计算机网络技术-第7章_网络互联设备

1、1第7章 网络互联设备问题问题原由原由网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立自治网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以形成能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以形成能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳更多用户的更加庞大的网络系统。更多用户的更加庞大的网络系统。本章重点讨论本章重点讨论网络互联设备、概念、类型、解决方网络互联设备、概念、类型、解决方案、层次、物理层互联设备、数据链路层互联设备案、层次、物理层互联设备、数据链路层互联设备、网络层互联设备、应用层互联设备、网络层互联设备、应用层互联设

2、备等。等。教学教学重点重点能力能力要求要求了解：了解：了解网络互联的概念。了解网络互联的概念。熟悉：熟悉：网络互联设备的工作原理。网络互联设备的工作原理。掌握：掌握：互联设备的工作层次、功能及应用。互联设备的工作层次、功能及应用。2 7.1 网络互联概述网络互联概述 7.2 网络互联设备网络互联设备 3知识结构网网络络互互联联设设备备网络互联网络互联设备设备 物理层互联设备物理层互联设备 网络互联的层次网络互联的层次 数据链路层互联设备数据链路层互联设备 网络层互联设备网络层互联设备 应用层互联设备应用层互联设备 网络互联网络互联概述概述 网络互联解决方案网络互联解决方案 网络互联类型网络互联

3、类型网络互联概念网络互联概念 4 LAN的迅速增长，把越来越多的彼此独立的个的迅速增长，把越来越多的彼此独立的个人计算机带入了网络环境，从而达到了共享资源和人计算机带入了网络环境，从而达到了共享资源和交换信息的目的。然而，由于交换信息的目的。然而，由于LAN本身的连接距离本身的连接距离限制（一般在几公里之内）和用户针对不同的应用限制（一般在几公里之内）和用户针对不同的应用选择选择LAN的类型不一样，所以不同企业甚至是同一的类型不一样，所以不同企业甚至是同一个企业的不同部门之间形成了多个个企业的不同部门之间形成了多个LAN孤岛。如何孤岛。如何把这些把这些LAN互连起来，像使用电话系统那样方便地互

4、连起来，像使用电话系统那样方便地使用计算机网络，是网络互联要解决的问题。使用计算机网络，是网络互联要解决的问题。 网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立网络互联是为了将两个或者两个以上具有独立自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以自治能力、同构或异构的计算机网络连接起来，以形成能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者形成能够实现数据流通，扩大资源共享范围，或者容纳更多用户的更加庞大的网络系统。容纳更多用户的更加庞大的网络系统。7.1 网络互联概述5 计算机网络往往由许多种不同类型的网络互相连计算机网络往往由许多种不同类型的网络互相连接而成。如果几个计算机网络只是在物理上连接在接而成。如

5、果几个计算机网络只是在物理上连接在一起，它们之间并不能进行通信，那么这种一起，它们之间并不能进行通信，那么这种“互连互连”并没有什么实际意义。因此通常在谈到并没有什么实际意义。因此通常在谈到“互联互联”时，就已经暗示这些相互连接的计算机是可以进行时，就已经暗示这些相互连接的计算机是可以进行通信的，也就是说，从功能上和逻辑上看，这些计通信的，也就是说，从功能上和逻辑上看，这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络，或称算机网络已经组成了一个大型的计算机网络，或称为互联网络，也可简称为互联网、互连网。为互联网络，也可简称为互联网、互连网。7.1.1网络互联概念67.1.1网络互联概念 互连（互连

6、（InterconnectionInterconnection）：是指网络在物理上的连）：是指网络在物理上的连接，两个网络之间至少有一条在物理上连接的线路，它接，两个网络之间至少有一条在物理上连接的线路，它为两个网络的数据交换提供了物资基础和可能性，但并为两个网络的数据交换提供了物资基础和可能性，但并不能保证两个网络一定能够进行数据交换，这要取决于不能保证两个网络一定能够进行数据交换，这要取决于两个网络的通信协议是不是相互兼容。两个网络的通信协议是不是相互兼容。 互联（互联（internetworkinginternetworking）：网络互联是指网络在）：网络互联是指网络在物理和逻辑上，尤

7、其是逻辑上的连接。物理和逻辑上，尤其是逻辑上的连接。 网络互联是指将两个或两个以上的计算机网络通过网络互联是指将两个或两个以上的计算机网络通过一定的方法，用一种或多种网络通信设备互联起来，从一定的方法，用一种或多种网络通信设备互联起来，从而构成更大的网络系统，实现网络间更广泛的资源共享而构成更大的网络系统，实现网络间更广泛的资源共享，并通过通信达到不同网络上的用户可以进行信息和数，并通过通信达到不同网络上的用户可以进行信息和数据的交换。据的交换。77.1.1网络互联概念在需要连接的网络之间提供至少一条物理链路，并对在需要连接的网络之间提供至少一条物理链路，并对这条链路具有相应的控制规这条链路具

