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第2章计算机网络硬件组成2.1计算机网络的拓扑结构一、计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和结点构成的几何布局图，它是从图论演变过来的。网络拓扑结构主要有星型拓扑结构、环型拓扑结构、总线型拓扑结构，以及由这些基本结构混合而成的树型拓扑结构、网状拓扑结构等。二、几种典型网络拓扑结构目前，几种典型的拓扑结构主要是：星型拓扑结构、环型拓扑结构、总线型拓扑结构和网状拓扑结构。局域网的拓扑结构1.总线型拓扑结构2.环形拓扑结构3.星形拓扑结构……1.总线型拓扑结构（1）所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上信息的传输以“共享介质”方式进行。物理上的星型，逻辑上的总线结构。总线型拓扑的主要特点①所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线或者光纤；②任何一个站点发送的信号都将沿着总线(介质)广播，而且都能被其它所有站点接收，但在同一时间内，只允许一个站点发送数据；③由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”，从而造成本次数据传输失败。（2）总线型的优越性①一个节点失效不影响其他节点的工作②节点的增删不影响全网的运行③结构简单④接入灵活⑤扩展容易⑥可靠性高总线拓扑的优点①电缆长度短，成本低且易于布线和维护；②用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其他站点或端用户通信；③结构简单；④可靠性较高。总线拓扑的缺点①总线拓扑的网络不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行②在扩展总线的干线长度时，需重新配置中继器、剪裁电缆、调整终端器等；③一次仅能一个端用户发送数据，其他端用户要发送数据则必须等待获得发送权，在结点多重负荷下，传输效率低；④便于数据有序传输而制定的介质访问控制方式，在一定程度上增加了站点的硬件和软件费用。2.环形拓扑结构（1）特点：以共享介质方式进行数据传输每个节点都与两个相邻的节点相连节点之间采用点到点的链路网络中的所有节点构成一个闭合的环环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输图3-3环型网络（2）环形的主要问题环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪。环型拓扑的主要特点①在环型拓扑构型中，结点通过点—点通信线路连接成闭合环路；②环中数据将沿一个方向逐站传送；③传输延时确定；④环中每个结点与连接结点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈，环中任何一个结点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪。环形拓扑结构的优点①由于两个结点间只有唯一的通路，因此大大简化了路径选择的控制；②网络中所需的电缆短，不需要接线盒，价格便宜；③扩充方便，增减结点容易。环形拓扑结构的缺点①由于环上传输的任何报文都必须穿过所有节点，因此，如果环的某一点断开，则环上所有端点间的通信便会终止；②为保证环的正常工作，需要较复杂的环维护处理，环结点的加入和撤出过程都比较复杂。3.星形拓扑结构（1）特点：存在一个中心节点每个节点通过点到点的链路与中心节点连接所有通信都通过中心节点进行交换局域网是一种典型的星形拓扑结构。逻辑拓扑结构和物理拓扑结构的完全统一的。集线器或交换机图3-2星型拓扑结构星型拓扑的主要特点①在星型拓扑构型中，任何结点都通过点到点通信线路与控制全网的中心结点连接；②星型拓扑构型结构简单，易于实现，便于管理；③网络的中心结点是全网可靠性的瓶颈，中心结点的故障可能造成全网瘫痪。星型拓扑的优点①利用中央结点可方便地提供服务和重新配置网络；②单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护；③任何一个连接只涉及到中央结点和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单，从而访问协议也十分简单。