网络设备
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文档简介
(共33张PPT)
第9章 网络设备
本章重点
●网络接口卡及其使用
●集线器及其使用
●交换机及其使用
●路由器及其使用
●构造简单的网络
9.1 网络接口卡NIC
1. 组成（p262图）
发送/接收部件——负责信号的发送、接收
载波检测——检测介质上有否信号
发送/接收控制部件及缓冲区
曼彻斯特编码/译码器——对发送/接收的数据编码/译码，变换成适合于在LAN上传输的信号
网络控制部件——控制网卡各部件的协调运行
CPU(部分网卡有)——增强网卡智能化，减少网络传输对主机CPU的依赖，提高传输效率
2．网卡的使用
网卡地址：即网卡的物理地址或称为MAC地址，固化在网卡硬件中
配置参数（跳线设置 / 软件设置 / PnP）
中断请求号 IRQ（一般为3）
I/O基地址 I/O Base（一般为300H）
存储器基地址 Memory Base (一般为C000H)
全双工 / 半双工
传输速率（仅10/100Mbps双速网卡可选）
3. 提高网卡性能
并行处理：发送/接收和数据处理同步进行
全双工：需集线器/交换机的支持
突发传输方式（每次传送更多的帧）
智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）
提高与主机的传输速度：
与主机的存储器传输数据时采用DMA传送方式
总线采用传输速度较快的PCI总线
4. 网络接口卡的种类
9.2 网络集线器(HUB)
多端口的中继器，属于物理层设备
功能：在网段之间拷贝比特流，信号整形和放大
可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备
可改变网络物理拓扑形式：总线连接—>星形连接
端口数：常见的有8，12，16，24口
三种结构：
独立式（Stand alone）：
固定端口配置，扩充时用级连的方法
堆叠式（Stackable）：
固定配置，用堆叠方法进行扩充——堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理
模块化（Module）：
又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）
智能集线器和非智能（普通）集线器
允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智能HUB，它内部包含有CPU等智能控制部件。
不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能HUB。
在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络交换机也需要是智能化的）。
小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。
NIC
HUB
UTP
PC机
用集线器搭建简单的网络
服务器
以1台服务器，3台PC机为例：
一台HUB
4块UTP接口的网卡
4台PC机
8个RJ45接头（水晶头）
若干米UTP双绞线
9.3 网络交换机(Switch)
共享信道LAN的缺点：
多个站点同时发送会造成冲突；
网络中站点越多，冲突现象越严重；
每个站点的平均拥有带宽为W/n；
解决的方法：
网段分割(微网段化)——减少每个网段中站点的数量
网段分割后网络总体带宽增加
网络分段
HUB
HUB
MAC广播域
独立的冲突域
独立的冲突域
网桥或网络交换机
交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域
网段分割
基本出发点是将一个共享介质网络划分为多个网段,以减少每个网段中的设备数量.
网络分段方案在一定程度上缓解了由于碰撞引起的网络阻塞的矛盾.
实现网段分割的设备——网络交换机
网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层上。但网络交换机的端口数多，并且速度快。在这个意义上，网络交换机又称为多端口的高速网桥。
工作原理（参见第4章）
构造：端口-地址表、端口缓冲器、交换矩阵
学习源地址（构造端口-地址表）
过滤本网段帧（隔离冲突域）
转发异网段帧（交换）
广播未知帧（寻找目的站点）
三种转发方式
存储转发（Store and forward）
整个帧完整接收并存储到缓冲区，对整个帧进行差错检验，然后再查表找出目的端口并转发
优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段
缺点：交换延迟比较大
穿通转发（Cut-through）
因为转发仅依赖于目的地址DA，所以只要收到帧的前6个字节(DA字段)，就可查表找出目的端口并转发
优点：交换延迟小
缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段
无碎片穿通（Fragment free cut-through）
以上两种方案的折衷。
接收了一帧的前64字节后，再查表找出目的端口并转发
∵帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，
∴＜64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧)
优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率
缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时高
于直通式
使用网络交换机带来的好处
分割冲突（碰撞）域——减少了冲突
允许建立多个连接——提高了网络总体带宽
减少每个网段中的站点数——提高了站点平均拥有带宽
