第4章-常用的网络设备1课件

1第4章 常用的网络设备本章内容提要本章内容提要网卡和调制解调器网卡和调制解调器中继器与集线器中继器与集线器网桥与交换机网桥与交换机路由器路由器网关网关24.14.1网卡和调制解调器网卡和调制解调器4.1.14.1.1网卡概述网卡概述网卡（网卡（Network Interface Card Network Interface Card，NICNIC）也叫）也叫网网络适配器络适配器，是集成在计算机主板上、插在计算机总，是集成在计算机主板上、插在计算机总线插槽内或某个外部接口上的扩展卡，是计算机连线插槽内或某个外部接口上的扩展卡，是计算机连接网络中各设备的物理接口，是构成网络的基本部接网络中各设备的物理接口，是构成网络的基本部件，其主要作用是将计算机数据转换为能够通过介件，其主要作用是将计算机数据转换为能够通过介质传输的信号。质传输的信号。34.14.1网卡和调制解调器网卡和调制解调器4.1.14.1.1网卡概述网卡概述图4-2 网卡结构44.1.24.1.2网卡的主要作用网卡的主要作用网卡工作在物理层和数据链路层之间，网卡的硬件网卡工作在物理层和数据链路层之间，网卡的硬件特性、驱动程序在这两层得以实现，如图特性、驱动程序在这两层得以实现，如图4-34-3所示。所示。图4-3 网卡工作在OSI/RM中的示意图54.1.24.1.2网卡的主要作用网卡的主要作用在计算机网络中，网卡一方面自动将本地计算机上在计算机网络中，网卡一方面自动将本地计算机上的数据转换成网络可以识别的数据格式及打包后送的数据转换成网络可以识别的数据格式及打包后送到网络上；另一方面负责接收网络上的数据包，通到网络上；另一方面负责接收网络上的数据包，通过和自己本身的物理地址相比较决定是否为本机应过和自己本身的物理地址相比较决定是否为本机应接收信息，解包及反向转换后，将数据通过主板上接收信息，解包及反向转换后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机。的总线传输给本地计算机。所以网卡的所以网卡的主要作用主要作用包括：固定网络地址、数据转包括：固定网络地址、数据转换并发送到网络上和接收数据并转换数据格式。换并发送到网络上和接收数据并转换数据格式。64.1.24.1.2网卡的主要作用网卡的主要作用 固定网络地址固定网络地址在计算机网络通信过程中，一台计算机中的数在计算机网络通信过程中，一台计算机中的数据传输到另一台计算机，必须确定计算机的标据传输到另一台计算机，必须确定计算机的标识，识，而计算机是靠网卡的物理地址来标识。而计算机是靠网卡的物理地址来标识。数数据从一台计算机传输到另外一台计算机时，实据从一台计算机传输到另外一台计算机时，实际上就是数据通过一块网卡传输到另一块网卡，际上就是数据通过一块网卡传输到另一块网卡，即从源地址传输到目的地址。网卡的物理地址即从源地址传输到目的地址。网卡的物理地址标识（标识（Ethernet AddressEthernet Address，物理地址）是由十，物理地址）是由十六进制表示的，每块网卡在出厂时都赋予一个六进制表示的，每块网卡在出厂时都赋予一个全世界范围内唯一的地址，即全世界范围内唯一的地址，即MACMAC地址。地址。74.1.24.1.2网卡的主要作用网卡的主要作用 数据转换并发送到网络上数据转换并发送到网络上 网络上的传输数据方式必须遵守一定的数据格式网络上的传输数据方式必须遵守一定的数据格式（通信协议）。所以计算机将数据传输到网卡时，（通信协议）。所以计算机将数据传输到网卡时，网卡会自动将数据转换成网络可以识别的数据格式，网卡会自动将数据转换成网络可以识别的数据格式，然后再将数据传送到网络，发送到目的计算机的网然后再将数据传送到网络，发送到目的计算机的网卡。卡。84.1.24.1.2网卡的主要作用网卡的主要作用 接收数据并转换数据格式接收数据并转换数据格式 在网络通信时，网卡具有双重性功能：一方面将在网络通信时，网卡具有双重性功能：一方面将本地计算机上的数据进行格式转换送入网络；另本地计算机上的数据进行格式转换送入网络；另一方面接收网络上传输过来的数据包，对数据进一方面接收网络上传输过来的数据包，对数据进行解包及反向转换。行解包及反向转换。94.1.34.1.3网卡的工作原理网卡的工作原理 计算机发送数据时，网卡首先侦听介质上是否有载计算机发送数据时，网卡首先侦听介质上是否有载波（载波由电压指示）。如果有，则认为其他站点正波（载波由电压指示）。如果有，则认为其他站点正在传送信息，继续侦听介质。一旦通信介质在一定时在传送信息，继续侦听介质。一旦通信介质在一定时间内没有载波，即没有被其他站点占用，则开始进行间内没有载波，即没有被其他站点占用，则开始进行数据帧发送，同时继续侦听通信，以检测冲突。数据帧发送，同时继续侦听通信，以检测冲突。104.1.34.1.3网卡的工作原理网卡的工作原理 如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质发送一个发送一个“阻塞阻塞”信号，告知其他站点已经发生冲突，信号，告知其他站点已经发生冲突，从而丢弃那些可能一直在接收的受到损坏的帧数据，从而丢弃那些可能一直在接收的受到损坏的帧数据，并等待一段随机时间。在等待一段时间后，再进行新并等待一段随机时间。在等待一段时间后，再进行新的发送。如果重传多次后仍发生冲突，就放弃发送。的发送。如果重传多次后仍发生冲突，就放弃发送。114.1.44.1.4网卡的分类网卡的分类1 1、按网卡速率分、按网卡速率分 网卡速率是指网卡每秒钟接收或发送数据的能力，网卡速率是指网卡每秒钟接收或发送数据的能力，单位是单位是MbpsMbps（兆位（兆位/秒）。秒）。按照网卡速率可分为按照网卡速率可分为10Mbps10Mbps网卡、网卡、100Mbps100Mbps网卡、网卡、10/100Mbps10/100Mbps网卡、网卡、1000Mbps1000Mbps网卡、网卡、10000Mbps10000Mbps网网卡。