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1、13:04,计算机网络技术及应用,主讲：莫卫东 教授,高等院校专业基础课,E-mail：,第6章 网络设备,6.1 现代计算机网络设备概述 6.2 基本网络设备 6.3 扩展网络设备 6.4 互连网络设备 6.5 网络应用设备 6.6 无线网络设备,6.1 计算机网络设备概述,从现代计算机网络的结构分析，除了用于连接计算机的传输媒介之外，用于计算机连接于网络的设备可细分为 5 类： 1. 基本网络设备 2. 扩展网络设备 3. 互联网络设备 4. 网络应用设备 5. 专用网络设备,（1）基本网络设备。是指架构一个计算机网络除了计算机之外所必须配置的设备，如网卡（网络适配器）或调制解调器和集线器
2、等。当是计算机通过电话线连接于Internet网络时，对于每一个上网的计算机则必须配置一台调制解调器，而当架构一个局域网时，每台计算机至少需要配置一块网卡，并最好通过集线器实现计算机之间的连接。不过，在现代计算机网络中，集线器几乎完全被交换机替代。交换机称为架构计算机网络不可或缺的关键设备之一。,（2）扩展网络设备。指用于扩展一个基本网络连接区域的设备，如中继器。根据现代计算机网络的协议与标准，一个基本的计算机网络的连接跨度或范围是有限的，特别是被广泛使用着的以太网，虽然计算机之间的连接方法简单，但其所连接的计算机不能相距太远，否则计算机之间的正常通信将无法保证。应用中继器则是解决类似问题的一
3、种简单而有效的解决方案。,（3）互联网络设备。指把若干基本计算机网络互联的设备。在现代计算机网络中，用于把网络互联的设备中最常用的为交换机和路由器。特别是近年来，在智能多层核心交换机中，融入了许多路由器方面的技术，使网络互联的规划与设计中对设备选型有了更多的选择，同时也无形中给网络的设计带来了一定的不确定性。为此，本章将用较多的笔墨，向读者阐述有关路由器其与交换机在未来网络中应用策略与方法。,（4）专用网络设备。在计算机网络的应用中，服务器是计算机网络应用的核心。服务器的可扩展性、易使用性、易管理性和可用性和可靠性，直接决定着一个计算机网络的性能和服务的能力。此外，网络打印机在现代计算机网络应
4、用中不可或缺的。,（5）专用网络设备。指那些特殊应用的网络系统所需要的设备。如：智能大厦中楼宇自控系统网络系统、视频监控系统以及门禁与安全防范系统和火灾自动报警系统等。专用网络所采用的连接设备与通用网络设备常常是不兼容的。专用网络有与通用计算机网络融合的迹象，多种智能大厦系统的高层管理均在以太网的架构中实现，并且与Internet有了直接的应用功能的开发。专用计算机网络将会与通用网络技术融合，计算机网络系统被称为智能大厦的核心。,6.2.1 网络适配器,网络适配器，又称网络接口卡NIC ( Network Interface Card)，简称网卡 注：在许多资料中，网卡被称之为NIA ( Ne
5、twork Interface Adapter ) 。网卡是组建计算机网络所必须的最基本网络设备或器材，其作用是实现计算机或其他网络设备与网络的物理连接，并被用于惟一标识计算机或设备，网卡在网络的性能管理以及安全应用中起着十分重要的作用。,6.2 基本网络设备,1.网卡的基本功能,网卡一般是一块插入计算机或网络连接或应用设备I/O槽中的板卡，该板卡由多个集成电路模块构成，其作用是在两个网络设备之间完成相互的数据通信功能。一般来讲，网卡均可发出和接收不同的信息帧，并计算帧检验序列，还能够执行编码译码转换等。 网卡通常主要完成如下两方面的功能：,（1）读取数据：网卡的基本功能之一，就是由它读取从网
6、络上传输给网卡所在主机的数据。网卡把由其它网络设备（路由器、交换机、集线器或其它NIC）传输过来的数据包（一般是帧的形式）接受下来之后，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过计算机或设备主板总线将数据传输给设备（CPU、内存或硬盘）。,（2）发送数据：网卡的基本功能之二，就是所在主机向网络传输的数据发送出去，即，把计算机或网络设备向网络发送的数据打包后，放到网络媒介上，输送至其它网络设备。 网卡的工作原理与调制解调器的工作原理类似，只不过在网卡中输入和输出的都是数字信号，传送速度比调制解调器快得多。,2.网卡的物理设备地址,每块网卡都有一个唯一的网络节点地址（Node Addre
