第5章 网络互联设备.ppt

2020年2月4日星期二3时2分14秒 第5章网络互联设备 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 1网卡 5 1 1网卡的组成及作用5 1 2网卡物理参数及其特点5 1 3网卡技术参数 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 网卡 NIC 是计算机网络中最重要的连接设备 计算机主要通过网卡接入网络 网卡的工作是双重的 一方面它负责接收网络上传过来的数据 并将数据通过计算机主板上的总线传送给本地计算机 另一方面它将本地计算机上的数据封装成数据帧 进而转换成比特流后送入网络 在OSI参考模型中 网卡的属性由数据链路层来规定 更确切地说 网卡的功能由数据链路层的MAC子层来确定 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 1 1网卡的组成及作用 1 网卡的组成在OSI参考模型中 网卡工作于数据链路层的MAC子层 它由网络接口控制器和收发单元两大部分组成 如图5 1所示 图5 1网卡的组成结构图 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 网卡的作用用来进行数据转换 发送数据 接收数据 对数据传输过程进行控制 为了保证网络中数据的正确传输 要求网络中每个设备的MAC地址必须是唯一的 网卡的MAC地址共占6个字节 由12位十六进制的数字组成 且被分为两部分 前3个字节是厂商的标识 由IEEE统一分配 后3个字节由厂商自行分配 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 1 2网卡的分类 物理参数及其特点 1 服务器专用网卡和工作站网卡服务器专用网卡是为了适应网络服务器的工作特点而专门设计的 它的主要特征是在网卡上采用了专用的控制芯片 大量的工作由这些芯片直接完成 减轻了服务器CPU的工作负荷 目前应用较为广泛的多为一些适合于普通计算机使用的网卡 因为这些网卡一般在PC机上是通用的 所以也称为 兼容网卡 兼容网卡不但价格低廉 而且工作稳定 使用率较高 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 对于服务器专用网卡和兼容网卡 可按以下的标准进行分类 按照网卡的工作速率的不同可分为10Mbit s网卡 100Mbit s网卡 10 100Mbit s自动适应网卡 1Gbit s网卡 10Gbit s网卡几种 根据网卡总线类型的不同 主要分为ISA网卡 EISA网卡和PCI网卡三大类 其中ISA网卡和PCI网卡较为常用 目前 也出现了USB接口的网卡 为了实现与不同传输介质的连接 网卡也可分为AUI接口 粗缆接口 BNC接口 细缆接口 RJ 45接口 双绞线接口 和光纤接口网卡四种接口类型 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 笔记本电脑专用网卡PCMCIAPCMCIA PersonalComputerMemoryCardInterfaceAdapter 网卡主要用于笔记本电脑 Ethernet Fax Modem PCMCIA卡 它在同一块网卡即有一个专门用来连接局域网的接口 同时还有一个连接传真机和调制解调器的复用接口 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 无线局域网网卡无线局域网网卡是近年来随着无线局域网技术的发展而产生的 与有线网卡不同的是无线网卡使用无线介质来传送信息 不需要双绞线 同轴电缆或光纤等有线介质 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 1 3网卡技术参数 1 IRQ值网卡多使用IRQ3或IRQ5 因为大多数计算机上很少使用COM2端口 也很少使用LPT2端口连接第二台打印机 不过 如果计算机上安装Modem时 最好不要为网卡选择IRQ3 2 I O端口地址网卡最常使用的I O端口地址段为300H 320H 340H和360H等 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 网卡的内存 1 网卡上自带内存的特点 2 直接内存访问 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 2中继器与集线器 5 2 1中继器的功能和特点5 2 2集线器的功能和特点5 2 3集线器在网络中的互联方式 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 2 1中继器的功能和特点 中继器又称为转发器 其功能是简单地放大或刷新通过的数据流 以扩大数据的传输距离 主要用于连接同类型的网络和延伸同类型网络的距离 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 2 2集线器的功能和特点 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 集线器和中继器的区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务 所以集线器是中继器的一种 是一种多端口的中继器 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 1 集线器的功能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Hub上其他所有处于工作状态的端口上 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 集线器的分类及特点 1 按照连接速率来划分 Hub可分为10Mbit s 100Mbit s和10 100Mbit s自适应三种类型 2 按照配置形式来划分 可分为独立型Hub 模块化Hub和可堆叠式Hub三大类 3 按照管理方式的不同来划分 可分为智能型Hub和非智能型Hub两类 4 按照端口数目来划分 可分为4口 8口 16口和24口几种 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 2 3集线器在网络中的互联方式 受集线器工作性能的影响 