卡。124.1.44.1.4网卡的分类网卡的分类1 1、按网卡速率分、按网卡速率分 目前网卡在标准以太网中速度目前网卡在标准以太网中速度为为10/100Mbps10/100Mbps，在快速以太网，在快速以太网中速度为中速度为1000Mbps1000Mbps等。千兆以等。千兆以太网卡（太网卡（Gigabit EthernetGigabit Ethernet）是一种高速局域网技术，它能是一种高速局域网技术，它能够在铜线上提供够在铜线上提供1Gbps1Gbps（1000Mbps1000Mbps）的带宽，如）的带宽，如图图4-44-4所示，主要用在服务器领所示，主要用在服务器领域。域。图图4-4 4-4 千兆网卡千兆网卡134.1.44.1.4网卡的分类网卡的分类1 1、按网卡速率分、按网卡速率分 万兆网卡（万兆网卡（10000Mbps10000Mbps）是最新推出的速度最快）是最新推出的速度最快的网卡。万兆以太网技术是以太网技术发展中的的网卡。万兆以太网技术是以太网技术发展中的一个重要标准，与原来的以太网模型完全相同，一个重要标准，与原来的以太网模型完全相同，仍然保留帧结构，只是通过不同的编码方式或波仍然保留帧结构，只是通过不同的编码方式或波分复用提供分复用提供10Gbps10Gbps传输速度。它是一种只适用于传输速度。它是一种只适用于全双工模式，所以不需要带有冲突检测的载波侦全双工模式，所以不需要带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（听多路访问协议（CSMA/CDCSMA/CD）。万兆以太网卡能）。万兆以太网卡能够使用多种光纤介质。够使用多种光纤介质。144.1.44.1.4网卡的分类网卡的分类2 2、按总线类型分、按总线类型分 按网卡的总线接口类型来分，可分为按网卡的总线接口类型来分，可分为ISAISA总线网总线网卡、卡、PCIPCI总线网卡、总线网卡、PCI-XPCI-X总线网卡、总线网卡、PCI-EPCI-E总线总线网卡、网卡、PCMCIAPCMCIA总线网卡、总线网卡、USBUSB接口网卡、接口网卡、Mini-Mini-PCIPCI接口网卡。接口网卡。154.1.44.1.4网卡的分类网卡的分类3 3、按接口类型分、按接口类型分 按网卡的网络接口类型来划分，目前常见的接按网卡的网络接口类型来划分，目前常见的接口主要有以太网的口主要有以太网的RJ-45RJ-45接口、细同轴电缆的接口、细同轴电缆的BNCBNC接接口和粗同轴电缆的口和粗同轴电缆的AUIAUI接口、接口、FDDIFDDI接口、接口、ATMATM接口等，接口等，有的网卡为了适用于更广泛的应用环境，提供了两有的网卡为了适用于更广泛的应用环境，提供了两种或多种类型的接口。种或多种类型的接口。其中其中RJ-45RJ-45接口网卡是最常见的一种网卡，接口网卡是最常见的一种网卡，也是应用最广的一种接口类型网卡，在双绞线以太也是应用最广的一种接口类型网卡，在双绞线以太网应用中普及。网应用中普及。不同的网络接口适用于不同的网络类型。不同的网络接口适用于不同的网络类型。164.1.54.1.5调制解调器的功能调制解调器的功能 调制解调器是一种网络设备，它的功能是将计调制解调器是一种网络设备，它的功能是将计算机的数字信号转换成模拟信号或反之，以便在电话算机的数字信号转换成模拟信号或反之，以便在电话线路或微波线路上传输。调制是把数字信号转换成模线路或微波线路上传输。调制是把数字信号转换成模拟信号的过程；解调是模拟信号转换成数字信号的过拟信号的过程；解调是模拟信号转换成数字信号的过程。程。174.1.64.1.6调制解调器的技术类型和标准调制解调器的技术类型和标准主要包括传统的调制解调器、主要包括传统的调制解调器、Cable ModemCable Modem、ADSL ADSL ModemModem、电力、电力ModemModem等。等。1 1、传统的调制解调器、传统的调制解调器传统的调制解调器指的就是通过电话线进行拨号上网传统的调制解调器指的就是通过电话线进行拨号上网所用的网络设备，通过所用的网络设备，通过RSRS232C232C串行口信号线与计算串行口信号线与计算机连接，其外置式的机连接，其外置式的ModemModem结构如图结构如图4-54-5所示。所示。图4-5 传统的调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。通常，数据终端设备以二进制串行信号形式分组成。通常，数据终端设备以二进制串行信号形式发送数据，经发送数据，经ModemModem接口转换为内部逻辑电平送入发接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，再经调制电路变成线路要求的信号向线路发送部分，再经调制电路变成线路要求的信号向线路发送。送。ModemModem接收部分接收来自线路的信号，经滤波、接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。备。调制解调器有内置式和外置式，内置式和普通的计算调制解调器有内置式和外置式，内置式和普通的计算机插卡一样，大家都称为传真卡，外置式的却只能叫机插卡一样，大家都称为传真卡，外置式的却只能叫做调制解调器或做调制解调器或ModemModem了。了。内置式调制解调器是一块即插即用的卡，如图内置式调制解调器是一块即插即用的卡，如图4-64-6所所示，卡上没有跳线。它有两个接口，一个标明示，卡上没有跳线。它有两个接口，一个标明“LineLine”的字样，用来接电话线；另一个标明的字样，用来接电话线；另一个标明“PhonePhone”的字样，用来接电话机。此外它是一块的字样，用来接电话机。