《计算机网络技术基础教程》课件-第4章

第4章计算机网络互连及设备4.1网络互连的基本知识4.2网络传输介质4.3网络互连设备4.4网络接入设备 4.1网络互连的基本知识

4.1.1网络互连的概念及要求

1．网络互连的概念

所谓网络互连，就是利用网络互连设备、网络接入设备，将两个或者两个以上具有独立自治能力的计算机网络连接起来，组成地域覆盖范围更大、功能更强的网络，达到共享网络资源的目的，以容纳更多的用户。

20世纪90年代以来，局域网迅速发展并被广泛地应用，许多单位和部门都建立了局域网。但是，如果没有网络互连技术的支持，用于信息传输的计算机网络也会形成一个个“信息孤岛”。因此，网络互连是计算机网络发展到一定阶段的必然结果。在网络互连中，需要解决在网络设备接口、网络协议、网络体系结构和网络操作平台等方面存在的差异，实现网络的“互连”、“互通”和“互操作”。

(1)互连是指在两个网络之间至少有一条物理上的连接线路，为两个网络的数据交换提供物质基础。

(2)互通是指在两个网络之间建立端到端的链路，屏蔽各通信子网在网络协议、服务类型和网络管理方面的差异，提供不同网络之间传送数据时的寻址和路径选择等基本功能。

(3)互操作是指在网络中不同计算机系统之间网络用户可以透明地访问对方资源的能力，在NetWare、WindowsServer2003、UNIX和Linux等不同的网络操作系统之间，通过TCP/IP协议实现互操作。

2．网络互连的要求

为了保证网络互连可以顺利地进行，实施网络互连时通常应当满足以下要求。

(1)设计连接两个网络的互连设备时，不要轻易要求修改其中一个网络的网络结构、协议、硬件和软件。不同的子网在诸多方面存在差异，具体表现在寻址、信息传送、访问控制、连接方式等几个方面。网络互连为了提供不同子网之间的网络通信，必须采取措施以屏蔽或者容纳这些差异。

(2)不能因为要提高网络之间的传输性能而影响各个子网内部的传输功能和传输性能。4.1.2网络互连要解决的问题

网络互连还应当考虑和解决以下问题。

1．互连的层次问题

在OSI模型的哪一层提供网络互连的链路是首先要考虑的问题，它涉及到网络互连的各个方面。

2．寻址问题

不同的子网具有不同的命名方式、地址结构，网络互连应当可以提供全网寻址的能力。

3．信息传送问题

网络互连可以在OSI模型的不同层进行，各层传送信息的格式不同。例如，物理层传送的是比特流，数据链路层传送的是数据帧，网络层传送的是数据分组等等。

实行网络互连时，对应不同的子网，传送的信息是不同的。例如，在网络层实现网络互连，对应不同的子网，分组的称呼、长度、格式和对各种分组的处理时序会有所不同，互连的网络应当具有解决这种分组长度不兼容的能力。

4．访问控制问题

不同的子网采用了不同的访问控制方法，例如以太网采用CSMA/CD，令牌总线和令牌环采用令牌控制等，并由此而引出各种时间的限制，如CSMA/CD中的冲突检测时间，以及各种网络协议中的传输确认的等待时间等。如何使得这些采用不同访问控制的网络可以彼此协调，共存于同一个“大”的网络中，是网络互连必须解决的又一个问题。

5．连接方式问题

不同的网络可能采用不同的连接方式，例如，X.25网络通常采用面向连接的信息传输，而大多数局域网又提供面向无连接的服务，因此互连网络提供的服务应当屏蔽这样的差异。

其他应当考虑的因素还包括不同子网的差错恢复机制对全网的影响，不同子网用户的接入限制、记账服务、通过互连设备的路由选择和网络流量控制等。4.1.3网络互连的类型

根据不同的标准，网络互连可划分成不同的类型。

1．局域网—局域网互连

在实际应用中，局域网与局域网互连是最常见的一种类型，可分为同种局域网互连和异种局域网互连两种。

1)同种局域网互连

同种局域网的互连是指使用相同协议的局域网之间的互连，如两个Ethernet网络的互连或者是两个TokenRing网络的互连，都属于同种局域网互连。这种互连比较简单，一般使用网桥就可以将分布在不同地理位置的多个局域网互连起来。

2)异种局域网互连

异种局域网的互连是指两种使用不同协议的共享介质局域网的互连，如一个Ethernet网络和一个TokenRing网络的互连，就属于异种局域网互连。异型局域网也可以用网桥互连起来。

2．局域网—广域网互连

局域网与广域网互连是目前常见的方式之一，路由器或网关是实现局域网与广域网互连的主要设备。

3．局域网—广域网—局域网互连

两个分布在不同地理位置的局域网通过广域网互连，也是常见的方式之一，主要设备是路由器或网关。

局域网通过广域网互连的结构正在改变传统的主机通过广域网中的通信处理机的传统接入模式，大量的主机通过局域网接入广域网是今后主机接入广域网的一种重要方法。

4．广域网—广域网互连

广域网互连可以通过路由器或网关互连起来，并可以使连入各个广域网的主机资源能够相互共享。4.1.4网络互连的层次

网络协议是分层的，在网络的不同层次上可以实现不同目标的网络互连，也决定了网络互连设备所具有的层次和复杂程度。实现网络互连的层次越高，则互连设备就越复杂。

在互连网络中所使用的网络互连设备，ISO称之为中继系统。中继系统与OSI参考模型的对应关系如图4-1所示。图4-1中继系统与OSI参考模型的对应关系网络协议是分层的，所以网络互连也存在层次问题，下面分别介绍网络互连的各个层次。

