计算机网络设备

计算机网络技术计算机网络技术倪玉兴 主讲江南大学人文学院教育技术系计算机网络技术计算机网络技术第7章 网络设备Ch7 Network Devices2024/5/172江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有Ch7 网络设备第7章的主要内容了解计算机联网设备的基本概念，掌握常用联网设备的基本知识：物理层设备、数据链路层设备和网络层设备。通过课程实验初步掌握常用联网设备的基本使用技能。第7章的授课安排课堂讲授：610课时 课外12课时第7章的重点和难点集线器、交换机的基本知识三层交换机和路由器的基本知识2024/5/173江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有Ch7 网络设备2024/5/174江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有引言计算机网络设备及传输介质的知识技能与组建网络的实践直接相关，如果没有感性认识和直接接触使用，很难有良好的接受与理解程度，因此在课程安排的实验完成后应重新回顾和巩固本章的相关知识。在学习计算机网络设备知识与技能的过程中应紧扣所学的理论知识，尤其是计算机网络体系结构的相关理论。计算机网络设备在本门课程中只是做一般性的学习要求，并不能完全满足实用的需求，更多更详细的相关理论知识与技术技能等在后续的相关课程中进一步展开实施教学。计算机网络设备和相关技术更新速度快且种类繁多，课程中仅涉及相对较老的应用最广泛的设备和技术，在此基础上可进一步了解较新的和其他类型的设备与技术。2024/5/175江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有CH7 CH7 网络设备网络设备第1节 网络设备概述Section1 Introduction to Network Devices2024/5/176江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有计算机网络设备概述再从计算网络通信所必需的信道说起信道是两节点间实现信号和数据传输与交换的通道，是实现通信的必要条件。通信信道的基本构成仅有传输介质并不能构成完整的通信信道，但传输介质是构成通信信道的必要基础。参与通信的所有设备都必须通过各种相关的网络设备利用传输介质连接在一起形成通信信道和拓扑结构。通信信道的通信质量由传输介质及相关的网络设备共同决定。不同通信系统采用的工作原理和传输介质等不同需配套使用相应的网络设备。网络设备Network Devices是构成计算机网络的物质基础，认识和使用网络总是从最直观最具体的网络设备开始，设计、管理和维护网络更需要充分掌握各种网络设备的工作原理、使用特性等知识与操作技能。不同的网络设备具有不同的功能和工作方式，应区别对待。针对不同的网络技术形态可能需要使用不同的网络设备，如果没有特别说明以后主要针对以太网Ethernet技术而论及相关的网络设备。2024/5/177江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有计算机联网需要什么设备？考虑最简单的计算机网络：两台计算机连接以实现数据交换。早期的计算机本身就设计了用于通信的外部接口/端口串行口（其实并行口LPT也是一种外部通信接口。）串行口常用来实现计算机和各种外部设备的连接与通信。利用串行口和串行通信电缆可连接两台计算机，实现两台计算机之间的通信和数据交换。如何实现呢？这样的通信方式有什么优缺点？给计算机安装专用的网络接口设备，实现两台计算机的连接和数据通信与数据交换。网络接口设备和计算机之间的连接方式是什么？两台计算机的网络接口设备之i间用怎样的方式连接？用怎样的传输介质？构成怎样的通信信道？采用怎样的工作原理？现代计算机还提供哪些可实现双机通信的接口？它们有什么优缺点？USB接口、IEEE1394接口、红外线接口等。未来是否还会出现更新型的通信接口？2024/5/178江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有计算机联网需要什么设备？考虑多台计算机联网的情况：多个计算机之间可以实现任意地通信和交换数据。原始的连接方式：利用计算机自身提供的各种可行的通信端口也可以实现多台计算机之间的连接，但存在诸多明显的限制，导致这种实现方案的不可行。可行的连接方式：各个计算机采用专用的网络接口设备按既定的体系结构连接在一起，形成真正意义上的计算机网络。根据连接方式和工作原理的不同分成两种类型：共享信道：所有联网计算机的网络接口设备都直接连接在公用的共享传输介质上，无需额外的网络设备就可以形成一个完整的物理网络。点对点信道：所有联网计算机的网络接口设备利用传输介质和必要的中间网络连接设备或各种可用的中间通信子网连接在一起，形成一个相对完整的物理网络。根据不同的传输介质和工作原理等为计算机选择不同的网络接口设备。2024/5/179江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有计算机联网需要什么设备？考虑多个网络互连的情况：多个不同的网络之间可以任意地实现通信和数据交换。受到各种因素的限制导致单个物理网络中的节点数量有限。随着计算机联网需求扩大，相对独立和分散的物理网络数量越来越多，形成越来越多的“信息孤岛”。随着更大范围的联网需求增强，物理网络之间的互连成为计算机网络技术的核心技术和发展趋势。不同物理网络实现互连时需要采用不同的网络互连设备，不同的网络互连设备决定了“互连网”的工作原理和数据交换方式。应在计算机网络体系结构的不同层面考虑选用不同的网络互连设备。体系结构相同的网络互连时，实现方式较易、效率较高，对网络互连设备的要求相对较低。异构网络的互连实现比较困难、效率较低。常说的网络互连及设备仅涉及通信子网之间的互连、互通、互操作。2024/5/1710江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网络设备的分类2024/5/1711江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有怎样学习网络设备的知识？网络设备的功能是什么？网络设备的基本工作原理是什么？如何选用（设计）网络设备？如何评价（比较）网络设备？如何安装和使用网络设备？如何管理和配置网络设备？如何维护和监控网络设备？