此外它是一块支持语音的支持语音的ModemModem卡，除正常的两个插口外，它还卡，除正常的两个插口外，它还有一个麦克风接口和声音出口。有一个麦克风接口和声音出口。图4-6 内置Modem卡外置式的调制解调器，如图外置式的调制解调器，如图4-54-5所示，一般是所示，一般是2525针的针的RS232RS232接口，用来和计算机的接口，用来和计算机的RS232RS232口口(串口串口)相连。相连。标有标有“LineLine”的接口接电话线，标有的接口接电话线，标有“PhonePhone”的的接电话机。不同的接电话机。不同的ModemModem外形不同，但这些接口都外形不同，但这些接口都是类似的。除此之外，它带有一个变压器，为其是类似的。除此之外，它带有一个变压器，为其提供直流电源。提供直流电源。USBUSB技术的出现，给电脑技术的出现，给电脑的外围设备提供更快的速度、的外围设备提供更快的速度、更简单的连接方法。更简单的连接方法。USBUSB接口的接口的56K56K的的ModemModem，的确给传统的串，的确给传统的串口口ModemModem带来挑战，如图带来挑战，如图4-74-7所所示，只需将其接在主机的示，只需将其接在主机的USBUSB接接口就可以使用，非常方便。口就可以使用，非常方便。图4-7USB Modem222 2、ADSL ModemADSL ModemADSL ModemADSL Modem是使用是使用ADSLADSL接入接入InternetInternet的核心设的核心设备。与原来的备。与原来的ModemModem一样，有内置和外置之分，一样，有内置和外置之分，也有也有USBUSB接口的。接口的。ADSL ModemADSL Modem与传统与传统ModemModem的区别的区别?23ADSL ModemADSL Modem与传统与传统ModemModem的区别是：的区别是：连接速率不同连接速率不同 目前市场上最高速率的传统目前市场上最高速率的传统ModemModem只能提供只能提供56Kbps56Kbps的连接速率，而且，由于线路及其他未知因素，在实际的连接速率，而且，由于线路及其他未知因素，在实际使用中其连接速率还会有一定下降。使用中其连接速率还会有一定下降。而而ADSL ModemADSL Modem则能向用户提供则能向用户提供1Mbps1Mbps的上行速率和的上行速率和8Mbps8Mbps的下行速率。在实际应用中，的下行速率。在实际应用中，ADSL ModemADSL Modem虽然也虽然也会受到线路传输等问题的影响，但它仍然可以提供会受到线路传输等问题的影响，但它仍然可以提供640Kbps640Kbps左右的上行速率，而下行速率的变化并不大。左右的上行速率，而下行速率的变化并不大。数据传输原理不同数据传输原理不同传统传统ModemModem使用纯音频信号进行数据传输，它与电使用纯音频信号进行数据传输，它与电话一样，使用的都是电话线的低频部分（话一样，使用的都是电话线的低频部分（4KHz4KHz以下以下频段），由于与电话使用相同频段的传输信号，直频段），由于与电话使用相同频段的传输信号，直接造成了用户在使用拨号上网的同时不能接听或拨接造成了用户在使用拨号上网的同时不能接听或拨打电话。而打电话。而ADSL ModemADSL Modem使用电话线中使用电话线中26KHz26KHz1.1MHz1.1MHz的频段来传输数字信号，保证了两种信号既能同步的频段来传输数字信号，保证了两种信号既能同步传输又不会出现信号干扰。传输又不会出现信号干扰。3 3、Cable ModemCable ModemCable ModemCable Modem简称简称CMCM，中文名称为电缆调制解调器、，中文名称为电缆调制解调器、线缆调制解调器、线缆数据机，是一种可以通过有线线缆调制解调器、线缆数据机，是一种可以通过有线电视网络进行高速数据接入的装置。电视网络进行高速数据接入的装置。Cable ModemCable Modem是是一种适用于一种适用于HFCHFC的调制技术，允许用户通过有线电视的调制技术，允许用户通过有线电视网进行高速数据接入网进行高速数据接入InternetInternet的设备，在的设备，在50MHz50MHz以上以上的频段的频段(多在多在550MHz550MHz以上以上)用电视的用电视的6MHz6MHz带宽提供一个带宽提供一个下行信道，在下行信道，在5MHz5MHz50MHz50MHz频段开辟一个上行通道。频段开辟一个上行通道。采用采用64QAM64QAM调制可使下行通道的速率达到调制可使下行通道的速率达到36Mbps36Mbps，上，上行速率达到行速率达到10Mbps10Mbps。其次，其次，Cable ModemCable Modem只占用了有线电视系统可用频只占用了有线电视系统可用频谱中的一小部分，因而在上网时不影响收看电视。计谱中的一小部分，因而在上网时不影响收看电视。计算机可以每天算机可以每天2424小时停留在网上，不发送或接收数据小时停留在网上，不发送或接收数据时不占用任何网络和系统资源。时不占用任何网络和系统资源。Cable ModemCable Modem的原理和普通的的原理和普通的ModemModem拨号上网一样，拨号上网一样，都是通过各自的调制解调器在对送来或发出的数据信都是通过各自的调制解调器在对送来或发出的数据信号进行解调解码或编码调制之后来进行传输的，不同号进行解调解码或编码调制之后来进行传输的，不同之处在于它是通过有线电视之处在于它是通过有线电视CATVCATV的某个传输频带进行的某个传输频带进行调制解调的，调制解调的，Cable ModemCable Modem属于共享介质系统，其它属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。它们很适空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。