2010/5/16 page 1
第 9章 网络设备
本章重点
● 网络接口卡及其使用
● 集线器及其使用
● 交换机及其使用
● 路由器及其使用
● 构造简单的网络
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9.1 网络接口卡 NIC
1,组成 （ p262图 ）
?发送 /接收部件 —— 负责信号的发送, 接收
?载波检测 —— 检测介质上有否信号
?发送 /接收控制部件及缓冲区
?曼彻斯特编码 /译码器 —— 对发送 /接收的数据编码 /译码
,变换成适合于在 LAN上传输的信号
?网络控制部件 —— 控制网卡各部件的协调运行
?CPU(部分网卡有 )—— 增强网卡智能化, 减少网络传输
对主机 CPU的依赖, 提高传输效率
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2．网卡的使用
?网卡地址：即网卡的物理地址或称为 MAC地址，
固化在网卡硬件中
?配置参数（跳线设置 / 软件设置 / PnP）
?中断请求号 IRQ（ 一般为 3）
?I/O基地址 I/O Base（ 一般为 300H）
?存储器基地址 Memory Base (一般为 C000H)
?全双工 / 半双工
?传输速率 （ 仅 10/100Mbps双速网卡可选 ）
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3,提高网卡性能
?并行处理：发送 /接收和数据处理同步进行
?全双工：需集线器 /交换机的支持
?突发传输方式（每次传送更多的帧）
?智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）
?提高与主机的传输速度：
?与主机的存储器传输数据时采用 DMA传送方式
?总线采用传输速度较快的 PCI总线
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4,网络接口卡的种类
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9.2 网络集线器 (HUB)
?多端口的中继器, 属于物理层设备
?功能：在网段之间拷贝比特流, 信号整形和放大
?可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备
?可改变网络物理拓扑形式：总线连接 — >星形连接
?端口数：常见的有 8,12,16,24口
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三种结构：
? 独立式 （ Stand alone）,
固定端口配置, 扩充时用级连的方法
? 堆叠式 （ Stackable）,
固定配置, 用堆叠方法进行扩充 —— 堆
叠连接在一起的 HUB在逻辑相当于一台
单独的 HUB,可统一管理
? 模块化 （ Module）,
又称机箱式, 由一台带有底板, 电源的
机箱和若干块多端口的接口卡 （ 线卡 ）
组成 。 可灵活按需配置, 通过插入不同
的插卡满足需求 （ 如插入交换卡, 路由
卡, 加密卡等 ）
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?智能集线器和非智能 （ 普通 ） 集线器
允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智
能 HUB,它内部包含有 CPU等智能控制部件 。
不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能
HUB。
在需要进行网络管理的中大型网络系统中, 一
般都要求使用智能集线器 （ 后面将要介绍的网络
交换机也需要是智能化的 ） 。
小型网络为降低成本, 一般使用普通集线器 。
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NIC
HUB
UTP
PC机
?用集线器搭建简单的网络
服务器
以 1台服务器,3台 PC机为例：
?一台 HUB
?4块 UTP接口的网卡
?4台 PC机
?8个 RJ45接头（水晶头）
?若干米 UTP双绞线
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9.3 网络交换机 (Switch)
?共享信道 LAN的缺点：
?多个站点同时发送会造成冲突；
?网络中站点越多，冲突现象越严重；
?每个站点的平均拥有带宽为 W/n；
?解决的方法：
?网段分割 (微网段化 )—— 减少每个网段中站点的数量
?网段分割后网络总体带宽增加
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?网络分段
HUB HUB
MAC广播域
独立的冲突域 独立的冲突域
网桥或网络交换机
交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域
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?实现网段分割的设备 —— 网络交换机
网络交换机和网桥属同一类设备, 工作在数据链路层
上 。 但网络交换机的端口数多, 并且速度快 。 在这个
意义上, 网络交换机又称为多端口的高速网桥 。
?工作原理 （ 参见第 4章 ）
构造：端口 -地址表、端口缓冲器、交换矩阵
学习源地址 （ 构造端口 -地址表 ）
过滤本网段帧 （ 隔离冲突域 ）
转发异网段帧 （ 交换 ）
广播未知帧 （ 寻找目的站点 ）
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?三种转发方式
? 存储转发 （ Store and forward）
整个帧完整接收并存储到缓冲区, 对整个帧进行差错检
验, 然后再查表找出目的端口并转发
? 优点：进行差错校验, 错误不会扩散到目的网段