关于网络设备更多的知识与技能在后续相关课程中进一步学习！关于网络设备更多的知识与技能在后续相关课程中进一步学习！2024/5/1712江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有CH7 CH7 网络设备网络设备第2节 物理层设备Section2 Physical Layer Devices2024/5/1713江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有物理层设备2024/5/1714江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM概述早期远程网络主要通过租用电信部门广泛建立的公用交换网络PSTN(Public Switched Telephone Network)通信线路实现，专门铺设远程网络通信线路在很多情况下虽然可行，但费用很高。传统PSTN中用户终端线路传输的信号是模拟信号，而计算机处理的是数字数据/信号，必须在这两种信号间进行转换才可利用PSTN线路实现计算机联网，这个转换设备就是调制解调器Modem。调制解调器是两个设备的合成体，用于双向计算机网络通信。调制器Modulator：把计算机需要传输的数字数据信号调制为适合PSTN线路的模拟信号。解调器Demodulator：把来自PSTN线路的模拟通信信号转换为数字信号并提取其中的通信数据。除了必要的信号转换之外，Modem还须完成计算机通信所需的物理层和数据连路层的相关通信控制工作，这由相应的通信协议来实施。Modem不是纯粹的物理层设备。2024/5/1715江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有PSTN网络系统构成端局端局端局端局端局端局端局端局长途局长途局长途局长途局中心局中心局中心局中心局长途局长途局长途局长途局本地回路本地回路本地回路本地回路准长途干线准长途干线准长途干线准长途干线高带宽长途高带宽长途高带宽长途高带宽长途干线干线干线干线准长途干线准长途干线准长途干线准长途干线本地回路本地回路本地回路本地回路光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴光纤、微波、同轴双绞线双绞线双绞线双绞线双绞线双绞线双绞线双绞线2024/5/1716江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM的工作原理2024/5/1717江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM的工作协议Modem属于网络接口设备，工作在OSI/RM的物理层和数据连路层（部分）。物理层协议：规定通信双方的信号传输与交互的一系列规则，主要由CCITT（ITU）根据不同的数据传输速率制定，如V.22、V.32、V.32bis、V.34、V.34+、V.90、V.92等数据链路层协议：规定通信双方的数据传输于交互的一系列规则，典型的协议有三种：面向字符的仿真终端(Simulation Terminal)协议面向字符的SLIP(Serial Line Internet Protocol)面向比特流的PPP(Point to Point Protocol)2024/5/1718江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM的使用方式利用利用利用利用ModemModem和和和和PSTNPSTN建立建立建立建立起来的网起来的网起来的网起来的网络往往称络往往称络往往称络往往称为为为为拨号网拨号网拨号网拨号网络络络络Dial-up Dial-up NetworkNetwork，这种网络这种网络这种网络这种网络可按需建可按需建可按需建可按需建立和撤除。立和撤除。立和撤除。立和撤除。2024/5/1719江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM的分类内置Modem卡：独立的可安装到总线扩展槽中的Modem。外置Modem：具有独立供电装置的独立网络设备，连接到计算机串行口。主板集成的Modem：直接由主机板提供。PCMCIA Modem：笔记本电脑使用。机架式Modem（池）：ISP使用。无线Modem：手机GPRS/CDMA网络使用。其他工业用Modem等。2024/5/1720江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有MODEM的安装与使用Modem硬件的安装：根据不同类型的Modem进行不同方式的安装。线路的连接：电话线（Line In）、数据线（串行电缆/USB电缆）。驱动程序的安装和有关硬件参数的配置。拨号网络Dial-Up Network的建立和设置。网络层协议的配置和应用软件的安装。注意外界的强干扰信号、雷雨天气禁用。2024/5/1721江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有两种新型MODEM技术DSL（Digital Subscriber Line数字用户线路）Modem技术：利用PSTN线路直接传输数字信号，获得更高的通信性能，同时保留传统的语音通信。最典型的应用模式是ADSL（非对称式DSL），上行和下行的数据传输速率不相同。Cable（电缆）Modem技术：利用已有的有线电视系统线路传输计算机通信信号，同时保留传统的电视信号传输。该技术对ADSL技术形成一定的冲击，构成了当前宽带上网的两种主要形式。请参阅课程教材第五章的第六、第七两节了解这两种新技术。请参阅课程教材第五章的第六、第七两节了解这两种新技术。请参阅课程教材第五章的第六、第七两节了解这两种新技术。请参阅课程教材第五章的第六、第七两节了解这两种新技术。2024/5/1722江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有光纤收发器概述光纤收发器的主要作用是实现光、电信号的相互转换，因此又称为光电转换器。其作用也可理解为光信号和电信号的相互调制解调，因此也有地方称为光纤Modem。早期组网时，由于光纤、光缆成本较高，因此使用频率较低。当需要在电信号网络中使用光纤提高通信质量和距离时，可以使用光纤收发器实现光电信号转换，从而实现光信号传输和电信号传输的无缝对接。