文山網絡硬件和網絡設備及其工作原理

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計算機與外界局域網的連接是通過主機箱內插入一塊網絡接口板（或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡）。網絡接口板又稱為通信適配器或網絡適配器（network adapter）或網絡接口卡NIC（Network Interface Card），但是更多的人愿意使用更為簡單的名稱“網卡”。

功能詳解

網卡上面裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM）。網卡和局域網之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的。而網卡和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行。因此，網卡的一個重要功能就是要進行串行/并行轉換。由于網絡上的數據率和計算機總線上的數據率并不相同，因此在網卡中必須裝有對數據進行緩存的存儲芯片。

在安裝網卡時必須將管理網卡的設備驅動程序安裝在計算機的操作系統中。這個驅動程序以后就會告訴網卡，應當從存儲器的什么位置上將局域網傳送過來的數據塊存儲下來。網卡還要能夠實現以太網協議。

網卡并不是獨立的自治單元，因為網卡本身不帶電源而是必須使用所插入的計算機的電源，并受該計算機的控制。因此網卡可看成為一個半自治的單元。當網卡收到一個有差錯的幀時，它就將這個幀丟棄而不必通知它所插入的計算機。當網卡收到一個正確的幀時，它就使用中斷來通知該計算機并交付給協議棧中的網絡層。當計算機要發送一個IP數據包時，它就由協議棧向下交給網卡組裝成幀后發送到局域網。

隨著集成度的不斷提高，網卡上的芯片的個數不斷的減少，雖然各個廠家生產的網卡種類繁多，但其功能大同小異。

網絡硬件和網絡設備主要功能:

1. 數據的封裝與解封: 發送時將上一層交下來的數據加上首部和尾部，成為以太網的幀。接收時將以太網的幀剝去首部和尾部，然后送交上一層。

2. 鏈路管理: 主要是CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ，帶沖突檢測的載波監聽多路訪問）協議的實現。

3. 編碼與譯碼 : 即曼徹斯特編碼與譯碼。

二. 中繼站：

中繼器又叫“放大器”，起放大信號的左右，解決線路太長，而引起的信號衰減問題。缺點：放大通信信號的同時會放大噪聲。它處于OSI七層模型的物理層設備，無法讀懂和修改OSI的上層數據，無法完成更多的選路和優化轉發的特性，只有放大信號和延長線路的作用，端口少，不是一種密集型端口的網絡設備，現在已被淘汰

三. 集線器：（hub）

集線器又叫Hub，是一種用于“星形”網絡組織的中心設備。它具備中繼器的特點，端口比中繼器更密集，因此又把集線器叫做端口更多的中繼器。集線器是一種半雙工（同一時間只能接收或發送數據，不能同時既接受又發送數據）、沖突型設備， 共享帶寬，放大信號的同時放大噪聲，不隔離廣播，不能成環，不安全，一般不建議使用。集線器工作原理如下所示。A端口給D端口發送數據時，從集線器1號端口進入的數據，會發給2,3,4三個端口，然后2,3端口發現不是發給自己的數據，所以丟棄，只有4端口的D計算機發現目標地址是自己的地址，所以就接受，發送數據以廣播的形式，因此這樣是一種不安全的通訊設備，容易被別人監聽到數據報。同時，當A發數據的時候，B是不能發送數據的，就會發生沖突。

四. 橋連接器：

網橋（bridge）處于OSI模型的數據鏈路層（鏈路層設備不隔離廣播），作用是減少集線器因共享和半雙工特性引發的網絡沖突問題。網橋的性能比集線器更好，因為網橋能夠基于MAC地址進行數據鏈路層選路，能夠基于學習構造MAC地址表，對MAC地址進行控制與過濾，所以網橋可以基于MAC地址進行選路，比集線器性能更好，將沖突域劃分的更小，轉發行能比集線器更高。但同樣是不能隔離廣播，所以不能讓網橋形成閉合的環路。

網橋MAC地址自學習：在網橋的接口上記錄數據報文的源MAC地址，來完成整個MAC地址表的構建。

開始，網橋的MAC地址表是空的，第一次發生數據的時候不知道目的地址在哪，同樣會發廣播，但此時的廣播不是發送數據的廣播，而是一個ARP（地址解析協議）的請求廣播，這個廣播不帶要發送的數據（即使被監聽到也是不能得到主機間通信的數據），是一個輕量的廣播，可以忽略不計，這次廣播的目的在于建立MAC地址表，記錄源MAC地址對應的網橋端口。例如這樣一次廣播過程：A要給D發送數據，A先ARP廣播D，A作為源主機，網橋記錄了A 的MAC地址，B和C收到后不做反應，然后D收到廣播后單播方式回應ARP，D回應的時候對于網橋就是源主機，就會記錄D主機的MAC地址，這樣就完成了一次記錄。請求當MAC表構建后，網橋不在進行廣播，而是利用MAC表進行快速選路并轉發，所以就算網橋上裝有數據分析儀也不能監聽到數據，監聽到的廣播也是不帶主機間通信的數據，而集線器每次都以廣播的形式發送數據（直接將數據廣播出去），所以不安全。（網橋廣播和集線器廣播有很大區別）

