第5章 计算机网络设备

在第4章中已经介绍了在计算机网络中传输数据的实际承载者——传输介质。那么在计算机网络中是如何利用传输介质来完成计算机网络功能的呢？为了实现互相通信的功能，就必须用到各种各样的网络设备，网络设备按照其主要用途可以分为三大类：一类是接入设备，用于计算机与计算机网络进行连接的设备，常见的有网络接口卡、调制解调器等；另一类是网络互联设备，用于实现网络之间的互联，主要设备有中继器、路由器、以太网交换机等；最后一类为网络服务设备，用于提供远程网络服务的设备，例如拨号访问服务器、网络打印机等。本章介绍这些在整个网络中发挥重要作用的设备。

5.1  网卡

由于考虑到连接网络的灵活性，计算机本身并不具备连接网络的接口，而用一种称为网络适配卡（又称网络接口卡 Network Interface Card，NIC，简称网卡）的设备充当计算机与网络的接口，它根据网络协议的不同而不完全相同，所以在选择网卡的时候应根据计算机网络的实际情况来考虑。

5.1.1  网卡的功能

台式计算机使用的网卡一般插在扩展槽上，笔记本电脑使用的网卡一般插在PCMCIA槽上，网卡提供了计算机和网络缆线之间的物理接口，具有以下功能：

1．实现局域网中传输介质的物理连接和电气连接

网卡都带有相应连接介质的连接插口，网络中的计算机就是通过网卡插口的连接介质连入网络的。

2.代表着一个固定的地址

以太网卡拥有一个全球唯一的网卡地址，它是一个长度为48位的二进制数，它为计算机提供了一个有效的地址。

3.执行网络控制命令

网卡对传送的电信号进行电平匹配，传输的电信号由网卡接收后要转换成计算机所要求的逻辑电平，而网卡发送时，则要转换成传输规定在传输介质中传送的信号电平，用光缆连接的网卡，还要进行光电转换和电光转换，以接收光纤传输的信号和发送光信号。

计算机联网后执行的各种网络控制命令，都是通过网卡接收和执行的，网卡接收控制命令后，便执行相应的网络操作。

4.实现OSI模型中的数据链路层的功能

网卡实现 OSI开放系统7层模型中的数据链路层的功能，主要是对传输介质内信息传送方向的控制，即信息是进行发送还是接收，若发送，便将信息打成数据包发送，若接收，则取下传送的数据包。传送时，由于从计算机进入网卡的数据是并行的（通过相应计算机内插槽的数据总线进入网卡），因而由网卡再将并行数据变成串行数据后送入传输介质，并以二进制流形式进行发送，当网卡从传输介质得到串行数据时，再将串行二进位流变成并行数据送入计算机。在网卡进行发送和接收的过程中，还要进行传输错误检测。

5.对传送和接收的数据进行缓存

围卡上带有缓存功能，可在高速主机并行发送和接收与传输介质中低速串行传送间起缓冲作用，当接收慢速的串行数据到网卡缓冲区并装满时，再由计算机并行取走：发送时，由计算机将数据并行送入缓冲区，当装满后，再串行发送出去。

6.按照OSI协议物理层传输的接口标准，实现规定的接口功能

网卡随网络结构不同而不同，如有以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡、FDDI网卡等。组建什么类型的网络，就用什么类型的网卡，在单一结构的网络中不能混用。

5.1.2  网卡的工作原理

在网卡上有一定数目的缓存，当网上传来的数据到达本工作站时，首先被暂时存放在网卡的缓存中。而CPU并不知道网卡何时从网络上收到待处理的数据，因此网卡与CPU之间必须有一种有效的联系方法，使得CPU能够知道网卡上当前有无数据需处理。一种方法是CPU周期性地不断查询网卡，这种方法的缺点是：如果周期时间过长，大量数据被存放在网卡缓存得不到及时处理，有可能造成部分数据的丢失，同时对网卡缓存容量要求较高；如果周期时间过短，又会大大浪费CPU的处理能力，降低CPU的实际工作效率。另一种沟通网卡与CPU的方法是由网卡来通知CPU在某个时候来处理新来的数据，这也是目前较流行的一种方法，网卡的这种工作方式被称为中断请求。CPU接收到网卡的申请后，会通知主板上的直接存储器访问芯片（DMA），将数据送人内存中，而CPU一旦空闲便会处理网卡上的数据。

5.1.3  网卡的类型

1.按总线的类型分类

网卡按总线类型可分为ISA 总线型网卡、PCI总线型网卡、PCMCIA总线型网卡、USB 网络适配器。其中ISA 总线型的网卡现在的计算机主板不再支持。

（1）PCI总线型网卡。

在服务器和台式计算机中的网卡一般都采用PCI总线结构。常用的32位33MHz下的PCI总线数据传输速率可达到132Mbps，而在一些服务器中采用的64位66MHz的PCI总线最大数据传输速率可达257Mbps，更好地适应了计算机高速CPU对数据处理的需求和多媒体应用的需求。PCI总线型网卡如图5-1所示。

（2）PCMCIA总线型网卡。

PCMCIA 总线是笔记本电脑（便携式计算机）使用的总线，PCMCIA总线型网卡是专门用于笔记本电脑的一种网卡，如扑克牌般大小，如图5-2所示。

（3）USB网络适配器。

USB是一种新型的总线技术，由于其传输速率远远大于传统的并行口和串行口，设备安装简单又支持热插拔，已被广泛用于多种设备，网络适配器也已使用USB技术。USB 网络适配器其实是一种外置式网卡，连接在计算机的USB接口上，如图5-3所示。

