计算机网络管理与安全技术：网络硬件分类与应用

1.2.1　网络硬件

网络硬件是组成计算机网络系统的物质基础。构造一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其他计算机系统连接起来。不同的计算机网络系统，所用的网络硬件差别很大。随着计算机技术和网络技术的发展，网络硬件日趋多样化，结构越来越复杂化，功能越来越强。在计算机网络的组建过程中，所用的网络硬件基本上分为六大类，分别是传输媒体、服务器与工作站、网卡、传输与交换设备、通信控制设备和网络互联设备。

1.传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它负责将计算机网络中的多种设备连接起来，提供数据传输的物理通路。常见的传输媒体可分为两大类：有线传输媒体和无线传输媒体。有线传输媒体包括双绞线、同轴电缆和光纤等；而无线传输媒体包括无线电波、微波、电磁波、红外线及激光等。不同的传输媒体具有不同的传输速率和传输距离，可以支持不同类型的网络。传输媒体的选择极大地影响着数据通信的质量。下面介绍几种常见的通信媒体。

（1）有线传输媒体。

①双绞线（Twist Pair）也称为双扭线，是最常用的传输媒体，每根线加绝缘层并用不同颜色来标记。把四对相互绝缘的铜线并排放在一起，每对铜线按一定扭矩相互绞合在一起就构成了双绞线（成对线有规则的扭绞能使电磁辐射和外部电磁干扰减少到最小）。双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）两种，如图1-8（a）、图1-8（b）所示。外层无金属屏蔽的双绞线被称为非屏蔽双绞线，外层加上金属屏蔽包层以提高其抗电磁干扰能力的双绞线被称为屏蔽双绞线。双绞线的特点是可用于模拟传输或数字传输，使用方便，安装容易，成本低，性能好；但在传输距离、传输速度等方面受到一定的限制。然而，由于它具有较好的性价比，双绞线的使用十分广泛。

双绞线按其电气性能分为三类、四类、五类、超五类等类型。类型数字越大，带宽越高，价格也越贵。目前一般局域网中常用的是五类或超五类双绞线。双绞线的两端必须装上RJ45连接器才能与网卡、集线器或交换机连接，一段装上RJ45连接器的双绞线如图1-8（c）所示。

图1-8　双绞线

②同轴电缆（Coaxial Cable）是由一根内导体铜质芯线，外面依次有绝缘体、网状编织的外导体屏蔽层和塑料护套所组成的，如图1-9所示。由于导线与导体管之间严格保持同心，因此称之为铜轴电缆。按电缆的结构和用途可分为：射频电缆、水底电缆、长途通信电缆、闭路电视电缆以及计算机局域网电缆等。同轴电缆的基本特点是传输质量稳定，寿命长，通信容量大，传输距离长，抗干扰能力强，可靠性高和维护方便等，在有线传输中使用十分广泛。

同轴电缆按其阻抗特性可分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。50Ω同轴电缆也称为基带同轴电缆，适合于在数据通信中传输基带数字信号，计算机局域网中广泛使用50Ω同轴电缆作为物理传输媒体。75Ω同轴电缆也称为宽带同轴电缆，主要用于模拟传输系统，宽带同轴电缆还是有线电视系统（Cable Television，CATV）中的标准传输电缆。

图1-9　同轴电缆

③光纤（Optical Fiber）即光导纤维，采用非常细、透明度较高、可弯曲的石英玻璃纤维作为纤芯，外涂一层低折射率的包层和护套，如图1-10所示。纤芯很细，其直径只有8～100um。正是这个纤芯用来传导光波（由激光二极管或发光二极管产生）。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，就可产生反射，这样光线就可以在光纤中传播。护套由分层的塑料及其附属物材料制成，用于防潮、防擦伤、压伤和其他环境引起的伤害。

光在光纤中传播的过程中，根据光线从光源进入导体后的直射和反射两种不同的传输方式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的直径小到只有一个光的波长，光波以直线方式传输，不会产生多次反射。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高，但单模光纤的衰耗较小，适合于远距离传输。多模光纤中存在着许多条不同角度入射的光线，这些光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。

与双绞线和同轴电缆相比，光纤系统在数据通信过程中有很多优点：传输频带宽，通信容量大；差错率低；传输损耗小，中继距离长；抗雷电和抗电磁干扰性能强；无串音干扰，不易被窃听、截取，保密性好；体积小，重量轻等。作为一种新型传输媒体，光纤将在计算机网络中发挥越来越重要的作用。

图1-10　光纤

（2）无线传输媒体是利用大气的电磁波传输信号，信号的发送和接收是通过天线完成的，常用在有线铺设不便的特殊地理环境，或者作为地面通信系统的备份和补充。另外，利用无线传输媒体进行信息的传输，也是实现在运动中通信的唯一手段。

