《计算机网络导论》第三章

第 三 章 网 络 硬 件 中 继 器集 线 器 网 卡交 换 机路 由 器 网 关 调 制 解 调 器网络互连物理层的互连设备 数据链路层的互连设备网络层的互连设备高层的互连设备网 络 硬 件 网络互连（联）就是指不同网段、网络或子网之间通过网络的连接或互连设备（中继器、网桥、路由器或网关等）实现各个网络段或子网间的互相连接，其目的在于实现各个网段或子网之间的数据传输、通信、交互与资源共享。 网络设备的功能层次OSI层 次 地 址 类 型 设 备传 输 层 及 以 上 应 用 程 序 进 程 地址 （ 端 口 ） 网 关（ 协 议 转 换 器 ）网 络 层 网 络 地 址（ IP地 址 ） 路 由 器（ 三 层 交 换 机 ）数 据 链 路 层 物 理 地 址（ MAC地 址 ） 网 桥 、 交 换 机（ 网 卡 ）物 理 层 无 中 继 器 、 集 线 器 、（ 网 卡 ） 3.1网 络 接 口 卡 (NIC)3.1.1 组 成 和 功 能1. 基 本 组 成 主 控 芯 片 、 数 据 泵 、 LED状 态 指 示 灯 、 Boot ROM芯 片 插 槽2. 功 能 （ 1） 数 据 的 封 装 与 解 封 ， 信 号 的 发 送 与 接 收 （ 2） 介 质 访 问 控 制 的 协 议 的 实 现 （ 3） 串 /并 行 转 换 （ 4） 编 码 /译 码3. 工 作 原 理 网 卡 地 址 ： 即 网 卡 的 物 理 地 址 ， 或 称 为 MAC地 址 ， 固 化 在 网 卡 硬 件 中 （ 有 些 网 卡 可 由 用 户 修 改 ） 配 置 参 数 （ 跳 线 设 置 / 软 件 设 置 / PnP） 中 断 请 求 号 IRQ I/O基 地 址 I/O Base 存 储 器 基 地 址 Memory Base 全 双 工 / 半 双 工 传 输 速 率 网 卡 的 配 置 参 数 3.1.2 类 型1.按 连 接 的 传 输 介 质 分 类 AUI(10M)、 BNC-T(10M)、 RJ-45(10M,100M,10/100M)、 光 纤 接 口 、 无 线2. 按 照 总 线 类 型 分 类ISA、 PCI、 PCMCIA、 USB等 （ 1） ISA网 卡 （ 工 业 标 准 体 系 结 构 ） ISA接 口 的 网 卡 有 两 种 ： 8位 ISA网 卡 和 16位 ISA网 卡 。 8位 ISA网 卡 目 前 已 被 淘 汰 ， 市 场 上 常 见 的 是 16位 ISA接 口 的 10M网 卡 ，它 的 惟 一 好 处 就 是 价 格 低 廉 ， 如 比 较 有 名 的 NE2000等 ， 适 合于 一 些 如 网 吧 等 要 求 不 高 的 场 合 使 用 。 （2）PCI网卡 PCI网 卡 的 理 论 带 宽 为 133M。 PCI网 卡 又 可 分 为 10M PCI网 卡 和10/100M PCI自 适 应 网 卡 两 种 类 型 。 10M PCI网 卡 价 格 较 便 宜 ， 被 低 端 用户 广 泛 采 用 ； 而 10/100MPCI自 适 应 网 卡 作 为 当 今 的 主 流 产 品 ， 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 10M或 100M的 网 络 带宽 下 。 PCI总 线 网 卡 的 另 一 好 处 是 比 ISA网 卡 的 系 统 资 源 占 用 率 要 低 得 多 。 （3）PCMCIA网卡 通 常 ， 台 式 机 和 服 务 器 等 用 的 网 卡 均 不 支 持 PCMCIA标 准 ，PCMCIA是 专 门 用 在 笔 记 本 或 PDA、 数 码 相 机 等 便 携 设 备 上 的一 种 接 口 规 范 （ 总 线 结 构 ） 。 也 就 是 笔 记 本 网 卡 通 常 都 支 持PCMCIA规 范 ， (PCMCIA是英文“PERSONAL COMPUTER MEMORY CARD INTERNATIONAL ASSOCIATION”的缩写 ) PCMCIA总 线 分 为 两 类 ， 一 类 为 16位 的 PCMCIA， 另 一 类 为 32位 的 CardBus。 （ 4） USB网 卡 USB接 口 网 卡 ， 主 要 是 为 了 满 足 没 有 内 置 网 卡 的 笔 记 本 用 户 。它 通 过 主 板 上 的 USB接 口 引 出 来 的 。 3.1.3安 装 与 配 置1. 安 装 2.