1．物理层互连

在物理层实现网络互连的设备是中继器和集线器，这是最低层次的网段互连方式。中继器和集线器都对传输的信号具有放大、整形作用，可以延长网络段的距离。

2．数据链路层互连

在数据链路层实现局域网互连的设备是网桥和第2层交换机。网桥在网络互连中起到数据的接收、地址过滤和数据转发的作用，它用来实现多个网络系统之间的数据交换。

用网桥和第2层交换机实现数据链路层互连时，互连网的数据链路层与物理层的协议可以相同也可以不同。

3．网络层互连

在网络层实现网间互连的设备是路由器和第3层交换机。路由器和第3层交换机在网间互连中的作用是路由选择、差错处理、流量控制和拥塞控制等。

如果网络层协议相同，则互连网主要是解决路由选择问题。如果网络层协议不相同，则需要使用多协议路由器。

4．高层互连

传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连，实现高层互连的设备是网关。网关在高层互连中的作用是网络协议的转换，提供不同网络体系之间的互连接口。

使用网关实现两个网络高层互连时，允许两个网络的应用层及以下各层网络协议是不同的。 4.2网络传输介质

4.2.1有线传输介质

1.同轴电缆

1)同轴电缆的结构

同轴电缆由四部分组成，其结构如图4-2所示。

(1)中心导线：位于电缆中心，为实心或绞合成一股的铜导线，用于传输电信号。

(2)绝缘层：位于中心导线的外层，用来隔离中心导线与屏蔽层。

(3)屏蔽层：环绕绝缘层的金属网或金属箔，一方面用来接地线，另一方面用来屏蔽线缆外的电磁干扰和减小内部信号的辐射。同轴电缆这一名称的来源是因为中心导线和屏蔽金属网具有同一轴心。

(4)护套：保护线缆免受外部的损坏及加强线缆的强度。图4-2同轴电缆的结构

2)同轴电缆的分类及特性

同轴电缆适用于点到点和多点通信线路，广泛用于有线电视网和计算机局域网。宽带网络传输距离可达几十千米，高速的数字传输或模拟传输(50Mb/s)距离约为1km范围。同轴电缆的类型如表4-1所示。■基带同轴电缆

表4-1中所列的50Ω电缆，由于多用于基带传输，因此也叫基带同轴电缆。基带同轴电缆主要用于数字传输，数据传输速率可达20Mb/s。

基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆。粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆直径的大小。粗缆适用于比较大型的局部网络，其传输距离长、可靠性高。由于粗缆安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆，安装难度大，总体造价高。相反，细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上BNC网络连接头，然后接在T形连接器两端，所以当接头多时容易产生接触不良的隐患，这是目前运行中的以太网的最常见故障之一。为了保持同轴电缆的正确电气特性，电缆屏蔽层必须接地，同时两头要有终端器来削弱信号的反射作用。无论是粗缆还是细缆均可用于组建总线拓扑结构，即一根电缆上接多台机器，这种拓扑结构适用于机器密集的环境。但是，当一结点发生故障时，故障会串联影响到整根电缆上的所有机器，故障的诊断和修复都很麻烦。因此，同轴电缆将逐步被非屏蔽双绞线和光缆取代。■宽带同轴电缆

在计算机网络中，宽带电缆指使用模拟信号进行传输的电缆，可用于频分多路复用模拟信号的传输，也用于数字信号的传输。宽带同轴电缆比基带同轴电缆传输速率高，距离远，可达几十千米，但成本较高。

3)同轴电缆的连接器

BNC连接器用于连接、扩充或终结同轴电缆网络，其有以下四种类型。

(1) BNC连接器。用于RG-58A/U细缆的连接，如图4-3(a)所示。BNC接头由三部分组成，即接头、探针和金属套环。固定在电缆中心的探针用于细缆导体与其他插件的紧密结合，金属套环用于将接头与细缆屏蔽地线牢固地固定在一起。BNC插座上有一对凸出的卡榫，BNC接头的凹槽对正卡榫插入，然后顺时针旋转螺纹部分，即可将接头与插座固定。

(2) BNC桶形连接器。用来连接主干段同轴电缆，如图4-3(b)所示。

(3) BNCT形连接器。T形连接器的两个直通端用来连接主干段同轴电缆，T形连接器的分支端用来连接主干电缆与网络接口卡，如图4-3(c)所示。

(4) BNC终结器。终结器是与网络电缆相匹配的电阻，安装在主干电缆的两端，其中一端的终结器必须接地，如图4-3(d)所示。图4-3BNC连接器

(a) BNC连接器(b) BNC桶形连接器(c) BNCT形连接器(d) BNC终结器

2.双绞线

1)双绞线结构

双绞线是按一定规则旋绕在一起的两根绝缘铜线(也称线对)，如常见的电话线等。把电线双绞起来的目的是减少线对之间的电磁干扰。在传输系统中，通常把许多这样的线对捆在一起，再包上保护套形成一条双绞线电缆，如图4-4所示。图4-4双绞线的结构与其他传输介质相比，双绞线在抗电磁干扰、传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定的限制，但其价格较为低廉，易于安装，主要用于局域网中。双绞线可传输数字信号和模拟信号，当用于传输数字信号时，其传输速率与电缆的长度有关，传输距离可达数百米。

2)双绞线的分类及特性

目前，双绞线分为屏蔽式和非屏蔽式两种类型。

■屏蔽式双绞线(STP)

