1、第 1 页包头职业技术学院计算机网络技术与应用计算机网络技术与应用常见网络设备 第 2 页网络设备2第 3 页网络设备的分类3第 4 页l网络设备的功能是什么？l网络设备的基本工作原理是什么？l如何选用（设计）网络设备？l如何评价（比较）网络设备？l如何安装和使用网络设备？l如何管理和配置网络设备？l如何维护和监控网络设备？怎样学习网络设备的知识？4第 5 页物理层设备51、调制解调器Modem 基于PSTN实现计算机联网的信号转换与通信设备2、光纤收发器Fiber Converter 基于光纤/光缆传输介质实现计算计联网的信号转换设备3、中继器Repeater 通信信号的放大与整形设备，用来
2、实现物理网络的互连4、集线器HUB 多端口中继器，用来实现物理网络的组建与信号传输第 6 页l 早期远程网络主要通过租用电信部门广泛建立的公用交换网络PSTN(Public Switched Telephone Network)通信线路实现，专门铺设远程网络通信线路在很多情况下虽然可行，但费用很高。l 传统PSTN中用户终端线路传输的信号是模拟信号，而计算机处理的是数字数据/信号，必须在这两种信号间进行转换才可利用PSTN线路实现计算机联网，这个转换设备就是调制解调器Modem。l 调制解调器是两个设备的合成体，用于双向计算机网络通信。调制器Modulator：把计算机需要传输的数字数据信号调
3、制为适合PSTN线路的模拟信号。解调器Demodulator：把来自PSTN线路的模拟通信信号转换为数字信号并提取其中的通信数据。除了必要的信号转换之外，Modem还须完成计算机通信所需的物理层和数据连路层的相关通信控制工作，这由相应的通信协议来实施。Modem不是纯粹的物理层设备。MODEM概述6第 7 页PSTN网络系统构成7第 8 页MODEM的工作原理8第 9 页l Modem属于网络接口设备，工作在OSI/RM的物理层和数据连路层（部分）。物理层协议：规定通信双方的信号传输与交互的一系列规则，主要由CCITT（ITU）根据不同的数据传输速率制定，如V.22、V.32、V.32bis、
4、V.34、V.34+、V.90、V.92等 数据链路层协议：规定通信双方的数据传输于交互的一系列规则，典型的协议有三种：面向字符的仿真终端(Simulation Terminal)协议面向字符的SLIP(Serial Line Internet Protocol)面向比特流的PPP(Point to Point Protocol)MODEM的工作协议9第 10 页MODEM的使用方式10第 11 页l 内置Modem卡：独立的可安装到总线扩展槽中的Modem。l 外置Modem：具有独立供电装置的独立网络设备，连接到计算机串行口。l 主板集成的Modem：直接由主机板提供。l PCMCIA M
5、odem：笔记本电脑使用。l 机架式Modem（池）：ISP使用。l 无线Modem：手机GPRS/CDMA网络使用。l 其他工业用Modem等。MODEM的分类11第 12 页l Modem硬件的安装：根据不同类型的Modem进行不同方式的安装。l 线路的连接：电话线（Line In）、数据线（串行电缆/USB电缆）。l 驱动程序的安装和有关硬件参数的配置。l 拨号网络Dial-Up Network的建立和设置。l 网络层协议的配置和应用软件的安装。l 注意外界的强干扰信号、雷雨天气禁用。MODEM的安装与使用12第 13 页lDSL（Digital Subscriber Line数字用户线
6、路）Modem技术：利用PSTN线路直接传输数字信号，获得更高的通信性能，同时保留传统的语音通信。最典型的应用模式是ADSL（非对称式DSL），上行和下行的数据传输速率不相同。lCable（电缆）Modem技术：利用已有的有线电视系统线路传输计算机通信信号，同时保留传统的电视信号传输。该技术对ADSL技术形成一定的冲击。两种新型MODEM技术13第 14 页l 光纤收发器的主要作用是实现光、电信号的相互转换，因此又称为光电转换器。其作用也可理解为光信号和电信号的相互调制解调，因此也有地方称为光纤Modem。l 早期组网时，由于光纤、光缆成本较高，因此使用频率较低。当需要在电信号网络中使用光纤提
