1、网络互联设备讲座(1) (05/07/2000)网络互联设备概述 计算机与计算机或工作站与服务器进行连接时，除了使用连接介质外，还需要一些中介设备。这些中介设备主要有哪些？起什么作用？这是在网络设计和实施中人们所关心的一些问题。我们把常用的连接设备划分为以下几种类型： 一、网络传输介质互联设备 网络线路与用户节点具体衔接时，可能遇到以下几种情况： T 型连接器； 收发器； 屏蔽或非屏蔽双绞线连接器 RJ-45； RS232 接口（DB-25）； DB-15 接口； VB35 同步接口； 网络接口单元； 调制解调器。 T 型连接器与 BNC 接插件同是细同轴电缆的连接器，它对网络的可靠性有着至关
2、重要的影响。同轴电缆与 T 型连接器是依赖于 BNC 接插件进行连接的，BNC 接插件有手工安装和工具型安装之分，用户可根据实际情况和线路的可靠性进行选择。 RJ-45 非屏蔽双绞线连接器有 8 根连针，在 10BASE-T 标准中，仅使用 4 根，即第 1 对双绞线使用第 1 针和第 2 针，第 2 对双绞线使用第 3 针和第 6 针（第 3 对和第 4 对作备用）。具体使用时可参照厂家提供的说明书。 DB-25（RS-232）接口是目前微机与线路接口的常用方式。 DB-15 接口用于连接网络接口卡的 AUI 接口，可将信息通过收发器电缆送到收发器，然后进入主干介质。 VB35 同步接口用于
3、连接远程的高速同步接口。 终端匹配器（也称终端适配器）安装在同轴电缆（粗缆或细缆）的两个端点上，它的作用是防止电缆无匹配电阻或阻抗不正确。无匹配电阻或阻抗不正确，则会引起信号波形反射，造成信号传输错误。 调制解调器（Modem）其功能是将计算机的数字信号转换成模拟信号或反之，以便在电话线路或微波线路上传输。调制是把数字信号转换成模拟信号；解调是把模拟信号转换成数字信号，它一般通过 RS-232 接口与计算机相连。 二、网络物理层互联设备 1中继器 由于信号在网络传输介质中有衰减和噪音，使有用的数据信号变得越来越弱，因此为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，要用中继器把所接收到的弱信号分
4、离，并再生放大以保持与原数据相同。 2集线器 集线器（Hub 可以说是一种特殊的中继器，作为网络传输介质间的中央节点，它克服了介质单一通道的缺陷。以集线器为中心的优点是：当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。集线器可分为无源（Passive）集线器、有源（Active）集线器和智能（Intelligent）集线器。 无源集线器只负责把多段介质连接在一起，不对信号作任何处理，每一种介质段只允许扩展到最大有效距离的一半。 有源集线器类似于无源集线器，但它具有对传输信号进行再生和放大从而扩展介质长度的功能。 智能集线器除具有有源集线器的功能外，还可将网络的部分功能集
5、成到集线器中，如网络管理、选择网络传输线路等。 集线器技术发展迅速，己出现交换技术（在集线器上增加了线路交换功能）和网络分段方式，提高了传输带宽。 随着计算机技术的发展，Hub 又分为切换式、共享式和可堆叠共享式三种。 （1）切换式 Hub 一个切换式 Hub 重新生成每一个信号并在发送前过滤每一个包，而且只将其发送到目的地址。切换式 Hub 可以使 10Mbps 和 100Mbps 的站点用于同一网段中。 （2）共享式 Hub 共享式 Hub 提供了所有连接点的站点间共享一个最大频宽。例如，一个连接着几个工作站或服务器的 100Mbps 共享式 Hub 所提供的最大频宽为 100Mbps，与
6、它连接的站点共享这个频宽。共享式 Hub 不过滤或重新生成信号，所有与之相连的站点必须以同一速度工作（10Mbps 或 100Mbps）。所以共享式 Hub 比切换式 Hub 价格便宜。 （3）堆叠共享式 Hub 堆叠共享式 Hub 是共享式 Hub 中的一种，当它们级连在一起时，可看作是网中的一个大 Hub。当 6 个 8 口的 Hub 级连在一起时，可以看作是 1 个 48 口的 Hub。 三、数据链路层互联设备 1网桥 网桥（Bridge）是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥是属于网络层的一种设备，它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离，
7、同时又有选择地将有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。网桥可分为本地网桥和远程网桥。本地网桥是指在传输介质允许长度范围内互联网络的网桥；远程网桥是指连接的距离超过网络的常规范围时使用的远程桥，通过远程桥互联的局域网将成为城域网或广域网。如果使用远程网桥，则远程桥必须成对出现。 在网络的本地连接中，网桥可以使用内桥和外桥。内桥是文件服务的一部分，通过文件服务器中的不同网卡连接起来的局域网，由文件服务器上运行的网络操作系统来管理。外桥安装在工作站上，实现两个相似或不同的网络之间的连接。外桥不运行在网络文件服务器上，而是运行在一台独立的工作站上，
8、外桥可以是专用的，也可以是非专用的。作为专用网桥的工作站不能当普通工作站使用，只能建立两个网络之间的桥接。而非专用网桥的工作站既可以作为网桥，也可以作为工作站。 2交换器 网络交换技术是近几年来发展起来的一种结构化的网络解决方案。它是计算机网络发展到高速传输阶段而出现的一种新的网络应用形式。它不是一项新的网络技术，而是现有网络技术通过交换设备提高性能。由于交换机市场发展迅速，产品繁多，而且功能上越来越强，所以用企业级、部门级、工作组级、交换机到桌面进行分类。 四、网络层互联设备 路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网。当数据从一个子网传输到另
9、一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。路由器是属于网络应用层的一种互联设备，只接收源站或其他路由器的信息，它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆和双绞线；远程路由器是用来与远程传输介质连接并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机和发射机。 五、应用层互联设备 在一个计算机网络中，当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，则要选用网关设备。