屏蔽式双绞线具有抗电磁干扰能力强、传输质量高等优点，但它也存在接地要求高、安装复杂、成本高的缺点。因此，屏蔽式双绞线的实际应用并不普遍。

■无屏蔽式双绞线(UTP)

无屏蔽式双绞线具有成本低、易弯曲、易安装、适于结构化布线等优点，在一般的局域网建设中被普遍采用，但它也存在传输时有信息辐射、容易被窃听的缺点。无屏蔽式双绞线又可分为以下基本类型：

● 1类：包括两个线对，数据传输速率为20kb/s，适用于话音通信，不宜作数据传输。

● 2类：包括四个线对，数据传输速率可以达到4Mb/s，适用于集团电话和告警系统。

● 3类：包括四个线对，在带宽为16MHz时，数据传输速率最高可达10Mb/s，阻抗为100Ω，适用于10Base-T和4Mb/s令牌环网，逐渐被5类线取代。

● 4类：最大带宽为20MHz，能提供更多的保护以防止串扰和衰减，其余同3类线。● 5类：包括四个线对，数据传输速率可达100Mb/s，阻抗为100Ω，适用于100Mb/s快速以太网和FDDI等高速协议。

●超5类：是5类线的更高级别的版本，它包括高质量的铜线，能提供一个高的缠绕率，并使用先进的方法以减少串扰，而且超5类线能支持高达200MHz的信号带宽，是常规5类线容量的两倍。

● 6类：包括四对线对，每对电线被箔绝缘体包裹，另一层箔绝缘体包裹在所有电线对的外面，同时还有一层防火塑料封套包裹在第二层箔层外面。箔绝缘体对串扰提供了较好的阻抗，从而使得6类线支持的吞吐量是常规5类线吞吐量的六倍，目前应用较少。

3.光纤

1)光纤的结构

光纤是能够传输光束的通信媒体，目前发展最为迅速，而且应用广泛。光纤一般是由双层的同心圆柱体组成，中心部分有一根或多根纤芯，纤芯通常是由石英玻璃拉成细丝，纤芯以外的部分为包层，其结构如图4-5所示。图4-5光纤的结构光纤的纤芯用来传导光波，包层有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。如果折射角足够大，就会出现全反射，光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光就会沿着光缆传输下去。

光纤在两点之间传输数据时，在发送端要具备光发机，在接收端要置有光收机。光发机主要是将计算机内部的数字信号转换成光纤可以接收的光信号，光收机主要是将光纤上的光信号转换成计算机可以识别的数字信号。

2)光纤的分类及特性

光纤分单模和多模两种。单模光纤采用激光光源，光线与芯轴平行，频带宽，损耗小，传输距离远，只能传输一种光信号。多模光纤的光源是发光二极管，光线与芯轴成一定角度，频带窄，衰减大，传输距离近，可传输多个光信号。常用的光纤有：

(1) 8.3μm芯/125μm外层的单模光纤。

(2) 62.5μm芯/125μm外层的多模光纤。

(3) 50μm芯/125μm外层的多模光纤。

(4) 100μm芯/140μm外层的多模光纤。光纤的传输性能高于双绞线和同轴电缆，但成本较高，在计算机网络中主要用于主干线。光纤的主要特点如下：

(1)传输速率高，在10km的范围内可达到2Gb/s，远远大于其他介质。

(2)误码率低，一般小于10－9。

(3)抗干扰性强，不受外界电磁场的影响。

(4)安全无辐射，难以窃听，保密性好。

(5)尺寸小，重量轻，弯曲性能好。4.2.2无线传输介质

1．微波

微波信道又分为地面微波信道和空间微波信道。

1)地面微波信道

地面微波信道通常称为微波。微波是一种频率很高的电磁波，其频率范围为300MHz～300GHz，主要使用的是2～40GHz的频率范围。采用微波信道进行通信的特点如下：

(1)只能进行可视范围内的通信。

(2)大气对微波信号的吸收与散射影响较大。鉴于上述特点，微波用于不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百kb/s。微波在地面的直线传输距离与微波的收发天线的高度有关，天线越高，传输距离就越远，通常用于几千米范围内。

地面微波一般按直线传输，受各种因素的影响，微波在传输时也有不同程度的衰减和损耗，因此在远距离传输时，要在微波信道的两个端点之间建立若干个中继站。经过多个中继站的“接力”，信息就被从发送端传输到接收端。

在互连网中，微波信道有时与有线介质混用，具有频带宽、信道容量大、初建费用低、建设速度快、应用范围广的优点，但是微波传输的保密性和抗干扰性能较差。

2)空间微波信道

空间微波信道也称为卫星信道，使用人造地球卫星作为微波中继器。商用通信卫星通常被定位在3.6万千米的同步轨道上，但也有中低轨道的小卫星通信。采用卫星信道进行通信的特点如下：

(1)适合长距离的传输。

(2)传输延时较大，一般为500ms左右。

(3)费用较高。每个同步卫星可覆盖地球的1/3表面。卫星通信的地面站使用小口径天线终端设备VSAT来发送和接收数据，国内很多证券公司显示的证券行情都是通过VSAT接收的卫星通信广播信息，证券的交易信息则是通过延迟小的数字数据网DDN专线或分组交换网进行转发。在VSAT中，信息处理、业务的自适应、网络的控制与检测等，都由计算机操作控制，可提供包括音频、数据、图像和电视等综合服务。

卫星信道具有通信容量大、传输距离远的优点，但是其一次性投资大，而且易受天气影响。

2．红外线与激光

红外线对环境气候较为敏感，一般用于室内通信。如组建室内的无线局域网，用于便携机之间相互通信，这时便携机和室内都必须安装全方向性的红外发送和接收装置。由于红外线不能穿透固体障碍物，因此不同房间内的红外通信系统不会相互干扰，而且具有很好的安全性。

