《計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)》課件第7章

第7章網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

7.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念 7.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要類型 7.3典型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備 7.4本章小結(jié) 1隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們需要將多個計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，在更廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)信息交流和資源共享，單一的計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足社會的需求。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)是指將分布在不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)互連起來，構(gòu)成更大范圍的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)和方法?；ヂ?lián)網(wǎng)（Internet）就是一個典型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的實例，它是一個使用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)將分布在全世界各地的各種類型的計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來構(gòu)成的覆蓋面積最廣、影響最大的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)既可以是相同類型的計算機網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，也可以是不同類型的計算機網(wǎng)絡(luò)（或者運行不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的系統(tǒng)）之間的互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的類型主要有三種：局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)（LANLAN）、局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)（LANWAN）、廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)（WANWAN）。27.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念

7.1.1網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要作用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要作用有以下幾個方面：（1）擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍通過擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可以擴展網(wǎng)絡(luò)資源共享的范圍，允許接入更多的網(wǎng)絡(luò)用戶，從而在更廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)信息交換。例如，在局域網(wǎng)中每個網(wǎng)段的物理覆蓋范圍是有限的，如果網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍超過了上限，可以通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備將兩個網(wǎng)段連接起來，形成一個更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。（2）提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，改善網(wǎng)絡(luò)性能當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)點數(shù)較多時，隨著信息流量的不斷增加，共享傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的訪問沖突會明顯增加，使得單個結(jié)點的帶寬減少，通信延遲增大，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率降低。采用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，把一個較大的網(wǎng)絡(luò)分割成若干個較小的物理子網(wǎng)，將相互通信比較頻繁的結(jié)點放在同一個物理子網(wǎng)內(nèi)，用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備將各個物理子網(wǎng)連接起來，可以提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。（3）提供更豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，能夠使分布在不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點進行互連、互通和互操作，從而可以在應(yīng)用層面給網(wǎng)絡(luò)用戶提供更加豐富的服務(wù)，例如：電子郵件、文件傳輸、遠程登錄等等。37.1.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要問題要實現(xiàn)分布在不同地理位置的計算機網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，首先需要在不同的計算機網(wǎng)絡(luò)之間建立通信鏈路，其次要在進行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)進程之間提供相應(yīng)的路由選擇機制，同時還需要一個記賬服務(wù)，它負責(zé)記錄各個網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的運行情況，維護各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。不同類型的計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)通常存在許多差別，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時面臨的主要問題有以下幾個方面：（1）不同的尋址方案；（2）不同的最大分組長度；（3）不同的網(wǎng)絡(luò)訪問機制；（4）不同的差錯恢復(fù)方法；（5）不同的路由選擇技術(shù)；（6）不同的超時控制；（7）不同的管理與控制方式。47.1.3網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的層次從計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的角度來看，可以在以下四個層次上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：（1）物理層在物理層層進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要用于不同地理范圍內(nèi)的網(wǎng)段之間的互聯(lián)，重點是解決如何在不同的傳輸介質(zhì)中傳輸比特流。（2）數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)鏈路層進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要用于相同類型的局域網(wǎng)之間的互聯(lián)。（3）網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)層進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要用于廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互聯(lián)。在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)重點在于解決路由選擇、擁塞控制以及差錯處理等問題。（4）高層在高層（在OSI七層參考模型中高于網(wǎng)絡(luò)層的其它層次）進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要解決高層之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。57.2網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要類型

