第六章 网络的硬件与互连设备
本章主要内容：
• 网络接口卡（NIC）
• 中继器与集线器
• 网桥和交换机
• 无线接入点（Access Point ）
• 路由器（Router）
• 网关
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传输介质
传输介质是网络中信息传输的媒体，可分为有线和无线两种。
1. 双绞线
双绞线是布线工程中最常用的一种传输介质，双绞线有两种：
①非屏蔽双绞线（UTP）
通常分为7类，常用的有3、5、6类，技术特性如P112表5-1
所示。
②有屏蔽双绞线（STP）
在双绞线和外层保护套中间加了一层金属屏蔽层，可以减少电磁干
扰，减少辐射，防止信息被窃听，一般用于电磁干扰或辐射严重的场合。
双绞线在网络上的最大长度受到限制，因此较适合在小范围的局域
网中配置。
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2.同轴电缆
由内外导体所组成，P114图5-5
75Ω同轴电缆(宽带同轴电缆)____传送模拟信号。
50Ω同轴电缆(基带同轴电缆)____传送数字信号。(有两类)
①粗缆：网络段长度500米（应用：10BASE5）
②细缆：网络段长度185米（应用：10BASE2）
Note：同轴电缆现在已经基本不用了。
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3.光导纤维电缆
光纤通信传送的是光信号。
发送时：电光转换，接收时：光电转换。
有两种光纤：
单模式_____仅允许一束光通过（以激光作为光源）
多模式_____允许多束光通过（以发光二级管作为光源）
优点：
频带宽、通信容量大。
传输损耗小传输（中继）距离长（可达120km)。
保密性好、抗干扰能力强。
缺点：价格较贵、安装较为困难。
一般用于大型局域网的主干网上。
4.无线传输介质
①无线电波通信
②卫星通信等
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网络的扩展与互连概述
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交
换
机
交
换
机
防火墙
防火墙
交换机
主
机
主
机
路由器
交换机
因特网
集线器
企业内部网
外部访问子网
因特网
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网络设备在OSI体系中的位置
网络设备的功能层次
OSI层次 地址类型 设备
传输层及以上
应用程序进程地
址（端口）
网关
（协议转换器）
网络层
网络地址
（IP地址）
路由器
（三层交换机）
数据链路层
物理地址
（MAC地址）
网桥、交换机
（网卡）
物理层 无 中继器、集线器
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中继器（集线器）的概念结构
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网桥（交换机）的概念结构
网段2网段1
应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
应用层
传输层
数据链路层
物理层PHY
DL
网桥
主机2主机1
PHY
网络层
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路由器的概念结构
应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层PHY
DL
互连网层
路由器
主机1 主机2
DL
PHY
子网1 子网2
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网关的概念结构
应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层PHY
DL
IP
应用层/
传输层
网关 主机2主机1
PHY
DL
IP
网络1 网络2
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网络接口卡(NIC)
网络接口卡（网卡）是连接主机与网络的基本设备
• 工作在数据链路层
• 每台主机都应配置一个或多个网卡
• 每个网卡都有一个或多个网络接口
连接不同的局域网需要使用不同的网卡
• 以太网卡
• 令牌环网卡
• FDDI网卡
• ATM网卡
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网卡的功能
数据缓存
• 匹配主机数据处理速率与网络的传输速率
封装/解封装
• 加上控制字段→以帧为单位进行传输→卸下控制字段
介质访问控制
• CSMA/CD、Token Ring
串/并转换
• 将主机的并行数据转换成串行位流
数据编码/解码
• 转换为适合网络介质传输的信号形式
数据发送/接收
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网卡的结构
发送/接收部件——负责信号的发送、接收
载波检测部件——检测介质上有否信号
发送/接收控制部件及数据缓冲区
编码/解码器——将数据编码转换为传输信号或反之
LAN管理部件
主机总线接口部件
计
算
机
总
线
通
信
线
路
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网卡地址：即网卡的物理地址（MAC地址），
固化在网卡硬件中（有些网卡可由用户修改）
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0C000H)
•全双工 / 半双工
•传输速率（仅10/100Mb/s双速网卡可选）
网卡的配置参数
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网卡的选用
考虑的因素包括：
LAN的类型：Ethernet、Token Ring、ATM、FDDI
LAN的速度：10M/100M/1000M
网络接口类型：AUI/BNC、RJ-45、SC/ST
主机总线类型：ISA、PCI、USB、PCMCIA
应用场合：服务器、工作站、笔记本
其他附加功能：PnP、防病毒、远程唤醒等
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中继器与集线器
1. 中继器（Repeater）
工作在物理层
功能：信号整形和放大，在网段之间复制比特流，P120图5-10
特点：
不进行存储——信号延迟小
不检查错误——会扩散错误
不对信息进行任何过滤
可进行介质转换——如UTP转换为光纤
用中继器连接的多个网段是一个冲突域
应用注意事项：应遵守以太网的5-4-3规则(P120图5-11)
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2. 集线器（HUB）
多端口的中继器，工作在物理层