? 缺点：交换延迟比较大
? 穿通转发（ Cut-through）
因为转发仅依赖于目的地址 DA，所以只要收到帧的前 6
个字节 (DA字段 )，就可查表找出目的端口并转发
? 优点：交换延迟小
? 缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段
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? 无碎片穿通（ Fragment free cut-through）
以上两种方案的折衷。
接收了一帧的前 64字节后，再查表找出目的端口并转发
∵ 帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为 64B，
∴ ＜ 64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧 )
优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率
缺点：长度大于 64字节的错误帧仍会转发，转发延时高
于直通式
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?使用网络交换机带来的好处
?分割冲突（碰撞）域 —— 减少了冲突
?允许建立多个连接 —— 提高了网络总体带宽
?减少每个网段中的站点数 —— 提高了站点平均拥有带宽
?允许全双工连接 —— 提高带宽
?网络交换机在网络中的地位
?作为 LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等
?高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等
?对网络响应速度要求比较高的场合
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?提高网络交换机的性能的措施
? 主干 /服务器连接：增加 1-2个高速端口 (Big Pipe)。缓解主
干 /服务器连接的瓶颈问题。
? 速度自动协商,10/100Mbps自适应交换机。根据所连接工
作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。
? 虚拟网络 VLAN：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟
的逻辑网络中。用交换机划分的若干个 VLAN在逻辑上完
全独立，广播帧不会越过逻辑网络边界。
? 流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快
满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使
发送站点停止发送。 —— 背压控制（ Back Pressure）
? 根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换
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千兆主干交换机 服务器校园
网
10Mbps UTP
100Mbps UTP （连接校园网）
1000Mbps Fiber
100Mbps UTP
交大计教中心 (东区 )网络结构图
二级交换机
HUB
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9.4 路由器 Router
?工作在第三层（ 网络层 ）上。
?在网络之间转发网络分组。
?能够提供按最佳路由转发网络分组。
?实现子网隔离，限制广播风暴。 (目的地址无法识别时，
路由器将其丢弃，而不是广播 —— 比较网络交换机 )
?用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独
立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一
个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（ IP地
址），通过广播是无法与之进行通信的。因为路由器
不会转发广播包。
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?路由器的结构
?控制部件（ CPU,RAM,OS）
?路由表
?协议软件
?网络接口（ LAN,WAN,CONSOLE）
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?用路由器进行网络互联
HUB HUB
路由器
冲突域 2冲突域 1
路由器可以分隔冲突域和广播域
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?工作原理
? 采用存储转发的方法：
接收并缓存 IP数据分组，提取分组中的目的 IP地址，然后
查 路由表 决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。
交换机也用查表的方法决定转发路径, 但交换机的表是,
端口 -MAC地址, 表, 存放的是端口与目的 MAC地址之间的
关系, 要用帧中的 MAC地址查表；
而路由器中的路由表是, 端口 -网络地址, 表, 存放的是端
口与目的网络地址之间的关系, 故要从分组中提取 IP地址
,并解析出其中的网络地址部分来查表 。
路由表 —— 用于存放到达其他网络的路由信息。
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?基于路由表 （ Routing Table） 的路由选择
?网络号 （ 网络地址 ）
?路径 。 用下一路由器对应端口的 IP地址来表示 。
例如, p287图中的路由器 R4：
路径 1,30.0.0.1(R1)
路径 2,20.0.0.1(R2)
