第三章_网络互连设备
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缺点：时延长
无碎片直通式
无碎片直通（Fragment Free Cut Through）是介于 直通式和存储转发式之间的——种解决方案，它检查 数据包的长度是否够64 Bytes（512bit）如果小于64 Bytes，说明该包是碎片（即在信息发送过程中由于 冲突而产生的残缺不全的帧），则丢弃该包，如果大 于64 Bytes，则发送该包。该方式的数据处理速度比 存储转发方式快，但比直通式慢。
集线器与交换机的区别
从工作方式来看，集线器是一种广播模式， 也就是说集线器的某个端口工作的时候其他所 有端口都有名收听到信息，容易产生广播风暴。 当网络较大的时候网络性能会受到很大的影响， 那么用什么方法避免这种现象的发生呢？交换 机就能够起到这种作用，当交换相工作的时候 只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应 而不影响其他端口，那么交换机就能够隔离冲 突域和有效地抑制广播风暴的产生。
网络层互联设备-三层交换机
三层交换（也称多层交换技术，或IP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。
三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发 技术。
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。
物理层--HUB
CSMA/CD 继听续听
有数据在转发
HUB上的链路是共享的,所以如果HUB上有数据在转发,那么此时PCA需要 等待.
物理层--HUB
CSMA/CD
Leabharlann Baidu
BACK OFF
PC A
听
随机秒数
Packet
PC B 空闲
随机秒数
PC C
听
Packet
PC D
现在的情况是PCA和PCC都要发数据,但是两人刚才都检测到HUB上是空 闲的.那么两人都发.结果发生了冲突.两人都同时启动BACK OFF动作.随 机的生成一个秒数,再发数据包.如果再与其他PC发送的数据包冲突.那么 再次BACK OFF,BACK OFF一共可进行15次.
第三章 网络互连设备
本章内容
物理层互联设备 数据链路层互联设备 网络层互联设备 应用层互联设备
物理层互联设备-中继器
负责在两个节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。
中继器也可以完成不同媒体的转接工作
物理层互联设备-中继器
网络是否可以无限延长呢？
三个独立的碰撞域
碰撞域
碰撞域
碰撞域
一系
二系
三系
用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中
一个更大的碰撞域 主干集线器
碰撞域
一系
二系
三系
用集线器扩展局域网
优点
使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰 撞域的通信。
扩大了局域网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线
网桥
接口管理 软件
网桥
接口 1
接口 1
网段 A 1 2 网段 B
①②③
④⑤⑥
站表
网桥协议 实体
缓存
站地址 接口 ①1 ②1 ③1 ④2 ⑤2 ⑥2
接口 2
接口 2
使用网桥带来的好处
过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。(故障只影响个别网段) 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率
RAM
ROM
Flash
CPU
Interface
以太网交换机的特点
以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一 般都工作在全双工方式。
交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信 的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输 数据。
以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交 换速率就较高。
F0/1
F0/3
B
0260.8c01.3333
C
0260.8c01.2222
F0/2
F0/4
0260.8c01.5555
D
0260.8c01.4444
未知单播帧，广播帧：执行广播操作Flooding
交换机性能参数
背板带宽 交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能 吞 吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总 的数据交换能力 （N*M）;
B
F0/1
F0/3
0260.8c01.3333
C
F0/2
F0/4
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
主机之间互相发送数据，交换机会学习数 据帧的源MAC地址。
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
C
0260.8c01.2222
MAC地址表
F0/1: 0260.8c01.1111 F0/2: 0260.8c01.2222 F0/3: 0260.8c01.3333 F0/4: 0260.8c01.4444
网络层互联设备-路由器
RAM ROM
NVRAM Flash
CPU
Line
Interface
什么是路由
选择一个将数据包发往某个目标网段或主机的路径就是路由的过程。
10.1.1.0
172.16.1.0
用户产生的数据流比如文件，视频流，电子邮件等等应用被从一个逻辑的源 转发到一个逻辑的目的地。
用来表示逻辑源和逻辑目的地的是IP地址，因此我们认为路由的过程是将不 同IP地址网段的IP包进行转发。那么实现这一功能的设备我们称之为路由器。
（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。
网桥使各网段成为隔离开的碰撞域
碰撞域
A
B
B1
碰撞域
B2
碰撞域
C
D
E
F
多接口网桥——以太网交换机
交换机是一种具有简化、低价、高性能和高端口密集 特点的交换产品。
二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的 MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些 MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表 中。
路由表的作用
路由器就像网络中的向导一样，当IP包来到路由器后有一个很重要的任务就 是查看该路由器是否知道这个IP数据包要去的目的地。
路由器采用自动学习，依靠路由协议学习或网络管理员手动配置等方式获得 IP数据包要去往的目的地信息。
路由器将这些信息形成“档案”有选择的存放在路由表中，以便提供路由服务。
器将它们互连起来。
数据链路层互联设备-网桥
网桥（Bridge）是一个局域网与另一个局域网之间建 立连接的桥梁。网桥是属于数据链路层的一种设备， 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。
Packet
路由表
路由表的产生方式
直连路由
1.1.1.0
1.1.2.0 1.1.3.0
路由器会自动生成本路由器激活端口所在网段的路由条目
路由表的产生方式
静态路由
在简单拓扑结构的网络里，网络管理员手动输入路由条目。
路由表产生的方式
动态路由协议学习到的路由
在大型网络环境下，依靠路由协议比如OSPF、BGP路由协议学习
集线器与交换机的区别
