第第11页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
第5章 网络的扩展与互连设备
计算机网络技术基础（第三版）
主编：尚晓航
高等教育出版社
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
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本章学习目标
了解：网络互连的基本概念
掌握：网络互连设备的类型、层次与使用
掌握：网络接入技术的种类和概念
了解：可申请的广域网通信服务的类型
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网络互连概述
1.什么是网络的连接或互连？
（1）网络的延伸
（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。分段设计优点如下：
① 提高可靠性。
② 分散了负荷，提高了网络的性能。
③ 提高了安全性。
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2. 互连网络必须要解决的问题
①实现一种网络与另一种网络的互访与通信。
②解决两种不同网络之间在协议方面的差异。
③处理两种网络之间在传输速率方面的差别。
3.网间互连设备概述
“网络连接器”又称为“网间互连设备”，它
可以采用硬件和软件的方法对网络的差别进行
处理。
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2. 互连网络必须要解决的问题
（1）局域网连接或延伸用的网络互连
设备
中继器、集线器、网桥、交换机等。
（2）局域网远程连接时用的网络互连
设备
有调制解调器、桥式路由器、路由器远
程访问服务器和网关等。
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物理层的扩展与连接设备
物理层设备和部件概述
1. 理论作用
信号的接收、放大、整形、向所有端口转发数据
的作用；
2. 实际应用
增长传输距离、增加网络结点数目、不同介质网络
的连接，以及组网。
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物理层的扩展与连接设备
3. 冲突域和广播域
物理层设备互连的网络的各个结点都处于同一个
冲突域；另外，这层设备不能隔离广播信息的传播，
所以互连的网段都处于同一个广播域。
4. 常见设备和部件
物理层的设备主要有收发器、中继器、集线器，
以及接入点AP；网络部件主要有传输介质、介质
连接器、各类转换部件（RJ45-AUI）等
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中继器和转接器
1. 中继器的功能
中继器又称“转发器”，它实现网络在物理层上
的连接。由于线路损耗的存在，在线路上传输的信
号功率将会随着距离的增加而逐步衰减，衰减到一
定程度时，将导致信号失真，从而发生连接错误。
中继器是最简单的和最便宜的网间连接设备，如
图5-1所示，中继器可以连接两个或多个网络的电
缆段。
中继器起到放大、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，
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中继器（收发器）既可以用来扩展网络距离，
也可以用来连接两个或多个使用不同传输介质
的局域网。
中继器具有接收、放大、整形和转发网络信息
的作用，因此，可以降低传输线路对信号的干
扰影响，起到扩充网络规模的作用。
使用带有不同接口的中继器，可以连接两个不
同类型的网络。
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图5-1千兆以太网光纤收发器
图5-2 用中继器再生信号
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中继器的使用规则（中继规则）
在10Mb/s以太网中，这个限制规则称为5-4-3规则。
此规则规定，在以太网中最多允许有5个网段、使
用4个中继器，而这些网段中只有3个是可以连接客
户计算机（终端）的网段，图5-3形象地说明了5-4-
3规则。
图5-3 10Mb/s以太网的
5-4-3规则
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中继器的应用特点
（1）优点
中继器安装简单，不仅可以扩展网络的距离，还能
将不同传输介质的网络连接在一起，而且是最便宜
的扩展网络距离的设备。
（2）缺点
①有条件连接；第2~7层使用相同或兼容协议。
②无网段隔离功能，多个网络连接后将增加网
络的信息量，易发生阻塞。
③使用中继器扩展网段距离有所限制。
④中继器不能控制广播风暴。
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4. 使用和选择中继器时应注意的事项
① 网段的接口。
② 网段扩展的极限距离。
使用中继器时，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。
5. 转接器
由于网络的类型和介质连接器的种类繁多，因此，
在实际工程中经常需要各种物理层的转换部件。如：
AUI-RJ45，BNC-RJ45，ST-RJ45等不同类型的接
口转换器，有时也称其为“跳线”,如，图5-4。
