1、第 1 章 网络硬件知识计算机网络是由各种复杂的硬件设备和软件组成的，其中有关局域网的规划、安装、维护管理等是平时接触最多的内容。除了计算机网络的基本概念外，本章主要介绍有关局域网的硬件基础，包括传输介质、联网设备以及常见的局域网架设等内容。1.1 计算机网络计算机网络已经逐渐成为人们工作生活中不可缺少的设施之一。目前，人们通过以Internet 为代表的计算机网络，可以实现获取信息、远程交流、收发电子邮件、在线娱乐游戏等功能。本节主要介绍有关计算机网络的基础知识，包括计算机网络的定义、功能、分类等。1.1.1 计算机网络的定义计算机网络是指将地理位置分散、具有独立功能的多台计算机系统用通信设
2、备和通信线路连接起来，在网络操作系统、通信协议，以及网络管理软件的管理协调下，实现资源共享、信息传递的一种信息系统。从广义上来讲，可以认为计算机网络是计算机技术与通信技术的结合，目的是为了实现远程信息处理和资源共享。按照这一观点，20 世纪 50 年代出现的“终端计算机”和 20 世纪 60 年代出现的“计算机计算机”都属于计算机网络，这种观点主要是从计算机通信的意义上看待计算机网络。从资源共享的角度来说，可以把计算机网络理解为“以能够相互共享资源（硬件、软件和数据）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合体”。这个定义是由美国信息处理学会联合会在 1970 年春天举行的联合会议
3、上提出来的，它认为只有具备独立功能的计算机才是网络中的单元，因此把“终端计算机”这种连接形式排除在计算机网络范围之外。从用户透明性的角度出发，可以把计算机网络定义为“由一个网络操作系统自动管理用户任务所需的资源，从而使整个网络就像一个对用户透明的计算机大系统”。这里的“透明”是指用户觉察不到在计算机网络中存在多个计算机系统，用户也不需要知道自己所使用的资源在什么物理位置。例如，人们使用 Internet 网络时，只需要关心浏览网页、传输邮件等业务本身的操作，而不需要关心网络的工作过程或者数据具体存放的位置。只有两台及两台以上的计算机才能构成计算机网络，一台计算机是不能构成网络的。为了连接计算机
4、，必须要有一条物理通道，即必须要有传输媒介。计算机通过物理媒介连第 1 章 网络硬件知识3接后，相互之间交换信息时需要遵循一定的约定和规则，即通信协议。各个厂商生产的网络产品都可能有自己的协议，为了能够实现网络互连，这些协议应该遵循相同的标准。说明： 不同的 资料对计算机网 络的定义在细节上有一些区别。1.1.2 计算机网络的功能计算机网络的产生打破了空间和时间的限制，极大地扩展了计算机的应用范围，解决了大容量信息的传输、转接存储和高速处理的问题，大大增强了计算机的处理能力，提高了计算机的可靠性和可用性，使软、硬件资源由于能够共享而充分发挥了作用。计算机网络广泛应用于政治、经济、军事、教育科研
5、、生产、生活等各个领域。通过计算机网络，人们可以坐在家中预定全世界各地的飞机票、火车票，可以实时了解全世界各地的证券、股市行情，可以对企业生产、存储、运输、销售、财务等各个环节进行统一管理，还可以对企业的经营进行辅助决策、辅助计划等。具体来说，计算机网络主要有以下一些功能。1数据通信在现代社会中，人们需要的信息量不断增加，信息交换的需要也日益频繁，利用计算机网络传递信息成为了一种全新的通信方式。例如，电子邮件比现有的通信工具有更多的优点，在速度上比传统邮件快得多。另外，电子邮件还可以携带声音、图像和视频，实现多媒体通信。如果计算机网络覆盖的地域范围足够大，则可使各种信息通过电子邮件在全国乃至全
6、球范围内快速传递和处理。除了电子邮件以外，即时通信（IM ）是另一种在互联网上蓬勃发展的业务。它指能够即时发送和接收来自互联网的消息。目前，即时通信不再是一个单纯的聊天工具，它已经逐渐集成了电子邮件、博客、音乐、电视、游戏和搜索等多种功能，发展成集交流、资讯、娱乐、搜索、电子商务、办公协作和企业客户服务等为一体的综合化信息平台。此外，远程文件传输、网络综合信息服务以及电子商务等都是利用计算机网络进行数据通信的例子。利用计算机网络的数据通信功能，还可以对分散的对象进行实时、集中地跟踪管理与监控，如企业办公自动化中的管理信息系统，工厂自动化中的计算机集成制造系统等。2资源共享资源共享是计算机网络最
7、基本的功能之一，也是早期构建计算机网络的主要目的。由于数据可以在计算机之间自由流动，为资源的共享提供了可能。在计算机网络中，资源可以包括软件资源、硬件资源，以及要传输和处理的数据资源。硬件资源是指处理器、存储，以及磁盘、打印机、绘图仪等输入输出设备。例如，用户可以把文件上传到服务器，以便能使用服务器的共享磁盘空间；或者自己的计算机没有安装打印机，可以通过网络使用打印服务器或其他计算机上连接的打印机。更进一步地，在某些软件的支持下，用户还可以使用其他计算机上的 CPU 和内存资源。通过计算机网络进行硬件资源共享，可以减少硬件设备的重复购置，提高设备的利用率。第 1 篇 预备知识4软件资源共享是指