7、高通信质量和距离时，可以使用光纤收发器实现光电信号转换，从而实现光信号传输和电信号传输的无缝对接。l 随着网络中使用的光纤、光缆越来越多，频繁使用外置独立的光纤收发器会带来一些问题，因此当前有许多网络通信设备把光纤收发器直接集成在设备内部，由此直接提供光纤接口。l 有些光纤收发器使用外置独立电源，有些自身集成电源电路。光纤收发器概述14第 15 页l 光纤收发器的分类 按光纤类型分类：单模和多模光纤收发器 按光纤数量分类：单纤和双纤收发器 按传输速度分类：10、100、1000Mbps等 按物理结构分类：桌面独立式和机架式l 光纤收发器提供的端口类型 电信号端口：RJ-45端口 光信号端口：S
8、C【方】、ST【圆】等光纤端口l 光纤收发器的使用注意事项 收发双方最好使用同一品牌同一型号同一批次的产品 大多数光纤收发器仅支持全双工工作模式，注意温度适应性光纤收发器的分类与使用15第 16 页光纤收发器设备16第 17 页l中继器Repeater是简单的网络设备，一般提供两个等同的网络端口，其作用是把从一个网络端口接收到的通信信号经过内部电子线路的整形放大后从另一个网络端口转发出去。因此又称为转发器，可双向转发通信信号。当一个网络中的通信信号在一段传输介质上不能顺利传输到目的节点时，可利用中继器有效扩大联网范围和距离。l 中继器工作在OSI/RM的最低层物理层，仅处理通信信号，不理解信号
9、中包含的通信数据。因此可认为中继器不具备任何智能，能转发任何类型的数据包，不管数据包正确与否，也不论是单播、组播还是广播数据包。中继器概述17第 18 页l 从另一个角度看，也可以把中继器看作是网络互连设备，把位于不同位置的两个物理网段互连起来，但要求互连的这两个物理网段的物理层一致，也即中继器的每个网络端口是一致的。利用中继器把两个物理网段互连后形成的一个大网段应看作是同一个物理网络。l 在同一个物理网络中可以使用的中继器数量往往是有限制的，原因是通信双方在通信过程中需要保障数据的传输时间和响应时间。l 既有电信号的中继器，也有光信号的中继器，还有无线信号的中继器，应根据不同的信号类型选择相
10、应的中继器类型，不能混用。中继器概述18第 19 页中继器的使用19第 20 页中继器连接的网络/网段20第 21 页l 从本质上讲，集线器HUB是一个多端口的中继器，它也仅工作在OSI/RM的最低层物理层，其内部也仅处理通信信号而不涉及信号中的通信数据。l 集线器提供多个相同的网络端口，每个网络端口可连接一联网设备。和中继器不同的是集线器一般提供使用双绞线的RJ-45端口，有些可能提供少量AUI端口或BNC端口。l 发明集线器是为了改善和解决总线拓扑结构的10BASE-2以太网的种种弊端问题，使网络组建简单化，使网络工作更加稳定可靠，使网络故障范围缩减在较小的范围内。集线器概述21第 22
11、页l 使用集线器作为连网设备而形成的拓扑结构是星型结构，但本质上并没有改变网络通信的工作原理。从集线器的工作原理来看，集线器内部实际上仍然是一条总线，所有的网络端口“挂”在这条总线上，当一个网络端口收到通信信号后经过整形放大处理后送到这条内部总线上“广播”到其他所有网络端口上，连接在这些端口上的设备都可以接收到这个相同的通信信号。从工作原理可以看出集线器是典型网络共享设备，所有网络端口共享整个网络带宽，因此其网络通信性能是比较低的，这是导致集线器被效率更高的网络交换机代替的主要原因。集线器概述22第 23 页集线器的使用23第 24 页集线器的工作原理24第 25 页l 一个集线器提供的网络端
12、口数量是有限的，而网络的规模在不断扩张，单个集线器不能满足组网需求，多个集线器共同工作是组网的必然要求。l 集线器之间相互连接的形式 串联(级联Cascade)：利用已有的RJ-45端口（通用端口/专用级联端口）或专门的BNC端口/AUI端口实现级联，简单易行，基本不增加成本，但要占用可用端口。串联的方式可增加网络覆盖范围。并联(堆叠Stack)：利用集线器背板专门的堆叠端口实施多集线器连接，堆叠之后的多个集线器形成一个逻辑上的整体。堆叠端口增加了集线器的成本，而且堆叠只能在近距离内实现。l 多个集线器堆叠或级联后形成了一个更大的物理网络，连接在所有集线器端口上的网络设备在更大的范围中共享网络
13、带宽，导致整个网络的通信性能进一步降低。集线器的互联25第 26 页集线器的级联26第 27 页集线器的堆叠27第 28 页l按提供的RJ-45端口数量分类5口、8口、12口、16口、24口等l按传输速率/带宽分类10M、100M、10/100M双速自适应l按配置形式分类独立式、堆叠式、模块式l按是否提供智能功能分类普通型、智能型l按是否提供网管功能分类非网管型、网管型l按安装形式分类桌面式、机架式集线器的分类28第 29 页l 普通集线器选择合适的位置放置，适合接线和调试观察，注意水火安全、通风良好等。l 机架式集线器必须使用厂商提供的配件正确地安装到指定类型的机架上。l 集线器使用过程注意
