计算机网络概论 高等教育出版社

第二章 网络传输介质、网络设备与网络互联

第二章 网络传输介质、网络设备与网络互联 2.1 双绞线（ TP ， Twisted Pairwire ） 2.2 同轴电缆 2.3 光纤 2.4 网络接口卡（网卡 NIC ） 2.5 中继器 2.6 集线器 2.7 网桥 2.8 交换机 2.9 路由器和网关 2.10 广域网和城域网的网络互联

5 类双绞线（ Cat 5 ）：有 UTP 和 STP 两种形式。由 4 对（ 8 根）线组成，最高传输速率100Mbps 。用于百兆以太网中的 100BASE-TX 。

超 5 类双绞线（ Enhanced Cat 5 ）：又叫增强型 5 类双绞线。它是将现在的五类非屏蔽双绞线的性能加以改善，不少性能指标都有很大改善，例如：近端串扰 (NEXT) ，衰减串扰比 (ACR) 等，能达到 167Mbps 的传输速率。可用于千兆以太网中的 1000BASE-T 的组网。

6 类双绞线（ Cat 6 ）：它是一个新级别的电缆，除了各项性能指标有较大提高之外，其带宽会扩展至 200MHz 以上。可用千兆以太网中的 1000BASE-TX 的组网。由 4 对线（ 8 根）组成，有非屏蔽、单屏蔽、双屏蔽三种。其中双屏蔽除了有一层箔绝缘体屏蔽所有电线对（ 8 根）外，另外还有一层箔绝缘体屏蔽每一对绞线（ 2 根）。其传输速率是常规 5 类双绞线的 6 倍。但由于它是一种新技术且大部分网络技术不能应用其速率，所以目前应用还不多。

2.1.3 双绞线的性能指标 衰减 近端串扰 直流电阻 特性阻抗 衰减串扰比 (ACR)

2.1.4 双绞线的选购 可以在双绞线上看到一些字符，这些字符包括以下一些信息： 1 、双绞线的生产商和产品号码 2 、双绞线类型 3 、 NEC/UL 防火测试和级别 4 、 CSA 防火测试 5 、长度标志 6 、生产日期

下面以 AMP 超 5 类双绞线上的字符信息为例： AMP NETCONNECT CATEGORY 5e CABLE

E138034 1300 24AWG CM/MP (UL) CMG/MPG(UL) VERIFIED TO CATEGORY 5 00196930FT 0245

其中的含义分别是： AMP NETCONNECT ：指的是该双绞线的生产商。 CATEGORY 5e CABLE ： 指该双绞线通过 UL 测试，达到超 5 类标准。 E138034 1300 ：代表其产品号。 24AWG ：说明这条双绞线是 24 AWG 电线的线对所构成。铜电缆的直径通常用 AWG(American Wire Gauge)单位来衡量。通常 AWG 数值越小，电线直径越大。我们通常使用的双绞线均是 24AWG 。 CM/MP （ UL ）、 CMG/MPG(UL) VERIFIED ： 表示该双绞线的类型且该双绞线满足 UL(Underwriters Labo

ratories Inc. 保险业者实验室 ) 的标准要求。 00196930FT ：双绞线的长度点， FT 为英尺缩写。 0245 ：是指制造厂的生产日期，这里是 2002 年 45 周。

2.1.5 双绞线与 RJ-45 头的连接

T586B 标准 由左到右为 1 白橙 2 橙 3 白绿 4 蓝 5 白蓝 6 绿 7 白棕 8 棕

不管是 T586A 还是 T586B ，只要双绞线的两端按同一个标准做出来的网线，就称为采用平行接法做的网线，也叫直连线（ straight through cable ）。若在双绞线的一端用 T586A 标准，另一端用 T586B 标准，这种做法称为交叉接法，又称交叉线（ crossover cable ）。交叉线一般用在两个网卡之间的连接、两个交换机或集线器端口的连接上（ Up-Link 与另一个设备的普通端口连接除外）。

最近新生产的交换机、集线器、网卡等网络设备的端口大多具有自动 MDI/MDI-X 功能，即具有自动识别直连线序和交叉线序的功能，这样的端口对于直连线和交叉线均可直接使用，避免了由于线缆差别带来的麻烦与不便。 MDI （ Medium Dependent Interface ）端口又叫级连（ Up-Link ）端口，交换机或集线器的 Up-Link 端口与其它交换机或集线器级连时不需要使用交叉线，而只使用直连线就可以了。 MDI-X中的 X意思是交叉的（ Crossed ）。

