网络连接设备

2.6网络连接设备

2.6.1集线器(Hub)

集线器(HUB)工作在局域网(LAN)环境，像网卡一样，应用于ISO、OSI-RM参考模型的物理层，因此被称为物理层设备。

集线器是一个共享网络连接设备，主要提供信号放大和中转功能，把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。在这方面，集线器所起的作用相当于多端口的中继器。其实，集线器实际上就是中继器的一种，区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。它在网络中只起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，因此是一个共享式网络连接设备。

随着计算机网络技术的发展，在局域网尤其是一些大中型局域网中，集线器已逐渐退出应用，而被交换机所替代。目前，集线器主要应用于一些中小型网络或大中型网络的边缘部分以及对网络数据进行监听。

需要注意的是:使用集线器级联时必须提供可级联的端口，即端口上应标有“Uplink”或“MDI”的字样，用此端口与其他的HUB进行级联。如果没有提供专门的端口而必须进行级联时，连接两个集线器的对绞电缆在制作时必须要进行错线连接，如采用一端为568A，另一端为568B的连线。

2.6.2交换机(Switch)

交换机与集线器类似，是一种多端口网络连接设备，其外观、接口与集线器类似，但交换机更具智能性。如图2.34所示。

图2.34　交换机

1.交换机原理

传统局域网交换机是工作在ISO/OSI-RM数据链路层的网络互连设备。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有端口都挂接在这条背部总线上。控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效地减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可进行多个端口之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps= 20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别的，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。显然，第2层交换机的最大好处是数据传输快，因为它仅需要识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址产生选择转发端口的算法又十分简单，易于采用ASIC芯片实现。所以，第2层交换的解决方案实际上是一个“处处交换”的廉价方案。

第3层交换机实际上是将传统交换机与传统路由器结合起来的网络互连设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。当然，这种两层设备与3层设备的结合，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。其中最重要的是，当某一信息源的第一个数据流进入第3层交换机后，其中的路由系统将产生一个MAC地址与IP地址映射表，并将该表存储起来;当同一信息源的后续数据流再次进入第3层交换机时，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第2层由源地址传输到目的地址，而不再经过第3层路由系统处理，消除了路由选择时造成的网络时延，提高了数据分组的转发效率，解决了网间数据传输时路由产生的速率瓶颈。

如上所述，第3层交换机是将第2层交换机和路由器两者优势结合成一个有机、灵活并可提供线速性能的整体交换方案。另外，第3层交换的目的也非常明确，即只需在源地址和目的地址之间建立一条更为直接快捷的第2层通路，而不必经过路由器来转发同一信息的每个数据分组。

实际上，第3层交换方案是一个能够支持分类所有层次动态集成的解决方案，虽然这种多层次动态集成也能够由传统路由器和第2层交换机搭载一起完成。但搭载方案与采用第3层交换机相比，不仅需要更多的设备配置、更大的空间和更多的布线成本，而且数据传输性能也差很多，因为在海量数据传输中，搭载方案中的路由器无法克服传输速率瓶颈问题。

第3层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门、地域等因素划分成一个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯地使用第2层交换机不能实现网际互访;如单纯地使用路由器，由于接口数量有限和路由转发速度慢，将限制网络的速度和网络规模，采用具有路由功能的快速转发的第3层交换机就成为首选。

第4层交换的一个简单定义是:它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第2层网桥)或源/目标IP地址(第3层路由)，而且依据TCP/UDP(第4层)应用端口号。第4层交换功能就像是虚IP，指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。

在IP世界，业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定，在第4层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。在第4层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址(VIP)，每组服务器支持某种应用。在域名服务器(DNS)中存储的每个应用服务器地址是VIP，而不是真实的服务器地址。当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求(例如一个TCP SYN包)发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。

第4层交换的原理: OSI模型的第4层是传输层。传输层负责端对端通信，即在网络源和目标系统之间协调通信。在IP协议栈中这是TCP(一种传输协议)和UDP(用户数据包协议)所在的协议层。