14、：供电良好、防雷措施、防尘防湿、不要重物堆压等。l 各种集线器端口连接形式正确，操作得当。l 集线器的上电初始化和工作过程中注意有关指示灯的状态变化。l 智能集线器的管理与维护。集线器的安装与使用29第 30 页l 数据链路层设备和物理层设备的功能类似，用来实现物理网络/网段的组建，形成通信网络的物质基础。l 数据链路层设备不仅处理物理层的通信信号，还要上升到数据链路层处理数据帧。在数据帧处理的基础上可以实现更多的网络功能，并可有效提升网络的性能。l 数据链路层设备工作在两个协议层次上，其内部构成比物理层设备复杂，工作原理也更加复杂，所涉及的技术特性也多。l 本课程主要涉及以太网数据链路层设备
15、，包括网卡、网桥和交换机，因此在学习这些设备时应努力联系前面学习的以太网技术。数据链路层设备概述30第 31 页l网卡是网络接口卡的简称，缩写为NIC(Network Interface Card)，又称为网络适配器(Network Adapter)。l网卡是连接连网设备（计算机等）和网络传输介质的网络接口设备，它的基本功能是实现通信信号与数据的收/发，以及为数据收/发而做的相关工作，如数据格式的转换与通信规程控制等。l网卡是计算机等连网设备与物理网络之间连接的“咽喉”通道，直接决定了连网设备所能达到的网络通信性能。网卡的一端与连网设备的总线连接，一方面接受来自总线的需要发送的数据和控制指令，
16、另一方面向总线发送收到的数据和相关状态信息。网卡的另一端与物理网络的传输介质相连，通过网络接口双向传递通信信号。根据不同的传输介质，网卡需要不同的网络接口类型和信号处理电路以及相应的通信协议。l 从工作原理分析，网卡工作在OSI/RM的物理层和数据链路层上。网卡概述31第 32 页l按网卡接口所适用的传输介质分类有线介质网卡：双绞线、同轴电缆、光纤等无线介质网卡：无线电、微波、红外线等l按网卡所适用的物理网络形态分类以太网网卡、令牌环网卡、FDDI网卡、ATM网卡、无线局域网网卡等l按网卡支持的总线接口类型分类ISA总线网卡、PCI总线网卡、PCI-X总线网卡、PCMCIA总线网卡、USB总线
17、网卡等l按网卡提供的网络接口分类RJ-45接口网卡、BNC接口网卡、ATM接口网卡、AUI接口网卡、各种形态的光纤接口网卡、多类型接口网卡等l按网卡的存在形式分类独立式网卡、主板集成式网卡等l按网卡应用的场合分类服务器专用网卡、笔记本电脑专用网卡、普通台式机网卡等网卡的分类32第 33 页l“独立的”网卡通常由一块网络主控芯片加上必要的外围电路构成。外围电路有时钟电路、网络接口连接电路、信号处理与切换电路、总线接口电路、BIOS芯片、自启动芯片等。网络主控芯片是整个网卡的核心，它的性能直接决定了网卡最终能够实现的功能和达到的网络性能，这是选择网卡的最主要依据。该芯片一般由网卡生产厂商自行设计/
18、生产，但也有另外一些IC设计/生产厂商参与该芯片的设计/生产。网卡BIOS芯片也是重要的网卡组成元素，芯片中包含了控制网络主控芯片工作的基本指令序列，为网卡驱动程序直接服务。网卡自启动芯片中存放引导程序，用来实现网络途经的操作系统引导。一般需另外购买该芯片安装到网卡上。通常只有称为“无盘工作站”的计算机中才需要该芯片中的引导程序。l 如果是计算机主机板集成的网卡，其构成情况略有不同。网卡的基本构成33第 34 页网卡的基本构成34第 35 页l 网卡的物理地址 用来在网络中唯一确定和识别采用该网卡的入网节点，这是确保网络通信秩序的基本手段。通信设备的物理地址 不同网络技术形态的网卡物理地址表示
19、方式和使用方法不相同。以太网网卡的物理地址常称为MAC地址，它由以太网数据链路层中的MAC（介质访问控制Media Access Control）层使用。建立数据链路时使用通信双方的MAC地址进行相互识别与网络定位。发送方会把收/发双方的MAC地址放置在数据帧（Data Frame）中，数据帧接收者利用帧中的目的MAC地址来判断该帧是否是发给自己的。网卡物理地址一般采用固化的方式“烧死”在网卡上，用户无法修改。网卡的物理地址35第 36 页l 网卡的IRQ值为网卡这个接口设备指定中断工作方式时的中断请求号IRQ。l 网卡的I/O地址为网卡这个接口设备指定数据和控制指令输入输出的端口地址。（一般
