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计算机网络之五:基本器件(网卡,集线器,交换机,路由器)

原创 网络通信/物联网 作者:百联达 时间:2018-09-18 10:04:43 0 删除 编辑

一:RJ45接口

通常用于数据传输,最常见的应用为网卡接口。是一种网卡上用的标准接口,用来插网线的。RJ45是布线系统中信息插座(即通信引出端)连接器的一种,连接器由插头(接头、水晶头)和插座(模块)组成,插头有8个凹槽和8个触点。RJ是Registered Jack的缩写,意思是“注册的插座”。在FCC(美国联邦通信委员会标准和规章)中RJ是描述公用电信网络的接口,计算机网络的RJ45是标准8位模块化接口的俗称。

二:网卡

英文名:network adapter(网络适配器)或者Network Interface Card(网络接口卡)。网卡是工作在链路层的网络组件,是局域网中连接计算机和传输介质的接口,不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配,还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。不同类型的网卡传输效率差距很大,有100Mbps也有10Mbps。现在网卡大致可以分为有线网卡和无线网卡两种,网卡的物理地址即MAC地址是48位的,这个是全球唯一的。

有线网卡:

无线网卡:

三:集线器

集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思,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(开放系统互联参考模型)参考模型第一层,即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样,属于局域网中的基础设备,采用CSMA/CD(即带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。集线器每个接口简单的收发比特,收到1就转发1,收到0就转发0,不进行碰撞检测。集线器(hub)属于纯硬件网络底层设备,基本上不具有类似于交换机的"智能记忆"能力和"学习"能力。它也不具备交换机所具有的MAC地址表,所以它发送数据时都是没有针对性的,而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时,不是直接把数据发送到目的节点,而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。HUB是一个多端口的转发器,当以HUB为中心设备时,网络中某条线路产生了故障,并不影响其它线路的工作。所以HUB在局域网中得到了广泛的应用。大多数的时候它用在星型与树型网络拓扑结构中,以RJ45接口与各主机相连(也有BNC接口),HUB按照不同的说法有很多种类。

四:交换机

交换机的英文名称之为“Switch”,它是集线器的升级换代产品,从外观上来看的话,它与集线器基本上没有多大区别,都是带有多个端口的长方形盒状体。交换机是按照通信两端传输信息的需要,用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。 

“ 交换”和“交换机”最早起源于电话通讯系统(PSTN)。我们以前经常在电影或电视中看到一些老的影片时常看到有人在电话机旁狂摇几下(注意不是号),然后就说:跟我接XXX,话务接线员接到要求后就会把相应端线头插在要接端子上,即可通话。其实这就是最原始的电话交换机系统,只不过它是一种人工电话交换系统,不是自动的,也不是我们今天要谈的计算机交换机,但是我们现在要讲的计算机交换机也就是在这个电话交换机技术上发展而来。

在计算机网络系统中,交换概念的提出是相对于共享工作模式的改进。我们知道集线器(HUB)是一种共享介质的网络设备,而且HUB本身不能识别目的地址,是采用广播方式向所有节点发送。即当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时,数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的,对网络上所有节点同时发送同一信息,然后再由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。在这种方式下我们知道很容易造成网络堵塞,因为其实接收数据的一般来说只有一个终端节点,而现在对所有节点都发送,那么绝大部分数据流量是无效的,这样就造成整个网络数据传输效率相当低。另一方面由于所发送的数据包每个节点都能侦听到,那显然就不会很安全了,容易出现一些不安全因素。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上。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迅速包传送到目的节点,而不是所有节点,目的MAC若不存在才广播到所有的端口。这种方式我们可以明显地看出一方面效率高,不会浪费网络资源,只是对目的地址发送数据,一般来说不易产生网络堵塞;另一个方面数据传输安全,因为它不是对所有节点都同时发送,发送数据时其它节点很难侦听到所发送的信息。这也是交换机为什么会很快取代集线器的重要原因之一。