路径 3,30.0.0.3(R3)
路径 4,40.0.0.3(R5)
?路径成本 /开销 。
P287页例子中路径成本用步跳数来表示, 指出到达某一网络所
跨越的路由器的个数 。
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?路由表的基本内容
目的网络 路由 (下一站点 ) 距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0 202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0 10.0.0.0
A B
路由器 A的路由表
直接
.1,1,2,1
0
0
1
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注意：路由器是根据网络号来转发 IP数据包的，所以路由
表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。
类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。
这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间，
路由表的路由更新速度快。
?路由表的维护有两种基本方式：
静态路由 —— 由人工预先设置好，只适用于
小型网络
动态路由 —— 路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
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LAN1
PC机
WAN
LAN2
R1
R2
?用路由器连接两个 LAN
一般说来，通过 WAN实
现 LAN之间的互联，路由
器是唯一可行的设备。
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路由器结构
路由器的两个关键功能,
? 运行路由算法 /协议 (RIP,OSPF,BGP)
? 把入口的数据报交换到出口链路
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输入端口的功能
数据链路层,
如,以太网
物理层,
位的接收
分散化的交换,
? 给定数据报目的地址,在路由表中查找输出
端口
? 目标, 以线速实现输入端口处理
? 排队, 若数据报到达太快，来不及处理时
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三种结构的交换构造
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输出端口的功能
? 当来自于交换引擎的数据报太快以至于来不及
发送时，就需要进行缓冲处理（ Buffering）
? 根据调度规则从数据报队列中选择数据报发送
出去
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输出端口缓冲
? 当通过交换引擎到达的数据报太快以至超过线
速时，就需要进行缓冲处理（ Buffering）
? 输出端口缓冲溢出会引起排队延迟和分组丢失 !
第 9章 网络设备
本章重点
● 网络接口卡及其使用
● 集线器及其使用
● 交换机及其使用
● 路由器及其使用
● 构造简单的网络
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9.1 网络接口卡 NIC
1,组成 （ p262图 ）
?发送 /接收部件 —— 负责信号的发送, 接收
?载波检测 —— 检测介质上有否信号
?发送 /接收控制部件及缓冲区
?曼彻斯特编码 /译码器 —— 对发送 /接收的数据编码 /译码
,变换成适合于在 LAN上传输的信号
?网络控制部件 —— 控制网卡各部件的协调运行
?CPU(部分网卡有 )—— 增强网卡智能化, 减少网络传输
对主机 CPU的依赖, 提高传输效率
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2．网卡的使用
?网卡地址：即网卡的物理地址或称为 MAC地址，
固化在网卡硬件中
?配置参数（跳线设置 / 软件设置 / PnP）
?中断请求号 IRQ（ 一般为 3）
?I/O基地址 I/O Base（ 一般为 300H）
?存储器基地址 Memory Base (一般为 C000H)
?全双工 / 半双工
?传输速率 （ 仅 10/100Mbps双速网卡可选 ）
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3,提高网卡性能
?并行处理：发送 /接收和数据处理同步进行
?全双工：需集线器 /交换机的支持
?突发传输方式（每次传送更多的帧）
?智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）
?提高与主机的传输速度：
?与主机的存储器传输数据时采用 DMA传送方式
?总线采用传输速度较快的 PCI总线
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4,网络接口卡的种类
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9.2 网络集线器 (HUB)
?多端口的中继器, 属于物理层设备
?功能：在网段之间拷贝比特流, 信号整形和放大
?可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备
?可改变网络物理拓扑形式：总线连接 — >星形连接
?端口数：常见的有 8,12,16,24口
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三种结构：
? 独立式 （ Stand alone）,
