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1、第4章 网 络 设 备4.1 4.1 网络互联概述网络互联概述 4.2 4.2 网络接口卡网络接口卡4.34.3 集线器集线器4.44.4 以太网交换机以太网交换机4.54.5 其它网络互连设备其它网络互连设备4.64.6 调制解调器调制解调器4.7 4.7 校园网网络设备认识校园网网络设备认识网络互联是指将分布在不同地理位置，或者采用不同低层协议的网络相连接，以构成更大规模的互联网络系统，实现互联网络资源的共享。网络互联需要通过一个中间设备（或中间系统），ISO的术语称之为中继系统。共分为五个层次：物理层、数据链路层、网络层、网络层以上、网桥和路由器的混合物桥接器。4.1 网网 络络 互互
2、联联 概概 述述4.2 网网 络络 接接 口口 卡卡4.2.1 概述概述网卡是局域网中最基本的部件之一。作为网络硬件来说，它是最基本、应用最广泛的一种网络设备。网卡的全名为网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，它的主要工作为：组织计算机上发往网线上的数据，并将数据分解为适当大小的数据包之后再通过网络发送出去。网卡的标准是由IEEE来定义的。网卡工作于开放式系统互连OSI(OpenSystemInterface)的最低层，也就是物理层，该层定义了网卡的有关连接头、针的使用、电流、编码等。每种不同的网卡必须要有相应的网线或者其它网络设备跟它相对应，不能盲目混用。因此，对于每
3、块网卡而言，都有一个惟一的网络节点地址，它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM或EEPROM中的，且保证绝对不会重复，这个地址称为介质访问控制地址MAC(MediaAccessControl)。硬件地址以6字节表示，前三个字节表示厂商代号，后3个字节为流水号。每个厂商都必须向IEEE登记注册，才能获得合法的、惟一的厂商代号。4.2.2 以太网卡的分类以太网卡的分类我们日常使用的网卡都是以太网网卡。我们可以从以下几个方面对网卡进行分类。(1)根据传输速度，网卡可以分为10Mb/s网卡，10/100Mb/s自适应网卡，以及千兆(1000Mb/s)网卡等。我们目前常使用的是10Mb/s和10/100Mb
4、/s自适应网卡两种。因为它们价格便宜，所以比较适合于一般用途。对于千兆的网卡，目前主要用于高速的服务器。(2)根据总线，网卡可分为ISA、VESA、EISA、PCI、USB等接口类型。ISA网卡又可分为8位和16位的两种，由于ISA网卡最多只有16位带宽，带宽速度最多只有11Mb/s，故目前ISA接口的网卡已被淘汰。VESA、EISA网卡也是早期的总线网卡，目前在市场上很少见且已被淘汰。现在市场上主流的网卡是PCI接口的网卡，PCI网卡的理论带宽为32位133Mb/s。PCI网卡主要可分为10Mb/sPCI网卡、10/100Mb/sPCI自适应网卡和千兆服务器网卡三种类型。10Mb/sPCI网
5、卡价格较便宜，被低端用户广泛采用；10/100Mb/sPCI自适应网卡作为当今的主流产品，已逐渐为广大用户接受，10/100Mb/sPCI自适应网卡可根据需要自动识别连接网络设备的工作频率，自动工作于10Mb/s或100Mb/s的网络带宽下。USB接口网卡是最近几年才出现的产品，主要是为了满足没有内置网卡的笔记本用户，它通过USB接口引出(如图4-7所示)。图4-7USB接口网卡(3)根据接口，网卡又可分为RJ45水晶口、BNC细缆口，AUI及FDDI等几类及综合了这几种插口类型于一身的二合一、三合一网卡。RJ45插口是采用10Baset双绞线的网络接口类型，它的一端就是电脑网卡上的RJ45插
6、口，连接的另一端就是集线器Hub上的RJ45插口，如图4-8所示。而BNC接头是采用10Base2同轴电缆的接口类型，它同带有螺旋凹槽的同轴电缆上的金属接头相连，如T形头等，它主要应用于总线拓扑结构中，网线要使用细同轴电缆。而AUI接口很少用，这种网卡主要应用于总线拓扑结构中，网线要使用粗同轴电缆。FDDI接口主要是应用于光纤网络，比较少见，这种接口的网卡连接起来要求比较严格。图4-810/100Mb/sRJ45接口网卡(4)根据需不需网线，网卡可分为有线网卡和无线网卡两种。有线网卡就是我们平时所使用的普通网卡，有线即需要有网线连接的意思。无线网卡主要为特别用途而应用的网卡，它的最主要特点就是
7、不需要网线，这是因为这种网卡集成了一块具有接收信号功能的IC。现在无线网卡的技术已经非常成熟，一些部门已经大力推广这种无线网络。图4-9为一种无线网卡的外形。图4-9无线网卡4.3 集集 线线 器器集线器(Hub)是网络中最重要的互连设备之一，用来对通信设备进行物理连接。集线器最初是一种线路集中器，后来发展为较为复杂的带交换功能的集中器。集线器的基本功能是信息分发，它把从一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去，如图4-12所示。一些集线器在分发之前将弱信号重新生成，一些集线器整理信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。图4-12集线器示例集线器根据其工作原理又分为被动集线器、主动集线器和智
