计算机硬件基础--第12章网络硬件基础-new

1、第12章 网络硬件基础12.1 网络是什么网络是由两台或两台以上的计算机组成的可以相互智能地共享软件或硬件资源的一组计算机。网络可以很小且简单到只由两台计算机组成，它们之间可以共享只连在其中一台计算机上的打印机和光驱，也可以很大成为世界上最大的网络，例如Internet。智能地共享意思是，每台计算机可以和其他的计算机共享资源或计算机保留对该资源的控制。而在两台计算机之间控制单一打印机的共享器并不能等价于网络设备；因为是共享器而不是计算机操纵着打印任务，任何计算机都不知道什么时候对方需要打印，它们的打印任务会互相干扰。另一方面，一台网络共享的打印机可以被远程控制，而且能够在打印服务器的硬盘驱动器

2、上存储来自不同计算机上的打印任务。用户可以改变打印任务的顺序，保留或删除打印任务。此外，与共享器不同的是，设备共享能通过口令控制。实际上，任何存储器或输出设备都能通过网络共享，但在网络上最普遍的共享设备包括主要是打印机和磁盘驱动器。其中磁盘驱动器的整个驱动器、被选文件夹，或单独的文件都能通过网络被其他的用户共享。网络可以向用户提供以下的便利： 共享昂贵的打印机和其他的外围设备以减少硬件成本。 软件和数据文件能够在大量的用户之间实现共享存取。 电子邮件的接收和发送。 协作功能允许大量的用户同时为单一的事务服务。 远程控制程序可以被用于疑难解答或向新用户显示怎样执行任务。 多台计算机之间可以共享单

3、一的Internet连接。12.2 网络的必要条件除非被连接的计算机已经知道它被连接了，而且使用相同的通信方式，并且指定了共享的资源，否则它们不能共同工作。因为网络软件基于逻辑连接的基础上，并使得物理连接得以工作，所以网络软件和网络硬件同样重要。每个网络至少要满足以下要求： 计算机之间通过物理（电缆）或无线连接。 一组可用的通信规则，即网络协议。 支持资源可以被其他计算机共享和对共享资源进行访问控制的软件，即网络操作系统。 可以共享的资源，例如打印机、磁盘驱动器。 使得计算机可以登录到具有共享资源的计算机上的软件，即网络客户端。12.3 网络的分类从不同的角度对网络类型有不同的分类，常见的分类

4、有以下几种：按网络分布的地理范围分类，计算机网络可分为以下几种类型： 局域网（LAN）。我们谈到的最小的办公网络就是一个局域网。一个局域网由在一个办公室或一幢建筑物里的计算机及组件构成。局域网也能用和在办公网络中使用的相同组件来在家里构建。 城域网（MAN）。介于局域网与广域网之间的一种大范围的高速网络，其覆盖范围一般是在一个城市内。它的主要作用是将一个城市内的各个局域网连接起来，以便在更大范围内进行信息传输与共享。 广域网（WAN）。位于不同地方的局域网通过高速光纤、卫星或租用电话线路来构成一个网络。广域网范围很广，可以分布在一个省内、一个国家或几个国家。因特网（Internet）是世界上最

5、大的广域网络，虽然一些Internet用户使用调制解调器通过拨号连接，但是任何一个Internet用户都是一个网络使用者，所有的网络都通过TCP/IP协议互相联接。诸如WEB浏览器、文件传输协议（FTP）客户程序、收发邮件的程序都是用户使用Internet工作的最常用工具。按拓扑结构分类，计算机网络可分为星型网、总线型网、环型网、网状型网和混合型网。按通信传输方式和使用的链路协议分类，计算机网络可分为以太网(Ethernet)、令牌环(Token Ring)、光纤数据分布接口(FDDI)、端对端协议( PPP)、X.25、帧中继(Frame Relay)、ATM等。除了以上分类方法以外，还可按