在建筑物顶上安装上激光收发器，就可以利用激光连接两个建筑物中的局域网。由于激光具有很好的方向性，因此相邻系统间不会相互干扰。激光通信的缺点是容易受环境气候的影响，在雨天和有浓雾时不能正常工作。 4.3网络互连设备

4.3.1中继器

中继器(Repeater)又称重发器，它在物理层实现互连，是一种最简单的网络互连设备，用于对局域网的覆盖范围进行扩充，如图4-6所示。图4-6用中继器连接两个网段信号在传输电缆上传送时会产生损耗，致使信号的功率逐渐减弱。当信号衰减到一定程度时会造成信号失真，导致传输错误。中继器就是为解决这个问题而设计的，其主要任务是接收一端电缆上的信号，对衰减的信号进行放大并重新生成该信号，让信号与原数据保持相同，以达到延伸电缆长度的目的。但延伸是有限的，中继器只能在规定的信号延迟范围内进行有效的工作。例如，在10Base-5粗缆以太网的组网规则中规定，每个电缆段的最大长度为500m，最多可用4个中继器连接5个电缆段，延长后的最大网络长度为2500m。中继器具有以下特性：

(1)中继器仅作用于物理层，只具有简单的放大、再生物理信号的功能，不执行任何操作，不需要任何的智能与算法。

(2)由于中继器主要完成物理层功能，所以中继器只能连接相同的局域网。也就是说，用中继器互连的局域网应具有相同的协议和速率。

(3)中继器可以连接相同传输介质的同类局域网，也可以连接不同传输介质的同类局域网。

(4)用中继器连接的局域网在物理上是一个网络，也就是说中继器可以把多个独立的物理网络连成为一个大的物理网络。

(5)由于中继器在物理层实现互连，所以它对物理层以上各层协议完全透明，支持数据链路层及其以上各层的任何协议。4.3.2集线器

集线器(Hub)可以说是一种特殊的中继器，作为网络传输介质间的中央结点，是对“共享介质”总线型局域网结构的一种改进。用集线器作为以太网中的中心连接设备时，所有的结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样的以太网在物理结构看是星型结构，但它在逻辑上仍然是总线型结构，并且在MAC层仍然采用的是CSMA/CD介质访问控制方法。当集线器接收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通过广播方式转发到其他的连接端口。集线器有多种分类方式，常见的有无源集线器、有源集线器和智能集线器。

(1)无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号做任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半。

(2)有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能。

(3)智能集线器除具有有源集线器的功能外，还具有以下功能：支持多种协议与媒体，并具有不同类型的端口，可以连接不同类型的网络；加入了符合简单网络管理协议(SNMP)的管理功能，可以实现对服务器、工作站和集线器等集中管理；增加了线路交换功能和网络分段方式，提高了传输带宽，构成以星型结构为主的网络拓扑结构。

按照集线器是否能够堆叠又可以分为切换式、共享式和可堆叠式集线器。

(1)切换式集线器重新生成每一个信号并在发送前过滤每一个包，而且只将其发送到目的地址。

(2)共享式集线器所有连接点共享网络带宽，它不过滤或重新生成信号，所有与之相连的站点必须以同一速度工作，所以共享式集线器比切换式集线器价格便宜。

(3)当连网结点数超过单一集线器的端口数时，只能采用多集线器的级联方法来扩充。可堆叠式集线器由一个基础集线器与多个扩展集线器组成，通过在基础集线器上堆叠多个扩展集线器，可以很方便地扩充连网的结点数。例如，当6个8口的集线器级联在一起时，相当于一个48端口的集线器。集线器实质上是多端口中继器，它是结构化布线系统的基础。结构化布线系统使网络管理员可以轻松地重新配置网络，分配用户，连接不同的局域网系统。新一代的集线器应基于模块化设计，可以支持中继器、网桥和路由器的混合体系结构，通过智能管理模块来提供性能统计和提高网络系统容错的灵活性。4.3.3交换机

交换机(Switch)是集线器的升级换代产品，从外观上来看，交换机和集线器在外型上非常相似，而且都遵循IEEE802.3及其扩展标准，介质存取方式也均为CSMA/CD，但是工作原理上两者有着根本的区别。由集线器构建的网络称之为共享式网络，在同一时刻只能有两个端口(接收数据的端口和发送数据的端口)进行通信，所有的端口分享固有的带宽。而由交换机构建的网络称为交换式网络，每个端口都能独享带宽，所有端口都能够同时进行通信，并且能够在全双工模式下提供双倍的传输速率。通过交换机构成的以星型结构为主的网络拓扑结构如图4-7所示。图4-7以交换机为中心结点的星型拓扑结构

1．交换机的工作原理

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵，交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上。控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的MAC地址对照表以确定目的MAC地址的网卡挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵直接将数据包迅速传送到目的结点，而不是所有结点。如果目的MAC地址不存在，才广播到所有的端口。