2.按网络类型分类

网卡按网络类型可分为以太网卡、令牌环网卡和ATM 网卡等。

3.按网卡的连接头分类

网卡的连接头是为了连接不同的线缆而设计的，它分为以下几类。

（1）BNC连接头：提供的网络接口适用于连接细同轴电缆的连接头。

（2）RJ-45连接头：提供的网络接口适用于连接非屏蔽双绞线（UTP）的连接头。

（3）AUI连接头： 提供的网络接口适用于连接粗同轴电缆的连接头，它一般用于一些专有设备。

（4）无线网卡：通过无线电传输网络信号，需要专用的无线集线器设备支持。

（5）光纤网卡：提供的网络接口适用于连接光纤的连接头，一般仅用于服务器和网络的中心交换机之间的连接。

早期产品中还有同时具有BNC连接头和 BJ-45连接头的，目前已经很少见到了。

4.按传输速率分类

网卡按其传输速率（即其支持的带宽）分为10 Mbps 网卡、100 Mbps网卡、1000 Mbps 网卡以及10/100 Mbps自适应网卡、10/100/1000 Mbps自适应网卡。目前常用的是10/100 Mbps自适应网卡，1000Mbps网卡虽然价格逐渐降低，但与其配套的交换机等其他设备仍很昂贵，所以目前使用较少。

5.1.4  网卡的选择

在组建局域网时常常把注意力集中在一些价格昂贵的网络连接设备中，而对网卡、网线等低价产品可能重视不够。而网卡作为网络的重要设备之一，其性能的好坏直接影响到计算机之间数据传输能力的高低，甚至影响到计算机的稳定性和网络的稳定性，所以应特别关注网卡的选择。

（1）选择性价比高的网卡。

对网卡来说，由于它属于技术含量较低的产品，名牌网卡和普通网卡在性能上一般不会相差太多，一般可选择性价比较高的产品，例如一些国产品牌的产品，不一定非要用Intel 等名牌产品。

（2）根据组网类型选择网卡。

在选网卡之前应明确需要组建的局域网是通过什么介质来连接的、数据传输的容量和要求等因素。根据传输介质的不同，网卡可分为双绞线网卡（BJ-45接口）、细缆网卡（BNC接口）、粗缆网卡（AUI接口）。有的网卡虽然有上述3种接口，但并不意味着可同时进行上述3种连接，而是只能选择其中一种。现在大多数局域网都是使用双绞线和 RJ-45 接口的网卡组网。此外还要考虑局域网对数据传输的速度要求，无特别要求时可选择10/100 Mbps 自适应网卡。

（3）根据工作站选择合适总线类型的网卡。

由于网卡要插在计算机的扩展槽中，这就要求所购买的网卡总线类型必须与所使用的计算机的总线相符。总线的性能直接决定从服务器内存和硬盘向网卡传递信息的效率。

（4）根据使用环境选择网卡。

为了能使选择的网卡与计算机协同高效地工作，必须根据使用环境来选择合适的网卡。例如，不应为一台普通的工作站选择价格昂贵、功能强大、速度快捷的网卡，也不应为一台服务器安装性能普通、传输速度低的网卡。为减少服务器上主CPU占有率，应为服务器选择带有自动功能处理器的网卡。还应考虑在服务器中增插几块网卡以提高系统的可靠性，实现高级容错、带宽汇集等功能。此外，如果要在笔记本电脑中安装网卡，最好选择与计算机品牌一致的专用网卡。

（5）根据特殊要求选择网卡。

不同服务器实现的功能和要求也是不一样的，应该根据实现的功能和要求来选择网卡。例如，要组建的局域网如果要实现远程控制功能，就应选择带有远程唤醒功能的网卡，这样只要在安装了一定软件（如Magic Packet Utility）的计算机上运行启动命令就可启动指定的远程计算机。

如果网卡用于笔记本电脑，还应注意选择带有低功能的网卡，以节省笔记本电脑申池的电量。

目前在台式计算机中，网卡一般都集成在主板上，其性能足以满足一般的网络需求。

5.1.5  网卡的安装

在计算机上安装网卡的步骤如下：

（1）关闭计算机，切断电源，将计算机后方的各种插头和连线拆除，如果不熟悉这些线路的安装，应记下每条线路的安装位置与方式。

（2）将主机外壳的螺钉卸下，再将外壳拆下。

（3）确认网卡的总线接口。目前大部分网卡为PCI总线。

（4）在主板上找到相应的空闲插槽。

（5）在机壳后方对应插槽位置上将阻隔的挡板拆除。

（6）将网卡插入相应的空闲插槽中，并稍微摇晃，确保网卡与插槽接触良好。

在主板上安插网卡时，一般采用先插后半部，再压下前半部的方法；如要将网卡从主板上取下来，则操作与插网卡正好相反，即一般采用先取前半部，再取后半部的方法。

（7）旋紧螺钉，固定机壳与网卡的连接，如图5-4所示。

（8）将机壳安装好，并接好拆下的插头和连线。

安装网卡以后，一般还必须安装网卡的驱动程序才能正常工作。

5.2  集线器

5.2.1  集线器的功能

集线器（Hub）是一种连接多个用户节点的设备，每个经集线器连接的节点都需要一条专用电缆，典型的集线器如图5-5所示。集线器内部采用电气互连的结构，从某种意义上可以将集线器看作是多端口中继器。集线器工作处于OSI模型中的物理层。

