网络硬件设备简介

ldsystem

网卡
网络接口卡(NIC，Network Interface Card)，简称网卡，又叫做网络适配器，如图2-1所示，是连接计算机和网络硬件的设备, 它一般插在计算机的主板扩展槽中。它的标准是由IEEE来定义的。网卡工作于OSI的最低层，也就是物理层。网卡的类型不同，与之对应的网线或者其他网络设备也不同，不能盲目混合使用。

图2-1 网卡
网卡的工作原理为：整理计算机上要发往网线上的数据，并将数据分解为适当大小的数据包之后向网络上发送出去。每块网卡都有一个惟一的网络节点地址，它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM中的，且保证惟一。
2.1.1 网卡的种类
网卡根据不同的分类标准，如根据传输速度和总线类型等可以分为不同的种类，如图2-2所示。
1. 按传输速度分类
目前经常用到的是10M网卡和10/100M自适应网卡2种，它们价格便宜，比较适合于普通，10/100M自适应网卡在各方面都要优于10M网卡。千兆(1000M )网卡，主要用于高速的服务器。

图2-2 网卡的分类
2. 按总线类型分类
ISA接口的网卡有两种：8位ISA网卡和16位ISA网卡。8位ISA网卡目前已被淘汰，市场上常见的是16位ISA接口的10M网卡，它的惟一好处就是价格低廉，如比较有名的NE2000等，适合于一些如网吧等要求不高的场合使用。而VESA、EISA网卡速度虽然快，但价格较贵，市场很少见。目前市场上的主流网卡是PCI总线的网卡。
PCI网卡的理论带宽为133M。PCI网卡又可分为10M PCI网卡和10/100M PCI自适应网卡两种类型。10M PCI网卡价格较便宜，被低端用户广泛采用；而10/100MPCI自适应网卡作为当今的主流产品，可根据需要自动识别连接网络设备的工作频率，自动工作于10M或100M的网络带宽下。PCI总线网卡的另一好处是比ISA网卡的系统资源占用率要低得多。
USB接口网卡，主要是为了满足没有内置网卡的笔记本用户。它通过主板上的USB接口引出来的。
3. 连接线接口类型
RJ-45接口是采用10BASE T双绞线网络接口类型。它的一端就是计算机网卡上的RJ-45插口，连接的另一端就是集线器HUB上的RJ-45插口。
BNC接口，是采用10BASE 2同轴电缆的接口类型，它同带有螺旋凹槽的同轴电缆上的金属接头相连，如T型头等。
AUI接口，为粗同轴电缆接口。
目前也有些网卡在一块网卡上同时提供2种、甚至3种接口，用户可依据自己所选的传输介质选用相应的网卡。
2.1.2 网卡的安装
要实现网络的组建，一个前提条件是必须在所要组建网络的计算机上安装上网卡及其驱动程序，并且针对不同的网络还需要添加不同的协议。

