1.4 网络互联设备

网络互联通常是指将不同的网络或相同的网络用互联设备连接在一起而形成一个范围更大的网络，也指为提高网络性能和易于管理而将一个原来很大的网络划分为几个子网或网段。

对局域网而言，所涉及的网络互联问题有网络距离延长、网段数量的增加、不同局域网之间的互联等。

网络互联中常用的设备有网卡、中继器（Repeater）、集线器（Hub）、交换机（Switch）、路由器（Router）、调制解调器（Modem）和网关（Gateway）等。

1.4.1 网卡

网卡又称网络适配器或网络接口卡（Network Interface Card，NIC），是使计算机联网的设备，如图1-14所示。平常所说的网卡就是将个人计算机和局域网连接的网络适配器。

网卡插在计算机主板插槽中，负责将用户要传输的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式，通过网络介质传输。网卡的主要技术参数为带宽、总线接口类型、电气接口方式等。网卡的基本功能为从并行到串行的数据转换、包的装配和拆装、网络存取控制、数据缓存和网络信号收发。目前主要使用8位和16位的网卡。

网卡必须具备两大技术：网卡驱动技术和I/O技术。网卡驱动技术使网卡和网络操作系统兼容，实现个人计算机与网络的通信。I/O技术可以通过数据总线实现个人计算机和网卡之间的通信。网卡是计算机网络中最基本的设备。在计算机局域网络中，如果有一台计算机没有网卡，那么这台计算机将不能和其他计算机进行网络通信，也就是说，这台计算机和网络是孤立的。

1.网卡的分类

根据网络技术的不同，网卡的分类也有所不同，如大家熟知的以太网网卡、令牌环网卡和ATM网卡等。据统计，目前国内约有90%以上的局域网采用以太网网卡。

目前，网卡一般分为普通工作站网卡和服务器专用网卡。因为网络服务种类较多，性能也有差异，所以网卡也可按以下的标准进行分类。

按网卡所支持带宽的不同，网卡可分为10 Mbit/s网卡、100 Mbit/s网卡、10/100 Mbit/s自适应网卡、1000 Mbit/s网卡。

按网卡总线接口类型的不同，网卡可以分为ISA网卡、EISA网卡和PCI网卡三类，其中PCI网卡较常使用。ISA网卡的带宽一般为10Mbit/s，PCI网卡的带宽从10Mbit/s到1000Mbit/s都有。PCI网卡要比ISA网卡快。

2.网卡的接口类型

根据传输介质的不同，网卡出现了AUI接口（粗同轴电缆接口）、BNC接口（细同轴电缆接口）、RJ-45接口（双绞线接口）、光纤接口四种接口类型。其中AUI接口（粗缆接口）、BNC接口（细缆接口）现在已很少用到，所以在选用网卡时，应注意网卡所支持的接口类型，否则可能不适用于你的网络。

3.网卡的选购

选购网卡时应注意以下几个要点。

（1）网卡的应用领域。

目前，以太网网卡有10 Mbit/s、100 Mbit/s、10/100 Mbit/s及1000 Mbit/s网卡。对于大数据量的网络来说，服务器应该采用千兆以太网网卡，这种网卡多用于服务器与交换机之间的连接，以提高整体系统的响应速率。10 Mbit/s、100 Mbit/s和10/100 Mbit/s网卡则属于人们经常购买且常用的网络设备，这三种产品的价格相差不大。

所谓10/100 Mbit/s自适应是指网卡可以与远端网络设备（集线器或交换机）自动协商，确定当前的可用速率是10 Mbit/s还是100 Mbit/s。通常的变通方法是购买10/100 Mbit/s网卡，这样既有利于保护已有的投资，又有利于网络的进一步扩展。就整体价格和技术发展而言，千兆以太网到桌面机已逐渐增加，但10 Mbit/s的时代已经逐渐远去。因此对中小企业来说，应该尽可能采购高速网卡。

（2）注意总线接口方式。

1994年以来，PCI及其升级的PCI-E总线接口标准日益成为网卡的首选总线架构，目前已牢固地确立了在服务器和高端桌面机中的地位。PCI 总线以太网网卡的高性能、易用性和增强了的可靠性使其被标准以太网网络广泛采用，并得到了个人计算机业界的支持。

（3）网卡兼容性和运用的技术。

快速以太网在桌面级普遍采用10Base-TX技术，以非屏蔽双绞线为传输介质，因此，快速以太网的网卡设一个 RJ-45 接口。由于小型办公室网络普遍采用双绞线作为网络的传输介质，并进行结构化布线，因此选择单一RJ-45接口的网卡就可以了。

适用性好的网卡应通过各主流操作系统的认证，至少具备如下操作系统的驱动程序：Windows、Linux、UNIX和MacOS。智能网卡上自带处理器或带有专门设计的AISC芯片，可承担使用非智能网卡时由计算机处理器承担的一部分任务，因此即使在网络信息流量很大时，也极少占用计算机的内存和CPU时间。智能网卡性能好，但价格较高，主要用在服务器上。

另外，有的网卡在BootROM上“做文章”，加入防病毒功能；有的网卡则与主机板配合，借助一定的软件，实现Wake on LAN（远程唤醒）功能，可以通过网络远程启动计算机；还有许多台式计算机干脆将网卡集成到了主机板上，笔记本电脑或移动终端则把网卡作为主机基础硬件。

（4）网卡生产商。

由于网卡技术的成熟性，目前生产以太网网卡的厂商除国外的3Com、英特尔和IBM等公司外，还有中国台湾的多家公司，后者生产的网卡（或集成芯片）性能好，价格低，具有较强的优势。