在共享式以太网连接中，最简单的连接方式就是采用同轴电缆（常用的是细缆）的连接方式。在这种连接方式中，每台计算机安装一块带有BNC接口的网卡，在BNC口上通过T形连接头（简称T形头）分别连接两根细缆的一端，就像在通过一段段电线把一个个电灯泡连接起来一样，通过细缆把计算机连接在网络上。细缆网络最大的弊病就是T形头容易接触不良，并且引起全网瘫痪，就好比一段电线接触不良则所有的灯泡都不亮。而集线器相当于把整个细缆和T形头装到一个机箱里（当然，要通过许多电路实现稳定性和信号处理），然后把T形头中连接计算机的部分通过双绞线延长，最长可达100m。集线器作为网络传输介质间的中心节点，它克服了介质线路单一的缺陷，当网络系统中的某条线路或节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作。

细缆网和集线器一样，都是单一网段的共享介质以太网，其数据传输控制方式都是采用CSMA/CD方式，也就是说，集线器上所有的端口共享同一个带宽，在任何时候集线器上所有端口出现的电信号都是相同的，就好像接在一段电线上的多个电话机，某一时刻能通话的只能有一个。

连接到集线器的节点发送信号时，首先通过与集线器相连接的电缆将信号送到集线器，集线器将这个信号进行放大、重新定时，然后发送到所有节点；最后，信号到达目标节点，目标节点将发给它的信号收下。集线器连接网络如图5-6所示。

5.2.2  集线器的分类

集线器发展迅速，分类方法有多种：

1.按端口数量分类

集线器按端口数量可分为5口、8口、12口、16口、24口、48口等，最常用的是24口集线器。

2.按带宽分类

根据带宽的不同，集线器可分为10 Mbps、100 Mbps、10/100 Mbps自适应、1000 Mbps 和100/1 000 Mbps自适应集线器等。自适应集线器又称“双速”集线器，其中内置了两条总线，分别工作在两种速率下。

（1）10 Mbps集线器：10 Mbps集线器的各个端口共享10 Mbps带宽，只支持10 Mbps网卡或10/100 Mbps 自适应网卡。

（2）100 Mbps 集线器：100 Mbps 集线器的各个端口共享 100 Mbps 带宽，只支持100 Mbps网卡或10/100 Mbps 自适应网卡。

（3）10/100 Mbps自适应集线器：这种集线器具有内置的10/100 Mbps交换功能，每一个RJ-45端口均支持10/100 Mbps自动检测，能将网络的10 Mbps和100 Mbps网段连接，从而实现以太网和快速以太网用户互相通信。不需要进行任何软件设置，也不需要重新对集线器连线即可平滑地从以太网迁移到快速以太网。

（4）1000 Mbps 集线器：1000 Mbps 集线器的各个端口共享1000 Mbps带宽，只支持1 000 Mbps 网卡或100/1 000 Mbps 自适应网卡。

3.按可管理性分类

按可管理性的不同，集线器可分为不可网管集线器（俗称哑集线器）和可网管集线器（也称智能集线器）。不可网管集线器只起信号放大和再生作用，无法对网络进行性能优化，而可网管集线器带有一个管理模块，支持SNMP网络管理协议，可以向网络管理软件报告集线器运行状态，也可以接受网络管理软件的指令，打开或关闭某些端口，或自动屏蔽有故障的端口。

目前大部分集线器为可网管集线器。

4.按扩展能力分类

按照扩展能力，集线器可分为独立集线器、堆叠式集线器等。

（1）独立集线器。

独立集线器本身没有进一步扩展的能力，它只能通过级联（两台集线器各拿出一个端口通过级联线连接）的方式扩展端口数量，级联还可以拓展网络距离。这种集线器一般用于连接工作组计算机，向上连接到网络交换机。独立集线器具有价格低、网络管理方便、容易查找故障等优点，主要用于构建小型局域网。

（2）堆叠式集线器。

堆叠式集线器带有堆叠接口，通过专用电缆可以将两个以上的集线器堆叠成为一个逻辑的集线器来使用和管理，目的是增加端口。

堆叠式集线器与级联式集线器的不同在于： 堆叠式集线器不占用自身的端口，是两台集线器背板的直接连接，而级联式集线器占用自身的端口，效率上级联式集线器低于堆叠式集线器。

5.2.3  集线器的选择

选择集线器一般要考虑以下几个方面。

（1）速率：主要应考虑上传设备的数据传输速率。例如，如果上传设备的数据传输速率为100 Mbps，则最好选择100 Mbps集线器。

（2）端口数：根据网络中的计算机数量进行选择。

（3）可扩展性：如果需要连接的计算机数量较多，或者希望将来能够进行网络扩展，则在选择集线器时应考虑它是否支持堆叠或级联。

（4）是否内置交换模块：如果集线器中内置了交换模块，则可用作小型局域网的主干设备，而没有内置交换模块的集线器一般处于局域网的边缘。

（5）是否提供网管功能：部分集线器可通过增加网管模块实现对自身的简单管理。需要注意不同厂商的模块不能混用，甚至同一厂商的不同产品的模块也不同。

（6）外形尺寸：如果系统比较简单，没有楼宇级别的综合布线，局域网内的用户比较少，可不考虑集线器的外形尺寸，但如果已经完成了综合布线并购置了机柜，则需要选择尺寸符合机架标准的集线器。

