3.10 网络互连设备

数据在网络中是以“包”的形式传递的，但是，不同网络的“包”它的格式常常是不一样的。由于数据包的格式不同，导致数据包在不同网络之间无法传送，所以网络间的互连设备就充当数据包格式的转换角色。

数据信息包在网络间的转换，与OSI的七层模型关系密切。如果两个网间的差异程度较小，则需转换的层数也较少。例如以太网与以太网互联，由于它们属于同一种网络，数据包仅需转换到OSI的第二层（数据链路层），网间连接设备的功能也简单（如网桥）。以太网与令牌环形网相连时，由于网络体系结构不同，数据信息需转换到OSI的第三层（网络层），所需转换设备也复杂（如路由器）。如果连接完全不同结构的网络，则数据包需做全部七层的转换，因此连接设备也最复杂（如网关）。

网间互连设备用ISO国际标准化组织的术语称为中继系统（Relay）。根据中继系统所在层次，可以分为以下5种类型的中继系统：

（1）物理层中继系统，即转发器（Repeater）。

（2）数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（Bridge）。

（3）网络层中继系统，即路由器（Router）。

（4）网桥和路由器的混合结构，称桥路器（Brouter），它兼有网桥和路由器的功能。

（5）网络层以上的中继系统，即网关（Gateway）。用网关连接两个不兼容的系统就要在高层进行协议转换。

3.10.1 网卡

计算机与外界网络的连接是通过主机箱内插入的一块网络接口板（便携式计算机中插入的一块PCMCIA卡）实现的。网络接口板又称为通信适配器（Adapter）或网络接口卡（Network Interface Card，NIC），但现在很多的人使用更为简单的名称“网卡”（Network card）。

网卡上装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。网卡与计算机之间的通信是通过主板上的I/O总线以并行传输方式进行的，而网卡与网络之间的通信是以串行传输方式进行的。因此，网卡的第一个重要功能是实施串行/并行数据传输转换。此外，由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，所以，网卡中必须装有数据缓存的存储芯片。网卡还要能够执行以太网协议。当网卡收到有差错的信息帧时，它就丢弃这个帧而不必通知所插入的计算机。当网卡收到一个正确的数据帧时，它用中断来通知该计算机并交付给网络层。当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡进行组装成帧后发送给网络。

安装网卡时必须将管理网卡的驱动程序安装在计算机的操作系统中。这个驱动程序以后会告诉网卡，应当从存储器的什么位置将多大的数据块发送到网络上，或者在接收时能够正确读出数据传送的目的地址信息和检测出以太网中的数据冲突等。

网卡的类型与所连接的网络类型有关（如以太网、令牌环网），还与网络的传输速率（如10Mbit/s、100Mbit/s等）、连接器接口（如BNC插口、RJ-45插口）和兼容的主板或设备类型有关。选择网卡时应考虑下面几个因素：

（1）必须与系统的传输速度、网络类型、接口结构和连接器类型等性能进行匹配。

（2）确保网卡的驱动程序可以在所用计算机的操作系统上运行。

（3）注意表3-16中的网卡特征与功能说明。

表3-16 网卡的特征与功能

3.10.2 中继器

中继器（Repeater）是放大模拟或数字信号的网络连接设备。在网络中，每一网段的传输距离由于受到信号衰减的原因，均有最大传输距离的限制。例如细同轴电缆的最长网段长度为185m，粗同轴电缆的最长网段长度为500m，双绞线的最大网段长度为100m等。超过这个极限长度，由于信号衰减过大，使它无法恢复到可以正确识别和解调出传输信息。中继器可以放大或再生这些被衰减的信号，从而可以延伸通信网络的长度。