它们很适合用来提供宽带功能业务。合用来提供宽带功能业务。Cable ModemCable Modem彻底解决了彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达10Mbps10Mbps以上，下行速率则更高。以上，下行速率则更高。4 4、电力调制解调器、电力调制解调器 电力调制解调器俗称电力猫，如图电力调制解调器俗称电力猫，如图4-94-9所示，是所示，是电力线上网中用户端的核心接入设备。电力线上网只电力线上网中用户端的核心接入设备。电力线上网只需要一个电力猫和一个常用的电线插板，不用任何网需要一个电力猫和一个常用的电线插板，不用任何网络线和电话线。络线和电话线。终端用户只需要插上电源插头，就终端用户只需要插上电源插头，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。当电力线空载时，点对点电力线上网者是可视电话。当电力线空载时，点对点电力线上网信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输一二百米。能传输一二百米。目前来讲，目前来讲，PLCPLC还不适合长距离的数据传输，但如还不适合长距离的数据传输，但如果只在楼宇内应用，解决果只在楼宇内应用，解决“最后一百米最后一百米”的入户问题，的入户问题，还是完全可以胜任的。还是完全可以胜任的。图4-9 电力猫304.24.2中继器与集线器中继器与集线器4.2.14.2.1中继器中继器中继器具有对物理信号进行放大和再生的功能，将其中继器具有对物理信号进行放大和再生的功能，将其从输入接口接收的物理信号通过放大和整形，再从从输入接口接收的物理信号通过放大和整形，再从输出接口输出。中继器具有典型的单进单出结构，输出接口输出。中继器具有典型的单进单出结构，所以当网络规模增加时，可能会需要许许多多的单所以当网络规模增加时，可能会需要许许多多的单进单出结构的中继器作为信号放大之用。进单出结构的中继器作为信号放大之用。314.2.14.2.1中继器中继器中继器主要负责在两个结点的物理层上按位传递信息，中继器主要负责在两个结点的物理层上按位传递信息，同时负责放大或再生局域网的信号；中继器可以扩同时负责放大或再生局域网的信号；中继器可以扩展网络连接距离和扩充工作站数目。使用中继器应展网络连接距离和扩充工作站数目。使用中继器应遵守以下两条原则：遵守以下两条原则：一是用中继器连接的以太网不能形成环型网；一是用中继器连接的以太网不能形成环型网；另一个必须遵守另一个必须遵守MACMAC（介质访问控制）协议的定时特性，（介质访问控制）协议的定时特性，即用中继器将电缆连接起来的段数是有限的。即用中继器将电缆连接起来的段数是有限的。324.2.14.2.1中继器中继器对于以太网，最多只能使用对于以太网，最多只能使用4 4个中继器，意味着只能连个中继器，意味着只能连接接5 5个网段即遵守以太网的个网段即遵守以太网的5-4-3-2-15-4-3-2-1规则。规则。334.2.24.2.2集线器集线器集线器就是通常所说的集线器就是通常所说的HubHub，是一种多端口的中继器，是一种多端口的中继器，如图如图4-104-10所示。工作在局域网环境中，是局域网内所示。工作在局域网环境中，是局域网内多台计算机的交汇连接设备。集线器应用于多台计算机的交汇连接设备。集线器应用于OSIOSI参参考模型的第一层，因此又被称为物理层设备，如图考模型的第一层，因此又被称为物理层设备，如图4-114-11所示。所示。图4-10 集线器344.2.24.2.2集线器集线器集线器是一种集线器是一种共享型的设备共享型的设备，其实质是一个中继器，其实质是一个中继器，同样必须遵守同样必须遵守MACMAC（介质访问控制）协议的定时特（介质访问控制）协议的定时特性，主要功能是对接收到的信号进行性，主要功能是对接收到的信号进行再生、整形、再生、整形、放大，以延长网络的传输距离放大，以延长网络的传输距离。依据。依据IEEE802.3IEEE802.3协协议，集线器是随机选出某一端口的设备，并让它独议，集线器是随机选出某一端口的设备，并让它独占全部带宽，与集线器的上联设备（交换机、路由占全部带宽，与集线器的上联设备（交换机、路由器或服务器等）进行通信。仅识别比特流，至于什器或服务器等）进行通信。仅识别比特流，至于什么么MACMAC地址、地址、IPIP地址，它什么也不知道地址，它什么也不知道 。354.2.24.2.2集线器集线器364.2.24.2.2集线器集线器图4-11集线器工作在OSI/RM中的示意图数据数据链路路层设备在网在网络中中连接示意接示意图 数据链路可以粗略地理解为数据传输通道，位于物理层与网络层数据链路可以粗略地理解为数据传输通道，位于物理层与网络层之间，是数据传输过程中比较重要一层。物理层设备为终端设备间提之间，是数据传输过程中比较重要一层。物理层设备为终端设备间提供传输媒介及连接，但通讯设备之间的传输连接只在通讯时暂时连接供传输媒介及连接，但通讯设备之间的传输连接只在通讯时暂时连接的。每次通信都要经过建立通信连接和拆除通信连接两个过程，这种的。每次通信都要经过建立通信连接和拆除通信连接两个过程，这种建立起来的数据收发关系就叫数据链路，承担这种工作任务的设备，建立起来的数据收发关系就叫数据链路，承担这种工作任务的设备，叫数据链路层设备，常见的数据链路层设备有网卡、网桥、交换机。叫数据链路层设备，常见的数据链路层设备有网卡、网桥、交换机。MACMAC地址地址节点的身份证明节点的身份证明局域网中，网络设备利用数据包的局域网中，网络设备利用数据包的MACMAC地址来地址来寻找它的目的地址的寻找它的目的地址的 网卡网卡MACMAC地址地址数据链路层基础知识数据链路层基础知识:MAC:MAC地址地址39MACMAC地址地址3字节设备编号字节设备编号3字节厂商编号字节厂商编号404.34.3网桥与交换机网桥与交换机 4.3.14.3.1网桥网桥网桥（网桥（BridgeBridge）是数据链路层的主要互联设备，有）是数据链路层的主要互联设备，有被称为桥接器。