安装网卡的操作步骤如下：
(1) 关闭主机电源，拔下电源插头，打开机箱。
(2) 根据用户所使用的网卡的总线类型，在主板上寻找其对应的插槽。ISA卡的插槽略长于PCI卡的插槽。
(3) 将网卡对准插槽，使有输出接口的一侧面向机箱后侧，适当用力平稳地将网卡向下压入到插槽中。
在安装网卡时需要注意的是：安装网卡前最好将其放置在防静电袋中，因为网卡和主板上有许多易遭受静电损坏的集成电路。拿网卡时尽可能不接触集成电路芯片和卡底部的金手指。
把网卡安装在主板上后，并没有完成网卡的安装，还需要安装它的设备驱动程序，这样才能实现接收和发送信息。
硬件安装完成并开启计算机后，Windows能够自动检测到网卡的存在，将出现找到新硬件设备的画面，此时可按提示进行安装；如果用户使用的是Window XP，则系统一般能够自动进行安装，不需要用户手动安装。
如果Windows未能自动检测到网卡并安装驱动程序，用户可以利用“控制面板”中的工具”来手工安装网卡驱动程序。操作方法是：双击“控制面板”中的“添加新硬件”选项，启动“添加新硬件”向导来完成网卡驱动程序的安装。
2.1.3 网卡的选购
在购买网卡时，要从速度、总线类型、接口等方面考虑，以使其能够适应用户所组建的网络。否则，很有可能造成网络缓慢，甚至不能使用。
1. 速度
网卡的速度直接决定了网络中计算机接收和发送数据的快慢程度。通常，10Mbps网卡价格低，但仅能满足普通小型共享式局域网传输数据的要求，如果要传输频带较宽的信号或处于交换式局域网中，应当采用100Mbps网卡。为了考虑网络的实际应用性和可扩展性，应当选择10/100Mbps自适应网卡，尤其是经常需要传输大量数据的时候。
2. 总线类型
现在常见的网卡按总线类型可分为ISA网卡、EISA网卡、PCI网卡等。其中，ISA网卡的数据传送以16位进行，速度较慢，标称速度能够达到10Mbps。而EISA和PCI网卡的数据传送量为32位，速度较快。现在EISA的网卡基本上没有了，而市场上出现的大多是PCI的10Mbps和100Mbps网卡。选购时，用户应根据计算机主板的扩展槽情况来选择。
3. 接口
根据传输介质的不同，网卡出现了AUI接口(粗缆接口)、BNC接口(细缆接口)和RJ-45接口(双绞线接口)3种接口类型。所以，在选用网卡时应注意网卡所支持的接口类型，否则可能不适用于你的网络。目前市场上常见的10Mbps网卡主要有单口网卡(RJ-45接口或BNC接口)和双口网卡(RJ-45和BNC两种接口)，带有AUI粗缆接口的网卡较少，而100Mbps以上的网卡一般为RJ-45接口单口卡。

ldsystem

网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络节点的实体，在局域网中常见的网络传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆3种。其中，双绞线是经常使用的传输介质，它一般用于星形网络中，同轴电缆一般用于总线型网络，光缆一般用于主干网的连接。
2.2.1 双绞线
双绞线是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质(如图2-3所示)，是目前局域网最常用的一种布线材料。从图中我们可以看出双绞线中的每一对都是由两根绝缘铜导线相互缠绕而成的，这是为了降低信号的干扰程度而采取的措施。双绞线一般用于星型网络的布线连接，两端安装有RJ-45头(接口)，连接网卡与集线器，最大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500米。

图2-3 双绞线
1. 双绞线的分类
双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两大类，局域网中非屏蔽双绞线分为3类、4类、5类和超5类4种，屏蔽双绞线分为3类和5类两种，如图2-4所示。

图2-4 双绞线的分类
屏蔽双绞线内有一层金属隔离膜，在数据传输时可减少电磁干扰，所以它的稳定性较高。而非屏蔽双绞线内没有这层金属膜，所以它的稳定性较差，但它的优点是价格便宜。双绞线一共8根线，8根线的布线规则是1、2、3、6线有用，4、5、7、8线闲置。
目前，局域网中常用到的双绞线一般都是非屏蔽的5类4对(即8根导线)的电缆线，其传输速率可达到100Mbps。与普通5类双绞线相比，超5类双绞线在传送信号时衰减更小，抗干扰能力更强，在100M网络中，用户设备的受干扰程度只有普通5类线的1/4。
在使用双绞线组建网络时应注意：必须遵循“5-4-3规则”，即网络中任意两台计算机间最多不超过5段线(集线设备到集线设备或集线设备到计算机间的连线)，4台集线设备，3台直接连接计算机的集线设备。
2. 双绞线线序和RJ-45接口引脚序号
双绞线由8根铜导线组成，这8根铜导线的顺序分别橙白—1，橙—2，绿白—3，蓝—4，蓝白—5，绿—6，棕白—7，棕—8，如图2-5所示。

图2-5 双绞线的顺序
RJ-45接口由金属片和塑料构成，特别需要注意的是引脚序号，当金属片面对我们的时候从左至右引脚序号是1～8，如图2-6所示。这个序号在做网络连线时非常重要，不能搞错。

图2-6 RJ-45接口引脚序号
3. 双绞线的连接方式
在组建一个网络时，使用双绞线连接网卡和集线器的方式共有3种：网卡到集线器、集线器到集线器和网卡到网卡的连接。3种不同的连接方式下，双绞线两端的RJ-45接口中线的排列也不一样，下面以最常用的5类非屏蔽双绞线为例，分别介绍一下双绞线的3种连接方式。
● 网卡和集线器
网卡和集线器的连接，不需要错位，而是双绞线的顺序与接口引脚序号一致即可。如图2-7所示。

