网络通信连接设备

网卡

       网卡是网络接口卡的简称，又称为通信适配器，是局域网中最基本的连接设备，计算机与局域网之间的连接和通信都是是通过网卡来实现的。网卡是一种外设卡，插在计算机总线插槽内或外部接口上，一端和计算机相连，另一端与传输介质相连接。

       网卡是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等

• 网卡的主要功能
         网卡与操作系统互相配合，
          一是负责将要发送的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，再将其数据包通过通信介质送入到网络中；
         二是负责接受网络上传来的数据包，将其转变为本地计算机能够识别的格式。
  （发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层）

• 网卡的工作原理
         网卡工作在数据链路层，主要完成物理层和数据链路层的大部分功能。计算机与网卡通过控制总线来传输控制命令与响应，通过数据总线来发送与接收数据。计算机通过地址总线和控制总线，根据地址与中断号INT识别网卡和其中的寄存器写入或读出命令或响应。

• 介质访问控制MAC地址
         局域网中的计算机通常使用MAC地址来表示自己和他人的身份。这里所说的Mac地址和我们通常所说的ip地址不同，MAC地址是物理层和数据链路层使用的，ip地址是网络层和以上各层使用的地址。
         MAC地址被固化在每个网卡的ROM中，每个网卡在出厂时都赋于了一个全世界范围内唯一的地址编号，地址为6字节（即48位）。

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集线器

       在传输介质时提到单根双绞线长度最大不能超过100米，超过这个距离，信号就会衰减，数据就会无法识别。
       如果要延长信号的传输距离，就必须使用中继器。

1.中继器
       中继器是局域网环境下用来延长网络距离的最简单最廉价的网络互联设备，中继器（RP repeater）工作在物理层上，对在线路上的信号具有放大再生的功能。中继器通常带有两个端口，用于连接一对同轴电缆，而随着双绞线以太网的出现，中继器被做成具有多个端口的装置，用在星型布线系统中,并称其为集线器。

2.集线器
       集线器俗称Hub，是一种特殊的多端口中继器。

• 功能
         主要功能有两个，一个是发送信号，对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离；
         另一个则是通过端口扩展转发信号。

• 工作原理
         集线器工作在计算机网络体系结构的物理层，实现所连接的计算机之间的相互通信和信息共享，它将一个端口接收到的全部信息向所有端口分发出去，图中可以看到主机A发送给主机B的数据S通过与主机A连接的端口2分发到其余7个端口处，但只有主机B才会从端口7接受数据S。

• 作用
         集线器把来自不同计算机网络设备的电缆集中配置于一体，是多个网络电缆的中间转接设备，像树的主干一样，集线器是各分枝的汇集点，是对网络进行集中管理的主要设备。
         利用集线器可以组建成星型或者树型拓扑结构的共享式网络。由于联在集线器上的所有节点均争用同一个上行总线，处于同一冲突域内，所以在集线器内所连接节点数目太多，造成冲突也就可能会过于频繁。如果集线器在带宽上不是很宽裕的话，很可能造成工作站经常死机、网络速度过慢等不良现象的发生。
         如果只有两台计算机互联，采用双绞线交叉相连的方法即可，无需使用集线器。如果有3到8台计算机联网，且在一段时间内不再增加计算机，购买一个8口集线器即可。
  8口集线器具有很高的性价比，是超小型家具办公网络的理想选型。如果计算机规模在8台以上的星型网络，则应该在16口和24口的集线器中选择。
         若计算机数量多于24台，就要选择两台或两台以上集线器进行级联，或者使用堆叠集线器。而如果网络中有上百台甚至更多的计算机，集线器已经不能满足需求，这时就要用到另一种网络连接设备---交换机。

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交换机

       交换机在外观上和集线器相似，但其原理和集线器不一样，功能更为强大，智能性更高，通常用于较大型的网络中，连接较为相似的网络，能够将低速网络接入到高速网络上。

• 交换机的工作原理
         交换机工作在网络的数据链路层，具有依据第二层地址进行数据帧过滤的能力。它采用全双工工作机制，可以记忆交换机端口和所连接的计算机的介质访问控制MAC地址的映射关系, 并将其存储在交换机的内容关联存储器(CAM)里形成一个端口和MAC地址的对应表；通过在数据包的发送端和接收端之间建立临时的交换路径，使数据包直接由源地址到达目的地址，而不会发送到其他不相关的端口，由此缩小冲突域，并隔离广播风暴。此外那些未受影响的端口可以继续向其他端口传送数据，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。

• 交换机的帧转发方式
         目前常见的交换机帧转发方式有三种，
         第一种是直接交换，即检测到目的地址字段后立即转发，不做差错和过滤处理，显然这种方式速度快，但误码率高；
         第二种方式是改进的直接交换，即交换机在接收到数据头部后，先判断头部字段是否正确，若发现有错，立即滤除，并要求发送方重新发送该帧，若没有错误，则立即转发出去。
         第三种是存储转发模式，即交换机先完整地接收整个数据，存储在一个共享缓冲区中，然后对数据进行差错检测，过滤掉有错的帧，之后才将数据按目的地址发送到指定的端口。

