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本文將結合通俗易懂的語言以形象的網絡示意圖對互聯網與因特網、網絡互連原理（OSI七層網絡與協議模型）、網絡互連設備（網絡互連、路由器、網橋、中繼器、網關）及其原理進行詳細的梳理與總結，為廣大讀者朋友們深刻講述互聯網中的網絡技術知識！
本文章節內容如下
- 互聯網與因特網——互聯網不是因特網
- OSI/RM七層網絡模型——原理、功能、協議、OSI全協議框圖
- 四大網絡互連設備——連接因特網子網的中間系統
- 物理層互連設備——中繼器
- 數據鏈路層互連設備——網橋
- 網絡層互連設備——路由器
- 高層協議互連設備——網關
互聯網設備與協議
一、互聯網與因特網
❶ 互聯網在國際標準中統稱為internet（i小寫)，指能夠進行互相通信的終端設備組成的網絡。因此，互聯網實質上是由多個小型網絡互連互通構成的更大範圍網絡，在實現上，只要有任意兩臺及以上的設備能夠進行通信，即可實現互聯網。互聯網按網絡覆蓋範圍大小可將互聯網分為局域網（LAN），城域網（MAN）及廣域網（WAN）。（注：事實上在具體實現時，局域網與城域網之間還有一層網絡：接入網。接入網能夠提供各種用戶業務承載能力，具有複用、交叉連接和傳輸等功能，最終實現業務的透明傳輸，讀者簡單瞭解即可）
互聯網示意圖
❷ 因特網在國際標準統稱為Internet（I大寫）是一種國際化的超級計算機互聯網，起源美國，前身為阿帕網（ARPAnet），是互聯網的一種。因特網連接的是全球各地的計算機網絡，網站規模多達百萬乃至千萬，網絡設備達億級，擁有巨量的信息數據，是一個無中心的國際互聯網，可以提供人們所需要的各類信息與數據。
❸ 因特網與互聯網的不同之處在於，因特網無分範圍（只有一個），按功能可分為底層網、中間層網、主幹網三層；因特網使用統一的TCP/IP協議實現全球任意兩臺網絡設備間的通信，而互聯網使用的通信協議多種多樣（ICMP/IGRP/EGP/...）。因此，獨立網絡設備想要接入因特網，必須安裝TCP/IP協議且必須擁有自己的外網地址(全球網絡設備唯一標識符：IP地址)。
因特網示意圖
二、OSI/RM七層網絡模型
本節將為讀者朋友們詳細介紹OSI開放系統七層網絡參考模型的原理與功能。儘管OSI七層模型並未全部實現，但該模型已由CCITT（國際電報電話諮詢委員會）認定為國際網絡標準，認識OSI模型不僅有助於後文中的網絡互連設備的理解，更有利於讀者朋友們對網絡技術的學習與掌握。
OSI/RM為開放系統互聯參考模型，英文全稱為Open System Interconnection/Reference Mode。OSI/RM經過多年發展完善，ISO（國際標準化組織）已對其進行了詳細的規定與描述——OSI/RM定義了一整套的網絡功能框架，並對該體系結構進行了分層規劃，詳見下圖：
注：傳輸層以下使用的均為通信子網協議。
OSI/RM七層網絡模型
OSI/RM網絡模型分層的理論基礎：
- 上層根據其下層的服務提供高級網絡服務
- 最高層則為運行分佈式應用提供網絡服務
OSI/RM網絡模型分層的目的：
- 將網絡結構模塊化
- 保持層與層間的獨立性
- 分解降低複雜網絡問題的分析難度
OSI/RM網絡參考模型是在各層協議開發之前設計出來的，具有很強的通用性，是很多網絡模型的建立基礎。下面將逐層對OSI/RM模型進行細緻介紹。
❶ 物理層
物理層定義了通信設備接口的物理特性，包括機械特性、電器特性、功能特性等，能夠實現數據鏈路的實體連接。物理層是最接近設備電路的一層，其規定了物理器件的傳輸特性，包括0/1信號的表示法、接口標準（尺寸、數量等）、通信介質（雙絞線、同軸電纜、光纖等）等等。
物理層的傳輸單位是比特，作用是實現透明的比特流傳輸，即接口收到的比特數據與發出的比特流數據一致。
❷ 數據鏈路層