从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有 端口都共享一条带宽，在同一时刻只能有两个 端口传送数据，其他端口只能等待；同时集线 器只能工作在半双工模式下。而对于交换机而 言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端 口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换 机不但可以工作在半双工模式下也可以工作在 全双工模式下。
二层交换技术
MAC 地址表
A
0260.8c01.1111
F0/1
F0/3
B
0260.8c01.3333
C
F0/2
F0/4
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
交换机初始化时MAC地址表是空的。
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
MAC 地址表
F0/1: 0260.8c01.1111
单个HUB
Hub连接的设备共享一个冲突域 Hub连接的设备共享一个广播域
A HUB
B
C A向B发送时，
C向D不能发送， 否则产生冲突
D
HUB级连
Hub限制的网络的可扩展性
HUB
HUB
A向B发送时，
HUB
同 一
E向D不能发送
冲
突
域
A
B
C
D
E
F
不能发送
用多个集线器可连成更大的局域网
某大学有三个系，各自有一个局域网
以太网标准约定： 一个以太网上只允许出现5个网段，4个中继器，3个
网段可以挂接计算机
物理层互联设备-集线器
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。
集线器
物理层--HUB
CSMA/CD
PC A
听
Packet
PC B 空闲
PC C
PC D
当PCA要发一个数据包给PCD的时候,首先PCA要先听HUB的链路上是否 有数据在跑,如果有那么PCA等待,如果没有那么PCA将数据包发出.这样 的做法是由于HUB上的链路是共享的,所以采用了发数据包之前先进行冲 突检测的方法,那么我们称为CSMA/CD.
F0/1 F0/2
XF0/3 X
F0/4
B
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
已知单播帧：过滤操作Filtering
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
MAC 地址表
F0/1: 0260.8c01.1111
F0/2: 0260.8c01.2222
F0/3: 0260.8c01.3333 F0/4: 0260.8c01.4444
直通式
直通式（Cut Through）方式在输入端口检测到一个 数据包后，只检查其包头，取出目的地址，通过内部 的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到 输出端口．这样就完成了交换。因为它只检查数据包 的包头（通常只检查14个字节）。
缺点：不具备检测和处理能力
存储转发式
存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域 使用得最为广泛的技术之一，在这种工作方式下．交 换机的控制器先缓存输入到端口的数据包，然后进行 CRC校验，滤掉不正确的帧，确认包正确后，取出目 的地址，通过内部的地址表确定相应的输出端口，然 后把数据包转发到输出端口。
以太网交换机数据帧的转发
以太网交换机冲突域局限于交换机一个端口
上
一个冲突域
一个冲突域
一个冲突域
10M 10M交换机B
100M交换机A
10M 10M
100M
100M 100M HUB
10M 10M
10M
100M
一个冲突域
一个冲突域
局域网交换机分类
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
独占传输媒体的带宽
对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户， 则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。
使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽 还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不 是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥 有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是 交换机的最大优点。
在数据链路层扩展局域网
在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地
址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并
不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目 的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接 口。
网桥的内部结构
包转发率(ASIC芯片) 端口线速交换（总带宽超过N*M） 交换机MAC地址表大小
交换机互连方式
级联： 通过交换机的普通端口通过普通
线缆简单联接起来。 堆叠:
通过堆叠线缆将交换机的背板连 接起来，扩大级联带宽。
堆叠－菊花链
堆叠-主从式
M2031
图1 堆叠模块M2031前面板
转发方式
直通式 存储转发式 无碎片直通式（更高级的直通式转发）
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。
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，然后到达特定的节点站地址。
集线器与交换机的区别
从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一 层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数 据链路层设备。这就意味着集线器只是对数据 的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据 传输中的短帧、碎片等无法有效处理，不能保 证数据传输的完整性和正确性；而交换机不但 可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而 且可以过滤短帧、碎片等。
无碎片直通式
无碎片直通（Fragment Free Cut Through）是介于 直通式和存储转发式之间的——种解决方案，它检查 数据包的长度是否够64 Bytes（512bit）如果小于64 Bytes，说明该包是碎片（即在信息发送过程中由于 冲突而产生的残缺不全的帧），则丢弃该包，如果大 于64 Bytes，则发送该包。该方式的数据处理速度比 存储转发方式快，但比直通式慢。
集线器与交换机的区别
从工作方式来看，集线器是一种广播模式， 也就是说集线器的某个端口工作的时候其他所 有端口都有名收听到信息，容易产生广播风暴。 当网络较大的时候网络性能会受到很大的影响， 那么用什么方法避免这种现象的发生呢？交换 机就能够起到这种作用，当交换相工作的时候 只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应 而不影响其他端口，那么交换机就能够隔离冲 突域和有效地抑制广播风暴的产生。
网络层互联设备-三层交换机
三层交换（也称多层交换技术，或IP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。
三层交换技术就是：二层交换技术＋三层转发 技术。
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。
物理层--HUB
CSMA/CD 继听续听
有数据在转发
HUB上的链路是共享的,所以如果HUB上有数据在转发,那么此时PCA需要 等待.
