常用的网络设备概论

常用的网络设备概论4.1网卡和调制解调器网卡概述网卡（NetworkInterfaceCard，NIC）也叫网络适配器，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质传输的信号。4.1网卡和调制解调器网卡概述图4-2网卡结构网卡的主要作用网卡工作在物理层和数据链路层之间，网卡的硬件特性、驱动程序在这两层得以实现，如图4-3所示。图4-3网卡工作在OSI/RM中的示意图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，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机。所以网卡的主要作用包括：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。网卡的主要作用⑴固定网络地址在计算机网络通信过程中，一台计算机中的数据传输到另一台计算机，必须确定计算机的标识，而计算机是靠网卡的物理地址来标识。数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，即从源地址传输到目的地址。网卡的物理地址标识（EthernetAddress，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全世界范围内唯一的地址，即MAC地址。网卡的主要作用⑵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（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，然后再将数据传送到网络，发送到目的计算机的网卡。网卡的主要作用⑶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：一方面宏观世界将本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，对数据进行解包及反向转换。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。网卡的工作原理如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质发送一个“阻塞”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，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。网卡的分类1、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，单位是Mbps（兆位/秒）。

按照网卡速率可分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps网卡、1000Mbps网卡、10000Mbps网卡。网卡的分类1、按网卡速率分目前网卡在标准以太网中速度为10/100Mbps，在快速以太网中速度为1000Mbps等。千兆以太网卡（GigabitEthernet）是一种高速局域网技术，它能够在铜线上提供1Gbps（1000Mbps）的带宽，如图4-4所示，主要用在服务器领域。图4-4千兆网卡网卡的分类1、按网卡速率分万兆网卡（10000Mbps）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分复用提供10Gbps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听多路访问协议（CSMA/CD）。万兆以太网卡能够使用多种光纤介质。网卡的分类2、按总线类型分按网卡的总线接口类型来分，可分为ISA总线网卡、PCI总线网卡、PCI-X总线网卡、PCI-E总线网卡、PCMCIA总线网卡、USB接口网卡、Mini-PCI接口网卡。网卡的分类3、按接口类型分可以按网卡的网络接口类型来划分，不同的网络接口适用于不同的网络类型。目前常见的接口主要有以太网的RJ-45接口、细同轴电缆的BNC接口和粗同轴电缆的AUI接口、FDDI接口、ATM接口等，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。

其中RJ-45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，在双绞线以太网应用中普及。调制解调器的功能调制解调器是一种网络设备，它的功能是将计算机的数字信号转换成模拟信号或反之，以便在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程。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、CableModem、ADSLModem、电力Modem等。1、传统的调制解调器传统的调制解调器指的就是通过线进行拨号上网所用的网络设备，通过RS－232C串行口信号线与计算机连接，其外置式的Modem结构如图4-5所示。图4-5传统的调制解调器调制解调器的技术类型和标准由发送、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发送数据，经Modem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。Modem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备。调制解调器的技术类型和标准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，大家都称为卡，外置式的却只能叫做调制解调器或Modem了。内置式调制解调器是一块即插即用的卡，如图4-6所示，卡上没有跳线。它有两个接口，一个标明“Line”的字样，用来接线；另一个标明“Phone”的字样，用来接机。此外它是一块支持语音的Modem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。图4-6内置Modem卡调制解调器的技术类型和标准外置式的调制解调器，如图4-5所示，一般是25针的RS232接口，用来和计算机的RS232口(串口)相连。标有“Line”的接口接线，标有“Phone”的接机。不同的Modem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，为其提供直流电源。调制解调器的技术类型和标准

