1.2 網絡互連設備

網絡互連設備是實現網絡互連的關鍵，它們有 4 種主要的類型：中繼器、網橋、路由器以及網關，這些設備在實現局域網（LAN）與LAN的連接中相對于OSI參考模型的不同層。中繼器在OSI參考模型的第一層建立LAN對LAN的連接，網橋在第二層，路由器在第三層，網關則在第四至第七層。每種網絡互連設備提供的功能與 OSI 參考模型規定的相應層的功能一致，但它們都可以使用所有低層提供的功能。

各種網絡互連設備在OSI參考模型7層中的位置如圖1-2所示，其作用如表1-1所示。

下面分別介紹4種主要類型的網絡互連設備。

1.2.1 中繼器和集線器

因特網中最簡單的設備是中繼器（Repeater），它的作用是放大電信號，提供電流以驅動長距離電纜。它工作在OSI參考模型的最低層（物理層），因此只能用來連接具有相同物理層協議的LAN。對于數據鏈路層以上的協議來講，用中繼器互連起來的若干段電纜與單根電纜之間并沒有差別（除了有一定的時間延遲）。中繼器主要用于擴充LAN電線段（Segment）的距離限制。如粗線以太網，由于收發器只能提供500m的驅動能力，而MAC（介質訪問控制）協議的定時特性允許粗線以太網電纜最長為2.5km。這樣在每隔500m的網段之間就要利用中繼器來連接。值得注意的是，中繼器不具備檢查錯誤和糾正錯誤的功能，因此錯誤的數據經中繼器后仍被復制到另一電纜段。另外，中繼器還會引入時延。使用中繼器時應注意以下兩點。

① 用中繼器連接的以太網不能形成環路。

② 必須遵守MAC協議定時特性，即不能用中繼器將電纜段無限連起來。例如，一個以太網上最多有4個中繼器，連接5個電纜段。

靈活利用中繼器，可以讓總線型以太網適用多種布線結構變化。如一幢辦公大樓分成多層，如果用逐層電纜繞線，不但浪費電纜，而且出故障時查找也不方便。如果用一根垂直的電纜穿過大樓，每層用中繼器引入一水平電纜連起來則十分方便，這種配置一般垂直電纜用粗線，水平電纜用細電纜。

集線器（Hub）的工作原理與中繼器類似，只是它能對更多的設備進行中繼。注意，絕大多數集線器只能以雙絞線介質連接，而中繼器主要用同軸電纜進行連接。有些集線器只是集中連接的簡單硬件設備（稱作被動集線器）；有些則是復雜的電子部件，它們對到達各個物理位置的信息流進行監視和控制（稱作主動集線器）。

1.2.2 網橋

網橋（Bridge）是一種在數據鏈路層實現互連的存儲轉發設備，它獨立于高層設備，或者說與高層協議無關。它在兩個局域網段之間對鏈路層幀進行接收、存儲與轉發，它把兩個物理網絡（段）連接成一個邏輯網絡，使這個邏輯網絡的行為看起來就像一個單獨的物理網絡一樣。網橋通過數據鏈路層的邏輯鏈路控制子層（LLC）來選擇子網路徑。它接受完整的鏈路層幀，并對幀進行校驗，然后查看介質存取控制層（MAC）的源地址和目的地址以決定該幀的去向。網橋在轉發一幀前可以對其作一些修改，如在幀頭加入或刪除一些字段。由于網橋與高層協議無關，原則上網橋可以互連，如 DEC網、TCP/IP網或XNS網絡。不過在實際應用中，網橋只有連接協議一致才能使用，如兩個802.X網絡，只有當它們都采用相同的網絡操作系統才有價值；如果高層協議不一樣，即便用網橋連接起來，應用程序也不能交換信息。

與上面介紹的中繼器相比，網橋具有以下特點。

① 可以實現不同類型的 LAN 互連，而中繼器只能實現以太網段間的相連。例如，用網橋可以把以太網和令牌環網（Token Ring）連起來。

② 利用網橋可以實現大范圍局域網的互連。由于中繼器受MAC定時特性的限制，一般只能將5段以太網連接起來，且不能超過一定的距離。但網橋工作在數據的鏈路層，不受MAC定時特性的限制，可以連接的網絡跨度（距離）幾乎是無限制的。

③ 利用網橋可以隔離錯誤幀，提高網絡性能，而用中繼器互連的以太網區段，隨著用戶數的增加，總線沖突加大，必將大大降低網絡的性能。其原因在于：中繼器只是簡單地將信號從這一段電纜復制到另一段電纜，并不管這些信號的錯與對，也不管有沒有復制的必要。但網橋則不同，它收到一個幀后，先讀取地址信息，以決定是將其復制轉發還是丟棄，如果網橋連接的是以太網的話，網橋將判斷收到的幀的目的地址是在發送幀的同一段還是在另一段。如果目的地址在本段網絡，就不需要復制和轉發，從而減輕了網絡的壓力，保證了多網絡性能的穩定。此外，當以太網上的某一個工作站出現問題時，不會使整個網絡的運行停頓?？梢?，網橋在此起到隔離故障的作用。