通过网桥，可以将一个较大的局域被称为桥接器。通过网桥，可以将一个较大的局域网分割为多个网段，或者将两个以上的局域网互联网分割为多个网段，或者将两个以上的局域网互联为一个较大的扩展网络。为一个较大的扩展网络。414.3.14.3.1网桥网桥网桥工作于数据链路层的介质访问控制（网桥工作于数据链路层的介质访问控制（MACMAC）子）子层，以数据帧为单位存储和转发数据。层，以数据帧为单位存储和转发数据。当网桥收到一个数据帧后，会首先将它传送到数据当网桥收到一个数据帧后，会首先将它传送到数据链路层进行差错校验，然后再将其返回物理层，通链路层进行差错校验，然后再将其返回物理层，通过物理层的传输机制把它传送到另一个子网上。过物理层的传输机制把它传送到另一个子网上。424.3.14.3.1网桥网桥在网络中，在网络中，网桥除了负责连接通信线路外，还具有网桥除了负责连接通信线路外，还具有数据帧的过滤和转发、源地址跟踪、演绎生成树、数据帧的过滤和转发、源地址跟踪、演绎生成树、连接广域网、分帧和重组以及简单的网络管理功能连接广域网、分帧和重组以及简单的网络管理功能。由于网桥是在数据帧上进行转发的，因此只能连接由于网桥是在数据帧上进行转发的，因此只能连接相同或相似的网络（相同或相似结构的数据帧）相同或相似的网络（相同或相似结构的数据帧）。网桥的优点网桥的优点:网桥具有迅速高效、自适应能力强的特点，网桥具有迅速高效、自适应能力强的特点，使用和安装都相对简单。使用和安装都相对简单。434.3.14.3.1网桥网桥网桥的缺点网桥的缺点:特别是在与广播帧相关的应用上。当网络中特别是在与广播帧相关的应用上。当网络中存在大量网桥时，广播通信量的指数增长形式最终存在大量网桥时，广播通信量的指数增长形式最终会导致占用过多的网络带宽。数据帧在网络中进行会导致占用过多的网络带宽。数据帧在网络中进行传输时，有时会因为不同网络间的差异或其他干扰传输时，有时会因为不同网络间的差异或其他干扰因素发生错误。当网桥接收到错误的广播帧时，又因素发生错误。当网桥接收到错误的广播帧时，又会引发另一个广播帧，当第二个广播帧又发生错误会引发另一个广播帧，当第二个广播帧又发生错误时，再引发新的广播帧，依次类推，结果就会导致时，再引发新的广播帧，依次类推，结果就会导致广播风暴的发生。这样会严重地影响网络的性能。广播风暴的发生。这样会严重地影响网络的性能。444.3.24.3.2交换机基础交换机基础交换机的英文名称是交换机的英文名称是“SwitchSwitch”，它是集线器的升，它是集线器的升级换代产品，相当于多口网桥。以交换机为主要连级换代产品，相当于多口网桥。以交换机为主要连接设备的交换式网络，解决了以集线器为主要连接接设备的交换式网络，解决了以集线器为主要连接设备的共享式网络通信效率低、网络带宽不足和网设备的共享式网络通信效率低、网络带宽不足和网络不易扩展等问题，从根本上改变了传统网络结构，络不易扩展等问题，从根本上改变了传统网络结构，解决了带宽、瓶颈问题。解决了带宽、瓶颈问题。454.3.24.3.2交换机基础交换机基础交换机是一种基于交换机是一种基于MACMAC（介质硬件地址）地址识别，（介质硬件地址）地址识别，能够封装、转发数据包的网络设备。交换机通过分能够封装、转发数据包的网络设备。交换机通过分析数据包的析数据包的MACMAC信息，可以在数据始发者和目标接信息，可以在数据始发者和目标接收者间建立临时通信路径，使数据包能够在不影响收者间建立临时通信路径，使数据包能够在不影响其他端口正常工作的情况下从源地址直接到达目的其他端口正常工作的情况下从源地址直接到达目的地址。地址。464.3.24.3.2交换机基础交换机基础交换机工作在交换机工作在OSIOSI参考模型的第二层，主要用于完成数据链参考模型的第二层，主要用于完成数据链路层和物理层的工作，如图路层和物理层的工作，如图4-124-12所示，其功能包括物理编址、所示，其功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、数据帧序列以及流量控制。网络拓扑结构、错误校验、数据帧序列以及流量控制。图4-12 交换机工作在OSI/RM中的示意图47交换机与集线器的区别交换机与集线器的区别共享式以太网源主机1目的主机2源主机2目的主机1交换式以太网源主机1目的主机1源主机2目的主机248ROMFlashInterfaceCPURAM交换机设备组成交换机设备组成交换机设备交换机设备=硬件构件硬件构件+软件操作系统软件操作系统49CPUCPU：提提供供控控制制和和管管理理，控控制制和和管管理理所所有有网网络络通通讯讯的的运运行行，理论上可以执行任何网络功能。理论上可以执行任何网络功能。例如：执行生成树、路由协议、例如：执行生成树、路由协议、ARPARP等。等。CPUCPU提提供供了了更更快快速速和和灵灵活活的的功功能能支支持持。在在交交换换机机中中，CPUCPU的的作作用用通通常常没没有有那那么么重重要要。因因为为大大部部分分的的交交换换计计算算由由一一种种叫叫做专用集成电路做专用集成电路ASICASIC的专用硬件来完成。的专用硬件来完成。