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1、第4章 网络连接设备 网络组建和管理的核心是在熟悉网络连接设备各项性能的前提下更好地对网络进行应用和管理。本章系统地概括了目前计算机网络应用领域中的各种主流硬件设备的性能和工作特点，可以使读者对各种网络连接设备有一个清晰、完整的认识。重点：常用网络硬件设备的性能和工作特点网络硬件设备的连接难点：常用网络硬件设备的性能和工作特点 组建计算机网络时除考虑计算机本身的性能和作用外，还要充分考虑连接设备和连接介质的性能和配置方法。在绝大多数情况下后者在网络中所起的作用更为突出。本课主要介绍计算机网络中的连接设备，其中包括网卡、集线器、交换机、Modem、ADSL、Cable Modem、路由器、网桥和
2、网关等。通过本课的学习，读者可以对各种网络连接设备的工作原理、性能和工作特点有一个全面的了解。4.1 计算机网络中的网卡 网卡（Network Interface Card，NIC），也称为网络接口卡，是组建计算机网络时必不可少的连接设备。在宽带接入日渐普及的今天，网卡的使用越来越普及，已不仅仅用于计算机网络中。网卡的外型与显示卡和声卡等接口卡有些相像，但功能和工作方式却不尽相同。例如，显示卡只是一个输出设备，将计算机处理的结果通过显示卡送到显示器上输出；而网卡的工作是双重的，一方面它负责的发送，即接收计算机中的数据，并将其传送给网络连接介质，完成数据的发送工作；另一方面负责数据的接收，即接收
3、网络中的数据，并将其交给计算机进行处理。4.1.1 计算机网络中网卡的类型 根据工作原理的不同，计算机网络基本上分为以太网和令牌网两大类，日前以太网占了计算机网络中绝大多数份额，所以本书仅介绍与以太网相关的技术。同样，本课所介绍的网卡等连接设备也是以以太网为基础来介绍的。根据网卡工作方式和用途的不同，对网卡可按照以下几种方法进行分类。1.根据连接速度来分类根据连接速度来分类 根据网卡的连接速度的不同基本上可分为10Mbits网卡、10100Mbits自适应（Auto-Negotiation）网卡、1000Mbits网卡和1001000Mbits自适应网卡几种。目前，万兆位以太网卡还未正式投入使
4、用。（1）l0Mbits网卡 10Mbits网卡是计算机网络中最早使用的一种网卡，也是目前技术最成熟的一种网卡。不过受10l00Mbits网卡的影响，应用已经不是很广泛，多用于早期的计算机和对传输速率没有较高要求的网络中。（2）100Mbits和10100Mbits自适应网卡 100Mbits网卡是随着高速以太网技术的出现而出现的，也是计算机接口技术（尤其是PCI接口技术）发展的必然产物，目前单速的l00Mbits的使用较少。10100Mbits自适应网卡是目前计算机网络中广泛使用的一类网卡，它在同一块网卡上结合了10Mbits和100Mbits两种速率，即可以与l0Mbits的设备连接，还可
5、以与100Mbits的设备连接，而且这种速度上的选择是由网卡自动完成的。10100Mbits自适应网卡采用了自适应（Auto-Negotiation）技术，在工作 时可以与被连接的网络设备（网卡、集线器或交换机）自动协商，以确定当前可以使用的速度是10Mbits还是100Mbits。Auto-Negotiation标准按照如下顺序适应工作速度：100Mbits全双工、100Mbits半双工、10Mbits全双工和10Mbits半双工。AutoNegotiation是在IEEE802.3u中规定的，其优点是在不需用户参与设定的情况下，自动以最高速度连接。Auto-Negotiation自动检测的
6、顺序依次为：100BASE-TX全双工、100BASE-T4、10BASE-TX、10BASE-T全双工和IOBASE-T。也就是说，当对方的能够提供的最高连接速率是10Mbits时，本端只能采用lOMbits速率，而当对方提供的是l00Mbits速率时，则本端也采用快速的100Mbits连接。（3）1000Mbits和1001000Mbits自适应网卡 1000Mbits网卡是随着干兆以太网标准的出现而出现的，干兆位以太网早期仅用于网络的主干部分，如服务器与中心交换机的连接、交换机与交换机的连接等，所以1000Mbits网卡的使用也并不普遍。目前，将在有些地方已经实现了1000Mbits到桌
