數據通信與網絡技術 課件 第3章 網絡傳輸介質及設備

第3章網絡傳輸介質及設備本章提要有線傳輸介質無線傳輸介質（重點）網絡設備（重點）3.1有線傳輸介質有線傳輸介質是指在兩個通信設備之間實現的物理連接部分，它能將信號從一方傳輸到另一方。有線傳輸介質：雙絞線同軸電纜光纖雙絞線和同軸電纜傳輸電信號，光纖傳輸光信號。1.雙絞線雙絞線（TwistedPairCable）是綜合布線工程中最常用的傳輸介質，雙絞線有8芯，由絞合在一起的4對絕緣導線組成，如圖3-1所示。導線之間的絞合減少了導線相互之間的電磁干擾，并具有抗外界電磁干擾的能力。1.雙絞線雙絞線主要是用來傳輸模擬信號，但同樣適用于數字信號的傳輸，其帶寬決定于銅線的直徑和傳輸距離。但是許多情況下，幾千米范圍內的傳輸速率可以達到幾兆比特每秒。由于其性能較好且價格便宜，雙絞線得到廣泛應用。（1）按照有無屏蔽層分雙絞線分為屏蔽雙絞線（STP，ShieldedTwistedPair）非屏蔽雙絞線（UTP，UnshieldedTwistedPair）。1.雙絞線—分類STP：以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音UTP：3類、5類、6類等（16M、155M、200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽（2）按照頻率和信噪比分

雙絞線常見的有三類線、五類線、超五類線和六類線，前者線徑細

而后者線莖粗①三類線（CAT3）：傳輸頻率16MHz，最高傳輸速率為10Mbps，主要應用于語音、10Mb/s以太網（10Base-T）和4Mb/s令牌環(huán)，最大網段長度為100m，采用RJ形式的連接器，已淡出市場。②五類線（CAT5）：該類電纜增加了繞線密度，外套一種高質量的絕緣材料，線纜最高頻率帶寬為100MHz，最高傳輸率為100Mbps，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸，主要用于100Base-T和1000Base-T網絡，最大網段長為100m，采用RJ形式的連接器。這是最常見的以太網電纜。③超五類線（CAT5e）：具有衰減小，串擾少，并且具有更高的衰減串擾比（ACR）和信噪比、更小的時延誤差，性能得到很大提高。主要用于千兆位以太網（1000Mbps）。④六類線（CAT6）：傳輸頻率為1～250MHz，六類布線系統(tǒng)在200MHz時綜合衰減串擾比（PS-ACR）應該有較大的余量，它提供兩倍于超五類的帶寬。1.雙絞線—分類EIA/TIA配線標準標準EIA/TIA568A的線序為：白/綠、綠、白/橙、藍、白/藍、橙、白/棕、棕。標準EIA/TIA568B的排線順序為：白/橙、橙、白/綠、藍、白/藍、綠、白/棕、棕，根據一根線纜兩端執(zhí)行的標準是否一致，雙絞線可分為直連網線（兩端線序標準一致）和交叉網線（兩端線序標準不一致）。1.雙絞線雙絞線端接一般采用RJ-45水晶頭、AMP模塊或直接連接在配線架上。雙絞線RJ-45端接一般采用568B標準或者568A標準。雙絞線的AMP模塊接法，也分為568A和568B標準，按照模塊上顏色標準壓線即可。一般也按568B標準打線連接。1.雙絞線雙絞線在配線架上的接法按配線架說明書要求，按序壓線即可。1.雙絞線雙絞線端接線操作使用的工具一般有打線鉗和壓線鉗。打線鉗用于在AMP模塊或配線架上使用，壓線鉗一般用于RJ-45水晶頭端接。1.雙絞線同軸電纜(CoaxialCable)由內、外兩部分同軸線的導體組成，所以稱為同軸電纜。在同軸電纜中，內導體是一根導線，外導體是圓柱面，兩者之間有填充物，外導體能夠屏蔽外界電磁場對內導體中信號的干擾。同軸電纜的這種結構使它具有更寬的帶寬和極好的噪聲抑制特性，比雙絞線的屏蔽性要更好，因此在更高速度上可以傳輸得更遠。1km的同軸電纜可以達到1～2Gb/s的數據傳輸速率。2.同軸電纜同軸電纜可分為兩種基本類型，即基帶（Baseband）同軸電纜和寬帶（Broadband）同軸電纜?；鶐S電纜其屏蔽線是用銅做成的網狀的，特征阻抗為50Ω。這種電纜用來直接傳輸離散變化的數字信號，常用型號為RG-8、RG-58等。傳輸速率一般為10Mbit/s。這種電纜按直徑又可分為細同軸電纜（直徑為0.5mm，簡稱細纜）和粗同軸電纜（直徑為10mm，簡稱粗纜），如圖3-9和圖3-10所示。10Base5使用粗同軸電纜，最大網段長度為500m；10Base2使用細同軸電纜，最大網段長度為185m。2.同軸電纜粗纜圖

