网络的互联- 网络互联设备

：网桥（Bridge）也称桥接器，是一种在数据链路层将两个网络互联的设备。用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。

1.网桥（Bridge）

·网桥的功能

网桥工作在数据链路层，如下图所示。它将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来帧。网桥接收一个完整的数据帧，并将它传输到数据链路层检验校验和，然后再下传到物理层，到另一个不同的网络。

网桥可以有效地联接两个LAN，对数据帧进行过滤和存储，通过对数据帧筛选实现网络分段。当一个数据帧通过网桥时，网桥检查数据帧的源物理地址和目的物理地址，如果这两个地址属于不同的网段，则网桥将该数据帧到目的物理地址指示的网段，否则不。这样，两个局域网网段通过网桥连接后，就像一个局域网一样。网中任何一台计算机均可发送帧到任何其他连在这两个网段中的计算机。由于每个网段都支持标准的网络连接并使用标准的帧格式，计算机并不知道它们是连接在一个局域网中还是连接在一个桥接局域网中。

图 网络互连设备与OSI/RM的对应关系

网桥与主机一样总是收发完整的帧，所以网桥能隔离一些故障。当一个含有差错的帧通过网桥时，网桥会检测到它不正确，就简单地丢弃掉该帧。网桥不会把一个网段上的冲突信号传输到另一个网段。因此，网桥会把故障隔离在一个网段中而不会影响到另一个网段。所以网桥能起到隔离网段的作用，对共享式网络而言，网络的隔离意味着缩小了冲突域，提高了网络带宽。

下图中有两个网桥，它连接3个网段。它将原来一个大的冲突域分成了3个冲突域，同一时刻3个网段中可各有一个节点同时发送数据帧。

图 网桥互联网段

网桥进行数据帧的过滤和存储。处理方式 如下：

表 网桥处理方式

数据帧发送方向

网桥处理方式

A1→X1

网桥1可通过检查数据帧中的源地址和目的地址来确认A1和X1属于同一个网段，网桥1就不该数据帧，而是将其过滤掉。

A1→A3

因为A1和A3属于不同的网段，所以，网桥1先存储该数据帧到网桥2，之后再通过网桥2到网段3。

总体来看，网桥具有以下功能：

图 网桥的作用

·网桥的分类

网桥可以由软件和硬件组成，它有以下几种分类方法 。

表 网桥分类方法

分类方式

分类结果

对应解释

按网桥所处的位置

内桥

内桥是文件服务器的一部分，通过在文件服务器内部连接两个以上的网卡，加上相应的网络操作系统和软件进行管理就可作为网桥使用，每个网卡连接一个网段。

外桥

外桥一般是专用的硬件网桥设备。外桥的设备外观形态各异，但基本功能是一致的。

按网桥分布的地理位置

本地网桥

本地网桥用于连接相邻的局域网段。对本地网桥而言，诸如带宽、效率等性能比较重要。

远程网桥

当两个分布在不同地理位置的两个网段需要连接时，需要在每个网段安装远程网桥，并通过传输介质（如电话线）进行连接。对远程网桥而言，拓延其物理范围是主要目的。

图 远程网桥互连网段

按网桥的功能

透明网桥

透明网桥是一种不需要改动硬件和软件，无需装入路由表或参数。只需插入电缆就可以实现网桥功能的网桥。透明网桥通常用来互联以太网分段，它以混杂方式工作。混杂方式即接收与之连接的所有LAN传送的每一帧。当一帧到达时，网桥必须决定将其丢弃还是。如果要，则必须决定发往哪个LAN。这需要通过查询网桥中一张大型散列表里的目的地址之后作出决定。该表可列出每个可能的目的地，以及它属于哪一条输出线路（LAN）。

源路由网桥

源路由选择网桥。源路由选择的核心思想是假定每个帧的发送者都知道通往目的地的路由。源路由选择网桥不用决定在什么地方发送分组，也不用建立主机的物理地址表。通常用于互联令牌环分段。

