計算機硬件基礎-第12章網(wǎng)絡硬件基礎-new

1、第12章 網(wǎng)絡硬件基礎12.1 網(wǎng)絡是什么網(wǎng)絡是由兩臺或兩臺以上的計算機組成的可以相互智能地共享軟件或硬件資源的一組計算機。網(wǎng)絡可以很小且簡單到只由兩臺計算機組成，它們之間可以共享只連在其中一臺計算機上的打印機和光驅，也可以很大成為世界上最大的網(wǎng)絡，例如Internet。智能地共享意思是，每臺計算機可以和其他的計算機共享資源或計算機保留對該資源的控制。而在兩臺計算機之間控制單一打印機的共享器并不能等價于網(wǎng)絡設備；因為是共享器而不是計算機操縱著打印任務，任何計算機都不知道什么時候對方需要打印，它們的打印任務會互相干擾。另一方面，一臺網(wǎng)絡共享的打印機可以被遠程控制，而且能夠在打印服務器的硬盤驅動器

2、上存儲來自不同計算機上的打印任務。用戶可以改變打印任務的順序，保留或刪除打印任務。此外，與共享器不同的是，設備共享能通過口令控制。實際上，任何存儲器或輸出設備都能通過網(wǎng)絡共享，但在網(wǎng)絡上最普遍的共享設備包括主要是打印機和磁盤驅動器。其中磁盤驅動器的整個驅動器、被選文件夾，或單獨的文件都能通過網(wǎng)絡被其他的用戶共享。網(wǎng)絡可以向用戶提供以下的便利： 共享昂貴的打印機和其他的外圍設備以減少硬件成本。 軟件和數(shù)據(jù)文件能夠在大量的用戶之間實現(xiàn)共享存取。 電子郵件的接收和發(fā)送。 協(xié)作功能允許大量的用戶同時為單一的事務服務。 遠程控制程序可以被用于疑難解答或向新用戶顯示怎樣執(zhí)行任務。 多臺計算機之間可以共享單

3、一的Internet連接。12.2 網(wǎng)絡的必要條件除非被連接的計算機已經知道它被連接了，而且使用相同的通信方式，并且指定了共享的資源，否則它們不能共同工作。因為網(wǎng)絡軟件基于邏輯連接的基礎上，并使得物理連接得以工作，所以網(wǎng)絡軟件和網(wǎng)絡硬件同樣重要。每個網(wǎng)絡至少要滿足以下要求： 計算機之間通過物理（電纜）或無線連接。 一組可用的通信規(guī)則，即網(wǎng)絡協(xié)議。 支持資源可以被其他計算機共享和對共享資源進行訪問控制的軟件，即網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。 可以共享的資源，例如打印機、磁盤驅動器。 使得計算機可以登錄到具有共享資源的計算機上的軟件，即網(wǎng)絡客戶端。12.3 網(wǎng)絡的分類從不同的角度對網(wǎng)絡類型有不同的分類，常見的分類

4、有以下幾種：按網(wǎng)絡分布的地理范圍分類，計算機網(wǎng)絡可分為以下幾種類型： 局域網(wǎng)（LAN）。我們談到的最小的辦公網(wǎng)絡就是一個局域網(wǎng)。一個局域網(wǎng)由在一個辦公室或一幢建筑物里的計算機及組件構成。局域網(wǎng)也能用和在辦公網(wǎng)絡中使用的相同組件來在家里構建。 城域網(wǎng)（MAN）。介于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的一種大范圍的高速網(wǎng)絡，其覆蓋范圍一般是在一個城市內。它的主要作用是將一個城市內的各個局域網(wǎng)連接起來，以便在更大范圍內進行信息傳輸與共享。 廣域網(wǎng)（WAN）。位于不同地方的局域網(wǎng)通過高速光纖、衛(wèi)星或租用電話線路來構成一個網(wǎng)絡。廣域網(wǎng)范圍很廣，可以分布在一個省內、一個國家或幾個國家。因特網(wǎng)（Internet）是世界上最