細纜同軸電纜的優(yōu)點：可以在相對長的無中繼器的線路上支持高帶寬通信缺點：一是體積大，細纜的直徑就有3/8英寸粗（0.9525cm），要占用電纜管道的大量空間；二是不能承受纏結、壓力和嚴重的彎曲，這些都會損壞電纜結構，阻止信號的傳輸；最后就是成本高，而所有這些缺點正是雙絞線能克服的，因此在現在的局域網環(huán)境中，基本已被基于雙絞線的以太網物理層規(guī)范所取代。2.同軸電纜其他常用的電纜有大對數通信電纜、小對數通信電纜和電梯電纜等。大對數通信電纜通常用于室外通訊主接線箱，一般對數數百戶。小對數電纜通常用于室外通訊分接線箱/或建筑物內樓層分線箱，一般支持數十戶。電梯電纜用于隨電梯行走的電視監(jiān)控專用線材，內含視頻線、電源線、鋼絲。2.同軸電纜

大對數通信電纜

小對數通信電纜

電梯電纜

光纖具有傳輸距離遠、傳輸帶寬高、傳輸速率快、抗干擾能力強等優(yōu)點。由純石英玻璃制成的，纖芯外面包圍著一層折射率比纖芯低的包層，包層外是塑料護套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護。光纖的傳輸速率可達100Gb/s。多條光纖組成的傳輸線就是通常人們說的光纜。用于計算機網絡中的光纜一般由偶數條光纖組成。目前光纜在數據傳輸中是最佳的傳輸介質，適應目前網絡對遠距離傳輸和大容量寬帶信號的傳輸要求。3.光纖3.光纖

多模MMF

輸入電信號輸出電信號單模SMF

波長:1300,1550nm波長:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纖的直徑減小到一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播單束光線沿直線傳播按照光纖傳輸的模式數量分類，可以將光纖的種類分為多模光纖和單模光纖。3.2無線傳輸介質無線傳輸可以在自由空間利用電磁波發(fā)送和接收信號進行通信，不需要架設、敷埋電纜、光纖等。地球上的大氣層為大部分無線傳輸提供了物理通道，就是常說的無線傳輸介質。無線傳輸所使用的頻段很廣，人們現在已經利用了好幾個波段進行通信。常用的有：無線電波微波和衛(wèi)星紅外線激光1.無線電波無線電波是電磁波的一部分，它指的是頻率在0～300MHz的電磁波。在這段頻率內被人為地劃分為幾個不同的波段，對應于不同的波段有著不同的用途，各波段傳播的方式各不相同，長波和超長波因為波長很長（超過1000m），所以以地波的方式進行傳播的；中波的波長在百米級，以天波和地波兩種方式進行傳播；短波和超短波以天波方式進行傳播。

但在無線電波的這一頻段內很少用來進行數據傳輸，主要有兩個原因：一是因為它們的帶寬有限，所傳輸的數據量有限；另一個是因為此頻段開發(fā)較早。大部分頻段已經被占用，可利用頻段較少。2.微波和衛(wèi)星兩個地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路微波傳送塔地面微波地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長22,300公里地球2.微波和衛(wèi)星波長介于微波與可見光之間的電磁波。