如本書第1.2節(jié)所述，計算機網(wǎng)絡(luò)按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍和規(guī)?？梢苑殖晌宸N不同的類型。本章所述的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，根據(jù)進行互聯(lián)的計算機網(wǎng)絡(luò)的類型不同可以分為三種主要類型：局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)（LAN?LAN）、局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)（LAN?WAN）、廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)（WAN?WAN）。7.2.1局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的互聯(lián)是最常見的一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)類型，其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)邏輯結(jié)構(gòu)如圖7.1所示。局域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間可以通過集線器等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備進行互聯(lián)，實現(xiàn)在更大范圍內(nèi)的信息交換和資源共享。局域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間互聯(lián)，既包括相同類型的局域網(wǎng)之間的互聯(lián)（比如用集線器互聯(lián)多個以太網(wǎng)），也包括不同類型局域網(wǎng)之間的互聯(lián)（比如用交換機互聯(lián)以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)）。67.2.2局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)是較為常見的一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)類型。實現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)，對于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)都非常必要。局域網(wǎng)可以通過互聯(lián)到廣域網(wǎng)實現(xiàn)更大范圍的信息交換和資源共享；廣域網(wǎng)也可以通過互聯(lián)局域網(wǎng)來擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和覆蓋范圍。局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間可以通過專門的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（比如路由器或者網(wǎng)關(guān)）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)邏輯結(jié)構(gòu)如圖7.2所示。77.2.3廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)也是目前常見的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式之一。廣域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)可以通過路由器或者網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)邏輯結(jié)構(gòu)如圖7.3所示。廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的互聯(lián)一般由不同國家的電信部門或國際組織將不同國家或者地區(qū)的計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，構(gòu)成更大規(guī)模的計算機網(wǎng)絡(luò)，使接入各廣域網(wǎng)的主機在更廣的范圍內(nèi)進行信息交換和資源共享。87.3典型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

為了實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，需要使用某種網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)通過網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（interconnectiondevice）進行連接。計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備總體上可分為兩類：網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)設(shè)備和網(wǎng)間互聯(lián)設(shè)備。網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)設(shè)備主要有網(wǎng)絡(luò)接口卡、中繼器、集線器等等；網(wǎng)間互聯(lián)設(shè)備主要有網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)等等。下面分別介紹這些典型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。7.3.1網(wǎng)絡(luò)接口卡網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC:NetworkInterfaceCard），也被稱為網(wǎng)絡(luò)適配器（NetworkAdapter），簡稱為網(wǎng)卡，它是插在計算機總線或某個外部接口上的一個擴展卡，用來使計算機在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行通訊，其外觀如圖7.4所示。網(wǎng)卡的主要功能體現(xiàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩個方面。一方面，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)卡首先將發(fā)送結(jié)點要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備能夠識別的格式，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)進行傳輸。另一方面，在接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)卡首先從網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中接收數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)程序能夠識別的數(shù)據(jù)格式。9為了有效地進行通信，計算機網(wǎng)絡(luò)中的每一臺計算機都必須有一個獨一無二的物理地址，稱為MAC地址（MAC:MediumAccessControl）。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）為網(wǎng)卡統(tǒng)一分配MAC地址，確保每一塊網(wǎng)卡具有一個全世界范圍內(nèi)唯一的MAC地址。MAC地址長度為48位，被寫在網(wǎng)卡上的只讀存儲器中。這種統(tǒng)一的MAC地址分配機制保證了在全世界范圍內(nèi)沒有任何兩塊網(wǎng)卡具有相同的MAC地址。隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件系統(tǒng)集成度不斷提高，網(wǎng)卡上的芯片個數(shù)不斷減少。盡管各個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡種類繁多，但是這些網(wǎng)卡的基本功能大體相同，主要完成數(shù)據(jù)封裝與解封、鏈路管理、數(shù)據(jù)編碼與譯碼等任務(wù)。10根據(jù)網(wǎng)卡所支持的計算機種類、網(wǎng)卡的傳輸速率、網(wǎng)卡所支持的總線類型以及網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)接口類型的不同，網(wǎng)卡可以分為以下幾種不同的類型：（1）按照網(wǎng)卡支持的計算機種類分類：網(wǎng)卡可以分為標準以太網(wǎng)卡和PCMCIA網(wǎng)卡。標準以太網(wǎng)卡用于臺式計算機，PCMCIA網(wǎng)卡用于便攜式計算機。（2）按照網(wǎng)卡支持的數(shù)據(jù)傳輸速率分類：網(wǎng)卡可以分為10Mbps網(wǎng)卡、100Mbps網(wǎng)卡、10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)卡、1000Mbps網(wǎng)卡等不同類型。10Mbps和100Mbps網(wǎng)卡支持10Mbps和100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)卡可以與遠端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動協(xié)商，確定當前可用數(shù)據(jù)傳輸速率是10Mbps還是100Mbps。