网络设备工作原理 PPT
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提高网卡传输性能的措施
▪ 并行处理:发送/接收和数据处理同步进行 ▪ 全双工:需集线器/交换机的支持 ▪ 突发传输方式(每次传送更多的帧) ▪ 智能网卡(让网卡承担更多的传输任务) ▪ 提高与主机的传输速度: • 与主机的存储器传输数据时采用DMA传送方式 • 总线采用传输速度较快的PCI总线
网卡的安装
网络接口卡
网络接口卡工作在OSI参考模型的物理 层和数据链路层的MAC子层
根据网络介质访问控制方法的不同,网 卡可以分为以太网、令牌环、光纤分布 式接口和异步传输方式等几种。其中以 太网卡是应用最广泛的网卡。
以太网卡
以太网卡实现了MAC子层的CSMA/CD介质 访问,物理层的编码/解码、发送接收、载波 检测、冲突检测等功能,并提供了与传输介 质的连接接口,如RJ45、BNC和AUI接口。
▪ 模块化(Module):
又称机箱式,由一台带有底板、电源的 机箱和若干块多端口的接口卡(线卡) 组成。可灵活按需配置,通过插入不同 的插卡满足需求(如插入交换卡、路由 卡、加密卡等)
用集线器搭建简单的网络
以1台服务器,3台PC机为例:
▪ 一台HUB ▪ 4块UTP接口的网卡 ▪ 4台PC机 ▪ 8个RJ45接头(水晶头) ▪ 若干米UTP双绞线
透明网桥/生成树网桥
工作原理:
网桥工作在混杂(promiscuous)方式,接收所有的帧;
网桥接收到一帧后,通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃 还是转发;
网桥刚启动时,地址/端口对应表为空,采用洪泛(flooding) 方法转发帧;
在转发过程中采用逆向学习(backward learning)算法收集 MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与 端口的对应关系,并写入地址/端口对应表;
Window95/98/2000/xp能够识别即插即用设备, 当网卡安装之后操作系统能自动识别,根据 它的提示进行设置并安装网卡所带驱动程序 即可
如果操作系统无法识别网卡,则需手工安装 (如Win3.x、WinNT、UNIX、Linux)
网络集线器
工作在OSI模型第一层的网络设备
中继器 集线器—多端口中继器
网段分割,在各段之间分离流量 通过创建更小的冲突域,使每个用户可以获取更
多的带宽
网络分段
网桥或网络交换机
独立的冲突域
独立的冲突域
HUB
HUB
MAC广播域
交换机只能分隔冲突域,但不能分隔广播域
能够用来为局域网分段的设备
网桥
交换机
路由器
辨别冲突域
集线器
网桥
交换机
路由器
冲突域:
1
4
4
4
交换技术
让网桥之间互相通信,用一棵连接每个LAN的 生成树(Spanning Tree)覆盖实际的拓扑结构。
如图所示
图4
图5
构造生成树
每个桥广播自己的桥编号,号最小的桥称为生 成树的根;
每个网桥计算自己到根的最短路径,构造出生 成树,使得每个LAN和桥到根的路径最短;
当某个LAN或网桥发生故障时,要重新计算生 成树;
集线器也称多端口中继器,进入集线器一个 端口的任何信号都会再生、重定时而且被发 送到其余的所有端口
中继器和集线器都是第1层的设备,因此它们 不会对网络流量进行过滤。
如图所示
冲突域:由一台集线器和中继器所扩展
第2层设备
网桥 交换机
网桥
定义:网桥(bridge)是工作在数据链路层的 一种网络互连设备,它在互连的类型相同但协 议不同的LAN之间实现帧的存储和转发。
10Base5 粗缆Ethernet
10Base5 粗缆Ethernet
server
连接 802.X和 802.Y的网桥
互连时需要解决的相同问题
不同LAN帧格式的转换; 不同的LAN速率不同,网桥要有缓存能力; 高层协议的计时器设置; 不同的LAN支持的最大帧长度不同。解决办法:丢