随着网络中使用的光纤、光缆越来越多，频繁使用外置独立的光纤收发器会带来一些问题，因此当前有许多网络通信设备把光纤收发器直接集成在设备内部，由此直接提供光纤接口。有些光纤收发器使用外置独立电源，有些自身集成电源电路。2024/5/1723江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有光纤收发器的分类与使用光纤收发器的分类按光纤类型分类：单模和多模光纤收发器按光纤数量分类：单纤和双纤收发器按传输速度分类：10、100、1000Mbps等按物理结构分类：桌面独立式和机架式光纤收发器提供的端口类型电信号端口：RJ-45端口光信号端口：SC【方】、ST【圆】等光纤端口光纤收发器的使用注意事项收发双方最好使用同一品牌同一型号同一批次的产品大多数光纤收发器仅支持全双工工作模式，注意温度适应性2024/5/1724江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有光纤收发器设备2024/5/1725江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有再说三种通信方式2024/5/1726江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有再说冲突域冲突域的概念：共享介质的网络在通信过程中发生冲突后，冲突信号影响的范围。（典型的冲突网络是采用CSMA/CD原理的以太网）发生冲突后，在传输介质中传输的多个数据帧信号会混合在一起形成一个无法正常使用的复合信号，这个复合信号会在冲突域范围内传输，该范围内的所有节点都会收到这个无用信号，但无法从信号中提取任何有效数据帧，导致任何通信动作都无法实现。冲突域针对OSI/RM的物理层而言无法控制，必须上升到数据链路层来控制冲突域的范围（分割冲突域），原因是物理层会无条件处理任何信号（包括无用的冲突信号）的传输。2024/5/1727江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有再说广播域广播域的概念：广播通信数据包在网络中传输和处理所覆盖的范围。当网络中任何一个节点发送广播数据包时，广播域范围内的所有节点都会接收并处理这个广播数据包。当数据包中的目的地址采用广播地址时就形成了广播数据包。广播域针对OSI/RM的数据链路层而言无法有效控制，必须上升到网络层来控制广播域的范围（分割广播域），原因是数据链路层会无条件处理任何类型的数据包，包括单播Unicast、组播Multicast和广播Broadcast三种类型的数据包。2024/5/1728江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有再说物理网络物理网络Physical Network和物理网段Physical Segment这两个概念似乎没有十分明确的概念界定，但经常会使用到。不同的网络技术形态中这两个概念的界定可能存在差异。以下所言是针对最常用的以太网技术。物理网络可以这样模糊地界定：采用相同的物理层和数据链路层技术连接在一起的网络范围，它们共享同一个广播域。物理网段可以这样模糊地界定：采用相同物理层技术连接在一起的网络范围，它们共享一个冲突域。一个较大大的物理网段可能由多个在物理层上互连的多个子物理网段组合而成。一个物理网络往往是由1个或多个在数据链路层上互连的物理网段（物理网络）组合而成。2024/5/1729江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有中继器概述中继器Repeater是简单的网络设备，一般提供两个等同的网络端口，其作用是把从一个网络端口接收到的通信信号经过内部电子线路的整形放大后从另一个网络端口转发出去。因此又称为转发器，可双向转发通信信号。当一个网络中的通信信号在一段传输介质上不能顺利传输到目的节点时，可利用中继器有效扩大联网范围和距离。中继器工作在OSI/RM的最低层物理层，仅处理通信信号，不理解信号中包含的通信数据。因此可认为中继器不具备任何智能，能转发任何类型的数据包，不管数据包正确与否，也不论是单播、组播还是广播数据包。2024/5/1730江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有中继器概述从另一个角度看，也可以把中继器看作是网络互连设备，把位于不同位置的两个物理网段互连起来，但要求互连的这两个物理网段的物理层一致，也即中继器的每个网络端口是一致的。利用中继器把两个物理网段互连后形成的一个大网段应看作是同一个物理网络。在同一个物理网络中可以使用的中继器数量往往是有限制的，原因是通信双方在通信过程中需要保障数据的传输时间和响应时间。既有电信号的中继器，也有光信号的中继器，还有无线信号的中继器，应根据不同的信号类型选择相应的中继器类型，不能混用。2024/5/1731江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有中继器的使用10BASE-2/10BASE-510BASE-2/10BASE-5以太网中使用以太网中使用以太网中使用以太网中使用中继器时存在中继器时存在中继器时存在中继器时存在5-4-35-4-3规则规则规则规则的限制，的限制，的限制，的限制，组网时必须遵循。组网时必须遵循。组网时必须遵循。组网时必须遵循。5 5：整个物理网络一共可以包整个物理网络一共可以包整个物理网络一共可以包整个物理网络一共可以包含含含含5 5个互连在一起的网段个互连在一起的网段个互连在一起的网段个互连在一起的网段SegmentSegment4 4：整个物理网络中最多可以整个物理网络中最多可以整个物理网络中最多可以整个物理网络中最多可以放置放置放置放置4 4个中继器。个中继器。个中继器。个中继器。3 3：整个物理网络的整个物理网络的整个物理网络的整个物理网络的5 5个网段中个网段中个网段中个网段中最多允许最多允许最多允许最多允许3 3个网段可以接入计个网段可以接入计个网段可以接入计个网段可以接入计算机节点。算机节点。算机节点。算机节点。另外：每个中继器对于整个网络而另外：每个中继器对于整个网络而另外：每个中继器对于整个网络而另外：每个中继器对于整个网络而言均算作言均算作言均算作言均算作2 2个节点。个节点。个节点。个节点。