1000Mbps網(wǎng)卡多用于服務(wù)器與交換機之間的連接，以提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸速率。（3）按照網(wǎng)卡支持的總線類型分類：網(wǎng)卡可以分為ISA網(wǎng)卡、EISA網(wǎng)卡、PCI網(wǎng)卡、USB網(wǎng)卡等不同類型。（4）按照網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)接口類型分類：網(wǎng)卡可分為RJ-45接口網(wǎng)卡、BNC接口網(wǎng)卡、AUI接口網(wǎng)卡。RJ-45接口網(wǎng)卡用于以雙絞線為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)中，是目前最為常見、應(yīng)用最廣的一種網(wǎng)卡。BNC接口網(wǎng)卡用于使用細同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)或令牌網(wǎng)中，由于使用細同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)較少，這種類型的網(wǎng)卡比較少見。AUI接口網(wǎng)卡用于以粗同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)或令牌網(wǎng)中，目前很少有使用粗同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，因此這種類型的網(wǎng)卡非常少見。在計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的早期，網(wǎng)卡通常作為一個擴展卡插到計算機總線或者某個外部接口上。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)卡價格大幅降低，網(wǎng)絡(luò)標準不斷普及，目前新出廠的計算機基本上都在其主板上集成了網(wǎng)絡(luò)接口，用戶無需自行購買和安裝網(wǎng)卡。117.3.2中繼器中繼器（repeater）是最簡單的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，它工作在OSI參考模型的最底層（物理層）。由于存在損耗，在通信線路上傳輸?shù)男盘柕墓β蕰S著傳輸距離的增加逐漸衰減，當衰減達到一定程度時會造成信號失真，可能導(dǎo)致接收錯誤。中繼器就是為解決這一問題而設(shè)計的，它完成物理線路的連接，對衰減的信號進行放大恢復(fù)，與原數(shù)據(jù)保持相同。中繼器的優(yōu)點是價格低廉、安裝簡單、使用方便。通過接入多個中繼器，可以擴大通信傳輸距離，增加網(wǎng)絡(luò)中所能容納的結(jié)點個數(shù)。例如，以太網(wǎng)標準規(guī)定單段信號傳輸電纜的最大長度為500米，在使用4個中繼器進行信號中繼后，傳輸電纜最長可擴展到2500米。從表面上看，中繼器的使用數(shù)量似乎可以是無限的，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也似乎可以通過不斷接入中繼器而無限延長。事實上這是不可能的，因為網(wǎng)絡(luò)標準中對信號的延遲范圍有明確規(guī)定，中繼器只能在規(guī)定的范圍內(nèi)進行工作，否則會引起網(wǎng)絡(luò)故障。中繼器的缺點主要有以下三個方面。第一，中繼器對信號的接收、恢復(fù)和轉(zhuǎn)發(fā)過程會增加通信延時。第二，當網(wǎng)絡(luò)中的負荷過重時，可能因中繼器內(nèi)緩沖存儲空間不足而發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失。第三，通過中繼器連接起來的不同網(wǎng)段在邏輯上仍然是同一個網(wǎng)絡(luò)，中繼器不能提供相鄰網(wǎng)段間的隔離功能，一旦中繼器出現(xiàn)故障，會對相鄰的兩個網(wǎng)段都產(chǎn)生影響。127.3.3集線器集線器（hub）工作在OSI參考模型的物理層，是一種物理層設(shè)備，其工作原理和中繼器基本相同。從本質(zhì)上講，集線器是中繼器的一種，集線器和中繼器的區(qū)別僅在于集線器的端口數(shù)量往往比中繼器多，因此集線器也被稱為多端口中繼器。圖7.5給出一個由集線器連接構(gòu)成的局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，一所大學(xué)的某學(xué)院可以用集線器將該學(xué)院三個系的局域網(wǎng)互聯(lián)起來。如圖7.5所示，三個系級集線器分別組成三個系的局域網(wǎng)，每個系的局域網(wǎng)可以給該系的教職工和學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)訪問。系里每個主機和系局域網(wǎng)集線器之間是點到點（point-to-point）的連接方式。在圖7.5中，比三個系級集線器更高一級的第四個集線器稱為主干集線器，它與三個系級集線器之間也是點到點的連接方式。該主干集線器通過連接三個系級局域網(wǎng)，構(gòu)成一個更大規(guī)模的學(xué)院級的局域網(wǎng)。圖7.5所示的是典型的多級集線器互聯(lián)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)中的多個集線器按照清晰的層級關(guān)系組織起來。事實上，也可以把圖7.5中的兩級集線器結(jié)構(gòu)擴展為三級集線器結(jié)構(gòu)，例如：第一級是系級集線器，第二級是學(xué)院級集線器（一所大學(xué)包括多個學(xué)院），第三級集線器涵蓋整個大學(xué)。13在圖7.5中所示的多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，我們通常稱由多個層級的多個集線器互聯(lián)起來的整個網(wǎng)絡(luò)為一個局域網(wǎng)，而其中某個部門的網(wǎng)絡(luò)，比如圖中計算機系的系級網(wǎng)絡(luò)（包括系級集線器和連接到系級集線器上的所有主機）稱為一個局域網(wǎng)網(wǎng)段（segment）。值得注意的是，圖7.5中所示的所有局域網(wǎng)網(wǎng)段（軟件工程系、計算機系、網(wǎng)絡(luò)工程系）都屬于同一個沖突域（collisiondomain），當局域網(wǎng)網(wǎng)段中的兩個或者多個結(jié)點同時嘗試進行數(shù)據(jù)傳輸時將會產(chǎn)生沖突，此時這些結(jié)點將進行退避，即隨機等待一定時間后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有這樣的退避機制，可能導(dǎo)致以下情況發(fā)生：同一個沖突域內(nèi)的兩個或多結(jié)點同時嘗試數(shù)據(jù)傳輸，在產(chǎn)生沖突之后這些結(jié)點又立刻嘗試重新傳輸數(shù)據(jù)，又導(dǎo)致新的沖突，從而進入一種反復(fù)不斷沖突的惡性循環(huán)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能嚴重下降。采用如圖7.5所示的帶有主干集線器的多級集線器連接多個部門局域網(wǎng)這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)有以下三個方面的優(yōu)點。第一，這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)使多個不同部門（例如圖中所示的軟件工程系、計算機系、網(wǎng)絡(luò)工程系三個系）之間的主機能夠?qū)崿F(xiàn)跨部門的通信。第二，這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠擴大局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個結(jié)點之間的最大傳輸距離。第三，這種多層級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)一定程度的優(yōu)雅降級（gracefuldegradation）。優(yōu)雅降級是指電子系統(tǒng)、計算機或計算機網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)在部分組件出現(xiàn)故障或者失效的情況下，整個系統(tǒng)仍然能夠繼續(xù)運轉(zhuǎn)并維持一定系統(tǒng)功能的能力。在理想情況下，具有優(yōu)雅降級特性的系統(tǒng)即使出現(xiàn)多個組件同時發(fā)生故障或者失效的情況也不會引起整個系統(tǒng)的完全癱瘓。在圖7.5所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如果某個系級局域網(wǎng)網(wǎng)段的集線器開始出現(xiàn)故障，上一級的主干集線器能夠檢測到這一問題并及時斷開該系級集線器與整個局域網(wǎng)其他部分的連接。通過這種方式，在故障集線器維修期間其他沒有發(fā)生故障的系的網(wǎng)絡(luò)依然可以正常運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)整個局域網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)雅降級。14雖然采用帶有主干集線器的多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)在進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時有很多優(yōu)點，但是這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)也存在一些問題。