第5章网络硬件设备.pptx

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1、1第第5章章 网络硬件设备网络硬件设备2本章内容n5.1 物理层设备n5.2 数据链路层设备n5.3 网络层及以上设备35.1 物理层设备物理层设备n常见的物理层设备有网络接口卡、中继器、集线器和无线接入点，它们不能识别帧或数据报等更高层的数据格式，只能对物理层的比特流进行处理。5.1.1 网络网络接口接口卡卡n网络接口卡网络接口卡（NIC，Network Interface Card）又称网络适配器网络适配器（Network Adapter），也就是我们俗称的“网卡”。n网卡具备物理层的功能，它与传输介质物理连接，负责把计算机产生、要传输的数据转换成可以在传输介质上传输的信号，如把二进制信号

2、0和1转换成电脉冲、光脉冲或无线电波等。n按网络的接入方式划分，网卡可分为有线网卡和无线网卡两种。45.1.1网络接口卡网络接口卡n有线网卡有线网卡（1）按计算机所使用的总线接口类型划分，有线网卡可分为ISA总线网卡、PCI总线网卡、PCMCIA接口网卡以及USB接口网卡等。ISA总线网卡是早期的一种网卡种类，因速度慢已被淘汰；PCI网卡在当前的台式机上应用非常普遍，是目前主流的一种网卡接口类型，通常在PC机主板上集成的就是PCI网卡；PCMCIA网卡是一种用于笔记本电脑的网卡，笔记本电脑使用的总线就是PCMCIA；USB网卡是一种外置式网卡，因其安装简单又支持热插拔的优势被广泛使用。（2）按

3、网络接口类型划分，有线网卡所使用的网络接口主要有双绞线的RJ-45接口、细同轴电缆的BNC接口、粗同轴电缆的AUI接口和光纤接口等。目前最常见的是使用RJ-45接口的网卡和使用光纤接口的网卡，也有些网卡同时具备多种类型的接口。55.1.1网络接口卡网络接口卡（3）按网络带宽划分，有线网卡可分为10Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡、10/100/1000Mbps自适应网卡和万兆网卡。10Mbps网卡因传输速度慢已被淘汰；10/100Mbps自适应网卡又称为快速以太网卡，所谓自适应网卡，是指它具有一定的智能，可以与远端网络设备（集线器或交换机）自动协商，以确定当前可以使用的速率是10M

4、bps还是100Mbps；10/100/1000Mbps自适应网卡是目前主流的有线网卡，它的传输速率可达1000Mbps；万兆网卡目前主要用在数据中心的服务器上，是未来高速网络必须具备的网络组件。（4）按应用领域划分，有线网卡可分为工作站网卡和服务器网卡。服务器网卡与工作站所用的普通网卡相比，在接口数量、稳定性、纠错能力等方面都有比较明显的提高。有的服务器网卡还支持冗余备份、热插拔等功能。65.1.1网络接口卡网络接口卡n无线网卡无线网卡（1）按无线接入方式划分，无线网卡可分为无线局域网卡、2G无线网卡、3G无线网卡等。针对不同种类的无线接入技术，有不同种类的无线网卡。（2）按计算机所使用的总

5、线接口类型划分，无线网卡可分为PCI无线网卡（包括ISA接口）、MiniPCI无线网卡、PCMCIA无线网卡、USB无线网卡、CF/SD无线网卡等。其中，PCMCIA无线网卡和MiniPCI无线网卡仅适用于笔记本电脑；PCI无线网卡适用于台式机；USB无线网卡支持热插拔，同时适用于笔记本和台式机；CF/SD无线网卡适用于平板电脑。（3）按连接速率划分，无线网卡目前主流的速率为54Mbps、108Mbps、150Mbps、300Mbps和450Mbps。75.1.1网络接口卡网络接口卡n除了物理层的功能以外，网卡网卡还具备数据链路层的功能。它负责数据帧的发送与接收、封装与拆封、数据差错检查、介质

6、访问控制、数据缓存等。每块网卡具有一个唯一的网络节点地址，我们称其为介质访问控制介质访问控制（MAC，Media Access Control）地址，也就是我们俗称的MAC地址。MAC地址被内嵌在网卡的ROM 中，用于标识计算机的身份。MAC地址长度为48位，共6个字节，通常用十六进制数表示。地址的前24位由IEEE分配给指定厂商，被称为组织唯一标组织唯一标识符识符（OUI，Organizationally Unique Identifier），后24位由厂商自行分配。在每个网卡出厂前，硬件厂商将MAC地址写入网卡内部，世界上的每个以太网卡都具有唯一的MAC地址。n我们可以在Windows命令

