常用网络设备介绍：中继器／集线器／网桥／交换机／路由器和网关

4.8.4 中继器／集线器／网桥／交换机／路由器和网关

    到现在为止 ，我们在本书中己经考查过将帧或者数据包从一台计算机转移到另一台计 算机的多种方法 。我们也己经提到过中继器 、集线器 、网桥、交换机、路由器和网关 。所 有这些设备都有实际的应用价值 ，但是，它们的工作方式或多或少有些微妙或者明显的差 别。由于有如此多种联网设备 ，所以我们值得考查它们在工作方式上的相似和不同之处 。
    理解这些设备的关键是它们运行在不同的层次上 ，如图 4-45 (a) 所示。之所以存在不 同层的问题，是因为不同的设备使用不同的信息来决定如何交换 。在典型场景中 ，用户生 成某些数据 ，然后将这些数据发送给一台远程的机器 。这些数据先被传递给传输层 ，传输层会加上一个头 （比如 TCP 头），然后将结果单元往下传递给网络层 。网络层也会加上一 个头，形成一个网络层数据包 （比如 ，形成一个 IP 包）。在图 4-45 ( b )中，我们看到 ，灰 色阴影中的是 IP 分组。然后 ，该分组再往下到达数据链路层 ，数据链路层加上它自己的头 和校验和 （ CRC ） ，并将结果帧交给物理层传送出去 ，比如，通过一个 LAN 传送出去 。