8、有相应的控制规 程，使之能建立数据程，使之能建立数据交换的连接。交换的连接。 在不同网络之间具有合适的路由，以便能相互通信以在不同网络之间具有合适的路由，以便能相互通信以交换数据。交换数据。 可以对网络的使用情况进行监视和统计，以方便网络可以对网络的使用情况进行监视和统计，以方便网络的维护和管理。的维护和管理。87.1.1网络互联概念 “互连互连”指在两个物理网络之间至少有一条物理链路指在两个物理网络之间至少有一条物理链路，它为两个网络的数据交换提供了物质基础和可能性，它为两个网络的数据交换提供了物质基础和可能性，但并不能保证两个网络一定能够进行数据交换，这了取但并不能保证两个网络一定能够进行

9、数据交换，这了取决于两个网络的通信协议是否相互兼容。决于两个网络的通信协议是否相互兼容。 “ “互通互通”指两个网络之间可以交换数据，它仅仅涉及指两个网络之间可以交换数据，它仅仅涉及通信的两个网络之间的端端连接与数据交换，为互操作通信的两个网络之间的端端连接与数据交换，为互操作提供条件。提供条件。 “ “互操作互操作“指两个网络中不同计算机系统之间具有透指两个网络中不同计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力，一般由高层软件来实现。明地访问对方资源的能力，一般由高层软件来实现。 因此，互连、互通、互操作表示了三层含义，互联因此，互连、互通、互操作表示了三层含义，互联是基础，互通是手段，互操作

10、才是网络互联的目的。是基础，互通是手段，互操作才是网络互联的目的。 97.1.2网络互联类型局域网与局域网互连（局域网与局域网互连（LAN-LANLAN-LAN），例如以太网与），例如以太网与令牌环之间的互连。令牌环之间的互连。局域网与广域网互连（局域网与广域网互连（LAN-WANLAN-WAN），例如使用公用），例如使用公用电话网、分组交换网、电话网、分组交换网、DDNDDN、ISDNISDN、帧中继等连接、帧中继等连接远程局域网。远程局域网。广域网与广域网互连（广域网与广域网互连（WAN-WANWAN-WAN），例如专用广域），例如专用广域网与公用广域网的互连。网与公用广域网的互连。局域网

11、与广域网再连接局域网（局域网与广域网再连接局域网（LAN-WAN- LANLAN-WAN- LAN），例如以太网通过，例如以太网通过DDNDDN与令牌环之间的互连。与令牌环之间的互连。10 在在LAN-LANLAN-LAN互联中，根据互联中，根据LANLAN的传输性质和通信协议不同，的传输性质和通信协议不同，又分为同构网互联和异构网互联两种形式。又分为同构网互联和异构网互联两种形式。 同构网互联：同构网互联：指具有相同传输性质和相同通信协议的指具有相同传输性质和相同通信协议的局域网互联。局域网互联。LAN-LANLAN-LAN互联结构图互联结构图PCPCPCPCPCPCPCPCLAN1LAN1

12、LAN2LAN2互连设备互连设备 异构网互联异构网互联：指两种完全指两种完全不同传输性质和不同通信协议的不同传输性质和不同通信协议的局域网互联。局域网互联。 目前，不同类型的网络之间目前，不同类型的网络之间的互联大多是异构网互联。异构的互联大多是异构网互联。异构网的互联较复杂些，常用连接设网的互联较复杂些，常用连接设备有网桥或路由器备有网桥或路由器, , 如右图所示如右图所示。 7.1.2网络互联类型11WANWAN路由器路由器WAN-WANWAN-WAN互联结构图互联结构图 LAN-WAN LAN-WAN互联可以使不同单位或机构的互联可以使不同单位或机构的LANLAN连入范围更大连入范围更大

13、的网络体系中。其连接如右图所示。的网络体系中。其连接如右图所示。 WANWAN与与WANWAN互联一般在政府互联一般在政府的电信部门或国际组织间进行的电信部门或国际组织间进行将不同地区的网络互联，以构将不同地区的网络互联，以构成更大规模的网络。成更大规模的网络。WAN-WANWAN-WAN的互联主要使用路由器或网关的互联主要使用路由器或网关来实现。其连接如下图所示。来实现。其连接如下图所示。WANWAN路由器路由器PCPCLAN-WANLAN-WAN互联结构图互联结构图LANPCPCPCPC7.1.2网络互联类型12 如果两个局域网的地理位置相隔很远，可以通过广域网实如果两个局域网的地理位置相

14、隔很远，可以通过广域网实现两个局域网的互联。其连接如下图所示。现两个局域网的互联。其连接如下图所示。PCLAN-WAN-LANLAN-WAN-LAN互联结构图互联结构图WANPCPCPCPCPC路由器路由器路由器路由器路由器路由器LANLANLAN7.1.2网络互联类型137.1.3网络互联解决方案 使一个网络上的用户能访问其他网络的资源，网使一个网络上的用户能访问其他网络的资源，网络互联的主要目的是使不同网络上的用户能互相通信络互联的主要目的是使不同网络上的用户能互相通信，其中最主要的内容是网络扩展。进行网络扩展的主，其中最主要的内容是网络扩展。进行网络扩展的主要原因有以下几点：要原因有以下