物理层--HUB
CSMA/CD
Leabharlann Baidu
BACK OFF
PC A
听
随机秒数
Packet
PC B 空闲
随机秒数
PC C
听
Packet
PC D
现在的情况是PCA和PCC都要发数据,但是两人刚才都检测到HUB上是空 闲的.那么两人都发.结果发生了冲突.两人都同时启动BACK OFF动作.随 机的生成一个秒数,再发数据包.如果再与其他PC发送的数据包冲突.那么 再次BACK OFF,BACK OFF一共可进行15次.
第三章 网络互连设备
本章内容
物理层互联设备 数据链路层互联设备 网络层互联设备 应用层互联设备
物理层互联设备-中继器
负责在两个节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。
中继器也可以完成不同媒体的转接工作
物理层互联设备-中继器
网络是否可以无限延长呢？
三个独立的碰撞域
碰撞域
碰撞域
碰撞域
一系
二系
三系
用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中
一个更大的碰撞域 主干集线器
碰撞域
一系
二系
三系
用集线器扩展局域网
优点
使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰 撞域的通信。
扩大了局域网覆盖的地理范围。
缺点
碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线
网桥
接口管理 软件
网桥
接口 1
接口 1
网段 A 1 2 网段 B
①②③
④⑤⑥
站表
网桥协议 实体
缓存
站地址 接口 ①1 ②1 ③1 ④2 ⑤2 ⑥2
接口 2
接口 2
使用网桥带来的好处
过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。(故障只影响个别网段) 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率
RAM
ROM
Flash
CPU
Interface
以太网交换机的特点
以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一 般都工作在全双工方式。
交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信 的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输 数据。
以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交 换速率就较高。
F0/1
F0/3
B
0260.8c01.3333
C
0260.8c01.2222
F0/2
F0/4
0260.8c01.5555
D
0260.8c01.4444
未知单播帧，广播帧：执行广播操作Flooding
交换机性能参数
背板带宽 交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能 吞 吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总 的数据交换能力 （N*M）;
B
F0/1
F0/3
0260.8c01.3333
C
F0/2
F0/4
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
主机之间互相发送数据，交换机会学习数 据帧的源MAC地址。
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
C
0260.8c01.2222
MAC地址表
F0/1: 0260.8c01.1111 F0/2: 0260.8c01.2222 F0/3: 0260.8c01.3333 F0/4: 0260.8c01.4444
网络层互联设备-路由器
RAM ROM
NVRAM Flash
CPU
Line
Interface
什么是路由
选择一个将数据包发往某个目标网段或主机的路径就是路由的过程。
10.1.1.0
172.16.1.0
用户产生的数据流比如文件，视频流，电子邮件等等应用被从一个逻辑的源 转发到一个逻辑的目的地。
用来表示逻辑源和逻辑目的地的是IP地址，因此我们认为路由的过程是将不 同IP地址网段的IP包进行转发。那么实现这一功能的设备我们称之为路由器。
（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。
网桥使各网段成为隔离开的碰撞域
碰撞域
A
B
B1
碰撞域
B2
碰撞域
C
D
E
F
多接口网桥——以太网交换机
交换机是一种具有简化、低价、高性能和高端口密集 特点的交换产品。
二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的 MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些 MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表 中。
路由表的作用
路由器就像网络中的向导一样，当IP包来到路由器后有一个很重要的任务就 是查看该路由器是否知道这个IP数据包要去的目的地。
路由器采用自动学习，依靠路由协议学习或网络管理员手动配置等方式获得 IP数据包要去往的目的地信息。
路由器将这些信息形成“档案”有选择的存放在路由表中，以便提供路由服务。
器将它们互连起来。
数据链路层互联设备-网桥
网桥（Bridge）是一个局域网与另一个局域网之间建 立连接的桥梁。网桥是属于数据链路层的一种设备， 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。
Packet
路由表
路由表的产生方式
直连路由
1.1.1.0
1.1.2.0 1.1.3.0
路由器会自动生成本路由器激活端口所在网段的路由条目
路由表的产生方式
静态路由
在简单拓扑结构的网络里，网络管理员手动输入路由条目。
路由表产生的方式
动态路由协议学习到的路由
在大型网络环境下，依靠路由协议比如OSPF、BGP路由协议学习
集线器与交换机的区别