固定端口配置, 扩充时用级连的方法
? 堆叠式 （ Stackable）,
固定配置, 用堆叠方法进行扩充 —— 堆
叠连接在一起的 HUB在逻辑相当于一台
单独的 HUB,可统一管理
? 模块化 （ Module）,
又称机箱式, 由一台带有底板, 电源的
机箱和若干块多端口的接口卡 （ 线卡 ）
组成 。 可灵活按需配置, 通过插入不同
的插卡满足需求 （ 如插入交换卡, 路由
卡, 加密卡等 ）
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?智能集线器和非智能 （ 普通 ） 集线器
允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智
能 HUB,它内部包含有 CPU等智能控制部件 。
不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能
HUB。
在需要进行网络管理的中大型网络系统中, 一
般都要求使用智能集线器 （ 后面将要介绍的网络
交换机也需要是智能化的 ） 。
小型网络为降低成本, 一般使用普通集线器 。
2010/5/16 page 9
NIC
HUB
UTP
PC机
?用集线器搭建简单的网络
服务器
以 1台服务器,3台 PC机为例：
?一台 HUB
?4块 UTP接口的网卡
?4台 PC机
?8个 RJ45接头（水晶头）
?若干米 UTP双绞线
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9.3 网络交换机 (Switch)
?共享信道 LAN的缺点：
?多个站点同时发送会造成冲突；
?网络中站点越多，冲突现象越严重；
?每个站点的平均拥有带宽为 W/n；
?解决的方法：
?网段分割 (微网段化 )—— 减少每个网段中站点的数量
?网段分割后网络总体带宽增加
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?网络分段
HUB HUB
MAC广播域
独立的冲突域 独立的冲突域
网桥或网络交换机
交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域
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?实现网段分割的设备 —— 网络交换机
网络交换机和网桥属同一类设备, 工作在数据链路层
上 。 但网络交换机的端口数多, 并且速度快 。 在这个
意义上, 网络交换机又称为多端口的高速网桥 。
?工作原理 （ 参见第 4章 ）
构造：端口 -地址表、端口缓冲器、交换矩阵
学习源地址 （ 构造端口 -地址表 ）
过滤本网段帧 （ 隔离冲突域 ）
转发异网段帧 （ 交换 ）
广播未知帧 （ 寻找目的站点 ）
2010/5/16 page 13
?三种转发方式
? 存储转发 （ Store and forward）
整个帧完整接收并存储到缓冲区, 对整个帧进行差错检
验, 然后再查表找出目的端口并转发
? 优点：进行差错校验, 错误不会扩散到目的网段
? 缺点：交换延迟比较大
? 穿通转发（ Cut-through）
因为转发仅依赖于目的地址 DA，所以只要收到帧的前 6
个字节 (DA字段 )，就可查表找出目的端口并转发
? 优点：交换延迟小
? 缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段
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? 无碎片穿通（ Fragment free cut-through）
以上两种方案的折衷。
接收了一帧的前 64字节后，再查表找出目的端口并转发
∵ 帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为 64B，
∴ ＜ 64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧 )
优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率
缺点：长度大于 64字节的错误帧仍会转发，转发延时高
于直通式
2010/5/16 page 15
?使用网络交换机带来的好处
?分割冲突（碰撞）域 —— 减少了冲突
?允许建立多个连接 —— 提高了网络总体带宽
?减少每个网段中的站点数 —— 提高了站点平均拥有带宽
?允许全双工连接 —— 提高带宽
?网络交换机在网络中的地位
?作为 LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等
?高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等
?对网络响应速度要求比较高的场合
2010/5/16 page 16
?提高网络交换机的性能的措施
? 主干 /服务器连接：增加 1-2个高速端口 (Big Pipe)。缓解主
干 /服务器连接的瓶颈问题。
? 速度自动协商,10/100Mbps自适应交换机。根据所连接工
作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。
? 虚拟网络 VLAN：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟
的逻辑网络中。用交换机划分的若干个 VLAN在逻辑上完
全独立，广播帧不会越过逻辑网络边界。
? 流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快
满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使
发送站点停止发送。 —— 背压控制（ Back Pressure）
? 根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换