15、几点：扩展覆盖范围，由于局域网受到传输介质、通信扩展覆盖范围，由于局域网受到传输介质、通信设备等限制，其通信距离总是有一定限制的，通设备等限制，其通信距离总是有一定限制的，通过网络互联，可扩展其通信距离。过网络互联，可扩展其通信距离。形成更大的网络，一个计算机网络所能连接的计形成更大的网络，一个计算机网络所能连接的计算机数量总是有限的，通过网络互联，能增加连算机数量总是有限的，通过网络互联，能增加连网络的计算机的数量，扩大网络规模。网络的计算机的数量，扩大网络规模。提高网络性能，随着网络的广泛应用，人们要求提高网络性能，随着网络的广泛应用，人们要求更快的传输速度、更短的响应时间和更多的业务更快

16、的传输速度、更短的响应时间和更多的业务服务，通过网络互联，可以大大提高网络的整体服务，通过网络互联，可以大大提高网络的整体功能。功能。147.1.3网络互联解决方案 面向连接的解决方案要求两个节点在通信时建立一面向连接的解决方案要求两个节点在通信时建立一条逻辑通道，所有的信息单元沿着这条逻辑通道传输。条逻辑通道，所有的信息单元沿着这条逻辑通道传输。路由器将一个网络中的逻辑通道连接到另一个网络中的路由器将一个网络中的逻辑通道连接到另一个网络中的逻辑通道，最终形成一条从源节点至目的节点的完整通逻辑通道，最终形成一条从源节点至目的节点的完整通道。道。 与面向连接的互联网解决方案不同，面向非连接的与面

17、向连接的互联网解决方案不同，面向非连接的解决方案并不需要建立逻辑通道。网络中的信息单元被解决方案并不需要建立逻辑通道。网络中的信息单元被独立对待，这些信息单元经过一系列的网络和路由器，独立对待，这些信息单元经过一系列的网络和路由器，最终到达目的节点最终到达目的节点 。 15按照连接网络的不同，网络互联设备分为中继器、按照连接网络的不同，网络互联设备分为中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。用户在集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。用户在构建网络系统和连接不同的网络时，正确地选择互构建网络系统和连接不同的网络时，正确地选择互联设备尤为重要。联设备尤为重要。7.2 网络互联设备16 网络

18、互联不仅要把多个网络用物理线路连接起来，并且网络互联不仅要把多个网络用物理线路连接起来，并且使用户无法察觉不同网络之间的差异。各种网络协议的功能使用户无法察觉不同网络之间的差异。各种网络协议的功能不同，分属于不同的层次。网络互联主要是将不同网段、网不同，分属于不同的层次。网络互联主要是将不同网段、网络或子网之间通过网络互联设备连接起来。网络各互联层与络或子网之间通过网络互联设备连接起来。网络各互联层与相应设备的对应关系如下图所示。相应设备的对应关系如下图所示。 互联设备的层次关系互联设备的层次关系网络网络1 1 网桥、交换机（链路层）网桥、交换机（链路层）网关（高层）网关（高层） 路由器（网络

19、层）路由器（网络层） 中继器、集线器（物理层）中继器、集线器（物理层）子络子络1 1LANLAN1 1网段网段1 1网段网段2 2LAN2LAN2子络子络2 2网络网络2 27.2.1网络互联的层次17 将网络互相连接起来要使用一些中间设备，将网络互相连接起来要使用一些中间设备，ISOISO的术语称之为中继（的术语称之为中继（relayrelay）系统。中继系统在网间）系统。中继系统在网间进行协议和功能转换，具有很强的层次性。进行协议和功能转换，具有很强的层次性。 根据中继系统所在的层次，可以有以下五种中继根据中继系统所在的层次，可以有以下五种中继系统：系统：物理层中继系统，即转发器或中继器物

20、理层中继系统，即转发器或中继器(repeater)(repeater)；数据链路层中继系统，即网桥数据链路层中继系统，即网桥(bridge)(bridge)和交换机（和交换机（switch)switch)；网络层中继系统，即路由器网络层中继系统，即路由器(router)(router)和三层交换机（和三层交换机（switchswitch）；）；网络层以上的中继系统（应用层），即网关网络层以上的中继系统（应用层），即网关(gateway)(gateway)。7.2.1网络互联的层次18 物理层是指物理层是指OSIOSI参考模型的最低层，物理层设备参考模型的最低层，物理层设备有中继器、集线器、无线

21、有中继器、集线器、无线APAP等。工作在物理层的设等。工作在物理层的设备由于性能限制，无法分辨出传输信号中的数据信备由于性能限制，无法分辨出传输信号中的数据信息，其任务就是为和它互相连接的设备，提供一个息，其任务就是为和它互相连接的设备，提供一个传输数据的物理连接，数据流在物理信道上是以信传输数据的物理连接，数据流在物理信道上是以信号的方式进行传输的。号的方式进行传输的。7.2.2物理层互联设备197.2.2物理层互联设备 中继器（中继器（RP repeaterRP repeater）是连接网络线路的一种装置，常）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是

22、用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。放大功能，以此来延长网络的长度。 中继器的功能是在物理层内实现透明的二进制比特复制中继器的功能是在物理层内实现透明的二进制比特复制、补偿信号衰减。也就是说，中继器接收从一个网段传来的、补偿信号衰减。也就是说，中继器接收从一个网段传来的所有信号，放大后发送到另一个网段。由于存在损耗，在线所有信号，放大后发送到

