第3章 网络互连设备
本章学习要点：
了解网络互连的基本概念
掌握网络互连设备的类型、层次与原理
掌握各层设备的作用、特点与应用
掌握Internet硬件接入设备的可选类型
熟练掌握集线器与交换机的区别与使用
了解OSI模型与网间互连设备的关系
第3章 网络互连设备
网络互连概述
所谓的网络互连（联）就是指不同网段、
网络或子网之间通过网络的连接或互连设备
（中继器、网桥、路由器或网关等）实现各
个网络段或子网间的互相连接，其目的在于
实现各个网段或子网之间的数据传输、通信、
交互与资源共享。
网络互连概述
网络互连的类型
1. 什么是网络的连接或互连？
（1）网络的延伸
每种局域网的最大距离都有限制，如10BASET中的
100m。如果实际网络的需要超过这个距离，就需要
通过各种网络连接设备来延伸网络。
网络互连概述
（2）网络的分段
所谓的网络分段就是将一个大的网络系统分解成几
个小的局域网（即子网），然后再通过互连设备
（交换机、网桥或路由器）将各个子网连接成一个
整体网络。
网络分段的优点：
提高可靠性。
分散了负荷。
提高了安全性。
网络互连概述
2. 互连网络的类型
(1)网络互连的应用类型
① 局域网之间的互连（LAN-LAN）
② 局域网与广域网的互连（LAN-WAN）
③ 局域网通过广域网与Internet之间的互连
（LAN-WAN-Internet）
④ 多个远程局域网之间互连为广域网（LAN-
WAN-LAN）
网络互连概述
（2）互连局域网的类型
1） 同构网（homogeneous net）
2） 异构网（heterogeneous net）
（3）互连网络必须要解决的问题
如何在物理上把两种不同的网络连接起来。
如何实现一种网络与另一种网络的互访与通信。
如何解决两种不同网络之间在协议方面的差异。
如何处理两种网络之间在传输速率方面的差别。
网络互连概述
网络互连的层次
1.网间互连中的重要概念
（1）网络的互连（Interconnection）
网络的“互连接”简称“互连”，是指在物
理网络之间必须存在一条以上的物理连接线
路。
网络互连概述
（2）网络的互通（Intercommunication）
网络的“互通信”，简称为互通，是指在网
络的互连接的基础上，网络之间可以进行数
据交换的手段。
网络互连概述
（3）网络的互操作（Interoperability）
网络的互操作是指网络中计算机系统之间具
有透明地访问对方资源的能力，而这种能力
是建立在互连和互通基础之上，通过高层软
件实现的。
说明：只有解决好网络之间的互连、互通和
互操作3个层次上的问题，才能真正实现网络
的“互联”。
网络互连概述
2.网间互连设备的层次
（1）网间互连设备
可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进
行处理。
（2）网间互连设备的层次
各种层次的特点及设备如下：
网络互连概述
① 物理层的设备
这层的互接设备主要有中继器和集线器。
② 数据链路层的设备
这层的代表设备是网桥和传统交换机，它们
都具有数据的存储、接收、根据物理地址进
行过滤和有目的的转发数据帧的能力。
网络互连概述
③ 网络层互联的设备
这层的代表设备是路由器，这层设备具有路
径选择、拥塞控制和控制广播信息的能力。
④ 高层互联的设备
实现高层网络互连的设备是网关。
物理层的互连设备
中继器
中继器（Repeater）又称
转发器或收发器，它工作在
OSI模型的第一层，即物理
层。
1. 中继器的功能
中继器又称“转发器”，中
继器放大、整形、并且重新
产生电缆上的数字信号，并
按原来的方向重新发送该再
生信号，参见图3-1。
图3-1 用中继器再生信号
图3-2 光纤收发器
物理层的互连设备
由此可见，第一，中继器具有接收、放大、整形和
转发网络信息的作用；第二，使用带有不同接口的
