第四节　网络连接设备

网络连接设备是实现网络之间物理连接的中间设备，它是网络中最基础的组成部分，常见的网络连接设备有网卡、调制解调器、集线器、交换机、网桥、路由器等。

一、网卡

网卡（Net Interface Card）是局域网中最基本的连接设备，计算机通过网卡接入网络。网卡的作用一方面是接收网络传来的数据；另一方面是将本机的数据打包后通过网络发送出去。

网卡有多种不同的分类方法，下面从不同的角度对网卡进行分类。

1．按总线类型分类

按照总线类型可以将网卡分为以下3种：

（1）ISA网卡。ISA（Industry Standard Architecture）网卡是为ISA总线所配备的网卡，ISA网卡的传输速率低，可直接驱动多个外设。ISA网卡主要有两种：8位的NE1000网卡和16位的NE2000网卡。随着电脑架构的不断改进，ISA总线的网卡也随之被淘汰，如图2.4.1所示。

（2）PCI网卡。PCI（Peripheral Component Interconnection）分为32位和64位两种，它们都具有较高的传输速率。现在电脑中的总线主要是PCI总线，因此PCI网卡是目前市场上的主流网卡，64bit 66MHz的PCI网卡的最大数据传输率为267MB/s。此外，PCI网卡还具有安装简便以及能够充分利用总线资源等特性，如图2.4.2所示为PCI网卡。

图2.4.1　ISA网卡

图2.4.2　PCI网卡

（3）PCMCIA网卡。PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association）网卡适用于笔记本电脑中，是个人计算机内存卡国际协会制定的便携机插卡标准。这种网卡和信用卡大小一样，厚度在3～4mm之间。32位的PCMCIA网卡不仅具有更快的传输速率，而且独立于CPU，可与内存间直接交换数据，如图2.4.3所示。

图2.4.3　笔记本电脑网卡

2．根据接口类型分类

针对不同的传输介质，网卡提供了相应的接口。按照电缆接口类型划分，可以将网卡分为RJ-45接口网卡、BNC细缆接口网卡、AUI粗缆接口网卡、光纤接口网卡，还有将上述几种类型综合的二合一或三合一网卡。

3．根据传输速率分类

根据网卡所支持的传输速率，可以将网卡分为10Mb/s，100Mb/s，10/100Mb/s自适应网卡以及1000Mb/s网卡。

二、调制解调器

调制解调器又称为Modem，它是计算机网络通信中极为重要的设备。如用户的计算机需要通过调制解调器来访问Internet，调制解调器是同时具有调制和解调两种功能的设备。在计算机网络的通信系统中，计算机发出的是数字信号，而在电话线上传输的是模拟信号，因此必须将数字信号转换成模拟信号才能实现其传输，这种操作就称为调制；反之，电话线上的模拟信号要想传输到信宿的计算机，也需要将其变换成数字信号，即解调。根据安装方式，可以将调制解调器分为内置式和外置式两种模式。

1．内置式调制解调器

内置式调制解调器安装在计算机内部的扩展槽上。它主要有两个接口：一个是用于连接电话线接头的“Line”接口；另一个是用于连接电话机的“Phone”接口，如图2.4.4所示。

2．外置式调制解调器

外置式调制解调器有与计算机、电话等连接的接口。它放置在机箱的外部，直接连接在计算机的串口上，安装方便、便于携带、性能稳定，且可以通过调制解调器面板上的各种指示灯来观察其工作状态，但价格通常要比内置式调制解调器高，如图2.4.5所示。

图2.4.4　内置式调制解调器

图2.4.5　外置式调制解调器

三、集线器

集线器也称为HUB，用于连接双绞线介质或光纤介质的以太网系统。集线器在OSI七层模型中处于物理层，其实质是一个中继器。它的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。正是因为集线器只是一个信号放大和中转的设备，所以它不具备交换功能。但是由于集线器价格便宜，组网灵活，所以基于集线器的网络仍然存在。集线器采用星型布线，如果一个工作站出现问题，不会影响整个网络的正常运行，如图2.4.6所示。

按照集线器端口连接介质的不同，集线器可以连接同轴电缆、双绞线和光纤。很少见到使用光纤的集线器，目前市场上的大多数集线器都是以双绞线作为连接介质的。一些集线器上除带有RJ-45接口外，还带有AUI接口和BNC接口。传统集线器每个端口的速率通常为10Mb/s或100Mb/s。

图2.4.6　集线器

因为以太网遵循CSMA/CD协议，所以计算机在发送数据前首先要进行载波侦听。当确定网络空闲时，才能发送数据；当一个站点多次检测线路均为载波时，将自动放弃该帧的发送，从而造成丢包。因此，当网络中的站点过多时，网络的有效利用率将会大大降低。根据经验，采用10Mb/s集线器的站点不宜超过25个，采用100Mb/s集线器的站点不宜超过35个。当网络再大时，则只能用交换机才能保证每台计算机拥有足够的网络带宽。

