计算机网络技术基础教程-3

第3章传输介质与网络设备3.1传输介质3.2网卡3.3物理层设备3.4交换机3.5路由器3.6案例──校园网网络设备3.1传输介质3.1.1双绞线3.1.2同轴电缆3.1.3光纤3.1.4无线传输介质传输介质是网络中传输数据、连接各网络节点的实体，可以分为有线传输介质和无线传输介质两大类。

有线传输介质：利用金属、石英光纤、塑料光纤等导体传输信号。

无线传输介质：不利用导体，信号完全通过空间从发射器发射到接收器。3.1.1双绞线双绞线是局域网最基本的传输介质，由具有绝缘保护层的4对8线芯组成，每两条按一定规则缠绕在一起，称为一个线对。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）和屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）。1．双绞线的类型（1）非屏蔽双绞线（UTP）。图3-1非屏蔽双绞线外观图3-2五类4对非屏蔽双绞线结构铝箔屏蔽的双绞线独立屏蔽双绞线（2）屏蔽双绞线。图3-3STP外观图3-4五类4对STP结构在实际应用中，目前一般以UTP电缆为主，它具有以下优点。

无屏蔽外套、直径小、节省空间。

重量轻、易弯曲、易安装。

将串扰减至最小甚至消除。

具有阻燃性。

具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。一类线二类线三类线四类线五类线超五类线六类线2．双绞线的型号3.1.2同轴电缆图3-6同轴电缆同轴电缆有两种：一种为75

Ω同轴电缆；另一种为50

Ω同轴电缆。1．规格分类同轴电缆一般用于总线型网络布线连。2．网络应用图3-7总线型网络3.1.3光纤1．光纤结构与原理光纤（光导纤维）的结构一般是双层或多层的同心圆柱体，由透明材料做成纤芯，在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成包层。

纤芯

包层

涂覆层图3-8光纤结构图3-9光纤通信原理光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如图像）变成电信号，然后经过转换设备把信号调制到激光器发出的激光上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，光波通过光纤发送出去，传播到接收端，检测器收到光信号后用设备把它调制转换成电信号，再恢复为原始信息。2．光纤的分类（1）按传播模式分为单模光纤和多模光纤（2）按折射率分布分为跳变式光纤和渐变式光纤。（a）光缆结构（b）光缆实物与模型图3-10光缆3．光缆光缆的类型有如下所述的几种。

按敷设方式分有：自承重架空光缆、管道光缆、铠装地埋光缆和海底光缆。

按光缆结构分有：束管式光缆、层绞式光缆、紧抱式光缆、带式光缆、非金属光缆和可分支光缆。

按用途分有：长途通信用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。

通信速度快

传输距离长

信号干扰小，安全性能好。光纤本身比较坚固，能抵抗一般的风吹雨打和暴晒，甚至挤压，稳定性较好，使用寿命较长。另外，重量轻，便于施工布线和运输。

光纤无辐射，难于窃听，安全性较好。

但光纤也有一些缺点，由于其玻璃质的结构，使分路、耦合都比较麻烦，而且光纤设备相对较贵4．光纤的优缺点光纤要能正常使用，在两端先要把里面的芯熔接上跳线或尾纤。5．光纤的应用图3-11各种各样的尾纤和跳线图3-12SC接口光模块（1）通过交换机上的光模块进行连接光纤接口是用来连接光纤线缆的物理接口。常用的类型介绍如下。

FCSTSCPCAPC图3-13光纤收发器及其应用（2）通过光纤收发器进行连接3.1.4无线传输介质1．无线电波无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。图3-14无线接入设备微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式，频率范围为2～40

GHz。微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两种。2．微波通信图3-15微波通信卫星通信是在地球站之间利用位于36

000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。3．卫星通信图3-16卫星通信红外系统采用光发射二极管（LED）或激光二极管（LD）来进行站与站之间的数据交换。4．红外通信这是最常见的方式，如大家常用的遥控器。（1）点到点式红外系统。广播式红外系统是把集中的光束，以广播或扩散的方式向四周散发。（2）广播式红外系统。图3-17广播式红外系统3.2网卡3.2.1网卡的功能与分类3.2.2配置网卡的IP地址3.2.3查看网卡的MAC地址图3-18网卡3.2.1网卡的功能与分类网卡能够完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制（如实现CSMA/CD协议）、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码（如曼彻斯特代码的转换）、数据的串行/并行转换等功能。网卡的一个重要功能就是进行串行/并行转换。网卡的功能大同小异，其主要功能有以下3个方面。数据的封装与解封链路管理编码与译码1．网卡的功能2．网卡的分类（1）按传输速率分类。按传输速率可分为10