8、计算机可以通过网络使用其他计算机上安装的软件，或者那些软件所提供的服务。例如，采用客户端/服务器结构的软件系统，可以在某一台主机上安装服务端软件，然后让其他主机上的客户端软件共同使用。数据资源共享是指计算机可以通过网络得到以各种形式存放的数据。例如，用户通过FTP 下载服务器上的文件，以及通过某种方法访问数据库中的数据，或者通过视频播放软件播放网络上的视频，都是数据资源的具体例子。3提高系统可靠性在一个单机系统中，如果主机的某个部件或主机上运行的软件发生故障时，系统可能会停止工作，这对于某些应用场合可能会造成很大的损失。有了计算机网络后，由于计算机及各种设备之间相互连接，当一台机器出现故障时，
9、可以通过网络寻找其他机器来代替，而且这个过程可以是自动的，对用户来说是透明的。具体来说，计算机网络中的服务器可以采用双机热备、负载均衡、集群等技术措施实现资源冗余，或者在结构上实现动态重组。当其中的某个节点发生故障时，其功能可以由网络中的其他节点来代替，从而大大提高了计算机系统的可靠性。4易于实现分布式处理在计算机网络中，可以将某些大型的处理任务分解为许多个小型的任务，然后分配给网络中的多台计算机分别处理，最后再把处理结果合成。例如，某些计算量非常巨大的科学计算，如果仅仅使用一台计算机进行，所需的时间将是不可接受的。此时，可以对这个计算进行分解，然后让 Internet 上不计其数的计算机共同
10、进行，则运算结果可以很快得到。因此，通过分布式处理，实际上是把许多处理能力有限的小型机或微机连接成具有大型机处理能力的高性能计算机系统，使其具有解决复杂问题的能力。通过分布式处理，还可以实现负载均衡的功能，使各种资源得到合理的调整。如果某一个节点的负载太重了，影响了整个系统的总体性能，系统软件可以自动把该节点的某些任务迁移到其他节点进行。还有，在一个服务器集群中，系统可以自动挑选负载较轻的服务器为用户提供服务。说明： 从网 络应用的角度来看，计算机网络功能还有很多。随着计算机网络技术的不断发展，其功能也将不断丰富，各种网络应用也将会不断出现。计算机网络已经逐渐深入到社会的各个领域及人们的日常生
11、活中，改 变着人 们的工作、学 习、生活乃至思维方式。1.1.3 计算机网络分类按照不同的分类标准，可以将计算机网络分为不同的类型。分类的目的是为了便于从不同的侧面了解不同网络类型的特点，从而选择和搭建更适合自己需求和环境的网络。最常见的一种分类方法是按照网络覆盖的地理范围来分，此时可以把计算机网络分为局域网、城域网和广域网 3 种类型。第 1 章 网络硬件知识51局域网局域网也称为 LAN（Local Area Network），是指将某一相对狭小区域内的计算机，按照某种方式相互连接起来后形成的计算机网络。在局域网中，相互连接的计算机相对集中，其地理范围一般在几十米到几千米之间，例如，一个房
12、间、一幢楼或一个企业这样的范围。图 1-1 所示的就是一种典型的局域网。一般情况下，局域网内的计算机属于同一个部门或同一个单位管辖，以便能对局域进行统一管理。图 1-1 局域网示意图局域网具有较高的网络传输速率和较低的误码率。由于局域网内的计算机之间距离较近，计算机数量相对较少，因此在通信技术上可以保证在较低的误码率的前提下以较高的速度传输数据。目前，局域网的速度普遍可以达到 100Mbps，还有一些局域网可以达到1000Mbps，甚至是 10000Mbps。局域网实现成本低，一般使用价格低而功能强的微型计算机作为网络工作站。局域网的安装、扩充及维护都很方便，尤其是在目前大量采用的、以交换机为
13、中心的树型网络结构的局域网中，扩充服务器、工作站都十分方便，而且容错性好。某些站点出现故障时不会影响其他站点的工作，整个网络仍可以正常运行。局域网的结构非常灵活，可以组成总线型、星型、环型和树型等拓扑结构。局域网还支持多种类型的通信传输介质，根据网络本身的性能要求，在局域网中可以使用同轴电缆、双绞线、光纤及无线传输等传输介质。2广域网广域网也称为 WAN（Wide Area Network），是一个在相对广阔的地理区域内进行数据、语音、图像信息传输的通信网络。广域网可以覆盖若干个城市、整个国家，甚至于全球。某些专用网络，如飞机票售票系统、全国范围的政务系统等都是广域网的例子。图 1-2 所示的