紅外線可分為三部分：近紅外線，波長在(0.75-1)～(2.5-3)μm之間；中紅外線，波長在(2.5-3)～(25-40)μm之間；遠紅外線，波長在(25-40)～1500μm之間。

很強的方向性，都是沿直線傳播的，常被廣泛用于短距離通信。3.紅外線電磁輻射頻譜圖激光束也可以用于在空中傳輸數據。和微波通信相似，至少要有兩個激光站組成，每個站點都擁有發(fā)送信息和接受信息的能力。激光設備通常是安裝在高山上的鐵塔上，并且天線相互對應。由于激光束能在很長的距離上得以聚焦，因此激光的傳輸距離很遠，能傳輸幾十公里。

激光技術與紅外線技術類似，因為它也需要無障礙的直線傳播。任何阻擋激光束的人或物都會阻礙正常的傳輸。激光束不能穿過建筑物和山脈，但可以穿透云層。4.激光3.3網絡設備網絡通信除了有通信介質外，還需要有通信設備的支持。常見的通信設備有：網卡集線器網橋交換機路由器網關1.網卡“網卡”是局域網中最基本的部件之一。每塊網卡都有一個唯一的網絡節(jié)點地址，也稱之為MAC地址，全球唯一。網卡工作在數據鏈路層，是局域網中連接計算機和傳輸介質的接口。1.網卡主要功能數據的封裝與解封。發(fā)送時將網絡層傳遞來的數據加上首部和尾部，成為以太網的幀。接收時將以太網的幀剝去首部和尾部，然后送交網絡層。鏈路管理。主要是通過CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）協(xié)議來實現。數據編碼與譯碼。即曼徹斯特編碼與譯碼。其中曼徹斯特碼，又稱數字雙向碼、分相碼或相位編碼(PE)，是一種常用的的二元碼線路編碼方式之一，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數據。1.網卡分類按工作方式分：半雙工和全雙工方式。按工作對象方式分：工作站普通網卡和服務器專用網卡。按總線類型分：ISA網卡、EISA網卡和PCI網卡。按接口類型分：BNC接口、AUI接口、RJ-45接口以及光纖接口。按傳輸速率分：10Mbit/s網卡、100Mbit/s網卡、10/100Mbit/s自適應網卡、1000Mbit/s網卡及萬兆網卡。2.集線器

集線器的英文稱為“Hub”。集線器是中繼器的一種，它能提供較多的連接端口，故也稱多口中繼器，是指將多條以太網雙絞線或光纖集合連接在同段物理介質下的設備。若它偵測到碰撞，會提交阻塞信號。所有連到集線器的設備都是屬于同一個碰撞域名以及廣播域名，因此大部分集線器已被交換機取代。2.集線器

