一文助你更懂互联网模型路由器

　　LEARN
　　本文将结合通俗易懂的语言以形象的网络示意图对互联网与因特网、网络互连原理（OSI七层网络与协议模型）、网络互连设备（网络互连、路由器、网桥、中继器、网关）及其原理进行详细的梳理与总结，为广大读者朋友们深刻讲述互联网中的网络技术知识！
　　本文章节内容如下
　　互联网与因特网互联网不是因特网
　　OSIRM七层网络模型原理、功能、协议、OSI全协议框图
　　四大网络互连设备连接因特网子网的中间系统
　　物理层互连设备中继器
　　数据链路层互连设备网桥
　　网络层互连设备路由器
　　高层协议互连设备网关
　　互联网设备与协议
　　一、互联网与因特网
　　互联网在国际标准中统称为internet（i小写），指能够进行互相通信的终端设备组成的网络。因此，互联网实质上是由多个小型网络互连互通构成的更大范围网络，在实现上，只要有任意两台及以上的设备能够进行通信，即可实现互联网。互联网按网络覆盖范围大小可将互联网分为局域网（LAN），城域网（MAN）及广域网（WAN）。（注：事实上在具体实现时，局域网与城域网之间还有一层网络：接入网。接入网能够提供各种用户业务承载能力，具有复用、交叉连接和传输等功能，最终实现业务的透明传输，读者简单了解即可）
　　互联网示意图
　　因特网在国际标准统称为Internet（I大写）是一种国际化的超级计算机互联网，起源美国，前身为阿帕网（ARPAnet），是互联网的一种。因特网连接的是全球各地的计算机网络，网站规模多达百万乃至千万，网络设备达亿级，拥有巨量的信息数据，是一个无中心的国际互联网，可以提供人们所需要的各类信息与数据。
　　因特网与互联网的不同之处在于，因特网无分范围（只有一个），按功能可分为底层网、中间层网、主干网三层；因特网使用统一的TCPIP协议实现全球任意两台网络设备间的通信，而互联网使用的通信协议多种多样（ICMPIGRPEGP。。。）。因此，独立网络设备想要接入因特网，必须安装TCPIP协议且必须拥有自己的外网地址（全球网络设备唯一标识符：IP地址）。
　　因特网示意图
　　二、OSIRM七层网络模型
　　本节将为读者朋友们详细介绍OSI开放系统七层网络参考模型的原理与功能。尽管OSI七层模型并未全部实现，但该模型已由CCITT（国际电报电话咨询委员会）认定为国际网络标准，认识OSI模型不仅有助于后文中的网络互连设备的理解，更有利于读者朋友们对网络技术的学习与掌握。
　　OSIRM为开放系统互联参考模型，英文全称为OpenSystemInterconnectionReferenceMode。OSIRM经过多年发展完善，ISO（国际标准化组织）已对其进行了详细的规定与描述OSIRM定义了一整套的网络功能框架，并对该体系结构进行了分层规划，详见下图：
　　注：传输层以下使用的均为通信子网协议。
　　OSIRM七层网络模型
　　OSIRM网络模型分层的理论基础：
　　上层根据其下层的服务提供高级网络服务
　　最高层则为运行分布式应用提供网络服务
　　OSIRM网络模型分层的目的：
　　将网络结构模块化
　　保持层与层间的独立性
　　分解降低复杂网络问题的分析难度
　　OSIRM网络参考模型是在各层协议开发之前设计出来的，具有很强的通用性，是很多网络模型的建立基础。下面将逐层对OSIRM模型进行细致介绍。
　　物理层
　　物理层定义了通信设备接口的物理特性，包括机械特性、电器特性、功能特性等，能够实现数据链路的实体连接。物理层是最接近设备电路的一层，其规定了物理器件的传输特性，包括01信号的表示法、接口标准（尺寸、数量等）、通信介质（双绞线、同轴电缆、光纤等）等等。
　　物理层的传输单位是比特，作用是实现透明的比特流传输，即接口收到的比特数据与发出的比特流数据一致。
　　数据链路层