6、所采用的传输媒体分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网；按信道的带宽分为窄带网和宽带网；按不同用户分为科研网、教育网、商业网和企业网等。12.4 以太网的硬件组成网络由硬件和软件共同构成。一旦选定了一种数据链路协议，就可以选择适当的硬件构成网络了。以最常见的以太网为例，这些硬件包括网络接口卡（Network Interface Cards，NIC）、传输介质、集线器（HUB）或交换式集线器（Switch）等。下面就具体介绍一下以太网的相关网络硬件知识。12.4.1 网络接口卡早期，网络适配器以安装在PCI、ISA或EISA槽内的网络接口卡（简称网卡）的形式存在，也有些采用USB或PCMCIA

7、接口形式。目前，在大多数计算机直接将网络适配器集成到了主板上。图12-1展示了分别采用PCI、USB和PCMCIA接口的网卡外观。 图12-1 网卡外观以太网的网络适配器上都固化有惟一的硬件地址码（MAC地址）。数据链路层协议使用这些地址区别网络上不同的机器。数据链路层协议的报文头中包含有发送方和接收方的硬件地址，使得数据包能正确地从一个源站点传送到目标站点。在快速以太网中，网卡的传输速率达到了100Mbps；在千兆以太网中，网卡的传输速率更是达到了1000Mbps。大多数100/1000Mbps网卡也能支持标准以太网的10Mbps传输率，使得同一块网卡既可以使用在旧的网络环境也可以使用在新的

8、网络环境。网卡应能支持半双工和全双工两种工作方式。 半双工方式指网卡能工作在发送或接收的单一方式。 全双工方式指网卡能同时发送和接收。如果用交换式集线器代替了普通的集线器，全双工方式能提高网络的传输率。典型的以太网适配器常用一个叫做RJ-45的连接器，用以连接以太网的双绞线，它看起来像一个大的电话插孔。早期使用细同轴电缆和粗同轴电缆的以太网适配器分别采用BNC连接器和“D”型15针的AUI连接器。一些以太网适配器结合了2种或全部的3种连接器类型。图12-2显示了这3种连接器的外观，从上到下分别是RJ-45连接器、AUI连接器和BNC连接器。 图12-2 RJ-45、AUI和BNC连接器光纤接口

9、连接器的种类多种多样，比较常见的有SC、LC、FC和ST等。目前在光纤网卡上使用最普遍的是SC和LC连接器（参见图12-3）。 图12-3 SC（左）和LC（右）连接器12.4.2 传输介质最常见的以太网传输介质是铜质电缆，目前最流行的是双绞线。双绞线正如它的名字所述：每端有特定数量扭绞在一起的带保护外套的绝缘电线。将电线绞在一起可以减少传送信号过程中的电磁干扰（由附近电缆，电动机和荧光灯产生）。双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。屏蔽双绞线指的是电线束周围的绝缘程度，以及因此它对噪声具有的免疫力，但目前使用更广泛的是非屏蔽双绞线。图12-4显示了非屏蔽双绞线与屏蔽双绞

10、线的剖面外观。图12-5显示了使用RJ-45连接器的非屏蔽双绞线。 图12-4 非屏蔽双绞线（左）与屏蔽双绞线（右）图12-5 使用RJ-45连接器的非屏蔽双绞线电缆随着计算机的使用而发展，最先考虑到的是将电缆从外界干扰中屏蔽开，这是减少干扰的最好方法且能提供更高的传输速率。结果，早先使用屏蔽电缆的情况比现在使用非屏蔽电缆的情况更为普遍。屏蔽电缆还有一些特殊的需要考虑的问题，因为屏蔽电缆的一端，而且只有一端，要接地，这样由于人们的疏忽，将电缆的两头连接引起的接地回路，或由于屏蔽电缆未接地而使它以天线的形式运作，都会产生问题。接地回路是两个不同的接地端被连接在一起产生的。这是一种很糟糕的情况，因