5、大的廣域網(wǎng)絡，雖然一些Internet用戶使用調制解調器通過撥號連接，但是任何一個Internet用戶都是一個網(wǎng)絡使用者，所有的網(wǎng)絡都通過TCP/IP協(xié)議互相聯(lián)接。諸如WEB瀏覽器、文件傳輸協(xié)議（FTP）客戶程序、收發(fā)郵件的程序都是用戶使用Internet工作的最常用工具。按拓撲結構分類，計算機網(wǎng)絡可分為星型網(wǎng)、總線型網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)、網(wǎng)狀型網(wǎng)和混合型網(wǎng)。按通信傳輸方式和使用的鏈路協(xié)議分類，計算機網(wǎng)絡可分為以太網(wǎng)(Ethernet)、令牌環(huán)(Token Ring)、光纖數(shù)據(jù)分布接口(FDDI)、端對端協(xié)議( PPP)、X.25、幀中繼(Frame Relay)、ATM等。除了以上分類方法以外，還可按

6、所采用的傳輸媒體分為雙絞線網(wǎng)、同軸電纜網(wǎng)、光纖網(wǎng)、無線網(wǎng)；按信道的帶寬分為窄帶網(wǎng)和寬帶網(wǎng)；按不同用戶分為科研網(wǎng)、教育網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)等。12.4 以太網(wǎng)的硬件組成網(wǎng)絡由硬件和軟件共同構成。一旦選定了一種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，就可以選擇適當?shù)挠布嫵删W(wǎng)絡了。以最常見的以太網(wǎng)為例，這些硬件包括網(wǎng)絡接口卡（Network Interface Cards，NIC）、傳輸介質、集線器（HUB）或交換式集線器（Switch）等。下面就具體介紹一下以太網(wǎng)的相關網(wǎng)絡硬件知識。12.4.1 網(wǎng)絡接口卡早期，網(wǎng)絡適配器以安裝在PCI、ISA或EISA槽內的網(wǎng)絡接口卡（簡稱網(wǎng)卡）的形式存在，也有些采用USB或PCMCIA

7、接口形式。目前，在大多數(shù)計算機直接將網(wǎng)絡適配器集成到了主板上。圖12-1展示了分別采用PCI、USB和PCMCIA接口的網(wǎng)卡外觀。 圖12-1 網(wǎng)卡外觀以太網(wǎng)的網(wǎng)絡適配器上都固化有惟一的硬件地址碼（MAC地址）。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議使用這些地址區(qū)別網(wǎng)絡上不同的機器。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的報文頭中包含有發(fā)送方和接收方的硬件地址，使得數(shù)據(jù)包能正確地從一個源站點傳送到目標站點。在快速以太網(wǎng)中，網(wǎng)卡的傳輸速率達到了100Mbps；在千兆以太網(wǎng)中，網(wǎng)卡的傳輸速率更是達到了1000Mbps。大多數(shù)100/1000Mbps網(wǎng)卡也能支持標準以太網(wǎng)的10Mbps傳輸率，使得同一塊網(wǎng)卡既可以使用在舊的網(wǎng)絡環(huán)境也可以使用在新的

8、網(wǎng)絡環(huán)境。網(wǎng)卡應能支持半雙工和全雙工兩種工作方式。 半雙工方式指網(wǎng)卡能工作在發(fā)送或接收的單一方式。 全雙工方式指網(wǎng)卡能同時發(fā)送和接收。如果用交換式集線器代替了普通的集線器，全雙工方式能提高網(wǎng)絡的傳輸率。典型的以太網(wǎng)適配器常用一個叫做RJ-45的連接器，用以連接以太網(wǎng)的雙絞線，它看起來像一個大的電話插孔。早期使用細同軸電纜和粗同軸電纜的以太網(wǎng)適配器分別采用BNC連接器和“D”型15針的AUI連接器。一些以太網(wǎng)適配器結合了2種或全部的3種連接器類型。圖12-2顯示了這3種連接器的外觀，從上到下分別是RJ-45連接器、AUI連接器和BNC連接器。 圖12-2 RJ-45、AUI和BNC連接器光纖接口