7、ss），它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM中的，且保证绝对不会重复。网卡的这个惟一的地址被称之为物理设备地址，网络中的每一台设备与计算机的惟一标识，正是通过网卡的这个地址实现的。在网络安全的管理应用中，对主机的绝对定位也依据的是设备上所插接网卡的节点地址。,3.网卡的接口,根据不同的网络传输媒介的要求，网卡的接口形式应与其相互配合，网卡的接口具有的规格有： AUI接口：用于连接粗同轴电缆传输媒介 BNC接口：用于连接细同轴电缆传输媒介 UTP接口：用于连接非屏蔽双绞线传输媒介 光纤光口：用于连接光纤电缆传输媒介 一般的网卡仅一种接口，但也有一些网卡上集成有两种甚至三种接口，这类网卡称为二合一或
8、三合一网卡。,4.网卡的分类,网卡虽然在网络的地位虽不那么显赫，但必不可少，网卡见证了网络的发展历程。以下通过对网卡的类型划分，从而从另一个侧面理解计算机网络发展的过去与未来。按照大多数学者的意见，网卡的分类一般有以下几种方案：,（1）按网络划分 目前投入使用的计算机网络你中，除了以太网之外，还有ATM网、令牌环网等，所以网卡也有以太网网卡、ATM网卡、令牌环网网卡之分。在现代计算机网络中使用的最多的是以太网，也就是大家在市场上可随手买到的网卡，而ATM网卡和令牌环网网卡通常需要特别订购。,（2）按速度与带宽划分 网卡的速度越快，它的带宽也就越大。目前广泛使用的网卡有以下三种带宽的网卡：10M
9、，100M，10M/100M自适应。现市场上可买到的新网卡基本上全部是带宽在100M以上各种网卡。1000M的铜缆或光缆网卡现在的价格已经能够被许多用户所接受，可以确信，1000M网卡必将称为网络应用的主流。,（3）按主板上接口类型分 网卡的接口形式与主板的总线类型密不可分。网卡的接口具有与主板相一致的ISA、VESA、EISA和PCI接口的网卡。PCI总线网卡，具有多方面的优良性能，得到各主要厂商的广泛支持，是现代网络计算机网络的首选产品。ISA、VESA、EISA已经难得一见，即使有恐怕也难能排上用场，因为新型计算机的主板几乎都不带有这些插槽。,（4）按连接的媒介接口划分 网卡为了连接不同
10、的媒介，网卡配有不同媒介接口。接口类型有：连接非屏蔽双绞线（UTP）的RJ45接口（方口）；连接同轴电缆的BNC细缆口或AUI粗缆口（圆口）；连接光缆的ST接口(小方口)或SC接口（小圆口）。,（5）按在网络中的作用划分 一般的网络应用而言，网络服务器和客户机（工作站）计算机上使用的网卡是一样的。实际上，服务器和工作站在网络的作用是完全不同的，从网络访问通信的特征的角度看，服务器所承担的网络通信任务比起工作站要大得多。所以服务器上使用的网卡较工作站使用的网卡，在各项性能上要求高得多。,5.网卡的选型,网卡是计算机连接网络的出入口。网卡的选用是网络组网中非常重要的一个环节，网卡的性能直接影响着网
11、络的整体性能。因此，通常进行网卡选型时应考虑以下因素： 可连接性 易安装性 驱动程序 升级能力 可管理性 缓冲能力 价 格,局域网交换设备出现于1993年，但交换机全面地应用于局域网的建设在1998年之后，而现在交换机已经成为计算机网络的不可或缺的设备。相对于路由器和集线器计算机网络解决方案，交换机是一个具有简化、低价、高性能和端口密集等特点的局域网组网解决方案。可以这样认为，现代计算机网络的性能直接决定于交换机。因此，这里除了介绍交换机的工作原理外，还要介绍一些交换机选型与应用方面的策略与方法。,6.2.2 交换机,1. 交换机的工作原理 交换（switching）是一种通信技术，它是按照通
