第 7 章 网络设备及工作原理 7. 1 大纲要求 本章的主要内容:  介绍计算机网网络中的各种网络设备的性能和在网络规划时的合理选择。要求综合应用各类网络互联设备、 路由选择算法。 本章要求掌握的内容:  网络规划时能合理选择各种网络设备并能综合应用种类网络设备 本章的重点和难点:  重点是综合应用种类网络设备的综合应用  难点是网络互联设备, 如中继器、 网桥、 网关的选择和应用, 基于路由表的路由选择算法 7. 2 难点提要 7.2.1 网络接口卡 网络接口卡(NIC) 的基本功能是与网络程序(网络操作系统) 配合操作, 控制网络上信息的发送与接收。 1. 以太网卡的结构 以太网卡由发送和接收部件、 发送和接收控制部件、 载波检测部件、 曼彻斯特编码/译码器、 LAN 管理部件、 微处理器(目前大多数网卡上没有) 几部分组成。 如图 7-1 所示。 图 7-1 以太网卡的结构 2. 网卡的网络地址 Mac地址就是在媒体接入层上使用的地址, 通俗的说就是网卡的物理地址, 现在的Mac地址一般都采用 6 字节 48bit(在早期还有 2 字节 1 6bit的Mac地址)。 前 24 位由是生产厂家向IEEE申请的厂商地址, 后 24 位就由生产厂家自行确定。 在以太网中含有多个网站, 每个都有一个 6 字节 48 位的地址, 这是任一站区别于其它 站的唯一标识, 这种地址是所有网络设备的物理地址, 无论是网卡、 交换机、 路由器都具有唯一的物理地址。 Mac 地址与 IP 地址的联系和区别: 在网络中, 每个网络用户都会分配一个固定的 IP地址, 由管理中心统一管理。 局域网中 Mac 地址与 IP 地址具有一一对应的关系, 但 Mac地址和 IP 地址是有区别的, IP 地址是根据现在的 IPv4 标准指定的, 不受硬件限制, 比较容易记忆的地址, 而 Mac 地址却是用网卡的物理地址, 多少与硬件有关系, 比较难于记忆。 Mac 地址与 IP 地址的例子: MAC Address: 00-04-61 -47-9F-A0 IP Address: 202.1 97.89.68 3. 网卡的配置参数 ISA 网卡可以通过软件设置 I/O 地址, 中断号, 全双工, 远程启动等参数。 如果你的计算机支持即插即用, 可以将即插即用设置为 ENABLE, I/O 地址和中断号就不用设置, 而由计算机自动分配。 如果你的计算机不支持即插即用, 你必须将即插即用设置为 DISABLE,然后在设置正确的 I/O 地址和中断号。 PCI 网卡是即插即用的, 不能通过软件来设置中断号, 只能通过计算机 BIOS 进行设置。 网卡的配置参数包括三个内容:  中断请求的缺省值: IRQ3  I/O 地址的缺省值: 300H  存储器基地址(网卡的远程引导 ROM 芯片映射到存储区的起点) 4. 提高网卡传输性能的措施 (1) 并行处理技术。 并行处理可以保证在一个封包传送到以后即进行处理, 接收与处理的操作并行, 减少了网卡在接收和处理操作间的等待时间。 (2) 全双工传输。 指网卡在网线上的传输是双向的, 在接收数据的同时还可以发送数据。 全双工传输只适用于采用双绞线和光纤介质的网卡。 (3) 突发传输方式。 将传输过程由发送站每发送一个数据帧, 就等待对方发回一个响应帧, 如果确定收到后再发下一个数据帧改为每发多个数据帧再有一个响应帧, 这样可以大大减少响应帧的数量, 从而提高网络的有效带宽。 (4) 智能型网卡。 使用带有 CPU 的智能网卡, 利用网卡上的 CPU 处理部分数据传输工作, 从而减轻主机上 CPU 的负担, 提高网络性能。 5. 网卡总线类型 网卡需要安装在计算机上, 必须考虑计算机的总线结构。 台式计算机的总线结构有 ISA、PCI, 笔记本计算机的总线方式有 PCMCIA、 CARDBUS。 ISA 总线的宽度为 16 位, 工作频率为 8M, 理论总线带宽为 5.33MB/S。 PCI 总线带宽为 32 位, 工作频率为 16-33M, 理论总线带宽为 132MB/S。 PCMCIA 总线宽度为 16 位, 工作频率为 8M, 理论总线带宽为 5.33MB/S。 CARDBUS 总线带宽为 32 位, 工作频率为 33M, 理论总线带宽为 132MB/S。 