6.3　计算机网络的物理组成

常用的计算机网络设备包括传输设备和网络设备。其中，传输设备包括同轴电缆、双绞线和光纤等有线传输介质，以及微波、电磁波等无线传输介质。网络设备包括网卡、调制解调器、集线器、交换机、路由器和网桥等设备。

6.3.1　网络传输介质

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。

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。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。

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。

不同的传输介质，其特性也各不相同。它们不同的特性对网络中数据通信质量和通信速度有较大影响。

1）双绞线

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，而且可以降低自身信号的对外干扰，如图6.9所示。

图6.9　双绞线

双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP，适合于短距离通信。非屏蔽双绞线价格便宜，传输速度偏低，抗干扰能力较差。屏蔽双绞线抗干扰能力较好，具有更高的传输速度，但价格相对较贵。

双绞线需用RJ-45或RJ-11连接头插接。目前市面上出售的UTP分为3类、4类、5类和超5类四种。其中，3类双绞线传输速率支持10Mbit/s，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”；4类双绞线不常用；5类双绞线传输速率支持100Mbit/s或10Mbit/s，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”；超5类双绞线在传送信号时比普通5类双绞线的衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中的受干扰程度只有普通5类线的1/4，目前较少应用。STP分为3类和5类两种。STP的内部与UTP相同，外包铝箔，抗干扰能力强、传输速率高但价格昂贵。

双绞线一般用于星型拓扑结构网的布线连接，两端安装有RJ-45头（水晶头），连接网卡与集线器，最大网线长度为100m。如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500m。

2）同轴电缆

同轴电缆由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开，如图6.10所示。按直径的不同，同轴电缆可以分为粗缆和细缆两种。粗缆传输距离长，性能好但成本高，网络安装、维护困难，一般用于大型局域网的干线，连接时两端需中继器。细缆与BNC网卡相连，两端装50Ω的终端电阻。

图6.10　同轴电缆

同轴电缆具有较高的带宽和很好的抗噪性，在以往的网络中使用广泛，现在已经逐渐被光纤代替。但在有线电视网中，尤其是接入小区部分，使用的仍旧是同轴电缆。

3）光纤

光纤又称为光缆或光导纤维，由光导纤维纤芯、玻璃网层和能吸收光线的外壳组成，如图6.11所示。光纤是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。其工作过程是:应用光学原理，由光发送机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它变为电信号，经解码后再处理。与其他传输介质比较，光纤的电磁绝缘性能好、信号衰小、频带宽、传输速度快、传输距离大，主要用于要求传输距离较长、布线条件特殊的主干网连接。它具有不受外界电磁场的影响，无限制带宽等特点，可以实现每秒几十兆位的数据传送，尺寸小、质量轻，数据可传送几百千米，但价格昂贵。

根据光线在光纤里传播的方式不同可将光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤由激光作光源，仅有一条光通路，传输距离长约20～120km。多模光纤由二极管发光，低速短距离，传输距离小于2km。

图6.11　光纤

图6.12　无线电波

4）无线电波

无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波，如图6.12所示。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。

无线电技术的原理在于:导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过解调便可将信息从电流变化中提取出来，这就达到了信息传递的目的。

5）微波

微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长为1m（不含1m）～1mm的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。其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。而水和食物等就会吸收微波而使自身发热，金属类物质则会反射微波。

6）红外线

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射。太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线，也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm；中红外线，波长为1.50～6.0μm；远红外线，波长为6.0～1000μm。

6.3.2　网络基础设备

1）网卡

网卡即网络适配器。网络适配器是使计算机联网的设备，平常所说的网卡就是将PC机和LAN连接的网络适配器。网卡（NIC）插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式，通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等，如图6.13所示。通过网络适配器，可将工作站、服务器与网络传输介质连接起来，实现网络资源的共享和相互通信。在局域网中，每台计算机至少要配置一个网络适配器。

图6.13　网卡

图6.14　调制解调器

2）调制解调器

调制解调器即Modem，是一种通过公用电话网连接计算机的设备，如图6.14所示。由于在计算机中传输的是数字信号，而电话网络中传输的是模拟信号，因此如果通过公用电话网连接到计算机设备上，必须实现这两种信号的自由转换。调制解调器在发送前把数字信号转换成模拟信号，接收时再将模拟信号转换成数字信号，从而实现了模拟信号和数字信号的相互转换。其中，发送前将数字信号转换成模拟信号，这一过程称为调制；接收时将模拟信号转换成数字信号，这一过程称解调。简单地说，调制解调器就是在电话线两端进行这种信号转换工作的设备。

6.3.3　网络互连设备

1）集线器

集线器又称“Hub”，即“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”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD（一种检测协议）介质访问控制机制。