交换硬件控制中心交换硬件控制中心CPUCPU50ASICASIC：专门的硬件集成电路所有端口并行转发数据，：专门的硬件集成电路所有端口并行转发数据，提供高性能的基于硬件的功能特性，主要由两部分功提供高性能的基于硬件的功能特性，主要由两部分功能组成：能组成：1 1、转发功能：、转发功能：L2L2、L3L3、组播、组播、SPANSPAN 2 2、端口功能：提供缓冲、拥塞避免、链路聚合、端口功能：提供缓冲、拥塞避免、链路聚合、VLANVLAN标记、广播抑制、标记、广播抑制、ACLACL、QOSQOS 优点：性能高优点：性能高,速度快速度快 缺点：研发周期比较长，功能无法灵活扩展缺点：研发周期比较长，功能无法灵活扩展交换硬件构架的组成交换硬件构架的组成ASICASIC51交换背板是交换机最重要的硬件组成，背板就像是公共汽车，运载并交换背板是交换机最重要的硬件组成，背板就像是公共汽车，运载并收发网络信息。高密度端口之间连接通道，类似收发网络信息。高密度端口之间连接通道，类似pcpc中的主板。中的主板。SLOT1SLOT2SLOT3SLOT4SLOT7SLOT8SLOT9SLOT9SLOT8SLOT10SLOT10SLOT7SLOT4SLOT3SLOT2SLOT1交换硬件构架的组成交换硬件构架的组成交换背板交换背板背板提供插背板提供插槽槽/端口间的端口间的连接。提供连接。提供插槽或端口插槽或端口间的连接和间的连接和数据传输，数据传输，背板设计直背板设计直接影响整机接影响整机处理性能。处理性能。52交换机交换机交换机交换机缓冲区缓冲区交换交换交换机支持的接口类型交换机支持的接口类型交换机支持的接口类型交换机支持的接口类型SFPSFP端口端口主要优点是连接到网络的灵活性。主要优点是连接到网络的灵活性。SFPSFP端口是一种端口是一种可热拔可热拔插的输入插的输入/输出设备输出设备，可插入千兆以太网端口或者插槽。，可插入千兆以太网端口或者插槽。SFPSFP端口能够在许多产品上应用并且能够与端口能够在许多产品上应用并且能够与1000BASE-SX1000BASE-SX、1000BASE-LX/LH1000BASE-LX/LH、1000BASE-ZX1000BASE-ZX或者或者1000BASE-BX10-D/U1000BASE-BX10-D/U等等产品逐个端口互换。产品逐个端口互换。SFPSFP端口可用于千兆以太网和光纤通道。他们能够为企业端口可用于千兆以太网和光纤通道。他们能够为企业网络、数据中心等提供一种灵活的和节省成本的解决方案。网络、数据中心等提供一种灵活的和节省成本的解决方案。交换机支持的模块交换机支持的模块57配置线缆介绍配置线缆介绍两端都是两端都是DB9DB9母头的配置线母头的配置线缆缆一端是一端是DB9DB9母头，另一端是母头，另一端是DB9DB9公头的配置线缆公头的配置线缆一端是一端是DB9DB9母头，另一端是母头，另一端是RJ45RJ45头的配置线缆；头的配置线缆；58交换机软件：交换机软件：NOSNOS NOSNOS是一种特殊的软件，可用它配置管理交换硬件，将信息是一种特殊的软件，可用它配置管理交换硬件，将信息从一个接口交换到另一个端口。是交换机产品的从一个接口交换到另一个端口。是交换机产品的“力量之源力量之源”。正是由于正是由于NOSNOS存在，才使交换机具有强大的生命力。存在，才使交换机具有强大的生命力。地址学习地址学习帧的转发帧的转发/过滤过滤回路防止回路防止交换机的三个功能交换机的三个功能交换机的三个功能交换机的三个功能交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置最初开机时最初开机时MAC地址表是空的地址表是空的MAC地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置主机主机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机A的的MAC地址地址对应端口对应端口E0该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口以外的其它所有端口(不清楚目标主机的不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式单点传送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBAMAC地址表地址表交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置交换机如何学习主机的位置主机主机D发送数据帧给主机发送数据帧给主机C交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机D的的MAC地址对应端地址对应端口口E03该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口以外的其它所有端口(不清楚目标主机的单点不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式传送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E3:0260.8c01.4444E0E1E2E3DCABMAC地址表地址表交换机如何过滤帧交换机如何过滤帧交换机如何过滤帧交换机如何过滤帧交换机交换机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转发发E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3X XX