　　数据链路层是一个虚的概念，可以理解为一条无差错的数据通道，这种无差错是由数据链路层特殊的处理功能来保证的，这些无差错的处理对于上层来说是透明的，最终实现的是差错控制，包括处理损坏帧、丢失帧、重复帧等。
　　数据链路层的传输单位为帧，作用能够将物理层比特流封装成帧，同时实现差错控制与流量控制。
　　网络层
　　网络层属于互联网中的通信子网，能够将传输层的数据解析成分组或将数据链路层的帧封装成分组在各节点间进行分组交换传送，交换路径可根据网络具体负载情况进行自适应调整，同时兼顾分组数据的监测（分组数统计）。
　　网络层的传输单位为分组，作用是防止网络拥挤或阻塞情况发生（拥塞控制）。
　　传输层
　　传输层不会关注底层的网络实现细节，能够将下层的数据高效地传输给会话层，通信中常说的复用与解复用大都是在传输层实现的，如光通信中的波分复用解复用，电交叉光交叉等。传输层的处理对于上层来说是透明的。
　　传输层的传输单位为报文，作用是保障端到端的可靠性数据传输。
　　会话层
　　会话层以上属于OSIRM模型高层，将通过实例进行说明。会话层的原理与功能详见以下实例：
　　会话层
　　假设主机Y上有一个共享文件夹，那么主机X想要访问该文件夹就需要会话层来进行，具体步骤为
　　会话建立：主机X通过FTPSFTP等工具访问主机Y的IP地址，此时会要求主机X输入主机Y的账号与密码，输入正确即可访问主机X的共享文件夹，当主机X打开主机Y的共享文件时，即在两台主机直接建立了会话，该过程包含身份验证、鉴权等。
　　会话保持：假设主机Y设置了FTPSFTP的连接断开时间为30分钟，而主机X从Y的共享文件夹中复制完一个文件只用了1分钟，然后主机X关闭了Y上的文件夹窗口，此时主机X只是关闭了一个进程，并没有关闭会话，而且在连接建立起30分钟内第二次访问主机Y并不需要再次进行身份验证等操作，这就是会话管理功能。
　　会话断开：会话会在两种情况下自动断开，主机Y重启或连接超时。若主机X建立与主机Y的连接后30分钟内主机Y重启，那么再次访问Y时依然会要求身份验证；若主机X与Y的连接超过30分钟，那么再次访问Y同样会要求身份验证。
　　表示层
　　考虑到不同主机体系结构差异引起的不同数据表示，需要对异种主机数据进行转化翻译，表示层就能起到这样的作用。表示层的主要作用是将下层的数据进行本地化翻译，包括数据的表现形式、语法等，从而为应用层提供直接可用的数据。
　　例如：A主机采用GBK编码数据，B主机采用UTF8编码，在A与B进行数据交互时，就需要表示层将对方的数据编码翻译成自己的编码格式。
　　应用层
　　应用层是OSIRM网络模型的最高层，所有底层都是为应用层提供服务，而应用层直接为用户提供服务，提供分布式应用，如各种APP程序。应用层包含常见的传输协议：HTTP超文本传输协议、FTP文件传输协议、POP3电子邮件协议版本、DNS域名解析协议等。
　　OSIRM全协议框图
　　OSIRM全协议框图
　　在认识了OSIRM七层网络模型之后，下面将以此为基础重点介绍互联网中的四大网络互连设备。
　　三、四大网络互连设备
　　前文中已经对互联网进行了详细说明，本节不做赘述。
　　由于互联网由多个网络构成，而各网络使用的不同技术（分组长度、差错控制方法、协议差异等）、不同服务（有连接、无连接等）会导致直接的网络差异，因此，要实现异种网络之间互连互通就需要解决很多异构问题，那么如何在保持原有网络体系结构下（OSIRM网络模型）又能构建一个统一的互联网通信系统就需要用到网络互连的各种技术与设备。
　　异构网络互连
　　构成互联网的各网络叫做子网，而连接这些子网的设备或者中间网络叫做中间系统。中间系统可以是一台设备，也可以是一种协调网络，目的就是兼容不同网络特性，实现异构网络的数据通信，下面重点介绍中间系统中的网络互连设备。
　　网络互连设备的作用也是连接不同子网，按照其工作协议，可分为四大类：
　　中继器物理层互连设备
　　网桥数据链路层互连设备
　　路由器网络层互连设备
　　网关高层（网络层以上）互连设备