14、就是一种典型的广域网结构。第 1 篇 预备知识6图 1-2 广域网示意图注意： Internet 虽然也是广域网的一种，但它不是具有独立意义的网络，没有统一的管理机构，而是将同类或不同类的各种物理网 络互相联接，并通过上层协议实现不同类网络之间的相互通信。广域网由于覆盖了广阔的地理区域，因此不可能像局域网那样铺设专门的通信线路，而是大多借用公用通信网络（如 PSTN、DDN、ATM 等），因此传输速率比较低。它主要的目的是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享。总的来说，广域网具有以下 特点。 覆盖的地理区域大，网络可覆盖市、省、地区、国家甚至全球。 广域网一般借用公用通信网络进行连接。 与
15、局域网相比，广域网的传输速率比较低，普通用户的接入速率一般在64kbps2Mbps 之间。如果通过专线接入，速率也可以达到 100Mbps 以上。 网络拓扑结构非常复杂。3城域网城域网也称为 MAN（Metropolitan Area Network），是一种介于局域网和广域网之间的计算机网络，其覆盖范围在几千米至几万米之间，大致是一个城市的范围。城域网相当于是一个大型的局域网，但对网络设备、传输介质的要求比局域网要高。1.2 局域网传输介质局域网分布是在有限地理范围内的计算机网络，安装时一般要铺设专门的线路。用于局域网的传输介质可以有很多，主要有双绞线、同轴电缆、光导纤维以及无线介质等类型。
16、本节主要介绍这些传输介质的特点、分类、连接以及使用方法等内容。第 1 章 网络硬件知识71.2.1 双绞线双绞线也称为 TP（Twisted Pair），是局域网架设中最为常用的一种传输介质。双绞线是一对相互绞合的金属导线，它们之间相互绝缘，这种绞合方式可以抵御一部分外界电磁波干扰，更主要的是降低自身信号对外界的影响。从电磁学原理来讲，把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起。每一根导线在传输信号的过程中，辐射的电波会被另一根导线上辐射的电波抵消，从而降低信号干扰的程度。1双绞线的构成局域网中使用的双绞线一般由两根 22 至 26 号绝缘铜导线相互缠绕而成，实际使用时，一般把多对双绞线包在一个
17、绝缘电缆套管内，如图 1-3 所示。因此从外观上看，只能看到双绞线的灰色套管，也称为双绞线电缆。市场上见到的普通的双绞线电缆一般都是 4 对双绞线，实际上也有更多对的双绞线放在一个电缆套管里。图 1-3 双绞线实物图双绞线的扭绞程度对双绞线的抗干扰能力非常重要，单位长度上的扭绞越多，抗干扰能力就越强。不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在 14cm 至 38.1cm 内，按逆时针方向扭绞。相邻线对的扭绞长度在 12.7cm 以上。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉，因此还是得到了广泛的使用。特别是在星型和树型网络拓扑结构中
18、，双绞线更是不可缺少的布线材料。除了按电缆套管内所包含的双绞线根数来分类外，双绞线还可以按是否具有屏蔽层而分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一层金属屏蔽层，它可以减少对外辐射，防止信息被窃听，同时也可以阻止外部电磁干扰的进入。因此，屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。2双绞线的分类根据双绞线的传输性能，双绞线还可以分为 3 类线、5 类线或超 5 类线等。这些分类中，性能依次递增。EIA/TIA 为双绞线电缆定义了几种不同质量的型号。计
19、算机网络综合第 1 篇 预备知识8布线一般使用其中的第三、第四、第五类。这些型号的具体定义如下所示。 第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于 20 世纪 80 年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。 第二类：传输频率为 1MHz，用于语音传输和最高传输速率为 4Mbps 的数据传输，常见于使用 4Mbps 规范令牌传递协议的令牌网。 第三类：是目前在 ANSI 和 EIA/TIA568 标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为 10Mbps 的数据传输，主要用于以太网的 10base-T 标准。 第四类：该类电缆的传输频率为 20MHz，用于语音传输或