2.2 同轴电缆 同轴电缆（ Coaxial Cable ）这种介质大家都接触过，因为我们家里的有线电视信号就是通过同轴电缆传输的，但是这里要讲的同轴电缆是计算机网络的传输介质，与有线电视同轴电缆不同。同轴电缆从外向内由护套、金属屏蔽层、绝缘层和铜芯导体组成，如图 2.2-1 。

金属屏蔽层一方面防止信号的衰减，另一方面可防止外界磁场干扰中心导体上的信号。同轴电缆的这种结构，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 的电缆可以达到 1Gb/s~2Gb/s 的数据传输速率。还可以使用更长的电缆，但是传输率要降低或使用中间放大器。

宽带同轴电缆 : 家庭里用于有线电视信号传输的这种同轴 电缆就是宽带同轴电缆，这种电缆的阻抗 是 75欧姆，采用的是频分复用技术，用于 传输模拟信号。基带同轴电缆 : 而计算机通信采用的同轴电缆被称为基带 同轴电缆，这种电缆的阻抗是 50欧姆，用 于传输数字信号，像 10BASE-5 、 10BASE-2 中的传输介质都属于基带同轴 电缆。

基带同轴电缆根据电缆直径的不同，可以分为粗缆和细缆两种 在传统以太网中，第一个定义的介质类型就是粗缆，如 10BASE5 又叫粗缆以太网，因为它使用粗缆作为传输介质。粗缆适用于早期比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高。但它的缺点是造价高、网络投资大，安装难度大。因为在 10BASE5 中，除了昂贵的粗缆外、而且它还需要收发器和收发器电缆。

在 10BASE2 中定义的传输介质就是细缆，因此它又叫细缆以太网。细缆的安装相对于粗缆而言要简单一些、造价低一些。工作站通过 BNC头（如图 2.2-2 ）连接到细缆上，细缆两端接终端电阻（如图 2.2-3 ）以防止信号反射。但细缆以太网常常由于接触不良而经常发生网络中断 。

2.3 光纤光纤通常由纤芯、包层、护套组成（如图 6 ） ,纤芯通常由石英玻璃制成，由于光纤是利用光传输信号，因而在纤芯外面包围着一层折射率低的玻璃封套，以确保光在纤芯内传播而不会透射到外面去。

2.3 光纤光纤的类型由模材料 (玻璃或塑料纤维 )及芯和外层尺寸决定 ,芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用光纤有以下几类： 1 、 8.3μm芯、 125μm 外层、单模。 2 、 62.5μm芯、 125μm 外层、多模。 3 、 50μm芯、 125μm 外层、多模。 4 、 100μm芯、 140μm 外层、多模。

光纤主要有两种分类方法 :

1 根据传输模数分类 按传输模数分单模光纤 (SMF ： Single Mode

Fiber) 和多模光纤 (MMF ： Multi Mode Fiber) 2 根据折射率分布分类 按折射率分光纤可分为跳变式光纤 (阶跃式光纤 ) 和渐变式光纤

2.3.3 光纤的连接方式光纤有三种连接方式： 1 、模块式连接 光纤连接器按连接类型可分为 FC 型、 ST 型、

SC 型、 LC 型、 MU 型，按端面类型可分为 PC 型、 UPC 型、 APC 型。

2 、机械结合 3 、熔接 熔接是用高压电弧放电的方法将连接光纤的连接点熔化并连接在一起。其主要特点是连接衰减在所有的连接方法中最低。

2.3.4 光纤通信系统及组成光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒体的通信方式 ,起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。光源是光波产生的来源，有两种光源被用作信号源：发光二极管 LED(Light-Emitting Diode) 和半导体激光

ILD(Injection Laser Diode) 光纤是传输光波的通信介质。光发送机的功能是产生光束 , 将电信号转变成光信号 ,再把光信号导入光纤。光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号 ,并将光信号转变成电信号 ,经解码后再作相应处理。

一种光电转换器

2.3.5 光缆（ Fiber optic cable ）光缆是由一捆光纤组成，但有些光缆中除光纤外还加有钢丝、钢带、钢管等护铠，以增加光缆的强度和韧性，防止光缆在拐弯、架空、地埋、穿越水底时折断。如图：