四、交换机

传统的以太网采用共享介质技术，即多个工作站共享一条传输介质。当一个站点要传送数据到另一个站点时，数据包在电缆上广播，网络中的所有站点都可以收到，但只有目的站点真正地接受此数据包，其他站点则将其扔掉。由于以太网是基于CSMA/CD的网络，随着网络上设备数量的增加，冲突就会不断发生，网络的性能就会迅速下降。为此，在20世纪80年代初，人们提出采用网桥来分割网段，以提高网络带宽，后来又使用路由器来实现网络分段，以减少每个网段中的设备数量。

这样确实可以解决一些网络瓶颈问题，但解决得并不彻底，因为随着网段内小组成员的增加，每个用户的平均带宽减小，原来局域网中的问题又反映到了网段内。此外，使用大量的网桥和路由器会使组网的成本急剧增大。于是，后来人们又开始采用一种称为以太网交换机的设备来取代网桥和路由器来对网络实施网段分割。(www.daowen.com)

采用交换机作为中央连接设备的以太网络称为交换式以太网。交换机基于OSI参考模型的第二层，即数据链路层，它是一种存储转发设备，其工作原理是根据发送帧中的目标MAC地址进行信息帧转发的。交换机的主要特点是提高了每个工作站的平均占有带宽并提高了网络整体的集合带宽，具有高通信流量、低延时、低价格等优点，是目前局域网中使用最多的一种网络设备，如图2.4.7所示。

图2.4.7　交换机SH-3016

五、中继器

中继器（Repeater）是一种最简单的网络互连设备，其主要作用是完成信号的放大和再生。由于信号在传输电缆上传送时，会产生损耗，这种损耗会引起信号的衰减，当信号衰减到一定程度时，就会出现信号失真，从而导致错误的传输。中继器就是为了解决这个问题而设计的，它对衰减的信号进行放大，让信号保持与原数据相同，驱动信号在长电缆上传输，以达到延伸电缆长度的目的，如图2.4.8所示。

图2.4.8　中继器

使用中继器连接局域网时，应该遵循以太网的5-4-3规则，即无论是粗缆以太网，还是细缆以太网都最多只能有5个电缆段，使用4个中继器，其中只能有3个网段能连接计算机。另外，如果中继器的两个接口相同时，可以连接两种使用相同介质的网段；如果两个接口不同时，则可以连接两种使用不同介质的网段，如图2.4.9所示为使用中继器来连接10Base-5和10Base-2。

图2.4.9　用中继器连接10Base-5和10Base-2

六、网桥

网桥是数据链路层上局域网之间的互连设备。网桥独立于网络层协议，它与上面运行的网络层协议无关。当网桥接收到一个帧时，它首先检查该帧是否已经完整地到达，然后转发该帧。网桥的各端口连接的各个网段必须位于同一个逻辑网络。

1．网桥的功能

网桥的功能主要表现在以下3个方面：

（1）匹配不同端口的速度。匹配不同端口的速度是指网桥把接收到的帧存储在存储缓冲区中，只要其端口的链路可以接收不同传输速率的帧，各端口间就可以输入或输出该帧。

（2）对帧具有检测和过滤作用。网桥可以对帧进行检测，丢弃错误的帧；网桥还能够对某类特定的帧进行过滤。

（3）网桥可以提高网络带宽并扩大网络地理范围。

2．网桥的分类

网桥可以分为内桥、外桥和远程桥3类。

（1）内桥：内桥是文件服务器的一部分，利用不同的网卡把局域网连接起来，内桥结构如图2.4.10所示。

图2.4.10　内桥结构

（2）外桥：外桥是独立于被连接的网络之外的，实现两个相似的不同网络之间的连接。通常用连接在网络上的工作站作为外桥，其结构如图2.4.11所示。

（3）远程桥。远程桥是实现远程网络之间连接的设备，通常远程桥是调制解调器与通信媒体的连接。

图2.4.11　外桥结构

七、路由器

路由器工作在OSI模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的IP地址来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。路由器不转发广播消息，而把广播消息限制在各自的网络内部。路由器主要运行在多种网络协议的大型网络中，具有很强的异种网互连能力。和网桥相比，路由器在路径选择、多协议机制传输、安全性、可管理性等方面的功能都更强，如图2.4.12所示。

图2.4.12　路由器

路由器最主要的功能就是路径选择，即保证将一个进行网络寻址的报文正确地传送到目的网络中。完成这项功能需要路由协议的支持，路由协议是为在网络系统中提供路由服务而开发设计的，每个路由器通过收集其他路由器的信息来建立自己的路由表以决定如何把它所控制的本地系统的通信表传送到网络中的其他位置。

路由器的功能还包括存储、转发、过滤、流量管理、媒体转换等。

八、网关

网关（Gateway）实现的网络互连发生在网络层以上，它是网络层以上的互连设备的总称。网关主要用于连接不同体系结构的网络和局域网与主机的连接，它是所有互连设备中最复杂的一种。

网络互连的层次越高，互连的代价就越大，效率就越低，但能够互连差别更大的异构网。如国内外一些著名的大学校园网和其他网络，如卫星网络等的互连使用的就是网关。

网关通常由软件来实现，网关软件运行在服务器或一台计算机上。

网关只是针对某一特定的应用而言，不可能有通用网关，如有用于电子邮件的网关，用于远程终端仿真的网关等。