10、网关的功能体现在 OSI 模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。由于协议转换是一件复杂的事，一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，网关很难实现通用的协议转换。用于网关转换的应用协议有电子邮件、文件传输和远程工作站登录等。 网关和多协议路由器（或特殊用途的通信服务器）组合在一起可以连接多种不同的系统。 和网桥一样网关可以是本地的，也可以是远程的。 目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。 中继器与集线器一、中继器 中继器（RP repeater）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
11、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。它在 OSI 参考模型中的位置如图 1 所示。 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大，保持与原数据相同。 一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围
12、作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网络标准中就约定了一个以太网上只允许出现 5 个网段，最多使用 4 个中继器，而且其中只有 3 个网段可以挂接计算机终端。 二、集线器 集线器（Hub）是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器在 OSIRM 中的位置如图 2 所示。 集线器产品发展较快，局域网集线器通常分为五种不同的类型，它将对LAN 交换机技术的发展产生直接影响。 1单中继网段集线器 在硬件平台中，第一类集线器是一种简单中继 LAN 网段，最好的例子是叠加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件（MAU）。某些厂
13、商试图在可管理集线器和不可管理集线器之间划一条界限，以便进行硬件分类。这里忽略了网络硬件本身的核心特性，即它实现什么功能，而不是如何简易地配置它。 2多网段集线器 多网段集线器是从第一类集线器直接派生而来的，采用集线器背板，这种集线器带有多个中继网段。多网段集线器通常是有多个接口卡槽位的机箱系统。然而，一些非模块化叠加式集线器现在也支持多个中继网段。多网段集线器的主要技术优点是可以将用户分布于多个中继网段上，以减少每个网段的信息流量负载，网段之间的信息流量一般要求独立的网桥或路由器。 3端口交换式集线器 端口交换式集线器是在多网段集线器基础上将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化，并通过
14、增加端口交换矩阵（PSM）来实现的。PSM 提供一种自动工具，用于将任何外来用户端口连接到集线器背板上的任何中继网段上。这一技术的关键是“矩阵”，一个矩阵交换机是一种电缆交换机，它不能自动操作，要求用户介入。它不能代替网桥或路由器，并不提供不同 LAN 网段之间的连接性，其主要优点就是实现移动、增加和修改的自动化。 4网络互联集线器 端口交换式集线器注重端口交换，而网络互联集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。这可以通过一台综合网桥、路由器或 LAN交换机来完成。目前，这类集线器通常都采用机箱形式。 5交换式集线器 目前，集线器和交换机之间的界限已变得模糊。交换式集线器有一个
15、核心交换式背板，采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市，并且混合的（中继交换）集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出，集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。交换机工作原理 一、概述 1993 年，局域网交换设备出现，1994 年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在 OSI 参考模型的第二层操作。与桥接器一样，交换机按每一个包中的 MAC 地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域
16、网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI 和 ATM 技术的交换产品。 类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。 利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有
17、的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的操作性能。如理论上单个以太网端口对含有64 个八进制数的数据包，可提供 14880bps 的传输速率。这意味着一台具有 12个端口、支持 6 道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供 89280bps的总体吞吐率（6 道信息流14880bps道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。 二、三种交换技术 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
18、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客错，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