7、面，因而1000Mbits网卡得到了广泛应用。与高速以太网一样，目前单速1000Mbits网卡也很少，而多为1001000Mbits自适应网卡，以适应与lOOMbits和1000Mbits设备的自动连接。2.根据总线分类根据总线分类 计算机总线是决定外部设备性能的一个关键因素，网卡属于计算机的外部设备，所以它的性能也要受到计算机总线的限制。在实际应用中，经常用接口来间接的表示总线，所以本书也采用这种约定俗成的表示方法。按总线类型分，网卡一般可分为ISA接口网卡、PCI接口网卡及用于笔记本电脑的PCMCIA网卡。（1）ISA接口网卡 20世纪90年代中期前的计算机多使用ISA总线，这种总线的速度
8、较低，对计 算机CPU的占用率较高。ISA接口网卡多用于早期的586以下的计算机上，目前较新的计算机上一般很少使用ISA接口的网卡。ISA接口网卡的最高速度只有10Mbits。虽然ISA总线的网卡在今天看来已有些落伍，但在组建无盘工作站网络时，ISA接口网卡因配置比较简单，目前还是首选。（2）PCI接口网卡 自1994年以来，PCI总线架构日益成为网卡的首选总线，并已牢固地确立了在服务器和桌面机中不可替代的地位，而曾经辉煌一时的ISA网卡正逐渐淡出市场。运行在33MHz下的PCI总线，其数据传输速率可达到132Mbits，而64位的PCI最大数据传输率可达到267Mbits，目前100Mbit
9、s和10100Mbits网卡一般都是PCI接口，如图4.1所示。与ISA接口网卡不同的是，PCI接口网卡占用CPU的资源较小，安装和配置较为方便，是目前网卡的主流产品。图4.1 PCI网卡 另外，PCI总线的自动配置（Auto Configuration）功能省掉了跳线设置，而是将IO地址和IRQ值的分配等操作全部在系统启动时交给系统BIOS处理，从而简化了网卡安装的繁琐和难度。（3）PCMCIA总线 PCMCIA网卡是用于便携式计算机的一种网卡，它是专门为便携式计算机上的PCMCIA总线来设计的，而不能用于台式计算机。PCMCIA总线分为两类：一类为16位的PCMCIA，另一类为32位的Ca
10、rdBus。CardBus是一种新型的用于便携式计算机的高性能PC卡总线接口标准，与原来的 PC卡标准相比，CardBus具有以下的优势。（1）32位数据传输和33MHz工作频率。CardBus快速以太网PC卡的最大吞吐量接近90Mbits，而16位快速以太网PC卡仅能达到2030Mbits。（2）总线自主。可以独立于主CPU，与计算机内存间直接交换数据，占用计算机CPU的资源较少，这样CPU就可以处理其他的任务。（3）3.3V供电，低功耗。提高了电池的寿命，降低了计算机内部的热扩散，增强了系统的可靠性。（4）兼容16位的PC卡。老式以太网和Modem设备的PC卡仍然可以插在CardBus插槽
11、上使用。3.根据应用领域分类根据应用领域分类 按用途可以将网卡分为工作站网卡和服务器网卡。由于服务器要为整个网络提供服务，因此网卡的性能优劣对服务器的传输速率、稳定性和容错性等因素有着直接的影响。在对系统整体性能要求较高的网络中，对服务器网卡的选择非常重要。相对于服务器专用网卡，普通计算机上使用的网卡其可靠性、数据吞吐能力等整体性能要略差一些，价格也要便宜得多。在实际组网时，用户也不必一味强调网卡的性能，而要根据所组建网络的具体情况而定。当网络规模较小（如对等网），且对网络的可靠性、稳定性等要求并不是很高时，不管是服务器，还是工 作站都可以使用目前市面上的普通网卡；当网络规模较大，且对系统运行
12、的稳定性、可靠性和安全性有较高的要求时，在服务器上可以选择专用的服务器网卡，而工作站也应该配置性能较好的网卡。4.根据端口类型分类根据端口类型分类 网卡的端口类型是指网卡上用于连接网络传输介质的连接方式，根据所连接传输介质的不同，目前使用的网卡端口一般有以下几类。（1）RJ-45端口：用于连接双绞线。（2）AUI端口：用于连接粗同轴电缆。（3）BNC端口：用于连接细同轴电缆。如果每一块网卡上只提供个一种端口，这类网卡便称为单口网卡；如果同一块网卡同时提供了多种端口，此类网卡称为多口网卡。目前市面上使用的网卡既有单口网卡，也有多口网卡，例如RJ-45+BNC、BNC十AUI、RJ-45+BNC+
13、AUI等。多口网卡可以适应不同传输介质的连接要求。在购买网卡之前应搞清楚网络使用的传输介质类型，然后确定网卡的端口类型，避免由于端口不匹配导致网卡无法正常使用。注意 因为BNC仅用于连接细同轴电缆，而细同轴电缆的连接速度只能达到10Mbits，所以提供BNC端口的网卡都是10Mbits网卡，而且多为ISA接口；而RJ-45端口网卡可提供l0Mbits、l00Mbits和1000Mbits不等的连接速度，多为PCI接口;目前随着光纤在计算机网络中的广泛使用，连接粗同轴电缆的AUI接口网卡已很少使用。另外，除RJ-45、BNC和AUI端口外，在计算机网络中还广泛使用另外两种端口的网卡：一类是用于连