在第4层中，TCP和UDP标题包含端口号(port number)，它们可以唯一区分每个数据包包含哪些应用协议(例如HTTP、FTP等)。端点系统利用这种信息来区分包中的数据，尤其是端口号使一个接收端计算机系统能够确定它所收到的IP包类型，并把它交给合适的高层软件。端口号和设备IP地址的组合通常称作“插口(socket)”。1和255之间的端口号被保留，他们称为“熟知”端口，也就是说，在所有主机TCP/IP协议栈实现中，这些端口号是相同的。除了“熟知”端口外，标准UNIX服务分配在256到1024端口范围，定制的应用一般在1024以上分配端口号。分配端口号的最近清单可以在RFC1700“Assigned Numbers”上找到。

TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用，这是第4层交换的基础。具有第4层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。在发出一个服务请求时，第4层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。

每台第4层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源IP地址以及源TCP端口相关联的连接表。然后第4层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在客户机与服务器之间重新影射和转发，直到交换机发现会话为止。在使用第4层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。

2.交换机的选择

交换机的物理特性指标是指交换机提供的外观特性、物理连接特性、端口配置、底座类型、扩展能力、堆叠能力以及指示灯设置等，反映了交换机的基本情况。

端口配置情况决定了单台交换机支持的最大连接站点数和连接方式。快速以太网交换机端口类型一般包括10Base-T、100Base-TX和100Base-FX，其中，10Base-T和100Base-TX一般是由10～100Mbit/s自适应端口提供，高性能交换机还提供千兆位光纤接口。端口的工作模式分为半双工和全双工两种。自适应是IEEE802.3工作组发布的标准，为线端的两个设备提供自动协商达到最优互操作模式的机制。通过自动协商，线端的两个设备可以自动从100Base-T4、100Base-TX、10Base-T中选择端口类型，并选择全双工或半双工工作模式。为了方便级联，有些交换机设置了单独的Uplink(级联)端口或通过MDI/MDI-X按钮切换，对没有Uplink端口或MDI/MDI-X按钮的交换机则需要使用交叉线级联。

交换机的转发类型分为存储转发(Store-and-forward)和快速转发(Cutthrough)两类。存储转发是指被转发的帧在输出端口等待，直到交换机完整地收整个帧才开始转发。快速转发在交换机收到整个帧之前，就已经开始转发，因此可以有效地减少交换时延。有些交换机提供“自适应快速转发”机制，这种设备支持存储转发和快速转发两种方式，但在某一确定时刻，交换机只在一种方式下工作。默认情况下，绝大多数交换机都工作在低时延的快速转发方式。如果帧错误率超过用户设定的门限值，交换机将自动配置工作在存储转发方式。两种方式之间的切换机制因交换机而异。长预测(Long Look-ahead)和短预测(Short Look-ahead)是快速转发交换的另外两个属性。长预测结合了快速转发的低时延和存储转发的完整性两者的优点，在一个帧的前64B被处理之后才开始发，这样可以防止转发残帧(Runt)。与之相反，短预测则在读到帧头(接收到一个有效的MAC地址)后立即转发帧。存储转发是交换机应提供的最基本的工作方式。

虚拟网(VLAN)技术的出现，给交换机的使用和管理带来了灵活性。它主要用来将交换机划分成多个子网，将站点之间的通信限定在同一虚拟网内。一个虚拟网就是一个独立的广播域。虚拟网的定义方式有:物理端口、MAC地址、协议、IP地址和用户自定义过滤方式等。802.1Q是虚拟网标准，它将虚拟网ID封装在帧头，使得帧跨越不同设备，也能保留虚拟网信息。不同厂家的交换机只要支持802.1Q，虚拟网就可以跨越交换机，进行统一划分管理。与虚拟网有关的问题还有是否允许一个站点同时在多个虚拟网中;每个交换机可以定义的虚拟网的数目。与虚拟网有关的另一个重要的问题是虚拟网之间的内部连接方式。提供这种连接的交换机可以支持不同子网之间站点的通信，不需要附加的设备，如路由器;而没有虚拟网间连通机制的交换机要实现虚拟网之间的通信，则必须借助路由器。