使用早期集线器的网络需要扩大网络范围时 多采用如图5 2所示的由同轴电缆和双绞线组建的混合型网络结构 图5 3集线器之间通过同轴电缆连接的网络 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 集线器之间的级联遵循如图5 3所示的5 4 3规划 所谓5 4 3规则 是指任意两台计算机间最多不能超过5个物理线段 既包括集线器到集线器之间的连接线缆 也包括集线器到计算机间的连接线缆 和4台集线器 并且只能有3台集线器直接与计算机等网络设备连接 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 3网络中使用集线器时的5 4 3规则 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3网桥与交换机 5 3 1网桥的功能和特点5 3 2网桥的工作过程5 3 3交换机的工作原理3 3 4交换机的学习过程5 3 5交换机的数据转发和过滤过程5 3 6多层交换技术 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3 1网桥的功能和特点 在图5 4中站点1向站点4发送一个数据帧 当该帧被传送到网桥时 网桥会读取数据帧的帧头信息 通过检查帧头信息中的目标地址 决定是否对帧进行转发或过滤 图5 4用网桥连接两个Hub 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 几个概念 单播 是指发送方只向网络中的某一个设备发送数据 单播是最常用的传输方式 广播 是指发送方发出的数据会被网络中所有的计算机接收 广播是计算机网络中另一种应用非常广泛的数据传输方式 多播 是由发送方向网络中的某一个组发送信息 冲突域 冲突域是指连接到同一物理介质上的一组设备 如果有两台设备同时要使用同一介质 发送数据或接收数据 结果就会造成冲突 广播域 广播域是指彼此可以接受广播消息的一组设备 例如在基于Hub的网络中 如果一个站点发出一个广播消息 Hub将把该消息传播给连接在Hub上的所有站点 因此Hub的所有端口又同处于一个广播域中 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3 2网桥的工作过程 透明网桥处理数据帧的过程可以分为以下几个步骤 学习 泛洪 过滤 转发和老化 1 学习每个网桥都有一个MAC地址表 MAC地址表中记录了网桥了解的所有站点的MAC地址信息 站点网卡MAC地址和网桥上连接这个地址的端口 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 5网桥的学习过程 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 泛洪 图5 6网桥的泛洪过程 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 过滤当帧的源MAC地址和目标MAC地址处于网桥的同一个端口时 网桥将丢弃帧 图5 7网桥的过滤过程 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 4 转发当帧的目标地址是一个已知的单播地址 MAC地址表中有与之相关的条目 并且源地址和目标地址关联着网桥的不同端口时 网桥就会转发该帧 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 老化当网桥学习到一个地址时 它将地址加入到自己的MAC地址表中 同时会为这个条目分配一个老化计时器 当计时器到期时 网桥就会将这个条目移除 如果在老化计时器未到期时 网桥又接收到一个来自该地址的数据帧 它会刷新这个计时器以重新开始计时 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3 3交换机的工作原理 交换机是一个较复杂的多端口透明网桥 在处理转发决策时 交换机和透明网桥是类似的 但是交换机在交换数据帧时 有着不同的处理方式 下面是交换机与网桥之间存在的主要差别 网桥一般只有两个端口 而交换机通常有多个端口 网桥的速度要比交换机慢 网桥在发送帧前 通常要接收到完整的帧并执行帧检验 FCS 而交换机在一个数据帧接收结束前就可以发送该数据帧 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 交换机主要支持三种工作方式 存储转发 直通式和自由分段 下面分别予以介绍 1 存储转发方式当交换机运行存储转发模式时 在转发数据帧之前必须接收整个帧 如图5 9所示 交换机接收到完整的数据帧以后 检查其源地址和目标地址 并对整个帧进行CRC 循环冗余校验 如果交换机没有发现错误 它将继续转发这个帧 如果交换机发现数据帧中存在错误 它将丢弃这个帧 图5 9交换机的存储转发方式 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 直通转发方式如图5 10所示 直通转发方式 也称为直通式 允许交换机在检查到数据帧中的目标地址时就开始转发数据帧 目标地址在数据帧中占用6个Byte 这6Byte正是目标设备的MAC地址 所以直通式的延迟很小 图5 10交换机的直通转发方式 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 自由分段方式自由分段方式有效地结合了直通式和存储转发模式的优点 当交换机工作在自由分段模式时 它只检查数据帧的前64Byte 如果前64Byte没有出现错误 交换机就转发该帧 反之 如果检测到前64Byte出错 交换机就丢弃该帧 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 3 4交换机的学习过程 1 交换机与网桥在功能上的联系2 交换机的MAC地址表建立过程对于一台刚刚接入到网络中的交换机 它的MAC地址表是空白的 将这种工作状况的交换机称为初始化交换机 如图5 12所示 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 12处于初始化状态的交换机 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 以下假设MAC地址为00 e0 fc 0c 1f 11的计算机1要向MAC地址为00 