20、最高传输速率为16Mbps 的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和 10Base-T。 第五类：该类电缆增加了绕线密度，外套是一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输或最高传输速率为 100Mbps 的数据传输。它主要用于100Base-T 和 10Base-T 网络，这也是目前局域网布线中最常用的双绞线电缆。 超五类线：超 5 类线具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰比和信噪比、更小的时延误差，传输性能得到了很大的提高。超 5 类线主要在千兆位以太网中使用。 六类线：该类电缆提供了 2 倍于超五类的带宽，最适合用于传输速率高于 1Gbps的应用。布线标准要求采用星形
21、的拓扑结构，永久链路的布线距离不能超过90m，信道长度不能超过 100m。 七类线：这个标准规定了一个完全屏蔽的双绞线电缆，每一对线都进行了屏蔽，信号发送速度可达 600MHz，是六类线的两倍多。3双绞线的连接标准在局域网布线中，双绞线一般用于点对点的连接，使用时，线的两端或者接在 RJ45水晶头上，或者接在 RJ45 模块上。按照布线标准，八芯的双绞线中每一芯外皮的颜色是有规定的，而且每种颜色的线芯对应一个编号。线芯颜色的编号有两个标准，分别称为568B 和 568A，具体规定如下所示。 标准 568B：橙白1，橙 2，绿白3，蓝4，蓝白5，绿6，棕白7， 棕8； 标准 568A：绿白1，绿
22、 2，橙白3，蓝4，蓝白5，橙6，棕白7， 棕8。一般情况下，都是采用 568B 标准。但不管采用 568A 还是 568B，对通信的性能都没有影响。当接线时，应该根据颜色按上面的某一种标准依次与水晶头或模块上对应的针脚进行连接。注意： 一个工程中只能使用一种接线方式。除了按标准进行连接外，双绞线还有一种交叉连接方式，即一端按上述标准进行连接，另一端把 1 和 2、3 和 6、4 和 5 以及 7 和 8 进行交换。两台计算机直接相连，或者某些交换机不通过级联口连接时，应该要使用交叉线。还有，在大部分常见的以太网标准中，实际上只需要 1、2、3、6 这 4 根线就足够了，其余的四根线保留未用。
23、第 1 章 网络硬件知识91.2.2 同轴电缆同轴电缆以硬铜线为芯，外面包一层白色的绝缘材料，这层绝缘材料又用密织的网状细导体环绕，网外又覆盖了一层保护性材料，如图 1-4 所示。信号的传输是由中心导体完成的，其他部分主要是保护中心导体不受外界影响（包括电、机械和环境方面的影响）。图 1-4 同轴电缆实物图同轴电缆的上述结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度，1km 的同轴电缆可以达到 1Gb/s2Gb/s 的数据传输速率。还可以使用更长的电缆，但是传输速率要降低或者需要使用中间放大器。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是 50 欧姆电缆，用于数字传输，由于多用于基
24、带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是 75 欧姆电缆，用于模拟传输，也称为宽带同轴电缆。在历史上，同轴电缆由于相对便宜且安装简单，曾经是网络用户的首选，被大量使用。目前，在局域网中，同轴电缆基本上已经被双绞线或光纤取代，但仍广泛应用在有线电视 领域。早期的以太网只在同轴电缆上运行。刚开始时，它只运行在一种坚硬的厚电缆上，通常是黄色的，被称为粗缆以太网。后来，在以太网中使用了一种更易管理的同轴电缆，称为细缆以太网。电子和电气工程师协会（IEEE）分别把这两种以太网定义为 10Base 5 和10Base 2 标准。粗缆和细缆以太网目前已经基本上废弃不用了，而且也没有出现新的使用同轴电缆的局域网标准
25、。但是，使用同轴电缆接入 Internet 的应用却在迅猛发展，它可以通过线缆调制解调器，依托有线电视网络，把家庭电脑接入 Internet。线缆调制解调器使用宽带技术，在同轴电缆上同时携带 Internet 数字信号和有线电视信号，可以为家庭用户提供 256kbps或 512kbps 的 Internet 接入带宽。1.2.3 光导纤维光导纤维也称为光纤或光缆，是一种利用全反射原理使光在玻璃或塑料制成的纤维中传播，从而使光的衰减非常小，实现了远距离传输。使用光纤时，要先通过某种设备将计第 1 篇 预备知识10算机系统中的电脉冲信号变换为等效的光脉冲信号。由于没有电信号在线路中传输，所有光纤基
26、本上不受外界干扰的影响，而且也不会向外界辐射可能会被检测到的信号，这使得光纤传输非常安全，所传输的数据不会被窃听。光纤的结构一般分为 3 层，中心是高折射率玻璃纤维芯（芯径可以是 50 或 62.5m），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为 125m），最外层是加强用的树脂涂层，起到保护作用。另外，一根光缆可以包含 4 芯、8 芯或更多芯的光纤，并根据室内或室外的环境特点，采用不同形式的保护层，如图 1-5 所示。图 1-5 光缆实物图按光在光纤中的传输模式可以把光纤分为单摸光纤和多模光纤。多模光纤的中心玻璃纤维芯较粗，芯径一般是 50 或 62.5m，可传输多种模式的光。但由于模间的色散较大