12、信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应端口或路由上。交换机（switch）从广义上讲就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。不过，在这里所提到的交换机特指的是计算机局域网交换机。,交换机的工作过程及特点： 在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。集线器（HUB）就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台主机通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通信，如果发生碰
13、撞还得重试。这就是共享网络显著的技术特征。,对于交换机，它拥有一条很高带宽的背部总线（又被称为背板）和硬件内部交换矩阵，交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上。当交换机接通电源开始工作后，将自动在交换机的内存中生成一张地址表，该地址表记录了交换机每个端口的端口号以及每个端口所连接的网络设备MAC地址。MAC地址在OSI链路层称为物理设备地址，对于连接在局域网交换机上的设备而言，MAC地址为插入在设备中网卡的地址。,当交换机的任意端口收到数据包以后，交换机中心处理器首先查找交换机内存中的地址对照表，以确定所收到的数据帧的目的地，即，通过数据帧上所提示的接收该数据帧的MAC地址，确定将把该数据帧
14、传输到那个端口，也就是确定把发送数据的端口与哪一个接收数据的端口连接。随后便可通过交换机内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。如果地址表中根本不存在数据帧所提示的目的MAC地址，交换机将向所有端口广播该数据帧把发送该数据帧的端口与所有端口连接，即：广播。,注意，如果出现大量这样的数据帧广播，无疑将稍弱交换机地交换能力，以致引起广播风暴导致网络瘫痪。 不过，若连接网络中的某个设备接收了广播数据帧，它都要向交换机以及发送该广播数据帧的设备回应确认。交换机在接收了端口的回应后，便把该新的MAC地址添加入交换机内部地址表中。这就是交换机的地址“学习”过程。,交换机与集线器不同，它是一种基于MAC地址
15、识别进行端口数据转发的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。 交换机与集线器的最大区别，还在于交换机能够在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输，而集线器则不能。,2. 交换机的基本交换模式 交换机在交换数据帧时可以选择以下三种交换模式： 1）存储转发模式 2）快速转发模式 3）自由分段模式,1）存储转发模式 当交换机采用存储转发（Store-and-forward）模式时，交换机将接收整个数据帧，并在CRC校验通过之后，才能进行转发操作。如果CRC校验失败，即数据帧有错，交换
16、机则丢弃此帧。这种模式保证了数据帧的无差错传输，当然其代价是增加了传输延迟，而且传输延迟随数据帧的长度增加而增加。,2）快速转发模式 当交换机采用快速转发（Fast-forward）模式时，交换机在接收数据帧时，一旦检测到目的地址就立即进行转发操作。该模式的一个重要特点是能够提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。,但是，由于数据帧在进转发处理时并不是一个完整的帧，因行此数据帧将不经过校验、纠错而直接转发，造成错误的数据帧仍然被转发到网络上，从而浪费了网络的带宽。这种模式的优势在于数据传输的延迟较小，但其代价是无法对数据帧进行校验和纠错。,3）自由分段模式 当交换机采用自由分段（Fragment-free）模式转发数据，交换机接收数据帧时，只要检测到该数据帧不是冲突碎片（collision fragment）就进行转发操作。冲突碎片是因为网络冲突而受损的数据帧碎片，其特征是长度小于64字节。由于冲突碎片并不是有效的数据帧，应该丢弃。,采用自