20、的网卡需要一段I/O地址，通常为32个20H。）l 网卡的内存地址为网卡指定网卡BIOS映射到内存的入口地址。l 网卡的DMA值为网卡这个接口设备指定DMA工作方式时的DMA通道号。l 以上4个工作参数的设定方式早期的网卡：手工方式设定，常采用硬件跳线方式，也有用软件设定。现在的网卡：支持PnP技术，自动设定，一般可通过设置软件更改。一般建议采用由PnP自动选择的工作参数。网卡的工作参数36第 37 页l 数据传输速率和工作模式（半双工/全双工）自动配置技术/自适应技术自动协商机制l 支持的介质和接口类型、指示灯数量和功能l 支持的总线类型和总线频率l 支持的网络协议和操作系统l BIOS版本
21、及其升级能力l 自启动芯片的类型和软件版本l CPU占用率和并发连接数l 支持的网络管理协议等网卡的基本特性37第 38 页l 网卡的安装 网卡的物理安装：根据网卡的总线类型安装到不同的总线扩展槽中并进行固定，把合适的传输介质连接到网卡的网络接口上。网卡的软件安装：向操作系统安装合适的网卡驱动程序，使操作系统能控制和使用该网卡。实质上是向操作系统提供合适的数据链路层协议。网卡的驱动程序可以不断升级与更新。l 网卡的使用 网卡的工作参数配置（手动/自动配置）网卡的工作状态监控工作指示灯和操作系统等提供的状态监控数据使用专门的软件监控和调节网卡的工作状态 多网卡的使用（多宿主计算机）、网卡的更换、
22、管理和维护网卡的安装与使用38第 39 页l 虽然存在5-4-3规则之类的限制，利用集线器和中继器等物理层的网络设备已经能够组建规模较大的网络并能完成通信工作实现应有的网络功能。但这样的网络存在明显的“先天不足”。一个物理网络中的节点数量存在明显的限制，不能满足网络规模进一步扩大的需求。由于所有的节点共享同一个冲突域，当网络中的节点数量越来越多时，网络通信性能会急剧下降。在这样的网络中引入网桥分割网段可有效地解决这些问题。l网桥类似于中继器，一般提供两个网络端口，用来桥接两个不同的物理网段/网络。l网桥和中继器的工作有本质的差别，网桥把从一个网络端口收到的数据包有选择地转发到另一个网络端口，因
23、此网桥不仅和通信信号有关，也和通信信号中包含的数据有关，它具备一定的“智能”。网桥概述39第 40 页l网桥工作在OSI/RM的物理层和数据链路层，实现了两个物理网段/网络的数据链路层互连。有些网桥提供的两个网络端口是一致的，可以把两个相同技术形态的物理网段/网络互连。当然也有多端口的网桥设备。有些网桥提供的两个网络端口不一致，可以实现两种不同技术形态的（物理层和MAC层不相同）物理网段/网络的互连，但要求这两个网段/网络的数据链路控制层LLC层一致。网桥概述40第 41 页l 网桥也是一种通信转发器，但与中继器的转发完全不一样。网桥的一个端口收到通信信号后需要上升到数据链路层，从信号提取有效
24、的数据帧进行判断是否需要转发，如果收到的信号中无法提取有效的数据帧则不转发，这样就有效地隔绝了冲突信号从网桥一端的物理网段/网络传播到网桥另一端的另一个网段/网络。利用网桥可以有效地分割冲突域的范围，网桥两边的两个网段/网络各自属于一个不同的冲突域。针对不同的有效数据包类型，网桥有不同的转发策略：对于组播和广播数据包，网桥无条件地转发；对于单播数据包，网桥需要根据数据帧中的目的物理地址来判断是否需要转发。利用网桥不能分割广播域的范围，即利用网桥互连在一起的两个物理网段/网络，它们还是在同一个物理网络，它们共享同一个广播域。网桥概述41第 42 页网桥的使用42第 43 页桥接的网络43第 44
25、 页l透明网桥 Transparent Bridge以上所述网桥就是透明网桥，所谓“透明”是指它对任何数据站（节点）都完全透明，用户感觉不到它的存在，也无法对网桥寻址。所有的转发判断全部由网桥自己确定。当网桥连入网络时，它能自动初始化并对自身进行配置。l转换网桥 Conversion Bridge转换网桥是透明网桥的一种特殊形式。它在物理层和数据链路层使用不同协议的LAN提供网络连接服务。l封装网桥 Encapsulation Bridge封装网桥通常用于连接FDDI骨干网。与转换网桥不同，封装网桥是将接收的帧置于FDDI骨干网使用的信封内，并将封装的帧转发到FDDI骨干网，进而传递到其它封装
