3.2 网络互连设备

项目3认识计算机网络设备——3.2网络互连设备计算机网络技术与应用全国中等职业学校计算机类通用教材本课件的文字及图片版权均为南京凤凰康轩所有网卡网络接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard）又称网络适配器（NIA，NetworkInterfaceAdapter），简称网卡。用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间的相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。在局域网中，每一台联网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络系统。网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能。网卡的功能网卡是LAN的接入设备，起着向网络发送数据、控制数据流量、接受并转换数据的作用。它具有以下主要功能：实现局域网中传输介质的物理连接和电气连接代表着一个固定的地址执行网络控制命令实现OSI参考模型中的数据链路层的功能对传送和接收的数据进行缓存按照OSI协议物理层传输的接口标准，实现规定的接口功能网卡的MAC地址每一块网卡都带有一个与其他网卡不一样的编号，作为识别LAN结点的标识，这个编号在网络中称为MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）地址（物理地址）。网卡的MAC地址通常是由网卡生产厂家刻入网卡的EPROM（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写）上，它存储的是传输数据的计算机和接收数据的主机的地址。形象地说，MAC地址就如同我们的身份证号码，具有全球唯一性。著名的以太网卡，其物理地址是48bit的整数，如：44-45-53-54-00-00，以计算机可读的方式存入主机接口中。如何获取本机的MAC地址？在Windows98/Me中，依次单击“开始→运行”，输入“winipcfg”，再按回车键，即可看到MAC地址。在Windows2000/XP中，依次单击“开始→运行”，输入“cmd”，按回车键，再输入“ipconfig/all”，再按回车键，即可看到MAC地址。网卡的工作原理在网卡上有一定容量的缓存，当网上传来的数据到达本工作站时，首先被暂时存放在网卡的缓存中。而CPU并不知道网卡何时从网络上收到待处理的数据，因此网卡与CPU之间必须有一种有效的联系方法，使得CPU能够知道网卡上当前有无数据需要处理。一种方法是CPU周期性地不断查询网卡，其缺点是：如果周期太长，大量数据被放在网卡缓存中得不到处理，有可能造成部分数据丢失，同时对网卡缓存容量要求较高；如果周期短，又会大大浪费CPU处理能力，降低CPU的实际工作效率。一些老式网卡采用这样的工作方式，目前已经较少使用了。另一种沟通CPU与网卡的方法，也是目前较流行的一种方法，则是由网卡来通知CPU在某个时候来处理新来的数据，网卡的这种工作方式被称为中断请求。CPU接收到网卡的申请后，会通知主板上的直接存储器访问芯片（DMA），将数据送入内存中，而CPU一旦空闲便会处理网卡上的数据。网卡的类型按网卡的总线接口类型来分，一般可将网卡分为ISA网卡、PCI网卡、PCI-X网卡、PCMCIA网卡和USB接口网卡。按网卡的网络接口类型来分，可将网卡分为RJ-45接口网卡、BNC接口网卡、AUI接口网卡、FDDI接口网卡和ATM接口网卡。按网卡的传输速率划分，目前主流的网卡主要有10Mbps网卡、100Mbps以太网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps（千兆）以太网卡及10Mbps/100Mbps/1000Mbps自适应以太网卡等。除了以上几类网卡外，另外还有一些新兴类型的网卡，如现在非常流行的无线网卡。集线器集线器（Hub）主要应用于局域网中，作用于OSI参考模型的第一层，因此又被称为物理层设备。集线器内部采用了电器互连结构，可连接多个用户结点，且每个结点都通过一条专用电缆和集线器连接，所以从某种意义上讲，可以将集线器看作是多端口的中继器。如下图所示。集线器的缺陷数据传输速率低基于集线器的网络仅仅是一个共享集线器内部总线的局域网，所以当多台计算机同时发送数据时就好像上、下行通道在同时发送信号，集线器内部会产生信号碰撞现象，并产生碰撞强化信号（Jam）向集线器所连接的目标端口进行传送。这时所有数据都将不能发送成功，形成“网络塞车”，这样就降低了数据传输效率。不具备交换机的“记忆能力”和“学习能力”在集线器传输过程中，无论从哪一个端口收到一个数据包时，都会将此数据包广播到其他端口，没有针对性，而且集线器也没有交换机所具备的MAC地址表，不具有寻址功能，所以它并不记忆每个端口所连接网卡的MAC地址。采用“广播技术”为数据发送方式，存在着三点不足数据通信不安全，易受网络黑客非法截取数据包；共享带宽的工作方式降低了网络执行效率；非双工传输方式减低了网络通信效率，不能满足大型网络通信需求。集线器的类型按端口数量来分，目前主流集线器主要有8口、16口和24口等大类，但也有少数品牌提供非标准端口数，如4口和12口的，还有5口、9口、18口的集线器产品。集线器也有带宽之分，如果按集线器所支持的带宽不同分类，通常可分为10Mbps、100Mbps、10Mbps/100Mbps三种。随着网络技术的不断发展，集线器技术也在不断改进，发展到了今天的具有堆叠技术的堆叠式集线器，有的集线器还具有智能交换机功能。可以说集线器产品已在技术上向交换机技术进行了过渡，具备了一定的智能性和数据交换能力。但随着交换机价格的不断下降，集线器仅有的价格优势已不再明显，市场越来越小，处于被淘汰的边缘。