23、另一个网段。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器两端连接相同大，保持与原数据相同。一般情况下，中继器两端连接相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。 207.2.2物理层互联设备 中继器是工作在中继器是

24、工作在OSIOSI参考模型物理层上的一种最简单的局参考模型物理层上的一种最简单的局域网设备，用来实现网络物理层网段之间的互联。域网设备，用来实现网络物理层网段之间的互联。 中继器的功能就是将因传输而衰减和畸变的信号进行放中继器的功能就是将因传输而衰减和畸变的信号进行放大、整形和转发，以延长信号的传输距离。但是，中继器并大、整形和转发，以延长信号的传输距离。但是，中继器并非能够无限制地扩展网络长度，使用时首先应注意以太网的非能够无限制地扩展网络长度，使用时首先应注意以太网的5-4-35-4-3中继规则。中继规则。 中继器的结构非常简单中继器的结构非常简单, , 没有软件没有软件, ,只是物理层的

25、信号增只是物理层的信号增强，以便传输到另一个网段，而各网络段属于同一网络强，以便传输到另一个网段，而各网络段属于同一网络, ,各网各网段上的工作站可以共享某一网段上的文件服务器。段上的工作站可以共享某一网段上的文件服务器。21 中继器的工作原理如下图所示。如果发送结点与接收结中继器的工作原理如下图所示。如果发送结点与接收结点之间的距离超过点之间的距离超过500500m m，就不能正确接收数据信号。就不能正确接收数据信号。 中继器工作原理示意图中继器工作原理示意图7.2.2物理层互联设备22 粗缆中继器：粗缆中继器：用来实现两粗缆网段互联，每段最长距用来实现两粗缆网段互联，每段最长距离为离为50

26、0500m m。 细缆中继器：细缆中继器：用来实现两细缆网段互联，每段最长距用来实现两细缆网段互联，每段最长距离为离为185185m m。 双绞线中继器：双绞线中继器：用来实现两双绞线网段互联，每段最用来实现两双绞线网段互联，每段最长距离为长距离为100100m m，共享式集线器共享式集线器HUBHUB实际上就是一个多端口的双实际上就是一个多端口的双绞线中继器。绞线中继器。 光纤中继器：光纤中继器：用来实现两光纤网段互联，若用用来实现两光纤网段互联，若用4 4个光个光纤中继器时，每光纤段最长距离为纤中继器时，每光纤段最长距离为500500m m；若用若用3 3个光纤中继器个光纤中继器时，每光纤

27、段最长距离为时，每光纤段最长距离为10001000m m。7.2.2物理层互联设备237.2.2物理层互联设备 （1 1）中继器的主要优点）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。要求所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容协议。 （2 2）中继器的主要缺点）中继器的主要缺点 中继器用于局域网之间有条件的连接。中继器用于局域网之间有条件的连接。 中继器不能提供所连接网段之间的隔

28、离功能。中继器不能提供所连接网段之间的隔离功能。 中继器不能抑制广播风暴。中继器不能抑制广播风暴。 使用中继器扩展网段和网络距离时，其数目有所限使用中继器扩展网段和网络距离时，其数目有所限制。制。24system4 system5 system6system4 system5 system6 集线器集线器(Hub)(Hub)是局域网中重要的部件之一，其实质是一个是局域网中重要的部件之一，其实质是一个多端口的中继器。中继器通常带有两个端口多端口的中继器。中继器通常带有两个端口, ,用于连接一对同用于连接一对同轴电缆，而随着双绞线以太网的出现轴电缆，而随着双绞线以太网的出现, ,中继器被做成具有多

29、个中继器被做成具有多个端口的装置，用在星型布线系统中端口的装置，用在星型布线系统中, ,并称其为集线器。集线器并称其为集线器。集线器在网络中的连接如下图所示。在网络中的连接如下图所示。HUBHUB1 1Server system1 system2 system3Server system1 system2 system3 HUBHUB2 2集线器在网络中的连接集线器在网络中的连接7.2.2物理层互联设备251放大和整形功能放大和整形功能2检测冲突功能检测冲突功能3端口扩展功能端口扩展功能4数据转发功能数据转发功能5 5介质互连功能介质互连功能 在使用在使用10Base-T10Base-T的以太

30、网协议组网时，集线器的作用的以太网协议组网时，集线器的作用就显得十分重要，它主要有以下就显得十分重要，它主要有以下5 5个方面的功能。个方面的功能。7.2.2物理层互联设备26集线器的基本结构集线器的基本结构 端口端口1 端口端口2 端口端口3 端口端口4 端口端口5 端口端口6 端口端口7 端口端口8主机主机B B主机主机A A集线器集线器 集线器作为以太网的中心连接设备时，所有结点通过非集线器作为以太网的中心连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。在物理结构是星型结构，在逻辑屏蔽双绞线与集线器连接。在物理结构是星型结构，在逻辑上仍然是总线型结构，并且在上仍然是总线型结构，并且在M

