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网络设备,本章介绍组建计算机网络需要用到的网络设备，简要介绍它们的作用、分类、结构、基本原理和选型。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,目录,一.传输介质二.局域网设备三.其他设备,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,一.传输介质,传输介质是网卡与网络设备、网络设备与网络设备之间的物理连线。传输介质的2端通过连接器连接到网络设备和网卡的通信端口，从而实现主机与设备、设备与设备的互联。在计算机网络中，传输介质分为有线介质和无线介质2大类。常用的有线介质包括双绞线、同轴电缆和光缆等3种。下面我们简要介绍有线传输介质的性能、品种和安装过程中的注意事项。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,有线传输介质,1.双绞线2.同轴电缆3.光缆,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,1.双绞线,双绞线(twisted pair)是网络布线系统中最常用的一种传输介质。双绞线一般由两根2226号绝缘铜导线相互缠绕而成，双绞线的两根绝缘导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线,双绞线包括无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP。也称为非屏蔽双绞线)和屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)2类。STP包括3类和5类2种，UTP包括3类、4类、5类/超5类和6类等。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,屏蔽双绞线,影响屏蔽作用的因素 环境噪声的级别和类型屏蔽层的厚度和所使用的材料接地方法屏蔽的对称性和一致性,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,非屏蔽双绞线,“X Base T”“X”代表最大数据传输速度为X Mbps，“Base”代表采用基带传输方法传输信号，“T”代表UTP。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,非屏蔽双绞线电缆优点,无屏蔽外套、直径小、节省空间；重量轻、易弯曲、易安装、具有阻燃性；将串扰减至最小甚至消除；具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,常见双绞线产品的外观,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,常见双绞线的型号,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,RJ-45连接器结构及电线色谱排列,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线中电线的功能分配,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线的制作,关于RJ45头的边接标准有两个：T568A和T568B。二者只是颜色上的区别，本质的问题是要保证1-2线对是一个绕对、3-6线对是一个绕对、4-5线对是一个绕对、7-8线对是一个绕对。我们常用的接线法是T568B。T568A的排线顺序为：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。T568B的排线顺序为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线的制作,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线的制作,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交叉线,交叉线用于两台电脑间不用集线器HUB而直接连接，以便使两台电脑之间共享左起：白橙橙白绿蓝白蓝/绿/白棕/棕；左起：白绿/绿/白橙/蓝/白蓝/橙/白棕/棕,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线的用途,双绞线主要用于星型局域网布线。双绞线的局域网标准包括10BASE-T、100BASE-T和1000BASE-T，其中参数含义如表所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,双绞线参数含义,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线的比较,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,2.同轴电缆,同轴电缆(coaxial cable)是由一根空心的外圆柱体及其所包围的单根导线组成，柱体和导线之间用绝缘材料填充。同轴电缆的频率特性比双绞线好，能进行较高速率的传输。又由于它的屏蔽性能好，抗干扰能力强，因此通常用于基带传输。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,常见同轴电缆,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,常见同轴电缆,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,同轴电缆分类,按照带宽的不同，可以把同轴电缆可为2种基本类型:基带同轴电缆 宽带同轴电缆 目前常用的是基带电缆，其屏蔽线是用铜做成的网状套，特征阻抗为50欧姆(如RG-8型和RG-58型)。宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为75欧姆(如RG-59型)。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,同轴电缆分类,按照电缆直径的大小，基带同轴电缆可以分成粗同轴电缆和细同轴电缆2种。