交换机可以自我“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中。当从一个端口发过来数据时，其中会含有目的MAC地址，交换机在保存在自己缓存中的MAC地址表中寻找与这个数据包中包含的目的MAC地址对应的结点，找到后便在这两个结点间架起一条临时性的专用数据传输通道，这两个结点便可以不受干扰地进行通信，使交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，防止传输冲突，提高了网络的实际吞吐量。典型的局域网交换机结构与工作过程如图4-8所示。图中的交换机有8个端口，其中端口1、2、4、7分别连接了结点A、B、C和D。交换机的“端口号/MAC地址映射表”可以根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系建立起来。例如，结点A要向结点C发送帧，结点D要向结点B发送帧，那么交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号，就可以为结点A到结点C建立端口l到端口4的连接，同时为结点D到结点B建立端口7到端口2的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。图4-8局域网交换机结构与工作原理如果交换机在发送数据时在“端口号/MAC地址映射表”中找不到对应帧目的地址的输出端口号，则会把该帧转发到除发送端口之外的所有端口上去。假如结点A要向结点C发送帧，而在“端口号/MAC地址映射表”中找不到相应的端口，此时交换机将把数据帧转发到除发送端口1之外的所有端口上去，当结点C响应结点A时，交换机就会在“端口号/MAC地址映射表”进行相应的记录，这样当结点A再次向结点C发送帧时，交换机根据“端口号/MAC地址映射表”中的记录就知道从4号端口把数据发送出去了。

2．交换机数据传输的特点

交换机数据传输的特点如下：

(1)数据传输效率高，只是对目的地址发送数据，一般来说不易产生网络堵塞。

(2)数据传输安全，因为它不是对所有结点都同时发送，发送数据时其他结点很难侦听到所发送的信息。

(3)使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。这样交换机就可以在同一时刻进行多个结点对之间的数据传输，每一结点都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有固定的一部分带宽，无需同其他设备竞争使用。综上所述，交换机的主要功能包括物理编址、错误校验、网络拓扑结构、帧序列以及流量控制。物理编址定义了设备在数据链路层的编址方式；错误校验向发生错误的上层协议发出警告；网络拓扑结构不但包括数据链路层的说明，而且定义了设备的物理连接方式；数据帧序列程序整理并传输除序列以外的帧；控制流程可以延缓数据的传输能力，以避免接收设备在某一时刻接收到了超过其处理能力的信息而崩溃。一些高档交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN(虚拟局域网)的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有路由和防火墙等功能。

局域网交换机从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌网交换机。4.3.4网桥

网桥(Bridge)又称网络桥接器，与交换机一样也是工作在OSI模型的第二层(数据链路层)。网桥能够将大范围的网络分成几个相互独立的网段或者将两个以上的局域网互连为一个逻辑局域网，使各网段之间可以通过网桥进行通信和访问。

网桥是在数据链路层上连接两个网络，不同类型的网络之间可以通过网桥连通，但是不同高层协议的网络之间是无法连接的。通过网桥对两个网络互连的结构示意图如图4-9所示。图4-9用网桥连接两个网络

1．网桥的基本功能

早期的网桥是为把那些具有相同物理层和MAC子层的局域网互连起来而设计的，后来也用于具有不同MAC协议的局域网的互连。网桥与中继器、集线器的主要区别在于：网桥可用于互连两个独立的子网，实现信息帧的存储/转发；而中继器仅用于同一子网的延伸，它转发所有的电气信号，实现信息位从一个网段到另一个网段的传送。

网桥提供智能化连接服务，可以根据数据帧的目的地址所处的网段进行帧的转发与滤除。当网桥接收到一个数据帧后，首先将它传送到数据链路层进行差错校验，然后再传送至物理层，通过物理层传输机制转发到另一个子网上。在转发帧之前，网桥对帧的格式和内容不做或只做很少的修改，如对数据链路层的帧头做一些改变，以进行数据链路层上的协议转换。

2．网桥的路径选择

1)透明网桥

透明网桥也称为学习型网桥或自适应网桥，该网桥内部动态地维护着结点的地址映射表数据库，根据该地址映射表，网桥决定收到的帧的转发。由于局域网的运行完全不受网桥的影响，因此被称为“透明”网桥。

透明网桥是用于以太网环境的网桥，它能连接不同传输介质、不同传输速率的以太网，适合于总线型(如以太网、令牌总线网)或树型结构的网络互连。透明网桥易于安装，在使用时不用做任何配置就能正常工作，是应用最为广泛的一种网桥。

2)源路选网桥

源路选网桥也称指定路径桥，是指源站知道所发帧到达目的站的路径。源路选网桥的原理来源于IBM的令牌环，由发送的源结点判断所发送的帧是送往本地子网，还是送给其他网络，并选择帧传输的确切路径。当源结点知道所发送的帧传输的确切路径时，可以直接传输。如果源结点不知道路径，则发送一个具有测试功能的广播帧，接到广播帧的网桥检查广播帧中的路由信息字段，如果本网桥号已经存在，不做任何处理，否则向路由信息字段中增加本网桥及端口信息，并将该帧转发到与之连接且网号未在帧中出现的其他子网。在信宿结点接到该测试帧后，向源发结点返回一个应答帧。应答帧中包含了所需的路径信息，并沿着测试帧途经的路径反向传递。由于广播的缘故，源结点可能会收到多个应答帧，通常是通过某种算法从中选择一条最佳路径。

源路选网桥的优点是可以获得最佳的路径，其缺点是测试帧的发送增加了网络的信息流量，有可能形成“广播风暴”，甚至可能导致网络拥塞现象的出现。源路选网桥主要用于连接802.5令牌环网。

3．网桥的其他功能及特点

网桥在转发帧的过程中，除了进行数据链路层上的协议转换，还具有以下功能和特点：

(1)地址过滤功能。利用网桥互连的网络可以容纳不同数据链路层的编址格式，因此网桥能够识别各种地址，并根据数据帧的信宿地址有选择地让数据帧穿越网桥。目前，很多网桥产品都添加了各种过滤功能，允许用户进行设置，以滤去不希望被转发的帧，而且可以单向地禁止对某个子网的访问，以确保网络的安全性。

