通信工程師傳輸與接入考試網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

  10.2.3  網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備
  網(wǎng)絡(luò)互連是把網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)連接起來，在用戶之間實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的通信與操作技術(shù)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中是以分組的形式傳遞的，但不同網(wǎng)絡(luò)的分組，其格式也是不一樣的。如果在不同的分組網(wǎng)絡(luò)間傳送數(shù)據(jù)，由于分組格式不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳送，于是網(wǎng)絡(luò)間連接設(shè)備就充當(dāng)“翻譯”的角色，將一種網(wǎng)絡(luò)中的“分組”轉(zhuǎn)換成另一種網(wǎng)絡(luò)的“分組”。
  分組在網(wǎng)絡(luò)間的轉(zhuǎn)換與OSI的七層模型關(guān)系密切。如果兩個網(wǎng)絡(luò)間的差別程度小，則需轉(zhuǎn)換的層數(shù)也少。中繼器在物理層實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，路由器在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在運輸層或運輸層以上實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換稱為網(wǎng)關(guān)。
  為更好地解釋網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，我們先解釋下面三個術(shù)語：
  網(wǎng)段：連接在同一共享介質(zhì)上，相互能聽到對方發(fā)出的廣播幀，處在同一沖突碰撞區(qū)域的站點組成的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。
  沖突域：在共享介質(zhì)型局域網(wǎng)中，會發(fā)生沖突碰撞的區(qū)域稱為一個沖突域。在一個沖突域中，同時只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。
  廣播域：當(dāng)局域網(wǎng)上任意一個站點發(fā)送廣播幀時，凡能收到廣播幀的區(qū)域稱為廣播域，這一區(qū)域中的所有站點稱為處在同一個廣播域。
  1．中繼器
  在一種網(wǎng)絡(luò)中，每一網(wǎng)段的傳輸媒介均有其最大的傳輸距離(如細纜最大網(wǎng)段的長度為185 m，粗纜的為500 m等)，超過這個長度，傳輸介質(zhì)中的數(shù)據(jù)信號就會衰減。如果需要比較長的傳輸距離，就需要安裝一個叫做“中繼器”的設(shè)備。
  中繼器可以“延長”網(wǎng)絡(luò)的距離，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中起到放大信號的作用。數(shù)據(jù)經(jīng)過中繼器，不需進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換。中繼器連接的兩個網(wǎng)絡(luò)在邏輯上是同一個網(wǎng)絡(luò)。
  考慮到電纜的衰減和時延等因素，網(wǎng)絡(luò)距離不能無限制地擴大。IEEE 802.3標準規(guī)定：以太網(wǎng)中任意兩個站點之間最多可以有4個中繼器。
  中繼器的主要優(yōu)點是安裝簡單，使用方便，價格相對低廉。它不僅起到擴展網(wǎng)絡(luò)距離的作用，還可將不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。中繼器工作在物理層，對于高層協(xié)議完全透明。
  2．網(wǎng)橋與交換機
  網(wǎng)橋與交換機一樣，在數(shù)據(jù)鏈路層完成幀的轉(zhuǎn)發(fā)，我們以網(wǎng)橋為例進行網(wǎng)絡(luò)互連的論述。
  網(wǎng)橋出現(xiàn)在20世紀80年代早期，是一種用于連接同類型局域網(wǎng)的雙端口設(shè)備。網(wǎng)橋工作在MAC層(第二層)，由于所有設(shè)備都使用相同的協(xié)議，因此，它所做的工作很簡單，就是根據(jù)MAC幀中的目的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)幀，不對所接收的幀做任何修改。通過網(wǎng)橋互連在一起的局域網(wǎng)是個一維平面網(wǎng)絡(luò)，即屬于同一個廣播域。
  網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，我們知道，局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層分成了LLC子層和MAC子層，網(wǎng)橋?qū)嶋H上是在MAC子層實現(xiàn)局域網(wǎng)的互連。如圖10.5所示的是用網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)互連的一個例子。網(wǎng)橋有三個端口，分別連接IEEE 802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5三個不同類型的局域網(wǎng)。

