第九章：网络设备与网络互联 / 网络互联
FR WAN
SNA
WAN
bridge
Router
Router
Router
Gateway
Repeater
第九章：网络设备与网络互联 / 网络互联
网络互连所需解决的差别
（1）不同的寻址方案
（2）不同的最大分组长度
（3）不同的网络访问机制
（4）不同的超时控制
（5）不同的差错恢复方法
（6）不同的状态报告方法
（7）不同的路径选择技术
（8）不同的用户访问控制
（9）不同的服务（有连接、无连接）
（10）不同的管理与控制方法
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备
网
络
设
备
中继器 / Repeater （物理层）
网桥 / Bridge（数链层）
路由器 / Router（网络层）
网关 / Gateway（高层/所有层）
交换机 / Switch（数链层）
网络设备小结
网络设备运行的基本流程
物理层网络互连设备----中继
器
中继器的功能
中继器与集线器的联系
中继器的分类
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
10Bast---T Ethernet HUB
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
中继器：完成信号的复制、调整（放大）；延长网络长度
在以太网中，使用中继器要注意“5—4—3—2—1”原
则
中接器只能在规定的范围内进行有效的工作，否则会
引起网络故障
二口中继器（一为进口，一为出口）
多口中接器（共享式的HUB）
最多有 4 个中继器连接 5 个网段，只有 3 个网段可以
连主机，另外 2 个是连接段，他们共组成 1 个广播域。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
Repeater 1
Repeater 2 Repeater 3
Repeater 4
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
repeater repeater
LAN 1
LAN 3
LAN 2
中继器：重新产生信号，扩展局域网覆盖的距离
集线器：多端口的中继器，在以太网中，HUB被称为多址访
问单元（MAU）,各式各样的集线器可支持多种传
输介质的连接器和多种数据传输速率
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
从工作原理上可分为
非交换式集线器
交换式集线器
单网段集线器-----所有端口连接到单一的网段上。
多网段集线器------将端口连接到HUB内的不同网段。
静态交换集线器-----交换在多个共享网段上进行，每个
网段由多个集线器端口共享。
动态交换集线器-----以提供网络可用带宽为目的，动态
提供多条端端并行通信。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 中继器
从机构上可分为
固定式集线器----独立型集线器，端口固定，共享单一网段。
堆叠式集线器----是一种通过外部电缆连接进行扩充的HUB
模块式集线器----采用机箱方法，端口用过热插拔板插接
从特性上可分为
被动集线器----相对静止，不察错和瓶颈；数据从一口向所有
端口发，星型网入门级设备（10Base2,RJ-45）
主动集线器----监视数据、差错、调试时序、优化性能、诊断。
智能集线器----集中管理，为不同设备提供灵活的传输速率。
支持10，16和100Mbps(以太网、令牌，FDDI)
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
数连层网络互连设备----网桥
网桥的功能
网桥的优点
网桥的缺点
网桥的分类
网桥间比较
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
网桥的功能—可以应用在使用相同协议的网段之间
源地址跟踪———将源地址记录到站表中
帧的转发和过滤 （图示）
生成树的演绎
协议转换（图示）
分帧重组————FDDI（4500bit）--> (1518bit)
网桥的管理
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
网桥内部示意图
端口1 端口2缓存
端口管理 网桥协议
软件 实体
站表
-(1) (2) (4) (5) (6)(3)
网段A 网段B
站地
址
端口
（1） 1
（2） 1
（3） 1
（4） 2
（5） 2
（6） 2
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
避免广播风暴，要求网桥执行生成树算法
（Spanning Tree Algorithm）开始选择一个网桥作为根网
桥，既具有最低ID的那个网桥，通过现在规定的
时间间隔发送一系列的网桥协议数据单元的特殊
帧，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个
节点。在这个集合中不存在回路，即在任何两站
只见只有一条通路。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
解决办法：停用某些网桥来淘汰循环，不从物理上拆除连接，
但是可以阻止它们转发帧。实际上它们被用作在别
的网桥失效的情况下的备份.