(2)帧限制功能。网桥不对帧进行分段，只进行必要的帧格式转换，以适应不同的子网，超过信宿结点所在子网帧长度限制的帧将被网桥丢弃。因此，当采用网桥支持不同LAN之间的互连时，更高层的协议应当保证被传送的信息长度的一致性。帧限制功能也维护了各个子网的独立性，不允许控制帧和要求应答的信息帧穿越网桥。

(3)监控功能。网桥作为接入它的每个子网的一部分，参与对子网的监控和对信息帧的校验。因为网桥具有存储/转发的能力，而“存储”功能有利于网桥对被转发的帧进行差错校验，使有差错的帧不被转发到其他子网上。

(4)缓冲能力。网桥还具有一定的缓冲能力，以解决穿越网桥的信息量临时超载的问题。

(5)透明性。网桥的引入不应该影响原有子网的通信能力，不应产生信宿结点无法检测的差错。4.3.5路由器

路由器(Router)又称为选径器，是网络层互连设备，其互连网络的OSI模型如图4-10所示。图4-10路由器的体系结构

1．路由器的基本功能

1)路由选择

当两台连在不同子网上的计算机需要通信时，必须经过路由器转发，由路由器把信息分组通过互连网沿着一条路径从源端传送到目的端。在这条路径上可能需要通过一个或多个中间设备，如路由器。所经过的每台路由器都必须要知道怎么把信息分组从源端传送到目的端，需要经过哪些中间设备。为此，路由器需要确定到达目的端下一跳路由器的地址，也就是要确定一条通过互连网到达目的端的最佳路径，所以路由器必须具备的基本功能之一就是路由选择功能。所谓路由选择，就是通过路由选择算法确定到达目的地址(目的端的网络地址)的最佳路径。路由选择实现的方法是：路由器通过路由选择算法，建立并维护一个路由表。在路由表中包含着目的地址和下一跳路由器地址等多种路由信息。路由表中的路由信息告诉每一台路由器应该把数据包转发给谁，它的下一跳路由器地址是什么。路由器根据路由表提供的下一跳路由器地址，将数据包转发给下一跳路由器。通过一级一级地把包转发到下一跳路由器的方式，最终把数据包传送到目的地。当路由器接收一个进来的数据包时，它首先检查目的地址，并根据路由表提供的下一跳路由器地址，将该数据包转发给下一跳路由器。如果网络拓扑发生变化，或某台路由器产生失效故障，这时路由表需要更新。路由器通过发布广告或仅向邻居发布路由表的方法使每台路由器都进行路由更新，并建立一个新的、详细的网络拓扑图。网络拓扑图的建立使路由器能够确定最佳路径。目前，广泛使用的路由选择算法有链路状态路由选择算法和距离矢量路由选择算法。

2)数据转发

路由器能够完成数据分组的传送，即数据转发，通常也称数据交换。

在大多数情况下，互连网上的一台主机(源端)要向互连网上的另一台主机(目的端)发送一个数据包，可通过指定缺省路由(与主机在同一个子网的路由器端口的IP地址为缺省路由地址)等方法，源端计算机通常已经知道一个路由器的物理地址。源端主机将带着目的主机的网络层协议地址(如IP地址、IPX地址等)的数据包发送给已知路由器。路由器在接收了数据包之后，检查包的目的地址，再根据路由表确定它是否知道怎样转发这个包，如果它不知道下一跳路由器的地址，则将包丢弃。如果它知道怎么转发这个包，路由器将改变目的物理地址为下一跳路由器的地址，并且把包传送给下一跳路由器。下一跳路由器执行同样的交换过程，最终将包传送到目的端主机。当数据包通过互连网传送时，它的物理地址是变化的，但它的网络地址是不变的，网络地址一直保留原来的内容直到目的端。值得注意的是，为了完成端到端的通信，在基于路由器的互连网中的每台计算机都必须分配一个网络层地址(如IP地址)，路由器在转发数据包时，使用的是网络层地址。但是在计算机与路由器之间或路由器与路由器之间的信息传送，仍然依赖于数据链路层完成，因此路由器在具体传送过程中需要进行地址转换并改变目的物理地址。数据转发的操作流程如图4-11所示。图4-11路由器的数据转发

2．路由器的主要特点

由于路由器作用在网络层，因此它比网桥具有更强的异种网互连能力、更好的隔离能力、更强的流量控制能力、更好的安全性和可管理维护性，其主要特点如下：

(1)路由器有很强的异种网互连能力，它可以互连具有不同的MAC协议、传输介质、拓扑结构和传输速率的异种网。

(2)路由器有很强的广域网互连能力。路由器支持各种广域网的数据链路层协议，提供多种广域网标准接口，因此被广泛用于广域网接入和Internet接入。

(3)路由器具有很强的隔离广播信息的能力。路由器能够互连不同的逻辑子网，每一个子网都是一个独立的广播域，因此有效地防止了广播风暴的产生，同时起到改善网络性能，提高网络带宽的作用。

(4)路由器具有流量控制、拥塞控制等网络管理功能。路由器能够对不同速率的网络进行速度匹配，采用优化的路由算法来均衡网络负载，从而有效地控制拥塞，避免因拥塞而使网络性能下降，以保证分组的正确传输。

(5)路由器具有包过滤的初期防火墙功能。路由器在转发网络层数据分组过程中，能够基于网络层地址，根据网络管理员设置的过滤规则进行包过滤，防止黑客攻击和不允许的网络连接。