图2-7 网卡和集线器相连时的接线方式
根据10Base T和100Base TX传输规范，双绞线的4对(8根)线中，1和2必须是一对，用于发送数据；3和6必须是一对，用于接收数据。其余的线在连接当中虽也被插入RJ-45接口，但实际上并没有使用，如图2-8所示。

图2-8 成对双绞线
● 网卡到网卡连接
在某些特定情况下，需要把两台计算机通过网卡直连。此时双绞线需要错位，其顺序与RJ-45接口引脚顺序连接成如图2-9所示。

图2-9 双网卡直连的接线方式
● 集线器到集线器
使用双绞线连接集线器和集线器，可以扩大网络规模，加大网络连接距离。从网卡到集线器，允许的最大网线长度为100米；从集线器到集线器，允许的最大网线长度也是100米。
集线器到集线器的双绞线连接方式可以根据集线器上的级联端口分为两种。如果使用集线器上专用的级联端口，则采用网卡到集线器连线方式，如果不使用集线器上专用的级联端口，则采用网卡到网卡连线方式。一般情况下，如果集线器有专用的级联端口，厂商会在该端口旁标注Out to Hub字样。
2.2.2 同轴电缆
同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体(铜网)和一根位于中心轴线的内导线(电缆铜芯)组成，并且内导线和圆柱导体及圆柱导体和外界之间都是用绝缘材料隔开，如图2-10所示。它的特点是抗干扰能力好，传输数据稳定，价格也便宜，同样被广泛使用，如闭路电视线等。



图2-10  同轴电缆
同轴电缆根据传输频带的不同，可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型。按直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆2种，如图2-11所示。




图2-11  同轴电缆
现在计算机局域网中一般都使用细缆组网。细缆一般用于总线型网络布线连接。利用T型BNC接口连接器连接BNC接口网卡，同轴电缆的两端需安装50Ω终端电阻器。细缆网络每段干线长度最大为185米，每段干线最多可接入30个用户。如要拓宽网络范围，则需要使用中继器，如采用4个中继器连接5个网段，使网络最大距离达到925米。细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不是很方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。粗缆适用于较大局域网的网络干线，布线距离较长，可靠性较好。用户通常采用外部收发器与网络干线连接。粗缆局域网中每段长度可达500米，采用4个中继器连接5个网段后最大可达2500米。用粗缆组网如果直接与网卡相连，网卡必须带有AUI接口(15针D型接口)。用粗缆组建的局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，且造价较高。
2.2.3 光缆
光缆是由一组光导纤维组成的、用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。与其他传输介质相比较，光缆的电磁绝缘性能好，信号衰变小，频带较宽，传输距离较大。光缆主要是在要求传输距离较长，用于主干网的连接。光缆通信由光发送机产生光束，将电信号转变为光信号，再把光信号导入光纤，在光缆的另一端由光接收机接收光纤上传输来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再处理。光缆的传输距离远、传输速度快，是局域网中传输介质的姣姣者。光缆的安装和连接需由专业技术人员完成。
现在有两种光缆：单模光缆和多模光缆。单模光缆的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光缆是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤，与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。
光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点：
● 频带较宽。
● 不受电磁干扰。
光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于远距离的信息传输以及要求高度安全的场合。由于割开的光缆需要再生和重发信号，因此抽头非常困难。
● 衰减较小。
可以说在较长距离范围内信号衰减是一个常数。
● 中继器的间隔较长。
在使用光缆互联多个小型机的应用中，必须考虑光纤的单向特性，如果要进行双向通信，那么就应使用双股光纤。由于要对不同频率的光进行多路传输和多路选择，因此在通信器件市场上又出现了光学多路转换器。

ldsystem

集线器(HUB)应用很广泛，它不仅使用于局域网、企业网、校园网，还可以使用于广域网。大多数小型局域网使用带有RJ-45接头的双绞线组成的星型局域网，这种网络经常要使用到集线器。集线器的功能就是分配带宽，将局域网内各自独立的计算机连接在一起并能互相通信，如图2-12所示。

