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第3章计算机网络设备 本章内容 3 1传输介质 网络传输介质是指在网络中传输信息的载体 常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类 1 有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分 它能将信号从一方传输到另一方 有线传输介质主要有双绞线 同轴电缆和光纤 2 无线传输介质指我们周围的自由空间 我们利用无线电波在自由空间的传播可以实现多种无线通信 在自由空间传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波 微波 红外线 激光等 信息被加载在电磁波上进行传输 双绞线 双绞线 TwistedPair 是由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕 一般以逆时针缠绕 在一起而制成的一种通用配线 属于信息通信网络传输介质 双绞线的基本原理 双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质 双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成 采用这种方式 不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰 也可以降低多对绞线之间的相互干扰 把两根绝缘的导线互相绞在一起 干扰信号作用在这两根相互绞缠在一起的导线上是一致的 这个干扰信号叫做共模信号 在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除 从而提取出有用信号 差模信号 种类 1 按照屏蔽层的有无分类双绞线分为屏蔽双绞线 ShieldedTwistedPair STP 与非屏蔽双绞线 UnshieldedTwistedPair UTP 屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层 2 按照线径粗细分类双绞线常见的有3类线 5类线和超5类线 以及最新的6类线 前者线径细而后者线径粗随着网络技术的发展和应用需求的提高 双绞线这种传输介质标准也得到了一步步的发展与提高 从最初的一 二类线 发展到今天最高的七类线 而且据悉这一介质标准还有继续发展的空间 在这些不同的标准中 它们的传输带宽和速率也相应得到了提高 七类线已达到600MHz 甚至1 2GHz的带宽和10Gbps的传输速率 支持千兆位以太网的传输 优点 传输距离远 传输质量高 由于在双绞线收发器中采用了先进的处理技术 极好地补偿了双绞线对视频信号幅度的衰减以及不同频率间的衰减差 保持了原始图象的亮度和色彩以及实时性 在传输距离达到1km或更远时 图象信号基本无失真 如果采用中继方式 传输距离会更远 布线方便 线缆利用率高 一对普通电话线就可以用来传送视频信号 另外 楼宇大厦内广泛铺设的5类非屏蔽双绞线中任取一对就可以传送一路视频信号 无须另外布线 即使是重新布线 5类缆也比同轴缆容易 此外 一根5类缆内有4对双绞线 如果使用一对线传送视频信号 另外的几对线还可以用来传输音频信号 控制信号 供电电源或其它信号 提高了线缆利用率 同时避免了各种信号单独布线带来的麻烦 减少了工程造价 抗干扰能力强 双绞线能有效抑制共模干扰 即使在强干扰环境下 双绞线也能传送极好的图象信号 而且 使用一根缆内的几对双绞线分别传送不同的信号 相互之间不会发生干扰 可靠性高 使用方便 利用双绞线传输视频信号 在前端要接入专用发射机 在控制中心要接入专用接收机 这种双绞线传输设备价格便宜 使用起来也很简单 无需专业知识 也无太多的操作 一次安装 长期稳定工作 价格便宜 取材方便 购买容易 而且价格也很便宜 给工程应用带来极大的方便 同轴电缆 同轴电缆 Coaxial 是指有两个同心导体 而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆 最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成 在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体 然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住 优缺点 同轴电缆的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信而其缺点也是显而易见的 一是体积大 细缆的直径就有3 8英寸粗 要占用电缆管道的大量空间 二是不能承受缠结 压力和严重的弯曲 这些都会损坏电缆结构 阻止信号的传输 最后就是成本高 而所有这些缺点正是双绞线能克服的 因此在现在的局域网环境中 基本已被基于双绞线的以太网物理层规范所取代 光纤 光纤是光导纤维的简写 是一种由玻璃或塑料制成的纤维 可作为光传导工具 传输原理是 光的全反射 前香港中文大学校长高锟和GeorgeA Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想 高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖 光纤大事记 微细的光纤封装在塑料护套中 使得它能够弯曲而不至于断裂 通常 