　　四大网络设备
　　实质上，网络互连设备就是一种协议转换设备，下文将对每一种网络互连设备原理与应用做详细介绍。
　　注：下文中的网段表示不含任何网络互连设备的子网。
　　四、物理层互连设备中继器
　　在使用物理介质传输数字模拟信号时会遇到一个问题：由于噪声影响，物理线路中的信号传输距离都是有限的，此时，如果想要增加传输距离，而又不扩大噪声影响，中继器就成为了一个有效解决方案。
　　中继器能够对接收到的信号进行再生与再发送，再生与再造信号的过程不对中继器收到的数据进行任何更改，该过程仅仅将接收数据中的有效数据分离并存储（就不会重构放大噪声），然后重新构造并在另一端发出，中继器接收与发出的信号没有差别，通过中继器就能够将一端网段数据长距离的转发到另一网段，以下是：
　　中继器原理与应用示意图
　　理论上可以使用中继器将网络链路扩展至任意长，但在实际使用中考虑到成本等各方面影响因素，对中继器的使用数量都做了限制，所以中继器事实上并不能任意扩展通信链路距离。
　　五、数据链路层互连设备网桥
　　网桥的功能类似中继器，区别在于网桥位于OSIRM模型的数据链路层，且网桥会对接收到的数据进行帧解析分析，根据帧中的地址信息决定是否将该帧数据转发给目标网段还是局域网网段，所以网桥一般会连接连个局域网。
　　在上图中网桥的应用示例中，网桥通过检查接收帧数据的目的地址与源地址，来判断该帧数据是否与发送站属于同网段，若属于同网段，则不进行帧转发，反之则转发该帧，这样利用节省网桥资源。网桥除了具有帧转发过滤功能外，还能够对高负载的网络进行分解，从而降低网络繁忙情况，提升通信效率，具体是在两个网段间增加一个网段，采用网桥相连，所以这种网桥除了上述作用外，还能起到通信隔离，增加网络可靠性。关于网桥的原理与应用示例详见下图：
　　网桥的原理与应用示例
　　注：使用网桥时要注意两个网段第三层以上的高层协议相同，否则将不能通过网桥进行通信。
　　六、网络层互连设备路由器
　　路由器工作在网络层，适用于大型的复杂网络环境。由于网络层传递的是分组数据，包含的信息量较大，因此，相较于网桥，路由器的数据处理难度更大，速度也更慢，但在功能上，路由器要比网桥的互连能力要强，这主要依赖于强大的路由选择算法。在实际应用中，需要根据具体的网络环境与需求来选择使用路由器还是网桥。
　　路由器在使用时对其下三层并没有协议相同的要求，若下三层有协议不同，那么路由器可自行完成协议的转换，从而在网络层消除协议差异，但路由器同网桥一样，要保证其上层必须采用相同的协议。
　　关于路由器的原理与应用示例，详见下图：
　　路由器的原理与应用示例
　　注：网络层地址称为逻辑地址，又叫软件地址，即上图中的DSA；数据链路层地址称为物理地址，又叫硬件地址，即上图中的DHA。
　　七、高层协议互连设备网关
　　网关是OSIRM网络模型中的高层互连设备，能够对网络层以上使用不同协议的异构子网进行互连，因此，网关的作用是对不同的高层协议进行转换兼容，包括传输层、会话层、表示层与应用层，从而实现异构的网络设备通信。网关的原理与应用示例见下图：
　　网关的原理与应用示例
　　四种网络互连设备中最为复杂的便是网关，由于需要处理多层协议转换，因而使用网关的网络效率并不高，往往用于特定的专用网络。
　　总结
　　本文基于OSIRM开放系统七层网络参考模型对互联网与网络互连设备进行了详细介绍，并通过图文对应用进行了形象说明，希望有助于读者朋友们的学习、工作！
　　文中若有不妥之处，敬请批评指正！
　　参考文献
　　《浅谈计算机互联网络管理技术的运用与实践》杨晓苗，2017
　　《计算机网络（第七版）》谢希仁，2017
　　《网络互连技术：路由、交换与远程访问》张保通，安志远，2009
　　《网络互联技术：路由与交换》沈海娟，2006
　　《路由器及其应用技术》黎连业，张维，2004
　　《计算机网络路由研究综述》闵应骅，2003
　　《互联网技术》胡捷，2000