图2-12 集线器
2.3.1 集线器的工作原理
集线器在OSI的7层模型中处于物理层，其实质是一个中继器。主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。正因为集线器只是一个信号放大和中转的设备，所以它不具备交换功能，但是由于集线器价格便宜、组网灵活，所以经常使用它。集线器使用于星型网络布线，如果一个工作站出现问题，不会影响整个网络的正常运行。
因为以太网遵循“先听后说”的CSMA/CD协议，所以计算机在发送数据前首先进行载波侦听。只有当判定网络空闲时，才发送数据。如果在发送数据时检测到冲突，则该帧将被重发。当一个站点多次检测线路均为载波时，将自动放弃该帧的发送，从而造成丢包。因此，当网络中的站点数过多时，网络的有效利用率将会大大降低。根据工程经验，采用10Mbps集线器的站点不宜超过25个，采用100Mbps集线器的站点不宜超过35个。所以，当网络较大、用户较多时，只有采用交换机才能保证每台计算机拥有足够的网络带宽。
2.3.2 集线器的分类
集线器按照不同的分类标准，分为不同的种类，如按集线器的尺寸分类有机架式集线器和桌面式集线器，按照提供的带宽有10Mbps集线器、100Mbps集线器、10/100Mbps自适应集线器3种，其分类如图2-13所示。

图2-13 集线器的分类
1. 按尺寸分类
集线器按照外形尺寸有机架式和桌面式两种。
机架式集线器是指几何尺寸符合工业规范、可以安装在19英寸机柜中的集线器，该类集线器以8口、16口和24口的设备为主流。由于集线器统一放置在机柜中，既方便了集线器间的连接或堆叠，又方便了对集线器的管理，如图2-14所示。

图2-14 机架式集线器
桌面式集线器是指几何尺寸不符合19英寸工业规范、不能够安装在机柜中、只能直接置放于桌面的集线器。该类集线器大多遵循接8～16口规范，也有个别4~5口的产品，仅适用于只有几台计算机的超小型网络，如图2-15所示。

图2-15 桌面式集线器
2. 按带宽分类
集线器按提供的带宽划分有10M bps集线器、100M bps集线器、10/100M bps自适应集线器3种。
10M bps集线器是指该集线器中的所有端口只能提供10M bps的带宽。
100M bps集线器是指该集线器中的所有端口只能提供100M bps带宽。
10/100M bps自适应集线器是指该集线器可以在10M bps和100M bps之间进行切换。目前所有的10/100M bps自适应集线器均可以自适应，每个端口都能自动判断与之相连接的设备所能提供的连接速率，并自动调整到与之相适应的最高速率，如图2-16所示。

图2-16 10/100Mbps自适应集线器
3. 按管理方式分类
集线器按管理方式分有哑集线器(Damp Hub)和智能集线器(Intelligent Hub)两种。
哑集线器是指不可管理的集线器，属于低端产品。
智能集线器是指能够通过SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)对集线器进行简单管理的集线器，比如启用和关闭某些端口等。这种管理大多是通过增加网管模块来实现的。
4. 按扩展方式分类
集线器按照扩展方式分类有堆叠式集线器和级联式集线器两种。
堆叠式集线器指能够使用专门的连接线，通过专用的端口将若干集线器堆叠在一起，从而将堆叠中的几个集线器视为一个集线器来使用和管理，如图2-17所示。

图2-17 堆叠式集线器
级联式集线器是在网络中增加节点数的另一种方法，但是有一个条件必须具备：集线器必须提供可级联的端口，此端口上常标有Uplink或MDI字样，用此端口与其他的集线器进行级联。如果没有提供专门的端口，在进行级联时，连接两个集线器的双绞线在制作时必须要进行错线。
目前，几乎所有的机架式集线器均可进行堆叠和级联，而桌面式集线器则大多只能级联而不能够堆叠