31、ACMAC层仍然使用层仍然使用CSMA/CDCSMA/CD介质访介质访问控制方法。集线器的基本结构如下图所示。问控制方法。集线器的基本结构如下图所示。 7.2.2物理层互联设备27 集线器有多种不同的类型，并有多种不同的分类方法。集线器有多种不同的类型，并有多种不同的分类方法。 按网络类型分类，按网络类型分类，可分为：可分为： 以太网以太网HubHub、令牌环网、令牌环网HubHub、FDDI HubFDDI Hub等。等。 按集线器端口连接介质不同分类，按集线器端口连接介质不同分类，可分为：可分为： 同轴电缆、双绞线和光纤三种类型。同轴电缆、双绞线和光纤三种类型。 按集线器支持的传输速率不同

32、分类，按集线器支持的传输速率不同分类，可分为：可分为： 10Mbit/s 10Mbit/s、100Mbit/s100Mbit/s和和10/100Mbit/s10/100Mbit/s。 按集线器结构不同分类，按集线器结构不同分类，可分为：可分为： 独立式集线器、堆叠式集线器和模块式集线器三种。独立式集线器、堆叠式集线器和模块式集线器三种。7.2.2物理层互联设备28 无线无线APAP（APAP，Access PointAccess Point，无线访问节点、会话点或存取桥，无线访问节点、会话点或存取桥接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含单纯性无线接入点（无接器）是一个包含很广的名称，它不仅包含

33、单纯性无线接入点（无线线APAP），也同样是），也同样是无线路由器无线路由器（含无线网关、（含无线网关、无线网桥无线网桥）等类设备）等类设备的统称。主要提供无线工作站对有线局域网和从有线局域网对无线的统称。主要提供无线工作站对有线局域网和从有线局域网对无线工作站的访问，在访问接入点覆盖范围内的无线工作站可以通过它工作站的访问，在访问接入点覆盖范围内的无线工作站可以通过它进行相互通信进行相互通信，是无线网和有线网之间沟通的桥梁，相当于一个无是无线网和有线网之间沟通的桥梁，相当于一个无线集线器、无线收发器。各种文章或厂家在面对无线线集线器、无线收发器。各种文章或厂家在面对无线APAP时的称呼目时的

34、称呼目前比较混乱，但随着前比较混乱，但随着无线路由器无线路由器的普及，目前的情况下如没有特别的普及，目前的情况下如没有特别的说明，我们一般还是只将所称呼的无线的说明，我们一般还是只将所称呼的无线APAP理解为单纯性无线理解为单纯性无线APAP，以示和以示和无线路由器无线路由器加以区分。它主要是提供无线加以区分。它主要是提供无线工作站工作站对有线局域对有线局域网和从有线局域网对无线工作站的访问，在访问接入点覆盖范围内网和从有线局域网对无线工作站的访问，在访问接入点覆盖范围内的无线工作站可以通过它进行相互的无线工作站可以通过它进行相互通信通信。 7.2.2物理层互联设备29 数据链路可以粗略地理解

35、为数据传输通道，位数据链路可以粗略地理解为数据传输通道，位于物理层与网络层之间，是数据传输过程中比较重于物理层与网络层之间，是数据传输过程中比较重要一层。物理层设备为终端设备间提供传输媒介及要一层。物理层设备为终端设备间提供传输媒介及连接，但通讯设备之间的传输连接只在通讯时暂时连接，但通讯设备之间的传输连接只在通讯时暂时连接的。每次通信都要经过建立通信连接和拆除通连接的。每次通信都要经过建立通信连接和拆除通信连接两个过程，这种建立起来的数据收发关系就信连接两个过程，这种建立起来的数据收发关系就叫数据链路，承担这种工作任务的设备，叫数据链叫数据链路，承担这种工作任务的设备，叫数据链路层设备，常见

36、的数据链路层设备有网卡、网桥和路层设备，常见的数据链路层设备有网卡、网桥和二层交换机。二层交换机。 7.2.3数据链路层互联设备30 网卡（网卡（Network Interface CardNetwork Interface Card，简称，简称NICNIC），也称网络），也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普通电脑适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普通电脑还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网卡。如果有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡卡。如果有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡。网卡

37、是局域网中最基本的部件之一，它是连接计算机与网。网卡是局域网中最基本的部件之一，它是连接计算机与网络的硬件设备。无论是双绞线连接、同轴电缆连接还是光纤络的硬件设备。无论是双绞线连接、同轴电缆连接还是光纤连接，都必须借助于网卡才能实现数据的通信。平常所说的连接，都必须借助于网卡才能实现数据的通信。平常所说的网卡就是将网卡就是将PCPC机和机和LANLAN连接的网络适配器。网卡插在计算机主连接的网络适配器。网卡插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。它的主要技术参数为能够识别的格式，通过网

38、络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。带宽、总线方式、电气接口方式等。7.2.3数据链路层互联设备317.2.3数据链路层互联设备PCPC总线总线数数据据转转换换拆拆装装数数据据帧帧数数据据缓缓冲冲访访问问控控制制编编码码与与译译码码收收发发器器连连接接器器网网络络电电缆缆网卡的基本功能示意图网卡的基本功能示意图 网卡的功能主要有并行到串行的数据转换、包的装配和网卡的功能主要有并行到串行的数据转换、包的装配和拆装、网络存取控制，数据缓存和网络信号。拆装、网络存取控制，数据缓存和网络信号。网卡的基本功网卡的基本功能是与网络操作系统配合工作，负责将要发送的数据转换为能是与网

