新编计算机网络教程——第5章.ppt
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1、1 新编计算机网络教程新编计算机网络教程计算机精品教程2 Contents 第5章 局域网组网技术局域网组网需要的设备5.1局域网组网方法5.2局域网结构化布线技术5.3目录Contents3 5.1 局域网组网需要的设备 常用的局域网硬件除了连接用的电缆外,还有网卡、收发器、中继器、集线器以及连于各结点的连接器等,它们均品牌繁多,因此,正确、合理、经济地选择网络硬件是计算机网络工程设计的重要一环。1.网卡的基本功能 网卡NIC(Network Interface Card),也称网络适配器,是计算机网络系统中最基本的设备之一。它除起到物理接口作用外,还有控制数据传送的功能,计算机通过它接收或
2、发送网络信息。网卡上有收发器、介质访问控制逻辑和设备接口。它一方面要和计算机内部的RAM交换数据,另一方面又要按照网络物理路径所要求的速度和格式发送、接收数据。由于计算机内的数据是并行数据,网上传输的是串行比特流信息,故网卡必须具备串并转换功能。为防止数据传输中的丢失,网卡中还需有数据缓存,以实现不同设备间的缓冲。网卡与计算机的数据交换采用总线方式,而与网络进行信息交换则是通过接在网卡上的电缆来实现,因此,网卡的使用与计算机总线关系密切,同时也与传输介质有关。图5-1所示为网卡。图5-1 网卡 5.1.1 5.1.1 网卡网卡4 5.1 局域网组网需要的设备 2 网卡选择 网卡的选择与计算机类
3、型、传输介质以及应用环境有关。(1)计算机类型:不同类型计算机总线类型不同。个人计算机总线目前主要有AT、ISA、MCA、EISA、PCI等。8位PC机可选用8位网卡。AT总线或ISA总线计算机,选用16位网卡。微通道(MCA)总线计算机。EISA总线计算机需用32位网卡。它们均向网络服务器提供一种高性能的网卡。PCI总线计算机使用的PCI网卡有NE-5500、HE-320P。对VESA总线的计算机可使用VESA总线网卡。(2)传输介质:目前以太网中使用的传输介质有粗缆、细缆、双绞线(光纤除外),为此网卡连接网络电缆有三种方式:粗缆AUI(DIX)接头、细缆BNC接头及双绞线RJ-45接头。(
4、3)网卡安装方式:对于台式微机,网卡直接插入主机箱主机板总线的插槽内。对于便携式计算机,网卡需接在便携机的并行口上(这种网卡很小),可用粗缆、细缆或双绞线中的任意一种传输介质。对于无盘工作站,需在网卡上插入一块远程自动启动芯片,以使无盘工作站能通过自动启动芯片在服务器控制下上网运行。(4)网卡驱动程序:网卡驱动程序支持的网络操作系统多表示该网卡的兼容性好,一般服务器网卡应提供Netware 3.x和4.x UNIX,LAN Server及Windows NT等操作系统下的驱动程序。5 5.1 局域网组网需要的设备 集线器又称HUB,是一种特殊的中继器,用以将来自计算机等硬件的电缆集中配置于一体
5、,是多个网络电缆的中间转接设备,可连接多个网段,如图5-2所示。集线器可分为有源集线器和无源集线器两种。有源集线器主要用于分离和放大网络中的信号,有源集线器又分为两类:智能型和非智能型。HUB在网络中的作用类似中继器,有中继放大和智能检测网上碰撞功能,但在网络中连接工作站的方式不同于中继器。HUB连接的工作站呈星型结构(中继器呈总线结构)。HUB上每个双绞线接口(UTP)与1个工作站相连,且HUB可与另一个HUB级连。图5-3是一个局域网的实例。服务器通过网卡、10 BASE-2总线及HUB与数台客户机(工作站)连接。图5-2 集线器图5-3 HUB在局域网中的应用实例5.1.2 集线器(HU
6、B)6 5.1 局域网组网需要的设备 5.1.3 局域网交换机 交换式局域网的核心是局域网交换机。目前,使用最广泛的是Ethernet交换机。交换式局域网从根本上改变“共享介质”工作方式,通过交换机支持多个结点之间的并发连接,实现多结点之间数据的并发传输。因此,交换式局域网可以增加网络带宽,改善局域网的性能与服务质量。图5-4 RJ-45接口的交换机 1交换机的分类方法 依交换机支持的传输速率与功能,交换机可以分为不同的类型。(1)传输速率 按交换机所支持的传输速率,主要分为以下三种类型:普通以太网交换机、快速以太网交换机与千兆位以太网交换机。其中,普通以太网交换机是指支持10Mbps传输速率
