2计算机网络的硬件设备讲解

计算机网络技术及实训2第2章计算机网络的硬件设备2.1计算机网络的互连设备2.2计算机网络的设备连接32.1.1网卡网卡，又叫网络适配器，是计算机网络中最重要的连接设备。网卡安装在计算机中，多台计算机通过传输介质(如双绞线或光纤)连接网卡并与某个集中设备(如交换机)相连，是目前最为流行的计算机网络的基本结构。1.网卡的作用⑴代表固定的网络地址在网络中传输数据，必须确定数据从哪台计算机来，到哪台计算机去，如何标识这些计算机呢？这就要靠网卡的物理地址来标识。数据从一台计算机传输到另外一台计算机时，也就是从一块网卡传输到另一块网卡，即从源网络地址传输到目的网络地址。以太网网卡的物理地址(EthernetAddress)是由十六进制数表示的、长度为6个字节的一组数字。所有厂商生产的所有网卡，物理地址绝对不会相同。42.1.1网卡⑵转换数据并将数据送到网线上网络上传输数据的方式与计算机内部处理数据的方式是不相同的，它必须遵从一定的数据格式(通信协议)。当计算机将数据传输到网卡上时，网卡会将数据转换为网络设备可处理的字节，那样才能将数据送到网线上，网络上其它的计算机才能处理这些数据。⑶接收数据并转换数据格式在网络中，网卡的工作是双重的：一方面它将本地计算机上的数据转换格式后送入网络；另一方面它负责接收网络上传过来的数据包，对数据进行与发送数据时相反的转换，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机。52.1.1网卡2.网卡的分类⑴按网卡的工作方式可分为：①半双工：②全双工：一般来说，现在绝大部分的网卡都是全双工的了。62.1.1网卡⑵按网卡的工作对象可分为普通工作站网卡和服务器专用网卡⑶按网卡的总线类型可分为ISA网卡、EISA网卡和PCI网卡⑷按网卡的接口类型可分为BNC接口、AUI接口、RJ-45接口及光纤接口⑸按网卡的传输速率可分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡、1000Mbps网卡几种：72.1.2传输介质1.有线介质⑴双绞线无论是对模拟数据传输还是数字数据传输，最普通的传输介质就是双绞线。它是由按一定规则螺旋结构排列并扭在一起的多根绝缘导线所组成，芯内大多是铜线，外部裹着塑橡绝缘外层，线对扭绞在一起可以减少相互间的幅射电磁干扰。计算机网络中常用的双绞电缆是由4对线(8芯制，RJ-45接头)按一定密度相互扭绞在一起的。82.1.2传输介质按照其外部包裹的是金属编织层还是塑橡外皮，可分为屏蔽双绞线电缆(STP，ShieldedTwistedPair)和非屏蔽双绞线电缆(UTP，UnshieldedTwistedPair)。92.1.2传输介质图2-3非屏蔽双绞线电缆(UTP)图2-4屏蔽双绞线电缆(STP)102.1.2传输介质⑵同轴电缆典型的同轴电缆由一根内导体铜质芯线，外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图2-5所示。在细缆10Base-2网络中，如果要将计算机网卡连接到同轴电缆上，还需要一个T型接头和BNC接插件。用户在安装时不能把不同类型的电缆混合使用，原因是不同型号的同轴电缆其特征阻抗值是不同的，会导致网络连接失败。同轴电缆分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。计算机网络一般选用基带同轴电缆进行数据传输，宽带电缆是采用频分复用和模拟传输技术的同轴电缆，以前采用同轴电缆较多，主要是因为同轴电缆组成的总线形拓扑结构网络成本较低，但是单条电缆的损坏可能导致整个网络瘫痪，维护也难，所以同轴电缆已经是一种将近淘汰的传输介质。112.1.2传输介质图2-5同轴电缆122.1.2传输介质⑶光纤光纤是光导纤维的简称，它由能传导的石英玻璃纤维外加保护层构成，相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点,外观如图2-6所示。外护套加固材料塑料屏蔽层玻璃纤维和包层图2-6光缆结构132.1.2传输介质用光纤传输电信号时，在发送端先将其变成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号。光纤的电信号传送过程如图2-7所示。图2-7光纤的电信号传送过程142.1.2传输介质2.无线传输介质无线传输介质通过空间传输，不需要架设或铺埋地电缆或光纤，给施工带来很大方便。目前常用的无线传输技术有：微波通信和卫星通信。⑴微波通信微波通信的载频通常为2GHz~40GHz范围。因为频率很高，可同时传送多路信息，例如，一个频带为2MHz的频段可容纳500条话音线路，用来传输数字数据，速率可达数Mbps。微波通信的工作频率很高，与短波通信不一样，它是沿直线传播的，由于地球表面是个曲面，使微波传播的距离受限制。直接传播的距离与天线的高度有关，天线越高传播的距离越远，超过一定的距离就要用中继站来接力。152.1.2传输介质⑵卫星通信卫星通信是微波通信的一种特殊形式，卫星通信利用地球同步卫星做中继来转发微波信号。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，一个地球卫星可以覆盖地地球的1/3以上表面，三个这样的卫星就可以覆盖地球全部通信区域，这样，地球上的各个地面站这间都可互相通信。由于卫星通信频带宽，也可采用多路复用技术分为若干个子频道，有些用于由地面站向卫星发送，称为上行信道，而有些用于由卫星向地面转发，称为下行信道。卫星通信的优点是容量大，传输距离远；缺点是传输延迟时间长，对于数万里高度的卫星来说，以200m/μs或5μs/km的信号传播速度来计算，从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟的时间约要花数百毫秒，这相对于地面电缆的传播延迟时间来说，两者要相差几个数量级。16(3)无线电波通信容易产生，可以传输很远的距离，能够穿过建筑物，应用广泛。传输是全方向的传输速度有限制172.1.3集线器集线器(HUB)是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备。