27、，限制了传输数字信号的频率，而且随着距离的增加影响会更加严重。因此，多模光纤传输的距离比较近，一般只有几公里。单模光纤的中心玻璃芯较细，芯径一般为 9 或 10m，只能传输一种模式的光。因此，其模间的色散很小，适用于远距离的信号传输。但由于单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好，因此配套的光电变换设备较昂贵。在光纤布线链路和网络设备之间的光纤连接线也称为光纤跳线，一般用在光端机和终端盒之间的连接。单模光纤跳线一般是黄色的，接头和保护套为蓝色。而多模光纤跳线一般是橙色的，也有部分是灰色的，接头和保护套用米色或者黑色。注意： 光纤 跳线的接头有多种 类型，包括 ST、SC
28、、MIC、SMA 以及 MT-RJ 等。最后，总结一下光纤传输具有的优点。1频带宽频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。例如，在 VHF 频段，载波频率为 48.5MHz300MHz，带宽约 250MHz，大约可以传输27 套电视和几十套调频广播。而可见光的频率可达 100000GHz，比 VHF 频段高出一百多万倍。虽然光纤对不同频率的光也有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度仍然可达 30000GHz。通过采用先进的相干光通信，可以在 30000GHz 范围内安排 2000 个光载波，进行光波复用后，可以容纳上百万个频道。第 1 章
29、 网络硬件知识112损耗低在由同轴电缆组成的系统中，即使是最好的电缆，在传输 800MHz 信号时，每公里的损耗都在 40dB 以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输波长为 1.31m 的光，每公里的损耗不到 0.35dB。由于光纤纤维的功率损耗比同轴电缆要小一亿倍以上，使得它能够传输的距离要远得多。此外，光纤传输的损耗还有两个特点：一是在全部频带内具有相同的损耗，因此不需要像电缆干线那样需要使用均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。3抗干扰能力强由于光纤的基本成分是石英、玻璃等，只传光，不导电，电磁场对其没有任何作用，因此在光纤中传输
30、的光信号不会受到外界电磁场的影响，光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。另外，由于全反射的特性，光纤也不会向外界泄漏光信号，因此在光纤中传输的信号不易被窃听，利于保密。 4工作可靠 一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量密切相关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少，不像电缆系统那样需要很多放大器，因此可靠性自然就高。另外，光纤设备的寿命一般都很长，无故障工作时间可达 50 万75 万小时。其中，寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在 10 万小时以上。因此，一个设计良好、安装调试正确的光纤系统，其工作性能是非常可靠的。 5成本不断下降在光纤使用的初期，由于
31、受到制造水平的限制，光纤的成本较高。随着制造技术的进步和产量的提高，光纤的成本不断地降低。另外，由于制作光纤的主要材料是石英，其来源十分丰富，而电缆所需的铜原料是有限的资源，价格将会越来越高。因此，与铜缆相比，光纤的成本优势也将会逐渐体现出来，在不久的将来。光纤传输将占绝对优势，甚至有可能会成为有线电视网的主要传输手段。1.2.4 无线介质无线传输介质也称为非导向传输介质。随着技术的发展和移动通信需求的不断出现，传统的有线网络存在的弊端逐渐显现，并成为影响和限制网络应用的一个因素。无线通信系统的产生和应用，弥补了有线网络的不足，成为目前的应用和技术热点。在局域网中，使用的无线介质主要是无线电波。无线电通信在数据通信中占有重要的地位。无线电波产生容易，传播的距离较远，很容易穿过建筑物，在室内通信和室外通信都得到了广泛应用。另外，无线电波是通过广播方式全向传播的，所以发射和接收装置不必在物理上准确对准。无线电波的特性与其频率有关。在 VLF、LF 和 MF 频段上，无线电波沿着地面传播，其传播的特点如下：