e0 fc 0c 1f 22的计算机2发送数据 其学习过程如图5 13所示 图5 13通过学习在MAC地址表中建立了一个设备与端口的映射关系 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 如果学习过程继续下去 并且保障每个端口连接的设备都至少发送了一次数据帧 这时交换机的MAC地址表将会全部建立起来 即交换机每个端口与所连接设备MAC地址的映射关系会全部建立在交换机的MAC地址表中 如图5 15所示 图5 15通过学习在MAC地址表中建立了完整的映射关系 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3 5交换机的数据转发和过滤过程 数据帧中包含有源设备的MAC地址和目标设备的MAC地址 如果网络中只有两台设备而且这两台设备之间通过电缆直接连接或通过集线器连接时 如图5 16所示 数据帧不会有转发和过滤过程 而是直接发送给对方 图5 16两台设备之间直连或通过集线器连接 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 交换机可以利用已建立的MAC地址表来快速发现目标设备 将通过对应的端口将数据转发出去 而不是转发给所有的端口 如图5 17所示的是MAC地址为00 e0 fc 0c 1f 11的计算机1要将数据发送给MAC地址为00 e0 fc 0c 1f 22的计算机2 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 17交换机的数据转发和过滤过程 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 广播和组播是网络中除单播之外的另两种通信方式 对于这两类数据帧 当交换机接收到时会通过泛洪的方法转发给除发出端口的所有其他端口 如图5 18所示 图5 18交换将广播或组播帧泛洪给除发出端的其他所有端口 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 3 6多层交换技术 传统的交换机工作于OSI参考模型的数据链路层 所以将这类交换机也称为第二层交换机 第二层交换是基于硬件的桥接 在交换机中 数据帧的转发是由ASIC ApplicationSpecificIntegratedCircuit 专业化硬件处理的 因此交换机的转发速度要比网桥快得多 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 1 第三层交换第三层交换技术也称为IP交换技术或高速路由技术 第三层交换技术是相对于传统的二层交换概念而提出的 简单地说 第三层交换技术等于第二层交换技术加上第三层转发技术 这是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制 一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机 但它是二者的有机结合 并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在交换机上 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 第四层交换在OSI参考模型的第四层中 TCP和UDP都包含其端口号 它们可以区分每个数据包中包含有那些应用协议 例如HTTP SMTP FTP等 网络设备利用这种信息来区分数据包中的数据 尤其是端口号使一个接收端计算机能够确定它所收到的IP包的类型 并把它交给合适的高层软件进行处理 端口号和设备的IP地址组合后形成套接字 Socket 即Socket IP TCP UDP Port 第四层交换可以简单定义为 传输不仅仅依据第二层的MAC地址或第三层的IP地址 而且依据第四层的TCP UDP应用端口号 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4路由器和网关 5 4 1路由器的基本功能5 4 2路由协议5 4 3路由器的分类及其特点5 4 4路由器的应用特点5 4 5网关 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4 1路由器的基本功能 路由 Routing 是指在源设备和目标设备之间的多条可能的路径中发现一条最佳路径来进行数据传输 路由的传递依赖于路由器的路由表 路由表的构建是由路由器中运行的路由协议 RoutingProtocol 完成的 常见的路由协议有RIP Routeinformationprotocol 路由信息协议 IGRP InteriorGatewayRoutingProtocol 内部网关路由协议 OSPF OpenShortestPathFirst 开放最短路径优先 和EIGRP EnhancedInteriorGatewayRoutingProtocol 增强内部网关路由协议 等 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 路由器主要实现了两大功能 路由 Routing 和传递 Forwarding 1 路由 Routing 在一个可路由的互联网络中 为了保证路由器能准确地将数据包传送到目的地 就必须惟一地标识每一个网络或链路 这种惟一标识就是网络地址 如图5 19所示 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 19每一个网络都必须被唯一的标识 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 转发 Forwarding 转发即沿着已确定好的最佳路径传送分组 路由器首先在路由表中查找 看是否有到达下一个节点 或主机 的路径 如果有便将分组发送出去 否则路由器便将该分组丢弃 如果目的网络直接与路由器相连 路由器就把分组直接发送到相应的端口上 如图5 20所示 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 20路由器在两个网络之间建立一条路径 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 如图5 21描述的是数据通过多种数据链路的传输情况 在传输过程中虽然跨过了多种数据链路 但是 数据 始终保持不变 图5 