的站表来决定转发到哪个局域网。透明网桥的最大优点就是容易安装，一接上就能工作。但是，网桥资源的利用还不充分。因此，支持IEEE801.5令牌环形网的分委员会就制订了另一个网桥标准，这就是由发送帧的源站负责路由选择，即源站选路(source routing)网桥。源站选路网桥假定了每一个站在发送帧时都已清楚地知道发往各个目的站的路由，因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。

使用网桥可以带来如下好处：

(1)过滤通信量。网桥可以使局域网的一个网段上各工作站之间的通信量局限在本网段的范围内，而不会经过网桥流到其他的网段去。

(2)扩大了物理范围，也增加了整个局域网上工作站的最大数目。

(3)可使用不同的物理层，可互连不同的局域网。

(4)提高了可靠性。如果把较大的局域网分割成若干较小的局域网，并且每个小的局域网内部的通信量明显地高于网间的通信量，那么整个互连网络的性能就变得更好。

当然，网桥也有不少缺点，例如：

(1)由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才转发，这就增加了时延。

(2)在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上负荷很重时，可能因网桥缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。

(3)具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，以适合另一个MAC子层的要求，这也需要耗费时间。

(4)网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会产生较大的广播风暴。

四、交换机(Switch)

传统的HUB虽然有许多优点，但分配给每个端口的频带太低了(10Mbps/N)。为了提高网络的传输速度，根据程控交换机的工作原理，设计出了交换式集线器，如图1-19所示。

图1-19 交换机示意图

交换机提供了另一种提高数据传输速率的方法，且这种方法比FDDI 、ATM的成本都要节省许多，交换机能够将以太网络的速率提高至真正的10Mbps或100Mbps.目前这种产品已十分成熟，在高速局域网中，已成为必选的设备。

传统式集线器实质上是把一条广播总线浓缩成一个小小的盒子，组成的网络物理上是星形拓扑结构，而逻辑上仍然是总线型的，是共享型的。集线器虽然有多个端口，但同一时间只允许一个端口发送或接收数据；而交换机则是采用电话交换机的原理，它可以让多对端口同时发送或接收数据，每一个端口独占整个带宽，从而大幅度提高了网络的传输速率。？

例如一台8口的10Base-T HUB,每个端口所分配到的带宽为10Mbps/8=1.25Mbps;如果是一台8口的10Base-Switch,同一时刻可有4个交换通路存在，也就是说可以有4个10Mbps的信道，有4对端口进行数据传输，4个端口分别发送10Mbps的数据，另外4个端口分别接收10Mbps的数据。这样每个端口所分配到的带宽为10Mbps,在理想的满负荷状态下，整个交换机的带宽为10Mbps×8=80Mbps.

五、路由器(Router)

当两个不同类型的网络彼此相连时，必须使用路由器。例如LAN  A是Token Ring,LAN

B是Ethernet,这时你就可以用路由器将这两个网络连接在一起，如图1-17所示。

图1-17 路由器

路由器和网桥进行比较。表面上看，两者均为网络互联，似乎是同一件事情。但两者最本质的差别在于网桥的功能是发生在OSI参考模型的第二层(链路层)，而路由器的功能发生在第三层(网络层)。由于路由器比网桥高一层，因此智能性更强。它不仅具有传输能力，而且有路径选择能力。当某一链路不通时，路由器会选择一条好的链路完成通信。另外，路由器有选择最短路径的能力。 由于路由器的复杂化，其传输信息的速度比网桥要慢，比较适合于大型、复杂的网络连接，也就是说，网桥在把数据从源端向目的端转发时，仅仅依靠链路层的帧头中的信息(MAC地址)作为转发的依据。而路由器除了分析链路层的信息外，主要以网络层包头中的信息(网络地址)作为转发的依据，但会耗去更多的CPU时间，所以路由器的性能从这个意义上讲可能不如网桥。但是正是因为其转发依赖网络协议更高层的信息，所以可以进一步减少其对特定网络技术的依赖性，扩大了路由器的适应范围。再则路由器具有的广播包抑制和子网隔离功能，网桥是不可能具备的。正是这样一种情况使得路由器得到了广泛的应用。

路由器根据分类方法的不同可分为近程路由器和远程路由器；内部路由器和外部路由器；"静态"路由器和"动态"路由器；单协议路由器和多协议路由器等。路由器在工作时需要存在初始的路径表，它使用这些表来识别其他网络，以及通往其他网络的路径和最有效的选择方法。路由器与网桥不同，它并不是使用路径表来找到其他网络中指定设备的地址，而是依靠其它的路由器来完成此任务。也就是说，网桥是根据路径表来转发或过滤信息包，而路由器是使用它的信息来为每一个信息包选择最佳路径。静态路由器需要管理员来修改所有网络的路径表，它一般只用于小型的网间互连；而动态路由器能根据指定的路由协议来完成修改路由器信息。使用这些协议，路由器能自动地发送这些信息，所以一般大型的网间连接均使用动态路由器。路由器能够在多个网络和介质之间提供网络互连能力，但路由器并不要求在两个网络之间维持永久的连接。与网桥不同，路由器仅在需要时建立新的或附加的连接，用以提供动态的带宽或拆除空闲的连接。此外，当某条路径被拆除或因拥挤阻塞时，路由器提供一条新路径。路由器还能够提供传输的优先权服务，给每一种路由配置提供最便宜或最快速的服务，这些功能都是网桥所没有的。

六、网关(Gateway)

当连接两个完全不同结构的网络时，必须使用网关。例如Ethernet网与一台IBM的大型主机相连，必须用网关来完成这项工作。如图1-18所示。

图1-18 网关

网关不能完全归为一种网络硬件。用概括性的术语来讲，它们应该是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。特别要说明的是，它们可以使用不同的格式、通信协议或结构连接起两个系统。网关实际上通过重新封装信息以使它们能被另一个系统读取。为了完成这项任务，网关必须能够运行在OSI模型的几个层上。网关必须同应用通信，建立和管理会话，传输已经编码的数据，并解析逻辑和物理地址数据。

网关可以设在服务器、微机或大型机上。由于网关具有强大的功能并且大多数时候都和应用有关，它们比路由器的价格要贵一些。另外，由于网关的传输更复杂，它们传输数据的速度要比网桥或路由器低一些。正是由于网关较慢，它们有造成网络堵塞的可能。然而，在某些场合，只有网关能胜任工作。常见的网关有：

电子邮件网关：该网关可以从一种类型的系统向另一种类型的系统传输数据。例如，电子邮件网关可以允许使用Eudora电子邮件的人与使用Group Wise 电子邮件的人相互通信。

IBM主机网关：这种网关可以在一台个人计算机与IBM大型机之间建立和管理通信。

互联网网关：该网关允许并管理局域网和互联网间的接入，可以限制某些局域网用户访问互联网，反之亦然。

局域网网关：这种网关可以使运行于OSI模型不同层上的局域网网段间相互通信。路由器甚至只用一台服务器就可以充当局域网网关。局域网网关也包括远程访问服务器。它允许远程用户通过拨号方式接入局域网。

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