2016/7/6 page 1 第 9 章 网络设备 本章重点 ●网络接口卡及其使用 ●集线器及其使用 ●交换机及其使用 ●路由器及其使用 ●构造简单的网络

2016/7/6 page 网络接口卡 NIC 1. 组成（ p262 图）  发送 / 接收部件 —— 负责信号的发送、接收  载波检测 —— 检测介质上有否信号  发送 / 接收控制部件及缓冲区  曼彻斯特编码 / 译码器 —— 对发送 / 接收的数据编码 / 译码 ，变换成适合于在 LAN 上传输的信号  网络控制部件 —— 控制网卡各部件的协调运行  CPU( 部分网卡有 )—— 增强网卡智能化，减少网络传输 对主机 CPU 的依赖，提高传输效率

2016/7/6 page 3 2 ．网卡的使用  网卡地址：即网卡的物理地址或称为 MAC 地址， 固化在网卡硬件中  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 C000H) 全双工 / 半双工 传输速率（仅 10/100Mbps 双速网卡可选）

2016/7/6 page 4 3. 提高网卡性能  并行处理：发送 / 接收和数据处理同步进行  全双工：需集线器 / 交换机的支持  突发传输方式（每次传送更多的帧）  智能网卡（让网卡承担更多的传输任务）  提高与主机的传输速度： 与主机的存储器传输数据时采用 DMA 传送方式 总线采用传输速度较快的 PCI 总线

2016/7/6 page 5 4. 网络接口卡的种类

2016/7/6 page 网络集线器 (HUB)  多端口的中继器，属于物理层设备  功能：在网段之间拷贝比特流，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  可改变网络物理拓扑形式：总线连接 —> 星形连接  端口数：常见的有 8 ， 12 ， 16 ， 24 口

2016/7/6 page 7 三种结构：  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）

2016/7/6 page 8  智能集线器和非智能（普通）集线器 允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智 能 HUB ，它内部包含有 CPU 等智能控制部件。 允许用网管系统对其进行管理的集线器称为智 能 HUB ，它内部包含有 CPU 等智能控制部件。 不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能 HUB 。 不能用网管系统进行管理的集线器称为非智能 HUB 。 在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一 般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络 交换机也需要是智能化的）。 在需要进行网络管理的中大型网络系统中，一 般都要求使用智能集线器（后面将要介绍的网络 交换机也需要是智能化的）。 小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。 小型网络为降低成本，一般使用普通集线器。

2016/7/6 page 9 NIC HUB UTP PC 机  用集线器搭建简单的网络 服务器 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

2016/7/6 page 网络交换机 (Switch)  共享信道 LAN 的缺点：  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；  每个站点的平均拥有带宽为 W/n ；  解决的方法：  网段分割 ( 微网段化 )—— 减少每个网段中站点的数量  网段分割后网络总体带宽增加

2016/7/6 page 11  网络分段 HUB MAC 广播域 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

2016/7/6 page 12  实现网段分割的设备 —— 网络交换机 网络交换机和网桥属同一类设备，工作在数据链路层 上。但网络交换机的端口数多，并且速度快。在这个 意义上，网络交换机又称为多端口的高速网桥。  工作原理（参见第 4 章） 构造：端口 - 地址表、端口缓冲器、交换矩阵 学习源地址（构造端口 - 地址表） 过滤本网段帧（隔离冲突域） 转发异网段帧（交换） 广播未知帧（寻找目的站点）

2016/7/6 page 13  三种转发方式  存储转发（ Store and forward ） 整个帧完整接收并存储到缓冲区，对整个帧进行差错检 验，然后再查表找出目的端口并转发 优点：进行差错校验，错误不会扩散到目的网段 缺点：交换延迟比较大  穿通转发（ Cut-through ） 因为转发仅依赖于目的地址 DA ，所以只要收到帧的前 6 个字节 (DA 字段 ) ，就可查表找出目的端口并转发 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

2016/7/6 page 14  无碎片穿通（ Fragment free cut-through ） 以上两种方案的折衷。 接收了一帧的前 64 字节后，再查表找出目的端口并转发 ∵帧出错的主要原因是冲突，而以太网的帧至少为 64B ， ∴＜ 64 字节的帧必然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，转发延时高 于直通式

2016/7/6 page 15  使用网络交换机带来的好处  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  减少每个网段中的站点数 —— 提高了站点平均拥有带宽  允许全双工连接 —— 提高带宽  网络交换机在网络中的地位  作为 LAN 核心主干连接设备，如网络中心、数据中心等  高网络通信流量的应用场合，如图像处理、视频流等  对网络响应速度要求比较高的场合