驱 动 程 序 的 安 装驱 动 程 序 是 一 个 能 让 计 算 机 与 系 统 中 的 硬 件 设 备通 话 的 程 序 。 在 【 控 制 面 板 】 窗 口 中 ， 鼠 标 双 击 【 添 加 新 硬 件 】 图 标 ， 系统 会 运 行 “ 添 加 新 硬 件 ” 的 向 导 程 序 指 导 我 们 一 步 步 地 安 装网 卡 驱 动 程 序 。 如 何 确 定 网 卡 是 否 成 功 地 安 装 :在 【 控 制 面 板 】 窗 口 中 ， 鼠 标双 击 【 系 统 】 图 标 ， 进 入 【 系 统 属 性 】 窗 口 . 3. 查 看 网 卡 占 用 的 资 源 设 备 管 理 器 窗 口 网 卡 属 性 3.2 集 线 器3.2.1概 述多 端 口 的 中 继 器 ， 工 作 在 物 理 层功 能 ： 在 网 段 之 间 复 制 比 特 流 ， 信 号 整 形 和 放 大可 认 为 它 是 将 总 线 折 叠 到 铁 盒 子 中 的 集 中 连 接 设 备特 点 ：具 有 与 中 继 器 同 样 的 特 点 可 改 变 网 络 物 理 拓 扑 形 式 ： 总 线 连 接 星 形 连 接 逻 辑 上 仍 是 一 个 总 线 型 共 享 介 质 网 络端 口 数 ： 8， 12， 16， 24作 用 ： 双 向 转 发 、 接 收 信 号 、 复 制 放 大 信 号 、 广 播 信 号 3.2.2分 类1. 按 带 宽 分 类 10Mbps、 100Mbps、 10/100Mbps2.按 是 否 可 进 行 网 络 管 理 划 分v 网 管 型 允 许 用 网 管 软 件 对 其 进 行 管 理 的 集 线 器 ， 它 内 部包 含 有 CPU等 智 能 控 制 部 件 。 在 需 要 进 行 网 络 管 理 的 中 大 型 网 络 系 统 中 ， 一 般都 要 求 使 用 智 能 集 线 器 （ 后 面 将 要 介 绍 的 网 络 交换 机 也 需 要 是 智 能 化 的 ） 。 v 非 网 管 型 不 能 用 网 管 软 件 进 行 管 理 的 集 线 器 。 小 型 网 络 为 降 低 成 本 ， 一 般 使 用 普 通 集 线 器 。 独 立 式 （ Stand alone） 固 定 端 口 配 置 ， 扩 充 时 用 级 连 的 方 法 。 堆 叠 式 （ Stackable） 固 定 配 置 ， 用 堆 叠 方 法 进 行 扩 充 堆 叠 连 接在 一 起 的 HUB在 逻 辑 相 当 于 一 台 单 独 的 HUB， 可统 一 管 理 。 模 块 化 （ Module） 又 称 机 箱 式 ， 由 一 台 带 有 底 板 、 电 源 的 机 箱 和若 干 块 多 端 口 的 接 口 卡 （ 线 卡 ） 组 成 。 可 灵 活 按需 配 置 ， 通 过 插 入 不 同 的 插 卡 满 足 需 求 （ 如 插 入交 换 卡 、 路 由 卡 、 加 密 卡 等 ） 。3. 按 照 结 构 划 分 3.2.3 集 线 器 的 连 接1.与 计 算 机 的 连 接 直 通 双 绞 线 （ =100m） 连 接 普 通 端 口2.集 线 器 与 集 线 器 的 连 接1） 细 缆 连 接2） 级 联 （ 双 绞 线 连 接 段 的 距 离 不 能 超 过 100m）使 用 级 联 端 口 （ 直 通 双 绞 线 连 级 联 端 口 和 一 普 通 端 口 ）使 用 普 通 端 口 （ 交 叉 线 连 接 ）3） 堆 叠 专 用 堆 叠 端 口 连 接 （ 堆 叠 连 线 不 超 过 1m） 使 用 级 联 端 口 实 现 级 联 使 用 普 通 端 口 实 现 级 联 3.3 交 换 机3.3.1 概 述传 统 交 换 机 ： 数 据 链 路 层 外 观 与 集 线 器 相 似 一 个 端 口 一 个 分 段 ， 每 个 端 口均 有 自 己 的 带 宽 ， 传 输 速 率 比 较高 通 过 内 部 交 换 矩 阵 实 现 多 个 信道 同 时 传 输 信 息 堆 叠 式 交 换 机 独 立 交 换 机千 兆 以 太 网 模 块 化 交 换 机 交 换 机 转 发 过 程 ： 交 换 机 的 一 个 端 口 收 到 一个 数 据 帧 时 ， 首 先 检 查 该 数 据 帧 的 目 的MAC地 址 在 MAC地 址 表 (CAM)对 应 的 端 口 ，如 果 目 的 端 口 与 源 端 口 不 为 同 一 个 端 口 ， 则把 帧 从 目 的 端 口 转 发 出 去 ， 同 时 更 新 MAC地 址 表 中 源 端 口 与 源 MAC的 对 应 关 系 ； 如果 目 的 端 口 与 源 端 口 相 同 ， 则 丢 弃 该 帧 。 