如图6.15所示，集线器一般提供多个RJ-45接口，通过双绞线连接到工作站或服务器网卡的RJ-45接口上，从而构成一个星型局域网。

图6.15　集线器

根据端口数目的不同，集线器可分为8口、16口、24口和48口等。

根据速度的不同，集线器可分为10M、100M、1000M，以及10/100Mbit/s、100/1000Mbit/s自适应等几种类型。

2）交换机

集线器的带宽是一定的，所连接的设备越多，每个设备所分得的带宽就越少，从而导致网络的性能下降。为了提高传输速率，出现了交换式集线器，也就是交换机，如图6.16所示。交换机采用电话交换原理，可以同时让多个端口的工作站发送和接收数据。假如交换机上连接了8台工作站，则可以让4对工作站同时发送/接收信息。与集线器相比，交换机每个端口都有一条独占的带宽。而集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，并且在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待。

图6.16　交换机

图6.17　路由器

3）路由器

路由器（Router）是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用设备，如图6.17所示。它是连接因特网中各局域网、广域网的设备，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。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、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。

路由器是利用路由表来为数据传输选择路径的。路由表包含网络地址和各地址之间距离的清单。路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径。路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径，如果某一网络路径发生故障或堵塞，路由器可选择另一条路径，以保证信息的正常传输。

路由器可进行数据格式的转换，是不同协议之间网络互联的必要设备。它是多个同类网络（指具有相同的网络操作系统）互联、局域网和广域网互联的关键设备。

4）网桥

图6.18　网桥

网桥（bridge）工作在OSI模型的第2层（数据链路层），可以用来在此层扩展以太网，如图6.18所示。当接到通信包时，网桥便检测信息包的源地址和目的地址，如果它们不在同一个网段上，则转发该信息包到另一个网段；如果在同一个网段上，则不转发该信息包。这时网桥就相当于一个数据的“过滤器”。因此，网桥可以实现过滤通信量、减少不必要的信息传递和增大吞吐量等功能。除此之外，使用网桥可以连接不同的物理层和不同速率的网段，从而扩展网络，实现不同网络的通信。而当某个网段出现故障时，网桥可以将故障限制在此网段，最大程度地降低故障所带来的影响。但是当使用网桥时，由于需要在网桥内部进行存储转发，因此会增加延时，而且因为没有流量控制，可能会出现数据丢失现象。

5）网关

在一个计算机网络中，当连接不同类型而协议差别又较大的网络时，需要选用网关设备。网关的功能体现在OSI模型的最高层，它将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间进行通信。由于协议转换是一件复杂的事，一般来说，网关只进行一对一转换，或是少数几种特定应用协议的转换，很难实现通用的协议转换。用于网关转换的应用协议有电子邮件、文件传输和远程工作站登录等。

目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。

6.3.4　网络软件系统

在计算机网络中，除了物理设备外，还必须有网络软件。因为在网络上，每一个用户都可以共享系统中的各种资源，系统控制和分配资源、实现网络中的各种设备彼此间的通信、管理网络中的各种设备等，都离不开网络软件的支撑。因此，网络软件是实现网络功能必不可少的软件环境，它包括网络协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理软件、网络应用软件等。

1）网络协议软件

网络协议是网络通信的数据传输规范。网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件，常见的有TCP/IP、NetBEUI、IPX/SPX、NWlink等。其中，TCP/IP是当前异种网络互联应用最为广泛的协议。

2）网络通信软件

网络通信软件是用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件，使用户能够在不必详细了解通信控制规程的情况下，很容易地控制自己的应用程序与多个站点进行通信，并对大量的通信数据进行加工和管理。目前，所有主要的通信软件都能很方便地与主机连接，并具有完善的传真功能、文件传输功能和生成原稿功能。常用的网络通信软件有QQ、MSN等。

3）网络操作系统

网络操作系统是网络软件中最主要的软件，是网络硬件设备和用户应用之间的接口。它使网络中各个设备既有自己的独立性，又可互相协作完成网络中的任务。系统资源的共享和管理用户的应用程序对不同资源的访问都是由操作系统来实现的。目前，操作系统的三大阵营是:UNIX网络操作系统、Microsoft网络操作系统、Linux网络操作系统。

4）网络管理软件

网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件，种类很多，功能各异。例如对远程网络中的打印序列和打印机的工作管理，观察所有网络分组的传送情况，帮助遇到困难和出现问题的用户处理应用程序，检查网络中有无病毒等。

5）网络工具软件

网络工具软件是网络中不可缺少的软件。例如网页制作离不开网页制作工具软件，设计浏览器离不开网络编程软件。网络工具软件的共同特点是:它们不是为用户提供在网络环境中直接使用的软件，而是一种为软件开发人员提供的开发网络应用软件工具。

6）网络应用软件

网络应用软件是为网络用户提供服务，帮助网络用户在网络上解决实际问题的软件。网络软件最重要的特征是:研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网络特有的功能。例如，在Internet中用户最常使用的IE浏览器就是网络应用软件。