7、的交换机;快速以太网交换机是指支持100Mbps传输速率的交换机;千兆位以太网交换机是指支持1000Mbps传输速率的交换机。一般来说,快速以太网交换机与千兆位以太网交换机都是自适应的,可以同时支持多种传输速率,并且能自动侦测出网络的传输速率。图5-4所示为提供RJ-45接口的以太网交换机。7 5.1 局域网组网需要的设备 (2)网络规模 按交换机所应用的网络规模大小,主要分为以下四种类型:企业级交换机、部门级交换机、工作组交换机与桌面级交换机。其中,企业级交换机属于高端交换机,一般采用模块化的结构,可作为企业网络骨干构建高速局域网,因此它通常用于企业网络的顶层。企业级交换机一般是千兆位以上以
8、太网交换机,带宽、传输速率与背板容量比一般交换机高很多,所采用的端口一般都为光纤接口。图5-5给出了一种企业级交换机。部门级交换机是面向部门级网络的交换机,网络规模化比企业级交换机要小很多。部门级交换机可以是固定配置或模块配置,一般带有常用的RJ-45接口与光纤接口,支持基于端口的虚拟局域网VLAN,可任意采用全双工或半双工传输模式,并且具有较强的网络管理功能。工作组交换机是传统集线器的理想代替,固定配置一定数量的RJ-45接口,并且不具备网络管理功能。桌面级交换机是常见的低档交换机,通常提供的端口数量(12个端口以内)较少,只提供最基本的交换机功能,因此其价格也最便宜。图5-5 企业级交换机
9、8 5.1 局域网组网需要的设备 (3)端口结构 按交换机的端口结构划分,主要分为以下两种类型:固定端口交换机和模块化交换机。其中,固定端口交换机所带的端口数量固定,是目前最为常见的交换机,其端口数量没有明确的规定,一般的端口标准是8端口、16端口与24端口。固定端口交换机只能提供有限数量与固定类型的接口,一般适用于小型网络与桌面交换环境,因此其价格相对便宜一些。按交换机的安装架构划分,固定端口交换机又可分为两种:桌面式交换机和机架式交换机。机架式交换机易于管理,适用于较大规模的网络。模块化交换机拥有更大的灵活性与可扩充性,用户可任意选择不同数量、不同速率与不同接口类型的模块,因此其价格要贵很
10、多。模块化交换机一般是机箱式交换机,此类交换机大多有很强的容错能力,支持交换模块的冗余备份,并且往往拥有可热插拔的双电源。通常,企业级交换机应考虑可扩充性、兼容性与容错性,因此应该选择机箱式交换机;骨干交换机与工作组交换机的任务较为单一,因此可以采用简单的固定端口交换机。9 5.1 局域网组网需要的设备 (4)协议层次 按交换机工作所在的协议层次,主要分为以下两种类型:第二层交换机与第三层交换机。其中,第二层交换机工作在OSI参考模型的数据链路层,依赖于数据链路层的信息(如MAC地址)完成不同端口之间的数据交换,主要功能包括物理编址、差错校验、帧序列与数据流控制等。一般来说,桌面级交换机都属于
11、此种类型,其只能提供最基本的数据交换功能,这类交换机的最大特点是价格低廉。第三层交换机可以工作在OSI参考模型的网络层,它具有交换机的基本功能与路由功能,可以通过IP地址进行数据分组的路由选择,支持基于端口的虚拟局域网VLAN,并且实现不同网段之间的数据交换。一般来说,第三层交换机都采用模块化结构,可以根据实际需要灵活配置端口模块。需注意的是,所有交换机在协议层次上都是向下兼容的,也就是说所有交换机都能工作在第二层。10 5.1 局域网组网需要的设备 2典型的交换机产品 如今,随着各种网络应用对网络带宽需求的增加,用户对以太网交换机的需求量越来越大,对以太网交换机的性能要求也越来越高。很多网络
12、硬件生产商都提供全系列的以太网交换机产品,覆盖从高端到中、低端的各类局域网组网需求。目前,应用最广泛的以太网交换机主要有:Cisco公司的Catalyst系列交换机、3Com公司的Baseline、OfficeConnect、SuperStack 3与Switch系列交换机、HP公司的ProCurve系列交换机、D-link公司的DES、DGS与DXS系列交换机、Nortel公司的Stack与Passport系列交换机、NetGear公司的FSM与GSM系列交换机、华为公司的Quidway系列交换机、联想公司的iSpirit系列交换机,以及神舟数码公司的DCRS系列交换机等。下面,我们以Cis