USB技术的出现，给电脑的外围设备提供更快的速度、更简单的连接方法。USB接口的56K的Modem，的确给传统的串口Modem带来挑战，如图4-7所示，只需将其接在主机的USB接口就可以使用，非常方便。图4-7USBModem调制解调器的技术类型和标准2、ADSLModemADSLModem是使用ADSL接入Internet的核心设备。原来的Modem一样，有内置和外置之分，也有USB接口的。调制解调器的技术类型和标准ADSLModem与传统Modem的区别?调制解调器的技术类型和标准ADSLModem与传统Modem的区别是：⑴连接速率不同目前市场上最高速率的传统Modem只能提供56Kbps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。而ADSLModem则能向用户提供1Mbps的上行速率和8Mbps的下行速率。在实际应用中，ADSLModem虽然也会受到线路传输等问题的影响，但它仍然可以提供640Kbps左右的上行速率，而下行速率的变化并不大。调制解调器的技术类型和标准⑵数据传输原理不同传统Modem使用纯音频信号进行数据传输，它与一样，使用的都是线的低频部分（4KHz以下频段），由于与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打。而ADSLModem使用线中26KHz～1.1MHz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。调制解调器的技术类型和标准3、CableModemCableModem简称CM，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电视网络进行高速数据接入的装置。CableModem是一种适用于HFC的调制技术，允许用户通过有线电视网进行高速数据接入Internet的设备，在50MHz以上的频段(多在550MHz以上)用电视的6MHz带宽提供一个下行信道，在5MHz～50MHz频段开辟一个上行通道。采用64QAM调制可使下行通道的速率达到36Mbps，上行速率达到10Mbps。调制解调器的技术类型和标准其次，CableModem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。计算机可以每天24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。调制解调器的技术类型和标准CableModem的原理和普通的Modem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CATV的某个传输频带进行调制解调的，CableModem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。它们很适合用来提供宽带功能业务。CableModem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10Mbps以上，下行速率则更高。调制解调器的技术类型和标准4、电力调制解调器电力调制解调器俗称电力猫，如图4-9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，不用任何网络线和线。

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，打或者是可视。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，只能传输一二百米。调制解调器的技术类型和标准4、电力调制解调器目前来讲，PLC还不适合长距离的数据传输，但如果只在楼宇内应用，解决“最后一百米”的入户问题，还是完全可以胜任的。图4-9电力猫4.2中继器与集线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。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，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；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。中继器对于以太网，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。集线器集线器就是通常所说的Hub，是一种多端口的中继器，如图4-10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OSI参考模型的第一层，因此又被称为物理层设备，如图4-11所示。图4-10集线器集线器集线器是一种共享型的设备，其实质是一个中继器，同样必须遵守MAC（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再生、整形、放大，以延长网络的传输距离。依据IEEE802.3协议，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、路由器或服务器等）进行通信。集线器图4-11集线器工作在OSI/RM中的示意图