XDCABMAC地址表地址表主机主机D发送广播帧或多点帧发送广播帧或多点帧广播帧或多点帧泛洪到除源端口外的所有端口广播帧或多点帧泛洪到除源端口外的所有端口0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3DCABE0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.4444广播帧和多点传送帧广播帧和多点传送帧广播帧和多点传送帧广播帧和多点传送帧MAC地址表地址表冗余网络拓扑冗余网络拓扑冗余网络拓扑冗余网络拓扑冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题通问题冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地地址表不稳定的问题址表不稳定的问题网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y广播广播交换机交换机A交换机交换机B主机主机X发送一广播信息发送一广播信息广播风暴广播风暴广播风暴广播风暴网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y广播广播广播风暴广播风暴广播风暴广播风暴交换机交换机A交换机交换机B主机主机X发送一广播信息发送一广播信息网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y广播广播交换机不停地发出广播信息交换机不停地发出广播信息广播风暴广播风暴广播风暴广播风暴交换机交换机A交换机交换机B网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y重复帧重复帧重复帧重复帧单点帧单点帧主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到交换机交换机A交换机交换机B网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y单点帧单点帧主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到路由器路由器Y会收到同一帧的两个拷贝会收到同一帧的两个拷贝单点帧单点帧单点帧单点帧重复帧重复帧重复帧重复帧交换机交换机A交换机交换机B网段网段1网段网段2服务器服务器/主机主机X路由器路由器Y更复杂的拓扑结构可能导致多重回路更复杂的拓扑结构可能导致多重回路在第在第2层没有能够防止这种回路的机制层没有能够防止这种回路的机制服务器服务器/主机主机工作站工作站回路回路回路回路回路回路多重回路问题多重回路问题多重回路问题多重回路问题广播广播回路的解决办法回路的解决办法回路的解决办法回路的解决办法:生成树协议生成树协议生成树协议生成树协议Spanning-TreeProtocolSpanning-TreeProtocol将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回路中产生回路阻塞阻塞x基于软件实现基于软件实现每个桥只能有一个生成树每个桥只能有一个生成树每个桥通常最多到每个桥通常最多到16个端口个端口桥桥基于硬件实现基于硬件实现(ASIC)每个交换机可以有多个生成树每个交换机可以有多个生成树有更多的端口有更多的端口交换机交换机桥与交换机的比较桥与交换机的比较桥与交换机的比较桥与交换机的比较交换方式交换方式交换方式交换方式-帧交换帧交换帧交换帧交换直通转发直通转发交换机检测到目标地址后即转发帧交换机检测到目标地址后即转发帧Frame帧交换帧交换帧交换帧交换存贮转发存贮转发完整地收到帧并检查无错完整地收到帧并检查无错后才转发后才转发直通转发直通转发交换机检测到目标地址后即转发帧交换机检测到目标地址后即转发帧FrameFrameFrameFrame直通转发直通转发交换机检测到目标地址后即转发帧交换机检测到目标地址后即转发帧Frame片断转发片断转发(直通转发的修订版直通转发的修订版)Cat1900的缺省模式的缺省模式交换机检测到帧的前交换机检测到帧的前64字节后即转发字节后即转发Frame存贮转发存贮转发完整地收到帧并检查无错后才转发完整地收到帧并检查无错后才转发FrameFrameFrame帧交换帧交换帧交换帧交换半双工半双工(CSMA/CD)单向数据传送单向数据传送冲突可能性高冲突可能性高用集线器连接用集线器连接交换机交换机集线器集线器双工综述双工综述双工综述双工综述全双工全双工只能用于点对点只能用于点对点连接到特定的端口连接到特定的端口两端均须支持全双工两端均须支持全双工无冲突无冲突冲突检测电路关闭冲突检测电路关闭双工综述双工综述双工综述双工综述半双工半双工(CSMA/CD)单向数据传送单向数据传送冲突可能性高冲突可能性高用集线器连接用集线器连接交换机交换机集线器集线器794.3.24.3.2交换机基础交换机基础介绍一些交换机中常见的技术参数。介绍一些交换机中常见的技术参数。1 1、交换方式、交换方式交换方式决定了交换机在转发数据包时采用的转发机交换方式决定了交换机在转发数据包时采用的转发机制，目前常见的交换机主要使用存储转发、碎片隔离制，目前常见的交换机主要使用存储转发、碎片隔离和直通交换和直通交换3 3种交换方式。种交换方式。接入交换机、汇聚交换机、核心交换机。接入交换机、汇聚交换机、核心交换机。80CiscoCisco三层结构三层结构三层结构三层结构汇聚层汇聚层核心层核心层接入层接入层814.3.24.3.2交换机基础交换机基础2 2、背板带宽、背板带宽背板带宽（也叫交换带宽）指交换机的接口处理器背板带宽（也叫交换带宽）指交换机的接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为GbpsGbps，常见交换机的背板带宽从几，常见交换机的背板带宽从几GbpsGbps到上百到上百GbpsGbps不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会越高。并且，的能力就越强，但同时设计成本也会越高。并且，背板带宽的利用率还与交换机的内部结构有关。背板带宽的利用率还与交换机的内部结构有关。824.3.24.3.2交换机基础交换机基础3 3、包转发率、包转发率 包转发率标志了交换机转发数据包能力的大小，包转发率标志了交换机转发数据包能力的大小，单位一般为单位一般为ppspps（包每秒）。