图3-94是不同类型局域网中使用的中继器。中继器不能进行数据包转换，它不能纠正错误信号，也不能提高数据的信噪比，只是对输入信号进行放大和转发。

图3-94 不同类型局域网中的中继器

a）总线型拓扑结构中用的中继器 b）星形拓扑结构中用的中继器

图3-94a是具有两个端口的中继器，可把网段长度增加一倍。图3-94b是具有多个端口的集线型（Hub）中继器，它可以连接多个用户设备。

中继器的功能简单，作用范围也有限。它的主要优点是使用方便、安装简单、价格便宜，它不仅起到扩展网络距离的作用，还可将不同类型传输介质的网络连接在一起。

3.10.3 网桥

网桥（Bridge）是使用不同通信协议的两种相同类型网络的互联设备，如图3-95所示。

例如：LANA与LANB两个以太网，LANA使用的是IPX协议（NOVELL公司的网间互联分组交换协议），LANB使用的是TCP/IP协议，那么当连接A、B两个网络时，就必须使用网桥。

中继器运行在OSI的最低层，即物理层。它只是扩展物理网络的距离，而网桥则运行在OSI的第2层，即数据链路层；数据链路层能够进行流量控制、纠错处理和地址分配。网桥能够解析它所接受的帧，并能指导如何把数据传送到目的地，特别是它能够读取媒体访问控制（MAC）的地址，并决定是否向网络的其他段转发（或重发）数据包。如果数据包的目的地址与源地址都位于同一段，就可以把它过滤掉。

图3-95 网桥

图3-96是网桥的工作原理图。从A端发往B端的信号，只需在网段1中传输，不会发送到网段2；从A端发送到C端的信号，网桥将转发到网段2。

图3-96 网桥工作原理

根据上述原则，网桥可有效地连接两个局域网，一方面使本地通信限制在本地网段内，并转发相应的信号至另一网段，这样有两个好处，其一是可把一个大的局域网分成两个较小的局域网，使局域网的距离长度增加一倍，网上连接的设备数量和通信量也可增加一倍，仍然能保持局域网的性能不下降。其二是用两个网桥通过公共通信链路连接，可连接两个远程的局域网。对于多个局域网互联，可采用交叉支持树网桥或源路径选择网桥。

单功能网桥流行于20世纪80年代和90年代初，但是随着先进的交换技术和路由技术的发展，网桥技术已经远远落伍了。然而，网桥的概念对于理解网络交换机的工作原理是非常必要的。

3.10.4 路由器

路由器（Router）是连接两个不同类型网络的互连设备。它提供比网桥更高一层的局域网互联，即OSI模型的第三层（网络层）。它与高层协议有关，因此，智能性更强。不仅具有路径选择能力和传输能力，当网络系统中某一链路不通时，路由器会选择一条好的链路完成通信。此外，路由器还有选择最短路径的能力。适合于大型、复杂的网络互联。

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，它的任务是转发分组（数据包），选择出两结点间的最近、最快的传输路径，连接不同类型的网络，当网络中某条路径被拆除或拥挤阻塞时，路由器可提供一条新路径。

图3-68是路由器在网络互联中进行数据交换的过程。当主机A向另一个主机B发送报文或分组时，首先要检查目的主机B是否与源主机A连接在同一个网络上。如果是，就将数据包直接交付给目的主机B，而不需要通过路由器。但是，如果目的主机C或D与源主机不是连接在同一个网络上，则必须将数据包发送给本网络上的某个路由器，再由该路由器按照转发表指出的路由（路径）将数据包转发给下一个路由器，称为间接交付。数据报传输路径上的最后一个路由器就是目的主机C或D所在网络上直接交付的路由器。

路由器由路由选择（又称控制部分）和分组转发两部分组成。路由选择的核心部件是路由选择处理机。路由选择处理机的任务是根据选定的路由选择协议（如点到点协议、路由信息协议和最短路径协议等）构建出路由表，同时经常或定期地与相邻路由器交换路由信息，从而达到不断地更新和维护路由表。