9、連接器的種類多種多樣，比較常見的有SC、LC、FC和ST等。目前在光纖網(wǎng)卡上使用最普遍的是SC和LC連接器（參見圖12-3）。 圖12-3 SC（左）和LC（右）連接器12.4.2 傳輸介質最常見的以太網(wǎng)傳輸介質是銅質電纜，目前最流行的是雙絞線。雙絞線正如它的名字所述：每端有特定數(shù)量扭絞在一起的帶保護外套的絕緣電線。將電線絞在一起可以減少傳送信號過程中的電磁干擾（由附近電纜，電動機和熒光燈產生）。雙絞線可以分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）。屏蔽雙絞線指的是電線束周圍的絕緣程度，以及因此它對噪聲具有的免疫力，但目前使用更廣泛的是非屏蔽雙絞線。圖12-4顯示了非屏蔽雙絞線與屏蔽雙絞

10、線的剖面外觀。圖12-5顯示了使用RJ-45連接器的非屏蔽雙絞線。 圖12-4 非屏蔽雙絞線（左）與屏蔽雙絞線（右）圖12-5 使用RJ-45連接器的非屏蔽雙絞線電纜隨著計算機的使用而發(fā)展，最先考慮到的是將電纜從外界干擾中屏蔽開，這是減少干擾的最好方法且能提供更高的傳輸速率。結果，早先使用屏蔽電纜的情況比現(xiàn)在使用非屏蔽電纜的情況更為普遍。屏蔽電纜還有一些特殊的需要考慮的問題，因為屏蔽電纜的一端，而且只有一端，要接地，這樣由于人們的疏忽，將電纜的兩頭連接引起的接地回路，或由于屏蔽電纜未接地而使它以天線的形式運作，都會產生問題。接地回路是兩個不同的接地端被連接在一起產生的。這是一種很糟糕的情況，因

11、為接地端之間有輕微的電壓差，生成的回路雖然電壓很低卻能產生無窮的電流值。這樣會引起電氣組件的過載而導致火災。隨著發(fā)現(xiàn)將成對的電線擰合起來可以有效防止干擾，現(xiàn)在大部分以太網(wǎng)的安裝都選擇使用非屏蔽雙絞線，因為非屏蔽雙絞線物理上具有柔軟性，電纜本身和接口的體積小，使得安裝布線十分容易。然而，因為它缺乏電氣絕緣，使得來自熒光燈、電梯和報警裝置（其他裝置）的干擾成為主要問題。如果在安裝中使用非屏蔽雙絞線，干擾是主要的問題的話，應該將電纜布在遠離干擾的地方，使用外部保護層，或在靠近干擾源的地方用屏蔽雙絞線代替非屏蔽雙絞線。雙絞線按電氣性能可分為一類至七類等類型，原則上數(shù)字越大帶寬也越寬，當然價格也越貴。以

12、下是2種常見的雙絞線類型： 3類電纜：標識是CAT3，這種早期以太網(wǎng)用的UTP電纜與商業(yè)電話所用的電話線是相同的，按照電纜的數(shù)據(jù)傳輸能力劃分，稱之為3類電纜，或音頻電纜。使用3類電纜的網(wǎng)絡最高可以達到16Mbps的傳輸率。由于3類電纜不支持快速以太網(wǎng)或更快的網(wǎng)絡速度，這種電纜已經過時了。 5類電纜：標識是CAT5，新的高速網(wǎng)絡要求更好的電纜性能，因為快速以太網(wǎng)（100BaseTX）和10BaseT以太網(wǎng)使用相同的兩對線芯，而快速以太網(wǎng)要求更高的抗交互干擾和抗信號衰減能力，所以100BaseTX快速以太網(wǎng)必須使用5類UTP電纜。目前最流行的是超5類電纜，標識是CAT5E，與普通5類線相比，具有衰