ISA、 PCMCIA 网卡适用于 10M 网络; PCI、 CARDBUS 网卡适用于 100M 网络。 6. 接口类型 网卡的接口方式决定了所使用的物理介质。 常见的接口类型有: AUI: 10BASE-5 粗缆接口 BNC: 10BASE-2 细缆接口 RJ-45: 10BASE-T, 100BASE-TX 双绞线接口 SC: 10BASE-FL, 100BASE-FX 光纤接口 7. 网卡的网络驱动程序 在安装好网卡硬件后, 还需要安装正确的驱动程序。 不同的操作系统使用不同的驱动程序。 对服务器网卡来说, 应该提供的驱动程序有: NetWare3.X 和 4.X、 SCO UNIX、 IBM LAN Server 及 Windows NT 等操作系统使用的网卡驱动程序; 对客户机网卡来说, 应该包括 NDIS(Windows 95,Windows NT)、 ODI(Netware 4.x,Netware 3.x)、 Packet Driver 等网卡驱动程序。 7.2.2 网络集线器 网络集线器(HUB) 实质上是一个多口的中继器, 它工作在 OSI 参考模型的最低层物理层。 基于普通集线器的网络仍然属于共享介质的局域网络。 集线器上一般有多个 RJ-45 插座可连接双绞线, 还有一个 AUI 粗缆接口和一个 BNC 细缆接口。通过 Uplink 接口可将 HUB连到上一级网络上。 按集线器端口连接介质的不同, 集线器可分为双绞线集线器和光纤集线器。 按集线器结构的不同, 有三种形式的集线器: 独立型集线器是带有许多接线端口的单个盒式的产品。 堆叠式集线器是通过一条高速链路将多个 HUB 串接在一起, 提供大量的并列端口, 以星型拓扑连接多个站点, 其缺点是全网共享有限的带宽。 模块化集线器的各个端口都有专用的带宽, 只在各个网段内共享带宽, 网段之间采用交换技术, 从而减少冲突, 提高通信效率, 因此又称为端口交换机。 7.2.3 以太网交换机 1. 传统网络的问题 传统的以太网采用的是共享介质技术, 因此就决定了其存在以下问题:  由于以太网是基于载波侦听碰撞检测(CSMA/CD) 的网络, 随着网络中设备的增加, 信息传送过程中发生碰撞的频率就会越来越高, 其性能会逐渐下降, 当网络设备达到一定数量时, 网络甚至会完全瘫痪。  CSMA/CD 的介质访问方法使网络的部分带宽被传输碰撞和发送重试所占用, 延迟变得不可预测。 当网络设备增加时, 介质的有效利用率会很低。 2. 交换技术 交换技术采用交换机作为以太网的中央连接设备。以太网交换机实质上是一个具有流量控制能力的多口的网桥, 它工作在 OSI 参考模型的链路层。 交换机还是一种存储转发设备,通过直通方式、 无碎片直通方式、 存储转发方式来发送信息。 直通方式(Cut-Through) 的优点: 转发速度非常快, 比存储转发方式快得多; 延时一致性好, 无论是长帧还是短帧都具有相同的传输延时。 直通方式的缺点: 在转发信息帧时不进行错误检验, 这样当某些帧已被破坏或有错误时, 仍然会无条件地把这些错误帧转发出去。因此在出错率较高的网络上, 不适合采用直通工作方式。 另外, 直通方式也不能对不同速率的端口进行转发。 无碎片直通方式的优点: 拥有直通方式快速的优点, 另外, 在交换机转发数据前, 不仅接收 MAC 地址, 还必须满足收到帧的前 64 个字节以判断该帧是否满足最小帧长度的要求,这样就将碎片帧过滤掉, 在不增加延迟时间的前提下降低了错误帧的转发的概率。 存储转发方式的优点: 在转发前, 对整个信息帧进行错误校验, 保护了转发帧的正确性,另外, 还允许定义一些过滤算法来控制通过该交换机的通信流量, 并允许有不同速率的端口之间进行转发操作。 存储转发方式的缺点: 传输延迟较大, 并随转发帧的长短而有所不同;由缓冲存储器的大小限制, 在负载较重时, 会造成数据帧的丢失。 目前已有交换机采用了直通方式和存储转发方式自动切换的方法, 吸取了各自的优点。 3. 交换机的功能和优点 交换机的主要功能是解决共享介质网络的网段微化, 即碰撞域的分割问题。 它可以对处在同一碰撞域中的局域网进行网段分割(微化), 将其分解成若干个独立的更小的碰撞域。这样为网络提供了更高的集合带宽, 提高了网络的整体性能。 