• 交换机的组网
         交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个端口，每个端口可以构成一个网段，该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽。
         在交换机所形成的网络中，每一个直接连接到交换机上的设备都是独享该端口所提供的带宽的，一般将一些提供服务的web服务器、文件服务器、数据库服务器、email服务器直接连接到交换机上，以获得较高的带宽，从而提高整个网络的性能。

• 交换机类型
         交换机有多种不同的类型，并有多种不同的分类方法。
         按照工作的网络体系结构的层次，分为二层交换机、三层交换机。二层交换机工作在第二层（即数据链路层），对它来说，网络上的数据就是MAC地址的集合，它能分辨出帧中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意两个端口间建立联系，但是交换机并不懂得IP地址，它只知道MAC地址。三层交换机（也就是现在的路由器）工作在第三层（即网络层），它能理解数据中的IP地址，如果它接收到一个数据包，就检查其中的IP地址，如果目标地址是本地网络的就不理会，如果是其他网络的，就将数据包转发出本地网络。

交换机与集线器的区别
       交换机与集线器的外形和连接方式是相似的，它们之间的区别主要体现在以下3个方面：

• 从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一层即物理层设备，而交换机属于OSI的第二层即数据链路层设备。这就意味着集线器只能对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，而交换局还可以对数据传输中的短帧、碎片等进行有效的处理，从而保证数据传输的完整性和正确性。

• 从工作方式来看，集线器是一种广播模式。即集线器的某个端口工作时，其他所有端口都能够受听到信息，容易产生广播风暴；而交换机工作时，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应，不影响其他端口。因此，交换机能够隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的产生。

• 从带宽来看，集线器的所有端口共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待，工作在半双工模式下；而交换机工作在全双工模式下，每个端口都有一条独占的带宽，两个端口工作时不会影响其他端口工作。

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路由器

• 路由器的主要功能
         路由器是用于连接多个运行不同协议的局域网，也就是用于异种网络互连的网络连接设备。它工作在网络层，可以在速度不同的网络和媒体之间进行数据的转换，并在网络层协议上保持信息、管理几个网络间的通信。

• 路由选择
         路由器除了应具有交换机的功能外，还具有在网络层上进行路由选择的功能。所谓路由是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目的地点的活动，而路由选择是指在多个网络间存储、分组转发、实现网络层上的协议转换，以及把在网络上传输的数据转发到正确的下一个子网上的过程。
         广义的路由器就是指能够进行路由选择的设备，它既可以是插入计算机扩展槽上的板卡实现的内部路由，也可以是独立的外部设备。

路由器的工作包括两个过程，一是寻径，二是转发。

• 寻径是指路由器根据相应的一系列算法和协议，寻找并列出多条可到达目的地的路径，并从中选出一条最佳路径。

• 转发则是指路由器沿着已寻找好的最佳路径来传递信息。

•        而实现这两个过程的关键在于：路由器中存储了一张与之相连的网络动态路径表——IP路由表，这张表是许多路由器协同工作的结果，它们按照复杂的路由算法（如： 向量-距离算法、链路-状态算法），得出整个网络的拓扑变化情况，将有关可能的目的地址及怎样到达目的地址的信息存储在这张表中。在转发IP数据报时，通过查询IP路由表，决定把数据报发往何处。

       根据路由表建立与刷新的方式不同，又分为静态路由表和动态路由表两种。

       静态路由是由人工建立和管理的，不会自动发生变化，必须手工更新以反映互联网拓扑结构或连接方式的变化。静态路由安全可靠，稳定性高，开销也小，但是由于路由不会自动做出更新，因此建立和维护工作量大，容易出现路由环，不适用于复杂的互联网结构。
       动态路由则是指可以通过自身学习，自动修改和刷新的路由表。路由信息会随着网络结构的调整自动更新路径，并自动使用路径选择重新配置，能提高网络的整体性能。动态路由适用于拓扑结构复杂、网络规模庞大的互联网，能自动排除错误路径，自动选择性能更优的路径。优良性能的背后也意味着资源的消耗，动态路由信息需要占用网络带宽，且动态修改和刷新需要占用路由器的内存和CPU处理时间，消耗路由器的资源。

• 比较
         我们可以将静态路由比作一条流水生产线，产品每个部分的组装步骤都是固定的，只要步骤不被重新审定，每个工序将不会改变；而动态路由就像一个对地图了如指掌的司机，当一条公路堵车时，他会自动选择另一条公路将乘客送达目的地。

路由选择的实例

ip数据报.png

       图中是一个由3个网络、3个路由器所组成的网络， 当主机A向主机B发送数据时，主机A通过查看自身的路由表后将该IP数据报发送到IP地址为10.1.0.1的R2路由器，R2路由器接受到该IP数据报后，查看R2路由表后，将该IP数据报发送到IP地址为10.2.0.2的R3路由器，R3路由器接受到该IP数据报后，查看R2路由表后，将该IP数据报直接转发给主机B。

主机路由表.png

路由器路由表.png

       需要注意的是，当路由表中没有明确指明一条到达目的网络的路由信息，路由器就将数据报转发到一个默认路由所指定的路由器中，设置默认路由的目的是为了缩短路由表的长度，同时减少路由计算时间。

网络互联设备.png

IPV4地址，子网掩码，子网划分