第四章-计算机网络设备

1主编裴有柱电子工业出版社计算机网络基础(第2版)中等职业教育国家规划教材

要点：①网络的传输介质②各种网间互联设备(中继器、HUB、路由器、网桥及网关等)的性能和应用③各种网络接口设备（包括网卡、调制解调器等）的应用。目标：

网络传输介质双绞线、同轴电缆和光纤的性能及使用，网卡、路由器、HUB的性能及应用，中继器、网关和网桥的应用。*本章学习要点、目标、导读：

第4章计算机网络设备导读：

本章介绍连接网络的各种传输设备、接口设备及网间互联设备的性能与应用。通过学习本章应充分了解各种网络设备在实际中的使用特性，对网络设计和组建以及异种网络之间的互联有一定的指导作用。4.1网路传输介质

网路传输介质是在网路中信息传输的媒体，常用的传输介质通常分为有线传输介质和无线传输介质两大类。有线传输介质主要包括双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质主要有无线电波、微波、红外线和激光。

有线传输介质传输介质无线传输介质双绞线同轴电缆光纤无线电波红外线激光将信号约束在一个物理导体之内1.双绞线电缆概述双绞线能提供良好的传导率，既可以传输模拟信号，也可以用来传输数字信号，对于模拟信号，每5~6KM需要一个放大器；对于数字信号，每2~3KM需要一个中继器。在局域网中，双绞线被用来进行直接的数字信号传输，单传输距离受到限制。在100kb/s速率距离可达1km；使用10MB/S和100MS/B的数据传输速率，距离不能超过100M.双绞线TP（TwistedPair）在内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导线组成，导线的典型直径为1mm（在0.4mm1.4mm之间）。采用两两相绞的绞线技术可以抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。双绞线电缆一般由多对双绞线外包缠护套组成，其护套称为电缆护套。电缆的对数可分为4对双绞线电缆、大对数双绞线电缆（包括25对、50对、100对等）。双绞线电缆中的每一根绝缘线路都用不同颜色加以区分，这些颜色构成标准的编码，因此很容易识别和正确端接每一根线路。每个线对都有两根导线。其中一根导线的颜色为线对的颜色加一个白色条纹，另一根导线的颜色是白色底色加线对颜色的条纹，即电缆中的每一对双绞线对称电缆都是互补颜色。4对UTP电缆的4对线具有不同的颜色标记，这四种颜色是蓝色、橙色、绿色、棕色。2.双绞线电缆的分类双绞线非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP）十字星形填充的双绞线对称电缆构造是在电缆中建一个十字交叉中心，把4个线对分成不同的信号区，这样就可以提高电缆的抗近端串扰性能，减少在安装过程中由于电缆连接和弯曲引起的电缆物理上的失真，十字骨架构造在保证前后位置精准方面做了更多的改进。3.连接器件双绞线电缆连接硬件包括电缆配线架、信息插座和接插软线等。4.双绞线的主要品牌（1）AVAYA（亚美亚）（2）美国安普（AMP）（3）美国IBM公司（4）西蒙（SIEMON）公司（5）美国泛达Panduit综合布线系统（7）法国阿尔卡特（ALCATEL）公司（8）大唐电信科技股份有限公司（9）TCL国际电工1.同轴电缆的结构同轴电缆共有四层组成：一根中央铜导线、包围铜线的绝缘层、一个网状金属屏蔽层以及一个塑料保护外皮。它的内部共有两层导体排列在同一轴上，所以称为“同轴”。其中，铜线传输电磁信号，它的粗细直接决定其衰减程度和传输距离；绝缘材料将铜线与金属屏蔽物隔开；网状金属屏蔽层（网状金属屏蔽层在各个方向上围绕着导线）一方面可以屏蔽噪声，另一方面可以作为信号地，能够很好地隔离外来的电信号。4.2.1同轴电缆（CoaxialCable）同轴电缆1.光缆的组成光纤是光缆的纤芯，光纤由光纤芯、包层和涂覆层三部分组成。最里面的是光纤芯，包层将光纤芯围裹起来，使光纤芯与外界隔离，以防止与其他相邻的光导纤维相互干扰。