交换机通过内部的交换矩阵把网络划分为多个网段每个端口为一个冲突域；交换机能够同时在多对端口间无冲突地交换帧。 若交换机每个端口带宽为BW，则交换机构成的网络 网络总带宽 (BW*n)/2 BW*n n8，BW=10Mb/s时，网络总带宽最高可达80Mb/s；连接到交换机端口上的每台计算机的带宽为10Mb/s 。比较： 10Mb/s 的8口集线器构成的网络（连接了8台计算机）网络总带宽仍为10Mb/s ；网络中每台计算机的带宽为1.25Mb/s。 存储转发（Store and forward）整个帧完整接收后，对帧进行差错检验，然后再进行转发操作。优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段。缺点：延迟比较大。直通转发（Cut-through）只要收到帧的前6个字节（目的MAC地址），就开始进行转发操作。优点：交换延迟小。缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段。无碎片直通转发（Fragment free cut-through）接收到一帧的前64字节后，再进行转发操作。小于64字节的帧不转发。 帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧）。优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时大于直通转发。 分割冲突（碰撞）域减少了冲突；允许建立多个连接提高了网络总体带宽；减少每个网段中的站点数提高了站点平均拥有带宽；允许全双工连接提高带宽；能够连接不同速度的网段。 作为LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等；网络通信流量很大的应用场合，如图像处理、视频流等；对网络响应速度要求比较高的场合。 3.3.2 分 类1. 按 速 率 分 ： 10Mb/s、 10/100Mb/s、 1000Mb/s、10/100/1000Mb/s2. 按 是 否 具 有 可 管 理 性 非 网 管 型 交 换 机 网 管 型 交 换 机3. 按 是 否 具 有 可 扩 展 性 分 固 定 端 口 交 换 机 模 块 化 交 换 机 3.3.3 级 联 与 堆 叠1. 交 换 机 的 级 联 不 受 品 牌 和 型 号 的 制 约1） 使 用 级 联 端 口 级 联2） 使 用 普 通 口 级 联2. 交 换 机 的 堆 叠 需 要 专 用 的 堆 叠 模 块 和 堆 叠 线 缆 使 用 普 通 口 级 联 3.借 助 光 纤 端 口 级 联 或 堆 叠 通 过 GBIC（ 吉 比 特 接 口 转 换 器 ， 用 于 以 太 网和 光 纤 系 统 间 的 接 口 设 备 ， 发 送 接 收 设 备 ， 两 个端 口 ） 插 槽 可 实 现 与 服 务 器 或 高 速 主 干 网 络 的 连接 ， 也 可 用 于 交 换 机 间 的 级 联 和 堆 叠 工作在OSI第三层（网络层）。功能：在网络之间转发网络分组和路径选择；为网络分组寻找最佳传输路径；实现子网隔离，限制广播风暴。(目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播比较网络交换机)提供逻辑地址，以识别互联网上的主机；提供广域网服务。应用：把LAN连入广域网或作为广域网的核心连接设备。v路 由 器 与 交 换 机 的 主 要 区 别 ：用 路 由 器 连 接 起 来 的 若 干 个 网 络 ， 它 们 仍 是 各 自 独 立 的 。 要 想 从 一个 网 络 访 问 用 路 由 器 连 接 起 来 的 另 一 个 网 络 中 的 站 点 ， 必 须 指 定 该 站点 的 逻 辑 地 址 （ IP地 址 ） ， 通 过 广 播 是 无 法 与 之 进 行 通 信 的 。3.4 路 由 器3.4.1 概 述 功 能 ：（ 1） 网 络 互 联（ 2） 分 组 转 发工 作 原 理 通 过 计 算 路 由 表 ， 为 经 过 路 由 器 的 每 一 个 数据 帧 寻 找 一 条 最 佳 路 径 ， 并 将 该 数 据 有 效 的传 送 到 目 的 站 点 。