星型拓扑的缺点①每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆；②一旦中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。三局域网传输介质1.传输介质作用传输信号经过的各种物理环境物理上将计算机相互连接起来的介质2.传输介质的种类（1）同轴电缆（2）非屏蔽双绞线（UTP）（3）屏蔽双绞线（STP）（4）光缆2.2传输介质在网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等。（1）同轴电缆同轴电缆的特点1.优点传输距离较远，覆盖的地域范围较大技术非常成熟2.缺点电缆硬，折曲困难，重量重3.局域网常用同轴电缆粗同轴电缆：特征阻抗50Ω，直径1cm细同轴电缆：特征阻抗50Ω，直径0.5cm4.同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线（2）非屏蔽双绞线和RJ-45连接器非屏蔽双绞线1.优点尺寸小、重量轻、容易弯曲价格便宜容易安装和维护RJ-45连接器牢固、可靠2.缺点抗干扰能力较弱传输距离比较短UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线屏蔽双绞线1.优点传输质量较高电缆尺寸和重量与UTP相当2.缺点安装不合适有可能引入外界干扰（3）光缆1.光缆的特点(1)优点传输速率高传输距离远传输损耗低抗干扰能力强(2)缺点价格相对较高安装比较困难2.光纤的分类多模光纤单模光纤（质量比多模光纤好：快、量大、贵）另外按照制作工艺分：跳变式（折射率为常数）、渐变式（折射率随光纤半径增大而减小）3.光缆适合于楼宇内部的结构化布线2.3网络设备一、集线器特点：1、以太网的集中连接点2、放大接收到的信号3、无过滤功能4、无路经检测或交换功能5、不同速率的集线器不能级联二、网卡特点：1、实现计算机与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，接收和执行计算机送来的各种控制命令，完成物理层功能2、按照使用的介质访问控制方法，实现共享网络的介质访问控制、信息帧的发送与接收、差错校验等数据链路层的基本功能3、提供数据缓存能力，实现无盘工作站的复位和引导带有RJ-45接口的网卡类型10Mb/s网卡：与符合10BASE-T的集线器连接100Mb/s网卡：与符合10BASE-T的集线器连接10M/100M自适应网卡：根据集线器的类别，自动适应网络速率三、交换机特点：交换机是基于网络交换技术的产品，具有简单、低价、高性能和高端口密集的特点，体现了桥接技术的复杂交换技术，它工作在OSI参考模型的第二层(数据链路层)。它的任意两个端口之间都可以进行通信而不影响其他端口，每对端口都可以并发地进行通信而独占带宽，从而突破了共享式集线器同时只能有一对端口工作的限制，提高了整个网络的带宽高速RJ-45端口管理端口RJ-45端口LED指示灯交换机面板图示千兆以太网交换机三、路由器特点：路由器是一种典型的网络层设备。它在两个局域网之间转发数据包。⑴优点①适用于大规模的网络；②可以使用网状拓扑结构，选择最优路径，安全性高；③能更好地处理多媒体；④隔离不需要的通信量；⑤节省局域网的频宽；⑥减少主机负担。⑵缺点①它不支持非路由协议；②安装复杂；③价格高。一局域网的主要特点1.覆盖有限的地理范围2.传输速率高（通常在10Mb/s~1000Mb/s之间）3.误码率低（通常低于10-8）4.单位自己建设和拥有，易于维护和管理5.主要技术要素拓扑结构传输介质介质访问控制方法交换式以太网、交换机工作原理一共享式以太网存在的主要问题1.覆盖的地理范围有限以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小2.网络总带宽容量固定以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有节点增加，冲突概率增大，带宽浪费也越严重3.不能支持多种速率以太网的传输介质是共享的所谓共享式以太网，指网络中的所有节点共享网络带宽，最典型的是HUB连接的以太网，比如说10兆的hub，总的带宽就是10兆，不管有多少个口都是共用这10兆带宽，所以10兆的hub实际每个端口都达不到10兆的带宽交换式以太网是指采用了交换技术的以太网，连接设备就是交换机，总的带宽取决于交换机的背板带宽，比如说100兆的交换机，他的每个端口的带宽都是100兆，如果是全双工的带宽就是200兆。