功能：在网段之间复制比特流，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
特点：
•具有与中继器同样的特点
•可改变网络物理拓扑形式：总线连接→星形连接
• 逻辑上仍是一个总线型共享介质网络
端口数：8，12，16，24
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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）。
集线器类型：按结构形式划分
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用集线器构建的网络的特点
所有主机共享带宽
无法限制冲突和广播
适用于小型网络
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例：用集线器搭建简单的网络
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
NIC
HUB
UTP
PC机服务器9/22/2022 21
网桥与网络交换机
共享信道LAN的缺点
• 冲突域中的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；
• 具有n个站点的总带宽B的共享网络，每个站点的平
均拥有带宽为B/n。
解决的方法
• 提高网络传输速度——没有从根本上解决问题
• 网络分段（微网段化）
减少每个网段中站点的数量, 使冲突的概率减小
实现网络分段的设备：网桥、交换机、路由器
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网络分段示意
HUB HUB
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
HUB
冲突域/广播
域
网段2网段1
总带宽: BW×2
结点带宽: BW/4
总带宽: BW
结点带宽: BW/8
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网桥
存储转发设备，工作在数据链路层，用于两个或多个同类网络的连接。
网桥的功能：
①过滤和转发
1 2 10
11 12 20
网桥
网络A
网络B
接受目标地址为11~20的
分组，并转发到网络B
接受目标地址为0~10的分
组，并转发到网络A
…
…
信息包中源地址和目标地
址在同一网络，则过滤。
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②学习功能
EX:网络B增加了21号站，当网桥接收21号站
信息时，发现该站地址在路径表中找不到，
则将其添加进去，这就是网桥的学习功能。
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用网桥进行网络互联的优缺点
优点：
• 可以连接两个或多个相同的网络；
• 能够隔离不需要转发的信息帧；
• 限制了冲突域的范围；
• 隔离故障。
缺点：
• 无法控制广播；
• 只能用存储转发方式，速度比较慢；
• 无流量控制，负载重时会出现丢帧现象。
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交换机
交换机与集线器的异同：
1.不同之处
①在OSI 模型中所处的位置不同
交换机 —— 工作在数据链路层
集线器 —— 工作在物理层
②工作原理不同
集线器 —— 将某个端口传送来的信号经放大后传输给其他所有
端口。
交换机 —— 通过检查数据包中的目标物理地址（MAC）来选择
目标端口，为通信双方提供一条独占的线路。
③端口通信方式不同
2.相同之处
如：连线方式、物理拓扑结构、故障指示等。
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交换机的特点
交换机通过内部的交换矩阵把网络划分为多个网段
——每个端口为一个冲突域；
交换机能够同时在多对端口间无冲突地交换帧。
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例：交换网络的带宽
若交换机每个端口带宽为BW，则交换机构成的网络
网络总带宽 ＝ BW×n
• n＝8，BW=10Mb/s时，网络总带宽最高可达80Mb/s；
• 若每个交换机端口只连接一台计算机，则每台计算机的可用带
宽为10Mb/s 。
比较：
• 10Mb/s 的8口集线器构成的网络（连接了8台计算机）
网络总带宽仍为10Mb/s ；
网络中每台计算机的带宽为
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交换机的三种转发方式
存储转发（Store and forward）
• 整个帧完整接收后，对帧进行差错检验，然后再进行转发操作。
• 优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段。
• 缺点：延迟比较大。
直通转发（Cut-through）
• 只要收到帧的前6个字节（目的MAC地址），就开始进行转发操作。
• 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。
无碎片直通转发（Fragment free cut-through）
• 接收到一帧的前64字节后，再进行转发操作。小于64字节的帧不转发。
小于64字节的帧一般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，转发延时大于直通转发。
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使用网络交换机的好处
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
允许全双工连接
能够连接不同速度的网段
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网络交换机的应用场合
作为LAN核心主干连接设备，如网络中心、
数据中心等；
网络通信流量很大的应用场合，如图像处
理、视频流等；
对网络响应速度要求比较高的场合。
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无线接入点（AP）
AP是位于无线局域网拓扑中心位置的无线基
站设备。
AP的功能是实现无线客户端之间以及无线局
域网和有线局域网之间的互联
AP有两类通信端口：
• 符合IEEE 标准的有线以太网端口
• 符合IEEE 标准的WLAN端口
：无线传输速率最高为11Mb/s
：无线传输速率最高为54Mb/s
：无线传输速率最高约为300Mb/s
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AP的基本配置
天线：
线，而标准的AP则具有2根以上的
天线。
有线网络接口：包括局域网端口和广域网
端口
• 局域网接口类型一般都是以太网接口
• 广域网接口类型根据所连网络不同而有所不同
