1.8.2 相关知识：综合布线系统和网络互连设备
1.综合布线系统
综合布线是指在楼宇建设中的各种布线系统，包含电力线布线、电话线布线、闭路电视系统布线、网络系统布线等；而结构化布线可以专指数据网络布线。系统集成项目中，结构化布线涉及的人员、部门比较多，工期较长，是整个工程的基础，因此应重点对待。
（1）综合布线系统简介：综合布线系统是一个能够支持任何用户选择的话音、数据、图形图像应用的电信布线系统。系统应能支持话音、图形、图像、数据多媒体、安全监控、传感等各种信息的传输，支持UTP、光纤、STP、同轴电缆等各种传输载体，支持多用户多类型产品的应用，支持高速网络的应用。
综合布线系统具有以下特点。
•实用性：能支持多种数据通信、多媒体技术及信息管理系统等，能够适应现代和未来技术的发展。
•灵活性：任意信息点能够连接不同类型的设备，如微机、打印机、终端、服务器、监视器等。
•开放性：能够支持任何厂家的任意网络产品，支持任意网络结构，如总线型、星型、环型等。
•模块化：所有的接插件都是积木式的标准件，方便使用、管理和扩充。
•扩展性：实施后的结构化布线系统是可扩充的，以便将来有更大需求时，很容易将设备安装接入。
•经济性：一次性投资，长期受益，维护费用低，使整体投资达到最少。
（2）布线标准：当前的布线标准有ISO/IEC 11801国际标准，北美ANSI的TIA/EIA 568A和568B布线标准，欧洲标准CENELECEN 50173。
我国在参照国外标准的基础上，于1995年3月由中国工程建设标准化协会批准了《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》，标志着结构化布线系统在我国也开始走上正规化、标准化。并且，1997年9月原邮电部发布了《中华人民共和国通信行业标准大楼通信综合布线系统》，用以规范布线工程。
综合布线发展到今天，使用的线缆及配件经历了从三类、四类、五类、超五类到六类的演变。五类线缆规范是为带宽100 MHz以下的四对电缆发表的业界规范。超五类标准同五类线一样，规定线缆达到100 MHz的带宽要求。但超五类标准对系统近端串扰、远端串扰以及回程损耗等参数有了更高的要求。另外还规定全部四个线对都能实现全双工传输。六类布线标准作为最新的业界标准，要求布线的衰减要低，频率范围要高，甚至规定接插件规格，该标准规定达到200 MHz的带宽。标准永远落后于技术，由于布线技术的不断发展，特别需要更高一级别的标准。
（3）布线子系统：按照一般划分，结构化布线系统包括六个子系统：建筑群子系统、设备间子系统、垂直干线子系统、管理子系统、水平子系统和工作区子系统，如图1-41所示。
图1-41 结构化布线子系统
1）建筑群子系统：提供外部建筑物与大楼内布线的连接点。建筑群子系统宜采用地下管道或电缆沟的铺设方式。管道内铺设的铜缆或光缆应遵循电话管道和入孔的各项设计规定。此外，安装时至少应预留1～2个备用管孔，以供扩充之用。
建筑群子系统采用直埋沟内铺设时，如果在同一沟内埋入了其他图像、监控电缆，应设立明显的共用标志。
从电话局引来的电缆应进入一个阻燃接头箱，再接至保护装置。
2）设备间子系统：EIA/TIA 568标准规定了设备间的设备布线。它是布线系统最主要的管理区域，所有楼层的资料都由电缆或光缆传送至此。通常，此系统安装在计算机系统、网络系统和程控机系统的主机房内。设备间内的所有总配线设备应用色标区别各类用途的配线区。
设备间的位置及大小应根据设备的数量、规模、最佳网络中心等因素，综合考虑确定。
3）垂直干线子系统：它连接通信室、设备间和入口设备，包括主干电缆、中间交换和主交接、机械终端和用于干线到干线交换的接插线或插头。干线布线要采用星型拓扑结构，接地应符合EIA/TIA 607规定的要求。
4）管理子系统：此部分放置电信布线系统设备，包括水平和干线布线系统的机械终端和交换机。管理应对设备间、交接间和工作区的配线设备、线缆、信息插座等设施，按一定的模式进行标示和记录。
5）水平子系统：连接管理子系统至工作区，包括水平布线、信息插座、电缆终端及交换机，指定的拓扑结构为星型拓扑。
水平布线可选择的介质有三种（100 Ω UTP电缆、150 Ω STP电缆及62.5/125 μm光缆），最远的延伸距离为90 m，除了90 m水平电缆外，工作区与管理子系统的接插线和跨接线电缆的总长可达10 m。
6）工作区子系统：工作区由信息插座延伸至设备。工作区布线要求相对简单，这样就容易移动、添加和变更设备。一个工作区的服务面积可按5～10 m2估算，或按不同的应用场合调整面积的大小。每个工作区至少设置一个信息插座用来连接电话机或计算机终端设备，或按用户要求设置。
工作区的每一个信息插座均应支持电话机、数据终端、计算机、电视机及监视器等终端的设置和安装。
2.网络互连设备
（1）中继器：中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互连设备，主要完成物理层的功能，负责在两个结点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。
由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。
一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。
（2）集线器：集线器是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。