數據鏈路層是一個“虛”的概念，可以理解為一條無差錯的數據通道，這種“無差錯”是由數據鏈路層特殊的處理功能來保證的，這些無差錯的處理對於上層來說是透明的，最終實現的是差錯控制，包括處理損壞幀、丟失幀、重複幀等。
數據鏈路層的傳輸單位為幀，作用能夠將物理層比特流封裝成幀，
同時實現差錯控制與流量控制。❸ 網絡層
網絡層屬於互聯網中的通信子網，能夠將傳輸層的數據解析成分組或將數據鏈路層的幀封裝成分組在各節點間進行分組交換傳送，交換路徑可根據網絡具體負載情況進行自適應調整，同時兼顧分組數據的監測（分組數統計）。
網絡層的傳輸單位為分組，作用是防止網絡擁擠或阻塞情況發生（擁塞控制）。
❹ 傳輸層
傳輸層不會關注底層的網絡實現細節，能夠將下層的數據高效地傳輸給會話層，通信中常說的複用與解複用大都是在傳輸層實現的，如光通信中的波分複用/解複用，電交叉/光交叉等。傳輸層的處理對於上層來說是透明的。
傳輸層的傳輸單位為報文，作用是保障端到端的可靠性數據傳輸。
❺ 會話層
會話層以上屬於OSI/RM模型高層，將通過實例進行說明。會話層的原理與功能詳見以下實例：
會話層
假設主機Y上有一個共享文件夾，那麼主機X想要訪問該文件夾就需要會話層來進行，具體步驟為
- 會話建立：主機X通過FTP/SFTP等工具訪問主機Y的IP地址，此時會要求主機X輸入主機Y的賬號與密碼，輸入正確即可訪問主機X的共享文件夾，當主機X打開主機Y的共享文件時，即在兩臺主機直接建立了會話，該過程包含身份驗證、鑑權等。
- 會話保持：假設主機Y設置了FTP/SFTP的連接斷開時間為30分鐘，而主機X從Y的共享文件夾中複製完一個文件只用了1分鐘，然後主機X關閉了Y上的文件夾窗口，此時主機X只是關閉了一個進程，並沒有關閉會話，而且在連接建立起30分鐘內第二次訪問主機Y並不需要再次進行身份驗證等操作，這就是會話管理功能。
- 會話斷開：會話會在兩種情況下自動斷開，主機Y重啟或連接超時。若主機X建立與主機Y的連接後30分鐘內主機Y重啟，那麼再次訪問Y時依然會要求身份驗證；若主機X與Y的連接超過30分鐘，那麼再次訪問Y同樣會要求身份驗證。
❻ 表示層
考慮到不同主機體系結構差異引起的不同數據表示，需要對異種主機數據進行轉化翻譯，表示層就能起到這樣的作用。表示層的主要作用是將下層的數據進行本地化翻譯，包括數據的表現形式、語法等，從而為應用層提供直接可用的數據。
例如：A主機採用GBK編碼數據，B主機採用UTF-8編碼，在A與B進行數據交互時，就需要表示層將對方的數據編碼翻譯成自己的編碼格式。
❼ 應用層
應用層是OSI/RM網絡模型的最高層，所有底層都是為應用層提供服務，而應用層直接為用戶提供服務，提供分佈式應用，如各種APP程序。應用層包含常見的傳輸協議：HTTP超文本傳輸協議、FTP文件傳輸協議、POP3電子郵件協議版本、DNS域名解析協議等。
★ OSI/RM全協議框圖
OSI/RM全協議框圖
在認識了OSI/RM七層網絡模型之後，下面將以此為基礎重點介紹互聯網中的四大網絡互連設備。
三、四大網絡互連設備
前文中已經對互聯網進行了詳細說明，本節不做贅述。
❶ 由於互聯網由多個網絡構成，而各網絡使用的不同技術（分組長度、差錯控制方法、協議差異等）、不同服務（有連接、無連接等）會導致直接的網絡差異，因此，要實現異種網絡之間互連互通就需要解決很多異構問題，那麼如何在保持原有網絡體系結構下（OSI/RM網絡模型）又能構建一個統一的互聯網通信系統就需要用到網絡互連的各種技術與設備。
異構網絡互連
❷ 構成互聯網的各網絡叫做子網，而連接這些子網的設備或者中間網絡叫做中間系統。中間系統可以是一臺設備，也可以是一種協調網絡，目的就是兼容不同網絡特性，實現異構網絡的數據通信，下面重點介紹中間系統中的網絡互連設備。
網絡互連設備的作用也是連接不同子網，按照其工作協議，可分為四大類：
- 中繼器——物理層互連設備
- 網 橋——數據鏈路層互連設備
- 路由器——網絡層互連設備
- 網 關——高層（網絡層以上）互連設備
四大網絡設備