光纤的一端的发射装置使用发光二极管 lightemittingdiode LED 或一束激光将光脉冲传送至光纤 光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲 在日常生活中 由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多 光纤被用作长距离的信息传递 光纤的基本介绍 1880 AlexandraGrahamBell发明光束通话传输1960 电射及光纤之发明1966 七月 英籍 华裔学者高锟博士 K C Kao 在PIEE杂志上发表论文 光频率的介质纤维表面波导 从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性 并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性1970 美国康宁公司三名科研人员马瑞尔 卡普隆 凯克用改进型化学相沉积法 MCVD法 成功研制成传输损耗只有20dB km的低损耗石英光纤 1973 我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信1976 美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路 采用一条拥有144个光纤的光缆以44 736Mbps的速率传输信号 中继距离为10km 采用的是多模光纤 光源用的是发光管LED 波长是0 85微米的红外光 1977 世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用 速率为45Mb s1979 赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤 被誉为 中国光纤之父 1992 贝尔实验室与日本合作伙伴成功地试验了可以无错误传输9000公里的光放大器 其最初速率为5Gbps 随后增加到10Gbps1999 中国生产的8 2 5Gb sWDM系统首次在青岛至大连开通 沈阳至大连的32 2 5Gb sWDM光纤通信系统开通2005 3 2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通2012年 中国的光纤产能已达到1亿2千万芯公里 预计到2013年将达到1亿8千万芯公里 传输优点 频带宽损耗低重量轻抗干扰能力强保真度高工作性能可靠 无线电波 无线电波或射频波是指在自由空间 包括空气和真空 传播的电磁波 其频率300GHz以下 下限频率较不统一 在各种射频规范书 常见的有三3KHz 300GHz 9KHz 300GHz 10KHz 300GHz 麦克斯韦最早在他递交给英国皇家学会的论文 电磁场的动力理论 中阐明了电磁波传播的理论基础 他的这些工作完成于1861年至1865年之间马可尼 GuglielmoMarconi 拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利 英国专利12039号 电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备 1893年 尼科拉 特斯拉 NikolaTesla 在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信 1906年圣诞前夜 雷吉纳德 菲森登 ReginaldFessenden 在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播 微波 微波是频率在10的8次方 10的10次方Hz之间的电磁波 在100MHz以上 微波就可以沿直线传播 因此可以集中于一点 通过抛物线状天线把所有的能量集中于一小束 便可以防止他人窃取信号和减少其他信号对它的干扰 但是发射天线和接收天线必须精确地对准 由于微波沿直线传播 所以如果微波塔相距太远 地表就会挡住去路 因此 隔一段距离就需要一个中继站 微波塔越高 传的距离越远 微波通信被广泛用于长途电话通信 监察电话 电视传播和其他方面的应用 微波频率比一般的无线电波频率高 通常也称为 超高频电磁波 微波作为一种电磁波也具有波粒二象性 微波的基本性质通常呈现为穿透 反射 吸收三个特性 对于玻璃 塑料和瓷器 微波几乎是穿越而不被吸收 对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热 而对金属类东西 则会反射微波 微波的发展还表现在应用范围的扩大 微波的最重要应用是雷达和通信 雷达不仅用于国防 同时也用于导航 气象测量 大地测量 工业检测和交通管理等方面 微波的特性和应用 红外线 红外线 Infrared 是波长介乎微波与可见光之间的电磁波 其波长在760纳米 nm 至1毫米 mm 之间 是波长比红光长的非可见光 所有高于绝对零度 273 15 的物质都可以产生红外线 激光 激光最初的中文名叫做 镭射 莱塞 是它的英文名称LASER的音译 是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词 意思是 通过受激辐射光扩大 激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程 激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现 