2024/5/1732江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有中继器连接的网络/网段2024/5/1733江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器概述从本质上讲，集线器HUB是一个多端口的中继器，它也仅工作在OSI/RM的最低层物理层，其内部也仅处理通信信号而不涉及信号中的通信数据。集线器提供多个相同的网络端口，每个网络端口可连接一联网设备。和中继器不同的是集线器一般提供使用双绞线的RJ-45端口，有些可能提供少量AUI端口或BNC端口。发明集线器是为了改善和解决总线拓扑结构的10BASE-2以太网的种种弊端问题，使网络组建简单化，使网络工作更加稳定可靠，使网络故障范围缩减在较小的范围内。2024/5/1734江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器概述使用集线器作为连网设备而形成的拓扑结构是星型结构，但本质上并没有改变网络通信的工作原理。从集线器的工作原理来看，集线器内部实际上仍然是一条总线，所有的网络端口“挂”在这条总线上，当一个网络端口收到通信信号后经过整形放大处理后送到这条内部总线上“广播”到其他所有网络端口上，连接在这些端口上的设备都可以接收到这个相同的通信信号。从工作原理可以看出集线器是典型网络共享设备，所有网络端口共享整个网络带宽，因此其网络通信性能是比较低的，这是导致集线器被效率更高的网络交换机代替的主要原因。一些先进的集线器在基本功能的基础上加入复杂的控制电路，使集线器具备了一些“智能”，但这些智能是对集线器本身而言，与网络通信没有太大的关系。2024/5/1735江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的使用从从每每个个集集线线器器网网络络从从每每个个集集线线器器网网络络端端口口用用一一根根双双绞绞线线端端口口用用一一根根双双绞绞线线连连接接到到一一个个网网络络设设连连接接到到一一个个网网络络设设备备，这这条条双双绞绞线线的的备备，这这条条双双绞绞线线的的最最 大大 距距 离离 是是最最 大大 距距 离离 是是100100米米。米米。物理拓扑结构：星型结构物理拓扑结构：星型结构逻辑拓扑结构：总线结构逻辑拓扑结构：总线结构“HubHub”本意是本意是本意是本意是“中心中心中心中心”的意思，集线器是一的意思，集线器是一的意思，集线器是一的意思，集线器是一种中心节点设备，很多种中心节点设备，很多种中心节点设备，很多种中心节点设备，很多连接网络设备节点的通连接网络设备节点的通连接网络设备节点的通连接网络设备节点的通信线路在集线器处集中。信线路在集线器处集中。信线路在集线器处集中。信线路在集线器处集中。只只有有集集线线器器本本身身损损坏坏才才会会导导致致整整个个网网络络瘫瘫痪痪，某某个个网网络络端端口口故故障障不不只只有有集集线线器器本本身身损损坏坏才才会会导导致致整整个个网网络络瘫瘫痪痪，某某个个网网络络端端口口故故障障不不会会影影响响到到其其他他的的网网络络端端口口。每每个个网网络络端端口口的的地地位位是是等等同同无无差差别别的的。会会影影响响到到其其他他的的网网络络端端口口。每每个个网网络络端端口口的的地地位位是是等等同同无无差差别别的的。2024/5/1736江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的工作原理发发发发送送送送数数数数据据据据所有端口同在一个物理网段和物理网络所有端口同在一个物理网段和物理网络所有端口同在一个物理网段和物理网络所有端口同在一个物理网段和物理网络2024/5/1737江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有单个集线器构成的网络物理网段物理网段物理网段物理网段/网络网络网络网络2024/5/1738江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的互联一个集线器提供的网络端口数量是有限的，而网络的规模在不断扩张，单个集线器不能满足组网需求，多个集线器共同工作是组网的必然要求。集线器之间相互连接的形式串联(级联Cascade)：利用已有的RJ-45端口（通用端口/专用级联端口）或专门的BNC端口/AUI端口实现级联，简单易行，基本不增加成本，但要占用可用端口。串联的方式可增加网络覆盖范围。并联(堆叠Stack)：利用集线器背板专门的堆叠端口实施多集线器连接，堆叠之后的多个集线器形成一个逻辑上的整体。堆叠端口增加了集线器的成本，而且堆叠只能在近距离内实现。多个集线器堆叠或级联后形成了一个更大的物理网络，连接在所有集线器端口上的网络设备在更大的范围中共享网络带宽，导致整个网络的通信信能进一步降低。2024/5/1739江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的级联级联端口级联端口级联端口级联端口Up-LinkUp-Link端口端口端口端口2024/5/1740江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有多个集线器级联的网络同在一个物理网络同在一个物理网络同在一个物理网络同在一个物理网络同在一个冲突域同在一个冲突域同在一个冲突域同在一个冲突域经经实实践践验验证证，当当经经实实践践验验证证，当当前前很很多多集集线线器器在在前前很很多多集集线线器器在在级级联联时时不不完完全全受受级级联联时时不不完完全全受受限限 于于限限 于于5-4-35-4-3规规 则则！规规 则则！同在一个广播域同在一个广播域同在一个广播域同在一个广播域?2024/5/1741江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的堆叠不不同同厂厂家家集集线线器器使使用用的的堆堆不不同同厂厂家家集集线线器器使使用用的的堆堆叠叠技技术术各各不不相相同同，因因此此只只叠叠技技术术各各不不相相同同，因因此此只只能能使使用用同同一一厂厂家家同同一一型型号号能能使使用用同同一一厂厂家家同同一一型型号号的的多多个个集集线线器器进进行行堆堆叠叠。的的多多个个集集线线器器进进行行堆堆叠叠。集集线线器器的的堆堆叠叠方方式式有有两两种种不不集集线线器器的的堆堆叠叠方方式式有有两两种种不不同同的的实实现现方方式式，由由集集线线器器提提同同的的实实现现方方式式，由由集集线线器器提提供供不不同同的的堆堆叠叠模模块块和和堆堆叠叠电电供供不不同同的的堆堆叠叠模模块块和和堆堆叠叠电电缆缆来来实实现现，不不能能混混合合使使用用。