13、co公司的Catalyst系列交换为例,介绍以太网交换机的类型,(5)网管功能 按交换机是否支持网络管理功能,主要分为以下两种类型:非网管型交换机与网管型交换机。其中,非网管型交换机是指不支持网络管理功能的交换机。网管型交换机的任务是使所有网络资源处于良好状态。网管型交换机产品提供了基于终端控制口(Console)、基于Web页面、支持Telnet远程登录等多种管理方式。网络管理人员可以对交换机工作状态、网络运行状况进行本地或远程的实时监控,管理所有交换端口的工作状态和工作模式。网管型交换机支持SNMP协议,它由一整套简单的网络通信规范组成,可以完成所有基本的网络管理任务。11 5.1 局域网
14、组网需要的设备 下面,我们以Cisco公司的Catalyst系列交换机为例,介绍以太网交换机的类型、性能与技术特点。(1)Catalyst Express 500系列 Catalyst Express 500系列是低端的、固定端口交换机,可以提供10Mbps、100Mbps或1000Mbps传输速率与网络管理功能,它适用于工作组与桌面级的小规模局域网组网需求。(2)Catalyst 2940/2950/2970系列 Catalyst 2940/2950/2970系列是低端的、可堆叠的、固定端口交换机,可以提供10Mbps、100Mbps或1000Mbps传输速率与网络管理功能,它适用于工作组级
15、的小规模局域网组网需求。(3)Catalyst 3550/3560系列 Catalyst 3550/3560系列是中端的、可堆叠的、机架式的、固定端口交换机,可以提供10Mbps,100Mbps或1000Mbps传输速率与网络管理功能,它适用于部门级的中、小规模局域网组网需求。12 5.1 局域网组网需要的设备 (4)Catalyst 3750系列 Catalyst 3750系列是中端的、可堆叠的、固定端口交换机,可以提供10Mbps,100Mbps或1000Mbps传输速率与强大的网络管理功能,它适用于部门级的中、小规模局域网组网需求。(5)Catalyst 4000/4500系列 Cata
16、lyst 4000/4500系列是高端的、可堆叠的、模块化交换机,可以提供10Mbps、100Mbps或1000Mbps传输速率、灵活的网络模块配置与强大的网络管理功能,它适用于企业与分支机构的中等规模局域网组网需求。(6)Catalyst 6500系列 Catalyst 6500系列是高端的、智能的、模块化交换机,可以提供10Mbps,100Mbps或1000Mbps传输速率、灵活的网络模块配置与强大的网络管理功能,它适用于企业级的大规模局域网组网需求。(7)Catalyst 8400/8500/8600系列 Catalyst 8400/8500/8600系列是最高端的、智能的、模块化交换机
17、,可以提供10Mbps、100Mbps、1000Mbps或10Gbps传输速率、灵活的网络模块配置与强大的网络管理功能,提供IP与ATM相结合的多层次、多类型的交换方式,它适用于电信运营商与超大型企业的主干网级别的组网需求。13 Contents 第5章 局域网组网技术局域网组网方法5.2局域网组网需要的设备5.1局域网结构化布线技术5.3目录Contents14 5.2 局域网组网方法 5.2.1 同轴电缆组网方法 同轴电缆有两种类型:粗同轴电缆与细同轴电缆。使用同轴电缆组网主要有三种方式:粗缆方式、细缆方式与粗缆/细缆混用方式。1中继器 在局域网发展初期,使用的传输介质主要是同轴电缆。数字
18、信号在同轴电缆中传输时有衰减,并且信号波形会发生畸变。信号的衰减与传输延迟同传输介质的长度有关。因此,在使用同轴电缆的局域网协议中,必须对单根同轴电缆的最大长度,以及接入的结点数量加以限制。由于同时规定每个结点之间的距离至少为5m,因此实际接入的结点数量不会超过100个。在实际使用中存在两种特殊的需求;一是用户需要单个缆段的长度超过500m,二是接入的结点数超过100个。这时,简单地从10 BASE-5协议考虑是不允许的。为了增加以太网中同轴电缆的长度,人们提出了中继器(Repeater)这种设备。下面,我们以以太网为例,介绍局域网物理结构设计与局域网组网方法。15 5.2 局域网组网方法 中
19、继器的工作原理如图5-6所示。在图中给出的是一个方向的信号传输过程。当位于缆段左侧的主机A发送的信号经过500m同轴电缆的传输后,已经发生严重的信号衰减与波形畸变。如果发送结点与接收结点之间的距离超过500m,接收结点就不能正确接收数据信号。设计中继器的目的就是将衰减与变形后的信号,经过接收、放大、整形的工作过程,使信号的波形与幅度达到协议规定的要求,然后再向它连接的另一个缆段发送出去。由于传输介质的长度与信号的衰减、传输延迟有关,因此在一个局域网中使用中继器连接多个缆段的数量有限制。按中继器连接的传输介质可以分为多种类型:粗同轴电缆-粗同轴电缆、粗同轴电缆-细同轴电缆、粗同轴电缆-光缆等。中