    现在我们考查交换设备 ，并了解它们与数据包和帧的关系 。在最底层 ，即物理层中， 我们可以看到有中继器 。中继器是模拟设备 ，主要用来处理自己所连的线缆上的信号 。在 一个线缆上出现的信号被清理 、放大，然后再被放到另一个线缆上 。中继器并不理解帧 、 数据包或帧头 ，它们只知道把比特编码成电压的符号 。例如 ，在经典以太网中 ，为了将电 缆的最大长度从 500 米扩展到 2500 米，以太网允许最多使用 4 个中继器来增强信号。接下来看集线器 。集线器有许多条输入线路 ，它将这些输入线路连接在一起 。从任何 一条线路上到达的帧都被发送到所有其他的线路上 。如果两帧同时到达 ，它们将会冲突 ， 就好像它们在同一根同轴电缆上遇到后发生碰撞一样 。连接到同一个集线器上的所有线路 必须以同样的速度运行 。集线器与中继器不同 ，它们 （通常） 不会放大入境信号 ，并且可 以有多个输入线路 ，但是，两者之间的差别并不大 。与中继器一样 ，集线器也是物理层设 备，因而它不会检查链路层地址 ，也不以任何方式使用该地址 。
    现在让我们往上移到数据链路层 ，在那里我们看到有网桥和交换机 。我们刚刚花了一 定篇幅介绍了网桥 。网桥连接两个或多个局域网 。跟集线器一样 ，一个现代网桥有多个端 口，通常具有 4~48 条某种类型的输入线 。与集线器不同的是网桥的每个端口被隔离成它 自己一个冲突域：如果端口是全双工的点到点线路 ，则需要用到 CSMA/CD 算法 。当到达 一帧时，网桥从帧头提取出帧的目的地址，并用该地址查询一张应该把帧发往哪里去的表。 对于以太网 ，地址是 48 位的目标地址 ，如图 4-14 所示。网桥只把帧输出到所需要的端口 ，在同一时间可转发多个帧 。
    网桥比集线器提供了更好的性能 ，隔离网桥端口还意味着输入线路可以不同的速度运 行，甚至可以是不同的网络类型 。一个常见的例子是网桥具有连接到10、100 和 1000 Mbps 以太网的端口。从一个端口接受一帧并从另一个不同端口发送出去 ，需要网桥内部进行缓 冲。如果帧的速度大于网桥的重发速度，网桥就可能耗尽缓冲空间从而开始不得不丢弃帧 。 例如，如果 个千兆以太网以最快的速度向一个 10 Mbps 以太网倾泻比特流 ，网桥将不得 不缓冲这些比特，希望不会因此耗尽内存 。即使所有的端口都以相同的速度运行 ，这个问 题也仍然存在 ，因为有可能多个端口都往某个特定的目 的端口发送帧。
    网桥最初是被用来连接不同种类的局域网 ，例如 ，把一个以太网和令牌环网连接在一 起。然而 ，由于不同局域网之间的差异 ，这方面的工作总是做得不是很好 。不同的帧格式 要求复制和重新格式化帧 、需要计算新的校验和 ，这些处理都需要 CPU 时间，并且有可能 引入由于网桥内存出错而导致差错控制出现错误 。不同的最大帧长也是一个没有得到很好 解决的严重问题。基本上，大到无法转发的帧必须被丢弃 。总之有太多的透明性问题 。
    局域网之间的差异还可以体现在另外两个方面 ：安全性和服务质量。某些局域网使用 了链路层的加密机制 ，例如 802.11，而有的局域网却不具备任何安全性 ，例如以太网 。某 些局域网具备服务质量的特性 ，例如802.11 ，而有的却没有服务质量的概念 ，例如以太网 。 于是，当一个帧必须在这些局域网之间穿越时 ，发送方期待的安全性和服务质 量可能无法 得到保证 。基于所有这些原因 ，现代网桥通常都工作在一种网络类型 ，然后用我们很快会 看到的路由器来连接不同类型的网络 。
    交换机是现代网桥的另一个称呼 。它们的差异更多地体现在市场上而不是技术方面 。 但有关交换机和网桥还是有几点值得了解 。开发网桥时正是经典以太网被广泛使用之际 ， 网桥倾向于连接相对数目较少的局域网 ，因而端口数也相对较少 。现在 “交换机” 一词更 为流行。此外，现代交换机的安装都使用了点到点链接 （ 例如双绞线） ，单个计算机通过双 绞线直接插入到交换机端口 ，因此交换机的端口数往往有许多个。最后，“交换机”也可作 为一般术语使用 。使用网桥 ，功能是明确的 。另一方面，交换机可以指以太网交换机 ，也 可以指一个完全不同类型的转发决策设备 ，例如电话交换机 。
    到现在为止，我们己经看过了 中继器和集线器，以及网桥和交换机 。其中，中继器和 集线器非常类似 ，网桥和交换机也有许多相似之处 。现在我们再往上转到路由器 ，它完全 不同于前面提到的所有设备 。当一个数据包进入到路由器时 ，帧头和帧尾被剥掉，帧的有 效载荷宇段中 （ 如图 4-45 中的阴影部分） 的数据包被传给路由软件 。路由软件利用数据包 的头信息来选择输出线路 。对于一个 IP 数据包，包头将包含一个32 位 CIPv4 ） 或者 128 位 CIPv6 ） 地址，而不是 48 位的 IEEE 802 地址。该路由软件看不到帧地址 ，甚至不知道 数据包来自哪个 LAN 或哪条点到点线路 。我们将在第 5 章学习路由器和路由算法 。
    再往上一层我们可以发现传输网关 。它们将两台使用了不同面向连接传输协议的计算 机连接起来 。例如，假设一台计算机使用了面向连接的 TCP/IP 协议，另一台计算机使用了 一个不同的面向连接传输协议 一一 SCTP，现在它们需要通话 。于是，传输网关将数据包从 一个连接复制到另一个连接上 ，并且根据需要对数据包重新进行格式化 。
    最后，应用网关能理解数据的格式和内容 ，并且可以将消息从一种格式转换为另一种 格式。例如，电子邮件网关可以将 Internet 邮件转译为移动电话的 SMS 消息。与 “交换机”一样、术语 “网关” 也是一个通用术语 。它是指一个运行在较高层次的转发进程 。

参考资料：  计算机网络（ 第 5 版）
            Andrew S. Tanenbaum 著
            David J. Wetherall
            严 伟 潘爱民 译