·网桥的学习功能

当网桥接收到一个数据帧时，它先检查数据帧的源物理地址，并将该地址与网桥中的路径表中各项进行对比，如果在路径表中没有找到，则将新的源物理地址加入该路径表中，这就是网桥对网络地址的学习能力。当网络中的计算机移动后，不需要手动改变路径表中的数据，网桥能根据学习到的地址自动重新配置网桥，避免了管理上带来的麻烦。

·网桥的特点

网桥具有以下一些特点：

（1）网桥能延伸网络的距离并能隔离网段，它对不需要的数据帧进行过滤，缩小了冲突域，有效提高了网络流量，改善了网络的性能和安全性。

（2）网桥可以互联传输介质不同、介质访问控制方式不同的网络。但不能互联网络层以上协议不同的网络。

（3）网桥不能隔离广播，即不能对广播数据包进行过滤，因此它也不能控制广播风暴。广播风暴需要通过更高层的互联设备才能解决。

（4）网桥没有路由功能，当存在多条路径时，它只能用某一固定的路径数据帧。

2.路由器

所谓“路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作。而路由器，正是执行这种行为动作的设备，是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络。

路由器是实现网络互联的设备，作用于物理层、数据链路层和网络层。

（1）当通过网络层互联设备数据包时，需要识别网络的第三层地址，以决定一个数据包如何重新包装和发送。

（2）路由器互联的各网络，它们的网络层使用路由协议还有传输层以上使用的协议都必须是相同的。

（3）路由器在物理层、数据链路层使用的协议可以是相同的，也可以是不相同的。

（4）路由器丢弃所有的广播帧，可以隔离多个局域网之间的广播信息，达到抑制广播风暴的目的。

·路由器功能

路由器主要有以下几种功能 ：

表 路由器功能

功能

功能解释

网络互连

路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络互相通信。

判断网络地址和选择网络路径的功能

路由器能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，根据网络地址对信息包进行过滤或，将不该的信息（包括错误信息）都过滤掉，从而可避免广播风暴。它比网桥具有更强的隔离作用，提高了安全保密性能，并且能够使网络传输保持最佳带宽，更适用于复杂的、大型的、异构网联。

网络管理

路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。

路由器所互联的网络都是独立的子网，它们可以有不同的拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法和网络ID，如下图所示，用路由器连接不同类型的局域网。因此，路由器在多个网络之间提供网间服务，并具有相应的协议转换功能。当两个局域网要保持各自不同的管理控制范围时，就需要使用路由器。

图 路由器互联网络

路由器的主要任务是路径的选择。路径选择包括两种基本的活动：一是最佳路径的判定；二是网间信息包的传送。

·路由表

在路由器中保存着与传输路径的相关数据——路由表，供路由选择时使用。路由表中保存的信息有子网的状态、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，或是由路由器自动调整，或者直接由主机控制。

图 路由表的类型

·路由器的工作原理

在一个局域网中，如果不需与外界网络进行通信的话，内部网络的各工作站都能识别其他各节点，完全可以通过交换机就可以实现数据通信，根本用不上路由器来记忆局域网的各节点MAC地址。路由器识别不同网络的方法是通过识别不同网络的网络ID号进行的，所以为了保证路由成功，每个网络都必须有一个唯一的网络编号。路由器要识别另一个网络，首先要识别的就是对方网络的路由器IP地址的网络ID，看是不是与目的节点地址中的网络ID号相一致，如果一致就向这个网络发送。

