5．6 网络硬件

5．6 网络硬件

计算机网络的成功运行离不开计算机网络的硬件设备。 计算机网络硬件设备有很多种，包括了用于计算机网络信号传递的传输媒体中的同轴电缆、双绞线、光纤等设备，也包括了用于扩展网络和连接网络的集线器、交换机、路由器和网卡、调制解调器等设备。 下面将分别介绍这些设备的功能及特点。

1）同轴电缆

同轴电缆的结构是以硬铜线为内芯，外面包上绝缘材料，外层还有密织的网状导体和保护性的塑料外套。 电磁场封闭在内外导体之间，故辐射损耗小，受外界干扰影响小。 从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种，基带同轴电缆用于数字传输，又根据其直径大小分为细同轴电缆和粗同轴电缆两种，粗同轴电缆适用于比较大型的网络，它的传输距离长，可靠性高，安装时不需要切断电缆，可根据需要灵活调整计算机的入网位置，但粗同轴电缆安装难度大，所以总体造价高；细同轴电缆造价低，安装简单，但安装过程要切断电缆，两头还要接上基本网络连接头（BNC），然后接在T形连接器两端，所以当接头多时容易产生不良的隐患。总的来说，同轴电缆具有较高的带宽和很好的抗噪性，在以往的网络中使用广泛的粗缆网络和细缆网络，现在已经逐渐被光纤代替。 宽带同轴电缆指任何使用模拟信号进行传输的电缆网，如今，在有线电视网中，尤其是接入小区部分，使用的仍旧是同轴电缆，如图5．7所示。

2）双绞线

双绞线是由两条相互绝缘的导线互相缠绕在一起而制成的一种通用配线，把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，如图5．8所示。 双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。 屏蔽层可以提高双绞线的抗噪能力，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。 屏蔽双绞线有较高的传输速率，100m内可达到155Mbit／s，但是由于它比较贵，因此通常用于抗干扰要求高的环境下；非屏蔽双绞线为一般用途，因为价格低，所以被广泛使用。

双绞线要连接计算机网络设备如主机，必须接上水晶头。 有两种接法：EIA／TIA568B标准和EIA／TIA568A标准。关于这两种标准，这里不再赘述。

在进行计算机网络布线时，使用的双绞线的分类有很多种，其中计算机网络中最常用的就是3类、5类和超5类双绞线。3类双绞线的传输频率为16MHz，可用于语音传输及最高传输速率为10Mbit／s的数据传输，10Base⁃T网络采用此种双绞线。 5类双绞线传输率为100 Mbit／s，用于语音传输和最高传输速率为100Mbit／s的数据传输，主要用于100Base⁃T和1000 Base⁃T网络，这是目前最常用的以太网电缆。 超5类双绞线具有衰减小、串扰少的特点，其性能有很大提高。 由于双绞线具有低成本、高速度和高可靠性等特点，因此双绞线在网络中得到了广泛应用，但是双绞线在传输的最大长度上受到限制，因此双绞线作为传输媒体适合于小范围的局域网配置。

3）光纤

光纤即光导纤维，由玻璃、硅纤维或塑料组成，是一种利用光的全反射原理而达成的光传导工具，如图5．9所示。 光纤具有带宽高、可靠性高、数据保密性好和抗干扰能力强等特点，适用于网络应用要求很高、高速长距离传输数据的场合。

光纤由3部分组成：纤芯、包层和护套。 纤芯是最内层部分，它由非常细的光导纤维组成，芯径一般为50μm或62．5μm，材料一般是塑料或者二氧化硅。 每一根光导纤维都由各自的包层包着，包层是玻璃或塑料涂层。 最外层是护套，它包着一根或一束已加包层的光导纤维。护套由塑料或其他材料制成，用于使光线能够弯曲而不至于断裂，同时用它来防止外界带来的其他危害。 在护套中使用填充物加固纤芯。

根据光线在光纤里传播的方式不同，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。 多模光纤采用任何入射角度大于临界值的光束都能在内部反射的原理，将许多不同的光束使用不同的反射角进行传播。 当光纤的直径减小，光波可以按照直线传播，这样的光线称为单模光纤。 多模光纤芯的直径为15～50μm；单模光纤芯的直径为8～10μm。 在使用光纤传输数据时，通常在光纤的一端采用发射装置，例如，发光二极管或激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置则使用光敏元件检测脉冲。

同轴电缆、双绞线和光纤属于有线传输介质，在传送信号时，信号是沿固定方向传输，也称为导向传输介质。 要组成不受通信设施限制的网络，可以使用无线传输介质组成无线网络。无线传输介质由于信号无须沿固定方向传输，因此称为非导向传输介质。

无线传输介质包括了无线电、地面微波，红外线和通信卫星等，相比于有线传输介质，无线传输介质有无须物理连接这一典型特点，因此特别适用于长距离或不便布线的场合，但是无线传输介质易受干扰反射，也容易被障碍物所阻隔，因此信号不是特别稳定。

4）集线器

集线器的英文称为Hub，也称为多接口中继器。 集线器工作在网络体系结构的物理层，属于物理层设备，因此可以用来扩展局域网。 集线器是星形局域网的一种中心设备，它可以把所有节点集中在以它为中心的节点上，同时对接收到的信号进行再生整形放大，扩大网络的传输距离，如图5．10所示。 集线器一般提供多个RJ⁃45接口，通过双绞线连接到工作站或服务器网卡的RJ⁃45接口上，从而构成一个星形局域网。