允许全双工连接——提高带宽
网络交换机在网络中的地位
作为LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等
高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等
对网络响应速度要求比较高的场合
提高网络交换机的性能的措施
主干/服务器连接：增加1-2个高速端口(Big Pipe)。缓解主干/服务器连接的瓶颈问题。
速度自动协商：10/100Mbps自适应交换机。根据所连接工作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。
虚拟网络VLAN：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟的逻辑网络中。用交换机划分的若干个VLAN在逻辑上完全独立，广播帧不会越过逻辑网络边界。
流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使发送站点停止发送。——背压控制（Back Pressure）
根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换
千兆主干交换机
服务器
校园网
10Mbps UTP
100Mbps UTP （连接校园网）
1000Mbps Fiber
100Mbps UTP
网络结构图
二级交换机
HUB
9.4 路由器Router
工作在第三层（网络层）上。
在网络之间转发网络分组。
能够提供按最佳路由转发网络分组。
实现子网隔离，限制广播风暴。(目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播——比较网络交换机)
用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（IP地址），通过广播是无法与之进行通信的。因为路由器不会转发广播包。
路由器的结构
控制部件（CPU、RAM、OS）
路由表
协议软件
网络接口（LAN、WAN、CONSOLE）
用路由器进行网络互联
HUB
HUB
路由器
冲突域2
冲突域1
路由器可以分隔冲突域和广播域
工作原理
采用存储转发的方法：
接收并缓存IP数据分组，提取分组中的目的IP地址，然后查路由表决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。
交换机也用查表的方法决定转发路径，但交换机的表是“端口-MAC地址”表，存放的是端口与目的MAC地址之间的关系，要用帧中的MAC地址查表；
而路由器中的路由表是“端口-网络地址”表，存放的是端口与目的网络地址之间的关系，故要从分组中提取IP地址，并解析出其中的网络地址部分来查表。
路由表——用于存放到达其他网络的路由信息。
基于路由表（Routing Table）的路由选择
网络号（网络地址）
路径。用下一路由器对应端口的IP地址来表示。
例如，p287图中的路由器R4：
路径1：30.0.0.1 (R1)
路径2：20.0.0.1 (R2)
路径3：30.0.0.3 (R3)
路径4：40.0.0.3 (R5)
路径成本/开销。
P287页例子中路径成本用步跳数来表示，指出到达某一网络所跨越的路由器的个数。
路由表的基本内容
目的网络
路由(下一站点)
距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0
202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0
10.0.0.0
A
B
路由器A的路由表
直接
.1
.1
.2
.1
0
0
1
注意：路由器是根据网络号来转发IP数据包的，所以路由表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。
类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。
这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间，路由表的路由更新速度快。
路由表的维护有两种基本方式：
静态路由——由人工预先设置好，只适用于
小型网络
动态路由——路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
LAN1
PC机
WAN
LAN2
R1
R2
用路由器连接两个LAN
一般说来，通过WAN实现LAN之间的互联，路由器是唯一可行的设备。
路由器结构
路由器的两个关键功能:
运行路由算法/协议 (RIP, OSPF, BGP)
把入口的数据报交换到出口链路
输入端口的功能
数据链路层:
如, 以太网
物理层:
位的接收
分散化的交换:
给定数据报目的地址, 在路由表中查找输出端口
目标: 以线速实现输入端口处理
排队: 若数据报到达太快，来不及处理时
三种结构的交换构造
输出端口的功能
当来自于交换引擎的数据报太快以至于来不及发送时，就需要进行缓冲处理（Buffering）
根据调度规则从数据报队列中选择数据报发送出去
输出端口缓冲
当通过交换引擎到达的数据报太快以至超过线速时，就需要进行缓冲处理（Buffering）
输出端口缓冲溢出会引起排队延迟和分组丢失!
9.5 网关
发生在网络层以上,是网络层以上互联设备的总称.
对于LAN与WAN而言,下面三层的结构差异比校大,它们之间的耦合是十分复杂的,因而大多采用网关来进行网络互联.
通常由软件实现,用以实现不同价格政策纱结构网络之间或LAN与主机之间的连接
网络互联设备的选择
中继器主要用于扩展LAN的连接距离.
网桥用于连接二个寻址方案兼容的LAN .
路由器用于将LAN连入互联网络,又想保持LAN的独立性的场合.
网关用于实现不同体系结构网络之间的互联.