14、接光纤的带光纤端口的网卡，另一类是用于无线计算机网络连接的无线网卡。目前，具有光纤端口的网卡多用于1000Mbits的传输速率上，而无线网卡多用于笔记本电脑等可移动设备的组网，或不便于布线的环境中的组网。4.1.2 网卡性能的评价和选择标准 前面介绍了网卡不同的分类方法和性能，从前面的内容读者可以看出，网卡的选择对网络的性能起着十分关键的作用。如果网卡的选择和配置不当，将会影响网络的速度和稳定性，甚至会导致网络的瘫痪。如何选择一块网卡，一般可以考虑以下几个方面。1.端口类型端口类型 不同的传输介质，需要不同类型端口的网卡。如果网络中仅使用双绞线一种传输介质，只需要具有RJ-45端口的网卡；如果
15、网络中既有双绞线，还有细同轴电缆（简称细缆），则要考虑同时具有BNC和RJ-45端口的网卡，以适应部分计算机从双绞线转移到细缆或从细缆转移到双绞线的需要；如果是组建无线计算机网络，则需要使用无线网卡；当需要连接光纤时一般需要选择直接带有光纤端口的网卡。注意 当网卡的端口与所连接的传输介质不一致时，虽然可使用收发器来进行转接，例如可使用“光纤一双绞线”收发器来将实现光纤端口网卡与双绞线的连接，或双绞线端口网卡与光纤的连接，但是在大多数情况下不建议用户这样去做，因为这样可降低网络系统的稳定性和安全性。2.2.工作速度工作速度 工作速度是网卡的一个重要指标。网卡作为计算机与网络连接的唯一接口，其传输
16、速度决定着网络的通信速度。不管采用何种高速的传输介质或高性能的计算机连接设备.如果网卡的速度跟不上，整个网络的速度也无法提升。在目前的情况下，如无特殊要求，应该尽量选择10100Mbits自适应的PCI网卡或更高速度的网卡。3.3.是否支持全双工工作模式是否支持全双工工作模式 简单地讲，半双工是指网卡在同一时间内不能同时接收和发送信息，而全双工则是指网卡在同一时间内既可以接收信息也可以发送信息，并且接收和发送互不影响。很明显，一款支持全双工操作的网卡其实际工作速度是半双工的2倍，而且能够提供2倍于标准速度的连接速度。例如，一块支持全双工工作模式的100Mbits网卡，在全双工模式下实际连接速度
17、将是200Mbits。目前市面上的大多数网卡尤其是10100Mbits以上的网卡都支持全双工操作，但是在使用中有些用户可能会有这样的疑问，当网卡与集线器连接时因为集线器只支持半双工操作，是否全双工网卡将无法正常工作?其实这种疑问是有道理的。虽然全双工网卡都能够以半双工模式工作（即支持全双工操作的网卡一般都支持半双工操作），但是有时会出现性能不稳定的现象，尤其当集线器的质量较差时多是如此。为此，在使用全双工网卡时一般要选用性能较好的集线器，如果选择交换机将更好，因为交换机都支持全双工操作。4.总线类型总线类型 个人计算机一般支持两种总线类型：PCI总线和ISA总线。其中，ISA网卡采用程序请求I
18、O方式与CPU进行通信，当网卡侦测到网络数据后，向CPU发出中断请求，CPU读取IO地址后将数据以字节的方式读入内存中。这种方式的缺点是网络传输速率低，且占用大量CPU资源。它比较适合那些对速度要求不高的工作站。ISA总线只有16位，工作频率只能达到8MHz，它的理论速度最高是42Mbits，而网卡实际可用的ISA总线带宽大约只是理论带宽的14，即11Mbits。ISA总线因为速度低，占用CPU资源较多，当计算机中有可用的PCI总线或无特殊使用要求时，一般不建议选择ISA总线网卡；对于现在普遍使用的快速以太网（连接速度为100Mbits的网络），32位接口是充分使用带宽的必备条件，而PCI总线
19、的理论带宽是133Mbits，完全可以满足l00Mbits网络的需求。使用PCI总线的 网卡与CPU之间的通信方式一般采用总线控制方式，这种方式就是用个智能外设（如网络控制器）控制总线加速吞吐数据，高优先级的任务不需要处理器的干涉，它的特点是速度快且占用CPU资源少。注意：普通的PCI网卡都是32位的，而64位网卡具有更强的数据传输能力，在外观上要比32位多出一小段，所以用户在选择时可根据外形来判断。另外32位网卡一般都能够工作在64位的PCI插槽中。5.是否支持多操作系统是否支持多操作系统 目前使用的计算机网络操作系统多以Windows为主，随着Linux的不断流行，以及UNIX和NetWa