交换机还有一个重要特点就是它不是像集线器一样每个端口共享带宽,它的每一端口都是独享交换机的一部分总带宽,这样在速率上对于每个端口来说有了根本的保障。另外,使用交换机也可以把网络“分段”,通过对照地址表,交换机只允许必要的网络流量通过交换机,这就是后面将要介绍的VLAN(虚拟局域网)。通过交换机的过滤和转发,可以有效的隔离广播风暴,减少误包和错包的出现,避免共享冲突。这样交换机就可以在同一时刻可进行多个节点对之间的数据传输,每一节点都可视为独立的网段,连接在其上的网络设备独自享有固定的一部分带宽,无须同其他设备竞争使用。如当节点A向节点D发送数据时,节点B可同时向节点C发送数据,而且这两个传输都享有带宽,都有着自己的虚拟连接。打个比方就是,如果现在使用的是10Mbps 8端口以太网交换机,因每个端口都可以同时工作,所以在数据流量较大时,那它的总流量可达到8*10Mbps=80Mbps,而使用10Mbps的共享式HUB时,因为它是属于共享带宽式的,所以同一时刻只能允许一个端口进行通信,那数据流量再忙HUB的总流通量也不会超出10Mbps。如果是16端口、24端口的更是明显了!

五:路由器     

路由器(Router)是一种负责寻径的网络设备,它在互连网络中从多条路径中寻找通讯量最少的一条网络路径提供给用户通信。路由器用于连接多个逻辑上分开的网络。对用户提供最佳的通信路径,路由器利用路由表为数据传输选择路径,路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单,路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径。路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径,如果某一网络路径发生故障或堵塞,路由器可选择另一条路径,以保证信息的正常传输。路由器可进行数据格式的转换,成为不同协议之间网络互连的必要设备。 路由器使用寻径协议来获得网络信息,采用基于“寻径矩阵”的寻径算法和准则来选择最优路径。按照OSI参考模型,路由器是一个网络层系统。路由器分为单协议路由器和多协议路由器。

现在路由器有发展成为有线路由器和无线路由器两种,无线路由器比有线路由器多了一个无线信号发送模块。当然现在像猎豹WiFi这些软件可以让无线网卡发送无线信号,从而达到实现WiFi的功能。

六:总结

1.RJ45接口:就是能够插水晶头的那个接口。

2.网卡:网络中的数据表现为一帧一帧的数据,需要网卡来进行封包和解包,没有网卡是无法识别这些数据的。

3.集线器:收到数据后,直接对周围所有的机器转发,由机器决定是否接受数据,效率低下,且不安全。

4.交换机:集线器的升级版,里面存放着一张表:数据与对应的MAC地址,因此发送数据是有针对性的,接收到数据后给指定的机器转发,由于速度非常之快,让人感觉是独占了一条专线。它的基本功能如下:

交换机可以实现一根网线复用的功能。

交换机的每一个端口地位都是等价的。

一个交换机就可以组建一个子网,多个交换机的串接使用可以组建规模更大的子网。

通过这个交换机的转发功能,同一个子网的计算机可以相互访问。子网内与子网外的机器相互访问就需要用到路由器了。

 5.路由器:路由器是连接不同网络的重要设备,里面存放着一张路由表。网络上不同的两个节点如何传送数据,或者存在多条路径该选择哪一条?这都是路由器要做的事。路由具有转发与路由的功能。转发(forward)只涉及到一个路由器,路由(route)则涉及到多个路由器。家用路由器一般有一个Wlan口与多个LAN口,Wlan口用来接收外网信号,lan口则相当于交换机的端口。

家用路由器与企业级路由器的区别:

家用路由严格来说路由功能是可有可无的,家用路由器主要用来共享IP和发WiFi的,通过一个家用路由器可以组建一个子网,家用路由器具有NAT协议转换功能,并且还具有DHCP协议,也就是用来动态分配IP地址的。(计算机可以通过网线连接家用路由器来进行相关设置,注意要接LAN口)

企业级路由器就是专门用来数据传输选路的功能,可以在不同网络间自动学习路由表并且实现选路转发。

注意:

上面这些常见的器件之间的界限越来越不明显,比如家用的路由器实际上是路由器与交换机的集合,而平时所说的猫(调制解调器)很多情况下带有路由器的功能,交换机也分情况:如果是三层交换机,它工作在物理层、链路层、网络层,具有一般交换机与路由器的功能,而二层交换机只工作在下两层,不具有路由器的功能。

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10年以上互联网经验,先后从事过制造业,证券业,物业行业和物流行业信息系统和互联网产品的研发,6年系统架构经验。最近关注Kubernetes微服务架构和Istio微服务治理框架。

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