第9章 网络设备
本章重点
●网络接口卡及其使用
●集线器及其使用
●交换机及其使用
●路由器及其使用
●构造简单的网络
9.1 网络接口卡NIC
1. 组成（p262图）
发送/接收部件——负责信号的发送、接收
载波检测——检测介质上有否信号
发送/接收控制部件及缓冲区
曼彻斯特编码/译码器——对发送/接收的数据编码/译码，变换成适合于在LAN上传输的信号
网络控制部件——控制网卡各部件的协调运行
CPU(部分网卡有)——增强网卡智能化，减少网络传输对主机CPU的依赖，提高传输效率
2．网卡的使用
网卡地址：即网卡的物理地址或称为MAC地址，固化在网卡硬件中
配置参数（跳线设置 / 软件设置 / PnP）
中断请求号 IRQ（一般为3）
I/O基地址 I/O Base（一般为300H）
存储器基地址 Memory Base (一般为C000H)
全双工 / 半双工
传输速率（仅10/100Mbps双速网卡可选）
3. 提高网卡性能
并行处理：发送/接收和数据处理同步进行
全双工：需集线器/交换机的支持
突发传输方式（每次传送更多的帧）
智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）
提高与主机的传输速度：
与主机的存储器传输数据时采用DMA传送方式
总线采用传输速度较快的PCI总线
4. 网络接口卡的种类
9.2 网络集线器(HUB)
多端口的中继器，属于物理层设备
功能：在网段之间拷贝比特流，信号整形和放大
可认为它是将总线折叠到铁盒子中的集中连接设备
可改变网络物理拓扑形式：总线连接—>星形连接
端口数：常见的有8，12，16，24口
三种结构：
独立式（Stand alone）：
固定端口配置，扩充时用级连的方法
堆叠式（Stackable）：
固定配置，用堆叠方法进行扩充——堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理
模块化（Module）：
又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）
智能集线器和非智能（普通）集线器
允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智能HUB，它内部包含有CPU等智能控制部件。
不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能HUB。
在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络交换机也需要是智能化的）。
小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。
NIC
HUB
UTP
PC机
用集线器搭建简单的网络
服务器
以1台服务器，3台PC机为例：
一台HUB
4块UTP接口的网卡
4台PC机
8个RJ45接头（水晶头）
若干米UTP双绞线
9.3 网络交换机(Switch)
共享信道LAN的缺点：
多个站点同时发送会造成冲突；
网络中站点越多，冲突现象越严重；
每个站点的平均拥有带宽为W/n；
解决的方法：
网段分割(微网段化)——减少每个网段中站点的数量
网段分割后网络总体带宽增加
网络分段
HUB
HUB
MAC广播域
独立的冲突域
独立的冲突域
网桥或网络交换机
交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域
网段分割
基本出发点是将一个共享介质网络划分为多个网段,以减少每个网段中的设备数量.
网络分段方案在一定程度上缓解了由于碰撞引起的网络阻塞的矛盾.
实现网段分割的设备——网络交换机
网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层上。但网络交换机的端口数多，并且速度快。在这个意义上，网络交换机又称为多端口的高速网桥。
工作原理（参见第4章）
构造：端口-地址表、端口缓冲器、交换矩阵
学习源地址（构造端口-地址表）
过滤本网段帧（隔离冲突域）
转发异网段帧（交换）
广播未知帧（寻找目的站点）
三种转发方式
存储转发（Store and forward）
整个帧完整接收并存储到缓冲区，对整个帧进行差错检验，然后再查表找出目的端口并转发
优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段
缺点：交换延迟比较大
穿通转发（Cut-through）
因为转发仅依赖于目的地址DA，所以只要收到帧的前6个字节(DA字段)，就可查表找出目的端口并转发
优点：交换延迟小
缺点：无法进行差错校验，帧错误会扩散到目的网段
无碎片穿通（Fragment free cut-through）
以上两种方案的折衷。
接收了一帧的前64字节后，再查表找出目的端口并转发
∵帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为64B，
∴＜64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片（错误帧)
优点：交换速度较快，并且降低了错误帧转发的概率
缺点：长度大于64字节的错误帧仍会转发，转发延时高
于直通式
使用网络交换机带来的好处
分割冲突（碰撞）域——减少了冲突
允许建立多个连接——提高了网络总体带宽
减少每个网段中的站点数——提高了站点平均拥有带宽
允许全双工连接——提高带宽
网络交换机在网络中的地位
作为LAN核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等