粗同轴电缆的直径是10mm，特性阻抗是50。粗同轴电缆的其局域网标准是10BASE5。细同轴电缆的直径是5mm，特性阻抗也是50。细同轴电缆的局域网标准是10BASE2。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,细同轴电缆,细同轴电缆：中心有一个铜的或敷铜箔膜的铝导线，中轴上包围着一层绝缘泡沫材料。10Base2：“10”代表了它的数据传输速度为10Mbps，“Base”代表了它使用基带传输，“2”代表了最大段长度为185（或粗略为200）米。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,细同轴电缆,电缆系统:细缆(RG-58 A/U)（5毫米，50欧姆）BNC连接器插头（安装在两端）BNC桶型连接器（连接两段细缆）BNC 终端匹配器（50欧姆）中继器（最多四个）,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,细同轴电缆,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,细同轴电缆,电缆系统:细缆(RG-58 A/U)（5毫米，50欧姆）BNC连接器插头（安装在两端）BNC桶型连接器（连接两段细缆）BNC 终端匹配器（50欧姆）中继器（最多四个）,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,细同轴电缆,技术参数：（1）最大的干线段长度:185米；（2）最大网络干线电缆长度:925米；（3）每条干线段支持的最大结点数:30；（4）BNC-T型连接器之间的最小距离:0.5米。特点：（1）容易安装；（2）造价较低；（3）抗干扰能力强；（4）维护和扩展困难；（5）断点多，可靠性差。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,粗同轴电缆,同轴粗缆：中心为铜导体或敷铜箔膜的铝导体。10 Base 5：“10”代表10Mbps的吞吐量，“Base”代表是基带传输，“5”代表了粗缆网的电缆最大网段长度为500米。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,粗同轴电缆,电缆系统：粗缆(RG-11 A/U)：（10毫米，50欧姆）N-系列连接器插头：（安装在两端）N-系列桶型连接器：（连接两段）N-系列终端匹配器：（50欧姆）中继器：（干线段的长度不超过500米，最多四个）,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,粗同轴电缆,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,粗同轴电缆主要技术参数,（1）最大干线段长度：500米。（2）最大网络干线电缆长度：2500米。（3）每条干线段支持的最大结点数：100。（4）收发器之间最小距离：2.5米。（5）收发器电缆的最大长度：50米。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,粗同轴电缆主要主要特点,（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）地理覆盖范围大，最长距离可达2500米；（3）安装、维护和扩展困难；（4）造价高。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,同轴电缆用途(比较),粗同轴电缆适用于比较大型的局域网，它的距离长、可靠性高。由于安装时不需要切断，因此，可以根据需要灵活高速地调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器跳线，安装难度大，所以总体造价高。细同轴电缆的安装相对简单，造价低。但是，由于安装过程中要切断电缆，然后，再把电缆接在T型连接器两端，所以，当接头多时容易产生接触不良的隐患(这是目前细缆以太网的最常见故障之一)。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,3.光缆,光缆是光导纤维电缆的简称。光导纤维是一种传输光束的纤细而柔韧的介质。光缆由一束纤维组成。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点：(1)频带较宽。(2)电磁绝缘性能好。(3)衰减较小。(4)成本低。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光缆结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光缆结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,常见光缆外观,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光导纤维,光纤：即光导纤维，是一种传输光束的细而柔韧的媒质。主要性能指标：衰减、许可角、数值孔径、色散。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,衰减,1.衰减：作为数据载体的信号（这里是光信号）在功率上的损失或减弱。它的单位是分贝。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,许可角,2.许可角：许可角是指特定的光纤能 接受光信号作为其入射角信号的角度。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,数值孔径,3.数值孔径NA：表示一根特定的光纤网线容纳光信号能力。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,色散,4.色散：是指不同波长的光穿过光纤时的散射开的现象。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光纤通信,光纤通信系统的组成：光源、光纤、光发送机和光接收机。