20、re在某些领域内的应用，一般在选择网卡时需要考虑所支持的操作系统。现在大部分的网卡驱动可同时支持Windows、Linux、NetWare和UNIX等多种操作系统，但是某些品牌或型号的网卡却并如此，这些网络一般仅支持Windows等不多的几种操作系统。一般情况下，在选择网卡时除考虑驱动程序要支持目前主流的Windows、Linux等操作系统外，还要考虑是否能够支持NetWare和UNIX等操作系统，以方便在不同操作系统中的应用。6.对服务器端网卡的特殊要求对服务器端网卡的特殊要求 如果选择用于服务器的网卡.除考虑以上的几个因素外，还要求网卡具有较高的吞吐能力和较低的CPU占用率，这两个因素对提
21、高服务器的工作性能起着十分重要的作用。另外，网络的可管理性是一个很重要的因素。可网管和带宽汇聚这两项因素在一些特殊的环境中也应该考虑。可网管是指可以通过网卡自带的管理软件或第三方软件监视和控制网卡的工作状态，如端口的工作状况、数据流量、是否有故障等。网管功能可以使管理人员掌握网络的各种工作情况，在故障出现以前发现问题的存在并尽快加以解决。服务器端网卡的个标准是能够支持以SNMP（简单网络管理协议）为基础的网 管程序。一个功能全面的服务器网卡应提供SNMP和桌面管理接口（DMl）两种管理方式。带宽汇聚是通过LSNAT（Load Sharing Network Address Transfer）将
22、多台服务器网卡的不同IP地址翻译成一个VIP（Virtual IP，虚拟IP）地址，使得每台服务器均处于工作状态。这样，原来需要用小型机来完成的工作可改由多台个人计算机服务器完成。另外，某些服务器网卡（如Intel8485）还可实现高级容错（ALB）功能，即通过多块网卡提高系统的可靠性，增加交换机到服务器的带宽，并通过对802.1p的支持提高多媒体的传输质量。4.2 计算机网络中的集线器 集线器（Hub）是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。Hub是一个共享设备，其实质是一个中继器，而中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。4.2.1
23、集线器在网络中的作用 依据IEEE802.3（国际电子和电气工程师协会）协议，集线器功能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。1.集线器的特点 集线器本身只是一个多端口的中继器，它一般具有以下两个特点。一是Hub只是一个多端口的信号放大设备，工作中当一个端口接收到数据信号时，由于信号在从源端口到Hub的传输过程中已有了衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使被衰减的信号再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。从Hub的工作方式可以看出，它在网络中只起到信号的放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围
24、，而不具备信号的定向传送能力，是一个标准的共享式设备。因此有人称集线器为“傻Hub”或“哑Hub”。二是Hub只与它的上联设备（如上层Hub、交换机或服务器）进行通信，同层的各端口之间不会直接进行通信，而是通过上联设备再将信息广播到所有端口上。由此可见，即使是同一Hub的不同两个端口之间进行通信，都必须要经过两步操作：第步是将信息上传到上联设备；第二步是上联设备再将该信息广播到所有端口上工作过程。不过，随着技术的发展和需求的变化，目前的许多Hub在功能上进行了拓宽，不再受这种工作机制的影响。由Hub组成的网络是共享式网络。2.集线器在网络中的作用 Hub主要用于共享网络的组建，是解决从服务器直
25、接到桌面的最经济的方案。在交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。使用Hub组网灵活，它处于网络的一个星型结点，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。由一个HUB连接的网如图4.2示。图4.2 一个由Hub连接的网络4.2.2 集线器的分类 集线器是计算机网络标准化布线中使用最多的连接设备，随着相关技术的发展和应用范围的拓展，集线器产生了多种分类方法。1.根据端口的不同来分 像网卡一样，与集线器直接连接的也是网络传输介质。根据所连接传输介质的不同，集线器一般可分为RJ-45端口、BNC端口和AUI端口等