第一，通過集線器將多個部門的局域網(wǎng)互聯(lián)起來，這些部門局域網(wǎng)原來相互獨立的沖突域會變成一個大的共同沖突域。第二，如果不同部門的局域網(wǎng)網(wǎng)段使用的是不同的以太網(wǎng)技術(shù)，可能無法使用主干集線器互聯(lián)這些部門的集線器。例如，如果圖7.5中所示的計算機系是100BaseT網(wǎng)絡(luò)，而軟件工程系和網(wǎng)絡(luò)工程系是10BaseT網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)這三個部門的局域網(wǎng)必須有數(shù)據(jù)幀緩沖機制。由于集線器從本質(zhì)上講是一種中繼器，不具備數(shù)據(jù)幀緩沖功能，因此它無法互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸速率不同的局域網(wǎng)網(wǎng)段。第三，不同的以太網(wǎng)技術(shù)（10Base2，10BaseT，100BaseT等等）對于同一沖突域內(nèi)最大允許的結(jié)點數(shù)、同一沖突域內(nèi)兩個主機之間的最大距離、多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)中最大允許的層級數(shù)這幾個方面都有具體的限制，這些約束條件限制了多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)所能連接的主機總數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。集線器是計算機網(wǎng)絡(luò)中非常簡單的一種基礎(chǔ)硬件設(shè)備，它通常不需要任何軟件支持。集線器在接收到數(shù)據(jù)時只是簡單地把該數(shù)據(jù)廣播到集線器的所有其他端口上去。在集線器內(nèi)部有一條數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都使用這條總線。如果連接到同一集線器上的兩個或者多個結(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)信號碰撞，集線器需要處理這種沖突。當集線器檢測到?jīng)_突時，向集線器所連接的端口發(fā)送信號，使得發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)點知道此次數(shù)據(jù)傳送失敗，需要等待一段時間后再次重新發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣的工作機制導(dǎo)致集線器的數(shù)據(jù)傳輸效率相對比較低。15集線器有多種分類方法，可以按照集線器的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸速率、工作方式以及接口類型等不同特點進行分類。以下介紹幾種主流的雙絞線以太網(wǎng)集線器的分類標準：（1）按照集線器的結(jié)構(gòu)分類：集線器可以分為獨立式集線器、堆疊式集線器和機箱式集線器。（2）按照集線器的數(shù)據(jù)傳輸速率分類：集線器可以分為10Mbps集線器、100Mbps集線器和10/100Mbps自適應(yīng)集線器。（3）按照集線器的工作方式分類：集線器可以分為無源集線器、有源集線器和智能集線器。無源集線器不對信號做任何處理，對傳輸介質(zhì)的傳輸距離沒有擴展。有源集線器能夠?qū)π盘栠M行放大，延長兩臺主機之間的有效傳輸距離。智能集線器具有一定的網(wǎng)絡(luò)管理和路由功能，例如：在智能集線器中，不是每個結(jié)點都能收到信號，只有與信號目的地址相同的端口所連接的結(jié)點才能收到信號。167.3.4網(wǎng)橋1.網(wǎng)橋的基本工作原理網(wǎng)橋（bridge）工作在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），也被稱為第二層設(shè)備，典型的網(wǎng)橋如圖7.6所示。網(wǎng)橋與前述的集線器有著明顯的區(qū)別，集線器是物理層設(shè)備，而網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，其處理和操作的對象是數(shù)據(jù)幀（frame），能夠利用數(shù)據(jù)幀的目的地址對數(shù)據(jù)幀進行過濾（filtering）和轉(zhuǎn)發(fā)（forwarding）。當一個數(shù)據(jù)幀流入網(wǎng)橋的某個端口時，網(wǎng)橋并不是像集線器那樣把該數(shù)據(jù)幀簡單地復(fù)制到其他所有端口上，而是檢查數(shù)據(jù)幀的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）目的地址并嘗試將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給導(dǎo)向其目的結(jié)點的端口。17在前面介紹集線器時，我們給出了采用主干集線器多級互聯(lián)一所大學(xué)某學(xué)院的三個系的局域網(wǎng)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。我們也可以使用網(wǎng)橋互聯(lián)這三個系的局域網(wǎng)，其互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖7.7所示。圖7.7中網(wǎng)橋旁邊的數(shù)字標號是網(wǎng)橋的端口編號，例如：計算機系的系級局域網(wǎng)網(wǎng)段與網(wǎng)橋的第3號端口連接。與圖7.5中所示的多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)一樣，在由網(wǎng)橋互聯(lián)多個部門構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，我們稱互聯(lián)起來的整個網(wǎng)絡(luò)為一個局域網(wǎng)，而其中某個部門的網(wǎng)絡(luò)稱為一個局域網(wǎng)網(wǎng)段。與圖7.5中所示的多級集線器互聯(lián)結(jié)構(gòu)不同的是，圖7.7中所示的每一個系級局域網(wǎng)網(wǎng)段都分別是一個相互獨立的沖突域。182.網(wǎng)橋的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能網(wǎng)橋具有對數(shù)據(jù)幀進行過濾和轉(zhuǎn)發(fā)兩個主要功能。網(wǎng)橋的過濾功能是指網(wǎng)橋檢查數(shù)據(jù)幀的目的地址，并據(jù)此判定是應(yīng)該將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給某一特定端口還是將該數(shù)據(jù)幀丟棄掉。網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)功能是指網(wǎng)橋能夠根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的地址決定將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給網(wǎng)橋的哪一個端口。網(wǎng)橋能夠?qū)崿F(xiàn)過濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能主要依賴于網(wǎng)橋內(nèi)的一個橋接表（bridgetable）。橋接表包含局域網(wǎng)內(nèi)某些結(jié)點的信息，這些結(jié)點不一定包括局域網(wǎng)內(nèi)全部的結(jié)點。對于橋接表內(nèi)包含的每個結(jié)點，表里都有一條信息與之對應(yīng)，具體包括以下三方面的數(shù)據(jù)：（1）該結(jié)點的局域網(wǎng)地址；（2）與該結(jié)點連接的網(wǎng)橋端口；（3）此結(jié)點的這條信息被記錄在橋接表里的時間。表7.1給出了一個橋接表的內(nèi)容示例。值得注意的是，在橋接表中使用的地址是結(jié)點的物理地址（前述的48位MAC地址），而不是結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層地址。在表7.1中，第一列列出了結(jié)點的物理地址（48位MAC地址），第二列列出了該結(jié)點所對應(yīng)的網(wǎng)橋端口號，第三列列出了這一條信息被記錄在橋接表里的時間。19接下來，我們介紹網(wǎng)橋如何利用橋接表進行數(shù)據(jù)過濾和轉(zhuǎn)發(fā)。假定某個數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)橋的I端口到達，其目的地址是XX-XX-XX-XX-XX-XX。當網(wǎng)橋接收到該數(shù)據(jù)幀后，網(wǎng)橋根據(jù)地址XX-XX-XX-XX-XX-XX在橋接表中進行檢索。檢索結(jié)果有兩種可能：一種是網(wǎng)橋在橋接表中找到與地址XX-XX-XX-XX-XX-XX相對應(yīng)的網(wǎng)橋端口D；另一種是在橋接表中沒有與地址XX-XX-XX-XX-XX-XX相對應(yīng)的數(shù)據(jù)項。對于第一種情況，網(wǎng)橋進一步檢查該數(shù)據(jù)幀流入網(wǎng)橋的端口I和檢索橋接表得到的與該數(shù)據(jù)幀目的地址對應(yīng)的網(wǎng)橋端口D是否相同。如果端口I和端口D相同，這表明該數(shù)據(jù)幀是從包含物理地址為XX-XX-XX-XX-XX-XX的結(jié)點的網(wǎng)段流入網(wǎng)橋的。