1.1-2 网络设备资料文件与下载

  网络设备

1.1.3网络传输设备

网络传输设备在数据通讯过程中起到了非常重要的作用。这里主要介绍网络适配器、交换机和路由器。    

（一）网络适配器

计算机与局域网的连接是通过网络适配器（network adapter）进行的。网络适配器有称为网络接口卡NIC（Network Interface Card），简称为网卡。网卡是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。它不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。

1、网络适配器功能

网卡上面一般装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。网卡和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的。而网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。因此，网卡的一个重要功能就是要进行串行/并行转换。由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在网卡中还必须装有对数据进行缓存的存储芯片。在安装网卡时必须将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中，网卡还要能够实现以太网协议。

网卡本身不带电源而必须使用所插入的计算机的电源，并受该计算机的控制。因此网卡可看成为一个半自治的单元。当网卡收到一个有差错的帧时，它就将这个帧丢弃而不必通知它所插入的计算机。当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给协议栈中的网络层。当计算机要发送一个IP数据包时，它就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。

2. 网络适配器的分类

按照网络类型来分，网卡分为以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡。随着网络发展，局域网一般采用以太网，所以目前市面上主要是以太网卡。

按照网卡速率来分，可以分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、1000Mbps网卡。其中最流行的是100Mbps网卡。

按照主板上总线类型来分，网络分为ISA网卡、PCI网卡、USB网卡。PCI网卡是应用最广泛、最流行的网卡。USB网卡是外置式的主要满足笔记本电脑用户的需要。目前，一般电脑主板都配备有集成网卡。

（二）交换机

根据使用网络类型不同，交换机可以分为以太网交换机、令牌交换机、ATM交换机等。但随着网络的发展，目前局域网主要采用以太网技术。因此，以太网交换机是目前局域网交换机的主流交换机，以太网交换机几乎成为局域网的标准交换设备。这里所指的交换机是指以太网交换机。

1. 交换机的基本功能

在以太网的设计使用过程中，为了满足网络覆盖范围、网络性能和性价比方面的不同要求，研制了中继器、集线器、网桥、交换机等网络互联设备，目前，中继器、集线器、网桥已淘汰，交换机成为局域网主要使用的互联设备。交换机一般工作在数据链层，交换机的每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，工作在全双工方式。

交换机基本功能包括学习功能、数据过滤/转发、阻断环路三个功能。

学习功能：交换机中有一个MAC地址表，交换机通过学习，了解每一端口相连设备的MAC地址，并将MAC地址同相应的端口映射起来存放在交换机的MAC地址表中。

数据过滤/转发：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。通过学习功能，然后采用数据过滤/转发功能，提高数据转发效率。

阻断环路：当交换机包括冗余环路时，会产生广播风暴、MAC地址抖动、重复帧发送等问题，交换机通过生成树协议避免环路的产生，同时允许存在后备路径。

2. 交换机数据转发方式

交换机数据转发有三种方式：直通转发、存储转发、无碎片直通转发，不同的交换机往往支持不同的转发方式。

直通转发：直通转发方式的交换机在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。它的缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。

存储转发：存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

无碎片直通转发：这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否达到64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

2. 交换机的产生

交换机的前身是集线器，集线器(Hub)工作于OSI（开放系统互联参考模型）网络标准模型第一层，即“物理层”，其主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。以集线器为核心构建的网络是共享式以太网的典型代表。严格来说，集线器不属于交换机范畴，但由于集线器在网络发展初期具有举足轻重的作用，在很长时间内占据着目前接入交换机的应用位置，因此往往也被看成是（第）一层交换机。

网桥（Bridge）是早期的两个端口二层网络设备，用来连接不同网段。网桥的两个端口分别有一条独立的交换信道，不是共享一条背板总线，可隔离冲突域。网桥比集线器（Hub）性能更好，集线器上各端口都是共享同一条背板总线。

交换机是在多端口网桥的基础上逐步发展起来的。最初的交换机可以理解为多端口的网桥，是完全符合OSI定义的层次模型的，也就是说工作在OSI网络标准模型的第二层（数据链路层），因此也被称为二层交换机。

从1989年第一台以太网交换机面世至今，经过多年的快速发展，交换机的转发技术从当年的二层转发，发展到支持三层硬件转发，甚至还出现了工作在四层及更高层的交换机。转发性能上有了极大提升，端口速率从10M发展到了100G，单台设备的交换容量也由几十Mbps提升到了几十Tbps。凭借着“高性能、低成本”等优势，交换机如今已经成为应用最为广泛的网络设备。

交换机支持全双工通讯。全双工是指交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。标准的以太网采用CSMA/CD机制，任何时候只能一台设备成功发送，是半双工传输方式。采用交换机后，交换机每个端口采用独占方式工作，因此能够支持全双工通讯。注意，只有采用全双工网卡和交换机才能支持全双工通讯方式。随着技术的不断进步，半双工会逐渐退出历史舞台。目前，几乎所有的网卡和交换机都支持全双工通讯方式。

（三）路由器

路由器是网络层设备，有多种网络接口，用来将异构的通讯网络连接起来，通过处理IP地址来转发IP分组，形成一个虚拟的IP通讯网络。路由器是真正的网络与网络的互联设备，通过它可以不同的网络连接起来，是网络具有了可扩展性。

1. 路由器功能

路由器工作在网络层，实现网际互联，主要完成网络层的功能。路由器负责将数据分组从源端主机经过最佳路径传送到目的主机。路由器必须具备两种功能：路由选择和数据转发。其主要作用就是确定到达目的网络的最佳路径，并完成分组信息的转发。

