第2章 计算机网络的硬件系统

第2章计算机网络的硬件系统本章内容简介微机局域网的服务器网络接口卡局域网的通信设备—集线器、中继器网络互联设备—网桥、路由器、网关、交换机调制解调器网络的共享外部设备—打印机、UPS计算机网络的硬件系统一般由文件服务器、工作站、网卡、通信电缆、集线器、中继器、网桥、路由器、网关、交换机、调制解调器和共享设备等组成。其中的工作站要求简单，普通PC机（台式机或便携机）均可用作工作站，在此不必赘述。通信电缆在第1章已经介绍。本章主要对其中的文件服务器、网络接口卡、局部网络通信设备（集线器、中继器）、网络连接设备（网桥、路由器、网关、交换机）、调制解调器等进行讲解。2.1微机局域网的服务器当今流行的各种微机局部网络均是集中控制型。也就是说它们大都是以网络服务器为核心的。微机局部网络的操作系统也都是运行在网络服务器上的。可以说网络服务器的运行效率直接影响着整个微机局部网络的效率。通常人们在微机局部网络中尽可能地配置高档网络服务器、低档网络工作站，这是不无道理的。如何选择和配置网络服务器是组建微机局部网络至关重要的一个问题。本节通过讨论网络服务器的作用、分类以及网络对服务器的性能要求，使读者了解网络服务器的选择配置方法，通过讨论多处理器网络服务器来了解微机局部网络服务器的发展方向。2.1.1网络服务器的作用网络服务器的最主要作用是运行网络操作系统。通过网络操作系统控制和协调网络中各工作站之间的工作，最大限度地对各个网络用户所提出的要求做出迅速的响应，它能区分、处理和响应各工作站同时发来的对网络进行操作的不同要求。网络服务器的另一主要作用是存储、管理网络中的共享资源。将微机连接成网络的主要目的之一便是共享资源，这些资源包括硬件资源和软件资源。各工作站所需要的这些资源均放在网络服务器中。如共享的数据库、文件、应用程序等软件资源，还有像硬盘、绘图仪、打印机、传真机等硬件资源。各工作站之间的资源共享绝大多数就是通过同时使用网络服务器上的软、硬件资源来实现的。网络服务器通过网络操作系统对这些资源进行分配、管理。网络服务器还应具有为各网络工作站的应用程序服务的功能。目前国际上流行的客户机/服务器（Client/Server）结构的软件在微机局部网络中广泛采用，它要求网络上的工作站处理前端任务，网络服务器直接处理后端任务，即处理各工作站应用程序对共享资源的要求。在这种情况下，网络服务器不仅充当文件服务器，还充当了应用程序服务器。管理员在网络服务器上还可以对网络中各工作站的活动进行监视及控制。通过网络服务器能实时管理、分配系统资源，启动并停止部分系统资源，了解系统使用效率，进而调整系统运行状态，以达到理想的运行效果。2.1.2网络服务器的分类按照网络服务器的设计思想，它可分为两大类：专用网络服务器和通用型网络服务器。专用网络服务器是专门为网络而设计的服务器，它不能用作通用的计算机。通用型网络服务器是指在通用计算机上运行网络操作系统使其成为网络服务器，这种网络服务器的特点是通用性强，安装不同的网络操作系统即成为不同网络的网络服务器。通用型网络服务器又可分为并发和非并发两种。并发服务器是指通用微机在作为网络服务器的同时又作为网络工作站使用。并发服务器在小规模微机局部网络中比较实用，可节省投资，但其可靠性较差。大多数网络均采用非并发网络服务器，即将通用微机用作专门的网络服务器。按照网络服务器的硬件结构，也可分为两大类：单处理器网络服务器和多处理器网络服务器。多处理器网络服务器是当今网络服务器的发展趋势。按照网络服务器的应用，可分为：文件服务器、应用程序服务器和通信服务器三大类。若应用程序是一个数据库管理系统，又可称之为数据库服务器。通常网络服务器在充当文件服务器的同时又作为应用程序服务器。2.1.3网络服务器的性能要求在实际建立微机局部网络的过程中，人们最为关注的是网络的结构和服务器的性能。但所有网络对网络服务器提出的要求是一致的：即大容量、高速度、高可靠性。