（3）网桥：网桥是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥是属于网络层的一种设备，它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离，同时又有选择地将有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。网桥可分为本地网桥和远程网桥。本地网桥是指在传输介质允许长度范围内互连网络的网桥；远程网桥是指连接的距离超过网络的常规范围时使用的远程桥，通过远程桥互连的局域网将成为城域网或广域网。如果使用远程网桥，则远程桥必须成对出现。
在网络的本地连接中，网桥可以使用内桥和外桥。内桥是文件服务的一部分，通过文件服务器中的不同网卡连接起来的局域网，由文件服务器上运行的网络操作系统来管理。外桥安装在工作站上，实现两个相似或不同的网络之间的连接。外桥不运行在网络文件服务器上，而是运行在一台独立的工作站上，外桥可以是专用的，也可以是非专用的。作为专用网桥的工作站不能当普通工作站使用，只能建立两个网络之间的桥接。而非专用网桥的工作站既可以作为网桥，也可以作为工作站。
（4）交换机：普通的交换机如图1-42所示。
1993年，局域网交换设备出现；1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与网桥一样，交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与网桥不同的是交换机转发延迟很小，操作性能接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互连网络之间的转发性能。
交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。
类似传统的网桥，交换机提供了许多网络互连功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必做高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络结点的增加、移动和网络变化的操作。
利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统网桥高得多的操作性能。例如，理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包可提供14 880 bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换机必须提供89 280 bps的总体吞吐率（6道信息流×14 880 bps/道信息流）。专用集成电路技术使得交换机在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型网桥。
图1-42 交换机
局域网交换机根据使用的网络技术可以分为以太网交换机、令牌环交换机、FDDI交换机、ATM交换机、快速以太网交换机等。
（5）路由器：普通的路由器如图1-43所示。
1）路由技术：路由器工作在OSI模型的第三层——网络层，其工作模式与二层交换机相似，但路由器工作在第三层，这个区别决定了路由器和交换机在传递数据包时使用不同的控制信息，实现功能的方式就不同。工作原理是在路由器的内部也有一个表，这个表所标示的是如果要去某一个地方，下一步应该向哪里走。如果能从路由表中找到数据包下一步往哪里走，就把数据链路层信息加上转发出去；如果不知道下一步走向哪里，则将此包丢弃，然后返回一个信息交给源地址。
路由技术实质上来说有两种功能：决定最优路由和转发数据包。路由表中写入各种信息，由路由算法计算出到达目的地址的最佳路径，然后按相对简单直接的转发机制发送数据包。接收数据的下一台路由器依照相同的工作方式继续转发，依此类推，直到数据包到达目的路由器。
而路由表的维护也有两种不同的方式：一种是路由信息的更新，将部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通过互相学习路由信息，就掌握了全网的拓扑结构，这一类的路由协议称为距离矢量路由协议；另一种是路由器将自己的链路状态信息进行广播，通过互相学习掌握全网的路由信息，进而计算出最佳的转发路径，这类路由协议称为链路状态路由协议。
由于路由器需要做大量的路径计算工作，一般处理器的工作能力直接决定其性能的优劣。当然这一判断还是对中低端路由器而言，因为高端路由器往往采用分布式处理系统体系设计。
2）路由器的功能：在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发的作用。
选择最合理的路由，引导通信。为了实现这一功能，路由器要按照某种路由通信协议查找路由表，路由表中列出整个互连网络中包含的各个结点以及结点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。如果到特定的结点有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优（最经济）的路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化，因此路由情况的信息需要及时更新，这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成的。网络中的每个路由器按照这一规则动态地更新它所保持的路由表，以便保持有效的路由信息。
路由器在转发报文的过程中，为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。
多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。
路由器的主要任务是把通信引导到目的地网络，然后到达特定的结点站地址。后一个功能是通过网络地址分解完成的。例如，把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组结点，其余的用来指明子网中的特别站。分层寻址允许路由器对有很多个结点站的网络存储寻址信息。