Mbit/s、100

Mbit/s、10/100

Mbit/s自适应以及1

000

Mbit/s网卡。图3-19百兆网卡和吉比特网卡早期的网卡主要分AUI粗缆接口和BNC细缆接口两种目前，网卡主要有RJ45接口和光纤接口两种类型（2）按接口类型分类。图3-20AUI接口和BNC接口网卡图3-21USB网卡（3）按总线插口类型分类。图3-22PCMCIA接口网卡图3-23无线网卡3.2.2配置网卡的IP地址【例3-1】配置网卡IP地址。要求：设置IP地址为“192.168.0.100”、子网掩码为“255.255.255.0”、默认网关为“192.168.0.1”、首选DNS服务器为“192.168.0.10”。图3-24【网络连接】窗口1．图3-25【本地连接属性】对话框2.图3-26【Internet协议（TCP/IP）属性】对话框3.图3-27设置IP地址4.5．单击按钮，关闭对话框。计算机的IP地址设置完成。6．为网卡连上网线，现在计算机就可以顺利访问局域网了。3.2.3查看网卡的MAC地址

MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）地址也称为物理地址（PhysicalAddress），是内置在网卡中的一组代码，由12个十六进制数组成，每个十六进制数长度为4

bit，总长48

bit。对于MAC地址的作用，可简单地归结为以下两个方面。1．网络通信基础2．保障网络安全【例3-2】查看网卡MAC地址。1．选择【所有程序】/【附件】/【命令提示符】命令，打开【命令提示符】窗口。2．输入“ipconfig/all”命令并按Enter键，则窗口中出现本机的地址信息。图3-28本机的地址信息3.3物理层设备3.3.1中继器3.3.2集线器在物理层通常提供两种类型的网络互连设备，即中继器（Repeater）和集线器（Hub）。3.3.1中继器中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。图3-29中继器连接结构图3-30光纤中继器3.3.2集线器集线器就是通常所说的Hub，它实际是一种多端口中继器，区别仅在于中继器只是连接两个网段，而集线器能够提供更多的端口服务。图3-31集线器（1）集线器在OSI（开放系统互连）七层模型中处于物理层，其实质是一个中继器。（2）集线器只是一个多端口的信号放大设备。（3）集线器只与它的上连设备进行通信，同层的各端口之间不直接进行通。图3-32广播方式数据传输这种广播发送数据方式的不足之处如下。用户数据包向所有节点发送，很可能带来数据通信的不安全因素。由于所有数据包都是向所有节点同时发送，加上以上所介绍的共享带宽方式，就更可能造成网络阻塞现象，降低网络执行效率。集线器在同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信。3.4交换机3.4.1交换机的功能3.4.2交换机的分类3.4.3交换机的工作原理3.4.4交换机的应用3.4.5多层交换机图3-33交换机3.4.1交换机的功能交换是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。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。交换机和集线器的本质区别是：当A发信息给B时，如果通过集线器，则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息（也就是以广播形式发送），只能通过网卡在硬件层面过滤掉不是发给本机的信息；而如果通过交换机，除非A通知交换机广播，否则发给B的信息C绝不会收到。交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。1．交换机的主要功能（1）学习（2）转发/过滤（3）消除回路（1）它不仅对数据的传输起到同步、放大和整形作用，而且还能在数据传输过程中过滤短帧和碎片等，不会出现数据包丢弃、传送延时等现象，保证了数据传输的正确性。（2）交换机检测到某一端口发来的数据包，根据其目标MAC地址，查找交换机内部的“端口—地址”表，找到对应的目标端口，打开源端口到目标端口之间的数据通道，将数据包发送到对应的目标端口上。2．交换机的主要特点图3-34交换方式数据传输（3）从带宽上来看，交换机上每个端口都独占带宽，同时交换机还支持全双工通信。（4）交换机上的每个端口属于一个冲突域，不同的端口属于不同的冲突域，交换机上所有的端口属于同一个广播域。（5）从维护角度上来看，交换机的维护比较简单。3.4.2交换机的分类1．