39、络操作系统配合工作，负责将要发送的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式。网络上其它设备能够识别的格式。32 网卡工作在数据链路层，主要完成物理层和数据链路层网卡工作在数据链路层，主要完成物理层和数据链路层的大部分功能。主机与网卡通过控制总线来传输控制命令与的大部分功能。主机与网卡通过控制总线来传输控制命令与响应，通过数据总线来发送与接收数据。主机通过地址总线响应，通过数据总线来发送与接收数据。主机通过地址总线和控制总线和控制总线, ,根据地址与中断号根据地址与中断号INTINT识别网卡和其中的寄存器识别网卡和其中的寄存器写入或读出命令或响应。写入或读出命令或响应。 如果按以太网网卡所支持的总

40、线类型如果按以太网网卡所支持的总线类型, ,可分为可分为3 3种类型：种类型： 1616位。位。适用于符合工业总线标准适用于符合工业总线标准ISAISA的网卡。的网卡。 3232位。位。适用于符合扩展的工业总线标准适用于符合扩展的工业总线标准EISAEISA、MACMAC、VL-BUSVL-BUS、PCIPCI的网卡。的网卡。 特殊总线。特殊总线。适用于符合适用于符合MCIAMCIA、并行口、并行口、USBUSB的网卡。的网卡。7.2.3数据链路层互联设备33 MACMAC地址又叫网卡的地址又叫网卡的物理地址物理地址或硬件地址通常是由或硬件地址通常是由网卡生产厂家烧入网卡的网卡生产厂家烧入网卡

41、的EPROMEPROM（一种闪存芯片，通常（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写），它存储的是传输数据时真正赖以可以通过程序擦写），它存储的是传输数据时真正赖以标识发出数据的电脑和接收数据的主机的地址。标识发出数据的电脑和接收数据的主机的地址。MACMAC地地址由址由4848比特长（比特长（6 6字节），字节），1616进制的数字组成，进制的数字组成，0 02323位位叫做组织唯一标志符（叫做组织唯一标志符（organizationally uniqueorganizationally unique），），是识别是识别LANLAN（局域网）节点的标识，（局域网）节点的标识，24244747位是由

42、厂家位是由厂家自己分配。如：自己分配。如：44-45-53-54-00-0044-45-53-54-00-00，以机器可读的方，以机器可读的方式存入主机接口中。式存入主机接口中。7.2.3数据链路层互联设备34 网桥（网桥（BridgeBridge）是连接两个局域网的设备，工作在）是连接两个局域网的设备，工作在数据链路层，准确地说，它工作在数据链路层，准确地说，它工作在MACMAC子层上，可以完子层上，可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。网桥对端成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。网桥对端点用户是透明的，像一个聪明的中继器。网桥是为各种点用户是透明的，像一个聪明的中继器。网桥是为

43、各种局域网存储转发数据而设计的，可以将不同的局域网连局域网存储转发数据而设计的，可以将不同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网。它将两个相似的网络在一起，组成一个扩展的局域网。它将两个相似的网络连接起来，对网络数据的流通进行管理，不但能扩展网连接起来，对网络数据的流通进行管理，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能以及可靠性和络的距离或范围，而且可提高网络的性能以及可靠性和安全性。安全性。7.2.3数据链路层互联设备35 网桥又称桥接器网桥又称桥接器, , 用于网络中节点的物理地址过滤用于网络中节点的物理地址过滤、网网络分段以及跨网段数据帧的转发络分段以及跨网段数据帧的转发。网桥不

44、但能扩展网络的距网桥不但能扩展网络的距离或范围，而且可以提高网络系统的安全和保密性能。离或范围，而且可以提高网络系统的安全和保密性能。 接收与学习功能：接收与学习功能：当网桥接收到一个信息包时，它会当网桥接收到一个信息包时，它会查看信息帧的源（物理）地址，并将该地址与网桥地址表中查看信息帧的源（物理）地址，并将该地址与网桥地址表中的各项对比，如果在其地址表中查不到，则将新的源地址加的各项对比，如果在其地址表中查不到，则将新的源地址加到地址表中，在不进行任何新的配置的情况下，网桥可以根到地址表中，在不进行任何新的配置的情况下，网桥可以根据地址表中的地址重新配置网桥据地址表中的地址重新配置网桥,

45、,这就是所谓的这就是所谓的“学习学习”功能功能。 过滤和转发功能：过滤和转发功能：学习过程完成后，每当网桥接到一学习过程完成后，每当网桥接到一个信息帧时，它就会根据自己学习到的地址表来检查信息帧个信息帧时，它就会根据自己学习到的地址表来检查信息帧的源地址和目的地址。的源地址和目的地址。7.2.3数据链路层互联设备36 网桥主要用来连接两个局域网，通过接收数据帧、地址网桥主要用来连接两个局域网，通过接收数据帧、地址过滤、存储与转发数据帧方式实现多个局域网系统的互联。过滤、存储与转发数据帧方式实现多个局域网系统的互联。网桥根据局域网中数据帧的源地址与目的地址来决定是否接网桥根据局域网中数据帧的源地