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5. 转接器
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有线和无线集线器
集线器主要指共享式集线器，又被称为多端口中继
器，工作在OSI模型的物理层；作用与中继器类似。
1. 集线器的分类
（1）无线集线器-AP：参见图5-5。AP用来连接周
边的无线网络终端，形成星形网络结构。
（2）有线集线器的分类
集线器和交换机的外型十分相似，按外型可以分为：
独立式集线器、堆叠式集线器和模块式集线器3种，
参见图5-6、图5-7和图5-8；按照速率可以分为：
10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s。
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1. 集线器的分类（按外形）
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集线器的应用特点
（1）优点
①集线器可延伸网络的距离和增加网络的结点数目。
②集线器安装极为简单，几乎不需要配置。
③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。
（2）缺点
①集线器限制了介质的极限距离。
②集线器没有数据过滤的功能，不能进行通信分段。
③集线器使用数量有限制。
④结点数目过多时，冲突增加，网络性能急剧下降。
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3. 使用集线器时应注意的因素
①在物理层以上使用相同或兼容协议。
②应注意网络所使用的传输介质。
③集线器专指共享式的集线器。
④突破集线器级联数量的限制：集中增加
的结点很多时，使用堆叠或模块式设备可
以突破级联设备数量的限制。
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数据链路层的扩展与连接设备
数据链路层设备概述
数据链路层设备的主要部件有有线和无线网卡；
主要互联设备有网桥、交换机和无线网桥。
1. 理论作用
依据转发表中的数据进行过滤和筛选，最终依所
选的端口转发数据帧。这层设备允许不同端口间的
并发通信；因此，可以增加冲突域的数量。
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数据链路层的扩展与连接设备
2. 实际作用
网桥和交换机都是一个软件和硬件的综合
系统。交换机又被称为“多端口网桥”。
这层设备在实际中的作用主要有3点：第
一，组网，由于连接各种计算机和结点设备；
第二，通过学习、过滤功能来自动维护交换
机的“转发表”；第三，依据自动生成的“
转发表”转发数据帧。
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冲突域和广播域
（数据链路层设备）
数据链路层设备经常用于互连使用相
同网络号的IP子网。
交换机和网桥都是端口冲突和传播所
有广播信息的设备；因此，网桥和第2
层交换机互连的网络处于多个冲突域和
同一个广播域。
不能控制广播风暴；但具有VLAN功
能的交换机除外。
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网桥（bridge）
1.网桥的定义
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。网桥一般由
软件和硬件组成，它工作在OSI模型的第二层。
2.网桥的理论功能
（1）过滤和转发
（2）学习功能
网桥可以自动学习和生成由端口号和
MAC地址组成的站表。
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图5-9 近程网桥；图5-10 远程网桥
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3. 网桥应用与设计要点
（1）网络分段
（2）延伸网络的距离
（3）网桥可以连接物理层或数据链路层不
同的网络
（4）网桥的设计点
①网桥最简单的使用形式如图5-9所示。
②在使用网桥时，一定要注意它在网络中的位置，
即8/2规则。网桥设计在最佳位置时，能够阻
挡80%的通信量进入分段后的其他网络段。
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3. 网桥应用与设计要点
4. 网桥的分类
（1）按网桥硬件所处的位置分类
（2）按网桥分布的地理范围分类
图5-11 一对网桥连接两个远程局域网
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以太网交换机
1. 以太网交换机与集线器的异同
以太网交换机除了包括集线器的所有特性外，
还具有自动寻址、交换和处理等功能。
（1）不同之处：OSI模型中所处位置不同。
1）工作原理不同
2）网络工作方式不同
3）带宽不同
4）端口通信模式和速率不同
5）冲突域数目不同
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以太网交换机
（2）相同之处
交换机和集线器只是在工作方式上不
同，而在其他方面则完全一致，例如：
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。交换机与集线器互联的网络都
