《网络基础》-第3章

3.1传输介质计算机网络中的传输介质主要包括有线传输介质和无线传输介质两类。（1）有线传输介质（2）无线传输介质3.1.1双绞线1．双绞线工作原理双绞线采用了一对互相绝缘的铜导线，互相绞合在一起，形成有规则的螺旋形，来抵御一部分外界电磁波干扰，更主要的是降低自身信号的对外干扰。通常所说的双绞线是指由8芯（4对）组成的，如图3-1所示。下一页返回3.1传输介质2．双绞线类型双绞线主要分为两大类，即屏蔽双绞线（ShieldedTwisted-Pair，STP）和非屏蔽双绞线（UnshieldedTwisted-Pair，UTP）。（1）屏蔽双绞线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。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入。屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。上一页下一页返回3.1传输介质（2）非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线是一种数据传输线，由四对不同颜色的传输线所组成，就是常用的普通电话线或数据线，广泛用于以太网络和电话线中。（3）非屏蔽双绞线的分类非屏蔽双绞线具有成本低廉、柔性好、传输性能好等特点，是全世界范围内综合布线工程中应用最广泛的电缆。上一页下一页返回3.1传输介质EIA/TIA（电子工业协会/电信工业协会）按照电气性能的不同，将UTP双绞线定义为7种类别。①一类线：主要用于模拟语音传输（一类标准主要用于80年代初之前的电话线缆）。②二类线：用于语音传输和最高传输速率4Mb/s的数据传输。③三类线：用于语音传输及最高传输速率为10Mb/s的数据传输。④四类线：用于语音传输和最高传输速率16Mb/s的数据传输。上一页下一页返回3.1传输介质⑤五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套是一种高质量的绝缘材料，传输频率为100

MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mb/s的数据传输，主要用于100BASE-T和1

000BASE-T网络。⑥六类线：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。⑦七类线：带宽为600MHz，可能用于今后的10Gb以太网。上一页下一页返回3.1传输介质3.1.2同轴电缆同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料，如图3-2所示为同轴电缆剖视图，其内部的铜芯主要用于实现信号的传输；屏蔽层通常由金属丝编织网构成，以实现与外界干扰的隔离，同时防止外界电磁场对铜芯上传输信号的干扰；内部绝缘层主要隔离铜芯与屏蔽层；外部绝缘层较厚并具有较好的弹性。上一页下一页返回3.1传输介质3.1.3光纤1．光纤结构光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。图3-3所示为光缆结构图。上一页下一页返回3.1传输介质2．光纤分类（1）按传输点模数分类按传输点模数分类，光纤可分为单模光纤（SingleModeFiber）和多模光纤（MultiModeFiber）。（2）按折射率分布分类按折射率分布光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。上一页下一页返回3.1传输介质3.1.4光缆光纤是一种传输光束的细微而柔韧的传输介质。光缆一般可以按以下三种方式分类。①按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。②按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。③按用途分有：长途通信用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。两种常用的光缆内部结构如图3-4所示。上一页下一页返回3.1传输介质3.1.5光纤连接器光纤连接器（又称光纤跳线）是在一段光纤两端安装连接插头，在光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件。常用的光纤连接器如图3-5所示。（1）FC型光纤连接器外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣，金属双重配合螺旋终止型结构。