网络互连设备

一、实训目标

1.初步了解五种网络设备的外形和基本功能。 2.掌握交换机和路由器的工作特性和工作原理。 3.了解网络互连面临的问题。 二、实训要求

1.实训环境：集线器、交换机、路由器等实验室中存在和可以拿来展示的网络设备；Internet。

2.本实训重点：能区分各种网络设备的特点，并能在设计网络时能够正确选择网络设备，灵活去学习，而非死记硬背。 三、实训步骤

常用的网络设备有中继器、网桥、交换机、路由器和网关。下面分别介绍： 第一步：学习中继器（Repeater)

中继器是网络物理层的一种介质连接设备，即中继器工作在OSI的物理层。它接收并识别网络信号，然后再生信号并将其发送到网络的其他分支上。中继器通常有三个作用：

①中继器可以将若干设备简单的互联组成一个星型拓扑结构的局域网，这时使用的中继器是多个端口的中继器，也叫集线器。简称HUB。

②中继器具有放大信号的作用，因此中继器可以用来扩展局域网段的长度和作用范围。例如在IEEE 802.3标准中双绞线的传输距离为100米—150米，超出这个距离由于信号的衰减和噪音使有效数据信号变得越来越弱，这时中继器可以把接收到的弱信号中的数据提出，得到的新信号与原来的信号完全相同，但是它的信号强度大大提高了，从而可以继续传送。不过在IEEE802.3标准中，最多允许四个中继器连接五个网段。

③中继器还可以连接不同的传输介质，起到不同信号之间的转换作用。 在使用中继器时要注意以下问题： 第一：如果用中继器连接两个网络则这两个网络在逻辑上应该有同一个网络地址。此外还要注意两个网络中的数据包和逻辑链路协议应该是相同的。例如，在802.3以太局域网和802.5令牌环局域网之间，中继器是无法使它们通信的。

第二：中继器没有隔离和过滤功能，它不能阻挡含有异常的数据包从一个分支传到另一个分支。这意味着，一个分支出现故障可能影响到其它的每一个网络分支。 中继器如 图29-1所示：

图29-1

第二步：学习网桥（Birdge)

网桥工作于OSI体系的数据链路层。网桥包含了中继器的功能和特性，不仅可以连接多种介质，还能连接不同的物理分支，如以太网和令牌网，能将数据包在更大的范围内传送。网桥如图29-2所示。

图29-2

第三步：学习交换机（Switch）

交换机是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。以太网的交换技术是在多端口网桥的基础上于上世纪九十年代初发展起来的。交换机可以实现OSI模型的下两层协议，因此交换机和网桥有着千丝万缕的关系，甚至被很多人称为\"许多联系在一起的网桥\"，因此现在的交换式技术并不是什么新的标准，而是现有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥，与传统的网桥相比，它能提供更多的端口(4～88)、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。现在某些局域网交换机也实现了OSI参考模型的第三层协议，实现简单的路由选择功能，目前很热的三层交换就是指此。还有的交换机可以实现OSI传输层中TCP/UDP(第四层)的功能，因此我们也称之为四层交换机。当然普通的不带路由功能的交换机由于工作在OSI模型中的数据链路层所以又叫二层交换机，也可以称为工作组交换机。 以太网交换机提供以下几种交换技术： ① 端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：

·模块交换：将整个模块进行网段迁移。

·端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

·端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在一定程度进行容错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。 ② 帧交换

帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：

·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。

·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。

前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能（如美国MADGE公司的LET集线器）如优先级控制。 ③信元交换

ATM技术采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。但随着万兆以太网的出现，曾经代表网络和通讯技术发展的未来方向的ATM技术，开始逐渐失去存在的意义。交换机如图29-3所示：

图29-3

第四步：学习路由器（Router)