不能隔离广播信息，因此，所有结点都
处于同一广播域。
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有关交换机的基本概念
（1）交换机端口类型与参数
①单/多MAC地址。
②专用端口和共享端口。
③端口密度。
④高速端口。
⑤管理端口。
⑥其他连接端口。
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有关交换机的基本概念
（2）背板带宽：
交换机的“背板带宽”又称“背板吞吐量”类
似于电脑主板上的总线，是交换机接口处理器或接
口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。
（3）MAC地址与支持MAC地址的数量
① MAC地址的作用。
② MAC地址的组成：由12位16进制数（0−F）
表示，共用48个二进制位；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。
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交换机的分类
（1）按照外型分类
（2）按照网络技术进行的交换机分类
（3）按照应用规模选择交换机
交换机按照其所适应的网络规模，由
小到大依次为：桌面交换机、工作组交换
机、骨干（部门）交换机和企业交换机。
三级交换式网络的应用结构如图5-12所示：
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图5-12 千兆位三级交换式网络
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3. 交换机的分类
1) 桌面型交换机
2) 工作组交换机
3) 部门交换机
4) 校园网（骨干）交换机
5) 企业交换机
4.选择交换机的要点
在选择交换机时，可以从“技术的角度”、“应
用规模”和“品牌角度”等3个方面进行选择。
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5. 局域网交换机的主要指标
常见的描述交换机容量性能的指标有：
① 交换容量(Gb/s)
② 背板带宽(Gb/s)
③ 处理能力(Mb/s)
④ 吞吐量(Mb/s)
建议用户抓住一个指标，如满足配置时的吞吐量
(Mb/s)。此外，局域网交换机的最主要的指标还有
端口的配置、数据交换能力和信息帧（包）的交换
速度等。
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网络层的互联设备
网络层设备概述
网络层设备主要有第三层交换机和路由器，它们
都工作在OSI模型的第3层“网络层”。
1. 理论作用
这层设备不但能读懂第3层“数据分”头部的IP
地址信息；还能根据手动或自动建立起的“路由表
”选择最佳路径，并进行数据分组的路由。这层设
备丢弃收到的广播信息，因此，可以将广播信息隔
离在端口连接的网段内部。
第第3535页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
实际应用
在网络中，路由器和第三层交换机都是一个
软件和硬件的综合系统；在TCP/IP网络中，它们
的主要任务是负责不同IP子网之间的数据包的转发。
实际中的作用如下：
① 网络互连；
② 网络管理；
③ 其他作用：提高子网的传输性能、安全
性、可管理性及保密性能的作用。
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3. 冲突域和广播域
网络层设备主要用于互联，互联的网络结
点一般处于多冲突域。另外，第三层设备
丢弃所有的广播信息，因此，互联的网络
分别处于不同的广播域。
例如：当一个4口路由器上连接有3个子
网时，其广播域为3；冲突域的多少还要根
据其具体连接的子网的网络设备的类型来
确定。
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Internet接入的首选设备路由器
1. Router-路由器的基本概念
路由器的工作在OSI模型第三层（网络层）
上的，一种在网络中负责寻找最佳路径的数
据转发设备。
（1）路由器的定义
用来连接两个以上复杂网络的、具有路由
选择及协议转换的、可以进行有条件异种网
络互连的、工作在OSI参考模型第三层的网
络互连设备。
第第3838页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
Internet接入的首选设备路由器
（2）什么是路由
路由就是选择一条数据包传输路径的过程。在广
域网中，从一点到另一点通常有多条路径，每条路
径的长度、负荷和花费都是不同的。
（3）路由表
路由器的路由表中保存着所连接子网的状态
信息。路由器工作时，正是利用路由表来进
行路径选择。
①静态（static）路径表。
②动态（dynamic）路径表。
第第3939页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
Internet接入的首选设备路由器
2. 路由器的工作原理
根据路由表自动选择传输效率比较高的路径。
3.路由器具有的基本功能
（1）路由器的理论功能
① 静态/动态路由选择功能。
② 转发数据分组。
③ 数据处理。
④ 隔离通信：。
⑤ 网络管理。
⑥ 路径选择。
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图5-13 路由器互联的多个远程局域网