21数据在跨过多种数据链路时帧格式发生了变化但数据始终保持未变 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4 2路由协议 路由协议的基本功能是建立数据转发表 即建立和维护路由表 1 按照路由协议的运行范围来分 内部网关协议通常是运行在一个相对独立网络内部的路由协议 常见的内部网关协议主要有RIP IGRP EIGRP OSPF IS IS等 外部网关协议通常指运行在相对独立网络之间的路由协议 包括外部网关协议 ExternalGatewayProtocol EGP 和边界网关协议 BorderGatewayProtocol BGP 两种 其中 EGP是一种网关到网关的协议 而BGP是对EGP的改进 可进一步提高整个Internet网络的可扩展性 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 2 按照路由协议的路由算法来分 距离向量路由协议是基于路由器之间的距离长短来确定最佳路径的一种协议 主要有RIP和IGRP IGRP为Cisco私有协议 链路状态路由协议是基于路由器之间的不同链路的优劣来确定最佳路径的一种协议 主要有OSPF和IS IS 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 3 按照路由协议的学习方式来分 静态路由是依据事先确定好的参数 如响应时间 网络流量等 来确定传输路径 而且这些参数一般需要人工设置 同时一旦设置后将在较长的时间内保持不变 各参数具有较长时间的稳定性 动态路由是依据通信时网络内部的具体情况 对各种参数进行实时地修改 然后确定传输路径 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4 3路由器的分类及其特点 1 按照处理能力来划分根据处理能力 路由器可分高端路由器和中低端路由器两大类 2 按照结构来划分按照结构的不同 可分为模块化路由器和非模块化路由器 3 按照所处网络位置来划分根据路由器在网络中所处位置的不同 可以分为核心路由器和接入路由器两类 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 4 按照功能来划分按照所提供的功能 路由器可分为通用路由器与专用路由器 5 按照性能来划分根据转发数据包的方式和能力 路由器可分为线速路由器和非线速路由器两类 其中 线速路由器能以介质速率转发数据包 一般是高端路由器 中低端路由器是非线速路由器 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4 4路由器的应用特点 路由器主要工作在OSI七层网络模型中的第三层 网络层 当路由器收到一个数据包 包括广播包在内 时 它会将该数据包第二层的信息去掉 查看第三层信息 IP地址 然后 根据路由表确定数据包的路由 并且用访问控制列表 AccesControlList ACL 对数据包进行过滤 如果通过 路由器就对数据包进行第二层信息的封装 重写第二层的帧头信息 最后将该数据包转发 如果在路由表中查不到数据包的目的地址 则路由器将向源地址的站点返回一个信息 并把这个数据包丢掉 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 实际上路由器的功能远不止这些 它还要完成数据包的过滤 数据包压缩 协议转换 维护路由表 计算路由甚至防火墙等许多工作 如图5 22所示 图5 22路由器在网络中扮演的角色 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 4 5网关 有时 我们对路由器和网关并不进行区分 而把网络层及其以上进行协议转换的互联设备统称为网关 Gateway 网关的主要功能是对互不兼容的高层协议进行转换 不同的网络系统相互连接时所使用的设备或节点 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 5调制解调器 5 5 1调制解调器的工作原理5 5 256kbit sModem技术5 5 3拨号接入方式 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 5 1调制解调器的工作原理 调制解调器 又称Modem 它是Modulator 调制器 与Demodulator 解调器 的简称 计算机在发送数据时 先由Modem把数字信号转换为相应的模拟信号 这个过程称为 调制 经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前 也需要由接收方的Modem负责把模拟信号还原为计算机能够识别的数字信号 这个过程我们称 解调 正是通过这样一个 调制 与 解调 的数 模和模 数转换过程 实现了两台计算机之间的远程通讯 利用调制解调器实现两台计算机间远程通信的示意图如图5 23所示 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 图5 23利用调制解调器进行两台计算机间的远程通信 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 调制解调器的工作原理如图5 24所示 图中虚线部分仅用于同步Modem 上部为调制器 下部为解调器 二者是一个整体 图5 24调制解调器工作原理 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 5 5 256kbit sModem技术 56kbit sModem最早出现在1997年 由著名厂商USR提出 并命名为X2 ITU于1998年将X2和K56flex两个标准进行统一 制定了V 90标准 在V 90协议的调制解调器推出之后 人们又开始寻找进一步提高拨号调制解调器工作效率的方法 2001年 ITU推出了最新的V 92协议 2020年2月4日星期二3时2分14秒 计算机网络 网络互联设备 1 V 90协议在早期的使用V 34协议的Modem到Modem的连接上 数据流先被调制成模拟信号 在发送端到电话局的线路上传输 在电话局经过一次模 数 A D 转换 变成数字信号并传送到目的地 然后 在目的地又经一次数 模转 D A 换从模拟线路传送到接收端的Modem上 接收端的Modem再将模拟信号转换为可以被计算机处理的数字信号 如图5 25 a 所示