集線器的工作原理首先是節(jié)點發(fā)信號到線路，集線器接收該信號，因信號在電纜傳輸中有衰減，集線器接收信號后將衰減的信號整形放大，然后集線器將放大的信號廣播轉發(fā)給其他所有端口。2.集線器一個典型的由集線器連接而成的局域網結構所有主機都連接到中心節(jié)點的集線器上構成一個物理上的星型連接。但實際上，在集線器內部，各接口都是通過背板總線連接在一起的，在邏輯上仍構成一個共享的總線。因此，集線器和其所有接口所接的主機共同構成了一個沖突域和一個廣播域。而當網絡中主機數目增加后，廣播的數據量驟然增多，可能導致嚴重的沖突，以致網絡癱瘓，這種現象就稱為“廣播風暴”。2.集線器主要功能對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為中心的節(jié)點上。集線器與網卡、網線等傳輸介質一樣，屬于局域網中的基礎設備。集線器屬于純硬件網絡底層設備，基本上不具有類似于交換機的“智能記憶”能力和“學習”能力。不具備交換機所具有的MAC地址表，所以它發(fā)送數據時都是沒有針對性的，采用廣播方式發(fā)送。也就是說當它要向某節(jié)點發(fā)送數據時，不是直接把數據發(fā)送到目的節(jié)點，而是把數據包發(fā)送到與集線器相連的所有節(jié)點。2.集線器集線器Hub的類型主要有無源Hub，有源Hub及智能Hub三種。無源Hub：僅負責把多段介質連在一起，不對信號做任何處理。有源Hub：具有對傳輸信號的再生放大作用，有擴展通信介質長度的功能。智能Hub：除了具有有源集線器的全部功能外，還將網絡的很多功能（如網管功線路交換功能、選擇網路路徑功能等）集成到集線器中。2.集線器集線器主要用于共享網絡的組建，是解決從服務器直接到桌面最經濟的方案。在交換式網絡中，集線器直接與交換機相連，將交換機端口的數據送到桌面。使用集線器組網靈活，它處于網絡的一個星型節(jié)點，對節(jié)點相連的工作站進行集中管理，不讓出問題的工作站影響整個網絡的正常運行，并且用戶的加入和退出也很自由。3.網橋網橋（Bridge）是早期的兩端口二層網絡設備，用來連接不同網段。網橋的兩個端口分別有一條獨立的交換通道，不是共享一條背板總線，可隔離沖突域。網橋比集線器性能更好，集線器上各端口都是共享一條背板總線。3.網橋網橋又稱橋接器，是一種在數據鏈路層將兩個局域網LAN連接起來的存儲轉發(fā)設備。它獨立于高層協(xié)議。網橋是識別和處理進出該設備的數據包。當它收到一個數據包時，先做幀校驗，然后查看介質存貯控制層（MAC）的源地址和宿地址以決定幀的去向。網橋在此起到一個“過濾器”的作用。一個典型的由網橋連接而成的局域網結構3.網橋圖中網段1的主機A發(fā)給主機B的數據包不會被網橋轉發(fā)到網段2。因為，網橋可以識別這是網段1內部的通信數據流。同樣，網段2的主機X發(fā)給主機Y的數據包也不會被網橋轉發(fā)到網段1。網橋可以將一個沖突域分割為兩個。其中，每個沖突域共享自己的總線信道帶寬。但是，如果主機C發(fā)送了一個目標是所有主機的廣播類型數據包時，網橋要轉發(fā)這樣的數據包。網橋兩側的兩個網段總線上的所有主機都要接收該廣播數據包。因此，網段1和網段2仍屬于同一個廣播域。3.網橋

網橋特點：①可以實現不同拓撲類型的LAN互連（例如用網橋可以把以太網和令牌環(huán)連接起來），而中繼器只能實現相同拓撲的以太網段間相連。②由于網橋是鏈路層互連設備，因此不再受MAC定時特性的限制，可以在更大地理范圍內實現LAN互連。③可以隔離錯誤，提高網絡性能。④網橋可以根據網絡地址和協(xié)議類型攔截一些不該轉發(fā)的幀，這樣是有利于網絡安全保密的。4.交換機

交換機（Switch）意為“開關”，是一種用于電（光）信號轉發(fā)的網絡設備，它可以為接入交換機的任意兩個網絡節(jié)點提供獨享的電信號通路。最常見的交換機是以太網交換機，其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等?；竟δ埽涸诙鄠€計算機或網段之間交換數據。交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能，可以連接一個局域網或一臺高性能服務器或工作站。實際上，交換機有時被稱為多端口網橋。4.交換機