20、继器在早期的局域网组网中应用广泛。接收放大整形发送中继器中继器主机B主机A主机D主机C图5-6 中继器的工作原理示意图16 5.2 局域网组网方法 2粗缆方式在使用粗缆方式组建以太网时,需要使用如下基本硬件设备:u集线器或交换机u带有AUI接口的以太网卡u粗同轴电缆u外部收发器与收发器电缆u粗缆中继器 在典型的粗缆以太网中,单根粗缆的最大长度不能超过500m。如果需要使用粗缆中继器,一个以太网中最多只能用4个中继器,连接5根最大长度为500m的粗缆缆段,则用中继器连接后的粗缆最大长度不超过2500m。每个粗缆以太网最多只能连入100个结点。两个相邻收发器之间的最小距离为2.5m,收发器电缆的最
21、大长度为50m。目前,粗缆组网方式已经很少在实际应用出现。3细缆方式u在使用细缆方式组建以太网时,需要使用如下基本硬件设备:u集线器或交换机u带有BNC接口的以太网卡u细同轴电缆uBNC T型连接器u细缆中继器17 5.2 局域网组网方法 在典型的细缆以太网中,单根细缆的最大长度不能超过185m。如果需要使用细缆中继器,一个以太网中最多只能用4个中继器,连接5根最大长度为185m的细缆缆段,则用中继器连接后的细缆最大长度不超过925m。每个细缆以太网最多只能连入100个结点。两个相邻的BNC T型连接器之间的距离应是0.5m的整数倍,并且最小距离为0.5m。细缆方式与粗缆方式相比,它具有造价低
22、、安装容易等优点。但是,由于缆段中连入多个BNC T型连接器,存在多个BNC连接头与BNC T型连接器的连接点,因此细缆连接的故障率较高,使系统的可靠性受到影响。4粗缆与细缆混用方式 在使用粗缆与细缆共同组建以太网时,除了使用构成粗缆、细缆以太网的基本硬件设备外,还必须使用粗缆与细缆之间的连接器件。粗缆与细缆混合结构的电缆缆段最大长度为500m,如果粗缆长度为L(单位为m)、细缆长度为t(单位为m),则L、t之间的关系为:L+3.28t500 粗缆与细缆混用方式的优点是造价合理,粗缆段用于室外,细缆段用于室内。这种方式的缺点是结构复杂,维护困难。目前,这种组网方式已基本不在实际应用中出现。18
23、 5.2 局域网组网方法 5.2.2 双绞线组网方法 1双绞线组网的工作原理 目前,组建以太网几乎都采用10 BASE-T标准,使用集线器(Hub)、非屏蔽双绞线与RJ-45接口,就可以方便地将一定范围内的计算机连接起来。由于使用双绞线组建局域网有易于安装与管理、造价低、系统可靠性好等优点,因此这种组网方式得到了广泛的应用。图5-7给出了双绞线组网的工作原理示意图。在使用双绞线组建10 BASE-T以太网时,需要使用以下基本硬件设备:u集线器或交换机u带有RJ-45接口的以太网卡u3类或5类非屏蔽双绞线uRJ-45连接头主机集线器图5-7 双绞线组网的工作原理示意图网卡双绞线网卡网卡主机主机
24、在双绞线组网方式中,集线器是以太网的中心连接设备。所有结点都通过双绞线连接到集线器上,它们仍采用CSMA/CD介质访问控制方法。当一个结点发送数据时,所有结点都能接收到数据,因此集线器仍然工作在物理层,连接在一个集线器的所有结点都属于一个冲突域。在任一个时间段中,只能有一个结点可以发送数据帧,而其他结点只能处于接收状态。当然,在实际组网中可以用交换机代替集线器,通过并发连接来提高以太网的网络性能。19 5.2 局域网组网方法 2双绞线组网方法的分类 按使用集线器的数量与类型划分,双绞线组网方法可以分为如下三种:l单一集线器结构l多集线器级联结构l堆叠式集线器结构 (1)单一集线器结构 单一集线
25、器结构的以太网是最简单的,所有结点都通过非屏蔽双绞线与一个集线器连接,并构成物理上的星型拓扑。图5-8给出了单一集线器的组网结构示意图。结点到集线器的非屏蔽双绞线最大长度为100m。单一集线器结构适宜于工作组规模的局域网,典型的集线器一般支持824个RJ-45端口与1个BNC、AUI或光纤端口。主机主机主机主机图5-8 单一集线器的组网结构示意图20 5.2 局域网组网方法 (2)多集线器级联结构 如果需要联网的结点数超过单一集线器的端口数,这时通常可以采用多集线器的级联结构或堆叠式集线器结构。普通的集线器产品一般都提供两类端口:一类是用于连接结点的RJ-45端口;另一类是向上连接端口(简称为
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