④ 網橋的引入可進一步提高網絡的安全性，尤其是對局域網。因為局域網采用的是廣播式通信方式，當一個工作站發送信息時，網絡上的各個工作站點都可以收到。這對于銀行或財務部門的網絡來說是極不安全的，保密問題在此時就顯得十分突出。因此，可采用網橋將一些重要部門的網絡電纜與其他不相關部門的網絡隔離開來，這將有助于加強網絡的安全保密性能。

1.2.3 路由器

路由器（Router）是局域網和廣域網之間進行互連的關鍵設備，通常的路由器都具有負載平衡、阻止廣播風暴、控制網絡流量以及提高系統容錯能力等功能。一般來說，路由器多數都可支持多種協議，提供多種不同的物理接口，從而使不同廠家、不同規格的網絡產品之間，以及不同協議的網絡之間可以進行非常有效的網絡互連。

路由器與網橋的最大差別在于網橋實現網絡互連是在數據鏈路層，而路由器實現網絡互連是在網絡層。在網絡層上實現網絡互連需要相對復雜的功能，例如，路由選擇，多路重發以及出錯檢測等均在這一層上用不同的方法來實現。與網橋相比，路由器的異構互連能力、阻塞控制能力和網段的隔離能力等都更強。此外，由于路由器能夠隔離廣播信息，從而可以將廣播風暴隔離在局部的網段之內。

路由器有以下幾個主要功能。

① 在網絡間截獲發送到遠地網絡段的網絡層數據報文，并轉發出去。

② 為不同網絡之間的用戶提供最佳的通信路徑。為了實現這項功能，路由器要按照某種路由信息協議查找路由表。路由表中列出了整個因特網中包含的各個節點，以及節點間的路徑情況和與它們相關的傳輸開銷。如果到指定的節點有一條以上的路徑，則基于預先確定的規則，使用最小時間算法或最優路徑算法調節信息傳輸路徑。如果某一網絡路徑發生了故障或堵塞，路由器可以為其選擇另一條冗余路徑，以保證網絡的暢通。

③ 隔離子網，抑制廣播風暴。任何子網中的廣播包都將截止于路由器，因為路由器并不轉發廣播信息包。

④ 維護路由表，并與其他路由器交換路由信息，這是網絡層數據報文轉發的基礎。

⑤ 數據報的差錯處理，擁擠控制（網絡流量控制）。

⑥ 利用網際協議，可以為網絡管理員提供整個網絡的有關信息和工作情況，以便于對網絡進行有效管理。

⑦ 可進行數據包格式的轉換，實現不同協議、不同體系結構網絡的互連。例如，路由器可以用TCP/IP把以太網連到X.25網絡上。一般來說，局域網和廣域網的互連必須通過路由器才能實現。

路由器與網橋相比，它們之間最重要的一個區別就是：網橋獨立于高層協議，它把幾個物理網絡連起來后提供給用戶的仍然是一個邏輯網絡，用戶根本不知道有網橋存在；路由器則利用IP將網絡分成幾個邏輯子網，每個子網仍有各自獨立的網絡地址，是完全獨立的自治域。

對于不同規模的網絡，路由器所起的作用有所不同。

在主干網上，路由器的主要作用是路由選擇。主干網上的路由器必須知道到達所有下層網絡的路徑。這需要維護龐大的路由表，并對連接狀態的變化做盡可能迅速的反應。路由器的故障將會導致嚴重的信息傳輸問題。

在地區網中，路由器的主要作用是網絡連接和路由選擇，即連接下層各個基層網絡單位—園區網，同時負責下層網絡之間的數據轉發。

在園區網內部，路由器的主要作用是分隔子網。早期的因特網基層單位是局域網，其中所有主機處于同一個邏輯網絡中。隨著網絡規模的不斷擴大，局域網演變成以高速主干和路由器連接的多個子網所組成的園區網。其中，各個子網在邏輯上獨立，而路由器是唯一能夠分隔它們的設備，它負責子網間的報文轉發和廣播隔離，在邊界上的路由器則負責與上層網絡的連接。

1.2.4 網關

網關（Gateway）實現的網絡互連發生在網絡層之上，它是網絡層以上的互連設備的總稱。對于網絡體系結構差異比較大的兩個網絡，從原理上來講，在網絡層以上實現網絡互連是比較方便的。

對于局域網和廣域網而言，下面三層的結構差異比較大，它們之間的耦合是十分復雜甚至是不可能實現的，因而習慣上多數情況都采用網關進行網絡互連。

網絡互連的層次越高，代價就會越大，效率也越低，但是能夠互連差別更大的異構網。目前，典型的網絡結構通常是由一個主干網和若干段子網組成，主干網與子網之間通常選用路由器進行連接，子網內部往往有若干個局域網，這些局域網之間采用中繼器或網橋來進行連接。校園網、公用交換網、衛生網絡和綜合業務數字網絡等，一般都采用網關進行互連。

網關通常由軟件來實現，網關軟件運行在服務器上或一臺計算機上，以實現不同體系結構的網絡之間或局域網與主機之間的連接。

網關連接的是不同體系的網絡結構，它只可能針對某一特定應用而言，不可能有通用網關，所以有用于電子郵件的網關，用于遠程終端仿真的網關等各種用途的網關。不管哪一種網關，都是在網絡層以上進行協議轉換的。