13、減小、串擾少、更高的衰減與串擾的比值和信噪比、更小的時延誤差等優(yōu)點，性能得到很大提高。盡管100BaseT4版的快速以太網(wǎng)也能使用 3類雙絞線的全部4對芯，但這一款快速以太網(wǎng)并未得到廣泛的支持。所以實際應用中，如果3類雙絞線和5類雙絞線混用就只有采用10BaseT（10Mbps）以太網(wǎng)集線器，如果在3類雙絞線上運行100BaseTX快速以太網(wǎng)，網(wǎng)絡會很慢而且不可靠。光纖是新一代的傳輸介質，與銅質電纜相比，光纖具有一些明顯的優(yōu)勢： 不會向外界輻射電子信號，更安全、可靠。 傳輸?shù)膸挻蟠蟪鲢~質電纜。 支持的最大連接距離達兩公里以上，是組建較大規(guī)模網(wǎng)絡的必然選擇。 網(wǎng)絡線路壽命提高，光纖線路壽命4

14、0年，大大高于銅質電纜，而且通信質量不會隨時間而變化?，F(xiàn)在有兩種不同類型的光纖，分別是單模光纖和多模光纖。所謂模就是指以一定的角度進入光纖的一束光線。多模光纖使用發(fā)光二極管（LED）作為發(fā)光設備，而單模光纖使用的則是激光二極管（LD）。 多模光纖允許多束光線穿過光纖。因為不同光線進入光纖的角度不同，所以到達光纖末端的時間也不同。這就是我們通常所說的模色散。色散從一定程度上限制了多模光纖所能實現(xiàn)的帶寬和傳輸距離。正是基于這種原因，多模光纖一般被用于同一辦公樓或距離相對較近的區(qū)域內的網(wǎng)絡連接。單模光纖只允許一束光線穿過光纖。因為只有一種模態(tài)，所以不會發(fā)生色散，性能優(yōu)于多模光纖。使用光纖作為傳輸介質

15、，價格比較昂貴，所以在一般的應用中還不是很普遍，但光纖替代銅質電纜是一種必然趨勢。圖12-6展示了使用SC、LC連接器的光纖。 圖12-6 使用SC-SC連接器(左)和SC-LC連接器（右）的光纖表12-1總結了以太網(wǎng)常見網(wǎng)絡類型與傳輸介質的關系。表12-1 以太網(wǎng)常見網(wǎng)絡類型與傳輸介質的關系網(wǎng)絡類型標準傳輸介質拓撲結構以太網(wǎng)10Base2細同軸電纜總線型10Base5粗同軸電纜總線型10BaseT3類或5類雙絞線星型快速以太網(wǎng)100BaseTX5類雙絞線星型100BaseFX多?；騿文９饫w星型千兆以太網(wǎng)1000BaseTX5類雙絞線星型1000BaseSX多模光纖星型1000BaseLX多模

16、或單模光纖星型12.4.3 以太網(wǎng)集線器和交換機網(wǎng)絡上每臺計算機通過傳輸介質連接到其他計算機上。連接網(wǎng)絡上各計算機的傳輸介質的物理布局稱為網(wǎng)絡拓撲?，F(xiàn)代以太網(wǎng)工作組網(wǎng)絡是通常由星形拓撲結構的計算機組成，星形的中心是集線器或交換機。這些計算機的連接一般是基于非屏蔽雙絞線的。雙絞線兩端通過RJ-45連接器一端接到網(wǎng)卡的端口，另一端接到集線器或交換機的端口。以太網(wǎng)集線器和交換機的類型有兩種：可管理型和不可管理型。工作組和家庭一辦公室網(wǎng)絡使用不可管理型，而公共網(wǎng)常使用可管理型，即可以通過軟件控制它。依據(jù)總線帶寬的不同，集線器和交換機分為10M、100M、1000M或自適應等幾種；若按配置形式的不同，可