5.3  交换机

5.3.1  网桥的作用与交换机的出现

网桥（Bridge）也称为桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，通过它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。网桥是数据链路层的连接设备，是为各种局域网存储转发数据而设计的，它对节点用户是透明的，节点在其报文通过网桥时，并不知道网桥的存在。相对于集线器而言，网桥是比较复杂的网络设备，两个网段分别连接到网桥的两个端口时，各网段中，只有标明了发送给另一个网段的信号，才会通过网桥。后来，出现了多口网桥（例如20世纪90年代初采用较多的美国Starbridge8口智能网桥产品），每一个端口可以连接一个网段。如果把集线器比喻成一根电线上串起来的多个电话机——同一时刻只能有一个话机说话；多口网桥就好像把多部话机连接到电信局——任何两部话机只要对方有空，就能够通信。因此，以10 Mbps设备为例，集线器是共享10 Mbps带宽，而多口网桥的每一个端口都独享10 Mbps带宽。

多口网桥虽然很好，但由于网桥技术比较复杂，多口网桥造价很高。1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换技术的热潮，网桥很快便失去了市场竞争力。其实，交换技术是在各端口之间实现的简化的、低成本的桥接技术。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以大网和ATM技术的交换产品。交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发，而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与多口网桥不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。

类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必进行高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点扩充、移动和网络变化时的操作。

5.3.2  三种交换技术

1.端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器一般机箱较大，机箱内有一个主处理板（即背板），机箱前面有若干插槽，每个插槽可以插入不同类型和数量端口的模块。背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域）。不用网桥或路由器连接，网络之间是互不相通的。模块插入后通常被分配到某个背板的网段上。端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。

2.帧交换

帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输介质进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲，每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：

（1）直通交换：对于每一个要发送的帧，交换机只读出前14B（目的地址），便将网络帧传送到相应的端口上。

（2）存储转发：首先完整地接收发送帧，并先进行差错检测，如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，再转发出去。

前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。

3.信元交换

ATM采用对网络帧进行分解，将帧分解成固定长度53B的信元，由于长度固定，因而便于用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能，如优先级控制。ATM采用专用的非差别连接、并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还允许在源节点和目标节点之间建立多个虚拟连接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM的带宽可以达到25Mbps、155Mbps、622Mbps甚至数Gbps的传输能力。

5.3.3  局域网交换机的种类

1.按传输介质和传输速率划分

按照传输介质和传输速率，交换机可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、万兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等多种。

2.按应用领域划分

交换机按照应用领域，可分为工作组交换机、部门级交换机和企业级交换机。

（1）工作组交换机：最常见的一种交换机，主要用于办公室、小型机房、多媒体制作中心、网站管理中心和业务收集较为集中的业务部门等。在传输速率上，工作组交换机大多提供多个具有10/100 Mbps 自适应能力的端口。

（2）部门级交换机：常用来作为扩充设备，在工作组交换机不能满足需求时可直接考虑用部门级交换机。虽然部门级交换机只有较少的端口，但却支持较多的MAC地址，并具有良好的扩充能力，端口的传输速率基本上为100 Mbps。

（3）企业级交换机：仅用于大型网络，且一般作为网络的骨干交换机。企业级交换机通常具有快速数据交换能力和全双工能力，可提供容错等智能特性，还支持链路汇聚及第三层交换中的虚拟局域网（VLAN）等功能。

5.3.4  局域网交换机的选择

局域网交换机是组成网络系统的核心设备。作为局域网的主要连接设备，以太网交换机成为应用普及最快的网络设备之一。随着交换技术的不断发展，交换机的价格急剧下降。集线器和网桥等设备都逐渐被交换机代替。

对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等。在选择交换机时要注意以下事项：

（1）外形尺寸。

如果网络较大，或已完成楼宇级的综合布线，要求网络设备在机架上集中管理，则应选择机架式交换机；否则可选择固定配置式交换机，它具有更高的性价比。

（2）可管理性。

对局域网交换机来说，特别是一些大型交换机，在运行和管理方面所付出的代价远远超过购买费用。基于这方面考虑，交换机的可管理性（流量管理、带宽分配以及配置和操作的难易程度）成为选择交换机的一个重要因素。

（3）端口带宽及类型。

选择交换机的类型，首先根据组网带宽需要决定，再从交换机端口带宽设计方面考虑。从端口带宽的配置看，目前主要有以下3类：

①n×10 Mbps+m×100 Mbps低速端口专用型。这种配置的交换机严格限制了网络的升级，无法实现高端多媒体网络，国内外厂商已基本停止生产。

②n×10 Mbps/100 Mbps端口自适应型。这种交换机是目前市场上的主流产品，它有自动协商功能，能够检测出其下传设备的带宽是10 Mbps还是100 Mbps，是全双工还是半双工。

③n×1 000 Mbps+m×100 Mbps高速端口专用型。这种交换机是当前高速网络和光纤网络接入方案中的重要设备，可解决网络服务器之间的瓶颈问题，但价格远远高于前两种产品。

此外，还要考虑系统的扩展能力、主干线连接手段、交换机总交换能力、路由选择能力、热切换能力、容错能力、与现有设备兼容等。

5.3.5  交换机应用中几个值得注意的问题

1.交换机网络中的瓶问题

交换机本身的处理速度可以达到很高，用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解，连接入网的工作站或服务器使用的网络是以太网，它遵循CSMA/CD介质访问规则。在当前的客户/服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口，方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。

2.网络中的广播帧

目前广泛使用的网络操作系统有Windows Server 2008等，而网络服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率，这时可以利用交换机的虚拟网功能（并非每种交换机都支持虚拟网）将广播包限制在一定范围内。

每台交换机的端口都支持一定数目的 MAC 地址，这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况，不同交换机的端口支持MAC数也不一样，用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过交换机规定的MAC数，交换机接收到一个网络帧时，只要其目的站的MAC地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中，那么该帧会以广播方式发向交换机的其他端口。