7、提示符下运行命令“ipconfig/all”，或者在Linux终端中运行命令ifconfig，就可以查看到网络接口卡的MAC地址。85.1.1网络接口卡网络接口卡95.1.1网络接口卡网络接口卡nMAC地址属于数据链路层地址，它与IP地址不同，后者属于网络层地址，是逻辑上的标识，而MAC地址是硬件地址，可作为某个物理设备的固定标识。在传输数据过程中，数据链路层从网络层获得包含IP地址的数据报，然后将这些数据报封装成包含MAC地址的帧以便传输。105.1.2 中继器中继器n中继器中继器（Repeater）工作于物理层，它能接收、放大（即再生）并在两个方向上重发信号。由于传输线路噪音的影响，长距离

8、的网络传输会存在信号衰减，信号功率逐渐变弱的问题，通过中继器可以完成信号的复制、调整和放大，以此来延长网络信号的传输距离。115.1.3 集线器集线器n集线器集线器又称Hub，与中继器只连接两段电缆线不同，集线器提供多个网络接口，可以将网络中的多台计算机连接在一起。n与中继器一样，集线器也工作在物理层。它只对物理层的比特流进行处理，不能识别帧格式。集线器的每个接口都具有发送和接收数据的功能，当某个接口接收到主机发来的比特时，就简单地将该比特向其他所有接口转发。若两个接口或多个接口同时有信号输入，即网络中有两个或多个站点同时进行数据传输时，就会发生冲突，使得所有接口都收不到正确的数据。n集线器是

9、一种共享的网络设备，它的所有接口都在一个冲突域冲突域（collision domain）中。所有的端口共享同一条带宽，它在逻辑上等同于单根电缆的经典以太网。n用组网时，连接站点不能过多，因为随着越来越多的站点加入，每个站获得的带宽份额会下降，最终导致网络饱和。125.1.4 无线接入点无线接入点n无线接入点（简称AP）相当于一个连接有线网和无线网的桥梁。网络终端通过无线网卡与AP进行无线通信，AP再通过有线方式接入交换机，这样便实现了网络终端无线接入网络的目的。nAP的室内覆盖范围一般是30m100m。n无线终端也可以在AP之间漫游。135.2 数据链路层设备数据链路层设备n数据链路层功能n网

10、桥交换机n识别数据链路层的帧，可以根据帧中的MAC地址信息来决定如何转发帧，但它们无法识别网络层及其以上层次的数据格式。145.2.1 网桥网桥n因经典以太网而诞生n的端口数较少（通常只有两个端口），每一个端口与一个网段相连。主要用途也是用于扩展网络距离n网桥中有一张站表，该表记录的是站点的MAC地址和网桥接口的对应关系。当一个帧到达网桥后，网桥先将其存放在缓存中，进行差错检测，若该帧未出现差错，网桥就从帧头部提取出源MAC地址和目的MAC地址，如果两个地址不在同一个网段上，则在站表中查找该目的MAC地址，并将该帧从对应的接口转发出去；如果两个地址在同一个网段上，则丢弃该帧；若站表中无该目的M

11、AC地址，则将帧转发给除发送数据网段连接接口以外的其他接口。155.2.1 网桥网桥165.2.1 网桥网桥n网桥具有帧过滤功能，同一个网段中通信的帧不会被转发到其他网段去，减少了网段之间的通信量，隔离了冲突域。n无线网络中也有网桥。无线网桥的功能类似于有线网络中的网桥，它也具有帧过滤功能，同一个网段中通信的帧不会被转发到其他网段去，但不同的是它是通过无线方式连接两个或多个网络，省去了多个网络之间布线的工作，因此对于那些不方便布线或临时需要连接多个网络的情况，通过无线网桥实现网络互连更加方便快捷。n无线路由器也具备网桥的功能。根据不同的应用需求，无线网桥可以有多种桥接模式。175.2.1 网桥

12、网桥n无线网桥可以有多种桥接模式。1点对点的桥接模式点对点的桥接模式2点对多点的桥接模式点对多点的桥接模式185.2.1 网桥网桥3无线中继模式无线中继模式194无线局域网客户端模式无线局域网客户端模式5.2.2 交换机交换机n交换机交换机（Switch）是网桥的现代名称。传统的网桥用于连接相对数目较少的局域网，因而端口数也相对较少。现代交换机都使用点到点链接（例如双绞线）将单个计算机直接插入到交换机的端口，因此交换机的端口数往往较多。软件和硬件组成，处理器、存储器、操作系统等。n448个端口，每个端口可以通过双绞线或光纤连接主机或另一台交换机。然而，进入交换机内部就可以看到它与集线器完全不同