光源光源是光波产生的根源；光纤光纤是传输光波的导体；光发送机光发送机负责产生光束，将电信号转变成光信号，再把光信号导入光纤；光接收机光接收机负责接收从光纤上传输过来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再作相应处理,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光纤通信,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光纤通信特点,优点：（1)传输频带宽、通信容量大，；（2)线路损耗低、传输距离远；（3)抗干扰能力强，应用范围广；（4)线径细、质量小；（5)抗化学腐蚀能力强；（6)光纤制造资源丰富。缺点：质地较脆、机械强度低,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光纤分类,1 按照模数分：单模、多模；2 按照折射率分布分：跳变式光纤、渐变式光纤3 其它分类方法,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,单模/多模,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,折射率分布,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,其它分类方法,常见的网络类型与光纤的型号对照表,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光缆的标号,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,光纤用途,在普通计算机网络中安装光缆是从用户设备开始的。因为光缆只能单向传输。为了实现双向通信，光缆就必需成对使用，一路用于接收，另一路用于发送。光缆两端通过SC或ST光学连接器与设备相连。在光缆布线时需要格外谨慎。连接每条光缆时都要磨光端头，通过电烧烤或化学环氯工艺与光学连接器连在一起，确保光通道不被阻塞。光纤不能拉得太紧，要留有一定长度的跳线。光纤走向不能成直角。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,传输介质综合应用,光缆主要用于网络设备的互联，同轴电缆和双绞线主要用于网络设备到桌面主机的连接。同轴电缆用于总线型局域网布线，双绞线用于星型局域网布线，其典型的布线方式如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,传输介质综合应用,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,选择介质考虑的因素,（1）数据传输速度。（2）在某网络拓扑结构中的使用。（3）距离要求。（4）电缆和电缆组件的成本。（5）要求的其他网络设备。（6）安装的灵活性和方便性。（7）可防止外界干扰。（8）升级选择。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,二.局域网设备,局域网设备主要包括中继器、集线器、网桥、LAN交换机和路由器。无线局域网设备在后边章节介绍。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,1.中继器,目前，从计算机网络文献来看，中继器具有2个含义其狭义含义特指一种设备，该设备称为repeater其广义含义泛指一类设备，这些设备具有中继功能。中继器是物理层设备,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,中继器,通常说到中继器是特指repeater这种设备。本章所讲的中继器也是狭义的中继器。有些设备不仅仅具有中继功能，它们还具有其他更重要的功能，有时，中继功能仅是其中较小的一个。从这个角度来看，局域网中的集线器、LAN交换机和路由器都首先是中继器。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,中继器典型用途,由于局域网传输介质的长度都有一定限制，例如，以太网中粗同轴电缆的最大长度是500m，细同轴电缆的最大长度是185m，双绞线的最大长度是100m。因此，当主机之间的距离大于一定数值时，就需要中继器延长传输介质的距离。当然，中继器的数量也是有一定限制的，不可能无限制地延长下去。例如，以太网中中继器的个数不能超过4个。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,中继器使2个远程主机互联,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,中继器其他用途,有的中继器在实现中继功能的同时，还能进行传输介质类型的转换，即该中继器可以连接2种传输介质。例如，一个接口连接同轴电缆，另一个接口连接双绞线。这种设备称为transceiver。中继器是物理层设备，因为，它只是对物理层的通信编码信号进行再生和放大，而不涉及其他高层的功能。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,2.集线器,顾名思义，集线器是一种把网络联线(简称网线)集中到一起的器件，因此，被形象地称为Hub。集线器实质上是一个多端口的中继器，它在实现中继功能的同时，汇接多台主机。主机通过集线器连接成的局域网是星型结构。集线器的出现使局域网的结构从以总线型为主变为以星型结构为主。实际上，集线器构成的星型局域网在本质上也是总线型的，因为，集线器主板的数据总线相当于同轴电缆总线的作用,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,集线器基本结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,集线器的分类,按照总线带宽的大小，可以把Hub分为10Mbit/s、100Mbit/s和10M/100M自适应Hub等3种；按照端口数目的多少，可以把Hub分为8口Hub、16口Hub和24口Hub等3种。按照Hub 与Hub的连接方式，可以把Hub分成独立式Hub、可堆叠Hub、模块式Hub。