8、能集线器；根据其端口是否具有交换功能分为交换式集线器和非交换式集线器；也可根据其频宽分为10Mb/s、10/100Mb/s、100Mb/s集线器；还可按配置形式分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器。集线器的连接应考虑所使用的网络传输介质，一般集线器应具有BNC和RJ45两个接口或BNC、RJ45和AUI三个接口。集线器接口数通常有8口、12口、16口、24口等几种。4.3.1 集线器工作原理集线器工作原理1被动集线器被动集线器 顾名思义，被动集线器是相对静止的。它们没有专门的动作来提高网络性能，也不能帮你检测硬件错误或性能瓶颈，它们只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口分发，这是集
9、线器可以做的最简单的事情。如果被动集线器的总带宽为10Mb/s，假如我们共连接了4台工作站，当这4台工作站同时上网时，每台工作站的平均带宽将仅为10/4Mb/s即2.5Mb/s。被动集线器是星型拓扑以太网的入门级设备。被动集线器通常有一个10Base2端口和一些RJ45接头。这个10Base2接头可以用于连接主干。有些集线器还有可连到收发器的AUI端口以建立主干。2主动集线器主动集线器 主动集线器本身含有对信号进行放大的电子部件，即具有信号再生功能。信号再生能使网络更加健壮,容错能力更强，设备之间的距离也增加了。主动集线器具有被动集线器的所有功能，除此之外它还能监视数据、存储转发数据，在转发之
10、前它们检查数据，并不区分优先次序，而是纠正损坏的分组并调整时序。如果信号比较弱但仍然可读，主动集线器在转发前可将其恢复到较强的状态，这使得一些性能不是特别理想的设备也可正常使用。如果某设备发出的信号不够强，使得被动集线器无法识别，那么主动集线器的信号放大器也可以使其继续正常使用。除此之外，主动集线器还可以获知哪些设备失效，从而提供了一定的诊断能力。电磁干扰可能使分组不能按正常时序到达集线器。此时，主动集线器可以将转发的分组重新同步。有时数据根本就到不了目的地，主动集线器通过在单个端口重发分组来弥补数据的丢失。主动集线器还可以调整时序以适应较慢的、错误率较高的连接。此外时序调整实际上可以减少局域
11、网中的冲突次数，因为不需要重复广播数据，局域网就可以传输新的数据。主动集线器提供一定的优化性能和一些诊断能力，它们比简单的被动集线器贵，可以配以多个、多种端口。3智能集线器智能集线器 智能集线器比前两种集线器具有更多的优点，它可以使用户更有效地共享资源。除了具有主动集线器的特性外，智能集线器还提供了集中管理功能。如果连接到智能集线器上的设备出了问题，可以很容易地进行识别、诊断和修补。智能集线器的另一个特性是可以为不同设备提供灵活的传输速率。除了上连到高速主干的端口外，智能集线器还支持到桌面的10Mb/s、16Mb/s和100Mb/s的速率。4.3.2 集线器应用集线器应用在集线器的应用中一定要
12、注意一个规则，即5-4-3规则。它是指任意两台电脑间最多不能超过5段线(集线器到集线器、集线器到电脑间的连接线缆)、4台集线器，并且只能有3台集线器直接与电脑等网络设备连接。如图4-13所示即为10BaseT网络所允许的最大拓扑结构，以及所能级联的集线器层数。其中，位居中间的集线器是网络中惟一不能与电脑直接连接的集线器。5-4-3规则的采用与网络所允许的最大延迟有关。电脑发送完数据后，如果在一定的时间内没有得到回应，那么，它将认为是数据发送失败，于是它会不断地重复发送数据，而对方却永远无法收到。数据在网络中的传输延迟，一方面受网线长度的影响，另一方面也受集线设备的影响，因此，双绞线网络不仅对电
13、缆的传输距离有限制，而且对集线器的数量也有限制。图图4-13 10BaseT网络所允许的最大拓扑结构以及所能级联的集线器层数网络所允许的最大拓扑结构以及所能级联的集线器层数在共享网络中，由于网络内部的所有电脑共享网络带宽，随着所连计算机数目的增多，每个端口所获得的传输速率将下降，为了使每个端口所获得的传输速率提高，我们可以选择速率较高的集线器，但集线器传输速率的提高并不能明显改善因网络数量过多而造成的传输效率的低下。单纯提高集线器传输速率的方式只适用于用户数量较小的网络。当网络中的电脑数量较多，通讯效率明显下降时，可以考虑采用交换机来升级网络，如图4-14所示。图4-14采用交换机的组网方案如