缆缆来来实实现现，不不能能混混合合使使用用。几几个个集集线线器器堆堆叠叠成成功功后后形形成成一一个个更更大大的的集集线线器器整整体体，它它几几个个集集线线器器堆堆叠叠成成功功后后形形成成一一个个更更大大的的集集线线器器整整体体，它它们们同同在在一一个个物物理理网网段段，共共享享同同一一个个冲冲突突域域和和广广播播域域。们们同同在在一一个个物物理理网网段段，共共享享同同一一个个冲冲突突域域和和广广播播域域。2024/5/1742江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的分类按提供的RJ-45端口数量分类5口、8口、12口、16口、24口等按传输速率/带宽分类10M、100M、10/100M双速自适应按配置形式分类独立式、堆叠式、模块式按是否提供智能功能分类普通型、智能型按是否提供网管功能分类非网管型、网管型按安装形式分类桌面式、机架式2024/5/1743江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有集线器的安装与使用普通集线器选择合适的位置放置，适合接线和调试观察，注意水火安全、通风良好等。机架式集线器必须使用厂商提供的配件正确地安装到指定类型的机架上。集线器使用过程注意：供电良好、防雷措施、防尘防湿、不要重物堆压等。各种集线器端口连接形式正确，操作得当。集线器的上电初始化和工作过程中注意有关指示灯的状态变化。智能集线器的管理与维护。2024/5/1744江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有CH7 CH7 网络设备网络设备第3节 数据链路层设备Section3 Data-Link Layer Devices2024/5/1745江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有数据链路层设备概述数据链路层设备和物理层设备的功能类似，用来实现物理网络/网段的组建，形成通信网络的物质基础。数据链路层设备不仅处理物理层的通信信号，还要上升到数据链路层处理数据帧。在数据帧处理的基础上可以实现更多的网络功能，并可有效提升网络的性能。数据链路层设备工作在两个协议层次上，其内部构成比物理层设备复杂，工作原理也更加复杂，所涉及的技术特性也多。本课程主要涉及以太网数据链路层设备，包括网卡、网桥和交换机，因此在学习这些设备时应努力联系前面学习的以太网技术。2024/5/1746江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡概述网卡是网络接口卡的简称，缩写为NIC(Network Interface Card)，又称为网络适配器(Network Adapter)。网卡是连接连网设备（计算机等）和网络传输介质的网络接口设备，它的基本功能是实现通信信号与数据的收/发，以及为数据收/发而做的相关工作，如数据格式的转换与通信规程控制等。网卡是计算机等连网设备与物理网络之间连接的“咽喉”通道，直接决定了连网设备所能达到的网络通信性能。网卡的一端与连网设备的总线连接，一方面接受来自总线的需要发送的数据和控制指令，另一方面向总线发送收到的数据和相关状态信息。网卡的另一端与物理网络的传输介质相连，通过网络接口双向传递通信信号。根据不同的传输介质，网卡需要不同的网络接口类型和信号处理电路以及相应的通信协议。从工作原理分析，网卡工作在OSI/RM的物理层和数据链路层上。2024/5/1747江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的分类按网卡接口所适用的传输介质分类有线介质网卡：双绞线、同轴电缆、光纤等无线介质网卡：无线电、微波、红外线等按网卡所适用的物理网络形态分类以太网网卡、令牌环网卡、FDDI网卡、ATM网卡、无线局域网网卡等按网卡支持的总线接口类型分类ISA总线网卡、PCI总线网卡、PCI-X总线网卡、PCMCIA总线网卡、USB总线网卡等按网卡提供的网络接口分类RJ-45接口网卡、BNC接口网卡、ATM接口网卡、AUI接口网卡、各种形态的光纤接口网卡、多类型接口网卡等按网卡的存在形式分类独立式网卡、主板集成式网卡等按网卡应用的场合分类服务器专用网卡、笔记本电脑专用网卡、普通台式机网卡等2024/5/1748江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的基本构成“独立的”网卡通常由一块网络主控芯片加上必要的外围电路构成。外围电路有时钟电路、网络接口连接电路、信号处理与切换电路、总线接口电路、BIOS芯片、自启动芯片等。网络主控芯片是整个网卡的核心，它的性能直接决定了网卡最终能够实现的功能和达到的网络性能，这是选择网卡的最主要依据。该芯片一般由网卡生产厂商自行设计/生产，但也有另外一些IC设计/生产厂商参与该芯片的设计/生产。网卡BIOS芯片也是重要的网卡组成元素，芯片中包含了控制网络主控芯片工作的基本指令序列，为网卡驱动程序直接服务。网卡自启动芯片中存放引导程序，用来实现网络途经的操作系统引导。一般需另外购买该芯片安装到网卡上。通常只有称为“无盘工作站”的计算机中才需要该芯片中的引导程序。如果是计算机主机板集成的网卡，其构成情况略有不同。2024/5/1749江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的基本构成 网络接口的类型网络接口的类型网络接口的类型网络接口的类型 指示灯的数量和功能指示灯的数量和功能指示灯的数量和功能指示灯的数量和功能 总线接口的类型总线接口的类型总线接口的类型总线接口的类型 网络主控芯片的型号网络主控芯片的型号网络主控芯片的型号网络主控芯片的型号 网卡网卡网卡网卡BIOSBIOS的类型和版本的类型和版本的类型和版本的类型和版本 是否提供自启动芯片插座是否提供自启动芯片插座是否提供自启动芯片插座是否提供自启动芯片插座 品牌和做工品牌和做工品牌和做工品牌和做工看看看看网网网网卡卡卡卡看看看看什什什什么么么么？2024/5/1750江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的物理地址网卡的物理地址用来在网络中唯一确定和识别采用该网卡的入网节点，这是确保网络通信秩序的基本手段。通信设备的物理地址不同网络技术形态的网卡物理地址表示方式和使用方法不相同。