考虑到交换机主要性能指标及新技术的发展趋势，在实际中应重点考虑以下几个参数。

(1)背板带宽、2/3层交换吞吐率。这个参数决定着网络的实际性能，不管交换机功能、有多少，管理多方便，如果实际吞吐率较低，网络只会变得阻塞不堪。所以这个参数是很重要的。背板带宽包括交换机端口之间的交换带宽，端口与交换机内部的数据交换带宽和系统内部的数据交换带宽。2/3层交换吞吐率表现了2/3层交换的实际吞吐率，这个吞吐率应该大于等于交换机∑(端口×端口带宽)。当交换机所有端口容量乘以端口数量之和的2倍小于背板带宽时，能实现全双工无阻塞交换，证明交换机具有发挥最大数据交换性能的条件。

对于核心交换机所配置的每个插槽的交换背板带宽不能小于48Gbit/s;数据交换转发能力应不小于550Mbit/s;背板交换能力应不小于800Mbit/s;支持带宽管理，可以对不同务进行最大使用带宽的限制和最小使用带宽的保证。

(2)虚拟网类型和数量。一个交换机支持虚拟网类型和数量的多少，将会影响网络拓扑的设计与实现。对于核心交换机支持VLA并支持基于端口、MAC地址、IP地址、协议、用户认证VLAN等4种以上，VLAN数目大于等于3000。

(3) Trunking。目前交换机都支持Trunking功能，在实际应用中还不太广泛，所以只要能支持此功能即可，并不要求提供最大多少条线路的绑定。

(4)交换机端口数量及类型。不同的应用环境有不同的需要，应视具体情况而定。对于心交换机一般要求配置32口千兆位光纤模块、48口100/1000M模块，所配模块需具备分布交换能力，并配置相应的GBIC千兆位光纤模块;支持万兆以太网接口。

(5)支持网络管理的协议和方法。对于核心交换机应支持的协议类型: IP、IPv6、RIP/RIP2、OSPF、IS-IS、BGP-4等多种路由协议;支持PIMV1.0、PIMV2．0、DVM-RP2.0、DVMRP2.0、IGMP、IGMP Snooping组播协议。

(6)能否支持QoS、802. lQ优先级控制、802. lX、802.3X协议;支持Console/telnet、Web、SNMP和远端的系统维护;支持用户认证与授权服务。这些功能有利于提供更好的网络流量控制和用户管理，应该考虑选用具有这些功能的交换机。

(7)堆叠的支持，主要参数有堆叠数量、堆叠方式、堆叠带宽等。当用户量增加后，堆叠就显得非常重要了。

(8)交换机的交换缓存和端口缓存、主存、转发时延等也是相当重要的参数。对于核心交换机，MAC地址表深度不应小于256KB。

(9)对于第3层交换机来说，802.1d跨越树也是一个重要参数。这个功能可以让交换机学习到网络结构，对提高网络性能也有很大帮助。

(10)第3层交换机还有一些重要的参数，如启动其他功能时2/3层能否保持线速转发、路由表大小、访问控制列表大小、对路由协议的支持情况、对组播协议的支持情况、包过滤方法、机器扩展能力等都是值得考虑的，应根据实际情况确定。

(11)交换机要支持VRRP协议: VRRP(虚拟路由冗余协议)是一种保证网络可靠性的解决方案。在该协议中，对共享多存取访问介质上终端IP设备的默认网关(DefaultGateway)进行冗余备份，从而在其中一台3层交换机设备宕机时，备份的设备会及时接管转发工作，向用户提供透明的切换，提高了网络服务质量。