26、类型。另外，一些较高档次的集线器上集成有光纤端口，因为这类集线器目前使用并不广泛，所以不再单独介绍。（1）RJ-45端口 集线器上的RJ-45接口与网卡的RJ-45端口完全相同，它是集线器上必不可少的端口，每一台集线器上都具有RJ-45端口，用来连接双绞线。通常情况下，集线器可以根据所提供的RJ-45端口数来分类，主要有5口、8口、16口、24口等。目前，5口和8口集线器多用于家庭、小型办公室及学生宿舍的组网，而16口和24口的集线器主要用于较大型的网络中。有关不同集线器中RJ-45接头的制作及集线器之间、集线器与网卡之间、集线器与交换机之间的连接方式可参看本书前面的相关内容。（2）BNC端口
27、 BNC端口用于连接细缆网络。大多数10Mbits集线器都拥有个BNC端口，尤其是早期的集线器更是如此。在10Mbits集线器中提供BNC接口的主要目的是实现多个集线器之间的互连，从而拓宽网络的连接范闹。但是，随着以双绞线和光纤为主的标准化布线的推广，BNC端口在集线器上的作用将越来越弱，甚至在较新推出的10Mbits集线器不再提供BNC端口。集线器之间的互连直接通过双绞 线或光纤来进行。（3）AUI端口 AUI端口可用于连接粗缆。几乎所有的10Mbits集线器都提供有一个AUI端口。然而，由于粗缆网络造价较高，且布线较为困难，所以，实际组网中用粗缆进行布线的情况已十分罕见，AUI端口主要用于
28、集线器之间的级联。2.根据外形尺寸来分 根据集线器的外形尺寸可将集线器分为机架式和桌面式两种。其中，机架式集线器是指几何尺寸符合48.3cm（19英寸）的工业规范，可以安装在机柜中的集线器。该类集线器多为16口和24口集线器，主要用于较大型的网络。由于机架式集线器统一集中放置于机柜中，因此便于集线器之间的连接或堆叠，便于对集线器的管理。而桌面式集线器是指几何尺寸一般不遵循48.3cm（19英寸）的工业规范，不需要安装在机柜中，而是根据实际的连接需要可以随意放置的集线器。这类集线器多为5口或8口，仅适用于小型网络。3.根据提供的连接速率分 根据集线器端口所提供的连接速率，可分为l0Mbits、1
29、00Mbits、10100Mbits、1000Mbits和1001000Mbits几类。这种分类与网卡的分类完全相同。像网卡一样，单速的10Mbits集线器已逐渐被淘汰，目前中小型计算机网络中集线器的应用主流是10100Mbits的自适应集线器，而单速的100Mbits集线器也很少使用。另外，随着交换机技术的发展，在高速网络连接中大都使用交换机，很少使用集线器，所以1000Mbits和1001000Mbits的高速集线器的种类也很少。4.根据是否提供网络管理功能来分 根据集线器是否提供管理功能，可分为不可网管集线器（Damp Hub）和可网管集线器（Intelligent Hub，也称为智能集
30、线器）两类。不可网管集线器也称为傻瓜集线器，目前几乎所有的中低端集线器都属于不可网管集线器。可网管集线器也称为智能集线器，它可通过SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）对集线器进行简单管理，例如实现网络的分段从而缩小广播域，减少冲突以提高数据传输效率。另外，通过网络管理可以远程监测集线器的工作状态，并根据需要对网络传进行必要的控制，可网管集线器一般都属于高端集线器。可网管集线器在外观上都有一个共同的特点，即在集线器前面板或后面板都提供一个Console端口。虽然Console端口的接口类型随不同的产品可能不尽相同，有的为DB9串行口，
31、有的为RJ-45端口，但共同的特点是在该端口旁都标注有“Console”的字样。5.根据集线器的可扩展能力来分 根据集线器的可扩展能力，可分为可堆叠集线器和不可堆叠集线器两类。可堆叠线器可以在网络中的端口不够用时，通过堆叠新的集线器来增加端口数。不可堆叠线器则只能通过集线器之间的级联来增加端口数。这里提到了堆叠和级联两个概念。堆叠是指利用专门的连接线通过固定的端口将多个集线器连接起来，当作一个集线器来使用和管理。可堆叠集线器通常都提供专门的堆叠端口或堆叠模块，并使用特殊的堆叠电缆。堆叠是解决单个集线器端口不足时的一种方法，但是因为堆叠在一起的多个集线正是工作在同一个环境下，所以堆叠的层数也不能