冲突域是一个确保严格遵守 CSMA/CD 协议而不能超越的时间概念, 这个时间由信号传输过程中各种设备的传输延迟所组成: (DTE 延迟+MAC 延迟+中继器延迟+电缆延迟)。 交换机的主要优点在于提高了 每个工作站的平均占有带宽并提供了 网络整体的集合带宽, 具有高通信流量、 低延时和低价格。 4. 交换机应用中的几个问题 (1) 主干连接问题。 要根据实际情况选用固定的或模块形式的主干连接接口, 高速主干连接可缓解主干连接端口的瓶颈问题。 (2) 服务器连接。 应为服务器提供高速的专用连接端口, 使服务器与交换机之间的连接速率高于工作站与交换机之间的连接速率。 (3) 自动协商。 采用 10/100M 自适应的交换机, 可使网络的带宽配置具有更大的灵活性。 (4) 虚拟网络(VLAN)。 通过网管软件, 交换可以把几个物理网段上的任意几台工作站划入一个“虚网”, 每个虚拟网络中的广播信息只传给虚网内的每台工作站, 从而极大地减少了网络通信量, 保证有效带宽和网络的高性能。 7.2.4 网络互联设备 表 7-1 网络互联设备的作用 OSI 层次 互联设备 作 用 寻址功能 物理层 中继器、 集线器 在电缆段间复制比特, 放大电信号, 扩展网络长度。 无地址 数据链路层 网桥、 交换机 在 LAN 之间对存储转发数据链路帧。 MAC 地址 网络层 路由器 在异型网络间存储转发分组。 网络地址 传输层及以上 网关 在第四层或第四层以上实现不同网络体系间互联接口。 - 图 7-2 网络互联设备的层次关系 1. 中继器 中继器是最简单的网络互联设备, 主要完成物理层的功能, 负责在两个节点的物理层上按位传递信息, 完成信号的复制、 调整和放大功能, 以此来延长网络的长度。 集线器(Hub) 是中继器的一种形式, 区别在于集线器能够提供多端口服务, 也称为多口中继器。 集线器在 OSI/ RM 中同样是完成物理层的功能。 局域网集线器通常分为以下五种: 单中继网段集线器。 在硬件平台中, 第一类集线器是一种简单中继 LAN 网段, 最好的例子是叠加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件(MAU)。 多网段集线器。 多网段集线器是从第一类集线器直接派生而来的, 采用集线器背板, 这种集线器带有多个中继网段。 端口交换式集线器。端口交换式集线器是在多网段集线器基础上将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化, 并通过增加端口交换矩阵(PSM) 来实现的。 网络互联集线器。 端口交换式集线器注重端口交换, 而网络互联集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。 交换式集线器。 目前, 集线器和交换机之间的界限已变得模糊。 交换式集线器有一个核心交换式背板, 采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。 2. 网桥 网桥(Bridge) 也称桥接器, 是连接两个局域网的存储转发设备, 用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。 一般情况下, 被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程(LLC), 但媒体访问控制协议(MAC) 可以不同。 网桥是数据链路层的连接设备, 准确他说它工作在 MAC 子层上。 网桥在两个局域网的数据链路层(DDL) 间接帧传送信息, 把两个物理网络连接成一个逻辑网络。 网桥的功能是实现不同类型的 LAN 互联、 利用网桥可以实现大范围局域网的互联、 利用网桥可以隔离错误帧、 网桥可使各个 LAN 段内部信息包不会广播到另一个 LAN 段, 可进一步提高网络的安全性。 网络可分为内桥、 外桥、 远程桥三种类型: 内桥(内部桥) 驻留于文件服务器中作为文件服务器的一部分来运行。 也可以运行在一台专用的计算机中。 它是通过文件服务器或专用计算机中的不同网卡连接起来的局域网。 外桥(外部桥) 不同于内桥, 外桥安装在工作站上, 它实现连接两个相似的局域网络。