26、网桥，拆除信封，送到预定的工作站。l源路由网桥 Source Routing Bridge源路由网桥主要用于互连令牌环网，但在理论上可用于连接任何类型的LAN。源路由网桥与上述3种桥的基本区别是，源路由网桥要求信息源(不是网桥本身)提供传递数据帧到终点所需的路由信息。l其他类型的网桥网桥的分类44第 45 页转换网桥的工作原理45第 46 页网桥的使用46第 47 页网桥的内部结构47第 48 页网桥的工作原理48第 49 页l 网桥的“智能”工作机制依赖于内部的MAC地址-端口映射表。网桥刚启动时，这个表是空白的没有任何映射关系，这些映射关系需要网桥在工作过程中通过“学习”和“泛洪”来获得。
27、l 网桥的任何一个端口接收到有效数据帧后都会把数据帧缓存下来，然后解读数据帧，从中提取源MAC地址和目的MAC地址。网桥知道从哪个端口接收到数据帧，从该数据帧提取出源MAC地址，把这一组映射关系记录到地址映射表中，这个过程就是网桥的自我学习。网桥从一个端口收到数据帧缓存后提取其中的目的MAC地址，利用该地址到映射表中查询是否存在，如果有该地址的映射关系，则看映射的端口。如果映射的端口与接收到该数据帧的端口一致，则说明收发双方在同一网段，网桥对该数据帧不做任何处理，直接从缓存中删除。过滤机制如果对应的端口与接收到该数据帧的端口不一致，则说明收发双方不在同一个网段，网桥就把该数据帧通过指定的端口转
28、发出去。转发机制网桥的工作原理49第 50 页l当网桥从一个端口接收到数据帧中提取目的MAC地址后查询地址映射表，发现没有该目的MAC的映射关系，则网桥发起“泛洪”过程，通过“广播”的形式在整个物理网络中寻找这个指定MAC地址设备的位置，通过响应获取这个MAC地址的映射关系。l网桥内部地址映射表中的每一个映射关系在记录的同时会设定一个“老化”计时器，以后每次处理映射表中有对应关系的数据帧时会重新刷新这对映射关系，如果在一定时间内不再使用到某个映射关系，则会删除这对映射关系。设定老化的目的有二：一是网桥内部的映射表存储器容量有限 地址映射表容量是网桥的重要特性二是迎合网络动态变化的需求，如节点设
29、备的移除或改变位置等l网桥内部地址映射表中的数据也可以由网络管理员通过手动的方式输入“静态”的映射关系，静态映射关系没有老化时间。l网桥端口只能处理有效数据帧，无效数据帧一律不处理，这也是过滤，这样就能有效隔离冲突域。网桥端口对于组播和广播数据帧无条件转发，地址映射表中也没有这两类地址的映射关系。因此网桥只能隔离冲突域而不能分割广播域。网桥的工作原理50第 51 页网桥的工作流程51第 52 页l网络交换机Switch是结合了集线器和网桥的优点而发明的具有革命性意义的网络设备，它不仅大幅度提高了网络的性能，同时组网的便捷性也很好。从外表看，交换机和集线器几乎没有差别，它们都能提供多个等同的网络
30、端口，每个端口可以单独连接一个网络设备。最常见的端口都是RJ-45端口。从工作原理看，交换机和网桥有较大的相似性，可以认为交换机是一个更多端口要求PHY一致的复杂透明网桥，每个端口都可以桥接一个不同的物理网段/网络。但是网络交换机和集线器、网桥之间还是存在比较明显的差异，在保留后二者优势的基础上带来了更好的网络性能，使集线器和网桥逐渐退出网络领域。交换机概述52第 53 页l 交换机和集线器外部特征相似，但内部构成和工作原理完全不同。集线器内部仅相当于一条总线，对外提供多个网络端口，所有的端口共享网络带宽，各端口采用竞争的方式获得数据发送权。交换机内部是复杂的交换矩阵电路，所有的外部端口连接在
31、交换电路上实现有针对性/选择性的端口之间的数据包交换，每个网络端口独享网络带宽，因此交换机的网络数据传输能力远大于集线器。交换机和集线器53第 54 页l 从表面看，交换机和集线器的组网方式基本一致，凡是在使用集线器的地方都可以用交换机来更换，而其他方面无需任何改动即可获得更高的网络性能。集线器和交换机组网时形成的物理拓扑结构相同，都是星型结构。集线器的逻辑拓扑结构是总线结构表里不一致。交换机的逻辑拓扑结构还是星型结构表里一致。集线器所有的端口共同形成一个物理网段，构成一个冲突域和广播域。交换机的每个端口各自形成一个独立的物理网段，构成一个独立的冲突域，但所有的端口构成同一个广播域。交换机和集