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,独立式Hub,独立式Hub：此类Hub可以通过UTP级普 通端口实现连接。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,独立式Hub的优点,配置简单、价格低廉、使用方便，而且共享工作方式使之容易利用空闲端口侦听网络状态，便于定位故障源。独立式Hub的缺点是数据率较低(一般是10Mbit/s)，不能检测复杂的网络事件，也不能对特定的端口分配专用的带宽，另外，其管理功能是可选的，一般比较弱。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,独力式Hub用途,独力式Hub主要用于办公室、网络教室、业务室以及家庭范围的小型工作组局域网。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,(2)可堆叠Hub,此类Hub也可以独立使用，也按照CSMA/CD方式操作。不同的是，它具有专用的级联端口，建网时，往往是若干个可堆叠Hub通过该端口把Hub主板的高速总线连接起来构成堆叠式Hub。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,可堆叠式Hub的级联,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,堆叠式Hub的工作原理,与一个Hub的原理一样，串联起来的总线被主机按照CSMA/CD存取，每个端口的可用带宽是Hub总带宽的平均值，与主机数量成反比。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,堆叠式Hub的特点1,可堆叠Hub最大的特点是具备良好的可扩展性通过增加Hub的数量即可轻松满足用户主机增长的需求。因此，可堆叠Hub特别适用于用户数量增长快的工作组局域网。尽管在建网初期，可堆叠Hub的平均端口成本会高于独立式Hub，但是，随着主机数量的增加，平均端口成本会迅速下降。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,堆叠式Hub的特点2,可堆叠Hub的另一个特点是，在堆叠起来的多个Hub中只需要有一个Hub是具有管理功能的，其他Hub同时具有可管理性。另外，堆叠式Hub还具有即插即用(plug&play)、电源备份及端口防窃听/冒名等高级安全功能。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,堆叠式Hub的应用,由于网络直径长度的限制，堆叠的个数也有限制，一般级联Hub的个数是68，最大的可达10个。例如，10BASE-T和100BASE-T标准中可堆叠Hub的个数是8个。注意：一个可堆叠式Hub带来的延时相当于10m的UTP的延时，因此，8个堆叠起来的Hub的延时相当于80m的UTP。可见，堆叠在带来扩展性的同时，占用了主机之间的链路长度。这一点在局域网布线时要给予充分的考虑。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,(3)模块式Hub,此类Hub的外形象一块大型的接口卡，它一般固定在机箱背板(base board)的插槽中使用。多个模块式Hub的级联通过机箱背板上的总线实现。一般地，一个机箱具有414个插槽。多个模块式Hub共存一个机箱构成一个机箱式集线器，它可以容纳不同类型局域网的模块式Hub。例如，以太网Hub、令牌环MAU、FDDI Hub以及ATM模块。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,模块式Hub的特点,灵活性好，它可以适应复杂的、大型的网络环境。另外，它的容错能力、扩展性和升级能力在3种Hub中都是最强的。模块式Hub的缺点是平均端口成本较高，因为，平均端口成本包含机箱和背板的成本。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,模块式Hub和机箱Hub,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,3.网桥,局域网互联方式包括2种，一种是桥接方式，另一种是路由方式。网桥就是桥接方式的设备。我们前面介绍的中继器和集线器主要用于主机之间的连接，而网桥主要用于局域网之间的互联。网桥的基本功能结构如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥的基本功能结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥工作原理,网桥从端口接收来自与端口相连的局域网主机发送的信号，进行解码和拆装得到MAC帧，然后把MAC帧存放在数据存储器的接收缓冲区内。网桥协议实体对帧进行合法性检查，例如，长度检查和CRC校验。如果帧有差错就将其丢弃。对于有效帧，如果帧的目的地位于源主机同一网段上，则将帧丢弃；如果目的地不在该端口连接的网段上，则查阅站表，以确定目的地址所对应的网桥端口。如果找到对应的端口，则把帧从缓冲中读出，转发给该端口；如果找不到，则向所有端口(除源端口)广播该帧。上述工作过程称为过滤转发。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥的学习功能,除了过滤转发功能之外，网桥还有一项基本功能，称为学习。站表就是通过学习功能建立的。学习的过程是这样的：当网桥接收到帧时，它读取源MAC地址，然后在站表中登记MAC地址与端口的关联，同时为该关联计时，在计时时间段内，该关联有效。计时时间到期后，需要重新学习。计时时间称为生存期。典型的站表记录结构如下表所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥工作流程,网桥的操作由端口管理软件和网桥协议软件负责执行，其工作流程如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,说明,可以看出，站表在网桥的操作中是必不可少的。Hub就没有这个数据库，因为，Hub按照CSMA/CD操作，它不用了解端口连接的主机网络接口卡的MAC地址。