2.6.3网络适配器

网络适配器也叫“网卡”(Network Interface Card，NIC)是物理上连接计算机与网络的硬件设备，是计算机网络中最基本的部件之一。每种NIC都针对某一特定的网络，例如以太网络、令牌环网络、FDDI等。无论是对绞电缆连接、同轴电缆连接还是光纤连接，都须借助网卡才能实现数据通信、资源共享。

网卡在开放式互连参考模型(ISO/OSI-RM)中的物理层进行操作。网卡插在计算机的主板扩展槽中，通过网线(如对绞电缆、同轴电缆等)与网络交换数据。它主要完成两大功能，一是读入由网络传输过来的数据包，经过拆包，将其变成计算机可以识别的数据，并将数据传输到所需设备中。另一个功能是将PC发送的数据，打包后输送至其他网络设备。对于网卡而言，都有一个唯一的网络节点地址。这个地址是网卡生产厂家在生产时烧入只读存储芯片(ROM)中的，并称之为MAC地址或物理地址，且保证绝对不会重复。

从总线类型上来看，网卡大致可分为5类:

(1) ISA总线网卡。ISA总线因速度缓慢、安装复杂等自身难以克服的问题，结束了历史使命。数据传输10Mbit/s。

(2) PCI总线网卡。目前PCI接口网卡是市场上的主流。主要为百兆网卡。

(3) PCI-E总线网卡。采用PCI-E接口的网卡多为吉比特网卡。主要为千兆网卡。

(4) USB接口网卡。目前的USB有线网卡多为USB2.0标准。传输速率480Mbit/s。

(5) PCMCIA接口网卡。PCMCIA接口是笔记本电脑专用接口，PCMCIA总线分为两类，一类为16位的PCMCIA，另一类为32位的CardBus，CardBus网卡的最大传输速率接近90Mbit/s。

从端口类型上来看，网卡还可以分为RJ45端口(对绞线)网卡、AUI端口(粗铜轴缆)网卡、BNC端口(细铜轴缆)网卡和光纤端口网卡。如图2.35列出了普通计算机的三种网卡。

图2.35　传统PC机网卡

2.6.4路由器

按照ISO/OSI-RM，路由器工作在网络层，是一种连接多个网络或网段的网络互联设备，它为不同网络之间的用户提供最佳的通信路径，因此路由器有时俗称为“路径选择器”。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择(Routing)，这也是路由器名称的由来(Router，转发者)。路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据含义，从而构成一个更大的网络。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP协议体系的Internet的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的核心。因此，路由器的处理速度是通信网络的主要瓶颈之一，可靠性直接影响着网络互联的质量。所以在园区网、企业网、乃至整个Internet研究领域，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个Internet研究的一个缩影。目前，各种不同档次的产品已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与Internet互联互通的主力军。

所谓路由就是指通过相互连接的网络把数据信息从源节点传送到目的节点的活动。一般说来，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。通常，人们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能完全一样。其实，路由和交换之间的主要区别就是交换发生在ISO/OSI-RM的数据链路层，而路由发生在网络层。这一区别决定了路由和交换在数据传输过程中需要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。

路由器有两大典型功能，一是联通不同的网络，二是选择数据传输的路由。

路由器可进行数据格式的转换，成为不同协议之间网络互联的必要设备。一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机非常相似。但与交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如，一台支持IP协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。对于接收到的每一个数据分组，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据分组物理网络，使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。

路由器的另一个重要工作就是为经过路由器的每个数据分组寻找一条最优传输路由，并将该数据分组有效地传送到目的节点。由此可见，选择最优路由的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，路由器利用路由表(Routing Table)为数据传输选择路由，路由表包含的网络地址、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由器利用路由表查找数据分组从当前位置到目的地址的正确路由。如果某一网络路由发生故障或阻塞，路由器可选择另一条路由，以保证数据分组的正常传输。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，由路由器自动调整，也可以由主机控制。