如果是24口的交换几，如果背板带宽能达到4.8G，那么这个这个交换机在24口都在使用的情况下，每个端口都能达到100兆的交换速率，那么这个交换机就能达到线速交换，低档的交换机一般背板带宽都不够，都不能达到线速交换。另外2种模式还有个最重要的区别，就是hub在进行连接的时候是发送的广播信息，每个端口都收到信号，然后那个目的端口反馈信息，再进行数据的传送，如果，结点多了就会引发广播风暴，造成网络瘫痪，而交换机在第一次发送过广播后就记录下mac地址了，再发送数据就是端口对端口的了，速度就会比hub快很多，也不会引起广播风暴。4.交换的提出（1）共享以太网存在的问题的解决方法：分段（2）何谓分段？将大型以太网分割成两个或多个小型以太网；每个段使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信；段与段之间通过“交换”设备沟通；交换设备在一段接收信息，经处理后转发给另一段。5.利用集线器组成的大型共享式以太网6.交换设备的类型1.交换设备有多种类型2.常见的交换设备局域网交换机：工作于数据链路层，连接较为相似的网络路由器：工作于互联层，实现异型网络互联7.以太网交换机组网（1）将一台计算机直接连到交换机端口；该计算机独享该端口提供的带宽。（2）将一个网段连到交换机端口；该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽。二以太网交换机的工作过程1.数据转发方式（1）直接交换测到目的地址字段，立即转发（2）存储转发交换完整地接收整个数据，对数据进行差错检测（3）改进的直接交换接收数据头部，判断头部字段是否正确2.地址学习（1）建立端口/MAC地址映射表需要解决的问题①交换机怎样知道哪台计算机连接哪个端口；②交换机怎样维护地址映射表以保持其“新鲜”。（2）地址学习①读取帧源地址并记录帧进入交换机的端口（节点只要发送信息，交换机就能建立该表项）；②利用计时器维护表项的“新鲜”性。3.通信过滤（1）目的：隔离本地信息，避免不必要的数据流动。（2）方法：利用端口/MAC地址映射表和帧的目的地址决定是否转发或转发到何处。如果地址表中不存在帧的目的地址，交换机则需要向除接收端口以外的所有端口转发。通信过滤举例三生成树协议1.交换机级联是否可以出现环路？集线器级联不能出现环路（无论是水平还是树型结构）交换机级联可以出现环路（交换机执行生成树协议）2.生成树协议通过实现生成树协议相互的交换信息利用交换的信息将网络中的环路断开逻辑上形成一种树形结构按照逻辑结构转发信息生成树协议举例路由选择、路由表的建立与刷新一路由选择和路由器1.路由选择选择一条路径发送IP数据报的过程2.路由器进行路由选择的计算机3.IP互联网(1)IP互联网是由路由器将多个网络相互联接所组成的(2)IP互联网采用面向非连接的互联网解决方案路由器自治：各个路由器独立地对待每个IP数据报路由器负责为每个IP数据报选择它所认为的最佳路径4.什么设备需要具备路由选择功能？（1）路由器主要任务就是路由选择（2）多宿主主机具有多个物理连接发送IP数据报前，需要决定发送到哪个物理连接更好（3）普通主机具有单个物理连接通过网络与多个路由器相连时，发送IP数据报前需要决定发送给哪个路由器更优5.表驱动IP选路的基本思想（1）在需要路由选择的设备中保存一张IP路由表；（2）IP路由表存储着有关可能的目的地址及怎样到达目的地址的信息；（3）在转发IP数据报时，查询IP路由表，决定把数据报发往何处。6.路由表中的目的地址如何表示？（1）大型互联网（如因特网）中有可能存在成千上万台主机；（2）路由表中不可能包括所有目的主机的地址信息内存资源占用巨大路由表搜索时间很长（3）隐藏主机信息IP地址：网络号（netid）和主机号（hostid）IP路由表中保存相关的目的网络信息二标准的路由表1.下一站选路的基本思想路由表仅指定从该路由器到目的地路径上的下一步，而该路由器并不知道到达目的地的完整路径2.标准的IP路由表包含许多（N,R）对序偶N：目的网络的IP地址（使用目的主机IP地址的较少）R：到N路径上的“下一个”路由器的IP地址3.标准的路由表举例4.基本的下一站路由选择算法三子网选路1.子