无线传输媒体主要有无线电波、微波、电磁波、红外线及激光。

①无线电波是一种全方位传播的电波。其传播方式有两种：一是直接传播，即沿地面向四周传播；二是靠大气层中电离层的反射进行传播。

②微波是一种定向传播的电波，收发双方的天线必须相对应才能收发信息，即发端的天线要对准收端，收端的天线要对准发端。

③卫星通信是典型的微波技术应用。利用同步卫星，可以进行远距离的传输。收发双方都必须安装卫星接收及发射设备，且收发方的天线都必须对准卫星，否则不能收发信息。

④红外线被广泛用于室内短距离通信。家家户户使用的电视机及音响设备的遥控器就是利用红外线技术进行遥控的，红外线也具有方向性。

⑤激光。除了光纤上可以用光纤进行信息传输外，激光束也可用于在空中传输数据。和微波通信一样，采用激光通信至少要由两个激光站点组成，每个站点都拥有发送信息和接收信息的能力。激光设备通常是安装在固定位置上，并且天线相互对应。由于激光束能在很长的距离上聚焦，所以激光的传输距离很远，能传输几十千米到几百千米。

2.服务器与工作站

网络中互联起来的计算机和各种辅助设备，根据其在网络中的“服务”特性，可分为网络服务器和网络用户工作站。

（1）网络服务器。在网络系统中，网络服务器指的是在计算机网络中负责数据处理和网络控制，并能响应其他计算机的请求而提供服务，使其他计算机能共享系统资源的一些计算机或设备。服务器是网络运行、管理和提供服务的中枢，是网络系统中的重要组成部分，它直接影响着网络的整体性能。因而对服务器在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求更高，在网络系统中一般采用具有较强的计算能力和较大的存储能力的高档计算机做服务器。如在大型网络中可采用大型机、中型机和小型机作为网络服务器。对于网点不多、网络通信量不大、数据的安全可靠性要求不高的网络，也可以选用高档微机作为网络服务器。

服务器按其用途不同大致分为文件服务器、设备服务器、通信服务器、管理服务器和数据库服务器等，常用的网络服务器如图1-11所示。

图1-11　网络服务器

（2）网络工作站。在计算机网络中，只向服务器提出请求而不为其他计算机提供服务的计算机设备称为工作站。工作站通过网络接口设备连接到网络上，每台工作站不仅保持了原有计算机的功能，作为独立的个人计算机为用户服务，同时又可以按照被授予的权限访问服务器，共享网络资源。一般采用高档计算机做工作站，它通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量较大的内存和外存，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能及联网功能。

工作站通过运行工作站启动程序与网络相连，登录到文件服务器上，它可以参与网络的一切活动。当退出网络时，又可以作为一台标准的计算机使用。服务器和工作站进入和退出网络时有明显区别。工作站可以随时进入和退出网络系统，且不影响其他工作站的工作，而服务器必须在网络需要时进入网络，而且只要网络中有工作站未退出网络还在工作，服务器就不能退出网络系统。

3.网卡

网络接口卡（Network Interface Card，NIC）又称为网络适配器（NAC），简称为网卡，如图1-12所示。网卡是计算机互联的重要设备，是工作站与网络之间的逻辑链路和物理链路，通常插入到计算机总线插槽内或某个外部接口的扩展卡上，其作用是在工作站与网络之间提供数据传输、进行编码译码转换等功能。

图1-12　网络适配器

网卡的基本功能是进行串/并行数据及并/串行数据转换、数据缓存、数据传输控制及通信服务等。网卡按总线类型分为ISA、EISA、PCI、MCA、SBUS、PCMCIA等，按媒体访问协议分为Ethernet、ARCnet、TokenRing、FDDI、ATM、FastEthernet网卡等。

4.传输与交换设备

（1）多路复用器和集中器。当一群终端设备距离计算机较远时，为了提高线路的利用率而把这些终端集结起来，使这些低速终端复用到高速传输线路上，常见的设备有多路复用器和集中器。(www.xing528.com)

多路复用器可将信息群只用一个发射机和接收机进行长距离的传输，分为频分多路复用器FDM（模拟信号）和时分多路复用器TDM（数字信号）。

集中器对各终端发来的信息进行组织，不工作的终端不占用信道。按集中器有无字符集的缓冲能力来划分为保持转发式和线路交换式。

（2）调制解调器（Modem）是调制器和解调器的简称，是通过电话拨号接入Internet的必备设备，俗称“猫”。调制解调器是实现计算机通信的外部设备，其主要功能是实现数字信号与模拟信号之间的转换。

调制解调器种类繁多，性能各异。按速度可划分为低速、中速、高速；按调制方法可分为频移键控、相移键控、幅移键控；按与计算机连接方式可分为内置式、外置式和PC卡式三类。另外还有一类调制解调器称为ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，不对称数字用户线）调制解调器，主要用于通过ADSL方式接入互联网中。