4.3网桥与交换机

网桥网桥（Bridge）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。网桥网桥工作于数据链路层的介质访问控制（MAC）子层，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。网桥在网络中，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、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，因此只能连接相同或相似的网络（相同或相似结构的数据帧）。网桥网桥的优点: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。网桥网桥的缺点: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。交换机基础交换机的英文名称是“Switch”，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。交换机基础交换机的英文名称是“Switch”，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。交换机基础交换机是一种基于MAC（介质硬件地址）地址识别，能够封装、转发数据包的网络设备。交换机通过分析数据包的MAC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其他端口正常工作的情况下从源地址直接到达目的地址。交换机基础交换机工作在OSI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4-12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。图4-12交换机工作在OSI/RM中的示意图交换机基础介绍一些交换机中常见的技术参数。1、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制，目前常见的交换机主要使用直通交换、存储转发和碎片隔离3种交换方式。交换机基础2、背板带宽背板带宽（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。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps，常见交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps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，背板带宽的利用率还与交换机的内部结构有关。交换机基础3、包转发率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pps（包每秒）。一般交换机的包转发率在几十Kpps到几百Mpps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，所能处理数据的能力就越强，交换机的包转发率也就越高。交换机基础4、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，常见的有10Mbps、100Mbps、1000Mbps，少数高档的交换机还能提供10Gbps的传输速率。交换机基础5、全双工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。交换机基础6、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。目前，在IEEE802中共有11个与局域网有关的标准。交换机基础7、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。交换机基础8、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8、16、24等几种。非标准的端口数量主要有4端口、5端口、10端口、12端口、20端口、22端口等。9、端口类型端口类型是指交换机上的、令牌环、FDDI还是ATM等网络类型。目前，常见端口以RJ-45端口为主，部分高性能交换机还提供SC光纤接口和FDDI接口。常用的以太网交换机的接口如图4-14所示。交换机基础RJ-45接口（10/100/1000Base-T）RJ-45接口（10/100Base-TX）STP光纤接口Console接口图4-14交换机接口交换机基础10、MAC地址数量所谓MAC地址数量是指交换机MAC地址表的MAC地址最大存储数量，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Buffer（缓存）容量大小。交换机基础11、其他除此之外，部分交换机产品还有模块插槽数量、堆叠端口、网管功能等参数。模块化交换机才有模块插槽数量该项参数。模块插槽数量决定了模块化交换机的扩展能力，数量越多，扩展性能越好，反之则较差。二层交换机二层交换机能够识别数据包中的MAC地址信息，然后根据MAC地址进行数据包的转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在内部的地址列表中。二层交换机的工作原理如下：⑴当交换机从端口接收到数据包后，分析包头中的源MAC地址，找出源MAC地址对应的交换机端口；⑵读取包头中的目的MAC地址，在MAC地址表中查找相应的端口；二层交换机⑶如果表中有与该MAC地址对应的端口，则把数据包直接发送到其对应端口⑷如果找不到相应的端口，则把数据包广播到所有端口。当目的机器对源机器回应时，交换机学习目的MAC地址与端口的对应关系，并将其添加到MAC地址列表。这样，当下一次向该MAC地址传送数据时就不需要向所有端口广播数据了。二层交换机通过不断重复上面的过程，交换机就可以学习到网络内的MAC地址信息，建立并维护自己的MAC地址列表。其工作原理如图4-15所示。生成MAC地址-端口映射监听目的MAC回应信息分析数据包获取源/目的MAC地址查找目的MAC地址映射端口存在映射端口不存在映射端口向端口传输数据包广播数据包交换结束等待下一数据包维护MAC列表传输数据分析数据接收数据数据包添加映射记录结束图4-15二层交换机的工作原理示意图三层交换机三层交换机是1997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重要设备。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：⑴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IP地址与源IP地址是否在同一网段内；⑵要是两个IP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IP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路由模块进行路由；三层交换机⑶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MAC地址与目的IP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；⑷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MAC地址与IP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模块进行转发。四层交换机四层交换机通过分析数据包包头来获取端口号（PortNumber），并以此为依据来判断该数据包的应用业务（如HTTP、FTP等）。其工作原理如下：四层交换机在工作中会为支持不同应用的服务器设立虚拟IP地址，并且在网络的域名服务器（DNS）中并不存储应用服务器的真实地址，然后通过三层交换模块将该连接请求传给该服务器。这样，数据包即可在用户和同一服务器间进行传输。4.4路由器路由器概述路由器（Router）是一种连接多个网络或网段的网络设备，它将不同网络或网段之间的数据信息进行交换，从而构成一个更大的网络，工作在OSI模型的网络层，如图4-16所示。路由器概述图4-16路由器工作在OSI/RM中的示意图路由器概述根据目前路由器的发展情况，可从以下五个方面进行分类。1、按处理能力来划分从处理能力可将路由器分为高端路由器和中低端路由器。通常将背板交换能力大于40Gbps以上的路由器称为高端路由器，背板交换能力在40Gbps以下的路由器称为中低端路由器。路由器概述2、按结构分从结构上，可将路由器分为模块化结构与非模块化结构。通常中高端路由器为模块化结构，低端路由器为非模块化结构。3、按所处网络位置分从网络位置划分，路由器可分为核心路由器与接入路由器。核心路由器位于网络中心，通常使用的是高端路由器，要求快速的包交换能力与高速的网络接口，通常是模块化结构。接入路由器位于网络边缘，通常使用的是中低端路由器，要求相对低速的端口以及较强的接入控制能力。路由器概述

