通信工程师传输与接入考试网络互连设备

  10.2.3  网络互连设备
  网络互连是把网络与网络连接起来，在用户之间实现跨网络的通信与操作技术。数据在网络中是以分组的形式传递的，但不同网络的分组，其格式也是不一样的。如果在不同的分组网络间传送数据，由于分组格式不同，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“分组”转换成另一种网络的“分组”。
  分组在网络间的转换与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。中继器在物理层实现转换，网桥在数据链路层实现转换，路由器在网络层实现转换，在运输层或运输层以上实现的转换称为网关。
  为更好地解释网络互连技术，我们先解释下面三个术语：
  网段：连接在同一共享介质上，相互能听到对方发出的广播帧，处在同一冲突碰撞区域的站点组成的网络区域。
  冲突域：在共享介质型局域网中，会发生冲突碰撞的区域称为一个冲突域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。
  广播域：当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能收到广播帧的区域称为广播域，这一区域中的所有站点称为处在同一个广播域。
  1．中继器
  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(如细缆最大网段的长度为185 m，粗缆的为500 m等)，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。
  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。
  考虑到电缆的衰减和时延等因素，网络距离不能无限制地扩大。IEEE 802.3标准规定：以太网中任意两个站点之间最多可以有4个中继器。
  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。
  2．网桥与交换机
  网桥与交换机一样，在数据链路层完成帧的转发，我们以网桥为例进行网络互连的论述。
  网桥出现在20世纪80年代早期，是一种用于连接同类型局域网的双端口设备。网桥工作在MAC层(第二层)，由于所有设备都使用相同的协议，因此，它所做的工作很简单，就是根据MAC帧中的目的MAC地址转发帧，不对所接收的帧做任何修改。通过网桥互连在一起的局域网是个一维平面网络，即属于同一个广播域。
  网桥在数据链路层实现网络互连，我们知道，局域网的数据链路层分成了LLC子层和MAC子层，网桥实际上是在MAC子层实现局域网的互连。如图10.5所示的是用网桥实现局域网互连的一个例子。网桥有三个端口，分别连接IEEE 802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5三个不同类型的局域网。

  网桥扩大了网络的规模，提高了网络的性能，给网络应用带来了方便。但网桥互连也带来了不少问题：第一个问题是，广播风暴，网桥不阻挡网络中广播消息，当网络的规模较大时(几个网桥，多个以太网段)，有可能引起广播风暴(Broadcasting Storm)，导致整个网络全被广播信息充满，直至完全瘫痪。第二个问题是，当与外部网络互连时，网桥会把内部和外部网络合二为一，成为一个网，双方都自动向对方完全开放自己的网络资源。这种互连方式在与外部网络互连时显然是难以接受的。问题的主要根源是网桥只是最大限度地把网络沟通，而不管传送的信息是什么。
  3．路由器
  路由器出现在20世纪80年代末，是一种用于互连不同网络的通用设备，工作在OSI/RM的第三层(目前均指IP层)，能够处理不同网络之间的差异，如处理编址方式、帧的最大长度、接口等方面的差异，其功能远比网桥复杂。常规的网桥除了不能互连异构网络外，还不能解决局域网中大量广播分组带来的广播风暴问题。通过路由器互连的局域网被分割成不同的IP子网，每一个IP子网是一个独立的广播域。
  引入路由器主要有两个优点：一是利用网络层地址转发分组，路由器可以有效地隔离广播风暴，改善局域网的工作性能；二是利用路由器可以方便地实现管理域的独立。传统路由器的分组转发功能是由软件来实现的，因而主要缺点是分组的转发速度慢，当经由多个路由器通信时，传输时延较大。
  路由器工作在OSI模型的第三层(网络层)，因此它与高层协议有关；又由于它比网桥更高一层，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。路由器互连的网络如图10.6所示。

  路由器深入到数据包中，阅读每个数据包中包含的信息，使用复杂的网络寻址过程来判断适当的网络目标。在从一个网络向另一个网络发送数据包时，丢弃了数据外层，重新打包并重新传输数据。
  路由器在工作时需要一个路由表，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，它并不是使用路由表来找到其他网络中指定设备的地址，而是依靠其他的路由器来完成此任务。也就是说，网桥是根据路由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由表，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。与网桥不同，路由器不要求在两个网络之间维持一直的连接。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而阻塞时，路由器会提供一条新的链路完成通信。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。
  4．网关
  网关能够在OSI模型中的所有七个层次上工作，网关就是一个协议转换器。网关可接收某种协议分组格式的分组，然后在转发之前将其分组转换成为另外一种协议的格式。在计算机网络中，习惯将第三层的网关，称为路由器。
  一种情况下，网关负责将一种协议转换为另一种协议。在某些情况下，惟一必要的修改就是分组的首部和尾部。在另外一种情况下，网关必须调整数据率、分组长度以及格式。
  5．网络互连设备应用实例

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