为了更清楚地说明路由器的工作原理，我们用下图所示的网络加以说明。在本网中，路由器连接4个网段A、B、C、D，每个网段中分别有4台主机。

图 路由器工作原理示意图

网段A中的主机A1向网段C中的主机C3发送数据的过程 如下。

图 数据发送过程

综上所述，不管网络有多么复杂，路由器的工作原理都差不多。虽然实际的网络比如图中所示的要复杂得多，其步骤也不会像上述那么简单，但总的过程是这样的。

·路由器的分类

路由器的分类方法有以下几种 ：

表 路由器的分类

分类方式

分类结果

对应解释

按性能和价格高低

高端路由器

背板吞吐量大于40 Gbps的路由器。

中端路由器

背板吞吐量在25 Gbps～40 Gbps之间的路由器。

低端路由器

背板吞吐量低于25 Gbps的路由器。

按功能

骨干级路由器

是实现企业级网络互连的关键设备，它的数据吞吐量较大，非常重要。

企业级路由器

连接许多终端系统，连接对象较多，但系统相对简单，且数据流量较小。 基本性能要求是高速度和高可靠性。为了获得高可靠性，网络系统普遍采用诸如热备份、双电源、双数据通路等传统冗余技术。

接入级路由器

主要应用于连接家庭或ISP内的小型企业客户群体。要求是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连，同时还要求能够支持不同的服务质量。

按所处网络位置

边界路由器

处于网络边缘，用于不同网络路由器的连接。由于边界路由器可能要同时接受来自许多不同网络路由器发来的数据，所以要求这种路由器的背板带宽要足够宽。

中间节点路由器

处于网络的中间，通常用于连接不同网络，起到一个数据的桥梁作用。因为要面对各种各样的网络，中间节点路由器都具有MAC地址记忆功能。

按性能

线速路由器

通常线速路由器是高端路由器。完全可以按传输介质带宽进行通畅传输，基本上没有间断和延时。它具有非常高的端口带宽和数据能力，能以传输介质速率数据包。

非线速路由器

中低端路由器一般都是非线速路由器。

按对路由表管理方式

静态路由器

需要网络管理员手工修改所有网络的路径表，一般用于小型的网络互联。

动态路由器

可以根据指定的路由器协议自动修改路由器信息，多用于大型的网间互联。

按对协议的支持

单协议路由器

只支持一种路由协议，所连接网络的网络层协议必须是一样的。如只支持IP协议的单协议路由器，它只能连接使用IP协议的网络，并且只IP数据包，其他网络层协议的数据包被丢弃。大部分的路由器是单协议路由器。

多协议路由器

能支持多种网络层协议，可以连接使用不同网络层通信协议的网络。如支持IP协议和IPX（Internet work Packet Exchange）协议的路由器，既可以IP数据包，也可以IPX数据包。

3.网关

高层互联是指互联传输层以上各层协议不同的网络，其主要互联设备是网关（Gateway）。

表 网关基本概念

定义

网关，又称协议转换器，是互联网络中操作在OSI/RM模型中的网络层以上的具有协议转换功能的设施。网关不一定是一台设备，它是能够连接不同网络的软硬件结合的产品，也可能是在一台主机中实现网关功能。网关工作在OSI/RM模型中的高三层，作用于整个OSI/RM模型的所有7层中。

用途

网关用于异构网络的互连，所连接的网络可以使用不同的格式、通信协议或结构。

特点

具有高层协议的转换功能。它可以接收一种协议格式的数据包，在之前将它转换为另一种协议的数据包。

设置位置

可以设在服务器、微机或大型机上。

价格

由于网关具有强大的功能并且大多数时候都和应用有关，因此它们比路由器的价格略高一些。

传输数据速度

由于网关的传输更复杂，它们传输数据的速度也要比网桥或路由器低一些，可能会造成网络堵塞。

·网关的功能

网关主要具有以下几种功能：

（1）完成互联网络间协议的转化。

（2）完成报文的存储和流量控制。

（3）完成应用层的互通及互联网间网络管理功能。

（4）提供虚电路接口及相应的服务。

网关的分类

按照网关的功能，我们可以将网关分为3类 。

协议网关：

协议网关通常在使用不同协议的网络间做协议转换。

应用网关：

应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。如数据库网关可以将不同数据库系统之间的数据格式进行转换，实现互连。

安全网关：

安全网关的主要作用是对流经它的数据进行过滤，只允许安全的信息通过，对不安全的信息进行拦截。