中继器，可以连接两个使用不同的传输介质、不同
类型的以太网段。
物理层的互连设备
2. 中继器的使用规
则（中继规则）
图3-3形象地说明了5-4-
3规则，即在以太网中最
多允许有5个网段、使用
4个中继器，而只有其中
的3个是可以连接客户计
算机（终端）的网段。
图3-3 10Mb/s以太网的5-4-3规则
物理层的互连设备
3. 中继器的应用特点
（1）中继器的主要优点
中继器安装简单、可以轻易地扩展网络的长度、使
用方便、价格相对低廉。另外，中继器工作在物理
层，因此它要求所连接的网段在物理层以上使用相
同或兼容协议
物理层的互连设备
（2）中继器的主要缺点
① 中继器用于局域网之间有条件的连接。
② 中继器不能提供所连接网段之间的隔离功
能。
③ 中继器不能控制广播风暴。
④ 使用中继器扩展网段和网络距离时，其数
目有所限制。
物理层的互连设备
4.使用选择中继器时的注意事项
① 网段的接口。
② 网段扩展的极限距离。
③ 应当注意所连接的各个网段的高层（2～7
层）协议应当相兼容。
物理层的互连设备
以太网集线器
集线器（Hub）主要指共享式集线器，它工作在OSI
模型的第一层，即物理层。
物理层的互连设备
1. 集线器的分类
（1）独立型共享式集线器
独立型集线器的外形如图3-
4所示。
适合小型独立的工作小组、
部门或者办公室使用。
图3-4 以太网的独立型集线器
物理层的互连设备
（2）堆叠式集线器
如图3-5所示的堆叠式集线器采
用了集线器背板来支持多个中继
网段。这种集线器的实质是具有
多个接口卡槽位的机箱系统。它
可以当作一个设备来进行管理，
适用的场合与模块化集线器类似。
（3）模块化集线器
模块化集线器上，配有机架或卡
箱，带多个卡槽；每个槽内可以
安装一块通信卡。每个卡的作用
就相当于一个独立型集线器。 图3-5 堆叠式集线器
物理层的互连设备
2. 集线器的应用特点
（1）优点
集线器可扩充网络的规模，即延伸网络的距离和
增加网络的节点数目。
集线器安装极为简单，几乎不需要配置。
集线器可以连接多个物理层不同，但高层（2～
7层）协议相同或兼容的网络。
物理层的互连设备
（2）缺点
集线器限制了介质的极限距离。
集线器没有数据过滤的功能。
集线器使用数量的限制。
集线器互连网络中的多个节点共享网络集线器的
带宽。
集线器不能控制广播风暴。
物理层的互连设备
3.集线器使用时应注意的因素
① 中继规则：低速以太网的5-4-3规则。
② 集线器互联网络的条件
③ 网络接口
④ 传输速率
⑤ 共享带宽
数据链路层的互连设备
网络中数据链路层的互连设备主要指基于网络物理
地址进行过滤和网络分段，以及跨网段数据转发的
互连设备。常见的数据链路层的互连设备有网桥和
传统（即第二层）交换机。
数据链路层的互连设备
网桥
1. 网桥的定义和应用条件
网桥（bridge）一般是指用来连接两个或多个在数
据链路层以上具有相同或兼容协议的网络互连设备。
它工作在OSI模型的第二层，在IEEE802模型中，它
工作在介质访问控制（MAC）子层。
使用网桥互联多个网络时，互联网络的物理层、数
据链路层可以使用相同或不同的协议，但高层（即
OSI模型的第3～7层）的协议应当相同或相兼容。
数据链路层的互连设备
2. 网桥的理论功
能
( 1）接收与学习功能
( 2）过滤和转发功能
图3-6 连接两个本地局域网的网桥
数据链路层的互连设备
3.网桥的实际作用与设计要点
（1）网络分段
（2）延伸网络的距离
（3）网桥互联网络的条件
（4）网桥的设计要点
数据链路层的互连设备
4. 网桥的分类
（1）按网桥硬件所处的位置分类
网桥按照其硬件所处的位置可以分为内部网桥和外
部网桥两种。在服务器内部安装、使用两块网卡加
上相应的软件就可以组成内部网桥；而外部网桥一
般为专用的硬件设备。
数据链路层的互连设备
（2）按网桥分布的