  網(wǎng)橋擴大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來了方便。但網(wǎng)橋互連也帶來了不少問題：第一個問題是，廣播風(fēng)暴，網(wǎng)橋不阻擋網(wǎng)絡(luò)中廣播消息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大時(幾個網(wǎng)橋，多個以太網(wǎng)段)，有可能引起廣播風(fēng)暴(Broadcasting Storm)，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)全被廣播信息充滿，直至完全癱瘓。第二個問題是，當(dāng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連時，網(wǎng)橋會把內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)合二為一，成為一個網(wǎng)，雙方都自動向?qū)Ψ酵耆_放自己的網(wǎng)絡(luò)資源。這種互連方式在與外部網(wǎng)絡(luò)互連時顯然是難以接受的。問題的主要根源是網(wǎng)橋只是最大限度地把網(wǎng)絡(luò)溝通，而不管傳送的信息是什么。
  3．路由器
  路由器出現(xiàn)在20世紀80年代末，是一種用于互連不同網(wǎng)絡(luò)的通用設(shè)備，工作在OSI/RM的第三層(目前均指IP層)，能夠處理不同網(wǎng)絡(luò)之間的差異，如處理編址方式、幀的最大長度、接口等方面的差異，其功能遠比網(wǎng)橋復(fù)雜。常規(guī)的網(wǎng)橋除了不能互連異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外，還不能解決局域網(wǎng)中大量廣播分組帶來的廣播風(fēng)暴問題。通過路由器互連的局域網(wǎng)被分割成不同的IP子網(wǎng)，每一個IP子網(wǎng)是一個獨立的廣播域。
  引入路由器主要有兩個優(yōu)點：一是利用網(wǎng)絡(luò)層地址轉(zhuǎn)發(fā)分組，路由器可以有效地隔離廣播風(fēng)暴，改善局域網(wǎng)的工作性能；二是利用路由器可以方便地實現(xiàn)管理域的獨立。傳統(tǒng)路由器的分組轉(zhuǎn)發(fā)功能是由軟件來實現(xiàn)的，因而主要缺點是分組的轉(zhuǎn)發(fā)速度慢，當(dāng)經(jīng)由多個路由器通信時，傳輸時延較大。
  路由器工作在OSI模型的第三層(網(wǎng)絡(luò)層)，因此它與高層協(xié)議有關(guān)；又由于它比網(wǎng)橋更高一層，因此智能性更強。它不僅具有傳輸能力，而且有路徑選擇能力。路由器互連的網(wǎng)絡(luò)如圖10.6所示。

  路由器深入到數(shù)據(jù)包中，閱讀每個數(shù)據(jù)包中包含的信息，使用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)尋址過程來判斷適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)目標。在從一個網(wǎng)絡(luò)向另一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，丟棄了數(shù)據(jù)外層，重新打包并重新傳輸數(shù)據(jù)。
  路由器在工作時需要一個路由表，它使用這些表來識別其他網(wǎng)絡(luò)，以及通往其他網(wǎng)絡(luò)的路徑和最有效的選擇方法。路由器與網(wǎng)橋不同，它并不是使用路由表來找到其他網(wǎng)絡(luò)中指定設(shè)備的地址，而是依靠其他的路由器來完成此任務(wù)。也就是說，網(wǎng)橋是根據(jù)路由表來轉(zhuǎn)發(fā)或過濾信息包，而路由器是使用它的信息來為每一個信息包選擇最佳路徑。靜態(tài)路由器需要管理員來修改所有網(wǎng)絡(luò)的路由表，它一般只用于小型的網(wǎng)間互連；而動態(tài)路由器能根據(jù)指定的路由協(xié)議來完成修改路由器信息。使用這些協(xié)議，路由器能自動地發(fā)送這些信息，所以一般大型的網(wǎng)間連接均使用動態(tài)路由器。與網(wǎng)橋不同，路由器不要求在兩個網(wǎng)絡(luò)之間維持一直的連接。路由器僅在需要時建立新的或附加的連接，用以提供動態(tài)的帶寬或拆除空閑的連接。此外，當(dāng)某條路徑被拆除或因擁擠而阻塞時，路由器會提供一條新的鏈路完成通信。路由器還能夠提供傳輸?shù)膬?yōu)先權(quán)服務(wù)，給每一種路由配置提供最便宜或最快速的服務(wù)，這些功能都是網(wǎng)橋所沒有的。
  4．網(wǎng)關(guān)
  網(wǎng)關(guān)能夠在OSI模型中的所有七個層次上工作，網(wǎng)關(guān)就是一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)可接收某種協(xié)議分組格式的分組，然后在轉(zhuǎn)發(fā)之前將其分組轉(zhuǎn)換成為另外一種協(xié)議的格式。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，習(xí)慣將第三層的網(wǎng)關(guān)，稱為路由器。
  一種情況下，網(wǎng)關(guān)負責(zé)將一種協(xié)議轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議。在某些情況下，惟一必要的修改就是分組的首部和尾部。在另外一種情況下，網(wǎng)關(guān)必須調(diào)整數(shù)據(jù)率、分組長度以及格式。
  5．網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備應(yīng)用實例

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