4.1.3光纤（1）光纤芯光纤芯是光的传导部分，而包层的作用是将光封闭在光纤芯内。光纤芯和包层的成分都是玻璃，光纤芯的折射率高，包层的折射率低，这样可以把光封闭在光纤不断反射传输在芯内。光纤特点1.优点：①传输速率高，目前实际可达到的传输速率魏几十兆比特/秒至几兆比特/秒。②抗电磁干扰能力强、重量轻、体积小、韧性好、安全保密性高。③传输距离长衰减极小。2.缺点：①光纤通信多用于作为计算机网路的主干线。光纤的最大问题是与他传输介质相比价格昂贵。②光纤衔接和光纤分支均较困难，而且在分支，信号能量损失很大。2.光纤的分类（1）按照折射率分布不同来分均匀光纤：光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为一常数，且n1>n2，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤称为均匀光纤，又称为突变型光纤。非均匀光纤：光纤纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率n2，即纤芯中折射率的变化呈近似抛物线型。这种光纤称为非均匀光纤，又称为渐变型光纤。（2）按照传输的总模数来分单模光纤SMF（SingleModeFiber）：单模光纤的纤芯直径很小，约为4m~10m，理论上只传输一种模态。单模光纤通常用在工作波长为1310nm或1550nm的激光发射器中。在综合布线系统中，常用的单模光纤有8.3/125m突变型单模光纤，常用于建筑群之间的布线。多模光纤MMF（MultiModeFiber）：在一定的工作波长下，当有多个模态在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。工作波长为850nm或1300nm。在综合布线系统中常用纤芯直径为50m、62.5m，包层均为125m，也就是通常所说的50m、62.5m。常用于建筑物内干线子系统、水平子系统或建筑群之间的布线。3．光纤通信系统目前在局域网中实现的光纤通信是一种光电混合式的通信结构。通信终端的电信号与光缆中传输的光信号之间要进行光电转换，光电转换通过光电转换器完成。

4．光纤连接器光纤收发器光接口网卡有些服务器需要与交换机之间进行高速的光纤连接，这时，服务器中的网卡应该具有光纤接口。主要有Intel、IBM、3COM和D-Link等大公司的产品系列。带光纤接口的交换机许多中高档的交换机为了满足连接速率与连接距离的需求，一般都带有光纤接口。有些交换机为了适应单模和多模光纤的连接，还将光纤接口与收发器设计成通用接口的光纤模块，根据不同的需要选用，把这些光纤模块插入交换机的扩展插槽中。（2）涂覆层由一层或几层聚合物构成，厚度约为250m，在光纤的制造过程中就已经涂覆到光纤上。（3）缓冲保护层分紧套管缓冲和松套管缓冲两类。（4）光缆加强元件光缆加强元件有芳纶砂、钢丝和纤维玻璃棒等三种。（5）光缆护套光缆护套是光缆的外围部件，它是非金属元件，作用是将其他的光缆部件加固在一起，保护光纤和其他的光缆部件免受损害。5．交换技术

交换技术只是把数据从源站点发送到目的站点，中间节点不关心数据内容。网络中常使用的交换技术是线路交换、报文交换和分组交换。

6．多路复用技术

是指为充分利用传输介质在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。频分多路复用是以信道频带作为分割对象，在发送端把要传输多路信号用互不重叠的频率分割开，然后发送；时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现发送。

1.微波微波数据通信系统有两种形式：地面系统和卫星系统。采用微波传输的站必须安装在视线内，传输的频率为4GHz6GHz和21GHz23GHz，传输距离一般只有50km左右。微波通信的主要特点是有很高的带宽(1～11GHz)．容量大，通信双方不受环境位置的影响，并且不需事先铺设电缆。4.1.4无线传输介质2.激光通信激光通信的优点是带宽更高、方向性好、保密性能好等。激光通信多用于短距离的传输。激光通信的缺点是其传输效率受天气影响较大。3.红外线光红外线通信不受电磁干扰和射频干扰的影响。红外线传输建立在红外线光的基础上，采用光发射二极管、激光二极管或光电二极管来进行站点与站点之间的数据交换。红外线传输既可以进行点到点通信，也可以进行广播式通信。红外线传输技术数据传输速率相对较低，在面向一个方向通信时，数据传输率为16Mbps。如果选择数据向各个方向上传输时，速度将不能超过1Mbps。4.1.3传输介质的选择⑴网路拖布结构；⑵网路连接方式；⑶网路通信容量；⑷系统传输时的可靠性要求；⑸所传输的数据类型；⑹环境因素，如网络覆盖的地理范围、节点间局等。