①静态路由表。由系统管理员事先设置好固定路由表称之为静态(Static)路由表。一般是在系统安装时根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。

②动态路由表。动态(Dynamic)路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议(Routing Protocol)提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最优路由。

路由器的类型主要包括以下几种。

(1)接入路由器。

接入路由器是指将局域网用户接入到广域网中的路由器设备，局域网用户接触最多的是接入路由器。只要有Internet的地方，就会有路由器。如果用户通过局域网共享线路联入Internet，就一定要使用路由器。代理服务器也是一种路由器，一台计算机插入网卡，加上ISDN(或Modem或ADSL)，再安装上代理服务器软件，事实上就已经构成了路由器。只不过代理服务器是用软件实现路由功能，而路由器是用硬件实现路由功能，就像VCD解压软件和VCD机的关系一样，结构虽然不同，但功能却相同。

(2)企业级路由器。

与接入路由器相比，企业级路由器用于连接一个校园或企业内成千上万的计算机，一般普通的局域网用户难以接触到。企业级路由器支持的网络协议多、速度快，要处理各种类型的局域网，不仅支持多种协议，包括IP、IPX和Vine，还要支持防火墙、分组过滤、虚拟网(VLAN)以及大量的管理和安全策略等。

(3)骨干级路由器。

骨干级路由器实现企业级网络的互联。只有工作在通信等部门的技术人员，才能有机会接触到骨干级路由器。Internet目前由几十个骨干网构成，每个骨干网服务几千个小网络，对它的要求是速度高和可靠性好，而代价则处于次要地位。骨干级IP路由器的主要性能瓶颈是在路由表中查找某个路由所耗费的时间。当收到一个数据分组时，输入端口在路由表中查找该数据分组的目的地址以确定其目的端口，当数据分组越短或者当数据分组要发往许多目的端口时，势必增加路由查找的代价。因此，将一些常访问的目的端口放到缓存中能够提高路由查找的效率。不管是输入缓冲还是输出缓冲路由器，都存在路由查找的瓶颈问题。除了性能瓶颈问题，路由器的稳定性也是一个非常重要的问题。

路由的选择主要考虑接口类型、CPU及内存、转发能力、设备吞吐率、商品吞吐率、背靠背帧数、路由表能力、丢包率、时延、VPN支持能力及无故障工作时间。

2.6.5调制解调器

Modem，其实是Modulator(调制器)与Demodulator(解调器)的简称，中文称为调制解调器(港台称之为数据机)。根据Modem的谐音，亲昵地称之为“猫”。所谓调制，就是把数字信号转换成电话线上传输的模拟信号;解调，即把模拟信号转换成数字信号。合称调制解调器。调制解调器的英文是MODEM，它的作用是模拟信号和数字信号的“翻译员”。电子信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”，这个过程叫做“解调”。总的来说就称为“调制解调”。传统的Modem的传输速率，指的是Modem每秒钟传送的数据量大小。通常所说的14.4K、28.8K、33.6K等，指的就是Modem的传输速率。传输速率以bps(比特/秒)为单位。因此，一台33.6K的Modem每秒钟可以传输33600bit的数据。由于目前的Modem在传输时都对数据进行了压缩，因此33.6K的Modem的数据吞吐量理论上可以达到115200bps，甚至230400bps。

xDSL是一种新的传输技术，在现有的铜质电话线路上采用较高的频率及相应调制技术，即利用在模拟线路中加入或获取更多的数字数据的信号处理技术来获得高传输速率(理论值可达到52Mbps)。xDSL是各种类型DSL(Digital Subscribe Line)数字用户线路)的总称，包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等。xDSL传输的硬件俗称“宽带Modem”。xDSL接入技术已经使铜线成为宽带用户接入的一个重要手段，并成为宽带接入的主流技术，为广大用户所采用。