11、为接地端之间有轻微的电压差，生成的回路虽然电压很低却能产生无穷的电流值。这样会引起电气组件的过载而导致火灾。随着发现将成对的电线拧合起来可以有效防止干扰，现在大部分以太网的安装都选择使用非屏蔽双绞线，因为非屏蔽双绞线物理上具有柔软性，电缆本身和接口的体积小，使得安装布线十分容易。然而，因为它缺乏电气绝缘，使得来自荧光灯、电梯和报警装置（其他装置）的干扰成为主要问题。如果在安装中使用非屏蔽双绞线，干扰是主要的问题的话，应该将电缆布在远离干扰的地方，使用外部保护层，或在靠近干扰源的地方用屏蔽双绞线代替非屏蔽双绞线。双绞线按电气性能可分为一类至七类等类型，原则上数字越大带宽也越宽，当然价格也越贵。以

12、下是2种常见的双绞线类型： 3类电缆：标识是CAT3，这种早期以太网用的UTP电缆与商业电话所用的电话线是相同的，按照电缆的数据传输能力划分，称之为3类电缆，或音频电缆。使用3类电缆的网络最高可以达到16Mbps的传输率。由于3类电缆不支持快速以太网或更快的网络速度，这种电缆已经过时了。 5类电缆：标识是CAT5，新的高速网络要求更好的电缆性能，因为快速以太网（100BaseTX）和10BaseT以太网使用相同的两对线芯，而快速以太网要求更高的抗交互干扰和抗信号衰减能力，所以100BaseTX快速以太网必须使用5类UTP电缆。目前最流行的是超5类电缆，标识是CAT5E，与普通5类线相比，具有衰

13、减小、串扰少、更高的衰减与串扰的比值和信噪比、更小的时延误差等优点，性能得到很大提高。尽管100BaseT4版的快速以太网也能使用 3类双绞线的全部4对芯，但这一款快速以太网并未得到广泛的支持。所以实际应用中，如果3类双绞线和5类双绞线混用就只有采用10BaseT（10Mbps）以太网集线器，如果在3类双绞线上运行100BaseTX快速以太网，网络会很慢而且不可靠。光纤是新一代的传输介质，与铜质电缆相比，光纤具有一些明显的优势： 不会向外界辐射电子信号，更安全、可靠。 传输的带宽大大超出铜质电缆。 支持的最大连接距离达两公里以上，是组建较大规模网络的必然选择。 网络线路寿命提高，光纤线路寿命4

14、0年，大大高于铜质电缆，而且通信质量不会随时间而变化。现在有两种不同类型的光纤，分别是单模光纤和多模光纤。所谓模就是指以一定的角度进入光纤的一束光线。多模光纤使用发光二极管（LED）作为发光设备，而单模光纤使用的则是激光二极管（LD）。 多模光纤允许多束光线穿过光纤。因为不同光线进入光纤的角度不同，所以到达光纤末端的时间也不同。这就是我们通常所说的模色散。色散从一定程度上限制了多模光纤所能实现的带宽和传输距离。正是基于这种原因，多模光纤一般被用于同一办公楼或距离相对较近的区域内的网络连接。单模光纤只允许一束光线穿过光纤。因为只有一种模态，所以不会发生色散，性能优于多模光纤。使用光纤作为传输介质

15、，价格比较昂贵，所以在一般的应用中还不是很普遍，但光纤替代铜质电缆是一种必然趋势。图12-6展示了使用SC、LC连接器的光纤。 图12-6 使用SC-SC连接器(左)和SC-LC连接器（右）的光纤表12-1总结了以太网常见网络类型与传输介质的关系。表12-1 以太网常见网络类型与传输介质的关系网络类型标准传输介质拓扑结构以太网10Base2细同轴电缆总线型10Base5粗同轴电缆总线型10BaseT3类或5类双绞线星型快速以太网100BaseTX5类双绞线星型100BaseFX多模或单模光纤星型千兆以太网1000BaseTX5类双绞线星型1000BaseSX多模光纤星型1000BaseLX多模