路由器工作在OSI体系结构中的网络层，这意味着它可以在多个不同网络上传输数据和数据包。路由器通过在相对独立的网络中交换具体协议的信息来实现这个目标。比起网桥，路由器不但能过滤和分隔网络信息流、连接网络分支，还能访问数据包中更多的信息。并且用来提高数据包的传输效率。 1984年，自斯坦福大学的Leonard Bosack和Sandy Lerner教师夫妇在美国硅谷的圣何塞成立了一家名为思科(Cisco)的电子公司，他们设计了一种 “多协议路由器(Access Gateway Server)”的联网设备，可以使斯坦福大学中那些不兼容的计算机网络联在一起。这就是如今被喻为“网络交警”的路由器(Router)的前身。

路由器在网络中的主要作用用两个：一是连通不同的网络；二是选择信息传送的线路。选择通畅快捷的近路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益来。 从传输速度来看路由器比网桥和交换机慢，主要用于广域网或广域网与局域网的互连。路由器如图29-4所示：

图29-4

第五步：学习网关（Gatway)

网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层—应用层。 网关的类型：传输网关和应用网关。

网关产品分类越来越细了，有信令网关，中继网关，还有接入网关等。 网关如图29-5所示。

图29-5

第六步：网络互连解决方案 对于一个网络来讲，通常将网络中直接面向用户连接或访问的网络部分称为接入层，将网络中连接本地的逻辑中心称之为分布层或汇聚层，而将实现网络之间的优化传输,骨提高网络的冗余能力、可靠性和高速的传输的部分称之为核心层。

接入层目的是允许终端用户连接到网络，因此接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。 汇聚层是多台接入层交换机的汇聚点，它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的交换速率。 核心层的主要目的在于通过高速转发通信，提供可靠的骨干传输结构，因此核心层交换机应拥有更高的可靠性，性能和吞吐量。 综上所述在一般情况下，接入层通常会大量使用接入层交换机也就是二层交换机。而在汇聚层更多的设备是路由器。核心层的设备主要是三、四层交换机。 可以用下图29-6来表示各层的关系：

图29-6

图中有一些图标是思科公司的网络设备标示符，后来在网络结构图中被广泛采用，由于以后我们经常使用到的，如图29-7所示。

图29-7

第七步：网络互连面临的问题

网络互连通常面临以下三个问题，一是频繁掉线，二是网速过慢，三个是安全。其实这些问题正好是网络设计工作中最关键也是最核心的问题。

首先是频繁掉线的问题，频繁掉线会导致用户的流失，如果总是掉线，估计老用户就会很少留得下来。例如在网络中，出现的延迟、掉线等现象，对于用户来说影响并是十分恼火的事情，随着实时在线网络游戏的流行，每一次掉线，对于玩家来说意味着直接经济利益的损失，大量的经验值、等级和装备，随着掉线将化为乌有，这些损失甚至是不可弥补的。

其次是关于上网速度慢的问题，这个对于网络经营和管理者来说也是不小的麻烦。本来上网就是感受网上冲浪的高速度，如果用户通过QQ和网友视频聊天的时候，图片的反应速度非常慢，而且语音质量差，延时非常明显，导致通话双方都听不清对方的话，就会严重影响双方的交流。而且也会造成网上看电影的效果极差，经常缓冲，断断续续的，很难把一部电影完整的看完。特别是是当网吧内上网的人数超过一定数量时，电脑就很难登陆QQ，即使上了速度也很慢，打开网页也非常慢，结果会导致顾客的流失。

再就是网络病毒泛滥的问题，病毒损害严重时会损害用户的利益。随着各种网络攻击技术的普及和病毒的泛滥，病毒侵入与非法攻击已经是网络最大的安全隐患。用户无意之中下载任何程序都有可能携带病毒，如果不能解决病毒和攻击问题，那么会导致整个网络的瘫痪。 四、实训结论

1. 中继器、网桥、交换机、路由器和网关这五种网络设备各有各的特点和功能，我们在选择时要根据实际需求去购买，杜绝浪费。

2.大量网络设备的使用、连接和设置，实际上就是为了解决频繁掉线、网速过慢和安全问题，在任何情况下稳定、高速和安全是衡量网络性能的主要标准。 五、实训作业

试在一张白纸上画出学校的网络拓扑结构，多种网络设备连接了学校的网络。每位同学连接到Internet搜索各网络设备的参数和价格，并把购买全部网络设备的参数、单价和总价标识在空白处。完成后上交给老师。