32、线器54第 55 页交换机和集线器55第 56 页l 从工作原理和网络功能上看，交换机是一个更多端口的透明网桥，但二者还是存在巨大的差异。交换机的每个网络端口和网桥的端口一样工作在OSI/RM的物理层和数据链路层，根据数据包中的目的地址有选择性地转发数据包，但二者的转发策略不尽相同。交换机的每个网络端口和网桥的端口一样用来分割冲突域，各自连接一个独立的物理网段，但交换机的每个端口一致。交换机的数据转发方式本质上和网桥的数据转发方式不一样，带来的转发效率/网络性能也不一样。硬件转发/软件转发 交换机的内部构成比网桥复杂了很多，结合相应的软件使交换机不仅提高了网络性能，而且可以实现更多的网桥不具备
33、的网络功能，如虚拟局域网功能等。交换机和网桥56第 57 页l 根据网络范围的大小分类 广域网交换机（一般指电信部门使用的交换机和互联网的骨干交换机等）局域网交换机（应用于企业、办公室、楼宇等领域组网）l 根据网络工作原理和技术形态的不同分类 以太网交换机 令牌环网交换机 FDDI交换机 ATM交换机交换机的分类57第 58 页l 以太网交换机基于端口和数据帧实现数据包的交换，采用具有智能控制功能的硬件交换电路实现数据包交换。l 交换机内部硬件交换电路实际上是通过程序控制的复杂电子开关矩阵。根据控制程序的判断结果决定接通或断开某些开关从而为某些端口之间建立或拆除数据传输的通道（链路）。l 控制
34、程序的核心在于如何判断从某个端口进来的数据包应该发往哪些端口，从而决定如何控制相应的电子开关做出动作。控制程序判断的依据是数据帧中的目的MAC地址。在每个被传输的数据帧中均包含发送方的源地址和接收方的目的地址。如果目的地址是广播地址和组播地址，则直接把数据包发送到其他所有端口。问题的关键就在于交换机的控制程序如何知道拥有某个MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上？以太网交换机的工作原理58第 59 页以太网交换机的工作原理59第 60 页l 以太网交换机的每个端口具有MAC地址的自我学习功能，学习方式和过程与网桥类似。l 在交换机内部辟有专门的地址缓冲器，用来存放MAC地址和端口号的映射关
35、系，俗称MAC地址表。控制程序要求每个端口从收到的数据帧中提取源和目的MAC地址进行学习，在地址缓冲基础上判断数据从哪儿来，又该送往何处。l 交换机的地址缓冲器是动态存储器，其中的数据会根据一定的策略不断地刷新以满足网络结构的变化，其存储容量有限。l 最初获得某些MAC地址和端口的映射需要通过泛洪/广播的方式实现，经过一段时间学习和泛洪，交换机基本能掌握所有的MAC地址-端口映射关系而无须更多的泛洪，有效地降低了交换网络中广播的数量。以太网交换机的工作原理60第 61 页l 在数据交换之前，需要通过交换矩阵电路建立有效的传输链路，此时数据可能全部或部分存放在端口缓冲队列中，等到链路建立成功后立
36、即实施数据的交换与传输。l 交换机所有的端口通过交换矩阵电路连接在共同的背板总线上，交换机内部的数据传输都要通过背板总线进行，背板总线的宽度影响交换的效率和能力。l 交换机内部是一个复杂的信息处理系统，随着交换机附加功能越来越多，需要有良好的控制系统进行协调。当前交换内部一般采用专门的芯片实现交换系统的各项功能，这个芯片相当于CPU，直接左右整个交换机的性能和功能。跟这个芯片配套的软件同样重要。以太网交换机的工作原理61第 62 页以太网交换机的工作原理62第 63 页以太网交换机的工作原理63第 64 页三种交换方式64第 65 页l 单个以太网交换机的使用方式和集线器几乎一样。l 根据交换
37、机交换能力的高低，不同等级的交换机设计了不同数量的交换端口。随着网络规模的扩张，单个交换机不能满足组网的需求，必须通过的一定的方式扩展网络规模。l 扩展模式一：交换机与集线器共同组网 交换机用于上层设备，利用其中一些端口下联集线器，构成简单的层次型网络结构，是一种混合型态的网络结构。交换机与集线器之间的级联方式和集线器/交换机之间的级联一样。l 扩展模式二：全交换/纯交换网络 交换机与交换机之间连接，扩展可用的交换端口数量。级联（串联）：利用专门设计的级联端口或普通端口实现堆叠（并联）：利用交换机堆叠模块提供的堆叠端口实现再次提请注意：这两种扩展方式之间的差别到底是什么？以太网交换机的使用65
38、第 66 页交换机网络66第 67 页交换机和集线器混合网络67第 68 页纯交换网络68第 69 页l 按交换机提供的网络交换端口的数量和工作速度、工作模式分类。l 按交换机是否可以进行功能扩展分类。l 按交换机的性能和功能等级分类。入门级、工作组级、部门级、企业级等l 按交换机的安装方式分类。桌面式、壁挂式、机架式、机柜式等l 按交换机是否提供网管功能分类等。以太网交换机的分类69第 70 页l 端口数量、形式、速度、模式等l 背板最大吞吐量背板带宽、核心指标l 最大MAC地址缓存数量MAC地址表容量l 端口缓存容量l 交换线速度数据包转发速度和延时时间l 支持的协议种类和标准规范l VL