46、址与目的地址来决定是否接收和转发数据帧收和转发数据帧。网桥工作原理示意图网桥工作原理示意图LAN1LAN1LAN2LAN2结点结点104104结点结点103103结点结点201201结点结点202202网网桥桥104 104 DataData104 104 DataData7.2.3数据链路层互联设备37 1透明网桥：透明网桥：通过一个内部转发地址进行路径选择，它的存在和通过一个内部转发地址进行路径选择，它的存在和操作对网络站点是完全透明的，故称它为透明桥。操作对网络站点是完全透明的，故称它为透明桥。 2源路由桥：源路由桥：采用与透明桥不同的路径选择方案，路径选择由发采用与透明桥不同的路径选择

47、方案，路径选择由发送数据帧的源站点负责。送数据帧的源站点负责。3MAC网桥：网桥：是工作在介质访问控制子层的网络互联设备，它只是工作在介质访问控制子层的网络互联设备，它只能互联具有相同能互联具有相同MAC协议的同类局域网。协议的同类局域网。4LLC网桥：网桥：它作用于逻辑链路控制子层，能够连接采用不同它作用于逻辑链路控制子层，能够连接采用不同MACMAC协议的异类局域网。协议的异类局域网。5本地桥和远程桥：本地桥和远程桥：本地网桥用于连接近距离局域网；远程网桥本地网桥用于连接近距离局域网；远程网桥具有广域网连接能力，实现局域网的远程连接，如无线网桥。具有广域网连接能力，实现局域网的远程连接，如

48、无线网桥。7.2.3数据链路层互联设备38 网桥在数据链路层上实现局域网互连；网桥在数据链路层上实现局域网互连； 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；介质与不同传输速率的网络； 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；网络之间的通信； 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议； 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的

49、性能与安全性。互连网络的性能与安全性。 7.2.3数据链路层互联设备39网桥与中继器网桥与中继器 网桥的存储和转发功能与中继器相比有优点也有缺网桥的存储和转发功能与中继器相比有优点也有缺点，其优点是：点，其优点是：1）使用网桥进行互连克服了物理限制，这）使用网桥进行互连克服了物理限制，这意味着构成意味着构成LAN 的数据站总数和网段数很容易扩充；的数据站总数和网段数很容易扩充；2）网）网桥纳入存储和转发功能可使其适应于连接使用不同桥纳入存储和转发功能可使其适应于连接使用不同MAC 协协议的两个议的两个LAN，因而构成一个不同，因而构成一个不同LAN 混连在一起的混合混连在一起的混合网络环境；网

50、络环境；3）网桥的中继功能仅仅依赖于）网桥的中继功能仅仅依赖于MAC 帧的地址，帧的地址，因而对高层协议完全透明；因而对高层协议完全透明；4）网桥将一个较大的）网桥将一个较大的LAN 分成分成段，有利于改善可靠性、可用性和安全性。段，有利于改善可靠性、可用性和安全性。 7.2.3数据链路层互联设备40 网桥与路由器网桥与路由器 网桥工作在数据链路层，将两个网桥工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器低层的路由器”（路由器工（路由器工作在网络层，根据网络地址如作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。地址进

51、行转发）。 网桥并不了解其转发帧中高层协议的信息，这使它可以同时以网桥并不了解其转发帧中高层协议的信息，这使它可以同时以同种方式处理同种方式处理IP、IPX等协议，它还提供了将无路由协议的网等协议，它还提供了将无路由协议的网络（如络（如NetBEUI）分段的功能。）分段的功能。 由于路由器处理网络层的数据，因此它们更容易互连不同由于路由器处理网络层的数据，因此它们更容易互连不同的数据链路层，如令牌环网段和以太网段。网桥通常比路由的数据链路层，如令牌环网段和以太网段。网桥通常比路由器难控制。像器难控制。像IP等协议有复杂的路由协议，使网管易于管理等协议有复杂的路由协议，使网管易于管理路由；路由；

52、IP等协议还提供了较多的网络如何分段的信息（即使等协议还提供了较多的网络如何分段的信息（即使其地址也提供了此类信息）。而网桥则只用其地址也提供了此类信息）。而网桥则只用MAC地址和物理地址和物理拓扑进行工作。因此网桥一般适于小型较简单的网络。拓扑进行工作。因此网桥一般适于小型较简单的网络。 7.2.3数据链路层互联设备41 交换机交换机(Switch)(Switch)也称为交换器活交换式集线器，是专门也称为交换器活交换式集线器，是专门为计算机之间能够相互通信且独享带宽而设计的一种包交换为计算机之间能够相互通信且独享带宽而设计的一种包交换设备。目前交换机已取代传统集线器在网络连接中的霸主地设备。