14、果对网络的传输速率要求并不太高，可以只增加一台交换机，然后将集线器和服务器连接至该交换机，连接至不同端口的集线器间可以同时通讯，从而提高了网络传输效率。也可以将所有的集线器全部更换为交换机，网络通讯效率将得到极大的提高。交换机的传输机制与集线器完全不同，交换式网络中每个端口所能提供的传输速率就是网络标称的带宽。4.4 以太网交换机以太网交换机4.4.1 交换机工作原理交换机工作原理当交换机加电时，它会广播一个特殊的帧，然后根据接收到的信息将MAC地址与交换机的端口号对应起来，如图4-15所示。由于交换机中有端口与地址的对应表，因此它能够将数据送往指定的端口，而其它端口可以继续向另外的端口传送数
15、据，从而避免了共享集线器同时只能有一对端口工作的限制。对于一个N端口100Mb/s的交换机而言，如果每两个端口相互传送数据，由于每对端口在传送时都拥有100Mb/s的频宽，因此理论上可以获得的最大频宽为100N/2(Mb/s)，如图4-16所示。但是，如果有多个端口同时要传送数据到同一端口，此时将和共享集线器一样由多个端口争用100Mb/s带宽。图4-15交换机工作示意图地址表端口MAC地址1A1B2C2D3E3F4G图4-16100Mb/s交换机1端口交换端口交换端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段(每条网段为一个广播域)，不用网桥或路由连接，网络之
16、间是互不相通的。以太模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为模块交换、端口组交换、端口级交换等。2帧交换帧交换帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲，每个公司的产品实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：(1)直接交换。交换机只要接收并检测到目的地址字段后就立即将该帧转发出去，而不管该帧数据是否正确。帧出错检测任务由节点主机完成。(2)存储转发。交换机首先完整地接收发送帧，并先进行差错检测。如果
17、帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，再将其转发出去。前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。3信元交换信元交换ATM采用固定长度为53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标节点间建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25Mb/s、155M
18、b/s、622Mb/s甚至数Gb/s的传输能力。4.4.2 交换机的使用交换机的使用图4-17交换机使用示例图4-17交换机使用示例图4-18隔离客户机与服务器间的通信交换机的另一个优点是它能够连接不同运行速度的网段，它可以将一个以10Mb/s速率运行的端口读入数据帧，然后把帧存储在它的缓存中，然后从一个以100Mb/s速率运行的端口发送数据帧。和上面提到的一样，如果很大的通信量从多个端口进入交换机，并且同时发往同一个服务器端口，则会产生数据量可能超过交换机存储帧能力的现象，这时交换机可能会丢失数据，此时网络表现为响应速度降低。对于这种情况的解决有很多方法，常见的方法是使用第三层路由器来代替第
19、二层交换机。因为路由器能提供更为复杂的数据传输机制，允许多个信道作为主干链路使用。4.5 其它网络互连设备其它网络互连设备4.5.1 中继器中继器信号在网络传输介质中传输时会衰减和受到外界的噪音干扰，使有用的数据信号变得越来越弱。为了保证有用数据的完整性，并在一定范围内传送，我们使用中继器把所接收到的弱信号分离，并再生放大以保持信号的正常。因此，可以看出中继器工作在OSI参考模型中的第一层(物理层)，它主要对网络起延伸作用。使用中继器同样也要考虑543规则。4.5.2 网桥网桥网桥(Bridge)是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥与交换机的基本操作是相同的，主要区别是销售商希望
20、把只提供基本网桥功能的低端网桥与不仅提供网桥功能而且还提供更灵活的性能但价格更贵的交换机区别开来。网桥是根据以太网帧中的48位介质访问控制地址进行操作的，帧和它的48位地址被定义在OSI参考模型中的第二层(数据链路层)，因此网桥被称为第二层设备、链路层设备或MAC层设备。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。如图4-19所示，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的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