高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等
对网络响应速度要求比较高的场合
提高网络交换机的性能的措施
主干/服务器连接：增加1-2个高速端口(Big Pipe)。缓解主干/服务器连接的瓶颈问题。
速度自动协商：10/100Mbps自适应交换机。根据所连接工作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。
虚拟网络VLAN：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟的逻辑网络中。用交换机划分的若干个VLAN在逻辑上完全独立，广播帧不会越过逻辑网络边界。
流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使发送站点停止发送。——背压控制（Back Pressure）
根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换
千兆主干交换机
服务器
校园网
10Mbps UTP
100Mbps UTP （连接校园网）
1000Mbps Fiber
100Mbps UTP
网络结构图
二级交换机
HUB
9.4 路由器Router
工作在第三层（网络层）上。
在网络之间转发网络分组。
能够提供按最佳路由转发网络分组。
实现子网隔离，限制广播风暴。(目的地址无法识别时，路由器将其丢弃，而不是广播——比较网络交换机)
用路由器连接起来的若干个网络，它们仍是各自独立的。要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点，必须指定该站点的逻辑地址（IP地址），通过广播是无法与之进行通信的。因为路由器不会转发广播包。
路由器的结构
控制部件（CPU、RAM、OS）
路由表
协议软件
网络接口（LAN、WAN、CONSOLE）
用路由器进行网络互联
HUB
HUB
路由器
冲突域2
冲突域1
路由器可以分隔冲突域和广播域
工作原理
采用存储转发的方法：
接收并缓存IP数据分组，提取分组中的目的IP地址，然后查路由表决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。
交换机也用查表的方法决定转发路径，但交换机的表是“端口-MAC地址”表，存放的是端口与目的MAC地址之间的关系，要用帧中的MAC地址查表；
而路由器中的路由表是“端口-网络地址”表，存放的是端口与目的网络地址之间的关系，故要从分组中提取IP地址，并解析出其中的网络地址部分来查表。
路由表——用于存放到达其他网络的路由信息。
基于路由表（Routing Table）的路由选择
网络号（网络地址）
路径。用下一路由器对应端口的IP地址来表示。
例如，p287图中的路由器R4：
路径1：30.0.0.1 (R1)
路径2：20.0.0.1 (R2)
路径3：30.0.0.3 (R3)
路径4：40.0.0.3 (R5)
路径成本/开销。
P287页例子中路径成本用步跳数来表示，指出到达某一网络所跨越的路由器的个数。
路由表的基本内容
目的网络
路由(下一站点)
距 离
172.16.0.0
202.168.0.0
10.0.0.0
202.168.0.2
202.168.0.0
直接
172.16.0.0
10.0.0.0
A
B
路由器A的路由表
直接
.1
.1
.2
.1
0
0
1
注意：路由器是根据网络号来转发IP数据包的，所以路由表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。
类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。
这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间，路由表的路由更新速度快。
路由表的维护有两种基本方式：
静态路由——由人工预先设置好，只适用于
小型网络
动态路由——路由器运行过程中根据网络情
况自动地动态维护
LAN1
PC机
WAN
LAN2
R1
R2
用路由器连接两个LAN
一般说来，通过WAN实现LAN之间的互联，路由器是唯一可行的设备。
路由器结构
路由器的两个关键功能:
运行路由算法/协议 (RIP, OSPF, BGP)
把入口的数据报交换到出口链路
输入端口的功能
数据链路层:
如, 以太网
物理层:
位的接收
分散化的交换:
给定数据报目的地址, 在路由表中查找输出端口
目标: 以线速实现输入端口处理
排队: 若数据报到达太快，来不及处理时
三种结构的交换构造
输出端口的功能
当来自于交换引擎的数据报太快以至于来不及发送时，就需要进行缓冲处理（Buffering）
根据调度规则从数据报队列中选择数据报发送出去
输出端口缓冲
当通过交换引擎到达的数据报太快以至超过线速时，就需要进行缓冲处理（Buffering）
输出端口缓冲溢出会引起排队延迟和分组丢失!
9.5 网关
发生在网络层以上,是网络层以上互联设备的总称.
对于LAN与WAN而言,下面三层的结构差异比校大,它们之间的耦合是十分复杂的,因而大多采用网关来进行网络互联.
通常由软件实现,用以实现不同价格政策纱结构网络之间或LAN与主机之间的连接
网络互联设备的选择
中继器主要用于扩展LAN的连接距离.
网桥用于连接二个寻址方案兼容的LAN .
路由器用于将LAN连入互联网络,又想保持LAN的独立性的场合.
网关用于实现不同体系结构网络之间的互联.
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