第七章 网络设备与互联

第七章 网络设备与互联分散的设备和网络需要互联才能实现网络的互通，这需要各 分散的设备和网络需要互联才能实现网络的互通，这需要各 种网络设备和互联技术。

种网络设备和互联技术。

理解各种网络设备的工作原 理，能综合应用相关的网络 设备。

掌握中继器、网桥、以太交 换的选择和应用，以及基于 路由表的路由选择算法。

7.1 网络互联原理网络互联是指在简单网络的基础上，将分布在不同地理位置、 采用不同协议的网络相互连接起来，以构成规模更大、更复 杂的网络，使用户方便透明地访问各种网络，达到高层信息 交换和资源共享的目的。

在两个物理网络之间至少有一条物理链路，为数据交换提供 在两个物理网络之间至少有一条物理链路，为数据交换提供 了物质基础和可能性，它是网络互联的基础，但不保证一定 了物质基础和可能性，它是网络互联的基础，但不保证一定 能进行数据交换。

能进行数据交换。

7.1 网络互联原理在两个网络间进行端到端的连接和数据交换，它是网络互 在两个网络间进行端到端的连接和数据交换，它是网络互 联的手段。

联的手段。

两个网络在高层软件作用下，不同计算机系统之间访问对 两个网络在高层软件作用下，不同计算机系统之间访问对 方资源的行为，它是网络互联的目的。

方资源的行为，它是网络互联的目的。

7.1 网络互联原理不同网络存在的差异 不同的寻址方案 不同的路由选择技术 不同的连接方式 不同的网络访问机制 不同的差错恢复方法 不同的服务支持策略 不同的最大分组长度 不同的超时控制技术 不同的状态报告方式高层互联 网络层互联 数据链路层互联 物理层互联7.1 网络互联原理在需要连接的网络之间提供物理链路，建立数据交换的连 接通道，并且有全面的控制规程。

在不同的网络之间建立适当的路由。

能够在有差异的网络中进行数据交换。

能够进行有效的网络管理。

7.2 网络设备根据网络设备所能处理数据的最高层次，将其称为该层的网 络设备。

物理层网络设备：中继器、集线器； 物理层网络设备：中继器、集线器； 数据链路层网络设备：网卡、网桥、交换机； 数据链路层网络设备：网卡、网桥、交换机； 网络层网络设备：路由器； 网络层网络设备：路由器； 网络层以上的网络设备：网关。

网络层以上的网络设备：网关。

7.2 网络设备网卡是工作在数据链路层的网络设备，用于连接计算机和传 输介质，不仅能实现与传输介质之间的物理连接和电信号匹 配，还完成帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控 制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。

根据网络类型和介质访问控制方法，网卡可分为 以太(Ethernet)网卡 令牌环(Token Ring)网卡 光纤分布数据接口（FDDI）网卡 ATM网卡7.2 网络设备以太(Ethernet)网卡结构7.2 网络设备数据链路控制：发送 / 接收控制部件、载波监听 / 冲突检 测、帧校验序列的产生与检验，即实现CSMA / CD功能。

编码 / 解码器：曼彻斯特编码、解码控制。

内部收发器。

LAN管理（站址、引导程序、自举ROM）。

7.2 网络设备以太网卡地址又称MAC地址，定义为6个字节，左边三个字 节定为公司号，右边三个字节为网卡号。

公司号网卡号配置网卡参数 中断请求(IRQ)，如IRQ 13。

输入/输出地址(I/O)；访问网卡上状态寄存器、控制寄存 器，如7000 – 703F 。

缓冲存储基地址，如80100000 – 80100FFF 。

7.2 网络设备数据速率 1 2 10Mbit/s 3 4 5 6 100Mbit/s 7 8 10/100Mbps 9 10 1000Mbit/s 11 类型 10Base-2 10Base-5 10Base-T 10BROAD36 100Base-TX 100Base-T4 100Base-FX 10Base-TX 1000BASE-CX 1000BASE-LX 1000BASE-SX 接口 BNC AUI Rj-45 Rj-45 Rj-45 SC或ST Rj-45 传输介质 细缆 粗缆 3#UTP双绞线 粗缆 5#UTP双绞线 5#UTP双绞线 光纤（MMF） 5#UTP双绞线 粗缆SC或ST 光纤（MMF、SMF） SC或ST 光纤（MMF、SMF）7.2 网络设备中继器是连接网络线路的一种装置，用于两个网络节点之间 物理信号的双向转发工作。

中继器工作在物理层，仅完成数据信号的复制、放大和中继功能，并不 对数据进行处理。

它只相当于延长了网络的长度，并不改变网络的结 构，由其连接的多个网络必须是同种类型（如传输介质、介质访问控制 方式）的网络。

7.2 网络设备集线器是中继器的一种， 它能提供较多的连接端口，又称 多口中继器。

从物理拓扑上看，集线器网络呈星型连接。

当 局域网数据从某一台主机发送到集线器上，数据就被广播到 集线器的其他所有端口，所以这些主机仍然是共享介质的， 相当于将一个共享总线收缩在机箱内。

7.2 网络设备从逻辑上看，集线器网络仍然呈总线型。

任一主机在发送数 据包前都要先侦听，等网络空闲时再发送；如遇到两台同时 发送数据包，则会导致冲突，必须重发。

因此，由集线器所 连的主机都处在同一个冲突域中。

7.2 网络设备在集线器连接的以太网中，数据冲突会随网络主机数目的增 多而加剧，使网络性能下降甚至瘫痪。

10Mbps的以太网其有 效速率仅为3.5Mbps∼4.5Mbps。

如何改善这个问题？7.2 网络设备为了避免以太网可能出现的广播风暴，可采用以太网交换技 术，将共享介质的网段划分为多个网段。

网桥和交换机工作 在数据链路层，具有分割冲突域的功能，可以将相同或不同 的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网络。