网卡是局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口，全名是网络接口卡，也叫网络适配器，其品种和质量的好坏，直接影响网络的性能和网上所运行软件的效果。4.2网卡（NIC）每一网卡在出厂时都被分配了一个全球惟一的地址标识，该标识被称为网卡地址或MAC地址，由于该地址是固化在网卡上的，所以又被称为物理地址或硬件地址。网卡地址由48位长度的二进制数组成。

按照网络技术的不同可分为以太网卡、令牌环网卡、FDDI网卡等。目前以太网网卡最常见。按照传输速率，单单以太网卡就提供了10Mbps、100Mbps、1000Mbps和10Gbps等多种速率。数据传输速率是网卡的一个重要指标。按照总线类型分类，网卡可分为ISA总线网卡、EISA总线网卡、PCI总线网卡及其他总线网卡等。按照所支持的传输介质，网卡可分为双绞线网卡、粗缆网卡、细缆网卡、光纤网卡和无线网卡。同轴电缆网卡双绞线网卡光纤网卡网卡按总线接口分类ISA网络接口：较早（20世纪80年代末90年代初）的网卡。PCI网络接口：是现在PC机上最普遍的网卡。PCI-X网络接口：服务器上使用的网卡。PCMCIA网络接口：笔记本上使用的网卡。USB网络接口：是一种新型的总线技术。按网络接口分类RJ-45网卡：双绞线以太网应用BNC网卡：细同轴电缆上应用 AUI网卡：粗同轴电缆上应用FDDI网卡：100M/S带宽的光纤网应用ATM网卡：ATM光纤或双绞线网络中应用。按带宽分类 10M/S网卡100M/S网卡10/100M/S网卡1000M/S网卡4.3网络互联设备常用的网络互联设备有中续器、集线器、网桥、交换机、路由器等。4.3.1中继器中继器又称转发器，具有对物理信号进行放大和再生的功能，其将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，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。所有端口都共享一个带宽。双绞线中继器光纤中继器

使用中继器应遵守以下两条原则：一是用中继器连接的以太网不能形成环形网；另一个必须遵守MAC（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。对于以太网，最多只能使用4个中继器，意味着只能连接5个网段，即遵守以太网的5-4-3-2-1规则。其中：5是指局域网最多有5个网段；4是指全信道上最多可连4个中继器；3是指其中3个网段可连网站；2是指有两个网段只能用来加长而不连任何网站，其目的是减少竞发网站的个数，而减小发生冲突的几率；1是指由此组成一个共享局域网，总站数小于1024，全长小于500m（双绞线）或2.5km（粗同轴电缆）。2.中继器的应用特点中继器是扩展网络的最廉价的方法。安装简单方便。只用于使用相同协议的同构型网络的连接。如：不能把以太网和令牌网进行连接。没有隔离和过滤功能。无线4.3.2集线器（HUB）集线器是中续器的一种，区别在与集线器能够提供更多的接口服务，所以集线器也叫多中续器。集线器主要以优化网络布线结构，简化网络管理为目标而设计的。以集线器为节点中心的优点 当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作，这就是集线器刚推出时与传统的总线网络的最大的区别和优点。集线器分类按端口可分为8、16、24口集线器。8口16口24口2.按带宽划分有，10Mb/s、100Mb/s、10/100Mb/s几种。①10Mb/s集线器是网路早期产品，属于低端集线器。②100Mb/s集线器相对是比较先进。③10/100Mb/s集线器是自适应型。克服了100Mb/s和10Mb/s兼容性不良的缺点。3.按照配置形式划分①独立型集线器②模块化集线器③堆叠式集线器按照管理方式划分切换式集线器共享式集线器可堆叠共享式集线器从可否进行网路管理划分不可以网路管理型集线器称为傻瓜集线器。可以网路管理型集线器，称为智能集线器。集线器的不足用户带宽共享，带宽受限。广播方式，易构成网路风暴。非双工传输，网路通信效率低。4.4交换机（Switch）以太网交换机（以下简称交换机）是工作在OSI参考模型数据链路层的设备，外表和集线器相似。它通过判断数据帧的目的MAC地址，从而将帧从合适的端口发送出去。交换机是集线器的升级版，从外观看和集线器没什么区别，都是带有端口的长方形的盒子。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。如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）。如果数据帧的目的地址是单播地址，但是这个地址并不在交换机的地址表中，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）。如果数据帧的目的地址在交换机的地址表中，那么就根据地址表转发到相应的端口。如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。交换数据帧E0：0260.8c01.1111E1：0260.8c01.3333E2：0260.8c01.2222E3：0260.8c01.4444E3：0260.8c01.6666MACaddresstableACEBDF0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.55550260.8c01.33330260.8c01.44440260.8c01.6666E0E1E2E3E4局域网交换机的种类①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。②按照现在复杂的网络构成方式，网络交换机分为接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。③从传输介质和传输速度上看，局域网交换机分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆位以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等多种。④从规模应用上又有企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。