17、分為獨立、可堆疊和模塊化等不同種類。集線器和交換機前端的信號燈表明了正在被計算機使用的端口；交換機還表明了是否有全雙工連接正在使用。自適應集線器和交換機也表明了每個端口上使用了哪種連接速度。圖12-7顯示了一個典型的24口交換機。圖12-7 典型的24口交換機雖然大型網(wǎng)絡在服務器旁可能會有個接線柜，但是構建工作組規(guī)模的局域網(wǎng)并不需要接線柜，不過集線器和交換機的放置位置十分重要。為了方便故障診斷，要考慮到將它們放置在容易看到信號燈的地方，且要考慮到如果要增加用戶時，新增網(wǎng)線連接比較方便。集線器與交換機之間也存在很多的差異，交換機具有集線器無法具有的很多特性，即使是小型網(wǎng)絡，它也能提升網(wǎng)絡的性能（

18、參見表12-2）。表12-2 以太網(wǎng)集線器與交換機比較特性集線器交換機帶寬由使用的所有端口平分由使用的端口獨享數(shù)據(jù)傳輸類型向所有連接的計算機廣播在接收和發(fā)送計算機之間直接連接工作方式支持僅支持半雙工方式（接收或發(fā)送）半雙工，如果使用全雙工網(wǎng)卡，為全雙工（接收和發(fā)送）；可使網(wǎng)絡的有效帶寬加倍12.5 無線接入技術與Wi-Fi無線接入技術主要包括IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16和IEEE 802.20標準，分別指無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線個域網(wǎng)（WPAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）和寬帶移動接入（WBMA）等。一般來說，WPAN提供超近距離的無線高數(shù)據(jù)傳輸速率

19、連接；WMAN提供城域覆蓋和高數(shù)據(jù)傳輸速率；WBMA提供廣覆蓋、高移動性和高數(shù)據(jù)傳輸速率；WLAN則可以提供熱點覆蓋、低移動性和高數(shù)據(jù)傳輸速率。WLAN（Wireless LAN）是通過無線方式進行連接的局域網(wǎng)，它與有線局域網(wǎng)的最大區(qū)別就是傳輸介質的不同，WLAN是通過空氣中的電磁波進行傳輸?shù)?，就像我們用手機進行通信一樣，而不是采用雙絞線、同軸電纜或者光纖等物理介質。當然，WLAN同樣可以通過局域網(wǎng)中的某一Internet接入點進入浩瀚的因特網(wǎng)，就像我們有線的局域網(wǎng)連接一樣。WLAN具有為可移動性、價格低廉、方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡整合的優(yōu)點，是以太網(wǎng)技術的延伸，廣泛應用于有線接入需無線延伸的

20、領域，如機場、車站、咖啡館、臨時會場等場所。由于數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍和可靠性的差異，WLAN技術在應用上只是作為高速有線接入技術的補充。12.5.1 Wi-Fi概述目前，Wi-Fi已被公認為就是WLAN的代名詞。但要注意的是，其實這兩者是有根本差異的，前者是一種無線局域網(wǎng)產品認證標準，而后者是無線局域網(wǎng)的技術標準，Wi-Fi英文全稱為Wireless Fidelity，中文名通常稱之為“無線相容性認證”（有的稱“無線保真”），所以說它是一種認證標準，而并不是一種技術標準。其參考的技術標準就是相應的WLAN標準，如802.11b、802.11a、802.11g等。Wi-Fi的出現(xiàn)與802.11b的

21、有密切關系。802.11是最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準，發(fā)表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，總?shù)據(jù)傳輸速率設計為2Mbit/s。802.11 a/b/g三個標準的開發(fā)時間按照字母順序排列，但802.11b相對簡單，所以先于a標準完成。也就是從實行802.11b以來，無線網(wǎng)絡取得了長足的進步，因此基于此技術的產品也逐漸多了起來，解決各廠商產品之間的兼容性問題就顯得非常必要。因為IEEE并不負責測試802.11b無線產品的兼容性，所以這項工作就由廠商自發(fā)組成的非贏利性組織Wi-Fi聯(lián)