一般在ODF配线架采用。上一页下一页返回3.1传输介质（2）SC型光纤连接器连接GBIC光模块的连接器，紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。矩形塑料插拔式结构；特点是容易拆装。多用于多根光纤与空间紧凑结构的法兰之间的连接。（3）ST型光纤连接器外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣，金属圆形卡口式结构。常用于光纤配线架。上一页下一页返回3.1传输介质（4）LC型光纤连接器连接SFP模块的连接器，它采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成，在路由器接口上常用。（5）MT-RJ收发一体的方形光纤连接器，一头双纤，收发一体。上一页下一页返回3.1传输介质（1）FC型端面呈球形，接触面集中在端面的中央部分，反射损耗35dB，多用于测量仪器。（2）APC型接触端的中央部分仍保持PC型的球面，但端面的其他部分加工成斜面，使端面与光纤轴线的夹角小于90度，这样可以增加接触面积，使光耦合更加紧密。当端面与光纤轴线夹角为8度时，插入损耗小于0.5dB。窄带（155Mb/s以下）光传输系统中常采用这种结构的接头。（3）UPC型超平面连接，加工精密，连接方便，反射损耗50dB，常用于宽带（155Mb/s及以上）光纤传输系统中。上一页下一页返回3.1传输介质3.1.6无线通信传输介质1．无线电短波无线电短波的信号频率低于100MHz，它主要靠电离层的反射来实现通信，而电离层的不稳定所产生的衰落现象和离层反射所产生的多径效应使得短波信道的通信质量较差。短波通信是指波长在100m以下、10m以上的电磁波，其频率为3～30MHz。上一页下一页返回3.1传输介质2．微波微波通常是指波长在1mm～1m（不含1m）的电磁波，对应的频率范围为300MHz～300GHz，它介于无线电波和红外线之间。微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。微波通信具有容量大、质量好并可传至很远距离的优点，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。上一页下一页返回3.1传输介质3．红外线红外是一种无线通信方式，由国际红外数据协会（IrDA）提出并推行，可以进行无线数据的传输。红外技术的主要特点有：利用红外传输数据，无需专门申请特定频段的使用执照；具有设备体积小、功率低的特点；由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较小，数据传输速率高，速率可达16Mb/s，称之为超高速红外（VIFR）。由于红外技术使用红外线作为传播介质。红外线是波长为0.75～1000mm的无线电波，是人用肉眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内波长为0.75～25mm的近红外线。上一页下一页返回3.1传输介质4．蓝牙技术蓝牙技术（Bluetooth）是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统，甚至家用电器采用无线方式连接起来。它的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。它采用2.4GHzISM频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议。蓝牙支持64kb/s实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD，发射功率分别为1mW、2.5mW和100mW，并使用全球统一的48比特的设备识别码。上一页返回3.2连接方式1．点到点连接方式最直观和简单的计算机网络连接方式是点到点的直接连接方式。按这种连接方式构成的网络称为点对点网络，其特点如下。①因为每个连接都是独立的，所以可以选择性地使用硬件。②因为连接的计算机独占线路，所以能确切地决定如何通过连接来传送数据。③因为只能两台计算机使用通路，其他计算机不能得到使用权，所以加强安全性和私有性是很容易的，没有其他计算机能处理数据，并且没有其他计算机能得到使用权。下一页返回3.2连接方式例如，图3-6中描述了当计算机有2台、3台、4台时连接数量的变化。可以看出，2台计算机只需1条连接，3台计算机需要3条连接，4台计算机需要6条连接。从数学上看，N台计算机所需的连接数量同N的平方成正比，表达式如下：连接数量=（N2-N）/2（3-1）直观地看，如果在原来的系统中增加一台新的计算机，则新增加的计算机必须与每一台已存在的计算机相连接。