Phone/ISDN接口：用于通过电话线连网
以太网接口：用于通过园区局域网或ADSL连网
USB端口（某些AP配置）
• 连接打印机，实现无线打印功能
• 连接外置硬盘，实现网络存储或P2P下载功能
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AP的工作模式
AP可支持的组网方式包括：
• 基础架构模式
• 点对点桥接模式
• 点对多点桥接模式
• 无线中继模式
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基础架构模式
最基本的无线局域网构
建模式。
适用场合：
• 无线客户端连接有线网
络
• 便携式无线客户端移动
漫游
• 家庭、办公室
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点对点桥接模式
这种模式多用于两个局
域网距离并不很远，但
由于中间的地带有阻碍，
不方便布线连接的场合。
• 连接范围约300米，采用
定向天线后可将距离扩
展到上千米
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点对多点桥接模式
能够实现多个分散的远
程网络的互联。
• 中心AP发送，远程AP
接收
• 用于多个建筑物的局域
网之间的互联
• 中心AP要使用全向天线，
远程AP要使用定向天线
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无线中继模式
利用AP作为无线中继器，
延伸无线网络的覆盖范围。
• 又称为无线分布式系统
（WDS）
适用于需要无线互连的两
个局域网距离过远或中间
有障碍物阻挡的场合。
注意：并不是所有的AP都
支持无线中继模式
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路由器
（Router）
工作在OSI第三层（网络层）。
功能：
• 在网络之间转发网络分组；
• 为网络分组寻找最佳传输路径；
• 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。
• 提供逻辑地址，以识别互联网上的主机；
• 提供广域网服务。
应用：把LAN连入广域网或作为广域网的核心连接设备。
用路由器进行网络互联的特点：
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。
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用路由器进行网络互联
HUB
路由器
冲突域2冲突域1
路由器可以隔离冲突域和广播域
HUB HUB
冲突域3
广播域2广播域1
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路由表
路由器如何确定最佳路由？——路由表（Routing Table）
路由表是保存到达其他网络的路由信息的数据库
• 包含目的网络地址（号）、传输路径、传输开销等
根据目的网络地址查找路由表并确定分组转发路径的过程称为路由
选择（Routing）。
路由表的信息随网络拓扑的变化而变化——建立、更新路由表的算
法称为路由算法（Routing Algorithm）：
• 网络中的每个路由器都会根据路由算法定时地或在网络拓扑发生变化时
更新其路由表；
• 静态路由：由网络管理员预先手工设置路由信息；
• 动态路由：由路由器在运行时动态地建立与更新。
自动学习、记忆网络的变化并根据路由算法重新计算路由的协议称
为路由选择协议（Routing Protocol）。
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路由器的分类和应用
接入路由器
• EX：二级交换网通过有线宽带路由器接入Internet，P140图5-27
中间节点路由器
• EX：互连多个不同网络或子网的中间节点路由器，P141图5-28
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路由器组网的优缺点
优点
• 限制了冲突域；
• 可以用于LAN 或WAN的环境；
• 可以连接不同介质的网络和不同体系结构的网络；
• 可以为分组确定传输的最佳路径；
• 可以过滤广播信息。
缺点
• 昂贵；
• 必须用于可路由协议网络；
• 配置复杂。
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无线路由器
是将AP和路由器功能结合在一起的网络设备。
特别适合于家庭或小型办公室环境的组网，使多台
计算机共享一条宽带连接。
常见无线路由器的基本配置为：
• 支持 b/g无线接口；
• 1个10/100M WAN接口，4个10/100M LAN接口；
• 支持CSMA/CA、CSMA/CD、TCP/IP、DHCP、ICMP、
NAT、PPPoE等协议；
• 支持VPN、QoS、内置防火墙；
• 支持64/128/152位WEP、WPA、IEEE 、TKIP、
AES等加密与安全机制；
• 支持远程和Web管理。
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使用无线路由器组建家庭网络
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网关
1.网关的基本概念
异种局域网相连
局域网和广域网相连
局域网连到某一远程主机
网关除了具有路由器的全部功能外，还要承担异种网之间不
同协议的转换。
2.网关的类型和应用
①按照网关可以转换的协议数量分类
双边协议网关
多边协议网关
②按照网关的应用类型分类
P144
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网络互连
一. 网间互连的基本概念
局域网与局域网互连
局域网与计算机主机
局域网与广域网互连
1.什么是网络的连接或互连
①网络的延伸
局域网的最大距离都有限制：
10BASET 100m
10BASE2 185m
如实际网络要超过这个距离，就需用网络连接设备来延伸网络。
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②网络的分段
将一个大的网络系统分解成几个小的局域网（子网），然后
再通过互连设备（交换机、网桥、路由器）将各个子网连接
成一个整体网络，这就是网络的分段设计。其优点如下：
提高了可靠性
分散了负载
提高了安全性
2.互连网络的类型
①同构网 —— 它们具有相同的网络操作系统
②异构网 —— 它们具有不同的网络操作系统
二. 网络连接设备的应用场合
P147 图5-30
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本章小结
各种网络设备实现的功能层次
网络接口卡
中继器和集线器
网桥和交换机
无线访问点
路由器
各种网络设备之间的区别
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