而交换式局域网中用于连接主机的交换机具有站表。下面，我们介绍网桥的种类。从中读者可以看到，许多新型的网络设备都是从网桥发展来的。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥分类（一）,按照网桥连接的网段的种类(例如，以太网还是令牌环网)，可以把网桥分成混合网桥和非混合网桥。混合网桥是指能够连接不同种类局域网的网桥，例如，网桥一端连接以太网，而另一端连接令牌环网。非混合网桥是指连接同种局域网的网桥，它又可以分为透明网桥(transparent bridge)和源路由网桥(source routing bridge)。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,透明网桥,透明的含义是指在MAC帧中不包含路由信息，即帧中不携带帧应该经过的网桥的标识信息帧的转发完全由网桥决定，用户主机不知道网桥的存在，网桥的操作对用户是透明的。前面介绍的网桥实质上就是透明网桥。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,源路由网桥,源路由的含义是源主机在发出的帧中封装了路由信息，即去往目的主机应该经过的网桥序列。源路由网桥根据帧中携带的路由信息进行过滤转发帧。因此，用户必须掌握网络的拓扑结构，以便知道到达哪个主机应该经过哪些网桥。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,源路由网桥,为了得到路由信息，用户需要事先通过广播方式发送一种称为发现帧(discovery frame)的特殊帧去探测路由。发向全网的发现帧返回时记录了它们经过的路由，用户根据这些信息登记去往某特定目的地的最佳路由。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥分类（二）,另外，按照网桥端口数量，可以把网桥分成双端口网桥和多端口网桥。双端口网桥只有2个端口，因而，它只能连接2个网段。多端口网桥具有3个以上的端口，因而，它能连接多个网段。可以这样说，多端口网桥的发展导致了用于多个网段互联的LAN交换机的诞生。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,网桥分类（三）,按照所连接网段的距离，可以把网桥分成本地网桥和远程网桥。本地网桥连接的网段距网桥较近，一般在100m数量级。远程网桥连接的网段中的某一个距网桥较远，一般在1km数量级，超过了通过中继器所能延长的距离。这时，远程网桥之间的通信技术超出了局域网范围，需要支持长距离通信的数据传输技术，例如，电话网、X.25分组交换网、帧中继等。可以这样说，远程网桥的发展导致了用于远距离LAN互联的WAN交换机的诞生。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,4.交换机,交换机的基本用途是连接局域网(而不是连接主机)，使局域网的直径得以扩展。交换机的用途如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换机的基本用途,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换机的作用,交换机还具有提高局域网性能的作用。这一点可以从下图中看出。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换机工作原理,交换机的作用很象多端口网桥，因此，其基本工作原理与网桥是一致的。但是，交换机的结构比网桥要复杂得多，功能要比网桥强大得多。交换机对网桥的发展主要集中在交换结构、通信容量、可管理性、生成树标准和VLAN标准的改进等方面。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,a.交换机的结构,以太网交换结构基本可以分为3类，即总线结构、共享存储器结构以及交换矩阵结构。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,总线结构的交换机,在总线结构的交换机中，各个数据处理模块共享交换机背板上的一条总线，把它作为数据在交换机内部流动的通路。从每个输入端口进入的数据被输入处理部件(交换机协议实体)提交到总线上，数据被输出处理部件从总线上取走，然后，由输出端口输出。总线结构交换机数据交换原理如下图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,总线结构交换机,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,说明,(1)图中总线的存取方式不是按照CSMA/CD进行的，而是采用时分复用方式分配给端口使用，即每个端口在一个时间间隔内使用总线。这是交换机与Hub本质上的区别。正因如此，交换机每端口的带宽是专用，不象Hub那样是平均的。例如，10Mbit/s交换机的每个端口都是10Mbit/s的，而10Mbit/s Hub端口的带宽是（10/n）Mbit/s，其中n是端口总数。(2)总线结构交换机属于时分交换机(time division switch)。与时分对应的是空分交换机(space division switch)。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,共享存储器结构交换机,共享存储器结构交换机是总线结构交换机的变型。在共享存储器结构交换机中，从每个输入端口进入的数据被输入处理部件存入同一个存储器，然后，被输出处理部件从存储器中取走，从输出端口输出。共享存储器相当于总线结构交换机中的总线。共享存储器交换机中的存储器是个单点故障隐患只要它出问题，交换机就不能工作。共享存储器交换机适合于小系统、堆叠式系统或较大系统中的分布式交换模块。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换矩阵结构换机,交换矩阵结构换机又称为纵横制交换机(crossbar switch)或交叉点交换机(crosspoint switch)。由于高速集成电路技术的发展，这种结构交换机的设计实现变得比较容易。