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系统架构设计笔记(17)——网络互连与常用设备

网络互连是为了将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,实现数据流通,扩大资源共享的范围,或者容纳更多的用户。网络互连包括局域网与局域网的互连 、 局域网与广域网的互连 、 广域网与广域网的互连,这可以扩大资源共享的范围,使更多的资源可以被更多的用户共享。

1 网络互连设备

在网络互连时,各节点一般不能简单地直接相连,而是需要通过一个中间设备来实现。按照 OSI/RM 的分层原则,这个中间设备要实现不同网络之间的协议转换功能,根据它们工作的协议层不同进行分类,网络互连设备有中继器(实现物理层协议转换,在电缆间转换二进制信号) 、 网桥(实现物理层和和数据链路层协议转换) 、 路由器(实现网络层和以下各层协议转换) 、 网关(提供从最底层到传输层或以上各层的协议转换)和交换机等。在实际应用中,各厂商提供的设备都是多功能组合,向下兼容的。表 1 则是对以上设备的一个总结。

互联设备 工作层次 主要功能
中继器 物理层 对接收信号进行再生和发送,只起到扩展传输距离的作用,对高层协议是透明的,使用个数有限 ( 例如,在以太网中只能使用4个 )。
集线器 物理层 多端口中继器。
网卡 数据链路层 即网络接口卡,NIC(Network Interface Card),网卡与驱动已实现网络协议中底层功能,它们负责收发信号,实现帧一级的相关功能。
网桥 数据链路层 根据帧物理地址进行网络之间的请求转发,可缓解网络通信繁忙度,提高效率。只能够连接相同 MAC 层的网络。
二层交换机 数据链路层 指传统意义上的交换机,多端口网桥。
路由器 网络层 通过逻辑地址进行网络之间的信息转发,可完成异构网络之间的互联互通,只能连接使用相同网络层协议的子网。
三层交换机 网络层 带路由功能的二层交换机。
网关 高层(第4~7层) 最复杂的网络互联设备,用于连接网络层以上执行不同协议的子网。
多层交换机 高层(第4~7层) 带协议转换的交换机。

随着无线技术运用的日益广泛,目前,市面上基于无线网络的产品非常多,主要有无线网卡 、 无线AP 、 无线网桥和无线路由器等。

2 交换技术

在计算机网络中,当用户较多而传输的距离较远时,通常不采用两点固定连接的专用线路,而是采用交换技术,使通信传输线路为各个用户公用,以提高传输设备的利用率,降低系统费用。

按照实际的数据传送技术,交换技术又可分为电路交换 、 报文交换和分组交换,它们的主要特点如下:

(1)电路交换

在数据传送之前必须先设置一条通路。在线路释放之前,该通路将由一对用户独占。

(2)报文交换

报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式,在传送报文时,同时只占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储,报文需要排队。因此,报文交换不能满足实时通信的要求。

(3)分组交换

交换方式和报文交换方式类似,但报文被分成分组传送,并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中,目的地需要重新组装报文;在虚电路分组交换中,在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。分组交换技术是在数据网络中使用最广泛的一种交换技术。


根据各自的特点,不同的交换技术适用于不同的场合。例如,对于交互式通信来说,报文交换肯定是不适合的;对于较轻和间歇式负载来说,电路交换是最合适的,因此,可以通过电话拨号线路来实行通信;对于较重或持续的负载来说,使用租用的线路以电路交换方式通信是合适的;对必须交换中等数据到大量的数据时,可用分组交换方法。

3 路由技术

路由器是工作在网络层的重要网络互连设备,构成了基于 TCP/ IP 协议的 Internet 的主体脉络,工作在 Internet 上的路由器也称为 IP 网关。

路由器的主要功能就是进行路由选择。当一个网络中的计算机要给另一个网络中的计算机发送分组时,它首先将分组送给同一个网络中用于网络之间连接的路由器,路由器根据目的地址信息,选择合适的路由,将该分组传递到目的网络用于网络之间连接的路由器中,然后通过目的网络中内部使用的路由选择协议,该分组最后被递交给目的计算机。

3.1 应用范围区分

根据路由选择协议的应用范围,可以将其分为内部网关协议( Interior Gateway Protocol , IGP ) 、 外部网关协议( Exterior Gateway Protocol , EGP )和核心网关协议( Gateway Gateway Protocol , GGP )三大类。

(1)内部网关协议

内部网关协议是指在一个自治系统( Autonomous System , AS )内运行的路由选择协议,主要包括 RIP ( Routing Information Protocol ,路由信息协议) 、OSPF ( Open Shortest Path First ,开放式最短路径先先) 、 IGRP ( Interior Gateway Routing Protocol ,内部网关路由协议)和 EIGRP ( Enhanced IGRP ,增强型 IGRP )等。其中 AS 是指同构型的网关连接的互连网络,通常是由一个网络管理中心控制的。

(2)外部网关协议

外部网关协议是指在两个 AS 之间使用的路由选择协议,最新的 EGP 主要有 BGP ( Border Gateway Protocol ,边界网关协议),其主要功能是控制路由策略。

(3)核心网关协议

Internet 中有个主干网,所有的 AS 都连接到主干网上,主干网中的网关称为核心网关,核心网关之间交换路由信息时使用的是 GGP。

3.2 算法区分

从路由协议使用的算法来看,所有的路由协议可以分为以下三类:

(1)距离向量协议

计算网络中所有链路的矢量和距离,并以此为依据来确定最佳路径。这类协议会定期向相邻的路由器发送全部或部分路由表。

(2)链路状态协议

使用为每个路由器创建的拓扑数据库来创建路由表,通过计算最短路径来形成路由表。这类协议会定期向相邻路由器发送网络链路状态信息。

(3)平衡型协议

结合了距离向量协议和链路状态协议的优点。

4 多路复用技术

多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输,在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。多路复用技术可以分为频分多路复用 (FrequencyDivisionMultiplexing , FDM ) 时分多路复用 (TimeDivisionMultiplexing , TDM) 两种 。

FDM 按频谱划分信道,多路基带信号被调制在不同的频谱上。因此它们在频谱上不会重叠,即在频率上正交,但在时间上是重叠的,可以同时在一个信道内传输 。 FDM 的优点是信道复用率高,允许复用路数多,分路也很方便。因此, FDM 已成为现代模拟通信中最主要的一种复用方式,在模拟式遥测 、 有线通信 、 微波接力通信和卫星通信中得到广泛应用 。

TDM 将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每时间片由复用的一个信号占用,而不像 FDM 那样,同一时间同时发送多路信号。这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号 。TDM 不仅仅局限于传输数字信号,也可以同时交叉传输模拟信号。

对于模拟信号,有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统可以频分成许多条子通道,每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。

5 传输介质

传输介质是指在网络中传输信息的载体,常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接,而是通过空间传输的一种技术。无线传输介质主要有微波 、 红外线和激光等。它们的抗干扰性都比较差; 有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分,它能将信号从一方传输到另一方,有线传输介质主要有双绞线 (twlst-pair) 、 同轴电缆和光纤3种。

以下是各种以太网常用介质类型:

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