图1-43 路由器
在广域网范围内的路由器按其转发报文的性能可以分为两种类型，即中间结点路由器和边界路由器。尽管在不断改进的各种路由协议中，对这两类路由器所使用的名称可能有很大的差别，但所发挥的作用却是一样的。
中间结点路由器在网络中传输时，提供报文的存储和转发。同时根据当前的路由表所保持的路由信息情况，选择最好的路径传送报文。由多个互连的LAN组成的公司或企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器，就是这个企业网络的边界路由器。它从外部广域网收集向本企业网络寻址的信息，转发到企业网络中有关的网络段；另一方面集中企业网络中各个LAN段向外部广域网发送的报文，对相关的报文确定最好的传输路径。
下面通过一个例子来说明路由器的工作原理。
例如，工作站A需要向工作站B传送信息（并假定工作站B的IP地址为120.0.0.5），它们之间的信息需要通过多个路由器的接力传递。
其工作原理如下。
工作站A将工作站B的地址120.0.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器R1。
路由器R1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址120.0.0.5，并根据路由表计算出发往工作站B的最佳路径：R1→R2→R5→B；并将数据帧发往路由器R2。
路由器R2重复路由器R1的工作，并将数据帧转发给路由器R5。
路由器R5同样取出目的地址，发现120.0.0.5就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给工作站B。
工作站B收到工作站A的数据帧，一次通信过程宣告结束。
事实上，路由器除了上述的路由选择这一主要功能外，还具有网络流量控制功能。有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。因此，我们认为，支持多协议的路由器性能相对较低。用户购买路由器时，需要根据自己的实际情况，选择自己需要的网络协议的路由器。
近年来出现了交换路由器产品，从本质上来说它不是什么新技术，而是为了提高通信能力，把交换机的原理组合到路由器中，使数据传输得更快、更好。
（6）三层交换机：三层交换技术（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术+三层转发技术。
三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
为了适应网络应用深化带来的挑战，网络在规模和速度方面都在飞速发展，局域网的速度已从最初的10 Mbps提高到100 Mbps，目前千兆以太网技术已得到普遍应用。
在网络结构方面也从早期的共享介质的局域网发展到目前的交换式局域网。交换式局域网技术使专用的带宽为用户所独享，极大提高了局域网传输的效率。可以说，在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术方面已得到令人满意的答案。但是，作为网络核心、起到网间互连作用的路由器技术却没有质的突破。在这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是三层交换技术：说它是路由器，因为它可操作在网络协议的第三层，是一种路由理解设备并可起到路由决定的作用；说它是交换机，是因为它的速度极快，几乎达到第二层交换的速度。
使用IP的设备A通过三层交换机与使用IP的设备B相连。如果A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用子网掩码取得网络地址，判断目的IP是否与自己在同一网段。如果在同一网段，但不知道转发数据所需的MAC地址，A就发送一个ARP请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并发送给交换机，交换机启用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。
如果目的IP地址显示不是同一网段的，那么A要实现和B的通信，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个默认网关，这个默认网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块，由此可见对于不是同一子网的数据，最先在MAC地址表中放的是默认网关的MAC地址；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以默认网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后A到B的数据，就直接交由二层交换模块完成。这就是通常所说的一次路由多次转发。
以上就是三层交换机工作过程的简单概括，可以看出三层交换技术的特点如下。
1）与硬件结合实现数据的高速转发：这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换机的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbps。算上背板带宽，这些是三层交换机性能的两个重要参数。
2）简洁的路由软件使路由过程简化：大部分的数据转发除了必要的路由选择交由路由软件处理外，都是由二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。