这样，增加第N台计算机就需要N-1条新的连接。上一页下一页返回3.2连接方式实际上，这种连接代价高昂，因为许多连接都按相同的物理路径连接。例如，假设一个单位有5台计算机，其中2台在一个地点（假设在一幢大楼的底层），另3台在另一地点（假设在同一幢大楼的顶层）。图3-7表明如果每一台计算机与所有其他计算机有一条连接，那么在两个地点之间有6条连接，在许多情况下这样的连接有相同的物理路径。上一页下一页返回3.2连接方式2．共享通信信道不同的局域网具有不同的使用电压与调制技术等。共享的通信信道能够消除重复性，所以降低了费用，进而使局域网技术得以流行。允许多台计算机共享通信介质的网络可用于局域通信，点对点连接可用于长距离网络和一些其他特殊情况。共享网络只用于局域通信的原因是：共享网络中的计算机必须协调使用网络，而协调需要通信。上一页下一页返回3.2连接方式3．局部性原理目前，局域网技术已经成为计算机网络中最成熟的技术之一。对局域网高需求的主要原因是计算机网络中的访问局部性原理。访问的局部性原理是指在一组计算机中通信不是随机的，而是有一定的规律。总的来说，访问的局部性原理就是：计算机与附近的计算机通信的可能性大，并且计算机很有可能与同一个计算机重复通信。所以，局域网现在比其他网络类型可连接更多的计算机。上一页返回3.3网络拓扑3.3.1总线网络总线网络拓扑结构如图3-8所示。总线型结构的主要特性，就是以一条共用的网线来连接所有计算机，但它并非真的是一条很长的网线，其实是很多条较短的网线所接起来的。所以从宏观角度来看，它算是一条网线；但是从微观角度来看，应该是许多段网线所连接而成。下一页返回3.3网络拓扑3.3.2星型网络星型网络是继总线型结构后兴起的网络结构，此种网络不再是前一个接后一个，而是所有计算机都接到一个特殊装置，该装置通常是集线器（Hub），通过集线器在各计算机间传递信号。换言之，以集线器为中心向外呈放射状，因此称为星型网络，如图3-9所示。上一页下一页返回3.3网络拓扑3.3.3环型网络环型网络是将计算机连成一个环，每部计算机按照位置不同而有一个顺序编号，信号会按照该顺序编号以“接力”方式传递，传到最后一棒时再传给第一棒。以图3-10为例，X计算机欲传送数据给Z计算机时，必须先传给Y计算机，Y计算机收到信号后发现这不是给自己的，于是再传给Z计算机。最常见的采用环型拓扑的网络有令牌环网、光纤分布式数据接口（FDDI）和铜线电缆分布式数据接口（CDDI）网络。上一页下一页返回3.3网络拓扑环型网络的特点如下：①前两种网络其实都还有共同的缺点，那就是可能发生两部（或多部）计算机同时传送数据，因此发生了信号冲突，导致整个网络暂时无法工作。②因为环型网络的软硬件设备成本较高，影响到其普及性。③如果任一线路或结点故障，则整个环型网络便会瘫痪，不过这个问题可以采用备援线路的方式解决（见图3-11）。上一页下一页返回3.3网络拓扑④环型网络的另一项特点，在于逻辑拓扑与实体拓扑的不同。逻辑拓扑指的是其数据传输方式，实体拓扑指的则是实际布线的模样。图3-12是标准的环型网络，实体拓扑与逻辑拓扑模样都相同。但是有时候如图3-13所示，实体拓扑为总线型网络，但数据传输方式却是环型网络的模样。当然，也有可能看到如图3-14所示的环型网络。上一页下一页返回3.3网络拓扑3.3.4网状网络网状拓扑是容错能力最强的网络拓扑。在这种网络拓扑中，每个计算机（或某些计算机）与其他计算机有多条直接线路连接。网状拓扑建网费用高，布线困难。通常，网状拓扑只用于大型网络系统和公共通信骨干网，如帧中继网络、ATM网络或其他数据包交换型网络，这些网络主要强调网络的高可靠性。上一页下一页返回3.3网络拓扑3.3.5混合式网络可以在计算机网络中采用多种拓扑结构构成混合式网络。图3-15就是由总线型和星型所组合出来的混合式网络，而有时候我们也会遇到星型与环型的混合式网络（见图3-16）。这样可以充分发挥各种拓扑结构的优点，优化了网络整体结构的性能。上一页返回3.4网络设备3.4.1调制解调器调制解调器主要功能是完成调制和解调制的任务。调制解调器可以采用下列两种分类方式：基于连接方式分类和基于上网带宽分类。1．基于连接方式分类从调制解调器与计算机的连接方式不同考虑，可分为内置调制解调器和外置调制解调器。（1）内置调制解调器内置调制解调器也称为数据卡。如图3-17所示。下一页返回3.4网络设备（2）外置调制解调器外置调制解调器是连接到计算机的RS-232连接端口，又称为COM连接端口，如图3-18所示。外置调制解调器也出现了采用USB接口的类型，如图3-19所示。除此之外，另有2种外置调制解调器则是通过网卡和主机连接，这种类型的调制解调器是目前宽带上网的主流设备：电缆调制解调器如图3-20所示，ADSL调制解调器如图3-21所示。