21、使用的网桥，通过远程网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，则远程网桥必须成对出现，此时网桥也称为半网桥。图4-19网桥示例4.5.3 路由器路由器路由器(Router)工作在OSI参考模型中的第三层(网络层)，是用于连接多个逻辑上分开的网络，经常使用在大型校园网和企业网中。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。路由器具有判断网络地址和选择数据传输路由的功能，它能在多网络互连环境中建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。路由器工作在网络层，它只接收源站或其他路由器的信息，不关心各子网使用的硬件设备
22、，但要求运行与网络层协议相一致的软件。如图4-20所示，局域网A中的源节点201的网络层生成一个或几个分组，这些分组具有源IP地址与目的IP地址。如果局域网A中的源节点201要向局域网C中的目的节点106发送数据，只要将带有源IP地址与目的IP地址分组装配成帧发送出去。连接在局域网A中的路由器接收到帧后，由路由器中的网络层检查分组头，根据分组的目的IP地址去查路由表，确定该分组输出路径，然后将该分组输出到在局域网C中的目的节点106。路由器分为本地路由器和远程路由器。本地路由器用来连接网络传输介质，如光纤、同轴电缆和双绞线；远程路由器用来与远程传输介质连接，并要求有相应的设备。图4-20路由器
23、工作示例4.5.4 网关网关网关(Gateway)工作在网络层。在一个计算机网络中，当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，要选用网关设备。网关的功能体现在OSI模型的高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。由于协议转换是一件复杂的事，一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，因而网关很难实现通用的协议转换。用于网关转换的应用协议有电子邮件、文件传输和远程工作站登录等。另外，将专用网络连接到公共网络的路由器也称为网关(如图4-21所示)。目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。图4-21网关和远程访问网关实现协议
24、转换的方法主要有两种：(1)将输入网络信息包的格式直接转换为输出网络信息包的格式。当网关连接两个网络时，最简单的方法是直接将输入网络的信息包格式转换成输出网络信息包的格式。连接两个网络的网关要进行相互的通信就必须进行相互的协议转换，即网络1到网络2和网络2到网络1。同样，对于连接三个不同网络的网关必须能进行6种协议的转换。对于连接N个网络的网关，则需要N(N?1)种协议转换。随着网络数目的增多，网关的工作量也急剧增加，因此提出了第二种网关工作方式。(2)将输入网络信息包的格式先转换成一种统一的标准格式。为避免网关的工作量也急剧地增加，我们可以制定一种统一的标准网间信息格式，网关在输入端将输入包
25、先转换成标准信息包的格式，然后在输出端再将标准格式转换成输出网络信息包格式，即网络1到网间、网间到网络1、网间到网络2、网络2到网间。如果网关连接N种网络，则需要2N种转换协议，这样将比第一种大大减少设计工作量。4.6 调调 制制 解解 调调 器器Modem其实是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称，译成中文就是“调制解调器”。Modem的主要功能就是将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号或将电话线上传输的模拟信号转换成计算机中的数字信号(如图4-22所示)。现在的Modem基本上都带有传真和语音功能，所以通常又叫Fax/Voice/Modem。图
26、4-22调制解调器应用示例4.6.1 认识调制解调器认识调制解调器1Modem的类别的类别一般来说，Modem大致可以分为以下四类：(1)外置式Modem。外置式Modem放置在机箱外面，主机通过串行通讯口连接。这种Modem方便灵巧、易于安装。外置式Modem上有指示灯，可以了解Modem的工作状态。外置式Modem需要使用额外的电源与电缆。(2)内置式Modem。内置式Modem直接插在主板插槽上使用，由主板电源供电，无需额外的电源与电缆。内置Modem制造工艺简单，成本低，所以售价便宜，但它需要占用主板上的一个扩展槽和一个中断，还要拆机箱。在安装时需要参考厂家的使用说明书或用户手册。(3