3.虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网是交换机的重要功能。虚拟局域网是在交换式局域网的基础上，结合网络软件建立起的一个可跨接不同物理局域网、不同类型网段的各站点的逻辑局域网，也称为虚拟工作组。虚拟局域网在逻辑上等价于广播域，更具体地说，可以将虚拟局域网类比成一组最终用户的集合，这些用户可以处在不同的物理局域网上，但它们之间可以像在同一个局域网上那样通信而不受物理位置的限制。在这里，网络的定义和划分与物理位置和物理连接是没有任何必然联系的。一个虚拟工作组可以跨越不同的交换平台或智能集线器，一个工作站也可以属于不同的虚拟局域网。网络管理员可以根据不同的需要，通过相应的网络软件灵活地建立和配置虚拟局域网，并为每个虚拟局域网分配它所需要的带宽。虚拟局域网简化了网络的管理，整个虚拟局域网的建立、修改、删除非常方便，并且由于只有位于同一虚拟子网中的用户可以互相通信，可以比较有效地避免"广播风暴"。

通常虚拟局域网的实现形式有两种：

（1）静态端口分配。

静态虚拟局域网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟局域网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。

（2）动态虚拟局域网。

支持动态虚拟局域网的端口，可以借助智能管理软件自动确定它们的从属关系。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟局域网的从属关系。当一个网络节点刚连接人网时，交换机端口还未分配，于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟局域网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟局域网的从属性，而且如果网络中出现未定义的 MAC 地址，则可以向网管人员报警。

当相同的虚拟局域网分布在不同交换机上时，如果要实现虚拟局域网内部的通信，需要在交换机之间设置专用接口，会造成交换机端口的浪费。而虚拟局域网中继（Trunk）支持一个交换机端口可以同时访问多个虚拟局域网，可以在实现跨交换机虚拟局域网间通信的同时节省交换机的物理端口。但这样会降低跨交换机虚拟局域网内的通信带宽并可能出现安全上的隐患。

5.3.6  三层交换机

1.三层交换机的工作原理

三层交换是相对于传统的交换概念而提出的。传统的交换技术是在 OSI网络参考模型中的第二层（即数据链路层）进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层（网络层）实现了数据包的高速转发，如图5-7所示。可以简单地将三层交换机理解为由一台路由器和一台二层交换机构成。

两台处于不同子网的主机通信，必须要通过路由器进行路由。在图5-8中，主机A向主机B发送的第1个数据包必须要经过三层交换机中的路由器进行路由才能到达主机B，但是此后的数据包再发向主机B时，就不必再经过路由器处理了，因为三层交换机有"记忆"路由的功能。

三层交换机的路由记忆功能是由路由缓存来实现的。当一个数据包发往三层交换机时，三层交换机首先在它的缓存列表里进行检查，查看路由缓存里有没有记录，如果有记录就直接调取缓存的记录进行路由，而不再经过路由器处理，这样的数据包的路由速度就大大提高了。如果三层交换机在路由缓存中没有发现记录，再将数据包发往路由器进行处理，处理之后再转发数据包。

具有“路由器的功能、交换机的性能”的三层交换机虽然同时具有二层交换和路由的特性，但是三层交换机与路由器在结构和性能上存在很大区别。在结构上，三层交换机更接近于二层交换机，只是针对三层路由进行了专门设计，所以称为"三层交换机"而不是“交换路由器”。在交换性能上，路由器比三层交换机的交换性能要弱很多。

2.三层交换机的用途

（1）用于骨干网络。

核心骨干网要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。

如果采用传统的路由器，虽然可以隔离广播，但是性能又得不到保障。而三层交换机的性能非常高，既有三层路由的功能，又具有二层交换的网络速度。二层交换是基于MAC寻址，三层交换则是转发基于第三层地址的业务流；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由二层交换处理，提高了数据包转发的效率。

三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，其优化的路由软件使得路由过程效率提高，解决了传统路由器软件路由的速度问题。

（2）用于连接子网。

同一网络上的计算机如果超过一定数量（通常在200台左右，视通信协议而定），就很可能会因为网络上大量的广播而导致网络传输效率低下。为了避免在大型交换机上进行广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟局域网（VLAN）。但是这样做将导致一个问题：VLAN之间的通信必须通过路由器来实现。但是传统路由器难以胜任VLAN之间的通信任务，因为相对于局域网的网络流量来说，传统的路由器的路由能力太弱，而千兆级路由器的价格也是难以接受的。如果使用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN，就在保持性能的前提下，经济地解决了子网划分之后子网之间必须依赖路由器进行通信的问题，因此三层交换机是连接子网的理想设备。

3.三层交换机的优点

除了优越的性能之外，三层交换机还具有一些传统的二层交换机没有的特性，这些特性可以给局域网的建设带来如下好处。

（1）高可扩充性。

三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，从而保护了用户对局域网的投资。

（2）内置安全机制。

三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通信。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址。

访问列表不仅可以用于禁止内部用户访问某些站点，也可以用于防止局域网外部的非法用户访问局域网内部的网络资源，从而提高网络的安全。

（3）适合多媒体传输。

局域网经常需要传输多媒体信息。三层交换机具有QoS（服务质量）的控制功能，可以给不同的应用程序分配不同的带宽。

例如，在局域网中传输视频流时，就可以专门为视频流传输预留一定量的专用带宽，相当于在网络中开辟了专用通道，其他的应用程序不能占用这些预留的带宽，因此能够保证视频流传输的稳定性，而普通的二层交换机就没有这种特性。