根据网络覆盖范围划分（1）广域网交换机。（2）局域网交换机。（1）以太网交换机。（2）快速以太网交换机。（3）吉比特以太网交换机。（4）十吉比特以太网交换机。（5）ATM交换机。2．根据传输介质和传输速度划分（1）企业级交换机。（2）部门级交换机。3．根据应用层次划分图3-36部门级交换机（3）工作组交换机。图3-37工作组交换机（4）桌面型交换机。图3-38桌面型交换机4．按交换机的端口结构来分（1）固定式交换机。图3-39机架式交换机（2）模块化交换机。图3-40模块化交换机光纤模块图3-41模块化交换机RJ45模块3.4.3交换机的工作原理1．构造和维护MAC地址表【例3-3】生成交换地址表。图3-42MAC地址表为空图3-43从接收到的数据帧中提取源MAC地址图3-44MAC地址表提取完毕图3-45查找已有的MAC地址表项交换机在转发数据帧时，遵循以下规则。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（除源端口）转发。如果数据帧的目的MAC地址是单播地址，但这个MAC地址并不在交换机的地址表中，则向所有端口（除源端口）转发。如果数据帧的目的MAC地址在交换机的地址表中，则打开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧转发到目标端口上。如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源MAC地址在一个网段（同一个端口）上，则丢弃此数据帧，不发生交换。2．交换数据帧【例3-4】数据帧交换过程。图3-46数据帧交换过程3．帧交换技术（1）直通交换方式。直通交换方式的优点如下。由于不需要存储，延迟非常小、交换速度快。直通交换方式的缺点如下。不支持不同速率的端口交换。缺乏帧的控制、差错校验，数据的可靠性不足。存储转发方式的优点如下。支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。交换机对接收到的数据帧进行错误检测，保证了数据的可靠性，在线路传输差错率大的环境下，能提高传输效率。存储转发方式的缺点如下。数据帧处理的时延大，要经过串到并、校验、并到串的过程。（2）存储转发方式。3.4.4交换机的应用交换机是一个灵活的网络设备，一般用于构造星型网络拓扑结构。图3-47星形网络拓扑结构级联是将两台或两台以上的交换机通过一定的拓扑结构进行连接。级联时可采用全双工技术和端口汇聚技术。1．交换机级联（1）双绞线端口的级联。图3-48双绞线端口的级联（2）光纤端口的级联。图3-49光纤端口的级联目前流行的堆叠模式有菊花链模式和星形模式两种。2．交换机堆叠（1）菊花链模式。图3-50菊花链式堆叠图3-51星形堆叠（2）星形堆叠模式。级联的交换机之间可以相距很远，而一个堆叠单元内的多台交换机之间的距离必须很近。级联一般采用普通端口，而堆叠一般采用专用的堆叠模块（专用端口）和堆叠线缆。一般来说，不同厂家和不同型号的交换机可以互相级联，而堆叠则必须在可堆叠的同类型交换机（至少应该是同一厂家的交换机）之间进行。3．级联和堆叠之间的差异级联是交换机之间的简单连接，级联线的传输速率将是网络的瓶颈。堆叠使用专用的堆叠线缆，提供高于1

GB的背板带宽，堆叠的交换机的端口之间通信时，基本不会受到带宽的限制。级联的各设备在逻辑上是独立的，堆叠则是将各设备作为一台交换机来管理。级联一般都要占用网络端口，而堆叠采用专用堆叠模块和堆叠总线，不占用网络端口。级联的层数理论上没有限制，但实际上受线缆的跨距限制，而堆叠则由厂家的设备和型号决定最大堆叠个数。3.4.5多层交换机1．三层交换机三层交换技术就是“二层交换技术＋三层转发技术”，是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。图3-52三层交换机的工作过程从表面上看，第三层交换机是第二层交换器与路由器的合二而一，然而这种结合并非简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。第四层交换机是基于传输层数据包的交换过程的，是一类基于TCP/IP应用层的用户应用交换需求的新型局域网交换机。2．四层交换机3.5路由器3.5.1路由器的功能3.5.2路由器的分类3.5.3路由器的工作原理3.5.4路由协议路由器（Router）是网络互联的枢纽，是连接互联网中各局域网、子网的边界设备。不同路由器的端口不同。（a）路由器图3-53路由器（b）路由器的端口图3-53路由器1．ETHERNET端口2．AUI端口3．高速同步串口4．ISDN