以太网网卡的物理地址常称为MAC地址，它由以太网数据链路层中的MAC（介质访问控制Media Access Control）层使用。建立数据链路时使用通信双方的MAC地址进行相互识别与网络定位。发送方会把收/发双方的MAC地址放置在数据帧（Data Frame）中，数据帧接收者利用帧中的目的MAC地址来判断该帧是否是发给自己的。网卡物理地址一般采用固化的方式“烧死”在网卡上，用户无法修改。2024/5/1751江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的工作参数网卡的IRQ值为网卡这个接口设备指定中断工作方式时的中断请求号IRQ。网卡的I/O地址为网卡这个接口设备指定数据和控制指令输入输出的端口地址。（一般的网卡需要一段I/O地址，通常为32个20H。）网卡的内存地址为网卡指定网卡BIOS映射到内存的入口地址。网卡的DMA值为网卡这个接口设备指定DMA工作方式时的DMA通道号。以上4个工作参数的设定方式早期的网卡：手工方式设定，常采用硬件跳线方式，也有用软件设定。现在的网卡：支持PnP技术，自动设定，一般可通过设置软件更改。一般建议采用由PnP自动选择的工作参数。2024/5/1752江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的基本特性数据传输速率和工作模式（半双工/全双工）自动配置技术/自适应技术自动协商机制支持的介质和接口类型、指示灯数量和功能支持的总线类型和总线频率支持的网络协议和操作系统BIOS版本及其升级能力自启动芯片的类型和软件版本CPU占用率和并发连接数支持的网络管理协议等2024/5/1753江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网卡的安装与使用网卡的安装网卡的物理安装：根据网卡的总线类型安装到不同的总线扩展槽中并进行固定，把合适的传输介质连接到网卡的网络接口上。网卡的软件安装：向操作系统安装合适的网卡驱动程序，使操作系统能控制和使用该网卡。实质上是向操作系统提供合适的数据链路层协议。网卡的驱动程序可以不断升级与更新。网卡的使用网卡的工作参数配置（手动/自动配置）网卡的工作状态监控工作指示灯和操作系统等提供的状态监控数据使用专门的软件监控和调节网卡的工作状态多网卡的使用（多宿主计算机）、网卡的更换、管理和维护2024/5/1754江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥概述虽然存在5-4-3规则之类的限制，利用集线器和中继器等物理层的网络设备已经能够组建规模较大的网络并能完成通信工作实现应有的网络功能。但这样的网络存在明显的“先天不足”。一个物理网络中的节点数量存在明显的限制，不能满足网络规模进一步扩大的需求。由于所有的节点共享同一个冲突域，当网络中的节点数量越来越多时，网络通信性能会急剧下降。在这样的网络中引入网桥分割网段可有效地解决这些问题。网桥类似于中继器，一般提供两个网络端口，用来桥接两个不同的物理网段/网络。网桥和中继器的工作有本质的差别，网桥把从一个网络端口收到的数据包有选择地转发到另一个网络端口，因此网桥不仅和通信信号有关，也和通信信号中包含的数据有关，它具备一定的“智能”。2024/5/1755江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥概述网桥工作在OSI/RM的物理层和数据链路层，实现了两个物理网段/网络的数据链路层互连。有些网桥提供的两个网络端口是一致的，可以把两个相同技术形态的物理网段/网络互连。当然也有多端口的网桥设备。有些网桥提供的两个网络端口不一致，可以实现两种不同技术形态的（物理层和MAC层不相同）物理网段/网络的互连，但要求这两个网段/网络的数据链路控制层LLC层一致。2024/5/1756江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥概述网桥也是一种通信转发器，但与中继器的转发完全不一样。网桥的一个端口收到通信信号后需要上升到数据链路层，从信号提取有效的数据帧进行判断是否需要转发，如果收到的信号中无法提取有效的数据帧则不转发，这样就有效地隔绝了冲突信号从网桥一端的物理网段/网络传播到网桥另一端的另一个网段/网络。利用网桥可以有效地分割冲突域的范围，网桥两边的两个网段/网络各自属于一个不同的冲突域。针对不同的有效数据包类型，网桥有不同的转发策略：对于组播和广播数据包，网桥无条件地转发；对于单播数据包，网桥需要根据数据帧中的目的物理地址来判断是否需要转发。利用网桥不能分割广播域的范围，即利用网桥互连在一起的两个物理网段/网络，它们还是在同一个物理网络，它们共享同一个广播域。2024/5/1757江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的使用从从表表面面看看网网桥桥和和中中继继器器一一样样从从表表面面看看网网桥桥和和中中继继器器一一样样用用来来互互连连两两个个位位于于不不同同地地理理用用来来互互连连两两个个位位于于不不同同地地理理位位置置的的物物理理网网段段位位置置的的物物理理网网段段/网网络络，扩扩大大网网络络，扩扩大大网网络络的的覆覆盖盖范范围围网网络络的的覆覆盖盖范范围围/联联网网距距离离。联联网网距距离离。网网桥桥的的通通信信数数据据转转发发基基于于网网桥桥的的通通信信数数据据转转发发基基于于过过滤滤过过滤滤机机制制机机制制实实现现，从从一一个个网网络络端端口口收收实实现现，从从一一个个网网络络端端口口收收到到的的数数据据包包是是否否从从另另一一个个网网络络到到的的数数据据包包是是否否从从另另一一个个网网络络端端口口转转发发出出去去，取取决决于于这这个个数数端端口口转转发发出出去去，取取决决于于这这个个数数据据包包地地接接收收者者和和发发送送者者是是否否位位据据包包地地接接收收者者和和发发送送者者是是否否位位于于网网桥桥的的同同一一边边，即即二二者者是是否否于于网网桥桥的的同同一一边边，即即二二者者是是否否处处 于于 同同 一一 个个 网网 段段处处 于于 同同 一一 个个 网网 段段/冲冲 突突 域域。冲冲 突突 域域。2024/5/1758江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有桥接的网络物理网络物理网络物理网络物理网络2024/5/1759江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的分类透明网桥 Transparent Bridge以上所述网桥就是透明网桥，所谓“透明”是指它对任何数据站（节点）都完全透明，用户感觉不到它的存在，也无法对网桥寻址。