一般交换机的包转发（包每秒）。一般交换机的包转发率在几十率在几十KppsKpps到几百到几百MppsMpps不等。其实，在交换机中不等。其实，在交换机中影响包转发率的还是背板带宽。背板带宽越高，所影响包转发率的还是背板带宽。背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，交换机的包转发率也就能处理数据的能力就越强，交换机的包转发率也就越高。越高。834.3.24.3.2交换机基础交换机基础4 4、传输速率、传输速率交换机的传输速率是指交换机端口的数据交换速度，交换机的传输速率是指交换机端口的数据交换速度，常见的有常见的有10Mbps10Mbps、100Mbps100Mbps、1000Mbps1000Mbps，少数高档，少数高档的交换机还能提供的交换机还能提供10Gbps10Gbps的传输速率。的传输速率。844.3.24.3.2交换机基础交换机基础5 5、全双工、全双工全双工模式下的交换机可以同时发送和接收数据，全双工模式下的交换机可以同时发送和接收数据，但要求交换机和交换机所连接的设备都支持全双工但要求交换机和交换机所连接的设备都支持全双工工作方式。具有全双工功能的交换机具有以下优点：工作方式。具有全双工功能的交换机具有以下优点：高吞吐量、避免碰撞、突破长度限制。高吞吐量、避免碰撞、突破长度限制。854.3.24.3.2交换机基础交换机基础6 6、支持网络标准、支持网络标准交换机是否支持某种网络标准，决定了交换机能否交换机是否支持某种网络标准，决定了交换机能否在该标准的网络环境中工作。交换机支持的网络标在该标准的网络环境中工作。交换机支持的网络标准越多，表明该交换机产品的网络适应能力越强。准越多，表明该交换机产品的网络适应能力越强。目前，在目前，在IEEE802IEEE802中共有中共有1111个与局域网有关的标准。个与局域网有关的标准。864.3.24.3.2交换机基础交换机基础7 7、内存容量、内存容量在交换机中，内存用于数据缓冲或存储交换机配置在交换机中，内存用于数据缓冲或存储交换机配置信息。交换机内存容量越大，它所能存储、缓冲的信息。交换机内存容量越大，它所能存储、缓冲的数据越多，其工作状态也就越稳定。数据越多，其工作状态也就越稳定。874.3.24.3.2交换机基础交换机基础8 8、端口数量、端口数量交换机的端口数量是不同交换机产品间最直观的评交换机的端口数量是不同交换机产品间最直观的评定标准之一，通常这项参数是针对固定端口交换机定标准之一，通常这项参数是针对固定端口交换机而言的。常见的固定端口交换机端口数量有而言的。常见的固定端口交换机端口数量有8 8、1616、2424等几种。非标准的端口数量主要有等几种。非标准的端口数量主要有4 4端口、端口、5 5端口、端口、1010端口、端口、1212端口、端口、2020端口、端口、2222端口等。端口等。884.3.24.3.2交换机基础交换机基础9 9、MACMAC地址数量地址数量所谓所谓MACMAC地址数量是指交换机地址数量是指交换机MACMAC地址表的地址表的MACMAC地址地址最大存储数量，它决定了交换机的计算机接入容量。最大存储数量，它决定了交换机的计算机接入容量。该参数取决于交换机端口的该参数取决于交换机端口的BufferBuffer（缓存）容量大（缓存）容量大小。小。894.3.44.3.4三层交换机三层交换机三层交换机是三层交换机是19971997年才开始出现的一种交换技术，使用年才开始出现的一种交换技术，使用三层交换技术的交换设备被称为三层交换机。三层交换三层交换技术的交换设备被称为三层交换机。三层交换机最初是为了解决较大规模网络中的广播域问题，经过机最初是为了解决较大规模网络中的广播域问题，经过多年的发展，三层交换机已经成为接入层骨干网络中的多年的发展，三层交换机已经成为接入层骨干网络中的重要设备。重要设备。904.3.44.3.4三层交换机三层交换机三层交换机实质上是将二层交换机与路由器结合起来的三层交换机实质上是将二层交换机与路由器结合起来的网络设备，它既可以完成数据交换功能，又可以完成数网络设备，它既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能。其工作原理如下：据路由功能。其工作原理如下：当某个信息源的第一个数据包进入三层交换机时，三当某个信息源的第一个数据包进入三层交换机时，三层交换机需要分析、判断该数据包中的目的层交换机需要分析、判断该数据包中的目的IPIP地址与源地址与源IPIP地址是否在同一网段内；地址是否在同一网段内；要是两个要是两个IPIP地址属于同一网段，三层交换机会通过二地址属于同一网段，三层交换机会通过二层交换机模块直接对数据包进行转发，如果两个层交换机模块直接对数据包进行转发，如果两个IPIP地址地址分别属于不同网段，三层交换机会将该数据包交给三层分别属于不同网段，三层交换机会将该数据包交给三层路由模块进行路由；路由模块进行路由；914.3.44.3.4三层交换机三层交换机 三层路由模块在接收到数据包后，首先要在内部路由三层路由模块在接收到数据包后，首先要在内部路由表中查看该数据包的目的表中查看该数据包的目的MACMAC地址与目的地址与目的IPIP地址间是否存地址间是否存在对应关系，若有，则将其转回二层交换模块进行转发；在对应关系，若有，则将其转回二层交换模块进行转发；要是两者没有对应关系，三层路由模块会在对数据要是两者没有对应关系，三层路由模块会在对数据包进行路由处理后，将该数据包的包进行路由处理后，将该数据包的MACMAC地址与地址与IPIP地址映射地址映射记录添加至内部路由表中，然后将数据包转回二层交换记录添加至内部路由表中，然后将数据包转回二层交换模块进行转发。模块进行转发。