第一章网络组建基础.docx
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第一章网络组建基础
1网络组建基础
在前两章的讨论中，我们知道了网络的一些基本概念，本章将继续讨论在构建一个具体的园区网络以及这个园区网络与Internet互联的时候将使用的设备，他们在网络中分别扮演着怎样的角色。
此外本章还将介绍一些维护基本网络运行的基本操作。
1.1物理层设备
中继器是在网络中用于延伸计算机之间距离的设备。
中继器也用于不同缆线类型之间的转换。
集线器是一个多端口的中继器，为网络设备提供集中连接和物理介质扩展。
这一节介绍中继器和集线器的主要特性。
它们都是物理层的设备。
1.1.1中继器
中继器对比特操作并拓展物理媒介的长度。
中继器运行在OSI模型的物理层上，如图所示。
因为物理层与比特有关，中继器的工作就是要重发比特。
如果在一个中继器的输入端口上收到一个较弱的“1”比特，中继器的输出上就再生一个较强的“1”比特。
类似的，如果在一个中继器的输入端口上收到一个较弱的“0”比特，中继器的输出上就再生一个较强的“0”比特。
传统的中继器只有两个端口，一收一发。
如图1-1-1所示。
图1-1-1
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，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。
它在OSI参考模型中的物理层。
一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。
从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。
事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。
1.1.2集线器
集线器为网络设备互连提供中心连接点。
中继器可以放置在线路的中间，起信号放大作用。
也可以使用中继器连接两台设备，因为中继器具有两个端口，在后来的应用中，我们需要把更多的设备连接到一起，而中继器最多只能连接两台设备。
而集线器就可以连接更多的设备，集线器可以称为是多端口的中继器。
集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。
这样就可以使端口转发出去的较强信号的回波不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰。
数据在转发之前还要进行再生整形并重新定时。
集线器有许多的端口，每个端口通过RJ-45插座用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连。
因此说，集线器是多端口的中继器。
集线器的每个端口都具有发送和接收数据的能力。
当集线器的某个端口接收到工作站发来的有效数据帧时，就将数据帧转送到所有其他端口，然后发送给其他各个工作站。
若两个端口同时有信号输入，集线器就向所有的端口发送干扰信号。
1.1.3冲突域
所谓冲突，就是在总线上同时有多个机器在传送数据，从而造成数据包的碰撞。
一个冲突域由所有能够看到同一个冲突或者被该冲突涉及到的设备组成。
以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）技术（在第四章中将有更加详细的介绍）来保证同一时刻，只有一个节点能够在冲突域内传送数据。
根据前面的描述，我们知道使用集线器作为中心节点连接网络中的多个节点时，当任何节点开始发送数据的同时，由于集线器将无差别的将数据转发给所有其他的节点，因此如果此时有设备发送了数据，将在集线器连接的整个区域形成冲突，并且集线器连接的所有设备也将看到这一冲突并且受到此冲突的影响而延迟一段时间再发送数据。
因此我们把由物理层设备连接到一起的所有设备所构成的范围称为一个冲突域，即集线器和中继器的所有端口在同一个冲突域中。
1.2数据链路层设备
1.2.1网桥
网桥用于分割数据流以提高网络的整体性能。
网桥也用来提供跨广域的连接。
虽然网桥的流行性正因为交换技术的广泛使用而在不断下降，仍然是当今计算机网络中常见的设备。
网桥工作在OSI模型的数据链路层，有时称为“第二层设备”或“链路层设备”。
网桥对网络和高层来说是完全透明的。
网桥使用帧地址做出桥接决策。
网桥比中继器复杂的多。
网桥判断入帧的目标设备是否位于产生这个帧的网段中。
如果是，网桥就不把帧前向转发到其它的网桥端口,这是一个过滤的例子。
如果帧的目标地址位于另一个网段，网桥就将帧发往正确的网段。
这就是所谓的转发。
网桥有多种形状和大小。
最简单的网桥就是在个人计算机（PC）上与小型LAN网段相连的适配卡（NIC）。
最复杂的网桥将一种类型的帧转换成另一种类型的帧，并且/或者将帧以很高的速度发送到很长的距离之外。
如果一个LAN分为两个网段，每个网段的使用率将近似为原来的一半。