在這種情況下，沒有必要將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)橋的任何其他端口，網(wǎng)橋?qū)υ摂?shù)據(jù)幀所做的處理是丟棄掉該數(shù)據(jù)幀，我們把這個功能稱為網(wǎng)橋的過濾功能。如果端口I和端口D不是同一個端口，那么該數(shù)據(jù)幀需要發(fā)給與端口D相連的局域網(wǎng)網(wǎng)段。在這種情況下，網(wǎng)橋?qū)υ摂?shù)據(jù)幀所做的處理是將該數(shù)據(jù)幀推送給端口D的輸出緩沖器，數(shù)據(jù)幀經(jīng)由端口D流向目的局域網(wǎng)網(wǎng)段，我們把這個功能稱為網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)功能。上述的處理規(guī)則使得與網(wǎng)橋端口連接的每一個不同的局域網(wǎng)網(wǎng)段都保持為獨立的沖突域。這些規(guī)則還使得與網(wǎng)橋連接的不同局域網(wǎng)網(wǎng)段內(nèi)的結(jié)點可以同時進行通信，不會互相干擾。20接下來，我們結(jié)合圖7.7中所示的局域網(wǎng)以及與之對應(yīng)的表7.1所示的橋接表舉例說明上述處理規(guī)則的工作過程：例1：假設(shè)某數(shù)據(jù)幀從端口2流入網(wǎng)橋，其目的地址為76-DF-BF-58-CA-52。網(wǎng)橋通過檢索其橋接表（如表7.1所示），發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀的目的結(jié)點就在與端口2相連的局域網(wǎng)網(wǎng)段內(nèi)（圖7.7中所示的計算機系網(wǎng)段），這表明該數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被廣播到包含其目的結(jié)點的局域網(wǎng)網(wǎng)段了，網(wǎng)橋不必再將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)橋的任何其他端口。因此，網(wǎng)橋?qū)υ摂?shù)據(jù)幀做丟棄處理，完成過濾功能。這個例子實際上描述的是計算機系網(wǎng)段內(nèi)兩臺主機之間的一次通信過程。對于系級局域網(wǎng)網(wǎng)段內(nèi)結(jié)點之間的通信，學(xué)院級的網(wǎng)橋不對其進一步向外轉(zhuǎn)發(fā)，執(zhí)行網(wǎng)橋的過濾功能。例2：假設(shè)某數(shù)據(jù)幀從端口1流入網(wǎng)橋，其目的地址同樣為76-DF-BF-58-CA-52。網(wǎng)橋通過檢索其橋接表（如表7.1所示），發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀的目的結(jié)點通向網(wǎng)橋的端口2，因此網(wǎng)橋?qū)⒃摂?shù)據(jù)幀推送給網(wǎng)橋的端口2，完成轉(zhuǎn)發(fā)功能。這個例子實際上描述的是軟件工程系網(wǎng)段內(nèi)的某臺主機向計算機系網(wǎng)段內(nèi)的某臺主機發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。這個例子表明，對于跨越系級局域網(wǎng)網(wǎng)段的結(jié)點之間的通信，學(xué)院級的網(wǎng)橋會對其進行跨局域網(wǎng)網(wǎng)段的轉(zhuǎn)發(fā)，執(zhí)行網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)功能。213.網(wǎng)橋的自學(xué)習(xí)能力網(wǎng)橋的一個非常好的特點是網(wǎng)橋內(nèi)部的橋接表的構(gòu)建和維護是自動完成的，是一個動態(tài)和自治的過程，不需要網(wǎng)絡(luò)管理員或者網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議的任何干預(yù)。換言之，網(wǎng)橋具有自學(xué)習(xí)（self-learning）能力。網(wǎng)橋的自學(xué)能力通過以下幾個方面實現(xiàn)：（1）網(wǎng)橋的橋接表在系統(tǒng)初始的時候是空的。（2）當某個數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)橋的某個端口流入，而且該數(shù)據(jù)幀的目的地址不在橋接表里時，網(wǎng)橋?qū)⒃摂?shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給其他所有的端口。（3）對于接收到的每一個數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)橋在其橋接表中記錄以下三方面的信息：該數(shù)據(jù)幀的源結(jié)點的局域網(wǎng)地址、該數(shù)據(jù)幀流入網(wǎng)橋的端口號、當前時間，具體格式如表7.1所示。通過這種方式，網(wǎng)橋在橋接表中記錄了發(fā)送該數(shù)據(jù)幀的結(jié)點處于哪個局域網(wǎng)網(wǎng)段。在網(wǎng)橋接入一個網(wǎng)絡(luò)之后，隨著時間的推移，如果局域網(wǎng)內(nèi)的每個結(jié)點都發(fā)送過數(shù)據(jù)幀的話，那么橋接表里會記錄下局域網(wǎng)內(nèi)每個結(jié)點的相關(guān)信息。（4）當某個數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)橋的某個端口流入，并且該數(shù)據(jù)幀的目的地址在橋接表里時，網(wǎng)橋?qū)⒃摂?shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的端口。（5）隨著時間的推移，在經(jīng)過一定的時間段后，如果一直沒有以橋接表里某項的地址為其源地址的數(shù)據(jù)幀流入，網(wǎng)橋會自動將該項數(shù)據(jù)（比如表7.1中所示的某一行信息）刪除掉。例如，如果局域網(wǎng)內(nèi)的某臺計算機被另一臺計算機替換掉，而這臺新的計算機具有和原來那臺計算機不同的網(wǎng)卡，那么原先那臺計算機的局域網(wǎng)地址信息隨著時間的推移最終會被從網(wǎng)橋的橋接表里刪除掉。224.網(wǎng)橋的優(yōu)點采用網(wǎng)橋進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能夠克服許多集線器互聯(lián)具有的問題。首先，這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅能夠使多個不同部門（例如圖7.7中所示的軟件工程系、計算機系、網(wǎng)絡(luò)工程系三個系）之間的主機實現(xiàn)跨部門的通信，而且每個系級局域網(wǎng)網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。其次，與主干集線器互聯(lián)方式不同，使用網(wǎng)橋可以互聯(lián)不同的以太網(wǎng)技術(shù)，包括10Mbps以太網(wǎng)和100Mbps以太網(wǎng)。第三，當使用網(wǎng)橋來互聯(lián)多個局域網(wǎng)網(wǎng)段時，對于所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模沒有限制。從理論上講，甚至可以使用網(wǎng)橋互聯(lián)許許多多個局域網(wǎng)網(wǎng)段，最終構(gòu)成一個覆蓋全球范圍的局域網(wǎng)。237.3.5路由器路由器（router）工作在OSI參考模型的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），也被稱為第三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它是在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要設(shè)備，典型的路由器如圖7.8所示。

路由器可以互聯(lián)多個不同類型的網(wǎng)絡(luò)，例如可以用路由器連接多個不同數(shù)據(jù)傳輸速率或運行在不同環(huán)境下的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。路由器是Internet的主要互聯(lián)設(shè)備，數(shù)量眾多的路由器系統(tǒng)構(gòu)成了Internet的主體框架。在Internet中，不同的兩個端系統(tǒng)（endsystem）通常并不是直接由單個通信鏈路直接彼此互連，它們往往是通過路由器這種中間交換設(shè)備間接地互聯(lián)在一起。路由器從其某個輸入通信鏈路上接收信息，然后將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給它的某個輸出通信鏈路。TCP/IP協(xié)議族里的IP協(xié)議（IPprotocol）定義了在路由器和端系統(tǒng)之間所發(fā)送和接收的信息的具體格式。從發(fā)送端端系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的通信鏈路和路由器，最終到達接收端端系統(tǒng)，信息所經(jīng)過的途徑稱為路由（route）或者路徑（path）。從源結(jié)點到目的結(jié)點，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的每個中間結(jié)點中如何選擇路由（或路徑）稱為路由選擇（routing）。路由選擇是路由器的核心功能，這也是路由器名稱的由來。