19、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 技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向
20、，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM 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。 三、局域网交换机的种类和选择 局域网交换机根据使用的网络技术可以分为： 以大网交换机； 令牌环交换机； FDDI 交换机； ATM 交换
21、机； 快速以太网交换机等。 如果按交换机应用领域来划分，可分为： 台式交换机； 工作组交换机； 主干交换机； 企业交换机； 分段交换机； 端口交换机； 网络交换机等。 局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意以下事项： （1）交换端口的数量； （2）交换端口的类型； （3）系统的扩充能力； （4）主干线连接手段； （5）交换机总交换能力； （6）是否需要路由选择能力； （7）是否需要热切换能力； （8）是否需要容错能力； （9）能否与现有设备兼容，顺利衔接； （10）网络管理能力。 四、交
22、换机应用中几个值得注意的问题 1交换机网络中的瓶颈问题 交换机本身的处理速度可以达到很高，用户往往迷信厂商宣传的 Gbps 级的高速背板。其实这是一种误解，连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网，它遵循 CSMACD 介质访问规则。在当前的客户服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口（如 3COM 的Linkswitch1000 可以配置一个或两个 100Mbps 端口），方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法
23、，方便用户架构容错的冗余连接。 2网络中的广播帧 目前广泛使用的网络操作系统有 Netware、Windows NT 等，而 Lan Server的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率，这时可以利用交换机的虚拟网功能（并非每种交换机都支持虚拟网）将广播包限制在一定范围内。 每台文交换机的端口都支持一定数目的 MAC 地址，这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况，厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC 数也不一样，用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的 MAC 数，交换机接收到一个网络帧时，只有其目的站
24、的 MAC 地址不存在于该交换机端口的 MAC 地址表中，那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。 3虚拟网的划分 虚拟网是交换机的重要功能，通常虚拟网的实现形式有三种： (1)静态端口分配 静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。 （2）动态虚拟网 支持动态虚拟网的端口，可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的 MAC 地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时，交换机端口还未分配，于是交换机通
25、过读取网络节点的 MAC 地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟网的从属性，而且如果网络中出现未定义的 MAC 地址，则可以向网管人员报警。 （3）多虚拟网端口配置 该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门（每种业务设置成一个虚拟网）都可同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中，因而各个公司的产品还谈不上互操作性。Cisco 公司开发了 InterSwitch
26、 Link（ISL）虚拟网络协议，该协议支持跨骨干网（ATM 、FDDI、Fast Ethernet）的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式 Hub，通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。4.高速局域网技术的应用 快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性，但100BASE-TX、100BASAE-T4 及 100BASE-FX 对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过 100Mbps 的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。 目前也出现了 CDDIFDDI 的交换技术，另外该 CDDIFDDI 的端
27、口价格也呈下降趋势，同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势，因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。 3COM 的主要交换产品有 Linkswitch 系列和 LANplex 系列；BAY 的主要交换产品有 LattisSwitch2800，BAY stack workgroup、System3O005000（提供某些可选交换模块）；Cisco 的主要交换产品有 Catalyst 1000200030005000 系列。 三家公司的产品形态看来都有相似之处，产品的价格也比较接近，除了设计中要考虑网络环境的具体需要（强调端口的搭配合理）外，还需从整体上考虑，例如网管、网络应用等。随着 ATM 技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧，帧交换机的价格将会进一步下跌，它将成为工作组网的重要解决方案。