集线器基本上是一个共享设备，其实质是一个中继器，主要提供信号放大和中转的功能，它把一个端口接收的全部信号向所有端口分发出去。图2-8是一台标准的24口集线器。图2-8标准的24口集线器182.1.3集线器2.集线器的分类集线器有多种类型，各个种类具有特定的功能、提供不同等级的服务。⑴按总线带宽的不同，集线器分为10M、100M和10M/100M自适应三种；⑵按配置形式的不同可分为独立型、模块化和堆叠式三种；⑶按端口数目的不同主要有8口、16口、24口和32口几种；⑷按工作方式可分为智能型和非智能型两种。19按工作方式区分有较普遍的意义，可以进一步划分为被动无源集线器、主动有源集线器、智能集线器和交换集线器四种。①被动无源集线器(passiveHUB)被动集线器只把多段网络介质连接在一起，允许信号通过，不对信号做任何处理，它不能提高网络性能，也不能帮助检测硬件错误或性能瓶颈，只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口分发，这是集线器可以做的最简单的事情。202.1.3集线器②主动有源集线器(activeHUB)主动集线器拥有被动集线器的所有性能，此外还能监视数据。在以太网实现存储转发功能中，主动集线器在转发之前检查数据，纠正损坏的分组并调整时序，并对微弱信号进行放大后转发。此外，主动集线器还可以报告哪些设备失效，从而提供了一定的诊断能力。③智能集线器(intelligentHUB)智能集线器除了主动集线器的特性外，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，可以很容易地识别、诊断和修补。智能集线器另一个出色的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10/16/100Mbps的速率，即支持以太网、令牌环和FDDI。212.1.3集线器④交换集线器(switchingHUB)交换集线器就是在一般智能集线器功能上又提供了线路交换能力和网络分段能力的一种智能集线器。由于集线器基本上是作为一种共享设备来定义的，因此很多时候也把它划入入门级的交换机类型中。交换机与集线器的区别在于：用集线器组成的网络称为共享式网络，用交换机组成的网络称为交换式网络。同时，集线器只能在半双工方式下工作，而交换机同时支持半双工和全双工操作。222.1.4交换机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。另外，交换机还具备对虚拟局域网(VLAN)的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。如图所示为交换机的外观示意图。交换机外观示意图232.1.4交换机1.交换机的作用⑴端口带宽的独享集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待。而交换机最显著的特点在于端口带宽的独享。在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都是一个独立的冲突域，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。242.1.4交换机当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是100Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×100Mbps＝200Mbps，而使用100Mbps的共享式集线器时，一个集线器的总流通量也不会超出100Mbps。⑵识别MAC地址，并完成封装转发数据包交换机可以识别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。252.1.4交换机⑶网络分段使用带VLAN功能的交换机可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，分割通信量，使前往给定网段的某主机的数据包不至于传播到另一个网段上。这样可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。262.1.4交换机2.交换机的分类⑴从广义上来看，交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如计算机及网络打印机等。⑵从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。⑶从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式(插槽数较少)，也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式(功能较为简单)。⑷从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。272.1.4交换机⑸从交换机工作的协议层来分有第2层交换机、第3层交换机和第4层交换机。第2层交换机依赖于链路层中的信息(如MAC地址)完成不同端口数据间的线速交换；第3层交换机具有路由功能，将IP地址信息用于网络路径选择，并实现不同网段之间的线速交换；第4层交换机则使用传输层包含在每一个IP包包头的服务进程/协议(例如HTTP是用于传输Web，FTP是用于文件传输，Telnet用于终端通信、SSL用于安全通信等)进行交换和传输处理，实现带宽分配、故障诊断和对TCP/IP应用程序数据流进行访问控制功能。282.1.5路由器1.路由器的作用一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器是广域网与局域网连接时必不可少的互连设备，它将数据分组“封装”到含有路由和传送信息的数据包中，在公共数据网中传送。当路由器收到一个数据包后，读出其中的源和目标网络地址，然后根据路由表中的信息，利用复杂的路由算法，为数据包选择合适的路由并转发该数据包。数据包到达目标节点前的路由器后，分解为数据链路层所认识的数据帧，并把它传送到目标节点。这种转发和拥塞控制，减少数据传输的盲目性和平衡网络流量，改善网络性能。同时，延伸网络距离，实现局域网接入Interne