工作原理交換機工作于OSI參考考模型的第二層，即數據鏈路層。交換機內維護MAC地址表，記錄了相連設備的MAC地址、端口號及所屬的VLANID之間的對應關系。在轉發(fā)數據時，交換機根據報文中的目的MAC地址和VLANID查詢MAC地址表，快速定位出端口，從而減少廣播。因此，交換機可用于劃分數據鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。4.交換機設備在轉發(fā)報文時，根據MAC地址表項信息，交換機采取單播方式或廣播方式。當MAC地址表中包含與報文目的MAC地址對應的表項時，交換機采用單播方式直接將報文從該表項中的轉發(fā)出端口發(fā)送。當設備收到的報文為廣播報文、多播報文或MAC地址表中沒有包含對應報文目的MAC地址的表項時，交換機將采取廣播方式將報文向除接收端口外同一VLAN內的所有端口轉發(fā)。接收端口回應后交換機會“學習”新的MAC地址，并把它添加到內部MAC地址表中。使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照IP地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發(fā)，可以有效地減少沖突域。但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。4.交換機交換機有三個主要功能：地址學習（AddressLearning）：交換機可以記住在一個接口上所收到的每個數據幀的源MAC地址，并存儲到MAC地址表中。轉發(fā)/過濾（Forward/Filter）：當交換機某個接口上收到數據幀，就會查看目的MAC地址，并在交換機的MAC地址表中查找該目的MAC地址，如果找到則從指定的端口轉發(fā)數據幀，如果未找到或該數據幀為廣播幀，則向交換機的所有端口轉發(fā)該數據幀。環(huán)路避免。從物理上來看，交換機類似于集線器：具有多個端口，每個端口可以連接一臺計算機。交換機和集線器的區(qū)別在于它們的工作方式：集線器共享傳輸介質，同時有多個端口需要傳輸數據時就會發(fā)生沖突，而交換機內部一般采用背板總線交換結構，為每個端口提供一個獨立的共享介質，即每個沖突域只有一個端口。4.交換機交換機的特點（1）以太網交換機的端口一般都工作在全雙工模式下。（2）交換機能同時連通多組（每組兩個）端口，使每一組相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞的數據傳輸。（3）以太網交換機使用了專用的交換芯片，其交換速率較高。（4）獨占傳輸媒體的帶寬。4.交換機交換機的分類（1）從廣義上來看，交換機可分為廣域網交換機與局域網交換機。（2）從傳輸介質與傳輸速率來看，交換機又分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環(huán)網交換機等。（3）從應用規(guī)模與應用層次上來劃分，可分為企業(yè)級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。（4）從交換機工作在OSI參考模型的層次和應用場景來劃分，交換機可分為二層交換機、三層交換機和四層交換機。5.路由器路由（Routing）是指分組從源到目的地時，決定端到端路徑的網絡范圍的進程。路由工作在OSI參考模型第三層——網絡層。路由器為數據包轉發(fā)設備。路由器通過轉發(fā)數據包來實現網絡互聯。我國絕大多數路由器運行TCP/IP協(xié)議。路由器通常連接兩個或多個由IP子網或點到點協(xié)議標識的邏輯端口，至少擁有1個物理端口。路由器通過動態(tài)維護路由表來反映當前的網絡拓撲，并通過網絡上其他路由器交換路由和鏈路信息來維護路由表。5.路由器路由器工作時依賴于路由表進行數據的轉發(fā)。路由表由目的網絡地址（Dest）、掩碼（Mask）、下一跳地址（Gw）、發(fā)送的物理端口（Interface）、路由信息的來源（Owner）、路由優(yōu)先級（pri）、度量值（metric）等構成。192.168.1.0：目的邏輯網絡地址或子網地址；255.255.255.0：目的邏輯網絡地址或子網地址的網絡掩碼；192.168.2.1:下一跳邏輯地址；FastEthernet0/1：學習到這條路由的接口和數據的轉發(fā)接口；static：路由器學習到這條路由的方式；1：路由優(yōu)先級；0：度量值5.路由器路由器功能：第一，網絡互聯。路由器支持各種局域網和廣域網接口，主要用于互聯局域網和廣域網，實現不同網絡相互通信。第二，數據處理。路由器提供包括分組過濾、分組轉發(fā)、優(yōu)先級、復用、加密、壓縮和防火墻等功能。第三，網絡管理。路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容錯管理和流量控制等功能。5.路由器工作原理利用網絡尋址功能在網絡中確定一條最佳的路徑。IP地址的網絡部分確定分組的目標網絡，并通過IP地址的主機部分和設備的MAC地址確定到目標節(jié)點的連接。交換機工作在第二層，主要是針對MAC地址進行學