(6)对大型网络进行分段化，然后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和网络带宽的目的，而且便于网络的管理和维护，可以解决共享式网络的带宽问题。

目前，路由器已被广泛地用于网络互连，尤其是企业的内部网和外部网的互连。企业内部网采用交换机和集线器连接企业的各种计算机设备，并通过路由器与外部沟通，包括通过广域网和其他企业网以及Internet互连。

因为路由器的功能基本上是通过软件实现的，它进行存储/转发以及大量的分组格式转换和处理时，数据报文延迟较大，其效率会受到影响。另外，路由器安装比较复杂，价格高，有逐渐被三层交换机淘汰的趋势。4.3.6网关

网关(Gateway)又称为协议转换器。网关工作在OSI传输层及应用层，是实现应用系统级网络互连的设备。网关不能完全归为一种网络硬件，它可以是一个设备，也可以是一个主机中实现网关功能的某个软件。总之，网关应该是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。

网关最基本的功能是实现不同网络协议之间的转换。为了实现异构型设备之间的通信，网关要对不同的传输层、表示层、会话层和应用层协议进行转换和翻译。

网关具有强大的功能，并且大多数时候都和某些特定的应用有关，因此不可能有针对所有应用的通用型网关。网关分传输网关和应用网关两种：

(1)传输网关是在传输层连接两个网络的网关。利用传输网关，不同网络上的主机间可以建立起跨越多个网络的、级联的、点对点的传输连接。

(2)应用网关在应用层上进行协议转换。由于应用网关是应用系统之间的转换，所以网关一般只适合于某种特定的应用系统的协议转换。例如，一个主机执行的是ISO电子邮件标准，另一个主机执行的是Internet电子邮件标准，如果这两个主机需要交换电子邮件，那么必须经过一个电子邮件网关进行协议转换，这个电子邮件网关就是一个应用网关。 4.4网络接入设备

4.4.1网络接口卡

网络接口卡(NIC)被称为网络适配器，简称网卡，用于连接局域网中的计算机和传输介质，使工作站、服务器、打印机或其他结点通过网络介质接收并发送数据。

网卡只传输信号而不分析高层数据，它们属于OSI模型的物理层。网卡的主要功能是读入其他网络设备传输过来的数据包，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过主机板上的总线将数据传输到所需设备中。网卡也可以将PC设备发送的数据打包后输送到其他网络设备。

1．网卡的MAC地址

网卡不仅用于计算机之间通信使用的网络接口，将计算机内部的数据转换成物理介质可以传输的电信号，而且网卡还有自己的介质访问控制地址，即MAC地址。每个网卡的MAC地址烧录在网卡的ROM芯片中。MAC地址以6字节表示，前三个字节表示厂商代号，后3个字节为流水号。每个厂商都必须向IEEE登记注册，才能获得合法的、唯一的厂商代号。

数据链路层传输的是数据帧，每个帧都有一个源地址和一个目标地址，对方是否接收这个数据帧，只要看这个帧的MAC地址与对方的网卡的MAC地址是否相同即可。

2．网卡的分类

1)按照网卡按所支持的带宽分类

不同带宽的网卡应用于不同的网络环境，主要分为10Mb/s网卡、100Mb/s网卡、

10/100Mb/s自适应网卡、1000Mb/s网卡和10/100/1000Mb/s自适应网卡。其中10/100Mb/s自适应网卡可同时支持10Mb/s和100Mb/s的传输速率，10/100/1000Mb/s自适应网卡可同时支持10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s的传输速率。

随着网络技术的发展，网络带宽也在不断提高，目前客户端网卡主要采用10/100Mb/s自适应网卡。如果应用于服务器等产品领域，就要选择千兆级的网卡。

2)按网卡所支持的传输介质类型分类

网卡是通过接口和网线与其他计算机网络设备连接的，不同的网络接口适用于不同的网络类型。目前，常见的接口主要有以太网的双绞线RJ-45接口、细同轴电缆的BNC接口、粗同轴电缆AUI接口；光纤接口的类型很多，主要有FC和SC接口等。有的网卡为了适用于更广泛的应用环境，提供了两种或多种类型的接口。

多数以太网卡通常是将几种类型的接口集成在一块网卡上，例如AUI/BNC、AUI/RJ-45、BNC/RJ-45等二合一网卡，以及AUI/BNC/RJ-45三合一网卡。这些具有多种接口的网卡可以适用于不同类型传输介质的连接要求。目前，由于非屏蔽式双绞线的普遍使用，只提供RJ-45接口的以太网卡很流行。

3)按网卡所支持的总线类型分类

目前主要有ISA、PCI、PCI-X、PCMCIA和USB等几种总线类型的网卡。

(1) ISA网卡。16位的ISA总线采用程序请求I/O方式与CPU进行通信，该方式的网络传输速率低，CPU资源占用大。ISA网卡已不能满足现在不断增长的网络应用需求，已很少使用。

(2) PCI网卡。PCI总线的英文名称为PeripheralComponentInterconnect，即外部设备互连总线。PCI总线的主要特点是传输速率高，在64位总线宽度下可达到突发传输速率533Mb/s，可以满足大吞吐量的外设的需求。目前，采用PCI总线类型的网卡最为流行。

(3) PCI-X网卡。PCI-X总线与原来的PCI总线相比在I/O速度方面提高了一倍，比PCI接口具有更快的数据传输速率。目前这种总线类型的网卡在市面上还很少见，主要是由服务器生产厂商随机独家提供。