光缆（ Fiber optic cable ）种类 单芯互联光缆 双芯互联光缆 分布式光缆 分散式光缆 室外光缆 4～ 12芯铠 装型与全绝缘类型 室外光缆 24～ 144芯铠装类型与全绝缘类型 单管全绝缘型室内 / 室外光缆

  2.4 网络接口卡（网卡 NIC ） 网络接口卡 (NIC Network Interface Card) 也叫网卡或网络适配器，是计算机与网络的实体连接器件，控制计算机与线缆之间数据的流动，并将计算机总线上的并行数据重构为串行方式传到网络上。 MAC地址是 Ethernet 网卡上带的地址，为 48位长。每个 Ethernet 网卡厂家必须向 IEEE 组织申请一组 MAC地址，在生产网卡时编程于网卡上的串行 EPROM 中。

PCI 2.2 的网卡

PCI-64 位的网卡

PCI-X 网卡及 PCI-X 、 PCI 2.1插槽

各类 PCI 总线速度表总线名称 位宽（比特） 工作频率 最高速度 备注

PCI 32 33 MHz 133 MB/s PCI 1.064 33 MHz 266 MB/s PCI 2.264 66 MHz 533 MB/s

PCI-X 1.0 64 66 MHz 533 MB/s 向下兼容，已有实用产品。64 100 MHz 800 MB/s64 133 MHz 1.06 GB/s

PCI-X 2.0 64 266 MHz 2.1 GB/s 2002年 7 月推出前两个频率的标准规范。 11 月才开始开发PCI-X 1066。64 533 MHz 4.3 GB/s64 1066 MHz 8.6 GB/s

PCI Express X 1 2.5 GHz 312 MB/s 推出进度稍晚于 PCI-X 2.0。X 2 2.5 GHz 625 MB/sX 4 2.5 GHz 1.25 GB/sX 8 2.5 GHz 2.5 GB/sX 16 2.5 GHz 5 GB/s 速度与 PCI-X 533 相当。

2.5 中继器 中继器（ RP repeater ）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转转接工作。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，对接收到的弱信号进行分离，并再生放大以保持与原数据相同，以此来延长网络的长度。

2.6 集线器 集线器的英文名称就是我们通常见到的“ HUB” ，英文“ HUB” 是“中心”意思，在网络连接中集线器就处在拓扑结构星型接法的中心上。集线器的主要功能是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，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于

OSI参考模型第二层，即“数据链路层”。

堆叠是集线器 正面

堆叠是集线器 背面

2.8 交换机 交换机拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵。交换机所有的端口都挂接在这条背板总线上。控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的 MAC地址（网卡的硬件地址）对照表以确定目的 MAC 的 NIC （网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵直接将数据包迅速传送到目的节点，而不是广播到所有节点，目的 MAC 若不存在才广播到所有的端口，所以交换机实现了网络内的点到点通信。

2.8 交换机 交换机是一种基于 MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机对于因第一次发送到目的地址不成功的数据包会再次对所有节点同时发送，企图找到这个目的 MA

C地址，找到后就会把这个地址重新加入到自己的 MAC地址列表中，这样下次再发送到这个节点时就不会发错。交换机的这种功能就称之为“MAC地址学习”功能。

2.8 交换机 我们通常所说的交换机是工作在第二层数据链路层上的。随着网络技术的发展，网络设备制造商在第二层交换技术基础上附加了三层甚至四层一些功能，开发了具有第三层和第四层功能的交换机，这些网络设备的核心功能仍然是高速交换，所以仍然称它们为交换机。局域网交换机根据工作的 OSI/RM 最高层次可以分为：第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。

第二层交换机　　第二层交换机工作在 OSI／ RM开放体系模型的第二层－－数据链路层。第二层交换机依赖于链路层中的信息（如 MAC地址）完成不同端口数据间的线速交换，主要功能包括物理编址、错误校验、帧序列以及数据流控制。

第三层交换机　　第三层交换机是指带有有部分路由功能的交换机，比第二层交换机功能更强。它能够根据数据包头的网络层地址信息例如 IP地址信息，在网络中实现数据的交换传输，这样它就有了部分路由功能，而且它能够实现不同网段间数据的线速交换。当网络规模较大时，可以根据特殊应用需求将网络划分为小而独立的虚拟局域网（ VLAN ），以减小由于过多的广播所造成的网络性能的下降。这类交换机通常采用模块化结构设计，以适应灵活配置的需要。在大中型网络中，第三层交换机已经成为基本配置设备。