13、的结构。交换机通常包含一块连接所有端口的高速背板，交换机把帧通过它的高速背板传送到目标端口，通常背板的运行速度高达许多个Gbps。205.2.2 交换机交换机n交换机的工作原理交换机的工作原理与网桥通过站表转发数据帧类似，交换机通过MAC地址表来决定把数据帧转发到哪个端口。交换机的MAC地址表可以手工静态配置，但一般是通过交换机的动态地址学习算法来自动形成。最初，交换机的MAC地址表为空，当有帧需要转发时，由于交换机还没有目的MAC地址对应的端口信息，它将向除接收帧的端口以外的所有端口转发该帧，这称为泛洪泛洪（flooding），并将帧中的源MAC地址和其对应的端口记录到MAC地址表中。当目标

14、主机对该帧做出回应时，交换机就可以记录下目标主机的MAC地址和其对应端口的信息，以后发给该地址的帧将只被转发到正确的端口，而不再被泛洪到所有端口了。交换机所使用的这种算法也称为后向学习法后向学习法（backward learning）。交换机通过不断记录接收到的帧的源MAC地址和其对应端口的信息，最终形成一个完整的MAC地址表。215.2.2 交换机交换机n当打开、关闭或移动主机和交换机时，网络的拓扑结构就会发生变化。为了适应这种动态的拓扑结构，交换机在添加MAC地址表项时，会将帧的到达时间也记录在相应的表项中。当一帧到达时，如果它的源地址已经在表中，那么对应表项中的时间值就被更新为当前时间。

15、交换机会定期扫描它内部的MAC地址表，将那些时间值在几分钟以前的表项都清除掉。n在交换机中，每个端口有自己独立的冲突域。通常情况下，电缆是全双工的，主机和端口可以同时往电缆上发送帧，根本无须担心其他主机或端口，因为冲突不可能发生。225.2.2 交换机交换机n交换机主要有以下三种交换方式：（1）存储转发存储转发（store-and-forward switching）方式：它将接收到的数据帧存放到缓存中，进行CRC检查，过滤掉错误的数据包，正确的数据包根据目的地址转发。这种交换方式可以保持高速端口与低速端口的协同工作，有效的检测错误数据包，但会因为CRC检查而造成一定的延时。（2）直通交换直通

16、交换（cut-through switching）方式：也称为虫孔路由虫孔路由（wormhole routing）方式，它只需查看接收的数据帧中的目的地址字段，在完整接收一帧之前就直接将它转发至目的端口，延时小，速度快。但因为没有使用缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接连通，容易丢包，而且也无法检查数据帧中的一些错误。（3）无碎片转发无碎片转发（segment-free switching）方式：它是以太网交换机专用的一种交换方式，它类似于直通交换方式，只是比直通交换方式收取了更多的信息之后再进行转发。它在收取了64个字节之后才开始转发，这是因为以太网最小帧长为64字节，如果收取的帧长

17、低于64字节，则认为是碎片，从而丢弃。235.2.2 交换机交换机n类型（1）根据网络覆盖范围（2）根据传输速度（3）根据交换机硬件架构245.2.2 交换机交换机n多层交换机三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。一个带有第三层路由功能的交换机，但它并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上，而是二者的有机结合。255.2.2 交换机交换机n假设两个使用IP协议的站点A、B通过三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送数据给B前，需要通过子网掩码来判断B是否与自己在同一个子网内。若两个站点在同一子网内，但A不知道B的MAC地址，A就发送一个ARP请求，B返回其M

18、AC地址后，A用此MAC地址封装帧并发送给三层交换机，三层交换机使用二层交换模块，查找MAC地址表，将帧转发到相应的端口。若两个站点不在同一子网内，A就要将数据包发送给缺省网关，这个缺省网关对应的其实就是三层交换机的第三层路由模块。该模块接收到数据包后，查询路由表以确定到达B的路由，构造一个新的帧，以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以B的MAC地址为目的地址，将该帧转发给B，同时将A、B的MAC地址及转发端口的对应关系记录下来，以后A到B的数据，就直接交由二层交换模块完成，而无需通过三层路由模块了。这也是我们对三层交换机常说的一次路由多次转发一次路由多次转发。这种方式消除了路由选择所造成的

19、网络延迟，提高了数据包的转发效率。265.3.1 路由器路由器n路由器路由器（Router）工作在网络层，它是实现网络互联的关键设备，用于连接多个网络。它可以识别网络层的数据格式，如IP数据报，利用数据报头部包含的网络层地址信息，由路由软件选择最佳转发路径，从而将数据报转发出去。路由器还可实现协议转换，用于连接使用不同协议的网络。n路由器的基本架构路由器的基本架构 路由器也是由硬件和软件两部分组成。路由器的硬件组成主要包括如下几个部分：（1）中央处理单元中央处理单元：负责执行路由器操作系统的指令，以及执行通过控制台（Console）和Telnet远程连接输入的命令。（2）RAM/DRAM：路由