当今微机网络发展的趋势是愈来愈复杂，信息量愈来愈大，在一个网络中，网络服务器中存放着所有的共享信息，这就要求具有相当的存储容量。在配备网络服务器时，值得考虑的一个问题是其硬盘的扩充能力。由于微机局部网络的规模及信息量越来越大，就对网络服务器的处理速度提出更高的要求，影响网络服务器响应速度的主要因素是：共享硬盘的存取速度、硬盘控制卡的传输速率、网络服务器的内存访问速度、CPU的处理能力以及网络服务器中安装的网络接口板(NIC)的速度。实际上提高网络服务器响应速度的最关键的就是提高其硬盘的访问速度。其次应考虑选用处理速度快的CPU及内存。为了保证网络服务器的可靠性，应对服务器采取一些保护措施。有效的方法是在一个网络服务器上安装两套硬盘系统，这两套硬盘中保存的数据完全相同，网络操作系统控制将数据同时写入这两套硬盘中，目前大多数网络服务器均采用这种方法保证数据的完整性。更进一步的方法是网络服务器采用容错机或在网络中安装两台相同的网络服务器。2.1.4多处理器服务器实际上多处理器网络服务器有两种概念。一种是多CPU结构，即所谓对称型多处理器。在多处理器中，包含有两个或两个以上功能大致相当或完全相同的处理器，共享一个公共内存和I/O通道及控制器、外部设备等，整个系统由统一的操作控制，各个处理器分别用于多用户多进程处理，或者说多个CPU分别处理不同的事务或进程。其主导思想是提高总的CPU运算速度。第二种多处理器结构的网络服务器是针对其I/O处理能力而设计的。主CPU只有一个，而一些I/O接口控制卡分别都有自己的CPU。称这种多处理器指定专门用途的结构为非对称型多处理器结构。对于文件服务器而言，由于其主要功能是通过网络系统快速地传输数据，所以着重点在I/O能力上，它所要求的是多I/O处理器而不是多CPU。应该选用非对称型结构的多处理器网络服务器。这样网络服务器的CPU可以集中在文件系统管理、中断控制、进程管理等工作上。在网络服务器上，Microsoft、Novell和Banyan也分别推出了多处理器版本的网络操作系统。可以预见，更成熟、更方便的多处理器版本的网络操作系统将占据未来的主导地位。2.2网络接口卡网络接口卡简称网卡，它是实现网络通信及网络服务的关键设备，它主要由一套协议控制电路和数据缓冲器所组成，它被做成一块印刷电路板，使用时插入服务器和工作站计算机的相应插槽中，再通过通信电缆及有关通信设备连接组网。一般说来，文件服务器至少应装入一块网卡，工作站只需装入一块网卡。网卡的作用网卡的作用包括三个方面：实现主机与网络通信介质之间的连接；将网络上传送的信息帧按照在网络上的信号编码要求和帧的格式接收进来，然后送给主机进行处理；将主机需要向外发送的信息按照网络传送的要求组装成帧格式，然后采用网络编码信号向网络上发送出去。网卡类型的选择网卡的通信接口类型的选择与所确定的网络结构方案及所采用的通信电缆有关。针对通信电缆采用双绞线、同轴细缆、同轴粗缆，分别有双绞线的RJ-45接口、细缆的BNC接口和粗缆的AUI接口三种网卡产品。文件服务器是网络服务的中枢，服务器上的网卡担负着最繁重的网络通信任务，其性能和可靠性直接影响整个网络的运行，所以服务器中的网卡应比一般工作站上使用的网卡性能更好，价格更高。2.3局域网的通信设备—集线器、中继器2.3.1集线器集线器又称HUB，是优化网络结构常使用的组网设备。集线器一般提供多个RJ-45接线端口，通过双绞线连接到服务器或工作站网卡上的RJ-45接线口，构成呈现星形结构的网络，集线器与各工作站的距离一般不得超过100m。随着网络地理范围的增大和网点数量的增加，一个集线器难以适应多网点的要求，因而出现了可级联式集线器和可堆叠式集线器。一般说来，这些形式的集线器可以通过串联或者并联互联在一起，大大扩充了连接端口的数量。2.3.2可级联式集线器这种集线器可以将多个集线器进行级联，以扩大端口数目。当多个可级联式集线器级联后，传输速度会大大降低，一般最多只能级联4个集线器。集线器提供双绞线的RJ-45接线口数目是选择集线器的重要指标。