4、按功能分从功能分，路由器可分为通用路由器与专用路由器。一般所说的路由器为通用路由器。专用路由器通常为实现某种特定功能而对路由器接口、硬件等作专门优化。

5、按性能分从性能上分，路由器可分为线速路由器和非线速路由器。线速路由器是高端路由器，能以介质速率转发数据包；中低端路由器是非线速路由器。目前一些新的宽带接入路由器也有线速转发能力。路由器技术的发展路由器技术的发展，大致可以划分为五代。1、第一代路由器：集中转发，总线交换2、第二代路由器：集中+分布转发，接口模块化，总线交换3、第三代路由器：分布转发，总线交换4、第四代路由器：ASIC分布转发，网络交换5、第五代路由器技术：网络处理器分布转发，网络交换路由器的结构从计算机的观点看，路由器由硬件和软件组成。硬件主要由中央处理器、内存、接口、控制端口等物理硬件和电路组成，如图4-17所示；软件主要由路由器的IOS操作系统组成。路由器的结构图4-17路由器主板路由器的结构1、中央处理器路由器的中央处理器（CPU）与计算机的中央处理器（CPU）是相同的概念，负责配置管理和数据包的转发工作。不同系列和型号的路由器，其中的CPU也不相同。Cisco路由器一般采用Motorola68030和Orion/R4600两种处理器。路由器对数据包的处理速度很大程度上取决于CPU的类型和性能。路由器的结构2、内存路由器通常采用以下几种不同类型的内存，每种内存以不同方式协助路由器工作。⑴只读内存（ROM）主要用于系统初始化等功能，如系统加电自检代码（POST）、系统引导区代码（BootStrap）和备份的IOS操作系统。⑵闪存（Flash）闪存是可读可写的存储器，主要用来保存数据，一般存放着当前使用中的IOS。路由器的结构⑶非易失性RAM（NVRAM）非易失性RAM是可读可写的存储器，在系统重新启动或关机之后仍能保存数据。NVRAM仅用于保存启动配置文件，所以其容量较小，其速度较快，成本也较高。⑷随机存储器（RAM）RAM也是可读可写的存储器，但它存储的内容在系统重启或关机之后将被清除。RAM主要用于暂时存放操作系统和数据的存储器，让中央处理器能迅速访问这些信息，其存取速度优于前面的三种存取速度。路由器的结构3、接口路由器与网络的连接部分称为接口，也被称为端口，每个接口都有自己的名字或编号。一个接口的全名称由它的类型标志与数字编号构成，编号从0开始。路由器有多种不同的接口，有的路由器只提供固定接口，有的可通过模块改变接口的种类和数量。路由器的结构4、控制端口和辅助端口所有的路由器都有控制端口（Console端口），使管理员能够利用终端与路由器进行通信，完成路由器配置。辅助接口（AUI接口）可通过Modem使远程终端与路由器通信，实现路由器的远程管理和配置。路由器的结构5、IOS（路由器操作系统）IOS是路由器专用的操作系统，它提供了全面的网络服务，实现了丰富的网络功能。路由器的配置命令就是由IOS解释执行的。路由器的工作原理1、路由器的作用路由器的一个作用是连通不同的网络;另一个作用是选择信息传送的线路。路由器选择通畅快捷的最近线路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益来。路由器的结构2、路由器的工作原理当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。路由器的结构2、路由器的工作原理图4-18路由器工作原理用户路由器B用户路由器A计算机A计算机B计算机C

运营商IP网络运营