所有的转发判断全部由网桥自己确定。当网桥连入网络时，它能自动初始化并对自身进行配置。转换网桥 Conversion Bridge转换网桥是透明网桥的一种特殊形式。它在物理层和数据链路层使用不同协议的LAN提供网络连接服务。封装网桥 Encapsulation Bridge封装网桥通常用于连接FDDI骨干网。与转换网桥不同，封装网桥是将接收的帧置于FDDI骨干网使用的信封内，并将封装的帧转发到FDDI骨干网，进而传递到其它封装网桥，拆除信封，送到预定的工作站。源路由网桥 Source Routing Bridge源路由网桥主要用于互连令牌环网，但在理论上可用于连接任何类型的LAN。源路由网桥与上述3种桥的基本区别是，源路由网桥要求信息源(不是网桥本身)提供传递数据帧到终点所需的路由信息。其他类型的网桥2024/5/1760江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有转换网桥的工作原理2024/5/1761江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的使用2024/5/1762江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的内部结构网网桥桥具具备备的的网网桥桥具具备备的的“智智能能智智能能”过过滤滤转转发发功功能能是是过过滤滤转转发发功功能能是是建建立立在在内内部部的的建建立立在在内内部部的的MACMAC地地址址与与网网络络端端口口映映地地址址与与网网络络端端口口映映射射表表的的基基础础上上实实现现射射表表的的基基础础上上实实现现的的，该该表表的的数数据据记记的的，该该表表的的数数据据记记录录由由网网桥桥在在工工作作过过录录由由网网桥桥在在工工作作过过程程中中逐逐渐渐习习得得并并进进程程中中逐逐渐渐习习得得并并进进行行 管管 理理 和和 使使 用用。行行 管管 理理 和和 使使 用用。2024/5/1763江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的工作原理2024/5/1764江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的工作原理网桥的“智能”工作机制依赖于内部的MAC地址-端口映射表。网桥刚启动时，这个表是空白的没有任何映射关系，这些映射关系需要网桥在工作过程中通过“学习”和“泛洪”来获得。网桥的任何一个端口接收到有效数据帧后都会把数据帧缓存下来，然后解读数据帧，从中提取源MAC地址和目的MAC地址。网桥知道从哪个端口接收到数据帧，从该数据帧提取出源MAC地址，把这一组映射关系记录到地址映射表中，这个过程就是网桥的自我学习。网桥从一个端口收到数据帧缓存后提取其中的目的MAC地址，利用该地址到映射表中查询是否存在，如果有该地址的映射关系，则看映射的端口。如果映射的端口与接收到该数据帧的端口一致，则说明收发双方在同一网段，网桥对该数据帧不做任何处理，直接从缓存中删除。过滤机制如果对应的端口与接收到该数据帧的端口不一致，则说明收发双方不在同一个网段，网桥就把该数据帧通过指定的端口转发出去。转发机制2024/5/1765江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的工作原理当网桥从一个端口接收到数据帧中提取目的MAC地址后查询地址映射表，发现没有该目的MAC的映射关系，则网桥发起“泛洪”过程，通过“广播”的形式在整个物理网络中寻找这个指定MAC地址设备的位置，通过响应获取这个MAC地址的映射关系。网桥内部地址映射表中的每一个映射关系在记录的同时会设定一个“老化”计时器，以后每次处理映射表中有对应关系的数据帧时会重新刷新这对映射关系，如果在一定时间内不再使用到某个映射关系，则会删除这对映射关系。设定老化的目的有二：一是网桥内部的映射表存储器容量有限 地址映射表容量是网桥的重要特性二是迎合网络动态变化的需求，如节点设备的移除或改变位置等网桥内部地址映射表中的数据也可以由网络管理员通过手动的方式输入“静态”的映射关系，静态映射关系没有老化时间。网桥端口只能处理有效数据帧，无效数据帧一律不处理，这也是过滤，这样就能有效隔离冲突域。网桥端口对于组播和广播数据帧无条件转发，地址映射表中也没有这两类地址的映射关系。因此网桥只能隔离冲突域而不能分割广播域。2024/5/1766江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有网桥的工作流程2024/5/1767江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机概述网络交换机Switch是结合了集线器和网桥的优点而发明的具有革命性意义的网络设备，它不仅大幅度提高了网络的性能，同时组网的便捷性也很好。从外表看，交换机和集线器几乎没有差别，它们都能提供多个等同的网络端口，每个端口可以单独连接一个网络设备。最常见的端口都是RJ-45端口。从工作原理看，交换机和网桥有较大的相似性，可以认为交换机是一个更多端口要求PHY一致的复杂透明网桥，每个端口都可以桥接一个不同的物理网段/网络。但是网络交换机和集线器、网桥之间还是存在比较明显的差异，在保留后二者优势的基础上带来了更好的网络性能，使集线器和网桥逐渐退出网络领域。2024/5/1768江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机和集线器交换机和集线器外部特征相似，但内部构成和工作原理完全不同。集线器内部仅相当于一条总线，对外提供多个网络端口，所有的端口共享网络带宽，各端口采用竞争的方式获得数据发送权。交换机内部是复杂的交换矩阵电路，所有的外部端口连接在交换电路上实现有针对性/选择性的端口之间的数据包交换，每个网络端口独享网络带宽，因此交换机的网络数据传输能力远大于集线器。2024/5/1769江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机和集线器从表面看，交换机和集线器的组网方式基本一致，凡是在使用集线器的地方都可以用交换机来更换，而其他方面无需任何改动即可获得更高的网络性能。