16、或单模光纤星型12.4.3 以太网集线器和交换机网络上每台计算机通过传输介质连接到其他计算机上。连接网络上各计算机的传输介质的物理布局称为网络拓扑。现代以太网工作组网络是通常由星形拓扑结构的计算机组成，星形的中心是集线器或交换机。这些计算机的连接一般是基于非屏蔽双绞线的。双绞线两端通过RJ-45连接器一端接到网卡的端口，另一端接到集线器或交换机的端口。以太网集线器和交换机的类型有两种：可管理型和不可管理型。工作组和家庭一办公室网络使用不可管理型，而公共网常使用可管理型，即可以通过软件控制它。依据总线带宽的不同，集线器和交换机分为10M、100M、1000M或自适应等几种；若按配置形式的不同，可

17、分为独立、可堆叠和模块化等不同种类。集线器和交换机前端的信号灯表明了正在被计算机使用的端口；交换机还表明了是否有全双工连接正在使用。自适应集线器和交换机也表明了每个端口上使用了哪种连接速度。图12-7显示了一个典型的24口交换机。图12-7 典型的24口交换机虽然大型网络在服务器旁可能会有个接线柜，但是构建工作组规模的局域网并不需要接线柜，不过集线器和交换机的放置位置十分重要。为了方便故障诊断，要考虑到将它们放置在容易看到信号灯的地方，且要考虑到如果要增加用户时，新增网线连接比较方便。集线器与交换机之间也存在很多的差异，交换机具有集线器无法具有的很多特性，即使是小型网络，它也能提升网络的性能（

18、参见表12-2）。表12-2 以太网集线器与交换机比较特性集线器交换机带宽由使用的所有端口平分由使用的端口独享数据传输类型向所有连接的计算机广播在接收和发送计算机之间直接连接工作方式支持仅支持半双工方式（接收或发送）半双工，如果使用全双工网卡，为全双工（接收和发送）；可使网络的有效带宽加倍12.5 无线接入技术与Wi-Fi无线接入技术主要包括IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16和IEEE 802.20标准，分别指无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）、无线城域网（WMAN）和宽带移动接入（WBMA）等。一般来说，WPAN提供超近距离的无线高数据传输速率

19、连接；WMAN提供城域覆盖和高数据传输速率；WBMA提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率；WLAN则可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率。WLAN（Wireless LAN）是通过无线方式进行连接的局域网，它与有线局域网的最大区别就是传输介质的不同，WLAN是通过空气中的电磁波进行传输的，就像我们用手机进行通信一样，而不是采用双绞线、同轴电缆或者光纤等物理介质。当然，WLAN同样可以通过局域网中的某一Internet接入点进入浩瀚的因特网，就像我们有线的局域网连接一样。WLAN具有为可移动性、价格低廉、方便与现有的有线以太网络整合的优点，是以太网技术的延伸，广泛应用于有线接入需无线延伸的

20、领域，如机场、车站、咖啡馆、临时会场等场所。由于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，WLAN技术在应用上只是作为高速有线接入技术的补充。12.5.1 Wi-Fi概述目前，Wi-Fi已被公认为就是WLAN的代名词。但要注意的是，其实这两者是有根本差异的，前者是一种无线局域网产品认证标准，而后者是无线局域网的技术标准，Wi-Fi英文全称为Wireless Fidelity，中文名通常称之为“无线相容性认证”（有的称“无线保真”），所以说它是一种认证标准，而并不是一种技术标准。其参考的技术标准就是相应的WLAN标准，如802.11b、802.11a、802.11g等。Wi-Fi的出现与802.11b的