1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 光受激辐射 改称 激光 激光应用很广泛 主要有激光打标 光纤通信 激光光谱 激光测距 激光雷达 激光切割 激光武器 激光唱片 激光指示器 激光矫视 激光美容 激光扫描 激光灭蚊器等等 3 2物理层上的网络设备 集线器集线器的英文称为 Hub Hub 是 中心 的意思 集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大 以扩大网络的传输距离 同时把所有节点集中在以它为中心的节点上 它工作于OSI 开放系统互联参考模型 参考模型第一层 即 物理层 中继器中继器是局域网环境下用来延长网络距离的最简单最廉价的网络互联设备 操作在OSI的物理层 中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能 用于扩展局域网网段的长度 仅用于连接相同的局域网网段 3 3数据链路层上的网络设备 网卡计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入一块网络接口板 或者是在笔记本电脑中插入一块PCMCIA卡 网络接口板又称为通信适配器或网络适配器或网络接口卡 网卡的位置 网卡的作用 代表固定的网络地址数据从一台计算机传输到另外一台计算机时 也就是从一块网卡传输到另一块网卡 即从源网络地址传输到目的网络地址 如何查询自己电脑上的硬件地址呢 方法1 依次单击 开始 运行 输入 cmd 回车 在出现的命令提示符界面中输 ipconfig all 回车 可以得到计算机的MAC地址 其中PhysicalAddress就是计算机的MAC地址 方法2 获取MAC地址还有另外一种较特别的方法 方法是 鼠标依次点击 开始 所有程序 附件 系统工具 系统信息 在 系统摘要 下 展开 组件 网络 适配器 右边的摘要中就会列出本机的MAC地址 方法3 还可以用以下方法查MAC地址 首先启动IE连接到网络 鼠标右击任务栏中托盘区中的网络连接图标 两台小电脑 点选 状态 支持 选项卡下的 详细信息 其中的实际地址即为您网卡的MAC地址 网卡的作用 转换数据并将数据送到网线上 网络上传输数据的方式与计算机内部处理数据的方式是不相同的 它必须遵从一定的数据格式 通信协议 当计算机将数据传输到网卡上时 网卡会将数据转换为网络设备可处理的字节 那样才能将数据送到网线上 网络上其它的计算机才能处理这些数据 串并行转换 在网络中 网卡的工作是双重的 一方面它将本地计算机上的数据转换格式后送入网络 另一方面它负责接收网络上传过来的数据包 对数据进行与发送数据时相反的转换 将数据通过主板上的总线传输给本地计算机 因PC技术的发展 先后出现了不同接口类型的网卡 主要有以下几种 ISA网卡 工业标准结构 较原始的计算机上使用的总线结构 8位或16位机器主板上使用 已淘汰 EISA网卡 扩展工业标准结构 使用32位的总线结构 在386 486主板上可以找到 也渐渐的淡出市场 PCI网卡 即插即用总线结构 现在的主流总结结构方式 按网卡的传输速率可分为 10Mbps网卡 老的EISA网卡 或者带BNC口与RJ 45口的网卡 100Mbps网卡 传输速率固定为100Mbps的网卡 10 100Mbps自适应网卡 自适应是指网卡可以与远端网络设备 集线器或交换机 自动协商 确定当前的可用速率是10Mbps还是100Mbps 1000Mbps网卡 服务器应该采用千兆以太网网卡 这种网卡多用于服务器与交换机之间的连接 以提高整体系统的响应速率 安装网卡驱动程序 右击 我的电脑 再单击 属性 弹出 系统特性 对话框 选择 硬件 选项卡 单击 设备管理器 按钮 弹出 设备管理器 对话框 展开 网卡 3 5 2子网技术 重装网卡驱动程序时 双击该网卡名 示例为RealtekRTL8139 A 弹出该网卡的对话框 选择 驱动程序 选项卡 单击 更新驱动程序 弹出 安装硬件设备驱动程序 对话框 MAC地址 MAC Medium MediaAccessControl 地址 用来表示互联网上每一个站点的标识符 采用十六进制数表示 共六个字节 48位 其中 前三个字节是由IEEE的注册管理机构RA负责给不同厂家分配的代码 高位24位 也称为 编制上唯一的标识符 OrganizationallyUniqueIdentifier 后三个字节 低位24位 由各厂家自行指派给生产的适配器接口 称为扩展标识符 唯一性 一个地址块可以生成224个不同的地址 形象地说 MAC地址就如同我们身份证上的身份证号码 具有全球唯一性 3 3 3二层交换机 一般网络都有个主交换机 俗称一层 从主交换上接的交换机称为二层 比如主交换接了8个交换机 这8个称为二层 3 3 3二层交换机 二层交换技术是发展比较成熟二层交换机属数据链路层设备可以识别数据包中的MAC地址信息根据MAC地址进行转发 并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中 工作过程 当交换机从某个端口收到一个数据包 它先读取包头中的源MAC地址 这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的 再去读取包头中的目的MAC地址 并在地址表中查找相应的端口 如表中有与这目的MAC地址对应的端口 把数据包直接复制到这端口上 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上 当目的机器对源机器回应时 