網橋不能成環的原因：①網橋不隔離廣播，所以廣播不能在網橋環路中發散，從而形成廣播風暴，將整個網絡的正常通信資源占據。②由于網橋不能隔離廣播，所以會導致MAC地址自學習錯誤。

對②進行解析：當主機B給主機A發送數據時，網橋B的2端口會記錄主機B的MAC地址，而在網橋環路中，網橋不隔離廣播，對于ARP的請求廣播，網橋B又相當于一根線，所以廣播會穿過網橋B到的網橋A，即主機B發送的數據會直接到網橋A的1端口，因此網橋A的1端口也會記錄主機B的MAC地址，但是網橋A的1端口連接主機A，應該記錄主機A的MAC地址，所以就產生了錯誤。但實際情況中，網橋是物理成環的，以提供冗余的路徑，這又違背了網橋不能成環的原則，所以后面會講到一種生成樹協議STP來解決這個問題。

五. 文山交換機：

交換機（Switch）意為“開關”是一種用于電（光）信號轉發的網絡設備。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信號通路。最常見的交換機是以太網交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等。

定義

交換（switching）是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術的統稱。交換機根據工作位置的不同，可以分為廣域網交換機和局域網交換機。廣域的交換機（switch）就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備，它應用在數據鏈路層。交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能，可以連接一個局域網或一臺高性能文山服務器或工作站。實際上，交換機有時被稱為多端口網橋。

在計算機網絡系統中，交換概念的提出改進了共享工作模式。而HUB集線器就是一種物理層共享設備，HUB本身不能識別MAC 地址和IP地址，當同一局域網內的A主機給B主機傳輸數據時，數據包在以HUB為架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端通過驗證數據報頭的MAC地址來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網絡上只能傳輸一組數據幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。通俗的說，普通交換機是不帶管理功能的，一根進線，其他接口接到電腦上就可以了。

在今天，交換機以更多的卻是以應用需求為導向，在選擇方案和產品時用戶還非常關心如何有效保證投資收益。在用戶提出需求后，由系統集成商或廠商來為其需求來提供相應的服務，然后再去選擇相應的技術。這點是在網絡方面表現尤其明顯，廣大用戶，不論是重點行業用戶還是一般的企業用戶，在應用IT技術方面更加明智，也更加穩健。此外，寬帶的廣泛應用、大容量視頻文件的不斷涌現等等都對網絡傳輸的中樞–交換機的性能提出了新的要求。

交換機原理

原理

思科模擬器中的交換機

思科模擬器中的交換機

交換機工作于OSI參考模型的第二層，即數據鏈路層。交換機內部的CPU會在每個端口成功連接時，通過將MAC地址和端口對應，形成一張MAC表。在今后的通訊中，發往該MAC地址的數據包將僅送往其對應的端口，而不是所有的端口。因此，交換機可用于劃分數據鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。

交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數據包以后，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC（網卡的硬件地址）的NIC（網卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口，目的MAC若不存在，廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學習”新的MAC地址，并把它添加入內部MAC地址表中。使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照IP地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的減少沖突域，但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。

端口

交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的物理網段（注：非IP網段），連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節點A向節點D發送數據時，節點B可同時向節點C發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網交換機，那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps�？傊�，交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發數據幀功能的網絡設備。交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址。

傳輸

交換機的傳輸模式有全雙工，半雙工，全雙工/半雙工自適應。

交換機的全雙工是指交換機在發送數據的同時也能夠接收數據，兩者同步進行，這好像我們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音。交換機都支持全雙工。全雙工的好處在于遲延小，速度快。

提到全雙工，就不能不提與之密切對應的另一個概念，那就是“半雙工”，所謂半雙工就是指一個時間段內只有一個動作發生，舉個簡單例子，一條窄窄的馬路，同時只能有一輛車通過，當有兩輛車對開，這種情況下就只能一輛先過，等到頭兒后另一輛再開，這個例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對講機、以及早期集線器等設備都是實行半雙工的產品。隨著技術的不斷進步，半雙工會逐漸退出歷史舞臺。