作為不同網(wǎng)絡(luò)之間進行互聯(lián)的樞紐設(shè)備，路由器的可靠性直接影響著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的質(zhì)量，路由器的處理速度直接影響著網(wǎng)絡(luò)的通信效率。241.路由器的主要特點相對于前述的集線器和網(wǎng)橋等其他常見的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，路由器有以下三個主要特點：（1）工作在網(wǎng)絡(luò)層：本章7.3.3節(jié)所述的集線器工作在OSI參考模型的第一層（物理層），當數(shù)據(jù)從某個端口傳入集線器時，集線器僅僅簡單地將該數(shù)據(jù)廣播發(fā)送到所有其他端口，它不具備任何對數(shù)據(jù)的智能處理能力。本章7.3.4節(jié)所述的網(wǎng)橋工作在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）。相對于集線器，網(wǎng)橋更加智能一些，它能夠檢查數(shù)據(jù)幀內(nèi)所包含數(shù)據(jù)的源結(jié)點MAC地址和目的結(jié)點MAC地址，并使用橋接表在目的結(jié)點所在網(wǎng)段和網(wǎng)橋端口之間建立映射。路由器工作在OSI參考模型的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），它比網(wǎng)橋更加智能一些。路由器能夠識別所接收的數(shù)據(jù)包中的目的結(jié)點的IP地址，如果該目的地址不屬于本地網(wǎng)絡(luò)則將該數(shù)據(jù)包通過路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，如果該目的地址屬于本地網(wǎng)絡(luò)則不對其進行轉(zhuǎn)發(fā)。（2）能夠連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)：不同類型網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的大小和格式是不同的，數(shù)據(jù)從一種類型的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪环N類型的網(wǎng)絡(luò)必須進行數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。路由器具有不同類型網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換能力，因此路由器能夠連接不同類型的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，例如：以太網(wǎng)、FDDI網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等等。集線器和網(wǎng)橋沒有這種不同類型網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換能力，因此它們無法互聯(lián)不同類型的網(wǎng)絡(luò)。（3）路由選擇功能：數(shù)據(jù)從源結(jié)點傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點存在許多可能的路徑，路由器能夠選擇合理、便捷、高效的路徑，從而減輕網(wǎng)絡(luò)通信負荷，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)通信資源，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。路由器的這一特點也是集線器和網(wǎng)橋等一層和二層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備所不具備的。252.路由器的基本功能路由器是在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備，其主要任務(wù)是負責(zé)對從源結(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行存儲，選擇最佳的路由，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的結(jié)點。宏觀地講，路由器主要完成兩方面的功能，即數(shù)據(jù)通道功能和控制功能。路由器的數(shù)據(jù)通道功能包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策、背板轉(zhuǎn)發(fā)以及輸出鏈路調(diào)度等，這部分功能通常由特定的硬件完成。路由器的控制功能包括與相鄰路由器之間的信息交換、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理等，這部分功能一般由軟件實現(xiàn)。具體而言，路由器的基本功能有以下幾個方面：（1）網(wǎng)絡(luò)互連功能：路由器支持各種局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)接口，可以互連局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信。（2）數(shù)據(jù)處理功能：路由器能夠?qū)?shù)據(jù)提供分組過濾、壓縮和解壓縮、加密和解密、防火墻等功能。（3）路由選擇功能：路由器能夠利用路由算法來建立和維護路由表，并根據(jù)路由表里的路由信息對數(shù)據(jù)包的下一傳輸目的地進行選擇，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，為流經(jīng)路由器的數(shù)據(jù)選擇最佳的傳輸路徑。（4）網(wǎng)絡(luò)管理功能：路由器是有源的智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它能夠參與網(wǎng)絡(luò)管理。路由器能夠提供配置管理、性能管理、容錯管理和流量控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。263.路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了理解路由器的基本工作原理，我們先了解一下路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，典型的路由器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.9所示。一個典型的路由器通常由四個主要部分構(gòu)成，它們分別是：27（1）輸入端口（inputport）：路由器的輸入端口通常集中在路由器的線卡（linecard）上，一個線卡一般支持多個端口（4、8或16個）。一個路由器的輸入端口能夠完成多種功能。首先，輸入端口能夠終止輸入物理鏈路與路由器的連接，這是一個物理層的功能（圖7.9中輸入端口最左邊的扁平方框和輸出端口最右邊的扁平方框）。第二，輸入端口執(zhí)行與另一端的輸入鏈路進行互操作所需的數(shù)據(jù)鏈路層功能（圖7.9中輸入端口和輸出端口中間的方框）。第三，路由器的輸入端口還執(zhí)行查找和轉(zhuǎn)發(fā)（lookupandforwarding）功能，從而能夠?qū)l(fā)給路由器交換結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的輸出端口（圖7.9中輸入端口最右邊的方框和輸出端口最左邊的方框）。對于控制分組（例如攜帶RIP等路由協(xié)議信息的分組），路由器直接將其從輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)給路由處理器。（2）輸出端口（outputport）：路由器的輸出端口負責(zé)存儲經(jīng)由路由器交換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，并將其傳輸給相應(yīng)的輸出鏈路。路由器的輸出端口與輸入端口執(zhí)行的是相反的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能。（3）交換結(jié)構(gòu)（switchingfabric）：路由器的交換結(jié)構(gòu)連接路由器的輸入端口和輸出端口。路由器的交換結(jié)構(gòu)完全包含在路由器之中，可以形象地稱之為一個包含在網(wǎng)絡(luò)路由器內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)。（4）路由處理器（routingprocessor）：路由處理器負責(zé)執(zhí)行各種路由協(xié)議（例如RIP、OSPF等），維護路由器的路由表，完成路由器的各種網(wǎng)絡(luò)管理功能。28在上述四個部分中，交換結(jié)構(gòu)是路由器的核心，數(shù)據(jù)包通過交換結(jié)構(gòu)從路由器的一個端口傳輸?shù)搅硪粋€端口。在交換結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)包的交換可以通過內(nèi)存式數(shù)據(jù)交換、總線式數(shù)據(jù)交換以及交叉矩陣式數(shù)據(jù)交換等幾種方式完成。（1）內(nèi)存式數(shù)據(jù)交換（switchingviamemory）：最早出現(xiàn)的路由器，同時也是最簡單的路由器，其實就是一些普通的計算機，這些充當路由器的計算機在其CPU的直接控制下完成數(shù)據(jù)在輸入端口和輸出端口之間的數(shù)據(jù)交換，計算機的CPU起到了路由處理器的作用。計算機的輸入端口和輸出端口和傳統(tǒng)操作系統(tǒng)下的普通I/O設(shè)備一樣工作。