根据端口数目的不同，集线器可分为8口、16口、24口和48口等。

根据速度的不同，集线器可分为10，100，1000M，以及10／100Mbit／s、100／1000Mbit／s自适应等几种类型。

5）交换机

交换机（见图5．11）是一种将两个局域网连接起来并按MAC地址转发帧的设备，工作在数据链路层。 交换机可以完成更大范围局域网的互联，扩大网络地理范围，并且可以互联不同类型的局域网。 当交换机接到数据帧时，它将检测信息包的源地址和目的地址，如果数据帧不在同一个网段上，则转发该数据帧到另一个网段，如果在同一个网段上，则不转发该数据帧。当某个网段出现故障时，交换机可以将故障限制在此网段，从而最低限度地降低故障所带来的影响。 因此交换机对帧有检测和过滤功能，能隔离错误，可以实现过滤通信量、减少不必要的信息传递和增大吞吐量等功能，从而提高网络性能；通过对于交换机的配置还可以设置虚拟局域网（VLAN），将不同物理位置的计算机设为同一局域网。

由于交换机是基于硬件结构的，对帧的转发处理过程非常简单迅速，因此可以达到较高的吞吐量，此外，由于集线器的带宽是一定的，所以集线器连接的设备越多，每个设备所分得的带宽就越少，从而导致网络的性能下降。 交换机则采用电话交换原理，可以同时让多个端口的工作站发送和接收数据。 假如交换机上连接了8台工作站，则可以让4对工作站同时发送／接收信息。 与集线器相比，交换机每个端口都有一条独占的带宽。 而集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，并且在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待。

因此，由于交换机具有造价低、交换速度快、易于管理、配置方便等特点，在局域网中得到了广泛的使用。

6）路由器

路由器工作在网络层，是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用设备，如图5．12所示。 可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。此外，路由器还用于连接多个逻辑上分开的网络（子网），每个子网代表一个单独的网络。

路由器具有两大基本功能：路由选择功能和存储转发功能。 作为计算机网络通信子网的一个核心设备，路由器可以完成路由选择的功能，在网络中的分组转发过程中，路由器可以判断网络地址，并根据网络地址和当前网络状况选择网络路径，在网络中可以从多条路径中寻找合适的一条网络路径提供给用户通信（这里所说的“合适”的判断原则是由不同的路由选择协议来决定的），即当需要从一个网络把数据传送到另一个网络时，通过路由器来完成路由选择工作。 此外，在通信过程中，由于路由器是一个核心设备，连接了大量的工作站，因此它所接收的数据量也非常大，在路由选择过程中，需要暂存接收到的数据，对数据进行处理后，根据数据的目的地址进行转发，这一操作称为存储转发操作。

为了能够完成路由器的路由选择功能，路由器中存放了路由表来为数据传输提供可选择路径。 路由表中包含网络地址和各地址之间距离的清单，路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径。 路由器根据所使用的路由选择协议来调整信息传递的路径，如果某一网络路径发生故障或堵塞，路由器可选择另一条路径，以保证信息的正常传输。

路由器是多个同类网络互联、局域网和广域网互联的关键设备，适用于大规模的复杂网络拓扑结构的网络，路由器提供了负载共享和网络间的最优路径，能隔离不需要的通信量，但是路由器它不支持非路由协议，而且路由器安装复杂，价格高，多数用于网络之间互联。

7）网卡

网卡即网络适配器（见图5．13），是实现网络通信的关键设备，一台计算机要连入网络，主机内必须安装网卡。 通过网卡，可将计算机主机和网络传输介质连接起来，实现计算机之间的相互通信和网络资源的共享。 网卡的主要功能有两个：串行／并行转换和对数据进行缓存。 在计算机内部，数据传输的时候是并行传输，而在网络中，数据传输是串行传输的方式，为了能够将计算机内部的并行数据以串行的方式发送到网络中并把网络中的串行数据传送给并行处理的主机，网卡必须完成串行／并行转换；同时，为了能够使网络中数据的传输和主机数据处理的速度能够相匹配，网卡还提供了缓存数据的功能。 为了使网卡能够正常运行，主机内必须安装网卡的驱动程序。

计算机中安装的每一块网卡都有一个由48个二进制位组成的编号，成为MAC地址，也称为物理地址。 其中，IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前3个字节（即高位24位）。 地址字段中的后3个字节（即低位24位）由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

8）调制解调器

调制解调器即Modem，俗称“猫”（见图5．14），是计算机通过公用电话网接入Internet的必需设备。 在计算机中存储和处理的是数字信号，而公用电话网中传输的是模拟信号，因此，如果想把计算机的数字信号利用公用电话网来进行传输，必须实现这两种信号的自由转换。 调制解调器在发送前把数字信号转换成模拟信号，接收时再将模拟信号转换成数字信号，从而实现了模拟信号和数字信号的相互转换。 其中，发送前将数字信号转换成模拟信号，这一过程称为调制，接收时将模拟信号转换成数字信号，这一过程称解调。 简单地说，调制解调器就是在电话线两端进行这种信号转换工作的设备。