从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有 端口都共享一条带宽，在同一时刻只能有两个 端口传送数据，其他端口只能等待；同时集线 器只能工作在半双工模式下。而对于交换机而 言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端 口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换 机不但可以工作在半双工模式下也可以工作在 全双工模式下。
二层交换技术
MAC 地址表
A
0260.8c01.1111
F0/1
F0/3
B
0260.8c01.3333
C
F0/2
F0/4
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
交换机初始化时MAC地址表是空的。
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
MAC 地址表
F0/1: 0260.8c01.1111
单个HUB
Hub连接的设备共享一个冲突域 Hub连接的设备共享一个广播域
A HUB
B
C A向B发送时，
C向D不能发送， 否则产生冲突
D
HUB级连
Hub限制的网络的可扩展性
HUB
HUB
A向B发送时，
HUB
同 一
E向D不能发送
冲
突
域
A
B
C
D
E
F
不能发送
用多个集线器可连成更大的局域网
某大学有三个系，各自有一个局域网
以太网标准约定： 一个以太网上只允许出现5个网段，4个中继器，3个
网段可以挂接计算机
物理层互联设备-集线器
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。
集线器
物理层--HUB
CSMA/CD
PC A
听
Packet
PC B 空闲
PC C
PC D
当PCA要发一个数据包给PCD的时候,首先PCA要先听HUB的链路上是否 有数据在跑,如果有那么PCA等待,如果没有那么PCA将数据包发出.这样 的做法是由于HUB上的链路是共享的,所以采用了发数据包之前先进行冲 突检测的方法,那么我们称为CSMA/CD.
F0/1 F0/2
XF0/3 X
F0/4
B
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
已知单播帧：过滤操作Filtering
二层交换技术
A
0260.8c01.1111
MAC 地址表
F0/1: 0260.8c01.1111
F0/2: 0260.8c01.2222
F0/3: 0260.8c01.3333 F0/4: 0260.8c01.4444
直通式
直通式（Cut Through）方式在输入端口检测到一个 数据包后，只检查其包头，取出目的地址，通过内部 的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到 输出端口．这样就完成了交换。因为它只检查数据包 的包头（通常只检查14个字节）。
缺点：不具备检测和处理能力
存储转发式
存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域 使用得最为广泛的技术之一，在这种工作方式下．交 换机的控制器先缓存输入到端口的数据包，然后进行 CRC校验，滤掉不正确的帧，确认包正确后，取出目 的地址，通过内部的地址表确定相应的输出端口，然 后把数据包转发到输出端口。
以太网交换机数据帧的转发
以太网交换机冲突域局限于交换机一个端口
上
一个冲突域
一个冲突域
一个冲突域
10M 10M交换机B
100M交换机A
10M 10M
100M
100M 100M HUB
10M 10M
10M
100M
一个冲突域
一个冲突域
局域网交换机分类
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
独占传输媒体的带宽
对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户， 则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。
使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽 还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不 是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥 有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是 交换机的最大优点。
在数据链路层扩展局域网
在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地
址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并
不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目 的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接 口。
网桥的内部结构
包转发率(ASIC芯片) 端口线速交换（总带宽超过N*M） 交换机MAC地址表大小
交换机互连方式
级联： 通过交换机的普通端口通过普通
线缆简单联接起来。 堆叠:
通过堆叠线缆将交换机的背板连 接起来，扩大级联带宽。
堆叠－菊花链
堆叠-主从式
M2031
图1 堆叠模块M2031前面板
转发方式
直通式 存储转发式 无碎片直通式（更高级的直通式转发）
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。
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，然后到达特定的节点站地址。
集线器与交换机的区别
从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一 层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数 据链路层设备。这就意味着集线器只是对数据 的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据 传输中的短帧、碎片等无法有效处理，不能保 证数据传输的完整性和正确性；而交换机不但 可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而 且可以过滤短帧、碎片等。