六. 文山路由器：

路由器（Router），是連接因特網中各局域網、廣域網的設備，它會根據信道的情況自動選擇和設定路由，以最佳路徑，按前后順序發送信號。 路由器是互聯網絡的樞紐，“交通警察”。目前路由器已經廣泛應用于各行各業，各種不同檔次的產品已成為實現各種骨干網內部連接、骨干網間互聯和骨干網與互聯網互聯互通業務的主力軍。路由和交換機之間的主要區別就是交換機發生在OSI參考模型第二層（數據鏈路層），而路由發生在第三層，即網絡層。這一區別決定了路由和交換機在移動信息的過程中需使用不同的控制信息，所以說兩者實現各自功能的方式是不同的。

路由器（Router）又稱網關設備（Gateway）是用于連接多個邏輯上分開的網絡，所謂邏輯網絡是代表一個單獨的網絡或者一個子網。當數據從一個子網傳輸到另一個子網時，可通過路由器的路由功能來完成。因此，路由器具有判斷網絡地址和選擇IP路徑的功能，它能在多網絡互聯環境中，建立靈活的連接，可用完全不同的數據分組和介質訪問方法連接各種子網，路由器只接受源站或其他路由器的信息，屬網絡層的一種互聯設備。

路由器原理

傳輸介質

路由器分本地路由器和遠程路由器，本地路由器是用來連接網絡傳輸介質的，如光纖、同軸電纜、雙絞線；遠程路由器是用來連接遠程傳輸介質，并要求相應的設備，如電話線要配調制解調器，無線要通過無線接收機、發射機。

路由器是互聯網的主要結點設備。路由器通過路由決定數據的轉發。轉發策略稱為路由選擇（routing），這也是路由器名稱的由來（router，轉發者）。作為不同網絡之間互相連接的樞紐，路由器系統構成了基于TCP/IP 的國際互聯網絡Internet 的主體脈絡，也可以說，路由器構成了Internet的骨架。它的處理速度是網絡通信的主要瓶頸之一，它的可靠性則直接影響著網絡互連的質量。因此，在園區網、地區網、乃至整個Internet研究領域中，路由器技術始終處于核心地位，其發展歷程和方向，成為整個Internet研究的一個縮影。在當前我國網絡基礎建設和信息建設方興未艾之際，探討路由器在互連網絡中的作用、地位及其發展方向，對于國內的網絡技術研究、網絡建設，以及明確網絡市場上對于路由器和網絡互連的各種似是而非的概念，都有重要的意義。

出現了交換路由器產品，從本質上來說它不是什么新技術，而是為了提高通信能力，把交換機的原理組合到路由器中，使數據傳輸能力更快、更好。

結構

電源接口（POWER）：接口連接電源。 usb

復位鍵（RESET）：此按鍵可以還原路由器的出廠設置。

貓(MODEM)或者是交換機與路由器連接口（WAN）：此接口用一條網線與家用寬帶調制解調器（或者與交換機）進行連接。

電腦與路由器連接口（LAN1~4）：此接口用一條網線把電腦與路由器進行連接。

需注意的是：WAN口與LAN口一定不能接反。

家用無線路由器和有線路由器的IP地址根據品牌不同，主要有192.168.1.1和192.168.0.1兩種。

啟動過程

路由器里也有軟件在運行，典型的例如H3C公司的Comware和思科公司的IOS，可以等同的認為它就是路由器的操作系統，像PC上使用的Windows系統一樣。路由器的操作系統完成路由表的生成和維護。

同樣的，作為路由器來講，也有一個類似于我們PC系統中BIOS一樣作用的部分，叫做MiniIOS。MiniIOS可以使我們在路由器的FLASH中不存在IOS時，先引導起來，進入恢復模式，來使用TFTP或X-MODEM等方式去給FLASH中導入IOS文件。所以，路由器的啟動過程應該是這樣的：

路由器在加電后首先會進行POST。Power On Self Test (上電自檢，對硬件進行檢測的過程)。

POST完成后，首先讀取ROM里的BootStrap程序進行初步引導。

初步引導完成后，嘗試定位并讀取完整的IOS鏡像文件。在這里，路由器將會首先在FLASH中查找IOS文件，如果找到了IOS文件的話，那么讀取IOS文件，引導路由器。

如果在FLASH中沒有找到IOS文件的話，那么路由器將會進入BOOT模式，在BOOT模式下可以使用TFTP上的IOS文件�；蛘呤褂肨FTP/X-MODEM來給路由器的FLASH中傳一個IOS文件(一般我們把這個過程叫做灌IOS)。傳輸完畢后重新啟動路由器，路由器就可以正常啟動到CLI模式。

當路由器初始化完成IOS文件后，就會開始在NVRAM中查找STARTUP-CONFIG文件，STARTUP-CONFIG叫做啟動配置文件。該文件里保存了我們對路由器所做的所有的配置和修改。當路由器找到了這個文件后，路由器就會加載該文件里的所有配置，并且根據配置來學習、生成、維護路由表，并將所有的配置加載到RAM(路由器的內存)里后，進入用戶模式，最終完成啟動過程。