LAN 1
LAN 2
Frame
4
1
3
2
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
协议转换原理图
用户层
LLC
MAO
物理层
用户层
LLC
MAO
物理层
站 1 站 2
PDU
网 桥
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
网桥的优点：
过滤通信量大
扩大了物理范围
可连接不同的物理层，不同的MAC子层，
不同速率的LAN
提高了可靠性
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
网桥的缺点：
查表存储转发，增加时延
在MAC子层没有流量控制功能
不同的MAC子层用桥连，修改帧的某段内容耗费时间
只适合用户不多时，否则会产生广播风暴
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
网桥的分类
简单网桥（固定网桥）---是最原始的和最便宜的网桥类型。
一个网桥连接两个网段，并包含一个站点的地址表（操作员
手工操作）加入新站点，地址表要更改；删除某一站点，新出 现的
无效地址要清除。配置简单便宜，但安装和维护耗费时间。
学习网桥（透明网桥）--在执行网桥功能的时候，自己建立站点地址表
首次安装表示空的，通过由每个站点所发送的第一个包，网
桥可得知该站点所属的网段，若目标地址是它所不认识的，就将这
包广播到所有网段中，最后，他获得了一个完整的站点地址和各自
所属网段的表，这个表将保存在它的内存中，还可以不断作自我更
新。
源路由网桥---每个站点必须在发送之前知道往其目的地的路由
将路由得负担至于发送站点。发送站点必须确定一个路由，
并把它置于一个帧内。然后网桥依赖于帧的路由信息来发送帧。
路由指定包括：局域网号、网桥号。。。。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网桥
固定路由网桥 透明网桥 源路由网桥
重配置的
能力
有限，通过用路
由信息对网桥重
新编程获得
高，网桥维护关于站点
的位置的信息
高，每个站点必须在
发送之前知道往其目
的地路由确定
站点的责任 无，仅发送帧 无，仅发送帧 有
网桥的要求 路由表 路由表生成、修改并执
行生成树算法的能力
依据路由来广播转发
帧，执行算法
使用的路由 由设计者决定 总是沿着生成树，但不
必是最小费用
站点可以选择相互间
的最小费用路由
对拓扑的
要求
有些，网桥必须
被编程，但站点
不知道
无，网桥知道站点相对
其端口的动态位置，而
站点没必要知道
有些，网桥相对于路
由信息和生成树算法，
但是站点必须确定一
个到目的地路由
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 交换机
CNSH800 8口
10/100M 自适应交换机
交换机：
体现了桥接的复杂交换技术，与网桥不同的是转发延迟小。
• 三种交换技术
• 分组交换机 （图示路由表）
• 交换机分类
• 交换机与路由器的区别
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 /交换机
交换机的三种交换技术
端口交换（模块交换、端口组交换）：
工作在物理层，连接多条以太网段。
帧交换 直接交换
存储-转发交换
信元交换：
以ATM技术为代表，交换长度固定（53Byte）便与硬件实
现。允许多个虚拟连接。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 /交换机
分组交换机
用于组网的基本电子交换机，因为能把完整的分组（packet）从一条连接到另
一条连接而被称为分组交换机。在概念意义上，每个包交换机多是一台小型计算
机，具有处理器、存储器以及发送和接受的I/O设备，现在的分组交换机有专用的
硬件组成
分
组
交
换
机
用来连接其
他交换机
用来连接
计算机
1 2
65
交换机
端口A 端口B
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 交换机
交换机 2
交
换
机
1
交
换
机
3
[]
[]
[] []
[ ]
[]
1
2
3
4
1
2
3
4
1 2 3 4
目的站 下一站
[1,1] 交1
[1,3] 交1
[3,2] 交3
[3,3] 交3
[2,1] 本交
[2,2] 本交
交
换
机
2
的
路
由
表 广域网的主要问题在网络层，有一些节点交
换剂及链路组成。节点交换剂之行将分组存
储-转发功能。
局域网的主要问题在数据链路层，少量在物理层。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 交换机