53、目前交换机已取代传统集线器在网络连接中的霸主地位，成为组建和升级以太局域网的首选设备。位，成为组建和升级以太局域网的首选设备。 交换机大多工作数据链路层交换机大多工作数据链路层, ,其功能是对封装数据进行转其功能是对封装数据进行转发，在端口之间建立并行的连接，以缩小冲突域，并隔离广发，在端口之间建立并行的连接，以缩小冲突域，并隔离广播风暴。交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个播风暴。交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个端口端口, ,每个端口可以构成一个网段，扮演着一个网桥的角色每个端口可以构成一个网段，扮演着一个网桥的角色, ,而且每一个连接到交换机上的设备都可以享用自己的专用

54、带而且每一个连接到交换机上的设备都可以享用自己的专用带宽。宽。7.2.3数据链路层互联设备42 交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个端口交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个端口, ,每个端口可以构成一个网段每个端口可以构成一个网段, ,扮演着一个网桥的角色扮演着一个网桥的角色, ,而且每而且每一个连接到交换机上的设备都可以享用自己的专用带宽。一个连接到交换机上的设备都可以享用自己的专用带宽。用交换机连接各网段示意图用交换机连接各网段示意图网段网段2 hub2 hub网段网段4 hub4 hub交换机交换机网段网段3 hub3 hub网段网段1 hub1 hub7.2.3数据链路

55、层互联设备43 交换机之所以比集线器的性能优越，其关键是交换机中交换机之所以比集线器的性能优越，其关键是交换机中的的MACMAC地址表，并有先进的转发方式。地址表，并有先进的转发方式。 (1) (1) MACMAC地址表：地址表：集线器虽然也能组网集线器虽然也能组网, ,但仅起到物理层但仅起到物理层的电信号放大作用，需要通过网络上层的帮助才能完成将数的电信号放大作用，需要通过网络上层的帮助才能完成将数据帧转发到目的计算机，这样会降低数据传输的效率。交换据帧转发到目的计算机，这样会降低数据传输的效率。交换机通过专用集成电路机通过专用集成电路(ASIC)(ASIC)能够完成一定智能的功能，通过能够

56、完成一定智能的功能，通过查看每个端口接收的帧的源地址查看每个端口接收的帧的源地址, ,迅速建立一个端口和迅速建立一个端口和MACMAC地地址的映射关系址的映射关系, ,并存储在内容关联存储器并存储在内容关联存储器(CAM)(CAM)里形成一个端里形成一个端口和口和MACMAC地址的对应表，即地址的对应表，即MACMAC地址表，然后根据这个表转发地址表，然后根据这个表转发数据帧。数据帧。 下面以实例说明交换机下面以实例说明交换机MACMAC地址表的建立过程。地址表的建立过程。 7.2.3数据链路层互联设备44 假设有一台交换机的假设有一台交换机的4个端口分别连到个端口分别连到4台用户终端，台用户

57、终端，它们有不同的它们有不同的MAC地址，开始交换机的地址，开始交换机的MAC地址表是空的。地址表是空的。交换机的交换机的MACMAC地址表为空表地址表为空表MACMAC地址表地址表（开机时，（开机时，MACMAC地址表是空的）地址表是空的）E3E3E2E2E0E0E1E10260.8c01.11110260.8c01.11110260.8c01.44440260.8c01.44440260.8c01.22220260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.3333ACBD7.2.3数据链路层互联设备45 当终端当终端A第一次向终端第一次向终端C发送数据帧时，由于首

58、次发发送数据帧时，由于首次发送时不知道终端送时不知道终端C在何处，所以向其它各端口复制转发这个在何处，所以向其它各端口复制转发这个数据帧，这个过程称为泛洪，如下图所示。数据帧，这个过程称为泛洪，如下图所示。A A的的MACMAC地址写入地址表中地址写入地址表中MACMAC地址表地址表E0:0260.8c01.1111E0:0260.8c01.1111E3E3E2E2E0E0E1E10260.8c01.11110260.8c01.11110260.8c01.44440260.8c01.44440260.8c01.22220260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.

59、3333ACBD7.2.3数据链路层互联设备46 当终端当终端D第一次向终端第一次向终端C发送数据帧时，交换机将发送数据帧时，交换机将E3端端口和帧的源地址写入表中。交换机获得到了所有终端的口和帧的源地址写入表中。交换机获得到了所有终端的MAC地址，并建立了对应关系表，如下图所示。地址，并建立了对应关系表，如下图所示。B B的的MACMAC地址写入地址表中地址写入地址表中MACMAC地址表地址表E0:0260.8c01.1111E0:0260.8c01.1111E3:0260.8c01.4444E3:0260.8c01.4444E3E3E2E2E0E0E1E10260.8c01.1111026

60、0.8c01.11110260.8c01.44440260.8c01.44440260.8c01.22220260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.3333ACBD7.2.3数据链路层互联设备47 当下一次终端当下一次终端A向终端向终端C发送数据帧时，交换机查看帧发送数据帧时，交换机查看帧的目的地址，并查找的目的地址，并查找MAC地址表，找到对应地址表，找到对应E2端口，直接将端口，直接将这个数据帧转发到这个数据帧转发到E2端口，如下图所示。端口，如下图所示。通过通过MACMAC地址表转发数据地址表转发数据MACMAC地址表地址表E0:0260.8c01.11