第第4141页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
路由器的分类
（1）近程路由器和远程路由器
（2）内部路由器和外部路由器
（3） “静态”路由器和“动态”路由器
（4）单协议路由器和多协议路由器
5. 路由器的应用特点
路由器最主要的功能是选择合适的路由，引导
网络通信。通过路由器发送数据的协议必须是专门
设计的可以支持路由选择的协议，即“可路由”协
议。
第第4242页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
路由器的应用特点
（1）使用路由器的优点
①能够合理的、智能化的选择最佳路径。
②路由器可以把广播风暴信息隔离在源网络内。
③多协议路由器可以连接使用不同通信协议的网络。
④单协议路由器互联的网络。
⑤使用路由器能够隔离不需要的通信，起到网络屏
障的作用。
⑥路由器的网络分段功能，可以提高网络的性能，
减少主机的负担。
⑧ 能够提供可靠传输、优先服务。
第第4343页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
路由器的应用特点
（2）使用路由器的缺点
①安装路由器时有许多初始配置。
②与网桥不同，路由器是与协议相关。
③使用较多的时间进行处理，致使网络
传输性能下降。
④价格较高。
⑤路由器不支持非路由协议。
⑥需要专门的管理员。
第第4444页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
路由器在实际网络连接中的作用
（1）延伸距离
（2）将局域网连接到Internet
（3）远程局域网间的互联
7. 小型企业网络使用调制解调器和路由器的
方案
（1）接入Internet
中小型企业网络使用路由器接入Internet
方案如图5-14所示。
第第4545页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
图5-14 两级交换以太网通过有线宽带路由器
接入Internet
第第4646页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
（2） 远程互联与访问的解决方案
1)RAS远程访问服务
RAS技术是指通将位于本地网络以外的计算机或
局域网，连接并访问本地网络及资源的技术。
2) 小型局域网的RAS解决方案
①RAS连接的远程访问方式。
②VPN连接的远程访问方式。
3)大中型局域网的RAS解决方案
通常使用专用的网络设备（远程访问路由器）来实
现远程局域网之间的互联，方案如图5-15。
第第4747页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
网关
高层互联设备概述
网关（Gateway）工作在OSI七层模型的高三层，
即会话层、表示层和应用层的。网关具有协议的翻
译和转换的功能，因此又叫做网间协议转换器。
1. 网关的定义
网关通常是指用来连接使用不同协议网络的软
件，而不是指它的物理设备。软件网关一般是指安
装了网关软件的计算机、服务器或小型机等。复杂
的硬件高端网关，可能是硬件和软件集成在一起的
复杂设备。
第第4848页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
网关（gateway）
2. 理论作用
网关是一种复杂的网络连接设备，它可以支持不同
协议之间的转换，实现使用不同协议网络间的互连。
3. 网关的应用
①实际作用：网关能够连接多个高层协议完全不同
的局域网和广域网，实现LAN-WAN互连，以及
LAN-Internet互连。
② 互联条件：选择支持互联双方协议的网关。网
关则容许使用不同协议的网络互联。当前，大多使
用应用层网关进行互联。
第第4949页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
网关（gateway）
4. 网关的类型与应用
（1）按照网关可以转换的协议数量分类
通常情况下，网关只能实现一种协议到另一
种协议的转换，而高端网关能够提供有限的几
种协议的转换功能；前者是“双边协议网关”
，后者是“多边协议综合性网关”。
在互连设备中，网关是最复杂的，没有一种
网关可以转换所有的协议。
第第5050页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
网关（gateway）
（2）按照网关的应用类型分类
①局域网协议转换网关：图5-16。
②邮件网关。
③支付网关。
④CGI通用网关接口。
⑤VOIP语音网关。
⑥安全网关。
⑦综合网关。
⑧其他流行的网关：WAP（无线通讯协议）网关、
计费网关、媒体网关、防火墙/应用网关和短信网关。
第第5151页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
网络连接设备的应用场合
何时使用中继器、网桥、交换机、网桥路由器、
路由器、网关？
应根据实际情况及图5-17进行选择设计。一般，
互联涵盖OSI模型的层次愈少，功能就越简单，价
格也越便宜，速度也越快。
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。
第第5252页页2022/9/28，第5章 网络的扩展与互连设备，计算机网络技术基础（第3版） 主编：尚晓航
图5-17 OSI模型与网间互联设备