⑤按照OSI的参考网络模型，交换机分为第2层交换机、第3层交换机、第4层交换机等，一直到第7层交换机。⑥按照交换机的可管理性，可把交换机分为可管理型交换机和不可管理型交换机，它们的区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。⑦按照交换机是否可堆叠，交换机分为可堆叠型交换机和不可堆叠型交换机两种。⑧按照最广泛的普通分类方法，局域网交换机分为桌面型交换机、工作组型交换机和校园网交换机3类。⑨根据交换技术的不同，有人又把交换机分为端口交换机、帧交换机和信元交换机3种。⑩从应用的角度划分，交换机分为电话交换机（PBX）和数据交换机（Switch）。当然，目前在数据上的语音传输VoIP又有人称之为“软交换机”。

交换机之间的连接(1)交换机有“UpLink（级联）”端口(2)交换机没有“UpLink（级联）”端口(3)堆叠交换机与集线器的区别工作层次不同。交换机和集线器在OSI/RM开发体系模型中方对应的层次就不一样，集线器是同时工作在第1层（物理层）和第2层（数据链路层），而交换机至少是工作在第2层，更高级的交换机可以工作在第3层（网络层）和第4层（传输层）。交换机的数据传输方式不同。集线器的数据传输方式是广播方式。而交换机的数据传输是有目的的，数据只对目的节点发送，只是在自己的MAC地址表中找不到的情况下第1次使用广播方式发送，然后因为交换机具有MAC地址学习功能，第2次以后就不再室广播发送了，又是有目的的发送。这样的好处是数据传输效率提高，不会出现广播风暴，在安全性方面也不会出现其他节点侦听的现象。3.带宽占用方式不同。在带宽占用方面，集线器所以端口是共享集线器的总带宽，而交换机的每个端口都具有自己的带宽，这样交换机实际上每个端口的带宽比集线器端口可用带宽要高许多，也就决定了交换机的传输速度比集线器要快许多。4.传输模式不同。集线器只能采用半双工方式进行传输，因为集线器是共享传输介质的，这样在上行通道上集线器一次只能传输一个任务，要么是发送数据。而交换机则不一样，它是采用全双工方式来传输数据的，因此在同一时刻可以用手进行数据的接受和发送，这不但令数据的传输速度大大加快，而且在整个系统的吞吐量方面交换机比集线器至少要加快一倍以上，因为它可以接受和发送同时进行，实际上还远不止一倍，因为一般来说交换机端口带宽比集线器也要宽许多倍。4.5路由器路由器是连接异型网路的核心设备。路由器工作于网路层，它具有不同网路间的地址翻译，协议交换和数据格式转换的功能，以实现广域网之间、广域网和局域网之间的互联。网络层数据链路层物理层传输层网络层数据链路层物理层传输层物理层路由器