5.通信控制设备

通信控制设备是通信子网的主要设备，其用来管理通信功能。虽然不同网络体系结构中的通信控制设备种类各异，名称也有所不同，但主要功能基本上是一致的。

（1）线路控制。实现通信线路的连接、释放及对数据传输的路由选择。

（2）传输控制。传输控制包括数据加工、报文存储和转发、流量控制和实现传输控制的各种规程。

（3）差错控制及终端控制等。常用的通信控制设备主要分为通信控制器（CC）、线路控制器（LC）、通信处理机（CP）等设备。

6.网络互联设备

网络互联设备是计算机网络的重要组成部分，它们用于将主机连成网络，也用于将不同的网络互连起来，扩展网络的规模。中继器、网桥、路由器和网关是四种最基本的网络互联设备，在实际组网中，还用到集线器、无线接入点（Access Point，AP）和交换机等组网设备，它们属于某种基本网络互联设备的变形。

（1）中继器（Repeater）又称转发器，是扩展局域网的硬件设备，属于物理层的中继系统，如图1-13所示。中继器的作用是接收传输媒体上传输的信号，对其进行放大和整形后再发送到传输媒体上。中继器扩大了数据传输的距离，用于连接和延展同型局域网。

图1-13　中继器

（2）集线器（Hub）是中继器的一种扩展形式，是一种网内连接设备，用于局域网中，在OSI中它处于数据链路层。与中继器的区别在于集线器可以提供更多的端口服务，所以集线器又称为多端口中继器。用户可以用双绞线通过RJ45连接到集线器上，图1-14是一个24端口的集线器。

图1-14　集线器

图1-15　无线AP

（3）无线接入点（无线AP）是无线局域网中接入点设备，它的作用类似于有线网络中的集线器，如图1-15所示。无线AP的出现，丰富了局域网组网的方式。目前市场上的无线AP除了具备基本的无线接入功能外，一般还具有桥接、路由或代理服务器等附加功能。

（4）网桥（Bridge）又名桥接器，是一种连接两个局域网的存储/转发设备，如图1-16所示。网桥同中继器不同，网桥处理的是以帧为单位的信息。

网桥独立于网络层协议，网桥最高层为数据链路层。它能将一个较大的局域网分割为多个子网，或将两个以上的局域网互联为一个逻辑局域网，使局域网上的所有用户都可以访问服务器。它与上面运行什么网络层协议无关，也就是说网桥对网络层以上的协议是完全透明的。当网桥接收到一个帧时，它会检查并确认该帧是否已经完整到达，然后转发该帧。所以，网桥各端口分别连接的各网段必须属于同一个逻辑子网。

图1-16　网桥

（5）交换机（Switcher）。在分组交换网中，交换机是一种能够提高网络性能、促进网络管理、降低管理成本的非常重要的网络基础设备。

目前传统意义上的网桥使用并不普遍，在实际组网当中大量使用的是第二层局域网交换机（也称为多端口桥接器），第二层交换机示例如图1-17所示。

局域网交换机无论从外观上，还是从连接方式上看，都与集线器十分类似，但是其功能却不同于集线器。局域网交换机可以用在交换式局域网中，比集线器具有更强的功能。

交换机的优点在于可以通过不同的通信媒体建立多个网络连接，因而只需要增加有限的成本就能提供比一个共享的集线器大几倍的带宽，这一点与集线器有根本的区别；交换机可以在不同的网络速度和媒体之间进行转换，这一点与路由器相似。网桥与交换机的本质区别是后者通常具有两个以上的端口支持多个独立的数据流，具有较高的吞吐量。

图1-17　第二层交换机

图1-18　路由器

（6）路由器（Router）是在网络层提供多个独立的子网间连接服务的一种存储/转发设备，工作在OSI模型的网络层，如图1-18所示。路由器是通过网络层协议管理网络通信的设备，可以完成不同速率和不同媒体网络之间数据转换工作，是一种在多种不同网络协议环境下运行的互联设备。

路由器提供的服务比网桥更为完善，它可以根据传输费用、转接时延、网络拥塞或信源和信宿间的距离来选择最佳路径。在实际应用中，路由器通常作为局域网与广域网连接的设备。

（7）网关（Gateway）也称为信关，是建立在高层之上的各层次的中继系统。也就是说，网关是用于高层协议转换的网间连接设备。

作为专用计算机的网关，能实现具有不同网络协议的网络之间的连接。所以，网关可以被描述为“不相同的网络系统互相连接时所用的设备或节点”。不同体系结构、不同协议之间在高层协议上的差异是非常大的。而对于面向高层协议的网关来说，其目的就是试图解决网络中不同的高层协议之间的转换问题，完全做到这一点是非常困难的。所以，对网关来说，通常都是针对某些问题而言的。

目前，网络系统中常用的有数据库网关及电子邮件网关等，图1-19指的是一种语音接入网关。

图1-19　MXKO-AG语音接入网关