21、有密切关系。802.11是最初制定的一个无线局域网标准，发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。802.11 a/b/g三个标准的开发时间按照字母顺序排列，但802.11b相对简单，所以先于a标准完成。也就是从实行802.11b以来，无线网络取得了长足的进步，因此基于此技术的产品也逐渐多了起来，解决各厂商产品之间的兼容性问题就显得非常必要。因为IEEE并不负责测试802.11b无线产品的兼容性，所以这项工作就由厂商自发组成的非赢利性组织Wi-Fi联

22、盟来担任。这个联盟包括了最主要的无线局域网设备生产商。凡是通过Wi-Fi联盟兼容性测试的产品，都被准予打上“Wi-FiCERTIFIED”标记。因此，当时在选购802.11b无线产品时，最好选购有Wi-Fi标记的产品，以保证产品之间的兼容性。 也正是因为这样，很多人就把802.11b标准等同于Wi-Fi。其实随着无线接入标准多样化的出现，Wi-Fi的内涵当然也就发生了相应的变化，因为它针对的是整个WLAN领域，而不仅针对80.11b这一个无线标准。图12-8展示的图标就说明该产品符合Wi-Fi认证。图12-8 Wi-Fi认证图标IEEE 802.11b 802.11b是当前应用最为广泛的WLA

23、N标准，采用波段是2.4GHz，最高传输速率为11Mbps，基本上与10BASE-T以太网速率相同。在信号较弱或有干扰的情况下，可调整为5.5Mbps、2Mbps或1Mbps，有效的保障了网络的稳定性和可靠性。802.11b在开放性区域传输范围为最大300米，室内有障碍的情况下最大100米。IEEE 802.11a 802.11无线网络使用2.4GHz频谱范围，该频率范围也用于许多便携式电话、无线对讲机、安全设备、微波炉以及正在兴起的蓝牙短距离网络产品中。尽管这些非计算机产品的兴起对无线网络造成的影响还不明显，但为了提供更好的性能和避免干扰，1999年又推出802.11原始标准的一个修订标准8

24、02.11a，它的工作频率为5GHz，采用与原始标准相同的核心协议，支持的数据传输速率为22Mbps，最高可达54Mbps。802.11a产品于2001年开始销售，比802.11b的产品要晚，由于802.11b已经被广泛采用了，802.11a与802.11b之间不能互相兼容，再加上802.11a的其他一些弱点和一些地方的规定限制，使得它没有流行起来。IEEE 802.11g相信很多人都会抱怨，802.11b的速度实在太慢，11Mbps的传输速率还是理论最大值，真正工作中的实际速率只有理论值的60左右，于是802.11g应运而生，它的传输速率从802.11b的11Mbps提高到54Mbps。在兼

25、容性方面，802.11g接入点同时支持802.11b和802.11g客户设备。同样，采用802.11g网卡的用户也能访问现有的802.11b无线接入点（Acess Point，AP）和新的802.11g无线接入点。IEEE 802.11 a/b/g的比较我们可以通过表12-3来比较一下IEEE 802.11 a/b/g这三种标准：表12-3 IEEE 802.11 a/b/g比较标准最高传输速率频段干扰能耗传输距离穿透性802.11b11Mbps多较小较远较强802.11g54Mbps多中中中802.11a54Mbps少较大较短较差12.5.2 Wi-Fi网络设备Wi-Fi网络通常使用两种类型的设备，无线网卡和无线接入点。两个Wi-Fi网络设备之间的通信可以通过无线网卡以自由直接（Ad-hoc）的方式进行，也可以在无线接入点的协调下以基础结构（infrastructure）方式进行。 无线接入点。无线接入点是和书一样大小的设备，可以通过无线信号连接多块无线网卡，构成一个infrastructure架构的网络；也可以使用RJ-45端口连接到传统以太网络上，将传统以太网的信号转换为无线信号，并把信号广播到网络上的无线网卡，再执行相同的任务将来自无线网卡上的信号转换并传送到传统的以太网。图12-9展示了一款典型的AP。图12-9 典型的AP为了覆盖更大的范围，需要购买2个或