39、AN的支持及其种类l 网管能力、网管方式及其安全性l 其他：如扩展槽的数量，堆叠端口的数量等以太网交换机的基本特性70第 71 页l 根据网络设计方案选择交换机的放置位置，普通交换机放在平稳的台面或地面上，堆放的层数不宜太多，机架式交换机采用配套的附件安装到指定的机架位置。核心级/骨干层交换机可能需要使用UPS供电。注意通风、防雷等环境因素对交换机工作的影响。安装可选模块或组件。l 可管理交换机采用合适的方式配置相关的参数。l 连接设备，开机测试，观察交换机的工作状况。l 通过管理界面在线实施交换机的管理和性能调试。l 使用过程中通过某种手段监控交换机的运行状况，发现问题及时调整和优化。交换机
40、的安装与使用71第 72 页l交换机通过硬件交换电路实现了高效率的数据帧交换，较之于网桥提供了更好的组网方式和网络性能。但有一个重要的问题和网桥一样没有解决广播通信。l对于网络中的广播数据包包括组播数据包，网桥和交换机都是无条件转发到所有端口，而且在地址学习过程中也要通过广播机制来实现，因此交换机和网桥只是细化了冲突域而没有分割广播域，整个物理网络都处在同一个广播域范围内。l当一个物理网络中的节点数量比较多，节点之间的通信比较频繁时，整个网络中的广播通信量可能就比较大，严重影响网络的实际通信能力，当广播量达到一定程度，会阻塞整个网络的正常通信而导致网络瘫痪，这时常形象地称为产生了“广播风暴Br
41、oadcast Storm”。l仅工作到数据链路层的网桥和交换机无法解决广播风暴问题，于是要上升到网络层来解决这个问题，但是人们也很快发明了相关的交换机技术来解决广播风暴等问题，从而进一步提升交换网络的性能和管理模式，这就是三层交换技术和虚拟局域网技术等。l习惯上把仅工作到数据链路层的交换机称为二层交换机。当前中低档以太网交换机仅支持二层交换，而中高档交换大多实现了三层交换功能。传统交换机的缺陷72第 73 页l路由器是实现OSI/RM网络层互连的设备。以后如不特别说明，互连网internet指用路由器互连而成的多个逻辑网络的总称，例如Intranet/Internet。l 从互连的角度看，利
42、用路由器可以实现不同形态网络的互连，但其实现的功能和目标是一致的。LAN和LAN的互连、LAN和WAN的互连、WAN和WAN的互连l 路由器和集线器、交换机等设备一样，提供多个网络端口，但不同的是路由器的多个网络端口可能是不一致的，即每个网络端口采用的物理层/数据链路层技术不一样，由此可以用来互连不同技术形态的物理网络，但每个端口上升到网络层时必须采用相同的协议。路由器概述73第 74 页路由器的使用74第 75 页互连网75第 76 页路由器网络76第 77 页l 路由器Router和交换机一样是多端口网络设备，抛开具体工作原理来看，路由器和交换机实现的功能有些类似，即把来自一个端口的数据交
43、换转发到另一个端口，但具体实现方式有重大的差别：交换机工作在OSI/RM的第二层数据链路层，依赖物理地址（如MAC地址）实现数据转发策略，每个交换端口物理网络特性一致。路由器工作在OSI/RM的第三层网络层，依赖逻辑地址（如IP地址）实现数据转发策略，可见路由器的转发速率低于交换机，每个路由端口可不一致。路由器把从一个路由端口接收到的数据包通过指定的另一个路由端口转发到其他合适的网络或接收者，这个过程对于互连网而言实际上是一个选择数据包投递路径的过程，用“路由Route”这个术语描述这个过程。交换机数据转发的依据是物理地址(MAC地址)-交换端口映射表，该表中的数据纪录由交换机动态学习获得或由
44、网络管理员手工静态输入。路由器实施路由和数据包转发的依据是路由表，该表中的每个记录描述了到达一个指定网络或接收者的路由/转发信息，这些记录数据由支持路由器工作的路由协议动态学习获得或由网络管理员手工静态输入。路由器的工作原理77第 78 页l 路由器的基本任务是实现网络之间数据路由转发，但当前路由器的这种咽喉作用已经更进一步了，即这种咽喉装置是可以进一步人为控制的，由此为路由器增加了一系列的控制机制，用以实现大量的路由器增值功能，诸如安全控制、网络计费等。l 控制机制的实现是路由器的第二项基本任务，它的实现需要付出一定的代价，这进一步降低了路由器的性能。l 为了确保网络性能，各个路由器都在努力