另外，视频点播（VOD）也是局域网中经常使用的业务。但是由于有些视频点播系统使用广播来传输，而广播包是不能跨网段的，这样VOD就不能实现跨网段进行；如果采用单播形式实现VOD，虽然可以实现跨网段，但是支持的同时连接数就非常少，一般几十个连接就占用了全部带宽。而三层交换机具有组播功能，VOD的数据包以组播的形式发向各个子网，既实现了跨网段传输，又保证了VOD的性能。

（4）计费功能。

在局域网中很可能有计费的需求，因为三层交换机可以识别数据包中的IP地址信息，因此可以统计网络中计算机的数据流量，可以按流量计费，也可以统计计算机连接在网络上的时间，按时间进行计费。而普通的二层交换机就难以同时做到这两点。

5.4  路由器

路由器工作在 OSI参考模型的第三层——网络层。路由器在网络互联中起着至关重要的作用，主要用于局域网和广域网的互联。全球最大的互联网Internet就是由众多的路由器连接起来的计算机网络组成的，可以说，没有路由器就没有今天的Internet。

5.4.1  路由器的功能

路由器是一种用于路由选择的专用设备，那么路由选择又是什么呢？

Internet的背后其实就是千千万万个路由器。随着网络规模的不断扩大，整个网络可能包含成千上万台相互连接的计算机，那么怎样实现这么多的设备相互通信呢？就好像不能让每一个邮局都记住世界上所有城市、乡村的地址一样，不可能去让每一台计算机记住其他所有计算机的位置，更何况这些计算机的位置可能是动态变化的。那么如何解决这个问题呢？

在日常生活中，通过邮局发送信件时，并不是在信封上只写上信件的目的城市或乡镇街道的名称，而是按顺序写出省、地市、城镇、街道……例如，从北京寄一封信到山东省济南市历下区燕子山路36号，那么可能是这样的：

从北京的本地邮局将信寄出，邮局根据信封上的地址判断它下一步该往山东省发送，到了山东省再转发到济南市，然后是历下区，最后送到目的地。当然在这里只是为说明问题而举的一个简单例子。总的说来，在日常生活中，将整个国家划分成省、直辖市、自治区，它们之间均知道对方；然后再由省下发到它下面的地市，再到县、区、街道……这样就解决了问题。

根据这个思路，可将整个网络人工地分成许多互相连接的小网络，这些相互连接的小网络下还可以根据需要再分成一些子网络，整个结构如图5-9所示。

然后，让这些小网络互相记住其他小网络的位置，而这些小网络的子网络则记住其他子网络的位置。那么由谁来“记住”呢？而且网络的整个结构还会产生变化，又由谁来跟踪这些变化呢？这时就产生了一种新的网络设备，称为路由器。由于它的工作是记住和跟踪其他网络的情况，并指示本网络的信息如何到达另一个网络，路由器就是为信息寻找到达目标节点的工具。安装路由器后，整个网络如图5-10所示。

路由器的主要功能为：路径选择、数据转发（又称为交换）和数据过滤。路由器的功能可以由硬件来实现，也可以由软件来实现，或者是部分功能用硬件来实现，部分功能用软件来实现。

5.4.2 路由选择

路由器一般有多个网络接口，包括局域网的网络接口和广域网的网络接口，每个网络接口连接不同的网络，是一个网状网的拓扑结构，这就为源主机通过网络到目的主机的数据传输提供了多条路径。路由选择就是从这些路径中寻找一条将数据包从源主机发送到目的主机的最佳传输路径的过程。

图5-11所示为路由器工作原理的一个简单例子。假设，主机A要向主机B发送数据中间要经过多个路由器，这时有多条路径可供选择，其路径选择和数据转发的工作流程如下：

（1）主机A将欲发送的数据（包括B的地址）发送给路由器1。

（2）路由器1收到主机A的数据包以后，先从数据包中取出主机B的地址，再根据路由表从多条路径中计算出发往主机B的最短路径，这里假设该路径为：主机A——路由器1—路由器4——路由器5——主机B，并将数据包转发给路由器4。

（3）路由器4重复路由器1的工作，并将数据包转发给路由器5。

（4）路由器5取出主机B的地址，发现主机B就在该路由器所连接的网络上，就将该数据包发往主机B。

至此，主机A的数据包经一级级转发，最终发送到目的主机B。

5.4.3  路由协议

在路由器中，路径选择是根据路由器中的路由表来进行的，每个路由器都有一个路由表，路由器选择好某种路由协议后，就按照一定的路由算法建立并维护路由表，路由表中定义了从该路由器到目的主机的下一个路由器的路径。所以，路由选择是通过在当前路由器的路由表中找出对应于该数据包目的地址的下一个路由器来实现的。

路由协议是指路由选择协议，是实现路由选择算法的协议。网络互联中常用的路由协议有：RIP（路由选择信息协议）、OSPF（开放式最短路径优先协议）、IGRP（内部网关路由协议）等。其中，RIP是基于距离向量的路由协议，在RIP中，路由器检查从源路由器到的路由器的每条路径，并选择站点数最少的路径到达目的地。

由此可见，路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。

（1）静态路由：由系统管理员事先设置好固定的路由称为静态（Static）路由，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。

（2）动态路由：动态（Dynamic）路由是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。

5.4.4  路由器的数据转发

Internet用户使用的各种信息服务，其信息传送均以IP包为单位进行，IP包除了包括要传送的数据信息外，还包含要传送的目的IP地址、发送信息的源主机IP地址以及一些相关的控制信息。当一个路由器收到一个IP数据包时，它将根据数据包中的目的IP地址查找路由表，根据查找的结果将此IP数据包送往对应端口。下一台IP路由器收到数据包后继续转发，直至发到目的地。