路 由 表 ： 静 态 路 由 表 、 动 态 路 由 表 3.4.2 路 由 器 的 分 类1、 按 结 构 分 非 模 块 化 结 构 路 由 器 提 供 类 型 和 数 量 一 定 的 端 口 ， 可 扩 展 性 差 。 模 块 化 结 构 路 由 器 可 扩 展 性 好 ， 可 支 持 多 种 端 口 类 型 。2、 按 性 能 分 低 端 固 定 路 由 器 ： cisco 800 低 端 可 变 路 由 器 :cisco 1600 中 端 路 由 器 :cisco 3600 高 端 路 由 器 : cisco 7500 3.4.3 路 由 器 的 端 口 与 连 接1、 配 置 端 口 控 制 台 端 口 、 辅 助 端 口2、 局 域 网 端 口 以 太 网 端 口 （ 多 个 ） 、 SC端 口 (光 纤 端 口 )3、 广 域 网 接 口 异 步 串 行 口 、 同 步 串 行 口 1. 第三层交换机的概念 第三层交换机工作在OSI参考模型的第三层，因此，它除了具有第二层的功能外，还具有第三层的“选路”（路由）功能，其功能主要是由硬件实现的。2. 第三层交换机与路由器的联系与区别3. 第三层交换机和路由器的应用示例 在连接局域网中的各个子网时，第三层交换机是推荐的选择，而在通过广域网连接远程子网或者是Internet时，路由器则是最佳的选择。 路 由 器 和 第 三 层 交 换 机 的 典 型 应 用 1. 网 关 的 定 义 和 基 本 概 念（ 1） 网 关 的 定 义 网 关 （ Gateway） 就 是 将 两 个 或 多 个 在 高 层 使 用不 同 协 议 的 网 络 段 连 接 在 一 起 的 软 硬 件 。 它 的 主 要 作用 是 实 现 不 同 网 络 传 输 协 议 的 翻 译 和 转 换 工 作 ， 因 此又 叫 做 网 间 协 议 转 换 器 。 网 关 的 硬 件 用 来 提 供 不 同 网络 的 接 口 ， 软 件 则 实 现 不 同 网 络 协 议 之 间 的 转 换 。 2. 网关的应用场合 网关能够连接多个高层协议完全不同的局域网。因此，网关是连接局域网和广域网的首选设备。3. 网关的类型（1） 按照网关可以转换的协议数量分类（2） 按照网关的应用类型分类 3.6 调 制 解 调 器 （ modem）3.6.1概 述 数 字 信 号 /模 拟 信 号 的 相 互 转 化 3.6.2 传 统 调 制 解 调 器1、 分 类 外 置 式 、 内 置 式 、 卡 式 、 机 架 型MR： 调 制 解 调 器 就 绪 或 进 行 测 试 TR： 信 号 接收 正 常 SD： 发 送 数据RD： 接 收 数 据 OH： 亮 可 以 拨 号 灭 表 示 停 止拨 号 CD： 载 波 检测AA： 自 动 应 答 HS： 高 速 工作 状 态 内 置 式 机 架 型 2、 标 准 1） 数 据 纠 错 V.42 2） 数 据 压 缩 V.42bis、 V.44 3） 数 据 速 率 V.21、 V.34、V.34annex1201H、 V.90、 V.92 3.6.3 ADSL调 制 解 调 器1、 概 述xDSL（ 任 意 数 字 用 户 线 路 ）用 数 字 技 术 对 现 有 的 模 拟 电 话 用 户 线 进 行 改 造 以 便 于 承 载 宽 带 业 务 。 HDSL、 SDSL、 ADSL、 VDSLADSL（ 非 对 称 数 字 用 户 线 ） 在 一 对 普 通 电 话 双 绞 线 上 提 供 高 速 数 据 服 务 。 上 行 速 率 下 行 速 率2、 标 准 调 制 技 术 ： DMT（ 离 散 多 音 调 制 ） ： 被 ANSI选 为 ADSL的 标 准 G.dmt（ G.992.1） 、 G.Lite（ G.992.2） ADSL2、 ADSL2 plus 3、 原 理 电 话 、 上 行 和 下 行 三 通 道4、 接 入 方 式（ 1） ADSL PPPOE（ 虚 拟 拨 号 业 务 ）（ 2） ADSL专 线 业 务5、 分 类 与 连 接 ADSL分 类 外 置 式 、 内 置 式 、 USB接 口 型 ADSL PPPOE 3.6.4 电 缆 调 制 解 调 器1、 概 述基 于 有 线 电 视 网 的 宽 带 接 入 技 术2、 标 准 ： DOCSIS、 DVB/DAVIC3、 原 理 合 理 分 配 电 缆 的 频 带 达 到 视 频 与 数 字 信 号 共 存4、 分 类 外 置 式 、 内 置 式