32、太多。然而，市面上许多集线器以其堆叠层数比其他品牌的多而作为卖点。如果遇到这种情况，要分类对待：一方面可堆叠层数越多，说明集线器的稳定性越高；另一方面可堆叠层数越多，每个用户实际可享有的带宽越小。注意 集线器之间的堆叠是有前提和限度的，一般情下只允许同一品牌和同一型号的集线器进行堆叠，堆叠的数量也是有限制的。不同的可堆叠集线器允许的最多堆叠数不尽相同，但一般最多只允许堆叠45层。级联是扩展网络连接范围的另一种方法，它是通过双绞线或光纤将一台集线器连接到另一台集线器上。可级联的集线器一般都提供一个专用的级联端口，该端口上一般标有“UPLink或“MDI”的字样。对于集线器来说，不管有没有提供专用
33、的级联端口，集线器之间都是可以实现级联的，只是所使用的连接线不同而已，有关集线器的连接方式可参看本书的相关内容。4.2.3 计算机网络收发器 所谓计算机网络收发器是指连接不同传输介质的转接器。例如，当要实现细缆与粗缆之间的连接时，就需要使用细缆到粗缆（或粗缆到细缆）的收发器。借助于收发器，细缆的BNC端口就可以实现与粗缆的AUI端口的连接。目前计算机网络中常用的收发器主要有3种。用于粗缆到双绞线（AUI to RJ-45）的收发器，用于粗缆到细缆（AUI to BNC）的收发器，。用于粗缆到光纤（AUI to ST）的收发器。4.3 计算机网络中的交换机 前面已经较为详细地介绍了计算机网络中集
34、线器的相关内容，虽然集线器目前在中小型计算机网络中的应用较为普及，但随着技术的发展，集线器已逐渐不能适合计算机网络应用的需求，基于交换技术的计算机网络交换机已崭露头角，并逐渐取代在中小型计算机网络中原来集线器的市场份额，尤其在大型计算机网络中已基本看不到集线器的存在，全部用上了交换机。4.3.1 交换机的工作方式 计算机网络中的交换机，也叫做交换式Hub（Switch Hub）。1993年，计算机网络交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集的特点。20世纪80年代初期，第一代LAN技术开始应用时，即使是在上百个用户共享网络介质的环
35、境下，10Mbits似乎也是一个非凡的带宽。与已往连接终端与小型主机的具有2400bits和9600bits的网络相比，10Mbits确实是绰绰有余了。随着计算机技术的不断发展和网络应用范围的不断拓宽，LAN的作用已远远超出了原有10Mbits网络所能满足的要求，网络交换技术开始出现并很快得到了广泛地应用。交换机是如何工作的呢?其实，只要使用过电话的人都可以理解交换机的功能。图4.3是一个电话交换系统，当其中一个电话用户需要与另一个用户通话时，只需要拨打被叫用户的电话号码，当中心局的电话交换机接收到被叫用户的电话号码后，便自动建立两个用户之间的连接，而且只能在两个固定用户间进行通话，其他用户不
36、能接听任何一方的讲话，也无法加入到这两个用户的谈话中。计算机网络交换机的工作方式与电话交换机基本相同，只是电话机是通过电话号码建立两个用户之间的连接，而交换机是使用计算机名或协议地址进行两台计算机之间的连接。图4.3 电话交换机的工作方式4.3.2 交换机与集线器的区别 在工作原理和工作方式上，交换机与集线器存在着本质的区别。正是因为如此，交换机才得到了计算机网络用户的一致认可，并正在取代着集线器在计算机网络中的位置。1.集线器与交换机的本质区别 用集线器组成的网络称为共享式网络，而用交换机组成的网络称为交换式网络。共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽，每个用户的实际可用带宽随网络用户
37、数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时，多个用户都可能同时“争用”一个信道，而一个信道在某一时刻只允许一个用户占用，所以大量的用户经常处于监测等待状态，致使信号传输时产生抖动、停滞或失真，严重影响了网络的性能。在交换式以太网中，交换机提供给每个用户专用的信息通道，除非两个源端口企图同时将信息发往同一个目的端口，否则多个源端口与目的端口之间可同时进行通信而不会发生冲突。通过实验测得，在多服务器组成的LAN中，处于半双工模式下的交换式以太网的实际最大传输速率是共享式网络的1.7倍，而工作在全双工状态下的交换式以太网的实际最大传输速率可达到共享式网络的3.8倍。有关共享和交换的概念，在前面已经作过介绍