地理范围分类
网桥按照分布的地理
范围，可以分为近程
网桥和远程网桥
图3-7 连接两个远程局域网的网桥
数据链路层的互连设备
5. 网桥的应用特点
（1）优点
网桥通过对不需要传递的数据进行过滤来实现基
于物理地址的网络间的通信分段。
网桥可以连接使用不同传输介质、不同介质访问
控制方式。
由于网桥的过滤性能，隔离了不需要传播的信息。
数据链路层的互连设备
（2）缺点
互联的多个网络要求在“数据链路层”以上的各层
（第3～7层）采用相同或相兼容的协议。
降低网络性能。
对于避免广播风暴，网桥无能为力。
一般来说价格比中继器贵。
网桥不能对网络进行分析，以实现传输数据时的最
佳路由。
拥有网桥的网络通常不能使用备用通道。
数据链路层的互连设备
以太网交换机
交换机和交换式集线器均被称为交换机。目前，为
了解决或减轻局域网中的信息瓶颈问题，交换机正
在迅速代替共享式集线器，并成为组建和升级以太
局域网的首选设备。
数据链路层的互连设备
1.以太网交换机与集线器的异同
（1）不同之处
①在OSI模型中所处的位置不同
②工作原理不同
③网络工作方式和冲突域不同
④节点享有的带宽不同
⑤端口通信模式不同
⑥逻辑拓扑结构不同：
数据链路层的互连设备
（2）相同之处
连线方式、物理拓扑结构、故障指示、组网功能，
以及网卡、传输介质和速度选择等。它和集线器一
样不能控制广播风暴。
数据链路层的互连设备
2. 有关交换机的基本概念
（1）交换机端口参数和类型
① 单/多MAC地址：
② 端口密度：
③ 高速端口：
④ 管理端口：
⑤ 其他端口：
数据链路层的互连设备
（2）背板带宽
（3）MAC地址与支持MAC地址的数量
① MAC地址的作用：它用于控制对网络的访问，通
过它可以实现计算机间的网络连接。
② MAC地址的组成：由12位16进制数（0−F）组成；
使用48个二进制位来表示，其中的前24位标识网卡
的生产厂商，后24位是网卡的序列号。
③ MAC地址的数量：几个（1～4）、几十个、几百
个或几千个。
数据链路层的互连设备
交换机与集线器类型
类似，其类型主要有
独立式、模块式和堆
叠式交换机，可参见
图图3-8和图3-9。堆
叠与级联不同，堆叠
相当于并联电路，级
联相当于串联电路，
并联的效率比串联的
效率要高得多。
图3-8 千兆以太网的模块化交换机
图3-9 堆叠式交换机
数据链路层的互连设备
3. 选择交换机的要点
（1）按“应用规模”选择
① 对于支持500个信息点以上大型企业来说，应当
选择“企业级交换机”或“骨干交换机”。
② 对于支持300～500个信息点的大中型企业，可以
选择“部门级交换机”。
③ 对于支持100～300个信息点的中小型单位，可以
选择“工作组级交换机”。
④ 对于支持10～100个信息点的小型单位，选择“
工作组级交换机”或“桌面交换机”。
数据链路层的互连设备
（2）从“技术角度”进行选择
① 从以太网交换机的工作方式类型进行选择。
② 端口的传输模式。
③ 提供网管功能。
④ 提供虚拟局域网（VLAN）的管理功能。
⑤ 提供多模块和多类型端口的支持。
数据链路层的互连设备
（3）支持的MAC地址数量
选择时应根据实际网络的需要来选择交换机支持的
MAC地址数量。
4. 局域网交换机的主要指标
在选择交换机时，常见的描述交换机容量性能的指
标有：交换容量(Gb/s)、背板带宽(Gb/s)、处理能
力(Mb/s)、吞吐量(Mb/s)、MAC地址数目和端口的半
双工/全双工的支持等。
网络层的互连设备
1.路由器的基本概念
（1）路由器的基本概念
用来连接两个以上复杂网络的、具有路由选
择的，网络层使用可路由协议的工作在OSI参
考模型第三层的网络互联设备。
网络层的互连设备
（2）路由表
常见的路由表有以下两类。
① 静态（static）路径表
② 动态（dynamic）路径表
网络层的互连设备