路由器和交换机都能完成数据的转发，但路由和交换的不同在于，交换发生在OSI网络标准参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层（网络层）。这一区别决定了路由器和交换机在实现各自功能的方式是截然不同的。

另外，由于应用需求对网络技术的推动和路由器子网络中特殊位置。路由器已不再局限于它的基本功能，它还提供许多其他功能，包过滤功能、组播功能、服务质量（QoS）功能、安全功能，以及流量控制、拥塞控制等功能。

路由选择：路由选择就是路由器依据目的IP地址的网络地址部分，通过路由选择算法确定一条从源结点到达目的结点的最佳路由。在实际的互联网络环境中，任意两个主机之间的传输链路上可能会经过多个路由器，它们之间也可以多条传输路由。因而，经过的每一个路由器都必须知道应该往哪儿转发数据才能把数据传送到目的主机。为此，每个经过的路由器需要确定它的下一跳路由器的IP地址，即选择到达下一个路由器的路由。然后再按照选定的下一跳路由器的IP地址，将数据包转发给下一跳路由器。通过这样一跳一跳地沿着选好的路由转发数量分组，最终把分组传送到目的主机。由此可见，路由选择的核心就是确定下一跳路由器的IP地址。

路由器路由选择功能的实现，关键在于建立和维护一个正确、稳定的路由表，路由表是路由选择的核心。路由表的内容主要包括：目的网络地址、下一跳路由器地址和目的端口等信息。另外，每一台路由器的路由表中还包含缺省路由的信息。

数据转发：数据转发主要完成按照路由选择指出的路由将数据分组从源结点传送到目的结点。对于某一台路由器而言，数据转发需要完成的工作仅仅是根据路由表的给出的最佳路由信息，将从源端口接收的数据分组转发到目的端口，再从目的端口输出，把数据分组转发给下一跳路由器。

路由器在接收到一个数据分组时，首先查看数据分组头中的目的IP地址字段，根据目的IP地址的网络地址部分去查询路由表。如果表中给出的是到达目的网络地址的下一跳路由器，由下一跳路由器继续转发，这样一跳一跳地转发下去，最终将数据分组转发到目的端。如果目的网络是与路由器的一个端口直接相连的，则在对应于目的网络地址的路由表表项中，给出的是目的端口。在这种情况下，路由器就将数据分组直接发往目的端口。但如果在路由表中既没有找到下一跳路由器地址，也没有找到目的端口时，路由器则将数据分组转发给缺省路由，由缺省路由所连的路由器继续转发，最终将数据分组转发到目的端。假如最终还是没有到达该目的网络的路由信息时，就将该分组丢弃。

缺省路由又称为缺省网关，它是配置在一台主机上的TCP/IP属性的一个参数。缺省网关是与主机在同一个子网的路由器端口的IP地址。路由器也有它的缺省网关。如果目标网络没有直接显示在路由表里的时候，那么就将数据分组传送给缺省网关。一般路由器的缺省网关都是指向连往Internet的出口路由器。

在路由选择和分组转发中，缺省路由是不可缺少的一种应用。如在一个园区网内的网络站点要访Internet时，一般都需要通过缺省路由的应用完成端到端的数据转发。

（2）路由器内部结构

路由器内部结构主要包括两个部分，路由选择部分和分组转发部分。如图1-12所示。

路由选择部分也是控制部分，其核心部件是路由选择处理机。路由选择处理机根据路由选择协议计算形成路由表，路由表是选路的依据。路由处理机还与相邻路由器交换路由信息，更新和维护路由表。

分组转发部分由输入端口、交换结构、输出端口组成。交换结构的作用是根据转发表对分组进行处理，即将某个输入端口进入的分组从另一个合适的输出端口转发出去。路由器中转发表根据路由表形成，是分组在设备内部转发的依据。

注意：路由表描述的是链路状态信息，包括目的地址，子网掩码，下一跳地址等信息。表达的是将数据包从一个设备转发到另一设备。而转发表描述的主机内部信息，表达是主机内部将数据包从设备一个输入端口导向另一个输出端口。

图1-12 路由器内部结构

（3）数据转发方式

路由器中交换结构是路由器内部的关键部件，正是这个交换结构负责将分组从一个输入单口转移到另一个合适的输出端口。实现数据的转发功能。

高性能的路由器交换结构的设计需要考虑的因素包括：吞吐量，报文丢失率，报文延时，缓冲空间和实现的复杂性等。常用交换结构的实现有三种方式，即共享总线交换、共享内存交换、交叉矩阵（Crossbar）交换。

共享总线交换：路由器在某个输入端口接收到一个分组并缓存，然后通过路由器选路处理，再通过共享总线把分组从输入端口直接传送到输出端口。由于总线是共享，一次只能一个分组通过，所以路由器交换带宽受总线速率的限制。早期的路由器主要采用共享总线交换结构。

共享内存交换：当路由器在某个输入端口收到一个分组，就将分组复制到内存中，通过路由器选路处理，在将数据从内存中复制到某个合适的输出端口进行分组转发。一部分路由器也通过共享内存转发分组的。

交叉矩阵（Crossbar）交换：交叉矩阵交换可以同时提供多个数据通路，一个交叉矩阵往往有N个输入和N个输出，但路由器在X输入端接收到一个分组，通过路由器选路处理，需要从Y输出端输出。则交叉点（X,Y）闭合，数据从X输入端输出到Y输出端。交叉点的打开与闭合由调度器来控制。交叉矩阵交换路由器的速度取决于调度器的速度。