當數(shù)據(jù)包到達某個輸入端口時，該端口首先通過中斷通知路由處理器。之后，該數(shù)據(jù)包被從輸入端口復(fù)制到處理器的內(nèi)存中。接下來，路由處理器從數(shù)據(jù)包的頭信息（header）中提取出數(shù)據(jù)包的目的地址，據(jù)此在路由表中查找合適的輸出端口，并將該數(shù)據(jù)包復(fù)制到該輸出端口的緩沖區(qū)中。內(nèi)存式數(shù)據(jù)交換的基本結(jié)構(gòu)如圖7.10所示，圖中標出了輸入端口和輸出端口的編號，例如“I1”表示路由器的第一個輸入端口，“O3”表示路由器的第三個輸出端口。在圖7.10中，從I3輸入端口流入路由器的數(shù)據(jù)包通過內(nèi)存交換方式轉(zhuǎn)發(fā)給O2輸出端口。許多現(xiàn)代的路由器仍然采用這種內(nèi)存式數(shù)據(jù)交換方式，它們與早期路由器的區(qū)別在于對目的地址的查找和數(shù)據(jù)包的存儲現(xiàn)在都是由集成在輸入線卡上的處理器完成的。29（2）總線式數(shù)據(jù)交換（switchingviaabus）：在這種數(shù)據(jù)交換方式中，輸入端口直接通過一個共享總線將數(shù)據(jù)包傳輸給輸出端口，不需要路由處理器的干預(yù)。共享總線式數(shù)據(jù)交換的基本結(jié)構(gòu)如圖7.11所示。在圖7.11中，從I3輸入端口流入路由器的數(shù)據(jù)包通過總線交換方式轉(zhuǎn)發(fā)給O2輸出端口。盡管路由處理器不參與總線數(shù)據(jù)傳輸過程，但是，由于該總線是一個共享總線，在同一時刻只能有一個數(shù)據(jù)包經(jīng)過總線傳輸。如果一個數(shù)據(jù)包到達路由器的輸入端口時，發(fā)現(xiàn)此時總線處于“忙”狀態(tài)（總線正用于發(fā)送另一個數(shù)據(jù)包），那么這個數(shù)據(jù)包會被阻塞，無法通過路由器的交換結(jié)構(gòu)，需要在路由器的輸入端口進行排隊等候。由于流經(jīng)路由器的每一個數(shù)據(jù)包都必須通過這個單一的共享總線，因此路由器的數(shù)據(jù)交換帶寬受制于該總線的數(shù)據(jù)傳輸速率。30（3）交叉矩陣式數(shù)據(jù)交換（switchingviacrossbar）：為了克服總線式數(shù)據(jù)交換方式對單一共享總線帶寬的局限，可以使用一種更加復(fù)雜的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)交換。人們借鑒以往在多處理器計算機系統(tǒng)架構(gòu)中采用的互連多個處理器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了交叉矩陣（crossbar）這種互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。交叉矩陣式數(shù)據(jù)交換的基本結(jié)構(gòu)如圖7.12所示。在圖7.12中，從I3輸入端口流入路由器的數(shù)據(jù)包通過交叉矩陣轉(zhuǎn)發(fā)給O2輸出端口。對于一個具有N個輸入端口和N個輸出端口的路由器，其交叉矩陣開關(guān)包含2N條總線，這些總線以一種交叉矩陣的結(jié)構(gòu)將路由器的輸入端口和輸出端口相互連接起來。當一個數(shù)據(jù)包從路由器的某個輸入端口流入路由器時，該數(shù)據(jù)包首先沿著與輸入端口連接的水平總線傳輸，直至與導(dǎo)向目的輸出端口交叉的垂直總線。此時，如果導(dǎo)向目的輸出端口的垂直總線處于空閑狀態(tài)，則該數(shù)據(jù)包被傳輸給相應(yīng)的輸出端口。如果該時刻導(dǎo)向目的輸出端口的垂直總線正忙于傳輸另一個輸入端口發(fā)送給這個目的輸出端口的數(shù)據(jù)包時，該數(shù)據(jù)包會被阻塞，必須在輸入端口排隊等待。314.路由選擇和路由表路由器的主要任務(wù)是為流經(jīng)路由器的每個數(shù)據(jù)包尋找一條最佳的傳輸路徑，從而將數(shù)據(jù)有效地傳送到其目的結(jié)點。因此，為數(shù)據(jù)選擇最佳路徑的策略，即路由算法（routingalgorithm），是路由器的核心。為了完成路由選擇功能，路由器中保存著一張路由表（routingtable），路由表中記錄著多個與數(shù)據(jù)傳輸路徑相關(guān)的信息，供路由器在進行路由選擇時使用。路由表中存有到達特定網(wǎng)絡(luò)終端的路徑，還含有網(wǎng)絡(luò)周邊的拓撲信息。路由表中所包含的信息決定了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的策略。具體而言，路由表中保存著多行與數(shù)據(jù)傳輸路徑相關(guān)的路由項，每一項路由信息包括：目標網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)掩碼、網(wǎng)關(guān)、接口、躍點數(shù)等內(nèi)容。目標網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)掩碼用于定義可以到達的目的網(wǎng)絡(luò)的范圍。網(wǎng)關(guān)（gateway），也稱為下一跳服務(wù)器，它定義了針對特定的網(wǎng)絡(luò)目的地址，數(shù)據(jù)包應(yīng)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)所指定的服務(wù)器。接口（interface）是指到達目的結(jié)點所需經(jīng)過本路由器的出口地址。路由器通過網(wǎng)關(guān)和接口這兩項數(shù)據(jù)確定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一個路由器的路徑。躍點數(shù)（metric）表示路由的成本，一般是指到達目的結(jié)點所需要經(jīng)過躍點（一個躍點代表經(jīng)過一個路由器）的數(shù)量。躍點數(shù)越高，表明路由成本越高；躍點數(shù)越低，表明路由成本越低。一般情況下，如果有多條到達相同目的地址的路由項，路由器會采用躍點數(shù)值較小的路由。路由器中的路由表從本質(zhì)上可以看做是由路由器內(nèi)置的硬件和軟件管理的一個小型數(shù)據(jù)庫。家用路由器只需將所有的輸出流量簡單地轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的ISP（InternetServiceProvider）網(wǎng)關(guān)，后續(xù)的路由選擇步驟均由ISP的網(wǎng)關(guān)處理，因此家用路由器的路由表一般很小，通常不超過十行路由數(shù)據(jù)項。與之相比，Internet骨干網(wǎng)絡(luò)中的大型路由器由于必須維護大量的路由信息，因此其路由表可能包含多達數(shù)十萬行的路由數(shù)據(jù)項。32路由表的內(nèi)容既可以是系統(tǒng)事先設(shè)置好的，也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)流量變化動態(tài)更新，據(jù)此可以把路由選擇分為靜態(tài)路由選擇和動態(tài)路由選擇兩類：（1）靜態(tài)路由選擇（staticrouting）：靜態(tài)路由選擇也稱為非自適應(yīng)（nonadaptive）路由選擇，其路由決策不是基于對當前網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和流量的測量或估計。從一個結(jié)點到另一個結(jié)點選擇什么路徑，這些路由選擇都是事先計算好的，靜態(tài)路由明確指定了數(shù)據(jù)包到達目的結(jié)點所必須經(jīng)過的路徑。這些路由信息是離線（offline）形式的，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理員在網(wǎng)絡(luò)啟動時加載到路由器上，除非網(wǎng)絡(luò)管理員進行人工干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。由于靜態(tài)路由不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)流量的變化動態(tài)做出調(diào)整，這種路由選擇方式通常用于規(guī)模較小并且拓撲結(jié)構(gòu)相對固定的網(wǎng)絡(luò)。相對于動態(tài)路由選擇方式，靜態(tài)路由選擇不會隨網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化而改變，因此其開銷相對較小。（2）動態(tài)路由選擇（dynamicrouting）：動態(tài)路由選擇也稱為自適應(yīng)（adaptive）路由選擇，是指路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的動態(tài)運行情況進行自動調(diào)整的路由選擇機制，它能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)流量的變化動態(tài)改變其路由決策。路由器根據(jù)路由協(xié)議提供的功能，自動學(xué)習(xí)和記憶網(wǎng)絡(luò)運行的情況，自動計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂?。使用動態(tài)路由可以很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)流量的動態(tài)變化。335.路由器的分類路由器有多種不同的分類標準，通常路由器可以按照以下幾個方面進行分類：（1）按照功能分類：路由器可以分為接入級路由器、企業(yè)級路由器和骨干級路由器。