除了上述功能外，路由器的另外一个重要作用就是充当过滤器，将来自对方网络的不需要的数据阻止在网络之外，进而减少网络之间的通信量，正是由于这种过滤功能，使得网络之间阻挡某些特殊数据成为可能。

路由器的技术含量高，比较常见的路由器生产厂家有华为、TP-LINK、Cisco等。

5.4.5  路由器的种类

1.按支持网络协议的能力

从支持网络协议能力的角度，可把路由器分为单协议路由器、多协议路由器。单协议路由器只能用于特定的网络协议环境，一般是商家为某种特定的网络协议相配套而开发的。多协议路由器可支持当前流行的多种网络协议，具有广泛的适应性。它能提供一种管理手段来允许/禁止某种特定的协议。

2.按工作位置

从工作位置考虑，路由器可分为访问（Access）路由器和边界（Boundary）路由器。访问路由器主要用来连接远程节点或工作组进入主干网，一般由1～2个LAN接口、2~3个WAN接口和2~3种网络协议（通常包括IP协议）组成，属于传统的路由体系结构。边界路由器建立了一种新的路由体系结构，其特点是由一个中央路由器（或交换机）连接所有的外部和边界路由器。

3.按连接规模和能力

从连接规模和能力考虑，路由器可分为区域路由器、企业路由器和园区路由器等，分别适用于不同规模的网络的互联。

5.4.6  路由器的选择

在选择路由器时，一般需要注意以下几个方面：

1.管理方式

即用户可以通过哪些方式对路由器进行管理设置。路由器最基本的管理方式是利用终端（或 Windows 提供的超级终端）通过专用配置线连接到路由器的配置口直接进行配置，一般都是先使用这种方式对路由器进行初步的设置。

2.多协议支持

即路由器支持哪些广域网协议。ISP（Internet接入服务提供商）利用不同的广域网技术可以为用户提供不同的广域网线路，而用户往往不能确保自己一直使用一种广域网线路，因此在选择路由器时最好对其支持的广域网协议加以注意。ISP提供的广域网线路主要有X.25、帧中继、DDN专线、ADSL等几种，在选择路由器时最好考虑将来的实际需求。

3.安全性

即路由器使用以后能否确保自己内部局域网的安全。目前许多厂家的路由器可以设置访问权限列表，从而可以控制进出路由器的数据，防止非法用户的入侵，实现防火墙功能。

4.地址转换功能

使用路由器对外连接时，路由器能够屏蔽内部局域网的网络地址，利用地址转换功能统一转换成ISP提供的广域网地址，这样网络上的外部用户就无法了解本局域网的网络地址，进一步阻止了非法用户的人侵。同时，这种方法也是实现局域网用户通过一个IP地址访问Intemet的手段。

5.5 其他网络设备简介

5.5.1  调制解调器

1.调制解调器的功能

在早期的计算机远程通信中，一般都利用庞大而成熟的公用电话网。电话人户信号基本上都是模拟信号，而计算机所处理和传输的信息都是数字信号，因此计算机联网通信时必须有能将数字信号转换为模拟信号及模拟信号转换成数字信号的转换装置，前者称为调制器，后者称为解调器，把两种功能集成在同一台设备上，就称为调制解调器，即 Modem（是Modulater和Demodulater两个单词的缩写）。

通过普通电话线传输数据的Modem作为连接计算机和网络的主要设备，具有使用方便、价格适中、功能齐全的特点，对Internet的普及和发展起到了极其重要的作用。

2.调制解调器的分类

（1）外置式 Modem。

顾名思义，"外置式"就是放在计算机主机外面的设备，它的背面有与计算机、电话线等连接的插座，通过RS-232串口线与计算机的串行口连接，这种Modem的优势在于安装方便，前面板上有各种功能指示灯，工作状态一目了然，而且由于在主机外面，所以抗干扰能力较强。缺点是需要占用一个串口，而且价格相对较贵。

典型的外置式的Modem如图5-12所示。它有一个RS-232接口，用来和计算机的RS-232 串口相连。标有“Line”的接口接电话线，标有“Phone”的接口接电话机。不同的Modem其外形不同，但这些接口都是类似的。除此之外，它带有一个变压器，为其提供直流电源。

（2）内置式 Modem。

内置式 Modem就是一块像声卡、显卡一样安装于计算机主板扩展槽上的板卡，由于没有了外壳及外接电源，使得这种Modem的售价大大低于外置Modem，但是安装时需要打开机箱，比较麻烦，需要占用主板上一个扩展槽（早期 Modem是ISA接口的，现在几乎所有的 Modem都是PCI接口的），而且容易受到其他设备的干扰而降低连接质量。

图5-13所示是一块典型的即插即用的 Modem（卡上没有跳线）。它有两个接口，一个标明“Line”的字样，用来接电话线；另一个标明“Phone”的字样，用来接电话机。外置Modem 的外形和内置式差别很大，但功能是一样的。

（3）USB Modem。

USB Modem 集合了内置式 Modem 和外置式Modem的优点于一身，由于它是USB接口的，所以不必担心计算机的扩展能力（USB接口允许最多串接127个设备）。同时它是外置式的，不必担心干扰问题，也不用外接电源，体积非常小巧，仅有烟盒般大，甚至可以随身携带，走到哪里都可以上网。