38、。在计算机网络中选择交换机，除了上述由于工作方式的不同而可获得更好的网络性能外，还有以下几点原因。（1）计算机网络交换机将逐渐取代集线器 目前，10l00Mbits自适应计算机网络交换机是国际市场上流行的网络设备。它不仅能提高网络的整体速率，同时还能够与原有网络中的l0Mbits设备兼容，使旧的l0Mbits以太网设备无缝集成到100Mbits快速以太网内。10100 Mbits网卡的迅速普及，使快速以太网的技术应用到普通工作组网络（如家庭网络、小型办公网、网吧等）中。自适应的10100Mbits交换机能够同时支持10Mbits或l00Mbits的连接，这使得10100Mbits的交换机成为中
39、小型用户在需要支持新旧技术混合的网络中一个理想的选择。随着交换机价格的不断下降，相同端口数和速率的交换机的价格与集线器之间的差距已逐渐减小。（2）千兆位以太网为主干的多媒体网络推动了交换机的应用 千兆以太网技术的迅速成熟和市场化，使其成为企业骨干网的理想技术选择。千兆以太网不仅能提供适于网络不断扩展的带宽需要，同时它也能平滑地和用户原有的以太网、快速以太网设备相结合。目前的计算机网络已走出了原来以实现简单资源共享为主的应用，而是要求在同一网络中同时实现数据、语音、图形图像等多种媒体的通信。这些多媒体技术的应用，对网络带宽、系统延时、网络交换等技术提出了更高的要求，显然在这些网络中集线器已无法满
40、足要求，而必须用交换机来取代。4.3.3 交换机的相关技术 从技术发展来看，交换机起源于原来的集线器，但在功能上却远远超出了集线器，为了让读者在技术上对交换机有一个较为全面的认识，下面将介绍与交换机相关的一些技术和特点。1.交换机常用的3种交换技术 交换机是构成整个交换式网络的关键设备，交换机所采用交换方式的不同将会影响交换机的工作性能，为此有必要了解交换机的一些工作原理及特点。目前，交换机主要使用存储转发（Store and Forward）、直通（Cut Through）和无碎片直通（Fragment Free Cut Through）3种方式。（1）存储转发方式 存储转发式交换机是指在交
41、换机接收到数据帧时，先存储在一个共享缓冲区中，然后进行过滤（滤掉不健全的帧和有冲突的帧）和差错校验处理，最后再将数据按的地址发送到指定的端口。（2）直通方式 直通式交换机只对接收到的数据帧的目的地址信息进行检查，然后立刻按指定的地址转发出去，而不做差错和过滤处理。（3）无碎片直通方式 “碎片”是指当信息发送中突然发生冲突时，因为双方立即停止发送数据帧而在网络中产生的残缺不健全的帧。碎片是无用的信息，必须将其滤除。无碎片直通方式先对接收到的数据帧存储其中的部分字节（前64个字节），然后进行差错检验，如果有错，立即滤除，并要求对方重发此帧，否则认为该帧健全，并马上转发出去。2.3种交换技术的比较
42、在3种交换方式中，存储转发方式具有最高的交换质量，但速率最慢，适用于网络主干的连接。直通方式是3种交换方式中最快的一种，但因对任何帧都不做过滤处理，所以误码率较高，适用于交换式网络的外围连接。无碎片直通方式是前两种方式的折衷。3.第三层交换 日益强大的计算机系统为网络技术向更快、更便捷的方向发展提供了保障，而日益庞大和复杂的网络系统又产生了持续增长的网络堵塞。普通交换机工作在OSI七层模型的第二层（数据链路层），交换以MAC（媒体访问控制层，是数据链路层中的部分）地址为基础。目前第二层交换机已无法胜任大规模计算机网络的建设，所以在一些较大规模网络中一般将交换机和路由器结合在一起使用。路由器处于
43、OSI模型的第三层（网络层），通常以IP协议通过软件实现网际互连，并且路由器价格昂贵、转发速率慢，越来越成为网络的瓶颈。第三层交换就是在第二层交换的基础上把路由功能集成在交换机中，吸收了路由器在网络中的可扩展性和灵活性等特点，所以将第三层交换机又称为路由交换机。与第二层交换机相比，第三层交换机在性能上得到了飞跃性的提高，在网络分段、安全性、可管理性等方面都具有很大的优势。第三层交换在提高网络的运行速度和扩展网络的规模等方面所起的作用已得到了网络用户的一致公认，下一代骨干网的核心将是第三层交换机。4.多层交换和第四层交换 随着网络技术的发展，又出现了多层交换和第四层交换。可以把多层交换机可以看作
44、是在传统交换机（第二层交换机）的基础上附加（而非集成）了路由交换功能的设备。目前的多层交换机可很好的兼容现有的路由器网络。第四层交换机是在第三层交换机的基础上引进了新的网络功能，它工作于OSI模型的第四层（传输层），可对数据包进行查询、获取数据包的相关信息等操作。目前第四层交换还只是一个概念，尚未有正式的产品推出。4.3.4 交换机的分类和特点 一般情况下，可以根据以下几种方法对计算机网络交换机进行分类。1根据技术来分 根据交换机所采用的技术，计算机网络交换机可以分为以太网交换机、ATM交换机、FDDI交换机和令牌环交换机4类。（1）以太网交换机 以太网交换机是用于以太网的交换设备，它是目前网