接入級路由器位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，端口數(shù)據(jù)傳輸速率較低，要求路由器具有較強的接入控制能力。企業(yè)級路由器的互聯(lián)對象為多個終端系統(tǒng)，功能較為簡單，數(shù)據(jù)流量較小。骨干級路由器通常數(shù)據(jù)流量較大，要求高性能和高可靠性，是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備。（2）按照結(jié)構(gòu)分類：路由器可以分為模塊化路由器和非模塊化路由器。模塊化路由器可以實現(xiàn)路由器的靈活配置，適應(yīng)企業(yè)的業(yè)務(wù)需求。非模塊化路由器只能提供固定單一的端口。一般而言，高端路由器（數(shù)據(jù)包交換能力大于20Gbps）通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，低端路由器（數(shù)據(jù)包交換能力小于1Gbps）往往采用非模塊化結(jié)構(gòu)。（3）按照所處的網(wǎng)絡(luò)位置分類：路由器可以分為邊界路由器和中間節(jié)點路由器。邊界路由器處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣。中間節(jié)點路由器處于網(wǎng)絡(luò)的中間，通常用于連接不同網(wǎng)絡(luò)，起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的橋梁作用。346.路由器與網(wǎng)橋的比較從本質(zhì)上講，路由器是利用網(wǎng)絡(luò)層地址進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)式數(shù)據(jù)包交換設(shè)備。雖然網(wǎng)橋也是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)式數(shù)據(jù)包交換設(shè)備，但是它和路由器有本質(zhì)的區(qū)別，網(wǎng)橋利用MAC地址進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，因此，路由器是第三層數(shù)據(jù)包交換設(shè)備，網(wǎng)橋是第二層數(shù)據(jù)包交換設(shè)備。盡管路由器和網(wǎng)橋從本質(zhì)上存在很大差別，但是網(wǎng)絡(luò)管理員常常需要在這兩種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備之間進行選擇。比如，在圖7.7所示的由網(wǎng)橋連接構(gòu)成的局域網(wǎng)示例中，網(wǎng)絡(luò)管理員完全可以用一個路由器替代圖中學(xué)院級的頂層網(wǎng)橋，這種連接方式同樣可以在允許各系之間的進行跨部門通信的同時保持三個沖突域（每個系一個沖突域）相互獨立。既然路由器和網(wǎng)橋都是存儲轉(zhuǎn)發(fā)式互聯(lián)設(shè)備，那么應(yīng)該選用哪一種設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)呢？接下來，我們對路由器和網(wǎng)橋各自的優(yōu)缺點進行簡要的分析比較。充分了解這兩種互聯(lián)設(shè)備的優(yōu)點和不足之處，可以幫助我們進行合理的選擇。35首先，我們分析一下網(wǎng)橋的優(yōu)缺點。相對于路由器，網(wǎng)橋主要有兩方面的優(yōu)點。第一，網(wǎng)橋是一種即插即用式設(shè)備，這一優(yōu)點深受網(wǎng)絡(luò)管理員的喜愛。第二，網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)包過濾和轉(zhuǎn)發(fā)速率通常較高。如圖7.13所示，網(wǎng)橋只需要在網(wǎng)絡(luò)參考模型（本書第三章所介紹的混合參考模型）中的最下面兩層（物理層和鏈路層）對數(shù)據(jù)幀進行處理，而路由器需要在網(wǎng)絡(luò)參考模型中的下面三層（物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層）對數(shù)據(jù)包進行處理。顯然，相對于網(wǎng)橋，路由器的數(shù)據(jù)包過濾和轉(zhuǎn)發(fā)速率通常較低。網(wǎng)橋的不足之處主要有三個方面。第一，為了避免數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中的循環(huán)傳輸，網(wǎng)橋采用生成樹協(xié)議（spanningtreeprotocol）?；诰W(wǎng)橋構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)由于生成樹協(xié)議的限制，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)僅限于生成樹這種拓撲結(jié)構(gòu)。這意味著，即使在源結(jié)點和目的結(jié)點之間存在更加直接的路徑，所有的數(shù)據(jù)幀仍然必須按照生成樹結(jié)構(gòu)進行傳輸。第二，由于生成樹協(xié)議的限制，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量都集中在生成樹中的連接上，其實這些數(shù)據(jù)流量完全可以由網(wǎng)絡(luò)原始拓撲結(jié)構(gòu)中的其他連接分擔(dān)。第三，網(wǎng)橋不能對廣播風(fēng)暴（broadcaststorm）對網(wǎng)絡(luò)的破壞提供任何保護。當一個失控主機不斷地發(fā)送廣播數(shù)據(jù)幀時，網(wǎng)橋會轉(zhuǎn)發(fā)所有這些數(shù)據(jù)幀，廣播數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)內(nèi)大量復(fù)制傳播，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降甚至整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。36其次，我們分析一下路由器的優(yōu)缺點。相對于網(wǎng)橋，路由器主要有三方面的優(yōu)點。第一，由于沒有網(wǎng)橋的生成樹協(xié)議限制，路由器不必局限于原始網(wǎng)絡(luò)的生成樹拓撲結(jié)構(gòu)，可以使用源結(jié)點到目的結(jié)點之間的最佳路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。第二，由于路由器沒有生成樹協(xié)議限制，因此可以使用路由器構(gòu)建更為豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。第三，路由器能夠針對第二層的廣播風(fēng)暴提供相應(yīng)的防火墻保護。相對于網(wǎng)橋，路由器主要有兩方面的不足之處。第一，路由器不是即插即用式設(shè)備，路由器以及連接到路由器上的主機必須對其IP地址進行配置。第二，由于要處理數(shù)據(jù)包內(nèi)直至第三層協(xié)議的字段，路由器對每個數(shù)據(jù)包的處理時間通常比網(wǎng)橋更長，如圖7.13所示。綜上所述，網(wǎng)橋和路由器各有利弊。那么，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的時候，一個單位（比如一個大學(xué)的校園網(wǎng)或者一個公司的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)）如何在這兩種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備之間進行選擇呢？一般而言，小型的網(wǎng)絡(luò)僅包含幾百臺主機，只有幾個局域網(wǎng)網(wǎng)段，對于這類小型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)橋就足以勝任。使用網(wǎng)橋構(gòu)建小型網(wǎng)絡(luò)，可以使通信流量集中在本地，提高總吞吐量，并且不需要進行任何IP地址配置。對于包含數(shù)以千計主機的較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，除了網(wǎng)橋之外，通常在其網(wǎng)絡(luò)中包含多個路由器，這些大型網(wǎng)絡(luò)中的路由器能夠更好地隔離通信流量，對廣播風(fēng)暴進行控制，并且在網(wǎng)絡(luò)的主機之間采用更加智能的路徑。377.3.6網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)（gateway）是在傳輸層及其以上各層上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備。從一個房間走到另一個房間要經(jīng)過一扇門，同樣地，從一個網(wǎng)絡(luò)向另一個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息也要經(jīng)過一道“關(guān)口”，這道關(guān)口就是網(wǎng)關(guān)。換言之，網(wǎng)關(guān)是一個網(wǎng)絡(luò)連接到另一個不同網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”。此處的“不同”有兩方面的含義，一是指網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議不一樣，二是指底層的物理網(wǎng)絡(luò)不一樣。1.