集线器和交换机组网时形成的物理拓扑结构相同，都是星型结构。集线器的逻辑拓扑结构是总线结构表里不一致。交换机的逻辑拓扑结构还是星型结构表里一致。集线器所有的端口共同形成一个物理网段，构成一个冲突域和广播域。交换机的每个端口各自形成一个独立的物理网段，构成一个独立的冲突域，但所有的端口构成同一个广播域。2024/5/1770江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机和集线器物理网络物理网络物理网络物理网络物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段物理网段2024/5/1771江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机和网桥从工作原理和网络功能上看，交换机是一个更多端口的透明网桥，但二者还是存在巨大的差异。交换机的每个网络端口和网桥的端口一样工作在OSI/RM的物理层和数据链路层，根据数据包中的目的地址有选择性地转发数据包，但二者的转发策略不尽相同。交换机的每个网络端口和网桥的端口一样用来分割冲突域，各自连接一个独立的物理网段，但交换机的每个端口一致。交换机的数据转发方式本质上和网桥的数据转发方式不一样，带来的转发效率/网络性能也不一样。硬件转发/软件转发交换机的内部构成比网桥复杂了很多，结合相应的软件使交换机不仅提高了网络性能，而且可以实现更多的网桥不具备的网络功能，如虚拟局域网功能等。2024/5/1772江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有交换机的分类根据网络范围的大小分类广域网交换机（一般指电信部门使用的交换机和互联网的骨干交换机等）局域网交换机（应用于企业、办公室、楼宇等领域组网）根据网络工作原理和技术形态的不同分类以太网交换机令牌环网交换机FDDI交换机ATM交换机2024/5/1773江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理以太网交换机基于端口和数据帧实现数据包的交换，采用具有智能控制功能的硬件交换电路实现数据包交换。交换机内部硬件交换电路实际上是通过程序控制的复杂电子开关矩阵。根据控制程序的判断结果决定接通或断开某些开关从而为某些端口之间建立或拆除数据传输的通道（链路）。控制程序的核心在于如何判断从某个端口进来的数据包应该发往哪些端口，从而决定如何控制相应的电子开关做出动作。控制程序判断的依据是数据帧中的目的MAC地址。在每个被传输的数据帧中均包含发送方的源地址和接收方的目的地址。如果目的地址是广播地址和组播地址，则直接把数据包发送到其他所有端口。问题的关键就在于交换机的控制程序如何知道拥有某个MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上？2024/5/1774江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理2024/5/1775江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理以太网交换机的每个端口具有MAC地址的自我学习功能，学习方式和过程与网桥类似。在交换机内部辟有专门的地址缓冲器，用来存放MAC地址和端口号的映射关系，俗称MAC地址表。控制程序要求每个端口从收到的数据帧中提取源和目的MAC地址进行学习，在地址缓冲基础上判断数据从哪儿来，又该送往何处。交换机的地址缓冲器是动态存储器，其中的数据会根据一定的策略不断地刷新以满足网络结构的变化，其存储容量有限。最初获得某些MAC地址和端口的映射需要通过泛洪/广播的方式实现，经过一段时间学习和泛洪，交换机基本能掌握所有的MAC地址-端口映射关系而无须更多的泛洪，有效地降低了交换网络中广播的数量。2024/5/1776江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理在数据交换之前，需要通过交换矩阵电路建立有效的传输链路，此时数据可能全部或部分存放在端口缓冲队列中，等到链路建立成功后立即实施数据的交换与传输。交换机所有的端口通过交换矩阵电路连接在共同的背板总线上，交换机内部的数据传输都要通过背板总线进行，背板总线的宽度影响交换的效率和能力。交换机内部是一个复杂的信息处理系统，随着交换机附加功能越来越多，需要有良好的控制系统进行协调。当前交换内部一般采用专门的芯片实现交换系统的各项功能，这个芯片相当于CPU，直接左右整个交换机的性能和功能。跟这个芯片配套的软件同样重要。2024/5/1777江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理2024/5/1778江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有以太网交换机的工作原理2024/5/1779江南大学人文学院倪玉兴2008-2012版权所有三种交换方式Cut ThroughCut ThroughCut ThroughCut Through：直接交换方式：直接交换方式：直接交换方式：直接交换方式直接检测到目的地址后即把数据帧送至交换电路进直接检测到目的地址后即把数据帧送至交换电路进直接检测到目的地址后即把数据帧送至交换电路进直接检测到目的地址后即把数据帧送至交换电路进行交换，不进行错误检测，交换延迟时间短，不支行交换，不进行错误检测，交换延迟时间短，不支行交换，不进行错误检测，交换延迟时间短，不支行交换，不进行错误检测，交换延迟时间短，不支持速率变换等功能。持速率变换等功能。持速率变换等功能。持速率变换等功能。Store and forwardStore and forwardStore and forwardStore and forward：存储转发交换方式：存储转发交换方式：存储转发交换方式：存储转发交换方式接受完整帧并进行错误检测，正确再启动交换过接受完整帧并进行错误检测，正确再启动交换过接受完整帧并进行错误检测，正确再启动交换过接受完整帧并进行错误检测，正确再启动交换过程。支持速率变换等功能，延迟较大。程。支持速率变换等功能，延迟较大。程。支持速率变换等功能，延迟较大。程。支持速率变换等功能，延迟较大。Fragment FreeFragment FreeFragment FreeFragment Free：改进式交换方式：改进式交换方式：改进式交换