交换机的分类
• 二层交换机——解析MAC地址，在表中找到该地址对应的端口
• 三层交换机——解析MAC地址，IP地址，也称为路由表交换机
• 四层交换机——解析MAC地址，IP地址，TCP端口号。可将多台
存
有同样内容的服务器以相同的IP地址接入四层交换
机，所以可称为Web交换机。
路由器——只处理网络层地址，称为一种三层网络设备
二层交换机、路由器——其分析的是单域分类
三层交换机、四层交换机——其分析的是多域分类
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器（Router）
� 路由器的功能
� 路由器的性能
� 路由器的优缺点
� 路由其硬件组成
� 路由器软件组成与软件实现
� 路由器选购要点
� 路由器的分类
� 路由器与交换机的区别
EDIMAX BR-6524
双WAN口+4LAN口宽带Router
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器的功能
（1）在网络间转发到远地网络的报文
（2）选择最合理的路由（查找、改变路由表、把大的数据包分为小包）
（3）多协议路由器可以连接不同通信协议的网络段。
所谓多协议路由器，即可支持多种网络协议，连
接使用不同通信协议的网络设备；单协议路由
器，用于具有相同网络协议的网络互连。
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
TCP
IP
LLC
MAC
物理层
TCP
IP
LLC
MAC
物理层
LLC -3
MAC -2
物理 -1
-3 LLC
-2 MAC
-1 物理
IP IP
A机 B机
Router 1 Router 2
LAN 1
LAN 网
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
背板能力——路由器背板容量或总线能力
吞吐量——指路由器包转发能力
丢包率——在应转发的数据包中不能转发的数据包所占
的
比例
转发时延——需转发的数据包最后一bit进入路由器端口
到该数据包第一bit出现在端口连路上的时
间间隔
路由表容量——指路由器运行中可以容纳的路由数量
可靠性——指路由器可用性、无故障工作实践和故障恢
复
时间等指标。
路由器队列管理机制——算法好坏、QoS能力，拥塞管
理
控制能力
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器的优点
• 适用于大规模的网络
• 复杂的网络拓扑结构负载共享和最优路径
• 能更好地处理多媒体信息
• 安全性能高
• 隔离不需要的通信量
• 节省局域网的频宽，减少主机负担
路由器的缺点
• 它不支持非路由协议
• 安装复杂
• 价格高
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器的硬件组成：
处理器、内存、I/O插座、管理控制接口、电源
ASYNC1-8 Ether SERIAL-0 SERIAL-1 CONSOLE AXU POWER
拨号服务器
以太网接口
接集M（广域网）
接PC串口
远程调试用
电源
路由器软件
1.路由器软件运行在UNIX操作系统上
2.路由器软件运行在嵌入式操作系统上
3.路由器软件本身就是操作系统（为提高软件效率）
路由器软件实现
1.路由协议功能（RIP,OSPF,EIGRP,BGP……）
2.查表转发功能（路由表含几十万条路由，在高端路由
器中由ASIC芯片中硬件实现）
3.管理维护功能（路由队列管理机制）
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器选购要点
1.路由器的性能，冗余性和稳定性
2.路由器的接口种类
3.路由器所支持的开放标准协议和特性
4.安全性
5.可管理性
6.流量控制和计费
7.路由器支持路由表大小，路由器体系结构
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
能力上分 高端路由器
中低端路由器
结构上分 模块化结构
非模块化结构
网络位置上分 核心路由器
接入路由器
功能上分 通用路由器
专用路由器
性能上分 线速路由器
非线速路由器
第四代与第五代路由器
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
第四代路由器：
采用了硬件转发模式，解决了带宽容量和性能不足的瓶颈问题，但是基
于ASIC的硬件转发在获取高性能的同时，牺牲了业务灵活性。在设计
ASIC芯片的时候，对转发流程作了大量优化。如果在IP转发中还要做一些