20、器运行时保存路由表、ARP缓存、快速交换缓存、分组缓存区和分组队列等。RAM还在路由器加电后为配置文件提供运行时的存储空间。RAM中的内容在断电或重启后会消失。（3）NVRAM：非易失性RAM，存储路由器的备份/启动配置文件。NVRAM的内容在断电或重启后不会丢失。275.3.1 路由器路由器n（4）闪存（闪存（Flash memory）：可擦写、可编程ROM，存放操作系统的映像（image）和微码（microcode）。闪存使得升级软件时不需要更换处理芯片。闪存的内容在断电或重启后不会丢失。n（5）ROM：保存开机诊断程序，引导程序和最小的操作系统软件。ROM中的软件升级需要更换主板上的相应

21、芯片。n（6）接口接口：主板上或者独立接口模块上的网络连接器。数据包通过接口进入路由器，路由器支持物理接口和逻辑接口。物理接口指真实存在、有对应器件支持的接口，如以太网接口和同/异步串口等；逻辑接口指能实现数据交换功能，但物理上不存在，需要通过配置建立的接口，如Dialer（拨号）接口和子接口等。n路由器的软件包括引导程序和网络操作系统两个部分。285.3.1 路由器路由器n路由器的基本功能是实现网络的互连，具体表现为以下几个方面：（1）物理网络互连物理网络互连：路由器至少具有两个物理接口，用于连接不同的网络。路由器可支持多种不同的接口类型，如以太网接口、串行接口等，并可实现不同接口速率的匹配

22、。（2）路由选择和数据转发路由选择和数据转发：路由器具备路由机制，可建立路由表，并根据路由表选择合适的路径，转发数据包。（3）协议转换协议转换：当路由器连接使用不同协议的网络时，路由器可实现不同协议之间的转换。（4）分片与重组分片与重组：当路由器连接的物理网络MTU不同时，路由器可以对报文进行分片和重组。295.3.1 路由器路由器n路由器主要是根据路由表来选择转发路径。305.3.1 路由器路由器n（1）路由器收到从局域网发过来的数据后，去掉数据链路层的封装，取出IP数据报。n（2）路由器检查校验和，若校验失败，则丢弃该数据报，并通知源端。n（3）如果校验正确，检查数据包的目的IP地址，如果

23、是路由器自己某个接口的IP地址，则去掉IP封装后直接交给上层相应模块处理，否则就进入转发模块。n（4）进入转发模块后，把IP数据报的TTL字段的值减1，并检查其合法性，若报文超时，则丢弃该报文，并通知源端。否则，根据目的IP地址查找路由表，决定把IP数据报发往哪个接口。n（5）根据要转发接口的数据链路层协议，决定是否要对数据报进行分片处理，将数据报重新进行数据链路层的封装，并从相应接口转发出去。315.3.1 路由器路由器n无线路由器无线路由器在其内部实际上集成了三种设备的功能。首先具备无线AP的功能，可将多个无线终端接入网络；其次具备集线器/交换机的功能，可以连接有线网络设备；第三具备路由器

24、功能，可以通过WAN口连入Internet。无线路由器一般内置PPPoE拨号功能、DHCP功能和NAT功能，对外可以根据需要自动拨号、静态配置IP地址或动态获取IP地址，对内通过DHCP为内网用户动态分配IP地址，并让内网用户通过NAT访问外网。325.3.2 网关网关n网关网关（Gateway）是工作在网络层以上的设备，它能对网络层之上互不兼容的高层协议进行转换。1.根据工作的协议层次，网关可分为传输网关和应用网关。2.根据实现方式，网关又可分为硬件网关和软件网关。33习题习题n什么是MAC地址？n试分析集线器、网桥和交换机的异同。n简述网桥的工作原理和地址学习过程。n简述存储转发型交换机和直通型交换机之间的区别。n简述三层交换的原理。n简述路由器的基本功能，并举例说明路由器的工作过程。n试分析比较无线接入点、无线网桥和无线路由器的异同。34实验实验配置一个多网段网络配置一个多网段网络n实验目的实验目的通过实验了解交换机和路由器的区别，同时理解网段的概念。n实验设备实验设备一台路由器，两台交换机，网线若干，3-4台PC。n实验内容实验内容将路由器和两个交换机连接起来，把PC分别连接在两台交换机上，并配置不同网段的IP地址，测试两台交换机之间网络的互通性。35