弃无法转发的帧。
集线器是物理层网络设备,也称多端口 中继器
对信号进行再生并且把它放大到所有的 端口
常见的有8,12,16,24口
三种结构:
▪ 独立式(Stand alone):
固定端口配置,扩充时用级连的方法
▪ 堆叠式(Stackable):
固定配置,用堆叠方法进行扩充——堆 叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台 单独的HUB,可统一管理
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层
LLC MAC PHY
IP包
802.3PKT 802.5PKT 802.3PKT 802.5PKT
链路层 物理层
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层
802.3介质
802.5介质
图2
两种类型的网桥
▪ 透明网桥(Transparency Bridge) ▪ 源选径网桥(Source Routing Bridge)
源选径网桥的优缺点
优点:网桥功能可以很简单;可以用最佳 路由传送。
缺点:源站计算路由费时;主机负担重。
两种网桥的比较
透明网桥
源选径网桥
服务类型
无连接
面向连接
对源站的透明性 完全透明
不透明
配置、管理 自动配置,容易管理 人工方法
选择的路由 目的地确定方法 故障处理及拓扑变化
复杂性和开销
次佳 逆向学习 网桥负责 网桥负担
网络互连的层次 网络设备的工作原理
网络接口卡
网络接口卡(NIC)简称 网卡,也被称为网络适配 器
就物理外表而言,网络接 口卡是与计算机主板或外 围设备上的总线扩展槽相 适应的一种印刷电路板
网络接口卡是网络通信的 基本硬件组成部分,它能 够把计算机产生的串行信 号转换成可以在网络电缆 上传送的串行格式。
四中继器原则
在网络上的任何两台计算机之间不能安 装超过4台的中继器或者放大式集线器。
该规则能保证当冲突发生时,冲突域中 的每个节点都能知道已经发生了冲突。
5-4-3-2-1
网络的5个部分,4台集线器或中继器,网 络的3个部分可以连接主机,两个部分是 链路部分,1个大的冲突域(如图所示)
集线器
网桥可以提高网络安全性,尤其对局域网广 播方式,可用于将不同网段隔离。
以太网交换机
第2层设备 也称多端口网桥 网络分段、流量过滤
以太局域网的分段
➢ 共享信道LAN的缺点: ▪ 多个站点同时发送会造成冲突; ▪ 网络中站点越多,冲突现象越严重; ▪ 每个站点的平均拥有带宽为W/n;
➢ 解决的方法:
当冲突发生的时候,卷入到冲突的数据分组 会受到逐位的破坏
• 工作站越多意味着冲突越多
中继器、集线器和冲突域
中继器会对比特进行再生和重定时,但是中 继器不能对通过它们的业务流量进行过滤。 中继器会把一个端口收到的信号转发到所有 的端口
使用中继器会扩展冲突域的范围,在中继器 两端的网络是一个大的冲突域
以太网卡包括以下几部分:
发送和接收部件 载波检测部件 发送和接收控制部件 曼彻斯特编码/译码器 LAN管理部件 微处理器
发送控制
LAN 管理部分
曼彻斯特 编码/译码器
载波检测
发送 接收
微处理器
接收控制
网卡总线类型
16位—ISA(行业标准结构) 32位—PCI(外部设备互联)、EISA
生成树构造完后,算法继续执行以便自动发现 拓扑结构变化,更新生成树。
源选径网桥
CSMA/CD和Token Bus选择了透明网桥, Token Ring选择了源路由网桥
特点:由源站负责路由选择,路由信息放在发送 的帧的首部(即把要经过的路径放在帧中,帧 按该路径传送)
选路方法:源站向目的站发送探测帧,该帧在扩展的LAN 中沿所有可能路由传送;每个探测帧都记录下它所经 过的路由;这些探测帧在到达目的站后,再沿各自的 路由返回源站;由源站选择其中的最佳路由,作为发 送帧中的路由信息。
为什么使用网桥?