目前的集线器有8、12、16、24、32个端口的各种产品。集线器端口数量的选择取决于将要连接的服务器和工作站的数量。当然在选择时，应留有一定的余地，便于以后的扩展。2.3.3可堆叠式集线器级联式集线器降低了结点的传输速度，因此出现了堆叠式集线器。所有堆叠的集线器是并联的，当一个集线器的端口数量不够用时，可再并接一个，一般最多可以连接8个。堆叠式集线器的所有集线器可以视为同一级，各个端口的传输速率都一样，各个结点的网络速度相同。下图为可堆叠式集线器的连接示意图。堆叠式集线路的后面有堆叠式连接口，一般标有“In”和“Out”，堆叠连接需要用到专门的堆叠电缆。可堆叠式集线器的连接示意图2.3.4交换式集线器集线器的带宽是一定的，所连的设备越多，每个设备所分得的带宽就越少，从而导致网络的性能下降。为了提高传输速度，出现了交换式集线器，这种集线器采用电话交换原理，可以同时让多个端口的工作站发送和接收数据，比如该集线器连接8台工作站，则可以让4对工作站同时进行发送/接收信息。交换式集线器的最大特点是，其传输速度等于其连接的每个端口的传输速度之和。2.3.5集线器的选择现在市场上的集线器的端口数目有8个、12个、24个、32个等多种，可根据以上原则和资金状况进行选择。2.3.6中继器典型的标准粗电缆以太网一段的最长距离是500m，而且这一段中最多只能连接100个工作站。中继器是最简单的网间连接设备，它可以把两个相同类型的网络(相同的操作系统)串联起来形成一个大的网络。有人认为中继器和集线器不属于网络连接设备，它们只进行了网络内部的线路距离扩展或同级设备数量的扩充。严格来讲，下节将介绍的设备才是真正意义的网络连接设备。2.4网络互联设备—网桥、路由器、网关、交换机对于建立较大的局域网络，为了克服网络连接的局限性，提高网络性能，根据需要，人们设计了不同的网络互联设备，有网桥、路由器、网关和交换机。2.4.1网桥网桥的功能是通过其“学习、过滤和转发”来实现的。当一个网桥接收到一个信息包时，它查看信息包的源地址并将该地址与路径表中的项对比，如果在其路径表中查不到，则网桥将新源地址加到路径表中。这便是所谓的网桥对网络中设备地址的“学习”的能力。这意味着在不进行任何新的配置的情况下，网桥可以根据学习到的地址重新配置网桥。“学习”过程完成后，网桥对比目标地址和路径表。如果目标地址与原地址在同一网络上，则网桥自动废除该信息包，即“过滤”；如果目标地址不在路径表中，则网桥将信息包“转发”到另一个网络中。当接到通信包时，网桥检测信息包的源地址和目的地址，如果目标设备与源设备不在同一个网络上，则网桥将“转发”该信息包到扩展的另一个网络上。若目标设备与源设备在同一网络上，则网桥便不“转发”该信息包。网桥就如同是一个数据包的“过滤器”。正是由于网桥起到“过滤和转发”的作用，所以网桥能起到网络隔离的作用，这样可提高整体网络的效率。网桥通常被分为：近程网桥(LocalBridge)和远程网桥(RemoteBridge)。近程网桥是通过直接将网络的传输介质联入网桥来实现连接的。远程网桥是通过长距离的低速线路（如电话线、专线）来连接的。但两种网桥所完成的功能是完全一样的。2.4.2路由器实现网间互联的另一种方法是使用路由器。路由器有几种分类方法：近程路由器和远程路由器，“静态”路由器和“动态”路由器，单协议路由器和多协议路由器。路由器在工作时需要存在初始的路径表，它使用这些表来识别其他网络，以及通往其他网络的路径和最有效的选择路径方法。路由器与网桥不同，它并不是使用路径表来找到其他网络中指定设备的地址，而是依靠其他的路由器来完成任务。也就是说，网桥是根据路径表来转发或过滤信息包，而路由器是使用它的信息来为每一个信息包选择最佳路径，静态路由器需要管理员来修改所有网络中的路程表。路由器能在多个网络和多种介质之间提供网络互联的能力。路由器并不要求在两个网络之间维持永久的连接，与网桥不同，路由器仅在需要时建立