2016/7/6 page 16  提高网络交换机的性能的措施  主干 / 服务器连接：增加 1-2 个高速端口 (Big Pipe) 。缓解主干 / 服务器连接的瓶颈问题。  速度自动协商： 10/100Mbps 自适应交换机。根据所连接工 作站网卡的速度自动调整端口的通信速率。  虚拟网络 VLAN ：将逻辑上的一组站点划分到同一个虚拟的 逻辑网络中。用交换机划分的若干个 VLAN 在逻辑上完全独 立，广播帧不会越过逻辑网络边界。  流量控制：缓冲区大小有限，为防止溢出（帧丢失），快 满时向信息到达端口发送拥塞信号，造成冲突的假象，使 发送站点停止发送。 —— 背压控制（ Back Pressure ）  根据错误帧出现概率自动进行存储转发和直通转发的切换

2016/7/6 page 17 千兆主干交换机 服务器 校园网 10Mbps UTP 100Mbps UTP （连接校园网） 1000Mbps Fiber 100Mbps UTP 交大计教中心 ( 东区 ) 网络结构图 二级交换机 HUB

2016/7/6 page 路由器 Router  工作在第三层（网络层）上。  在网络之间转发网络分组。  能够提供按最佳路由转发网络分组。  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 —— 比较网络交换机 )  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。因为路由器 不会转发广播包。

2016/7/6 page 19  路由器的结构  控制部件（ CPU 、 RAM 、 OS ）  路由表  协议软件  网络接口（ LAN 、 WAN 、 CONSOLE ）

2016/7/6 page 20  用路由器进行网络互联 HUB 路由器 冲突域 2 冲突域 1 路由器可以分隔冲突域和广播域

2016/7/6 page 21  工作原理  采用存储转发的方法： 接收并缓存 IP 数据分组，提取分组中的目的 IP 地址，然后 查路由表决定转发路径。如果未查到，则丢弃该分组。 交换机也用查表的方法决定转发路径，但交换机的表是 “ 端 口 -MAC 地址 ” 表，存放的是端口与目的 MAC 地址之间的关 系，要用帧中的 MAC 地址查表； 而路由器中的路由表是 “ 端口 - 网络地址 ” 表，存放的是端口 与目的网络地址之间的关系，故要从分组中提取 IP 地址， 并解析出其中的网络地址部分来查表。 路由表 —— 用于存放到达其他网络的路由信息。

2016/7/6 page 22  基于路由表（ Routing Table ）的路由选择 网络号（网络地址） 路径。用下一路由器对应端口的 IP 地址来表示。 例如， p287 图中的路由器 R4 ： 路径 1 ： (R1) 路径 2 ： (R2) 路径 3 ： (R3) 路径 4 ： (R5) 路径成本 / 开销。 P287 页例子中路径成本用步跳数来表示，指出到达某一网络所 跨越的路由器的个数。

2016/7/6 page 23  路由表的基本内容 目的网络 路由 ( 下一站点 ) 距 离 直接 AB 路由器 A 的路由表 直接

2016/7/6 page 24 注意：路由器是根据网络号来转发 IP 数据包的，所以路由 表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号。 类比：邮政局在城市间转发信件依据的是城市名。 这样做的优点：路由表小，所以节省路由器的存储空间， 路由表的路由更新速度快。  路由表的维护有两种基本方式： 静态路由 —— 由人工预先设置好，只适用于 小型网络 动态路由 —— 路由器运行过程中根据网络情 况自动地动态维护

2016/7/6 page 25 LAN1 PC 机 WAN LAN2 R1 R2  用路由器连接两个 LAN 一般说来，通过 WAN 实 现 LAN 之间的互联，路由 器是唯一可行的设备。

2016/7/6 page 26 路由器结构 路由器的两个关键功能 :  运行路由算法 / 协议 (RIP, OSPF, BGP)  把入口的数据报交换到出口链路

2016/7/6 page 27 输入端口的功能 数据链路层 : 如, 以太网 物理层 : 位的接收 分散化的交换 :  给定数据报目的地址, 在路由表中查找输出 端口  目标 : 以线速实现输入端口处理  排队 : 若数据报到达太快，来不及处理时

2016/7/6 page 28 三种结构的交换构造

2016/7/6 page 29 输出端口的功能  当来自于交换引擎的数据报太快以至于来不及 发送时，就需要进行缓冲处理（ Buffering ）  根据调度规则从数据报队列中选择数据报发送 出去

2016/7/6 page 30 输出端口缓冲  当通过交换引擎到达的数据报太快以至超过线 速时，就需要进行缓冲处理（ Buffering ）  输出端口缓冲溢出会引起排队延迟和分组丢失 !