(4) PCMCIA网卡。PCMCIA总线接口专用于笔记本电脑，分为16位的PCMCIA和32位的CardBus。其中，CardBus是一种用于笔记本计算机的新的高性能PC卡总线接口标准。CardBus网卡支持32位数据传输，最高传输速率接近90Mb/s；CardBus网卡总线自主，使网卡可以独立于主CPU与计算机内存间直接交换数据；CardBus网卡采用3.3V电压供电，功耗低，提高了电池的寿命，降低了计算机内部的发热，增强了系统的可靠性；CardBus网卡还可以后向兼容16位的PC卡。

(5) USB总线接口。USB的英文名称为UniversalSerialBus，即通用串行总线，是一种新型的总线技术。USB的传输速率远远大于传统的并行口和串行口，设备安装简单，不占用计算机扩展槽，并且支持热插拔，越来越受到厂商和用户的喜爱，在外置设备中广泛应用，如打印机、键盘、鼠标以及网卡等。

除了以上介绍的几类网卡以外，按照传输介质可以分为无线网卡和有线网卡；根据网卡所应用的计算机类型可以分为应用于工作站的网卡和应用于服务器的网卡等。4.4.2调制解调器

调制解调器(MODEM)是在数据终端设备和模拟信道之间进行数字信号与模拟信号之间转换的设备。

1．调制解调器的基本组成

调制解调器分为调制器和解调器两部分。MODEM的基本组成如图4-12所示。图4-12MODEM的基本组成

(1)调制器一般是由数据编码电路、调制电路和发送滤波电路组成。

●数据编码电路：将要发送的二进制数据按一定的编码技术转换为编码信号，消除码间干扰处理后成为数字信号。

●调制电路：接收数字信号并按照一定的调制方式将其转换为模拟信号。

●发送滤波电路：滤除模拟信号中超过300～3400Hz的噪声，自适应“均衡”调解补偿线路传输的损耗，使发送到电话信道的模拟信号符合电信标准。

(2)解调器一般由接收滤波电路、解调电路和数据解码电路组成。

●接收滤波电路：接收来自电话信道上的模拟信号，滤除干扰噪声，将信号放大为模拟信号。

●解调电路：模拟信号按照约定的调制方式进行解调，转换为数字信号。

●数据解码电路：消除码间干扰处理后，通过译码器将数字信号还原为二进制数据，送给数据终端。

2．调制解调器远程通信的工作原理

调制解调器常用的接口是RS-232接口。MODEM的连接模式如图4-13所示。图4-13MODEM连接模式远程通信系统是由计算机、数据终端设备(DTE)、数据通信设备(DCE)和传输介质组成的。计算机用于管理所连接的设备，对传输差错进行控制，实施通信数据的处理。数据终端设备是数据输入/输出设备，终端计算机是智能型数据终端设备，键盘、显示器、打印机、电话和传真机是通用型数据终端设备。数据通信设备是调制解调器。传输介质是入户的话频线路、户外的交换线路或专用数字中继线、微波接力线路等。

1)调制解调器的远程通信过程

源端发出数据终端就绪(DTR)信号，表示源端准备发送数据，通知主叫MODEM摘机与线路接通，主叫MODEM响应此信号，发出数据设备就绪(DSR)信号，通知源端，MODEM已连在线路上。

源端从发送端(TXD)发送一个拨号命令给主叫MODEM，主叫MODEM收到拨号命令后，即在线路上发出拨号脉冲，主叫MODEM从接收端(RXD)发出确认信号以示响应。主叫MODEM发出呼叫信号，等待对方返回应答载波信号；被叫MODEM收到呼叫信号后，立即发出应答载波信号(目标DCD)；主叫MODEM识别出目标MODEM的应答载波信号后，则发出源载波信号(源DCD)，从而建立了载波连接。当两端MODEM建立了载波连接后，主叫MODEM在载波检测(DCD)端发送信号给源端，通知源端已建立数据通信链路。源端发出请求发送(RTS)信号给主叫MODEM，主叫MODEM响应后，发出清除发送(CTS)信号，通知源端可以发送数据。源端从发送端(TXD)发送数据，目标端从接收端(RXD)接收数据。

如果通信线路是交换式电话系统的一部分，还需要使用振铃信号。

2)调制解调器远程通信的工作原理

56kb/s调制解调器远程通信的工作原理如图4-14所示。用户主机输出的数字信号经MODEM调制成模拟信号，模拟信号进入交换机，经过2线至4线的变换后，通过模/数转换器(A/D)转换成标准的PCM数字信号，送Internet服务提供商。从Internet服务提供商获取的下载数字信息，通过交换机的数/模转换器(D/A)转换成模拟信号，经过4线至2线变换后，模拟信号送MODEM解调成为主机可接收的数字信号。图4-1456kb/s调制解调器远程通信的工作原理

3．调制解调器的种类

近年来，MODEM的质量和性能不断提高，经历了由非智能到智能，低速到高速，单一数据通信到数据、语音、图形、图像通信的转换。

(1) MODEM按通信方式可分为单工、半双工和全双工三种。

(2) MODEM按信号定时方式分为同步MODEM和异步MODEM。同步MODEM提供时钟信号和数据流，在传输数据流过程中必须与时钟同步；异步MODEM在传输数据流过程中不提供同步信号。通常同步MODEM比异步MODEM的传输速率高。

(3) MODEM按数据传输速率可分为14.4kb/s、28.8kb/s、33.6kb/s、56kb/s等。ISDNMODEM的数据传输速率为64kb/s，可选速率128kb/s、144kb/s；光纤MODEM的数据传输速率为56kb/s、64kb/s、1.544Mb/s和2.048Mb/s。

(4) MODEM按传输信号可分为基带