BRI端口5．Console端口6．AUX端口3.5.1路由器的功能冲突域广播域路由器的主要功能包括网络互连、网络隔离、网络管理等。图3-54网络互连为了实现网络的互连，路由器必须完成以下功能。地址映射数据转换路由选择协议转换1．网络互连2．网络隔离3．网络管理3.5.2路由器的分类1．按性能档次划分图3-55各档次的路由器从结构上分，路由器可分为模块化结构与非模块化结构。2．按结构划分图3-56模块化结构路由器可将路由器分为核心层（骨干级）路由器、分发层（企业级）路由器和访问层（接入级）路由器。3．按功能划分路由器可分为通用路由器与专用路由器。4．按应用划分如果按路由器所处的网络位置划分，则通常把路由器划分为边界路由器和中间节点路由器两类。5．按所处网络位置划分3.5.3路由器的工作原理【例3-5】路由器的工作原理。图3-57主机、路由器接口的IP地址和MAC地址图3-58路由器R1、R2、R3的路由表3.5.4路由协议1．路由协议的概念路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构。按应用范围的不同，路由协议可分为两类。（1）在一个AS（AutonomousSystem，自治系统）内的路由协议称为内部网关协议（IGP，interiorgatewayprotocol）。（2）AS之间的路由协议称为外部网关协议（EGP，exteriorgatewayprotocol）。内部网关协议的路由算法可以分为静态路由和动态路由，其相应的路由表称为静态路由表和动态路由表。2．路由协议的分类静态路由表在开始选择路由之前就被网络管理员建立，并且只能由网络管理员更改，所以只适于网络传输状态比较简单的环境。（1）静态路由。静态路由具有以下特点。静态路由无需进行路由交换，因此节省网络的带宽、CPU的利用率和路由器的内存。

静态路由具有更高的安全性。在使用静态路由的网络中，所有要连到网络上的路由器都需在邻接路由器上设置其相应的路由。因此，在某种程度上提高了网络的安全性。

有的情况下必须使用静态路由，如DDR、使用NAT技术的网络环境。静态路由具有以下缺点。管理者必须真正理解网络的拓扑并正确配置路由。

网络的扩展性能差。如果要在网络上增加一个网络，管理者必须在所有路由器上加一条路由。

配置烦琐，特别是当需要跨越几台路由器通信时，其路由配置更为复杂。动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。根据路由算法，动态路由协议可分为距离向量路由协议（DistanceVectorRoutingProtocol）和链路状态路由协议（LinkStateRoutingProtocol）。（2）动态路由。3.6案例──校园网网络设备对于校园网的设备选型，考虑到学院教学评估、办学规模、应用需要和扩充发展等因素，应遵循以下原则。网络设备性能应当满足当前及今后5～6年校园网络的应用需要，合理运用资金选择设备。网络设备选型应采用技术成熟度高、性价比高、运行安全可靠、服务网络完善的主流品牌。以前面讨论的校园网建设方案为例，可以考虑采用表3-1所示的方案。表3-1 校园网网络设备类

型型

号数量说

明核心交换机H3CS95081布置于网络中心汇聚层交换机H3C55003布置于用户数据流量比较大的节点接入层交换机H3CE12630布置于办公楼、教学楼等处H3CE15230具有较多端口，布置于用户较多的楼层或实验室路由器CISCI26001连接Internet光纤收发器

3连接用户较少的办公楼、试验室等网卡RealTekRTL8139

根据需要购买，很多计算机有集成网卡1．H3CS9508核心交换机表3-2 H3CS9508路由交换机选择部件部件编号项目描述说明

LS－9508－N－H3H3CS9508路由交换机主机裸机，带1个交流电源模块

LSBM1SRP1N5H3CS9508路由交换处理板实现内部路由功能

LSBM3POWERH交流电源模块－2

000

W实现电源冗余备份

LSBM1GV48DB124端口吉比特以太网电接口业务板（DB）－（PoE，RJ45）用于连接服务器等

LSBM1GP12DB112端口吉比特以太网光接口业务板（DB）－（SFP，LC）连接服务器、交换机等

LSBM1XP4TDB14端口10吉比特以太网光接口业务板（DB）－（XFP，LC）连接10吉比特链路上的汇聚层交换机XFP－SX－MM850光模块－XFP－10

G－多模模块－（850

nm，300

m，LC）10吉比特光纤模块，安放在10吉比特以太网光接口业务板XFP－LX－SM1310光模块－XFP－10G－单模模块－（1

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