交换机的配置

2.8.6 虚拟局域网 (VLAN) VLAN （ Virtual Local Area Network ）的中文译名为 " 虚拟局域网 " ，注意不是 "VPN" （虚拟专用网）。

VLAN 是一种将局域网设备从逻辑上划分（注意，不是从物理上划分）成一个个网段，从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。这一新兴技术主要应用于交换机和路由器中，但主流应用还是在交换机之中。但又不是所有交换机都具有此功能，只有支持 VLAN 协议的交换机才具有此功能。有很多低档交换机只支持在本机上设置 VLAN ，而一些中高档交换机支持跨交换机设置 VLAN 标记虚拟局域网技术，即具有所谓的TagVLAN 技术，选购交换机时应加以注意。

2.9 路由器 在计算机网络中，路由器主要是用来寻找数据传输的最佳路径的，它为数据包的转发传送指明方向。路由器工作在 OSI开放式互联参考模型的第三层网络层，路由器是根据网络层地址寻找路径的，在 Internet 中路由器是根据 IP地址寻找路径的。广域网和城域网节点之间的连接、局域网之间的互联以及局域网接入广域网或城域网都是通过路由器连接起来的。因特网就是由分布于全世界许许多多不同规模的路由器连接起来的。

2.9 路由器路由器与网桥和交换机有相似之处，它们都转发数据包，并且能够为网络分段或合并网络。但是，路由器使用第三层（网络层）地址如 IP地址来转发数据包，而网桥和交换机使用第二层（ MAC ）地址来转发数据包。什么时候使用网桥和交换机而什么时候使用路由器呢？网桥和交换机大多只能用来连接运行同种或不同网络协议的局域网网段，而路由器可以连接广域网中运行不同网络协议的网络或网段。

2.9 路由器的主要功能 归纳起来路由器的主要功能如下： 1 网络互联，支持各种局域网和广域网接口，能够实现局域网之间的互联，局域网与广域网之间的互联，广域网各节点之间的互联。 2 数据处理，提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等数据处理功能。 3 网络管理，提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等网络管理功能。

2.9.3 路由器的工作原理 路由器工作在网络层，对于 IP 网络，路由器在工作过程中接收到数据包，先进行拆包检查

IP 包头信息，根据路由表确定数据包的路由，再检查安全访问表，如果被通过，然后加上数据包头重建数据包，再将数据包转发出去。如果在路由表中查不到对应网络层地址的网络，路由器将向源地址的节点返回一个信息，然后把这个数据包丢掉。

2.9.3 路由器的工作原理

2.9.3 路由器的工作原理 路由技术有三个核心部分组成：路由表的管理、路由选择查询和网络层重发。 路由表的管理：通过路由信息协议（ RIP ）、开放最短路径优先（ OSPF ）协议和边界网关协议（ BG

P ）等路由协议与其它路由设备交换路由信息，建立和维护路由表。 路由选择查询：检查每一个输入的数据包，通过计算确定应该选择哪条路由线路将数据包传送出去。 网络层转发：重建数据包头，把数据包转发到下一个路由设备。 路由器就是为完成上述三部分功能而专门设计的专用计算机。

按功能上划分，路由器可分为：1 、核心层（骨干级）路由器，2 、汇聚层（企业级）路由器3 、访问层（接入级）路由器。

一种接入级路由器

一种接入级路由器

一种接入级路由器

一种接入级路由器

一种接入级路由器

2.10 广域网和城域网的网络互联

国家骨干网示意图

2.10 广域网和城域网的网络互联

省级骨干网示意图

城域网示意图

广域网交换中心示意图

互联网交换中心（ NAP 即 Network Access Point ）是连接着各 ISP 提供商国家骨干网信息流量的中心交换站。我国现有三个国家互联网交换中心，分别设在北京、上海和广州

以上通过几个示意图向同学们介绍了网络互联的基本概念。具体广域网和城域网的实现和优化还涉及到更复杂根深入的技术内容，这些内容超出了概论性课程的范围。希望同学们循序渐进地学习网络知识和技能，提高对计算机网络技术的兴趣，逐步把自己培养成网络专家。