2.4 网络互连设备

 

2.4  网络互连设备

前面介绍了网络的传输介质，网络中的计算机有了传输介质，还需要有连接设备才能通过传输介质互相连接起来。本节将介绍网络中的连接设备。

2.4.1  中继器

图2-33  中继器

中继器（Repeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，如图2-33所示。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的。网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。

2.4.2  集线器

集线器（Hub）是在星型拓扑结构中连接网络节点的中枢网络设备，如图2-34所示。由于集线器属于共享型设备，导致了在繁重的网络中，效率变得十分低下，所以在大、中型的网络中通常不用集线器。现在的集线器采用全双工模式，市场上常见的集线器的数据传输速率普遍为10Mbps。集线器的价格便宜，很适合家庭和小型局域网使用。

图2-34  集线器

集线器的工作方式是，当某个端口发送数据包时，首先到达集线器，集线器对收到的信号进行放大和相位失真补偿后，将再生的信号向集线器中的其他所有端口进行传送。当存在一个以上的端口同时发送时，集线器将从其端口检测到碰撞并产生碰撞强化信号向集线器所连接的目标端口进行传送。

2.4.3  交换机

交换机（Switch）是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备，如图2-35所示。交换机是集线器的升级换代产品，从外观上来看，它与集线器基本上没有区别，都是带有多个端口的长方体。交换机是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。交换机会查找内存中的MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

图2-35  交换机

1．交换机的功能

局域网中的交换机运作在数据链路层的MAC子层上，用来检验所有进入的网络流量的设备地址。与网桥有点相似，交换机保持一张有关地址的信息表，并用该信息来决定如何过滤并转发局域网流量。交换机采用交换技术来增加数据的输入/输出总和和安装介质的带宽。一般交换机转发延迟很小，能经济地将网络分成小的网域，为每个工作站提供更高的带宽。

交换式局域网技术，能够解决共享式局域网所带来的网络效率低、不能提供足够的网络带宽和网络不易扩展等一系列问题。它从根本上改变了共享式局域网的结构，解决了带宽瓶颈问题。目前已有交换以太网、交换令牌环、交换FDDI和ATM等交换局域网，其中交换以太网应用最为广泛。交换局域网已成为当今局域网技术的主流。交换机还提供了桥接功能以及在现存网络上增加带宽的功能。

2．交换机的分类

市场上交换机的分类标准有很多种，最常见的有以下几种：

（1）按照交换机端口结构可分为固定端口交换机和模块化交换机。常见的标准固定端口交换机端口数有8、12、16、24和48等。而非标准的端口数主要有4、5、10、12、20、22和32等。固定端口交换机虽然相对来说价格便宜一些，但由于它只能提供有限的端口和固定类型的接口，因此，无论从可连接的用户数量上，还是从可使用的传输介质上来讲都具有一定的局限性，但这种交换机在工作组中应用较多，一般适用于小型网络、桌面交换环境。

（2）按照网络覆盖范围可分为局域网交换机和广域网交换机。

（3）按照交换机应用网络层次可分为企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机、工作组交换机和桌机型交换机。

（4）按照传输介质和传输速度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、10千兆以太网交换机、ATM交换机、FDDI交换机和令牌环交换机。

（5）按照工作协议层可分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。

（6）按照是否支持网管功能可分为网管型交换机和非网管型交换机。

（7）按照交换机的内存可分为只读存储器交换机、闪存存储器交换机和随机存储器交换机。只读存储器（ROM）在交换机中的功能与计算机中的ROM相似，主要用于系统初始化等。顾名思义，ROM不能修改其中存放的代码。如要进行升级，则要替换ROM芯片。闪存（Flash）是可读/写的存储器，在系统重新启动或关机之后仍能保存数据。随机存储器（RAM）是可读/写的存储器，但它存储的内容在系统重启或关机后将被清除。

2.4.4  路由器

1．路由器的概念

图2-36  路由器

路由器（Router）是Internet上最为重要的设备之一，它是Internet中的“桥梁”。Internet的核心通信机制是一种被称为“存储转发”的数据传输模型，如图2-36所示。在这种通信机制下，所有在网络上流动的数据都是以数据包（Packet）的形式被发送、传输和接收处理的。接入Internet的任何一台计算机要与别的计算机相互通信并交换信息就必须拥有一个唯一的网络“地址”，这样，数据包在网上传输的时候才不会“迷路”。

2．路由器的功能

路由器主要有以下功能：

（1）网络互联。路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互联局域网和广域网，实现不同网络间的互相通信。

（2）数据处理。路由器提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能。

（3）网络管理。路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。

为了完成“路由”的工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以由系统管理员固定设置好，也可以由系统动态修改；可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。

在路由器中有两个不同的地址概念，即静态路由表和动态路由表。

静态（Static）路由表是由系统管理员事先设置好的固定路由表。一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设置的，它不会随未来网络结构的改变而改变。

动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。

3．路由器的分类

当前市场上的路由器品种繁多，路由器的分类方法也有许多，每种分类方法都是从路由器的一个方面进行划分的。下面来介绍几种常用的路由器的分类方式。

（1）按结构划分，路由器可分为模块化结构与非模块化结构。通常中、高端路由器为模块化结构，低端路由器为非模块化结构。

（2）按网络位置划分，路由器可分为核心路由器与接入路由器。核心路由器位于网络中心，通常使用高端路由器，要求快速的包交换能力与高速的网络接口，通常是模块化结构；接入路由器位于网络边缘，通常使用中低端路由器，要求相对低速的端口及较强的接入控制能力。

（3）按功能划分，路由器可分为通用路由器与专用路由器。一般所说的路由器为通用路由器。专用路由器通常为实现某种特定功能对路由器接口、硬件等做专门优化。例如，接入路由器用于接入拨号用户，增强PSTN接口及信令能力；VPN路由器增强信道处理能力及硬件加密；宽带接入路由器强调宽带接口数量及种类。

（4）按性能划分，路由器可分为线速路由器及非线速路由器。通常线速路由器是高端路由器，能以媒体速率转发数据包；中、低端路由器是非线速路由器。一些新的宽带接入路由器具有线速转发能力。

4．路由器的特点

路由器最大的特点是“智能性”。路由器使用路由信息表并根据传输距离和通信费用等优化算法来决定一个特定的数据包的最佳传输路径。这种特点决定了路由器的“智能性”，它能够根据相邻网络的实际运行状况自动选择和调整数据包的传输情况，尽最大的努力以最优的路线和最小的代价将数据包传递出去。路由器能否安全稳定地运行，直接影响着Internet的活动。不管是什么原因而出现路由器死机、拒绝服务或是运行效率急剧下降等故障，其结果都将是灾难性的。

路由器的主要优点是能减轻主机的负担，有复杂的网络拓扑结构，可负载共享和选择最优路径，能隔离不需要的通信量，能节省局域网的频宽。

路由器也有不足之处：不支持NetBEUI等非路由协议，价格比较昂贵，安装和设置复杂等。