这种交换机背板交换容量可以扩展到100Gbit/s。交换矩阵结构交换机的结构如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换矩阵结构(33个交叉点),黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,说明,在交换矩阵结构交换机中，每个模块都连接至其他模块，构成全网状背板。每个模块都有自己的一组连接线，因而不必设置中央交换阵列。背板总容量等于N(N1)V，其中N是连线的数量，N(N-1)是链路的数量，V是一条链路的数据率(一条点对点链路的传输速度可达到1Gbit/s或更高)。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,注：,一个模块就是一个插板，它插到交换机的背板上。一个交换机具有432块插板，每个插板上有14个连接器)。当帧到达时，插板检查帧的目的地是否在该插板上。如果在，就复制该帧，然后把它通过插板上的数据总线传给该目的地对应的连接器。如果不是，该帧就通过背板的交换矩阵传给目的地所在的插板。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,b.工作原理(1)端口交换,交换机转发数据时有3种方式，即(1)端口交换：端口交换技术最早出现在底板式集线器中。这类集线器的底板通常划分有多个网段，由于Hub内网段之间不用网桥或路由器连接，网段之间是互不相通的。解决网段互通的办法就是端口交换，其原理是在底板上插入一个主模块，主模块通常被分配到某个网段上，多个网段通过主模块端口进行数据交换。端口交换还是一种共享传输方式，因为，多个网段要共享主模块的总线。因此，端口交换不是真正的交换。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,工作原理(2)帧交换,存储转发(store and forward)：交换机接收整个MAC帧，并将之全部存储于内部缓冲器。然后，对帧进行长度检查、地址检查和CRC校验以确定帧的正确性。如果帧无差错，则转发它；否则，丢弃它。存储转发方式适用于正确性要求高的网络。直通交换(cut through)：交换机只接收和缓存MAC帧的目的地址、源地址和长度/类型字段，共14个字节。交换机只检查帧的目的地址，然后立即转发数据帧。直通方式的转发延迟小，但是，无效帧及CRC校验错误的帧也被全部转发。直通方式能够提供线速处理能力，适用于转发速度要求高的网络。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,工作原理(2)帧交换,改进型直通交换(modified cut through)：直通交换的交换速度非常快，但不能对数据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，只能在数据率相等的端口之间进行交换。因此，提出了改进型的直通交换。直通交换的改进型结合了直通交换和存储转发的特性。在改进型直通交换中，交换机存储帧的前64个字节，通过前64个字节判断帧的正确性，然后抛弃不正确或无效的帧。以上3种方式的示意图如图所示。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换机数据转发原理,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,(3)信元交换(cell switching),信元交换处理的帧是长度固定的信元。由于长度固定，因而便于用硬件实现和数据处理调度。当前，具有代表性的信元交换技术是异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)，ATM信元的长度是53字节。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,c.交换机分类,我们结合交换机的应用环境介绍交换机的分类。按照应用环境，局域网交换机可分为企业级交换机部门级交换机工作组交换机桌面型交换机(desktop switch)校园网交换机(campus Switch)等产品。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,桌面交换机,这是最常见的一种交换机，它有时被称为交换式Hub。它区别于其他交换机的主要特点是端口密度低，一般每端口支持1个MAC地址，端口具有10/100Mbit/s自适应能力。桌面型交换机广泛用于办公室、小型计算机机房和业务量较为集中的业务部门。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,工作组交换机,在桌面型交换机不能满足需求时，就要考虑使用工作组型交换机。工作组型交换机的端口密度一般是24个，最多可达48个。每端口能支持14个MAC地址，而且端口的数据率基本上达到100Mbit/s。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,部门交换机,一个部门交换机通常有816个端口，通常在所有端口上支持全双工操作。虽然，部门交换机的性能要好于工作组交换机的性能，但是，平均端口价格通常与工作组交换机差不多。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,校园网交换机,一个校园网交换机的端口密度是1224，也有32个端口的产品。这种交换机一般作为网络的骨干交换机，并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，还支持扩充选项以及虚拟局域网(VLAN)等多种功能。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,企业交换机,与校园网交换机类似，它们之间最大的不同是企业交换机的扩展性较好，它可以通过插入一个底板进一步扩充。例如，在底板上又可以插入多个不同类型的组件，比如以太网中继器、FDDI集中器、令牌环MAU和路由器。企业交换机通常具有非常强大的管理功能，因此，非常适合于企业网络的环境。但是它的成本非常高。