2. 路由器的工作原理和基本功能
（1）工作原理
每当路由器收到一个数据分组后，它能读出数据包
的网络地址，并对其进行分析和判断；再根据路由
表中的数据，利于复杂的路由算法，在所互连的网
络之间，为通信的源节点和目的节点的数据通信选
择合适的路由；最后，从所选的路径或网络接口中
转发该数据包。
网络层的互连设备
（2）路由器的路径选择
所谓路由器的路由选择功能，是指它可以在互连的
网络中，从多条路径中寻找一条最佳网络路径提供
给用户通信。路由器支持各种局域网和广域网的接
口，因此它可以互连不同类型的局域网或广域网，
例如：连接以太网和DDN网。
网络层的互连设备
路由器能在多个网络和介质之间提供网络互连的能
力，用路由器可以实现多个不同局域网的相互连接，
如图3-10所示。也可以实现远程工作站对局域网的
访问，参见图3-11。路由器连接的网络中有一个选
择最短路径进行通信的问题，如果某条通道坏了，
有选择另一条通道把信息传送出去的能力，称为“
路由路径选择”。
网络层的互连设备
图3-10 用路由器实现多个远程局域网的连接
网络层的互连设备
3. 路由器的分类
（1）近程路由器和远程路由器
（2）“静态”路由器和“动态”路由器
（3）单协议路由器和多协议路由器
网络层的互连设备
4. 路由器的应用特点
（1）优点
能够合理的、智能化的选择最佳路径。
减少和抑制广播风暴。
作为使用不同通信协议的网络互连平台。
互联第4层以上使用相同、兼容、且第3层使用相同可路由协
议的局域网。
能够隔离网络的通信量。
可以作为网桥。
提高网络的性能，减少主机的负担。
能够提供可靠传输、优先服务。
网络层的互连设备
（2）使用路由器的缺点
致使网络传输性能下降
安装和维护较为困难。
价格较高。
在互连多个网络时，对所连接网络使用的协议有所
限制。
网络层的互连设备
5. 路由器在实际网络连接中的作用
（1）延伸距离
（2）使用路由器将局域网连接到Internet
（3）多个局域网的远程连接
网络层的互连设备
6. 小型企业网络使用调制解调器和路由
器的方案
中小型企业网络使用路由器接入Internet和远程局
域网之间连接的方案如图3-11所示。
网络层的互连设备
图3-11 用路由器实现远程局域网的连接或接入Internet
高层的互连设备
传输层以上互联的设备也就相应地称为高层
互联设备，其代表设备就是网关。
1.网关的定义和基本概念
网关（Gateway）就是将两个或多个在高层使
用不同协议的网络段连接在一起的软、硬件。
高层的互连设备
网关工作在OSI七层模型的高三层，即会话层、表示
层和应用层，它可以支持不同协议之间的转换，实
现使用不同协议网络之间的互联。
2. 网关的应用场合
网关能够连接多个高层协议完全不同的局域网。
高层的互连设备
3.网关的类型
实际应用时，网关有以下两种分类方法：
（1）按照网关可以转换的协议数量分类
双边协议网关和多边协议综合性网关。
高层的互连设备
（2）按照网关的应用类
型分类
网关一般是一种软、硬
件结合的产品。常用应
用网关如下所述：
局域网协议转换网关：
图3-12是Windows NT
NetBIOS网关的使用示例。
图3-12 Windows NT/2000的NetBIOS网关
高层的互连设备
①邮件网关：
②支付网关：
③CGI通用网关接口：
④VOIP语音网关：
⑤安全网关：
⑥综合网关：
⑦其他流行的网关：
网络互连设备的应用场合
何时使用中继器、网桥、交换机、网桥路由器、路
由器、网关？可以根据图3-13，进行选择设计，通
常，连接时涵盖OSI的层愈少，功能就越简单，价格
也越便宜，速度也越快。
综上所述，选择和设计网间互连设备的准则为，根
据当时的实际情况，并且兼顾未来的发展需要，根
据需要选择，以最低的成本达到最高的效益。
网络互连设备的应用场合
图3-13 OSI模型与网间互连设备