27、)PCMCIA插卡式Modem。插卡式Modem主要用于笔记本电脑，体积纤巧。配合移动电话，可方便地实现移动办公。(4)机架式Modem。机架式Modem相当于把一组Modem集中于一个箱体或外壳里，并由统一的电源进行供电。机架式Modem主要用于Internet/Intranet、电信局、校园网、金融机构等网络的中心机房。除传统的电话线Modem外，还有ISDN、CableModem、ADSL等形式。2Modem的传输模式的传输模式Modem最初只是用于数据传输，然而随着用户需求的不断增长又出现了以下一些传输模式。(1)传真模式(FaxModem)。通过Modem进行传真，省下了一台专用传真
28、机的费用，另外可以直接把计算机内的文件传真到对方的计算机或传真机，而不用把文件打印出来，并且可以把接收到的传真方便地进行保存或编辑。(2)语音模式(VoiceModem)。语音模式主要提供了电话录音留言和全双工免提通话功能，真正使电话与电脑融为一体。3Modem的传输速率与调制速率的传输速率与调制速率Modem的传输速率指的是Modem每秒钟传送的数据量大小，以b/s(比特/秒)为单位。平常说的14.4k、28.8k、33.6k指的就是Modem的传输速率。Modem的传输速率是由Modem所支持的调制协议所决定的：V.21针对300b/s的全双工Modem，V.22针对600b/s、1200
29、b/s、2400b/s的全双工Modem，V.22bis针对1200b/s和2400b/s的全双工Modem，V.32针对4800b/s和9600b/s的全双工Modem，V.32bis将V32标准扩充到7200b/s与14.4kb/s，V.34针对28.8kb/s全双工标准协议，V.90针对56kb/s全双工标准协议。以上我们所讲的传输速率均是在理想状况下得出的，而在实际使用过程中，Modem的速率往往不能达到标称值。实际的传输速率主要取决于以下几个因素：电话线路的质量、是否有足够的带宽、对方的Modem速率。Modem所支持的调制协议是向下兼容的，实际的连接速率取决于速率较低的一方。因此，
30、如果对方的Modem是14.4kb/s的，即使你用的是56kb/s的Modem，也只能以14400b/s的速率进行连接。Modem的调制速率指的是从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是波特(Baud)。由国际电信联盟(ITU)起草的V.92标准在2000年11月获得批准。V.92在V.90标准的基础上体现了三个基本优势：第一，V.92可以将最大数据上传速率提高40%，提供与宽带相仿的性能；第二，由于大多数拨号用户在各自场所连接相同的号码，V.92可在这些已连接过号码的连接中，提供10s的快速启动功能，起到了减少连接时间的作用；第三，当电话网络显示外线电话进入并处于等待状
31、态时，V.92调制解调器提供了在线接听功能，从而减少了用户加装另一条语音线的需要。4.6.3 ADSL Modem 传统的电话系统使用的是铜线的低频部分(4kHz以下频段)，而非对称数字用户线路ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)采用DMT(离散多音频)技术，将原先电话线路0Hz1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3kHz的子频带。其中，4kHz以下频段仍用于传送POTS(传统电话业务)，20138kHz的频段用来传送上行信号，138kHz1.1MHz的频段用来传送下行信号。DMT技术可根据线路的情况调整在每个信道上所调制的比特数，以便更充分地利用线路
32、。一般来说，子信道的信噪比越大，在该信道上调制的比特数越多。如果某个子信道的信噪比很差，则弃之不用。由此可见，对于原先的电话信号而言，仍使用原先的频带，而基于ADSL的业务，使用的是话音以外的频带。因此它利用数字编码技术从现有铜质电话线上获取最大数据传输容量，同时又不干扰在同一条线上进行的常规话音服务。用户可以在上网的同时打电话或发送传真，而这将不会影响通话质量或降低下载Internet内容的速度。ADSL提供三个信息通道：一个速率为1.58Mb/s的高速下行通道，用于用户下载信息；一个速率为16Kb/s1Mb/s的中速双工通道，用于用户上传输出信息；一个普通的老式电话服务通道，用于普通电话服
33、务。因此，ADSL能够向终端用户提供8Mb/s的下行传输速率和1Mb/s的上行传输速率,比传统的28.8k模拟调制解调器快将近200倍。这也是传输速率达128Kb/s的ISDN(综合业务数据网)所无法比拟的，同时ADSL的传输距离可达到35km。ADSL的核心是编码技术，目前有离散多音复用DMT和抑制载波幅度和相位CAP两种主要方法。两种方法的共同点是DMT和CAP都使用正交幅度调制(QAM)。DMT技术复杂，成本也要稍高一些，但由于DMT对线路的依赖性低，并且有很强的抗干扰和自适应能力，已被定为标准。DMT使用04kb/s频带传输电话音频，用26kb/s1.1Mb/s频带传输数据，并把它以4kb/s的宽度分为25个上行子通道和249个下行子通道。传输速度计算公式为：信道数每信道采样值位数调制速度本章作业P841、2、5