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,3Com局域网交换机,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,交换机应用环境,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,其他分类,根据交换机配置特点，还可以把局域网交换机分为机架式、带扩展槽固定配置式、不带扩展槽固定配置式3种产品。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,机架式交换机,这种交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型，如以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等，但价格较贵，高端交换机有不少采用的是机架式结构。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,带扩展槽固定配置式交换机,它是一种有固定端口数并带少量扩展槽的交换机，这种交换机在支持固定端口类型网络的基础上，还可以通过扩展其他网络类型模块来支持其他类型网络。这类交换机的价格居中。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,不带扩展槽固定配置式交换机,这类交换机仅支持一种类型的网络(一般是以太网)，可应用于小型企业或办公室环境下的局域网，价格最便宜，应用也最广泛。从MAC技术来看，局域网交换机可以分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等多种，这些交换机分别适用于以太网、快速以太网、FDDI、ATM和令牌环网等环境。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,其他分类（二）,从OSI的分层结构上来看，交换机可分为第2层交换机、第3层交换机和第4层交换机。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,第2层交换机,是指工作在OSI参考模型的第2层数据链路层上的交换机，主要功能包括物理寻址、成帧、差错校验以及流量控制。由于第2层交换机在划分子网和广播限制等方面的控制功能低下，因此，常常需要路由器与外部的交换机一起使用来解决这些问题。但是，路由器的处理速度比较慢，往往成为通信瓶颈，就象立交桥的情形。因此，促进了第3层交换机的发展。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,第3层交换机,是一个具有第3层交换功能的设备。所谓第3层交换是指数据交换根据第2层寻址结构进行，但是，第2层寻址结构是与第3层寻址结构事先关联起来的。因此，交换好象在第3层进行。一个第3层交换机象是路由器与交换机的联合体，它可以由交换机扩充而来，也可以由路由器扩充而来。因此，第3层交换机有时称为路由交换机或交换式路由器。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,Web交换机,它是Internet数据中心(Internet Data Center，IDC)设备提供管理、路由和负载均衡传输功能。它不同于传统网络设备的是，传统网络设备注重高速完成单个帧和数据包的交换，而Web交换侧重于跟踪和处理Web会话。除了由传统第2/3层交换机所提供的连接、封装和路由功能外，Web交换机还可提供传统局域网交换机和路由器所缺乏的服务器负载均衡、存取控制、服务质量(Quality of Service，QoS)保证以及带宽管理等管理能力。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,Web交换机,目前，Web交换机已由纯粹的传输层(第4层)设备发展到具有基于内容(应用层)的交换的智能，它利用内容或用户分类进行Web请求的重定向，可以大大地提高Web服务器的性能。面对Internet传输和商业发展速度远远超过计算机处理能力提高的压力，Web交换机把内容从服务器分流到Web交换机的做法可以缓解上述压力。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,5.路由器,当局域网通过路由方式互联时要使用路由器在前面讲到，交换机也可以具有路由功能，例如第3层交换机。所以，路由器的本质特征是具有路由功能，具有路由功能的设备就可以称为路由器。本节所说的路由器是指狭义上的路由器，即以路由选择作为其主要功能的设备。由于路由器的互联功能工作在第3层，与基本对用户透明的桥接设备相比，路由器具有更强的控制功能。例如，路由器可以检查第3层协议数据单元(PDU)头部中的源地址、目的地址、优先级以及生存时间等信息，并据此对PDU实施相应的处理。因此，通过路由方式互联起来的局域网具有更好的安全性和可管理性。,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,a.路由器的结构,单CPU对称结构双CPU对称结构单CPU非对称结构对称多处理器结构堆叠式结构分布式结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,单CPU对称结构,它是早期路由器的主要结构，20世纪80年代初，Proteon公司生产的路由器就是这种结构的路由器。单CPU路由器结构如图所示,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,单CPU路由器结构,黄院信息,提要目录第1节第2节第3节小结思考,单CPU路由器工作原理,当数据信号到达端口时，被网络接口接收。网络接口把信号转换成相应的第2层帧，然后，再从帧中取出第3层PDU。当共享总线空闲时，网络接口把PDU发送到共享总线上被中心CPU接收。否则，放入端口的缓存中暂存。中心CPU根据第3层PDU头部中目的主机的地址查询路由表(routing table)确定该PDU应该去往的下一跳路由器(next hop router)，然后，把PDU经过共享总线发送给与下一跳路由器连接的端口。当总线忙时，PDU在CPU的缓存中暂存。与下一跳路由器连接的端口把第3层PDU封装成网络帧，经接口发送给下一跳路由器。