交换机交换机的英文名称为“Switch”，它是集线器的升级换代产品，从外观上来看，它与集线器外形基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方体。交换机是按照通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路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。目前一些高档交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（VirtualLocalAreaNetwork，虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有路由和防火墙的功能。此外，交换机还可以有效地隔离广播风暴，减少误包和错包的发生，并避免网络共享冲突。具体方法是通过交换机给网络“分段”，然后通过对照MAC地址表，只允许必要的网络流量通过交换机。交换机的组成交换机主要是由背板、端口、缓冲区、逻辑控制单元和交叉矩阵等部件组成。背板与计算机主板相似，可在上面插多个板卡。逻辑控制单元集成电路和交叉矩阵电路部件都设计在背板上。端口是一排物理接口，每个端口可连接一个站点或一个LAN。各端口之间可同时形成多个数据通道。端口之间的帧输入和输出不受CSMA/CD协议控制。在交换机上同时存在三个数据通道，连接站点与站点、站点与LAN、LAN与LAN，因此，相当于大大提高了网络带宽。逻辑控制单元管理交换机，识别连接到端口的LAN类型，自动进行源端口到目的端口的动态连接，并对每个端口进行流量控制。交叉矩阵交换机的矩阵部件是一个在每两个端口之间都存在连接的交叉开关电路。它一旦接收到来自逻辑控制单元的指令，就启动源端口与目的端口之间的交叉连接，并保持该连接，直到数据帧通过并被确认。交换机的交换原理交换机属于数据链路层设备，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，如下图所示。交换机的类型根据网络覆盖范围分为局域网交换机和广域网交换机。根据传输介质和传输速度划分，可以将交换机分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆（G位）以太网交换机、10千兆（10G位）以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。根据交换机所应用的网络规模，可以将交换机划分为企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机等。根据工作在OSI中的层次，交换机可分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。交换机与集线器的区别在OSI/RM（OSI参考模型）中的工作层次不同数据传输方式不同带宽占用方式不同传输模式不同总之，集线器属于纯硬件网络底层设备，且工作于物理层。集线器基本上不具有类似于交换机的“智能记忆”能力和“学习”能力，也不具备交换机的MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的，采用广播方式发送。交换机基于MAC地址识别，工作于数据链路层，是能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并将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，可以使数据帧直接由源地址到达目的地址。路由器路由器（Router）是工作在OSI第三层（网络层）上的互连设备，如下图所示。它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网。因为路由器的互连功能更强，因而能获得更多的信息，为到来的数据分组找到最佳路径。路由器与网络协议有关，利用互连网络协议，可以为网络管理员提供整个网络的信息，以便管理网络。路由器的功能路由器是在网络层对分组信息进行存储、转发来实现多个网络互连的。因此，路由器具有以下基本功能。协议转换路由选择多种协议的路由选择流量控制过滤与隔离分段和组装网络管理路由协议通过路由协议，路由器可动态适应网络结构的变化，并找到到达目的网络的最佳路径。路由协议很多，其中最常用的是RIP（RoutingInformationProtocol，路由信息协议）OSPF（OpenShortestPathFirst，开放式最短路径优先协议）BGP（BorderGatewayProtocol，边界网关协议）路由器的防火墙功能防火墙是隔离本地和外部网络的一道防御系统。早期低端的路由器大多没有内置防火墙功能，而现在的路由器几乎普遍支持防火墙功能，它能有效地提高网络的安全性。防火墙常用的功能主要有：报文过滤状态检测攻击防御流量控制内容过滤日志管理路由器的类型从支持网络协议能力的角度，可把路由器分为单协议路由器和多协议路由器。从所处网络位置划分，通常把路由器划分为边界路由器和中间结点路由器。从功能上划分，可将路由器分为骨干级路由器，企业级路由器和接入级路由器。路由器与交换机的区别工作层次不同最初的交换机是工作在OSI参考模型的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在OSI参考模型的网络层。数据转发所依据的对象不同交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。而路由器则是利用不同网络的ID号（即IP地址）来确定数据转发的地址。传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域，而路由器可以分割广播域路由器提供了防火墙的服务路由器仅仅转发特定地址的数据包，不传送那些不支持路由协议的数据包和未知目标网络的数据包，从而可以防止广播风暴