上一页下一页返回3.4网络设备2．基于上网带宽分类如果以带宽分类，则可细分为窄带调制解调器和宽带调制解调器两种。窄带调制解调器指的是带宽在56kb/s以下的调制解调器，也就是传统的调制解调器。宽带调制解调器则是指电缆调制解调器和ADSL调制解调器，这两种宽带上网设备的上网带宽从数百kb/s到数千kb/s。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.2网卡一般而言，网卡可采用3种方式来分类，即以接头种类分类、以总线接口分类、以带宽分类。1．以接头种类分类网卡上的接头可以有3种选择：AUI接头（见图3-22）、BNC接头（见图3-23）、RJ-45接头（见图3-24），它们分别用来连接3种不同的网线，即AUI线缆、RG-58线缆与双绞线（包括UTP及STP两种）。上一页下一页返回3.4网络设备2．以带宽分类局域网的带宽可分类为10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s这3个等级，因此如果以带宽来分类网卡，也就有这3种等级的网卡，而因为100BASE-TX和10BASE-T的网络运作方式大致相同，所以出现了支持10/100Mb/s双速以太网卡。上一页下一页返回3.4网络设备3．以总线接口分类（1）ISA接口ISA（IndustryStandardArchitecture）是应用在第一代个人计算机（PC或PCXT）的总线，有8比特和16比特两种，目前8比特的ISA接口卡已遭淘汰，就连16比特的ISA网卡也已经不用了（见图3-25）。上一页下一页返回3.4网络设备（2）PCI接口PCI（PeripheralComponentInterconnect）是由Intel所主导的总线规格，可以支持32比特及64比特的传输。由于它利用PCI桥接芯片区隔了CPU总线与PCI总线，使得这两者能够以各自的时脉来运行，所以在稳定度与数据传输率方面都有重大的改进。目前PCI接口的网卡以32比特居多，同时占有率也是最高，如图3-26所示。上一页下一页返回3.4网络设备（3）USB接口通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC及Nortel等7家厂商于1996年所提出的总线规格。其目标为提供用户更易于使用的外设连接端口，如图3-27所示。（4）PCMCIA接口PCMCIA（PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation）卡又称为PC卡。因此，只有CardBus的网卡，才可支持100Mb/s以太网，如图3-28所示。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.3中继器中继器主要的功能就是将收到的信号重新整理，使其恢复原来的波形和强度，然后继续传送下去，如此信号就可以传得更远。中继器的功能极为单一，因此位于OSI模型中的物理层。因为中继器只是把信号重新整理再送出去，所以不管中继器两端连接的线材为何，只要是相同的网络结构，都可以利用中继器加强信号，延长传输距离。如图3-29和图3-30所示的中继器便可以将双绞线和光纤、同轴电缆连接起来。上一页下一页返回3.4网络设备图3-31和图3-32中这台中继器则可以连接使用AUI线缆、双绞线与同轴电缆的网络。3.4.4集线器集线器（Hub）在本质上也是一种中继器。有些集线器除了RJ-45插孔外，还会有BNC接头、AUI接头或光纤接头（见图3-33和图3-34）。上一页下一页返回3.4网络设备1．共享带宽的概念集线器的Port虽然可以有很多个，但是在任何时间只能有一对Port在传输数据，不能多对Port同时传输数据。2．集线器的种类（1）10Mb/s集线器（2）100Mb/s集线器（3）10+100集线器（4）10/100集线器上一页下一页返回3.4网络设备3．堆叠式集线器堆叠式集线器背后通常有串接专用接头，并且附带专用的UTP线，用来连接叠在上方（或下方）的堆叠式集线器，而且这些叠在一起的集线器视为1个根据集线器，换言之，即使叠了3个集线器，但是在计算是否符合“5-4-3原则”时，只算是1个集线器而非3个集线器，因此在扩充上具有更大的灵活性。上一页下一页返回3.4网络设备4．5-4-3原则以太网最多只能使用4个中继器（包含集线器），所以会形成5个网段，但只有3个网段可以连接计算机，其余两个网段因为不能连接计算机，只能用来扩展距离，故称为IRL（InterRepeaterLink）。而整个原则当中分别出现了5、4、3三个数字，便称为5-4-3原则，方便记忆，如图3-35所示。