学校和企业的各个部门分别拥有自己独立管理的LAN,为了 进行交互,需要使用网桥来实现互连;
一个企业分布在相隔很远的不同建筑物内,在每个建筑物内 组建单独的LAN,并使用网桥将这些LAN连接起来,是比较 经济的方案;
将一个负载很重的大LAN分隔成使用网桥互连的几个LAN以 减轻负担;
选择网卡需要考虑的问题:
网络结构 操作系统 介质类型 数据传输速率 可用的总线类型
网卡的安装
首先将网卡插入到一个合适的槽中(ISA或 PCI)
一些老的网卡配有滑动开关,DIP开关或跳线 来控制网卡使用的DMA内存地址和IRQ中断 号,需按使用说明进行设置。大多数网卡是 通过软件来设置
交换机的三种功能 生成树协议 几种交换方法
交换机的三种功能
地址学习 转发/过滤 避免环路
地址学习
MAC 地址表
A
0260.8c01.1111
E0
C
E2
0260.8c01.2222
B
E1
0260.8c01.3333
E3
D
0260.8c01.4444
• 初始 MAC 地址表是空的
地址学习
LAN上的两台机器其距离超过2500米,必须使用网桥将这个 LAN 分隔以保证网络的正常工作;
网桥可以隔离负载,防止出故障的站点损害全网;
网桥可以有助于安全保密。
图1
用网桥实现多个网段互连
网段1
网段2
10Base2 - 细缆Ethernet
hub
网段3 网段4
网桥
hub
router
10BaseT-双绞线
HUB
UTP NIC
服务器
PC机
共享介质环境中的冲突和冲突域
共享介质 (多路访问) 扩展介质
点到点
冲突和冲突域
在同一个网络上,当两个比特同时在进行传 输时,就可能会发生冲突。
一个网络上若有过多的网络流量则会导致严 重的问题
在网络内部,数据分组产生和发生冲突的这 样一个区域被称为冲突域
所有共享介质环境都是冲突域,一条线路可 通过接插电缆、收发器、中继器和集线器与 另一条线路进行连接,所有这些第1层互连设 备都是冲突域的一部分
中继器
中继器是第1层网络设备 中继器的用途:在比特级上对网络信号进行
再生和重定时,从而可以使它们可以在网络 介质上传输更长的距离。 缺点:不能对网络流量进行过滤 使用中继器时注意:
用中继器连接的以太网不能形成环 必须遵守MAC协议定时特性,不能用中继器将电
缆无限连接起来(四中继器原则)
传输层及以上:使用协议转换器也称网关提 供更高层次的接口,它是属于端-端的主机互 联。
网络互连的层次
LAN-LAN在传输层之下,一般用中继 器和网桥就够了。LAN-WAN之间的协 议差异大,多用路由器。少数协议差别 较大的高层应用系统会用到网关(如 CCITT X.400与SMTP之间的邮件网 关)。
(扩展ISA)、MCA(微信道结构) 其它—PCMCIA(个人计算机存储卡国
际协会)、并行口、USB
接口类型
RJ45—无屏蔽双绞线接口 AUI—粗同轴电缆接口 BNC—细同轴电缆接口 SC/ST—光纤接口
网卡的使用
▪ 网卡地址:即网卡的物理地址或称为MAC地址, 固化在网卡硬件中
▪ 配置参数(跳线设置 / 软件设置 / PnP) • 中断请求号 IRQ(一般为3) • I/O基地址 I/O Base(一般为300H) • 存储器基地址 Memory Base (一般为C000H) • 全双工 / 半双工 • 传输速率(仅10/100Mbps双速网卡可选)
最佳 探测帧 主机负责 主机负担
网桥和Βιβλιοθήκη Baidu继器的比较
网桥可实现不同类型LAN的互联(如以太网 和令牌环之间);中继器只能用于以太网段 间互联。
利用网桥可以实现大范围局域网互联;中继 器则受限从而只能在5段以太网段且距离有限。
网桥可以隔离错误帧,提高网络性能;中继 器只单纯复制位,而不管正确与否。
MAC 地址表 E0: 0260.8c01.1111
网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新,并定时检查, 删除在一段时间内没有更新的地址/端口项;
帧的路由过程
目的LAN与源LAN相同,则丢弃帧;
目的LAN与源LAN不同,则转发帧;
目的LAN未知,则洪泛帧。
图3
多个网桥(并行网桥)可能产生回路
如图所示
解决多个网桥产生回路的问题
思想
计算机网络 Computer Networks
第五讲 网络设备工作原理
网络互连的层次 网络设备的工作原理
网络互连的层次
网络互联从通信协议的角度来看可以分成四 个层次:
物理层:使用中继器在不同的电缆段之间复 制位信号。
数据链路层:使用桥在局域网之间存储转发 数据帧。
网络层:使用路由器在不同的网络之间存储 转发分组数据。