ldsystem

交换机也叫交换式集线器，是局域网中的一种重要设备。它可将用户收到的数据包根据目的地址转发到相应的端口。它与一般集线器的不同之处是：集线器是将数据转发到所有的集线器端口，既同一网段的计算机共享固有的带宽，传输通过碰撞检测进行，同一网段计算机越多，传输碰撞也越多，传输速率会变慢；而交换机每个端口为固定带宽，有独特的传输方式，传输速率不受计算机台数增加影响，所以它更优秀。
交换机是数据链路层设备，它可将多个局域网网段连接到一个大型网络上。目前有许多类型的交换机，交换机的分类如图2-18所示。
根据架构特点，交换机可分为机架式、带扩展槽固定配置式、不带扩展槽固定配置式3种。
● 机架式交换机：是一种插槽式的交换机，这种交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型。它是应用于高端的交换机。
● 带扩展槽固定配置式交换机：是一种有固定端口数并带少量扩展槽的交换机，这种交换机在支持固定端口类型网络的基础上，还可以通过扩展其他网络类型模块来支持其他类型网络。
● 不带扩展槽固定配置式交换机：仅支持一种类型的网络(一般是以太网)，可应用于小型企业或办公室环境下的局域网，应用很广泛。

图2-18 交换机的分类
根据传输介质和传输速度，交换机可以分为以太网交换机、令牌环交换机、FDDI交换机、ATM交换机、快速以太网交换机和千兆以太网交换机等多种，这些交换机分别适用于以太网、快速以太网、FDDI、ATM和令牌环网等环境。
根据应用规模，交换机可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机。
● 企业级交换机：属于高端交换机，它采用模块化的结构，可作为网络骨干来构建高速局域网。
● 部门级交换机：面向部门的以太网交换机，可以是固定配置，也可以是模块配置，一般有光纤接口。它具有较为突出的智能型特点。
工作组交换机是传统集线器Hub的理想替代产品，一般为固定配置，配有一定数目的10Base T或10/100Base TX以太网口。
根据OSI的分层结构，交换机可分为二层交换机、三层交换机等。
二层交换机是指工作在OSI参考模型的第2层(数据链路层)上的交换机，主要功能包括物理编址、错误校验、帧序列以及流控制。一个纯第2层的解决方案，是最便宜的方案，但它在划分子网和广播限制等方面提供的控制最少。
三层交换机是一个具有3层交换功能的设备，即带有第3层路由功能的第2层交换机。

ldsystem

路由器(Router)是一种多端口的网络设备，它能够连接多个不同网络或网段，并能将不同网络或网段之间的数据信息进行传输，从而构成一个更大的网络，如图2-19所示。 从计算机网络模型角度来看，路由器的行为是发生在OSI的第3层(网络层)。路由器主要用于异种网络互联或多个子网互联。

图2-19 由路由器构成的网络
1. 路由器的主要功能
路由器的主要功能有：可以在网络间截获发送到远程网段的报文，起转发的作用；选择最合理的路由，引导通信；为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式；多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网段通信连接的平台。
路由器像其他网络设备一样，也存在它的优缺点。它的优点主要是适用于大规模的网络，复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径，能更好地处理多媒体，安全性高，隔离不需要的通信量，节省局域网的带宽，减少主机负担等。它的缺点主要是不支持非路由协议、安装复杂、价格高等。
2. 路由器的工作原理
路由器是用来连接多个逻辑上分开的网络，在这里的网络指的是能够代表一个单独的网络或者一个子网。路由器在路由的过程中，所要做的主要工作是：判断网络地址和选择路径。经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。为了进行选择路径的操作，它需要保存各种传输路径的相关数据——路由表(Routing Table)。该路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以由系统管理员固定设置好，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。
路由器分本地路由器和远程路由器。本地路由器用来连接网络传输介质，如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。
假如用户A需要向用户B发送信息，如图2-20所示。并假定它们的IP地址分别为192.168.0.23和192.168.0.33。

图2-20 分布在不同的网络段的两个用户

用户A向用户B发送信息时，路由器需要执行以下过程：
(1) 用户A将用户B的地址192.168.0.33连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器1。
(2) 路由器1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址192.168.0.33，并根据路由表计算出发往用户B的最佳路径，并将数据帧发往路由器2。
(3) 路由器2重复路由器1的工作，并将数据帧转发给路由器5。
(4) 路由器5同样取出目的地址，发现192.168.0.33就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给用户B。
(5) 用户B收到用户A的数据帧，一个由路由器参加工作的通信过程完成。
有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。因此，支持多协议的路由器性能相对较低。用户购买路由器时，需要根据自己的实际情况，选择自己需要的网络协议的路由器