复杂的额外处理，ASIC借无能为力了。
第五代路由器：
自在硬件体系结构上仍采用硬件转发模式和交换网式结构，在关键的IP
转发和业务流程处理上采用了可编程的，转为IP网络设计的网络处理器技
术，代替了原来的ASIC技术。通过软件来控制处理流程。对于路由表查找
算法，QoS的拥塞控制算法等采用硬件协处理器来提高处理性能。实现软
件业务灵活性与高性能硬件转发的结合。
软交换：
是一种功能实体，为下一代网络（NGN）提供具有定时性要求的呼叫控
制功能，使下一代网络呼叫与控制的核心。传统的“呼叫控制”功能是和
业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，而软交换则
是与业务无关的，软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制，
未来的软交换是尽可能的简单的，智能控制功能尽可能的移至部的业务应
用层
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
路由器与节点交换机的区别：
（1）路由器是用来连接不同的网络，而节点交换机制是在一个特定的
网络中工作
（2）路由器是专门用来转发分组，而节点交换机还可接上许多个主机
（3）路由器使用统一的IP协议，而节点交换机使用所在广域网的特定
协议
（4）查找路由表时，路由器根据目的站的网络号找出下一站（即下一
个路由器）而节点交换机则根据目的站所接入的交换机号找出下
一站即下一个节点交换机）
（图示）
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 路由器
A
1 2
3Router
目的网
号
直/间标
志
R,IP地址 网接口号
直接 （空） 1
间接 1
间接 1
A机中的路由表
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网关
网关（Gateway）：
能够连接不同网络的软件和硬件结合产 品（通过重新封装信息是他被
另一系统接收）可设在服务器上，或设在大型机上。速度慢，价格贵。
分为面向连接的网关（用于虚电路网络的互联）和面向无连接的网关
（用于数据包网络的互联）。
常见的网关有：
电子邮件网关—可从一种系统向别的类型系统传数据
IBM主机网关—可在个人机和IBM大型机间建立、管理通信
因特网网关—允许、管理LAN与Internet间的接入
局域网网关—试运行不同协议的网段间通信
（图示）
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 网关
Gateway
SNA
WAN
7应用层
6表示层
5会话层
4传输层
3网络层
2数链层
1物理层
7应用层
6表示层
5会话层
4传输层
3网络层
2数链层
1物理层
7应用层
6表示层
5会话层
4传输层
3网络层
2数链层
1物理层
A网主机 1 B网主机 6网关
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 小结
应用层
（变换）
表示层
会话层
传输层
网络层
数链层
物理层
Gateway
在传送层以上进行传送处理，
协议的变换
(代理服务器、邮件服务器)
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 小结
网络层
（判断）
数链层
物理层
Router
决定网络的所有经路
向收信方传送信息
（如拨号路由器、IP路由器等）
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备 / 小结
网络层
（判断）
物理层
Bridge
在数据链路的帧级进行传送处理
（速度变换网桥、交换式集线器）
物理层
（整形）
Repeater 识别0与1并对波形进行整形
后传送出去。
也可以在双绞线与光纤等
不同媒体间进行交换
第九章：网络设备与网络互联 / 网络设备运行的基本流程
接收 分析 查询 变更 发送
包
接收—数据包由网络设备的物理层接收
分析—提取包头信息，分析MAC,IP，端口号（或从数据中提取端口号）
查询—根据分析是提取的信息，在路由表中查询，找对应的端口
处理—数据包发到对应的端口的缓存，并作校验等处理
变更—有些设备需要数据包作某些变更，例如杀毒等。
发送—将缓存中的数据发送出去
网络设备还需要对设备本身进行一些管理性操作
*表的生成和维护 *端口状况监测 *系统初始化
快速通道(fast path): 处理数据的通道，在网络中被叫做数据平面(data
plane)
满速通道(slow path): 主要是对设备本身进行管理，在网络中被叫做控制平面
（control plane ）