1.4.2 中继器

中继器（Repeater）又称为转发器，是物理层连接设备，如图1-15所示。由于存在损耗，因此在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，这会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。中继器完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

中继器负责在两个节点的物理层上按位传输信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度，如图1-16所示。（LED/LCD代表台式计算机或笔记本电脑，下同）

中继器分为近程中继器和远程中继器两种，近程中继器的传输距离为50～100m，远程中继器的传输距离为1000～5000m，用中继器连接不同网段如图1-17所示。

以太网标准约定在一个以太网上最多只允许出现5个网段，最多只能使用4个中继器，在一个网段上最多只允许连接2个中继器，而且其中只有3个网段可挂接计算机终端。

双绞线以太网布线可总结为“54321规则”，适用于综合布线，具体如下。

5：允许5个网段，每个网段的最大长度为100 m。

4：在同一信道上允许连接4个中继器或集线器。

3：在其中的3个网段上可以增加节点。

2：在另2个网段上，除作为中继器链路外，不能接任何节点。

1：上述规则将组建一个大型的冲突域，最大站点数为1024个，网络直径达2500 m。

图1-18显示了中继器的概念结构。

中继器的优点是安装简便，使用方便，价格便宜。由于技术的进步，使用铜缆接口（双绞线或同轴电缆）的中继器已不多见，目前主要使用光纤中继器通过光缆（光纤）来连接距离较远的网络。

1.4.3 交换机

交换机（Switch）是一种具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换技术产品，交换机在OSI参考模型的第二层操作。交换机按每一个包（或分组）中的MAC地址中相对简单的决策信息进行转发。交换机的转发延迟很小。交换机提供了许多网络互联功能，能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更大的带宽。利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息。交换机产品如图1-19所示。

集线器的特点是共享带宽。在共享带宽的集线器中，若接入集线器的终端用户有n个，则每个终端用户可用的带宽为总带宽的1/n。例如，设集线器的入口总带宽为10 Mbit/s，若有4个终端用户连接，则每个终端用户所能使用的带宽为2.5 Mbit/s。若终端用户增加到8个，则每个终端用户所能使用的带宽仅为总带宽的1/8，即1.25 Mbit/s。由此看出，接入集线器的终端用户越多，每个终端用户所能使用的带宽就越小，其网络效率也随之下降。

而交换机具有“独占带宽”的特性，无论接入交换机的终端用户有多少个，每个终端用户所使用的带宽与交换机的接入带宽都完全一致。例如，设交换机的接入带宽为100 Mbit/s，无论接入交换机的终端用户有多少个，每个终端用户占用的带宽均为100 Mbit/s。

1.交换机的功能和特点

（1）具有与集线器同样的功能。

（2）具有存储转发、分组交换能力。

（3）具有子网和虚拟专用网管理能力。

（4）各终端用户独占带宽。

（5）交换机可以堆叠。

2.交换机的分类

交换机包括电话交换机和数据交换机两种，下面所讨论的都是指数据交换机。从规模应用上讲，局域网交换机可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组级交换机等。

当局域网交换机作为骨干交换机时，支持500个信息点及以上的大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点及以下的中型企业应用的交换机为部门级交换机，支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。

3.三种交换技术

（1）端口交换。

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由器连接，网络之间是互不相通的。以太网模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太网模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。

（2）帧交换。

帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输介质进行微分段，提供并行传输的机制，来减小冲突域，获得大的带宽。一般来讲，每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下两种。

①直通交换。提供线速处理能力，交换机只读出接收到的网络帧的前14个字节，就将网络帧传输到相应的端口上。

②存储转发。通过对网络帧的读取进行错误校验和控制。

直通交换技术的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时无法支持具有不同速度的端口的交换。因此，各厂商把存储转发技术作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将网络帧分解成固定大小的信元，信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能，如优先级控制。

（3）信元交换。

ATM交换机采用固定长度为53个字节的信元进行交换。由于长度固定，因此信元交换便于用硬件实现。ATM交换机采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力，还容许在源节点和目标节点间建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。同时ATM交换机采用了统计时分电路进行复用，从而能大大提高通道的利用率，达到25 Mbit/s、155 Mbit/s、622 Mbit/s，甚至达到2.4 Gbit/s的传输能力。

4.交换机选购

局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意以下事项。

（1）交换端口的数量。

（2）交换端口的类型。

（3）系统的扩充能力。

（4）主干线连接手段。

（5）交换机的总交换能力。

（6）是否需要路由选择能力。

（7）是否需要热切换能力。

（8）是否需要容错能力。

（9）能否与现有设备兼容，顺利衔接。

（10）网络管理能力。

1.4.4 路由器

路由器是一种网络设备，如图1-20所示。路由器能够利用一种或几种网络协议将本地或远程的一些独立的网络连接起来，每个网络都有自己的逻辑标识。路由器通过逻辑标识将指定类型的封包（如IP 包）从一个逻辑网络中的某个节点，进行路由选择，传输到另一个网络上的某个节点。

路由就是指通过网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个中间节点。

路由和交换之间的主要区别是，交换发生在 OSI 参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层（网络层）。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。

路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（Routing），这是路由器名称的由来（Router，转发者）。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP的Internet的主体脉络，也可以说，路由器系统构成了Internet的骨架。路由器的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，路由器的可靠性则直接影响着网络互联的质量。因此，在园区网、广域网，乃至整个Internet研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向成为整个Internet研究的一个缩影。

路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传输的线路。选择通畅快捷的近路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益。

通过广域网（WAN）实现局域网（LAN）之间的互联，通常都使用路由器，广域网和局域网的连接如图1-21所示。

路由器连接网络的协议概念结构如图1-22所示。