22、盟來擔任。這個聯(lián)盟包括了最主要的無線局域網(wǎng)設備生產商。凡是通過Wi-Fi聯(lián)盟兼容性測試的產品，都被準予打上“Wi-FiCERTIFIED”標記。因此，當時在選購802.11b無線產品時，最好選購有Wi-Fi標記的產品，以保證產品之間的兼容性。 也正是因為這樣，很多人就把802.11b標準等同于Wi-Fi。其實隨著無線接入標準多樣化的出現(xiàn)，Wi-Fi的內涵當然也就發(fā)生了相應的變化，因為它針對的是整個WLAN領域，而不僅針對80.11b這一個無線標準。圖12-8展示的圖標就說明該產品符合Wi-Fi認證。圖12-8 Wi-Fi認證圖標IEEE 802.11b 802.11b是當前應用最為廣泛的WLA

23、N標準，采用波段是2.4GHz，最高傳輸速率為11Mbps，基本上與10BASE-T以太網(wǎng)速率相同。在信號較弱或有干擾的情況下，可調整為5.5Mbps、2Mbps或1Mbps，有效的保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。802.11b在開放性區(qū)域傳輸范圍為最大300米，室內有障礙的情況下最大100米。IEEE 802.11a 802.11無線網(wǎng)絡使用2.4GHz頻譜范圍，該頻率范圍也用于許多便攜式電話、無線對講機、安全設備、微波爐以及正在興起的藍牙短距離網(wǎng)絡產品中。盡管這些非計算機產品的興起對無線網(wǎng)絡造成的影響還不明顯，但為了提供更好的性能和避免干擾，1999年又推出802.11原始標準的一個修訂標準8

24、02.11a，它的工作頻率為5GHz，采用與原始標準相同的核心協(xié)議，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率為22Mbps，最高可達54Mbps。802.11a產品于2001年開始銷售，比802.11b的產品要晚，由于802.11b已經被廣泛采用了，802.11a與802.11b之間不能互相兼容，再加上802.11a的其他一些弱點和一些地方的規(guī)定限制，使得它沒有流行起來。IEEE 802.11g相信很多人都會抱怨，802.11b的速度實在太慢，11Mbps的傳輸速率還是理論最大值，真正工作中的實際速率只有理論值的60左右，于是802.11g應運而生，它的傳輸速率從802.11b的11Mbps提高到54Mbps。在兼

25、容性方面，802.11g接入點同時支持802.11b和802.11g客戶設備。同樣，采用802.11g網(wǎng)卡的用戶也能訪問現(xiàn)有的802.11b無線接入點（Acess Point，AP）和新的802.11g無線接入點。IEEE 802.11 a/b/g的比較我們可以通過表12-3來比較一下IEEE 802.11 a/b/g這三種標準：表12-3 IEEE 802.11 a/b/g比較標準最高傳輸速率頻段干擾能耗傳輸距離穿透性802.11b11Mbps多較小較遠較強802.11g54Mbps多中中中802.11a54Mbps少較大較短較差12.5.2 Wi-Fi網(wǎng)絡設備Wi-Fi網(wǎng)絡通常使用兩種類型的設備，無線網(wǎng)卡和無線接入點。兩個Wi-Fi網(wǎng)絡設備之間的通信可以通過無線網(wǎng)卡以自由直接（Ad-hoc）的方式進行，也可以在無線接入點的協(xié)調下以基礎結構（infrastructure）方式進行。 無線接入點。無線接入點是和書一樣大小的設備，可以通過無線信號連接多塊無線網(wǎng)卡，構成一個infrastructure架構的網(wǎng)絡；也可以使用RJ-45端口連接到傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡上，將傳統(tǒng)以太網(wǎng)的信號轉換為無線信號，并把信號廣播到網(wǎng)絡上的無線網(wǎng)卡，再執(zhí)行相同的任務將來自無線網(wǎng)卡上的信號轉換并傳送到傳統(tǒng)的以太網(wǎng)。圖12-9展示了一款典型的AP。圖12-9 典型的AP為了覆蓋更大的范圍，需要購買2個或