7.2 网络设备在网桥（或交换机）的内部，存有一张“主机MAC地址和网 桥（或交换机）端口”的映射表。

当网桥（或交换机）接收 到一个数据帧，就根据该帧中的目的MAC地址，在表中查 找到网桥（或交换机）相应的端口，仅从该端口转发出去。

7.2 网络设备LAN控制器LAN A站表 LAN控制器CPU ROM /RAMLAN B网桥中有1个CPU和2个LAN控制器。

CPU由监控程序引导处 理网桥的全部工作，包括对LAN控制器分配缓冲区、确定是 否转发一个收到的帧，提供网络服务管理以及维护有关的站 表。

站表中记录网桥上注册入网的每台主机的MAC地址与 LAN控制器连接的端口的映射表。

LAN控制器用来完成某些 具体的网络操作，如介质访问和帧的格式化。

7.2 网络设备直通交换方式 直通交换方式可视为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵交换 机，它在输入端口检测到一个数据帧时，通过帧头获取帧的 目的地址，查找内部的MAC地址和端口映射表，直接从相 应的端口转发出去。

延迟小，交换速度快。

不存储数据帧，无法提供差错检验功能。

不缓存数据帧，无法直接接通不同速率的输入、输出端口。

当交换机端口增多时，交换矩阵变得更加复杂。

7.2 网络设备存储交换方式 交换机先缓存接收到的数据帧，检查数据帧的正确性，并过 滤掉冲突帧。

再从帧头中读取目的地址，通过查找内部的 MAC地址和端口映射表，将该帧从相关端口转发。

延迟大。

可对数据帧进行差错检验。

能支持不同速率的输入、输出端口之间的连接。

7.2 网络设备碎片隔离方式 介于直通交换方式和存储转发方式之间的一种折中解决方案。

它在转发前先检查数据帧的长度是否达到64字节。

如果小于 64字节，则丢弃该残帧；如果大于64字节，则转发该数据帧。

数据转发速度比存储转发方式快，但比直通交换方式 数据转发速度比存储转发方式快，但比直通交换方式 慢，具有一定的帧过滤功能，但仍不适合高速率端口 慢，具有一定的帧过滤功能，但仍不适合高速率端口 向低速率端口转发信息。

向低速率端口转发信息。

7.2 网络设备 先全帧缓存，后判定帧头， 接收到帧头，即判定帧头， 转发交换单元7.2 网络设备传统的以太网和集线器网络在网络规模扩大后会产生严重的 冲突。

为了解决这个问题，常通过网桥或交换机分割物理网 段，减小冲突域，这种局域网称为交换式以太网。

在集线器连接的局域网中，每台主机发送的数据都会向集线 在集线器连接的局域网中，每台主机发送的数据都会向集线 器的所有端口广播，所有主机处于同一个冲突域中。

器的所有端口广播，所有主机处于同一个冲突域中。

7.2 网络设备网桥会根据数据帧的目的MAC地址查找相应的转发端口，数 据帧只会在目的主机所在的域内广播，而不会影响到其他的 域，不同域内部的通信不会相互影响。

7.2 网络设备交换机比网桥具有更多的端口，可分割出更多的冲突域，且 交换机组网拓扑不像网桥容易成环，可较好避免因环引起的 广播风暴。

7.2 网络设备网桥基于软件实现，交换机基于硬件实现。

交换机比网桥拥有更多的端口和更高的带宽。

交换机具有划分虚拟局域网(VLAN)的功能。

7.2 网络设备集线器、网桥和交换机只能完 成局域网互联，即网络中的主 机都处在同一个网段。

当需要 互联不同网段的设备时，就需 要使用路由器。

路由器在网络层实现网络互联，它将目的主机的IP地址作为 路由器在网络层实现网络互联，它将目的主机的IP地址作为 寻址依据，并负责将数据包从源端主机经最佳路径传送到 寻址依据，并负责将数据包从源端主机经最佳路径传送到 目的端主机。

目的端主机。

7.2 网络设备路由器内部的路由表中包含了目的地址和下一跳(next hop) 地址等多种路由信息。

路由器通过查找路由表可知数据包 的转发端口。

7.2 网络设备路由器与网桥的一个显著区别是：网桥独立于高层协议，把 几个局域网互联后，为用户提供的是一个逻辑网络；路由器 则利用网间互联协议将网络分为多个逻辑子网。

网A路由器网B RouterIP3 2 13 2 1IP3 2 13 2 17.2 网络设备路由器还具有网络管理和网络 安全设置等能力，如存储、上 载配置，异常情况报告及控 制，设置访问控制策略等。

路由器还可分割广播域，即路 由器的每个端口处在不同的广 播域中，每个广播包只广播到 本端口所在的网段，不会向路 由器的其他端口广播。

7.2 网络设备网关是工作在网络层之上的网络设备，用于互联具有不同体 系结构的计算机网络，能对互不兼容的高层协议进行转换。

7.3 局域网互联局域网互联较多采用网桥或交换机来组建交换式以太网。

在 局域网互联较多采用网桥或交换机来组建交换式以太网。

在 多交换机的局域网环境中，交换机的级联、堆叠和集群是三 多交换机的局域网环境中，交换机的级联、堆叠和集群是三 种重要的技术。

种重要的技术。

级联技术可以实现多台交换机之间的互连。

堆叠技术可以将多台交换机组成一个单元，从而获得更大 的端口密度和更高的性能。