45、络交换机的主流产品特殊说明，网络交换机一般是指以太网交换机。（2）ATM交换机 ATM交换机是应用于ATM交换网络的交换机。ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）在工作方式上不同于以太网，它是以确定长度为53字节的信元为单位来传输数据，而不是使用以太网中的帧来传输。目前，ATM计算机网络的应用较少，而主要应用于电信网中，尤其是电信网骨干的连接一般为以ATM为主。（3）FDDI交换机 FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纤分布式数据接口）是美国国家标准组织（ANSl）制订的光缆连接标准，也是一项计算机网络连接技术。随
46、着计算机网络技术尤其是以太网技术的发展，FDDI已被其他技术所取代，所以FDDI交换机在实际应用中也较少见。（4）令牌网交换机 在前面已经介绍过令牌网的相关概念，尤其在20世纪8090年代，由IBM开发的令牌网技术曾引起业界的广泛关注，所以令牌网交换机也应运而生。近年来，由于令牌网逐渐失去了市场，所以令牌网交换机也在市面上很少见到。2.根据交换机的结构来分 根据交换机结构的不同，可以将交换机分为固定端口交换机和模块化交换机两大类。（1）固定端口交换机 固定端口交换机即只能提供有限的端口数据，而无法通过模块来扩展其端口数量的交换机。目前，绝大多数工作组交换机都属于固定端口交换。固定端口交换机可分
47、为桌面交换机和机架式交换机。与集线器的分类相似，机架式交换机一般符合48.3mm（19英寸）的工业标准，便于管理，适用于较大规模的网络中。而桌面交换机只能提供少量（一般在8口以内）的端口，且不便于安装于机柜内，通常只用于小型网络。（2）模块化交换机 模块化交换机拥有更大的灵活性和可扩充性，用户可任意选择不同数量、不同速度和不同接口类型的模块，以适应不同网络的应用需求。而且，机箱式交换机大都有很强的容错能力，支持交换模块的冗余备份，并且拥有可热插拔的双电源，以保证交换机的电力供应。目前，绝大多数的部门交换机和中心交换机都属于模块化交换机。3.根据交换机所在的协议层来分 根据交换机所在协议层的不同
48、，交换机可分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机等类型。（1）第二层交换机 第二层交换机工作在OSI参考模型的第二层，即数据链路层。它以第二层的介质访问控制（MAC）子层为基础，完成不同端口数据间的线速交换，所有的交换机都能够工作在第二层。（2）第三层交换机 第三层交换机具有路由功能，可实现不同网段之间数据的线速交换。另外，第三层交换机提供VLAN功能，在减小配置的同时，可减小广播所造成的网络性能下降。因此，在大中型网络中，多使用第三层交换机。（3）第四层交换机 第四层交换机工作于OSI参考模型的第四层，即传输层。可以使用传输层的相关功能（如HTTP、FTP、Telnet、SSL等）进行
49、数据交换和处理，从而实现带宽分配、故障诊断和对TCPIP应用程序数据流进行访问控制等功能。目前，第四层交换机由于相关标准尚未最终确实，所以在实际应用中还很少。除此之外，根据应用环境的不同，还可将网络交换机划分为工作组交换机交换机和中心交换机等。4.4 窄带接入设备Modem 调制解调器，英文名称为Modem，俗称为“猫”。Modem是最早使用的一种网络连接设备，也是一种廉价的连接设备，主要用于Internet的接入。利用Modem，通过电话线可以实现数据传输、语音传输、数语同传以及实现全双工的免提电话等功能。4.4.1 Modem的工作原理 Modem是一种数字信号与模拟信号之间的转换设备。如
50、图4.4所示，在通信过程中，在其中一端，它将计算机输出（一般为串行口输出）的数字信号转换成模拟信号后再送到线路上传输，在另一端，Modem接收线路上发送过来的模拟信号，并将其还原为发送前的数字信号，再提交给计算机进行处理。由此可见，在使用Modem接入网络时，因为要进行数字信号与模拟信号之间的转换，所以网络连接速率较低，而且性能较差。目前广泛使用的56kbits Modem的上行速度只有33.6kbits，而下行速度可以达到56kbits。所以Modem的通信是非对称的，即上行速度和下行速度不同。这种性能非常适合Internet接入的特点。图4.4 Modem的工作过程4.4.2 Modem的