分组转发由交换构件、输入端口和输出端口3部分组成，如图3-97所示。

图3-97 路由器的典型结构

交换构件（Switching fabric），它的任务是根据转发表（路由表）对分组数据进行处理，把某个输入端口输入的分组数据从一个合适的输出端口转发出去。

路由表是根据路由选择算法得到的，而转发表是从路由表得出的。转发表的每一行必须包含从到达目的网络到输出端口和某些媒体访问控制（MAC）的地址信息。

图3-97是路由器的典型结构。路由器的输入端口和输出端口的方框中，1、2和3分别代表物理层、数据链路层和网络层的处理模块。物理层进行比特流接收；数据链路层则按照链路层协议接收传送分组的帧，把帧的首部和尾部剥去后，分组数据被送入网络层的处理模块。

当一个分组数据在查找转发表时，后面又紧跟着从这个输入端口收到另一个分组数据，这个后到的分组数据就必须在队列中排队等待查找转发表，因而会产生一定的延时。

发数据时，输出端口从交换构件接收分组数据，然后把它们发送到路由器外面的线路上。在网络层的处理模块中设有一个缓存，实际上它就是一个排队的队列。当交换构件传送过来的分组速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的分组数据就暂时存放在这个队列中。数据链路层处理模块将分组数据加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

图3-98 使用网关访问IBM主机

在路由器的输入端口和输出端口都可能会造成分组数据排队。如果分组数据进入队列的速率太快会造成队列溢出，这时就会发生分组数据丢失。此外，路由器不能转换不同的网络层协议。

3.10.5 网关

网关（Gateway）不仅具有路由功能，而且还能转换不同的协议集。它可把使用不同数据格式、不同通信协议或不同结构的两个网络体系连接在一起。因此，它是连接不同网络的一种软件和硬件结合的产品。

网关工作在OSI模型的最高层（应用层）。在转换信息包格式时，必须将各层协议一一转换。由于网关提供了协议转换功能，所以它的效率比较低，数据传输的速度比网桥和路由器要低一些，造成网络堵塞的可能性更大一些，价格比路由器也要贵一些。但是，对于某些场合，只有网关才能胜任工作。图3-98是说明在局域网上两台PC通过网关访问IBM的系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）中的IBM主机的情况。

3.10.6 集线器

集线器（Hub）是10Base-T以太网星形拓扑网络中的一种双绞线连接设备。每个通信站到集线器的距离不超过100m。它的任务是放大转发信号和分配网络带宽。例如，由一个N个接口Hub组成的10Base-T以太网，每个接口分配到的频带宽度为10Mbit/s/N（10Base-T的总带宽为10Mbit/s）。

集线器有8～16个连接端口，每个端口通过RJ-45插座（与电话机使用的插头座相似，但宽些）与计算机上的网卡相连。图3-99是一个具有三个端口的集线器。

集线器采用专门的芯片，进行自适应回波抵消，使端口转发出去的较强信号不会对同一个端口收到的较弱小信号产生干扰（这种干扰称为近端串音），对转发的比特流还要进行再生整形并重新定时。

集线器从功能上分类，可分为下面4种类型：

图3-99 具有三个端口的集线器

（1）基本型集线器。基本型集线器（Dumb Hub）的面板上均有LED状态指示灯，具有自动诊断故障点的能力，但无网络管理功能，此类Hub适用于连接10～20台计算机的小型系统。

（2）智能性Hub。智能性Hub（Intelligent Hub）除具有基本型的功能外，还具有SNMP（Small Network Management Protocol）网管功能即每一接口的数据流量、数据保密、故障排除和用户接口的Enable/Disable管制功能。适用于通信站分布较广的大型企业的网络。

（3）机架式Hub。机架式Hub包含了数种可供网络扩充的模块，具备了SNMP网管功能，易于扩充。

（4）堆栈式Hub。10Base-THub可借助层层级连的方式扩充网络，但其缺点是每级联一层，频带宽度必须降低一半。例如，假设Hub的第一层频带宽度为10Mbit/s，则第二层的频宽降为10Mbit/s/2（使用了两个接口），第三层级连的又是第二层频宽再除以使用的接口数。由此可见，Hub级连的层数越多，接口分配到的带宽也越少。