如果在NVRAM里沒有STARTUP-CONFIG文件，則路由器會進入詢問配置模式，也就是俗稱的問答配置模式，在該模式下所有關于路由器的配置都可以以問答的形式進行配置。不過一般情況下我們基本上是不用這樣的模式的。我們一般都會進入CLI [1] (Comman Line Interface)命令行模式后對路由器進行配置。

工作原理示例

（1）工作站A將工作站B的地址12.0.0.5連同數據信息以數據包的形式發送給路由器1。

（2）路由器1收到工作站A的數據包后，先從包頭中取出地址12.0.0.5，并根據路徑表計算出發往工作站B的最佳路徑：R1->R2->R5->B；并將數據包發往路由器2。

（3）路由器2重復路由器1的工作，并將數據包轉發給路由器5。

（4）路由器5同樣取出目的地址，發現12.0.0.5就在該路由器所連接的網段上，于是將該數據包直接交給工作站B。

（5）工作站B收到工作站A的數據包，一次通信過程宣告結束。

路由器的作用及功能

1、連通不同的網絡

從過濾網絡流量的角度來看，路由器的作用與交換機和網橋非常相似。但是與工作在網絡物理層，從物理上劃分網段的交換機不同，路由器使用專門的軟件協議從邏輯上對整個網絡進行劃分。例如，一臺支持IP協議的路由器可以把網絡劃分成多個子網段，只有指向特殊IP地址的網絡流量才可以通過路由器。對于每一個接收到的數據包，路由器都會重新計算其校驗值，并寫入新的物理地址。因此，使用路由器轉發和過濾數據的速度往往要比只查看數據包物理地址的交換機慢。但是，對于那些結構復雜的網絡，使用路由器可以提高網絡的整體效率。路由器的另外一個明顯優勢就是可以自動過濾網絡廣播�？傮w上說，在網絡中添加路由器的整個安裝過程要比即插即用的交換機復雜很多。

2、信息傳輸

有的路由器僅支持單一協議，但大部分路由器可以支持多種協議的傳輸，即多協議路由器。由于每一種協議都有自己的規則，要在一個路由器中完成多種協議的算法，勢必會降低路由器的性能。路由器的主要工作就是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑的策略即路由算法是路由器的關鍵所在。為了完成這項工作，在路由器中保存著各種傳輸路徑的相關數據－－路徑表（Routing Table），供路由選擇時使用。路徑表中保存著子網的標志信息、網上路由器的個數和下一個路由器的名字等內容。路徑表可以是由系統管理員固定設置好的。

靜態路由表：由系統管理員事先設置好固定的路徑表稱之為靜態（static）路徑表。

動態路由表：動態（Dynamic）路徑表是路由器根據網絡系統的運行情況而自動調整的路徑表。

路由器是一種多端口設備，它可以連接不同傳輸速率并運行于各種環境的局域網和廣域網，也可以采用不同的協議。路由器屬于O S I 模型的第三層–網絡層。指導從一個網段到另一個網段的數據傳輸，也能指導從一種網絡向另一種網絡的數據傳輸。

第一，網絡互連：路由器支持各種局域網和廣域網接口，主要用于互連局域網和廣域網，實現不同網絡互相通信；

第二，數據處理：提供包括分組過濾、分組轉發、優先級、復用、加密、壓縮和防火墻等功能；

第三，網絡管理：路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容錯管理和流量控制等功能。

所謂“路由”，是指把數據從一個地方傳送到另一個地方的行為和動作，而路由器，正是執行這種行為動作的機器，它的英文名稱為Router,是一種連接多個網絡或網段的網絡設備，它能將不同網絡或網段之間的數據信息進行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀懂”對方的數據，從而構成一個更大的網絡。

為了完成“路由”的工作，在路由器中保存著各種傳輸路徑的相關數據－－路由表（Routing Table），供路由選擇時使用。路由表中保存著子網的標志信息、網上路由器的個數和下一個路由器的名字等內容。路由表可以是由系統管理員固定設置好的，也可以由系統動態修改，可以由路由器自動調整，也可以由主機控制。在路由器中涉及到兩個有關地址的名字概念，那就是：靜態路由表和動態路由表。由系統管理員事先設置好固定的路由表稱之為靜態（static）路由表，一般是在系統安裝時就根據網絡的配置情況預先設定的，它不會隨未來網絡結構的改變而改變。動態（Dynamic）路由表是路由器根據網絡系統的運行情況而自動調整的路由表。路由器根據路由選擇協議（Routing Protocol）提供的功能，自動學習和記憶網絡運行情況，在需要時自動計算數據傳輸的最佳路徑。

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