實質上，網絡互連設備就是一種協議轉換設備，下文將對每一種網絡互連設備原理與應用做詳細介紹。
注：下文中的“網段”表示不含任何網絡互連設備的子網。
四、物理層互連設備—中繼器
在使用物理介質傳輸數字/模擬信號時會遇到一個問題：由於噪聲影響，物理線路中的信號傳輸距離都是有限的，此時，如果想要增加傳輸距離，而又不擴大噪聲影響，中繼器就成為了一個有效解決方案。
中繼器能夠對接收到的信號進行再生與再發送，再生與再造信號的過程不對中繼器收到的數據進行任何更改，該過程僅僅將接收數據中的有效數據分離並存儲（就不會重構/放大噪聲），然後重新構造並在另一端發出，中繼器接收與發出的信號沒有差別，通過中繼器就能夠將一端網段數據長距離的轉發到另一網段，以下是：
中繼器原理與應用示意圖
理論上可以使用中繼器將網絡鏈路擴展至任意長，但在實際使用中考慮到成本等各方面影響因素，對中繼器的使用數量都做了限制，所以中繼器事實上並不能任意擴展通信鏈路距離。
五、數據鏈路層互連設備—網橋
網橋的功能類似中繼器，區別在於網橋位於OSI/RM模型的數據鏈路層，且網橋會對接收到的數據進行幀解析分析，根據幀中的地址信息決定是否將該幀數據轉發給目標網段還是局域網網段，所以網橋一般會連接連個局域網。
在上圖中網橋的應用示例中，網橋通過檢查接收幀數據的目的地址與源地址，來判斷該幀數據是否與發送站屬於同網段，若屬於同網段，則不進行幀轉發，反之則轉發該幀，這樣利用節省網橋資源。網橋除了具有幀轉發過濾功能外，還能夠對高負載的網絡進行分解，從而降低網絡繁忙情況，提升通信效率，具體是在兩個網段間增加一個網段，採用網橋相連，所以這種網橋除了上述作用外，還能起到通信隔離，增加網絡可靠性。關於網橋的原理與應用示例詳見下圖：
網橋的原理與應用示例
注：使用網橋時要注意兩個網段第三層以上的高層協議相同，否則將不能通過網橋進行通信。
六、網絡層互連設備—路由器
路由器工作在網絡層，適用於大型的複雜網絡環境。由於網絡層傳遞的是分組數據，包含的信息量較大，因此，相較於網橋，路由器的數據處理難度更大，速度也更慢，但在功能上，路由器要比網橋的互連能力要強，這主要依賴於強大的路由選擇算法。在實際應用中，需要根據具體的網絡環境與需求來選擇使用路由器還是網橋。
路由器在使用時對其下三層並沒有協議相同的要求，若下三層有協議不同，那麼路由器可自行完成協議的轉換，從而在網絡層消除協議差異，但路由器同網橋一樣，要保證其上層必須採用相同的協議。
關於路由器的原理與應用示例，詳見下圖：
路由器的原理與應用示例
注：網絡層地址稱為邏輯地址，又叫軟件地址，即上圖中的DSA；數據鏈路層地址稱為物理地址，又叫硬件地址，即上圖中的DHA。
七、高層協議互連設備—網關
網關是OSI/RM網絡模型中的高層互連設備，能夠對網絡層以上使用不同協議的異構子網進行互連，因此，網關的作用是對不同的高層協議進行轉換兼容，包括傳輸層、會話層、表示層與應用層，從而實現異構的網絡設備通信。網關的原理與應用示例見下圖：
網關的原理與應用示例
四種網絡互連設備中最為複雜的便是網關，由於需要處理多層協議轉換，因而使用網關的網絡效率並不高，往往用於特定的專用網絡。
總結
本文基於OSI/RM開放系統七層網絡參考模型對互聯網與網絡互連設備進行了詳細介紹，並通過圖文對應用進行了形象說明，希望有助於讀者朋友們的學習、工作！
文中若有不妥之處，敬請批評指正！
參考文獻
- 《淺談計算機互聯網絡管理技術的運用與實踐》——楊曉苗，2017
- 《計算機網絡(第七版)》——謝希仁，2017
- 《網絡互連技術:路由、交換與遠程訪問》——張保通，安志遠，2009
- 《網絡互聯技術:路由與交換》——瀋海娟，2006
- 《路由器及其應用技術》——黎連業 ， 張維，2004
- 《計算機網絡路由研究綜述》——閔應驊，2003
- 《互聯網技術》——胡捷，2000
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