交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应 在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了 不断的循环这个过程 对于全网的MAC地址信息都可以学习到 二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表 3 4网络层上的网络设备 路由器 Router 是连接因特网中各局域网 广域网的设备 它会根据信道的情况自动选择和设定路由 以最佳路径 按前后顺序发送信号的设备 路由器是互联网络的枢纽 交通警察 目前路由器已经广泛应用于各行各业 各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接 骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军 路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型第二层 数据链路层 而路由发生在第三层 即网络层 这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需使用不同的控制信息 所以两者实现各自功能的方式是不同的 3 4 1路由器 路由器是互联网的主要结点设备 路由器通过路由决定数据的转发 转发策略称为路由选择 routing 这也是路由器名称的由来 router 转发者 作为不同网络之间互相连接的枢纽 路由器系统构成了基于TCP IP的国际互联网络Internet的主体脉络 也可以说 路由器构成了Internet的骨架 它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一 它的可靠性则直接影响着网络互连的质量 因此 在园区网 地区网 乃至整个Internet研究领域中 路由器技术始终处于核心地位 其发展历程和方向 成为整个Internet研究的一个缩影 3 4 2三层交换机 三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换 所具有的路由功能也是为这目的服务的 能够做到一次路由 多次转发 对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现 而像路由信息更新 路由表维护 路由计算 路由确定等功能 由软件实现 三层交换技术就是二层交换技术 三层转发技术 传统交换技术是在OSI网络标准模型第二层 数据链路层进行操作的 而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 既可实现网络路由功能 又可根据不同网络状况做到最优网络性能 3 5无线网络设备 无线网卡是终端无线网络的设备 是不通过有线连接 采用无线信号进行数据传输的终端无线网卡根据接口不同 主要有PCMCIA无线网卡 PCI无线网卡 MiniPCI无线网卡 USB无线网卡 CF SD无线网卡几类产品 从速度来看 无线上网卡现在主流的速率为54M 108M 150M 300M 450M该性能和环境有很大的关系 54Mbps 其WLAN传输速度一般在16 30Mbps之间 换算成MB也就是每秒传输速度在2MB 4MB左右 取其中间值3MB 这样的速度要传输100MB的文件需要35秒左右 要传输1GB的文件 则需要至少4分钟以上 108Mbps 其WLAN传输速度一般在24 50Mbps之间 换算成MB也就是每秒传输速度在3MB 6MB左右 取其中间值4 5MB 这样的速度要传输100MB的文件需要25秒左右 要传输1GB的文件 则需要至少2分半钟以上 主流无线技术 WiFi在带宽上有着极为明显的优势 达到11 108Mbps 而且有效传输范围很大 其为数不多的缺陷就是成本略高以及功耗较大 蓝牙技术在带宽方面逊色不少 但是低成本以及低功耗的特点还是让它找到了足够的生存空间 HomeRF无线局域网技术HomeRF 是专门为家庭用户设计的 它的优势在于成本 不过它的业界支持度远不及前两者 总体而言 WiFi较适于办公室中的企业无线网络 HomeRF可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信 而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合 无线网卡标准 1971年 夏威夷大学 UinversityofHawaii 的研究人员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络 被称为ALOHNET网络 是最早的无线局域网 wirelesslocalareanetwork WLAN 这个WLAN包括了7台计算机 采用双向星型拓扑 bi directionalstartopology 横跨四座夏威夷的岛屿 中心计算机放置在瓦胡岛 OahuIsland 上 从这时起 无线局域网可以说是正式诞生了1997年IEEE TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers 提出并制定了最早的无线标准IEEE802 11 在1999年9月又提出了IEEE802 11a标准和IEEE802 11b标准 随着IEEE802 11a IEEE802 11b标准的出台以及WI FI组织的成立促进了无线局域网产品的兼容化 标准化以及市场化 从此以后 无线局域