为解决此问题，堆栈式Hub采用电缆把各Hub两两相连，这种连接方法使各台Hub均被视为同一层级（即它们的频宽均一致），是提高网络传输速度的一种方法。图3-100是利用堆栈式Hub组成的大型网络。

图3-100 用堆栈式Hub组成的大型网络

3.10.7 交换机

最初的交换机（Switch）是用来替代集线器并解决局域网传输拥塞问题的。随着技术的不断发展，交换机已赋有更多的优良性能。

交换机和集线器在外形上非常相似，而且都遵循IEEE 802.3及其扩展标准，介质（传输媒体）存取方式也均为CSMA/CD，但是它们之间在工作原理上有着根本的区别。

Hub集线器构建的网络称之为共享式网络，是一种共享介质（传输媒体）的网络设备。Hub本身不能识别目的地址，只能采用广播（Broadcast）方式向所有结点发送。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）进行半双工通信，所有端口共享总带宽。

交换机具有“共享”（Share）和“交换”（Switch）两种功能，交换机构建的网络称之为交换式网络，每一端口都是独享交换机的一部分总带宽，这样在速率上对于每个端口来说有了根本的保障。所有端口都能够同时进行全双工通信，在全双工模式下能够提供双倍的传输速率。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。

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（网卡的硬件地址）对照表以确定目的MAC的NIC（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；目的MAC若不存在，才广播到所有的端口。可以明显地看出一方面效率高，不会浪费网络资源，只是对目的地址发送数据，一般来说不易产生网络堵塞；另一个方面数据传输安全，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。这也是交换机为什么会很快取代集线器的重要原因之一。

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。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的功能。

交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI（光纤分布式数据接口）等高速连接端口，用于连接网络中的其他交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。

一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。

交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。它属于OSI模型的数据链路层（第2层），并且能够解析出媒体访问控制（MAC）的地址信息，所有端口都共享同一指定的带宽，交换机的每一个端口都扮演了一个网桥的角色，连接到交换机上的设备都可享有它们自己的独立通道。因此，现在已经很难再把集线器、交换机、路由器和网桥相互之间的界限分得很清楚了。

交换机凭以太网各结点上的网卡（NIC）的物理地址（俗称“MAC地址”）能够自动“认识”与自己连接的每一台计算机。交换机还具有MAC地址学习功能，它会把与自己连接的计算机的MAC地址记住，形成每个结点与MAC地址的对应表。凭这样一张表，它就不必再进行广播式发送了。从一个结点端口发过来的数据，其中会含有目的地的MAC地址，交换机在保存在自己缓存中的MAC地址表里寻找与这个数据包中包含的目的MAC地址对应的结点，找到以后，便在这两个结点间架起了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了。通常一台交换机都具有1024个MAC地址记忆空间，都能满足实际需求。一台计算机打开电源后，安装在该系统中的网卡会定期发出空闲包或信号，交换机即可据此得知它的存在以及其MAC地址，这就是所谓自动地址学习。交换机使用的时间越长，学到的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少，因而广播的包就越少，速度就越快。由于交换机中的内存毕竟有限，为节省内存空间，它还有一种“吐故纳新”功能：若某MAC地址在一定时间内（默认为300s）不再出现，那么，交换机将自动把该MAC地址从地址表中清除。当下一次该MAC地址重新出现时，将会被当作新地址处理。

从上面的分析来看，交换机所进行的数据传递是有明确方向的，而不是无目标地乱传递。由于交换机可以进行全双工传输，所以交换机可以同时在多对结点之间建立临时专用通道，形成了立体交叉的数据传输通道结构。

目前最快的以太网交换机端口带宽可达到10Gbit/s，千兆（G位）级的交换机在各企业骨干网络中早已得到广泛应用。