45、提高路由器处理数据的能力和速度。路由器实际上就是一台具有多个网络端口的专门实现路由功能的计算机系统，为了确保性能，好的路由器都是采用专门的处理芯片（ASIC）和相应的专门软件来实现各种功能的。l 事实上也可以用一般的计算机来充当路由器，方法是在计算机中根据需要安装多个网络接口（称为多宿主计算机），再通过一定的路由软件来实现路由器功能，这种模拟路由器没有专业路由器设备性能好，但是成本相对来说低很多，能满足一般网络需求。路由器的工作原理78第 79 页l 支持路由器工作的基本网络协议分为两块：、支持每个路由端口工作的各层协议：物理层协议、数据链路层协议：构成每个路由端口的物理网络特性，与该端口相连
46、的物理网络一致。路由器提供的多个路由端口的物理网络特性可能不同，一般简单分为LAN端口和WAN端口两种。网络层协议：这是实现路由器基本的网络间数据路由转发功能的根本，这些协议必须是可被路由的协议。常见的路由器仅支持一种网络层协议，即IP协议，但也有支持其他协议的路由器，而高档的路由器能同时支持多种网络层协议，称为多协议路由器。连接在每个路由端口上的网络在网络层必须使用和路由器一致的协议。路由器的工作协议79第 80 页l 支持路由器工作的基本网络协议分为两块：、路由协议：路由协议的基本作用是生成和管理路由表，这是支持路由器工作的核心协议，是决定路由器性能和应用领域的决定性因素之一，也是选择路由
47、器的重要参考指标之一。不同的路由协议各自采用不同的策略和算法获取路由信息，相应的路由能力和性能也不同。常见的路由协议分为两类：内部网关协议IGP(Internal Gateway Protocol)：RIP、OSPF等 外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)：EGP、BGP等路由协议Routing Protocol和路由端口网络层的被路由协议Routed Protocol之间需相互合作才能完成路由器的工作。路由器的工作协议80第 81 页l 从当前来看，由于大多数网络是基于TCP/IP架构，尽管底层的物理网络技术有很多种，但网络层大多采用IP协议，因此大多数路
48、由器是实现IP网络互联的设备，称为IP路由器(IP Router)。l IP路由基于IP地址实现，为了降低数据处理量、提高工作效率，IP路由器使用IP地址中的网络ID作为选择路径的依据而不是整个IP地址。l IP路由器做出路由选择的依据是IP路由表（IP Route Table），在路由表中包含了到达某个IP子网的下一站地址，路由器就是要把转发的数据包发送到该地址，再由该地址决定数据包的下一个转发地址，依次类推一直到把数据包转发到接收者所在的目的网络。IP路由器81第 82 页l 为了使网络中每个节点确定路由器的位置，也为了使互连网中路由器能够相互感知并合作，须给连接在不同物理网络中的每个路由
49、器端口分配确定的唯一IP地址。连接在每个路由端口上的物理网络构成一个IP子网。处于同一个IP子网的设备之间可以直接通信而不需要通过路由器，这样的数据通信称为直接投递，它实际上是建立在设备本身拥有的内部路由能力的基础上实现的。处于不同IP子网的设备之间不可以直接通信而必须通过路由器这样的中间结点转发才能实施通信，这样的数据通信称为间接投递，它建立在外部路由器拥有的路由选择和数据转发能力的基础上实现的。IP路由82第 83 页IP互连网83第 84 页IP路由表84第 85 页l 路由表中存储的每个路由信息采用记录的形式表示，每条路由信息记录通常有以下几个字段：目的网络Network Destin
50、ation：网络目的地址 子网掩码Network Mask：相应的子网掩码 接口Interface：数据包转发出去的接口 网关Gateway：到达目的地址的下一个网关地址 跳数Metric：跃点（跳）数,表示使用路由的开销，通常是到达目标位置的跃点数目。IP路由表信息85第 86 页l 基本分类：通用路由器、专用路由器l 从性能、价格档次分类：高、中、低档路由器l 从结构分类：固定式路由器、模块化机箱式路由器l 从实现的功能上分类：骨干级路由器、企业级路由器、接入级路由器、（电信级路由器）l 从处于网络中的位置分类：中间、边缘路由器l 无线路由器、ADSL路由器（宽带路由器）等路由器的分类86