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千兆主干交换机 服务器校园
网
10Mbps UTP
100Mbps UTP （连接校园网）
1000Mbps Fiber
100Mbps UTP
交大计教中心 (东区 )网络结构图
二级交换机
HUB
2010/5/16 page 18
9.4 路由器 Router
?工作在第三层（ 网络层 ）上。
?在网络之间转发网络分组。
?能够提供按最佳路由转发网络分组。
?实现子网隔离，限制广播风暴。 (目的地址无法识别时，
路由器将其丢弃，而不是广播 —— 比较网络交换机 )
?用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独
立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一
个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（ IP地
址），通过广播是无法与之进行通信的。因为路由器
不会转发广播包。
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?路由器的结构
?控制部件（ CPU,RAM,OS）
?路由表
?协议软件
?网络接口（ LAN,WAN,CONSOLE）
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?用路由器进行网络互联
HUB HUB
路由器
冲突域 2冲突域 1
路由器可以分隔冲突域和广播域
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?工作原理
? 采用存储转发的方法：
接收并缓存 IP数据分组，提取分组中的目的 IP地址，然后
查 路由表 决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。
交换机也用查表的方法决定转发路径, 但交换机的表是,
端口 -MAC地址, 表, 存放的是端口与目的 MAC地址之间的
关系, 要用帧中的 MAC地址查表；
而路由器中的路由表是, 端口 -网络地址, 表, 存放的是端
口与目的网络地址之间的关系, 故要从分组中提取 IP地址
,并解析出其中的网络地址部分来查表 。
路由表 —— 用于存放到达其他网络的路由信息。
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?基于路由表 （ Routing Table） 的路由选择
?网络号 （ 网络地址 ）
?路径 。 用下一路由器对应端口的 IP地址来表示 。
例如, p287图中的路由器 R4：
路径 1,30.0.0.1(R1)
路径 2,20.0.0.1(R2)
路径 3,30.0.0.3(R3)
路径 4,40.0.0.3(R5)
?路径成本 /开销 。
P287页例子中路径成本用步跳数来表示, 指出到达某一网络所
跨越的路由器的个数 。
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?路由表的基本内容
目的网络 路由 (下一站点 ) 距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0 202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0 10.0.0.0
A B
路由器 A的路由表
直接
.1,1,2,1
0
0
1
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注意：路由器是根据网络号来转发 IP数据包的，所以路由
表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。
类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。
这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间，
路由表的路由更新速度快。
?路由表的维护有两种基本方式：
静态路由 —— 由人工预先设置好，只适用于
小型网络
动态路由 —— 路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
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LAN1
PC机
WAN
LAN2
R1
R2
?用路由器连接两个 LAN
一般说来，通过 WAN实
现 LAN之间的互联，路由
器是唯一可行的设备。
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路由器结构
路由器的两个关键功能,
? 运行路由算法 /协议 (RIP,OSPF,BGP)
? 把入口的数据报交换到出口链路
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输入端口的功能
数据链路层,
如,以太网
物理层,
位的接收
分散化的交换,
? 给定数据报目的地址,在路由表中查找输出
端口
? 目标, 以线速实现输入端口处理
? 排队, 若数据报到达太快，来不及处理时
2010/5/16 page 28
三种结构的交换构造
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输出端口的功能
? 当来自于交换引擎的数据报太快以至于来不及
发送时，就需要进行缓冲处理（ Buffering）
? 根据调度规则从数据报队列中选择数据报发送
出去
2010/5/16 page 30
输出端口缓冲
? 当通过交换引擎到达的数据报太快以至超过线
速时，就需要进行缓冲处理（ Buffering）
? 输出端口缓冲溢出会引起排队延迟和分组丢失 !