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.5网桥为了合理限制网络信号的传送，可以使用网桥适当地切割网络。当数据送达网桥后，网桥会判断信号该不该传到另一端，假使不需要，就将它拦截下来，以减少网络的负载；只有当数据需要穿过网络到另一端的计算机上，网桥才放行。网桥处于OSI模型中的链路层。例如，用一个网桥可将整个网络分为两区，如图3-36所示。上一页下一页返回3.4网络设备网桥的上方网络为1区，下方为2区，当A计算机要传数据给B计算机时，当网桥发现A、B计算机同在1区，表示此信号没必要传到2区，便将该信号丢弃，如此便能减少对2区的干扰；如果A计算机要传数据给C计算机，网桥便让信号通过。网桥为什么能判断收件者所在的网络？这是因为网桥中有一张清单，记载了每台计算机所在的区域，如图3-37所示。上一页下一页返回3.4网络设备在上图中，网桥在收到A计算机给B计算机的数据时，会根据清单去判断B计算机所在的网络，同样地，如果A计算机要传给C计算机时，网桥也是利用清单去判断，而允许信号通过。网桥并不会阻挡广播包。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.6路由器路由器工作于OSI模型中的网络层。因为它最主要的功用，就是在不同的网络间选择一条最佳的传输路径。以图3-38为例，从LAN1传数据到LAN2有两条路径。乍看之下，LAN1到LAN2最快的路径是C→D（256kb/s当然比64kb/s快），但是如果考虑到路由器的处理操作，似乎A→B较佳（因为只经过两台路由器）。上一页下一页返回3.4网络设备为了能判断传输当时哪条路径最快，要考虑到许多因素，包括带宽、线路质量、使用率、所经结点数甚至成本，这些计算不可能用人工处理，所以选择最佳路径的工作便交给路由器来处理。为了降低成本，可用UNIX服务器或Windows2000服务器来模拟，但是这种软件模拟的性能毕竟比较差，仅适合用在教学研究上，如图3-39所示。选购路由器时首先要确定用来处理何种信息包。上一页下一页返回3.4网络设备路由器还有一项重要的功能：阻隔广播信息包。只要是没有指明收件者的信息包，或是非路由器可以接收的信息包格式，传送到路由器时都会被丢弃，不会传送到其他的网络网段。网桥路由器提供了网桥和路由器的综合功能。传输协议可不可以路由是指数据能不能使用这个传输协议，通过路由器将数据传送到其他网络网段。换言之，可不可以路由，表示这个协议的信息包格式可否被路由器接收。TCP/IP、IPX/SPX属于可路由的协议，NetBUEI则是属于不可路由的协议。不可路由的协议通常通过网桥、集线器或中继器传送数据。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.7第2层交换机第2层交换机属于链路层的设备，又称为交换式集线器（SwitchHub）或多口网桥（Multi-portBridge），因为它同时具备了集线器和网桥的功能。第2层交换机会记忆哪个地址接在哪个Port，并据以决定该将信息包送往何处，而不会送到其他不相关的Port，因此未受影响的Port可以继续对其他Port传送数据，突破了集线器只能有一对Port在工作的限制。但是，如果多个Port的信息包要送到相同目的地时，还是会发生抢占的情况。以图3-40为例，如果A计算机、C计算机和D计算机都要传数据给B计算机，那就回到了共享式集线器的情况，3台计算机在抢占100Mb/s带宽了。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.8第3层交换机第3层交换机和路由器同在网络层工作而且彼此关系密切。事实上，第3层交换机除了具有第2层交换机的功能外，还能进行路由工作。第3层交换机可以当作是路由器的简化版，是为了加速路由的速度而出现的一种新时代网络设备。上一页下一页返回3.4网络设备在实际应用中，第3层交换机由于路由速度快，兼具第2层交换机的功能，价格又比路由器便宜，因此特别受到网管人员的欢迎，不过这不代表它能取代路由器，因为路由器还具有第3层交换机所缺乏的重要功能，例如，安全管理、与WAN的连接、优先权控制、支持多种协议信息包等，因此第3层交换机通常还是与路由器搭配使用，或者是在不需连接互联网的环境中，取代路由器的位置。上一页下一页返回3.4网络设备3.4.9VLANVLAN（VirtualLAN，虚拟局域网）其实可说是交换式技术的高级应用。简单地说，VLAN有两个主要的功能。①将交换机上的连接端口分类成不同的组，当广播信息包在传送时，便只会在该连接端口所属的组内传送，不同组的连接端口不会收到这个信息包，因此可以减少不必要的干扰。②将多个交换机分割成不