（4）PCMCIA接口的Modem。

这种Modem是专为笔记本电脑设计的，它通过PCMCIA接口插入笔记本电脑，再通过转接线连接电话线。

除以上四种常见的 Modem 外，还出现了 ISDN 调制解调器、ADSL调制解调器和一种称为Cable

Modem的调制解调器，Cable Modem 利用有线电视的电缆进行信号传送，不但具有调制解调功能，还集路由器、集线器、桥接器于一身，理论传输速度可达10 Mbps 以上。通过 Cable Modem 上网，每个用户都有独立的 IP 地址，相当于拥有了一条个人专线。

ADSL Modem，就是专门用于ADSL技术应用的 Modem，负责对 ADSL信号进行调制解调，发送和接受ADSL信号，是实现ADSL不可缺少的一部分。比起普通拨号Modem的最高56 kbps速率，以及N-ISDN 128 kbps的速率，ADSL具有明显的速率优势，同时，ADSL还可以在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，减轻了电话交换机的负载。这意味着使用ADSL上网并不需要缴付另外的电话费。与Cable Modem相比，ADSL技术也具有相当大的优势。Cable Modem的HFC接人方案采用分层树状结构，用户要和邻近用户分享有限的带宽，而 ADSL接人方案在网络拓扑结构上较为先进，因为每个用户都有单独的一条线路与ADSL局端相连，它的结构可以看作是星状结构，它的数据传输带宽是由每一用户独享的。

5.5.2  中继器

1.中继器的作用

当电信号在传输介质上传输时，电信号会随着电缆长度的增加而减弱，这种现象称为衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

中继器（Repeater，RP）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，负责在两个节点物理层上按位传递信息，完成信号的复制调整和放大功能，以此来延长网络段的长度或将两个网络段连接在一起，如图5-14所示。

2.中继器的特点

中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，它位于OSI参考模型中的最底层——物理层，只是起到一个放大信号、延伸传输介质的作用，与高层协议无关。中继器的特点可归纳为以下两点：

（1）由中继器连接起来的两端必须采用相同的介质访问控制协议，即相同的数据链路层协议。因为中继器工作在物理层，它只能识别物理层各种各样的数据格式，而不能识别数据链路层的数据格式。

（2）从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长，事实上这是不可能的，因为网络中都对信号的延迟范围做了具体规定，中继器只能在此规定范围内有效工作，否则会引起网络故障，以太网标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。另外，中继器的作用是扩充局域网、增加主机数目，由于由中继器连接起来的局域网仍然属于同一个局域网，随着网络主机的增加，网络的负担加重，易造成网络阻塞。

中继器在以同轴电缆为介质的网络中经常使用，在目前网络连接大量使用双绞线和光纤的情况下，很少再使用中继器。

5.5.3  收发器

收发器，顾名思义，就是接收信号、发送信号的设备。其作用是完成不同的网络传输介质及传输形式之间的互联。收发器的种类很多，包括光纤——双绞线收发器、同轴电缆收发器、卫星收发器、微波收发器等，下面着重介绍同轴电缆收发器和光纤收发器。

1.同轴电缆收发器

在1990年前后的网络系统中，网络传输介质通常采用细缆或粗绩，因此，经常用到此类收发器。例如，细缆一粗缆收发器、粗缆连接设备时使用的穿刺式收发器等。同轴电缆收发器目前已经很少见到。

2.光纤收发器

光纤收发器通过把原来在双绞线上传输的电信号转换成在光纤上传输的信号，以延伸以太网的连接距离。光纤收发器中既包含了光发送机，又包含了光接收机，因此，根据支持的网络传输速率、光纤口规格的不同，产品品种也是复杂多样的，如图5-15所示。目前，用于电信部门主干线路的光纤收发器传输带宽可以达到数十 Gbps。

常见的光纤收发器有：

● 100Base-TX到100Base-FX多模光纤收发器（ST头或SC头），100 Mbps

● 10Base-TX到10Base-FX多模光纤收发器（ST头或SC头），10 Mbps

● 100Base-TX到100Base-FX单模光纤收发器（ST头或SC头），100 Mbps

● 10Base-TX到10Base-FX单模光纤收发器（ST头或SC头），10 Mbps

● 多模转单模光纤收发器，等等。

小   结

在计算机网络中，为了实现互相通信的功能，就必须用到各种各样的网络设备，本章主要介绍了在整个网络中发挥重要作用的设备，包括网卡、集线器、交换机、路由器、调制解调器等，通过本章的学习，要了解这些网络设备的性能、用途、实现技术等，在网络建设中能够根据实际情况，确定应使用的设备。

习    题

1.简述网卡具有哪些功能。

2.交换机是从哪个层次上实现了网络的互联？与网桥相比，交换机具有哪些优点？

3.什么是虚拟局域网？虚拟局域网的实现方式有哪些？

4.路由器从哪个层次上实现了不同网络的互联？路由器主要有哪些功能？

5.中继器与集线器有何不同？

6.集线器之间的连接方法有哪两种？

第五章

1.网卡的主要功能有：实现局域网中传输介质的物理连接和电气连接；代表着一个固定的地址；对发送和接收的信号进行转换，执行网络控制命令。

2.第二层数据链路层 

与网桥相比交换机的优点：交换机可以提供多个端口；可以提供更高的带宽；更快的传输速率；转发延迟小。

3. 虚拟网是在交换式局域网的基础上，结合网络软件建立起的一个可跨接不同物理局域网、不同类型网段的各站点的逻辑局域网，简称为VLAN。

通常虚拟网的实现形式有三种：静态端口分配、动态虚拟网、多虚拟网端口配置。

4.第三层网络层

路由器的主要功能为：路径选择、数据转发（又称为交换）和数据过滤。

5. 从某种意义可以将集线器看作是多端口中继器。

6. 级联和堆叠