网桥可以用来连接这两个部分，如图1-2-1所示，需要流经网桥的数据流相对比例较小。
网络分割的效果称为“数据流分割”，是控制网络利用率的一种工具。
图1-2-1
1.2.2交换机
网桥和交换机的好处在于其可以隔离冲突域，每个端口就是一个冲突域，因此在一个端口单独接计算机的时候，该计算机是不会与其它计算机产生冲突的，也就是带宽是独享的，交换机能做到这一点关键在于其内部的总线带宽是足够大的，可以满足所有端口的全双工状态下的带宽需求，并且通过类似电话交换机的机制保护不同的数据包能够到达目的地，可以把集线器和交换机比喻成单排街道与高速公路。
交换机通过有选择的转发二层数据帧来提高网络利用率。
图1-2-2
当一个交换机如图1-2-2所显示的那样连接几个LAN网段时，就是一个网段交换设备。
当一个帧从节点A发送到节点E时，交换机把帧从端口1发送到端口3。
在这里，端口2和端口4仍是空闲的，可以以全速率10Mbps发送帧。
如果节点A向节点B发送一个帧，交换机将该帧限制在一个单独的网段，这个网段包含节点A和节点B。
这就是交换机的帧转发和过滤功能。
交换机通过分析帧中的目标MAC地址、并将各个帧交换到正确的端口上来实现这些操作。
因为交换机工作在数据链路层，所以将其视为第二层交换设备。
交换机可能会同时在多个网段之间交换帧。
例如，如果图1-2-3中的交换机收到一个来自节点E发往节点G的帧，同时还收到一个来自节点A发往节点D的帧时，可以同时交换这两个帧。
这样对于相关拓扑结构的LAN就得到了两倍于常规LAN带宽的网络效应。
图1-2-3
当一个交换机接收到一个帧时，如果帧中的目标地址不在交换机的内存中，交换机就像集线器一样把这个帧发送给所有的端口。
如果交换机接收到一个带有广播（或多播）地址的帧时，也会把帧发送给所有端口（或所有属于这个帧对应的多播组的端口）。
1.2.3广播域
一个广播域由所有能够看到一个广播数据包的设备组成。
一个路由器，构成一个广播域的边界。
网桥能够延伸到的最大范围就是一个广播域。
缺省的情况下，一个网桥或交换机的所有端口在同一个广播域中。
一般情况下，一个广播域代表一个逻辑网段。
1.3网络层设备
1.3.1路由器
路由器工作在网络层，通常比中继器、网桥和交换机都要复杂。
路由器是对数据包操作而不是对帧操作的。
路由器可以把广播数据包隔离在一个网段内而不穿过路由器影响另一个网段。
可以说，路由器是隔离广播的网络层设备，而交换机和网桥是隔离冲突的数据链路层设备。
路由器是通过第三层地址将信息进行路由操作的。
路由器连接具有相同通信架构的网络，但这些网络的低层架构可能不同。
换句话说，路由器是协议相关的。
路由器常常可以用来替代网桥或交换机。
注意，为了做到是“可被路由的”，架构中必须包含网络层，如图1-3-1所示。
图1-3-1
路由器提供对网络的物理和逻辑分割。
这是通过计算数据包中的目标地址来实现的，目标地址指示网络中目标节点的位置。
如果数据包地址指示的目标在同一个网段（或子网）内，路由器就把数据流限制在那个网段。
如果数据包的目标地址在另一个网段，路由器就把数据包发送到与目标网段对应的物理端口上。
路由表储存在路由器的内存中，把数据包地址和物理端口号对应起来。
为了避免使用两个具有独立LAN端口的路由器所带来的开销和额外的管理，人们设计了多协议路由器。
但是，这种设备不执行数据链路层以上的协议转换。
多协议路由器只是简单的把两个路由器的功能捆绑在一个盒子里。
多协议路由器之间的连接则需要在每个LAN上有一个单独的端口。
目前市场上的模块化路由器都是多协议路由器，每个不同的接口模块都可以支持其对应的数据链路层协议，并且在路由器的操作系统中都有对上层协议的支持。
1.3.2三层交换机
具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。
从硬件上看，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线（速率可高达几十Gbit/s）交换数据的，（如图1-3-2所示）在第三层交换机中，与路由有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速的交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制。
在软件方面，第三层交换机也有重大的举措，它将传统的基于软件的路由操作进行了改进。
图1-3-2
在一台设备内部，分别设置了交换机模块和路由器模块；而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。
因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。
并且，路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。
1.3.3数据传输流程
假设两个使用IP协议的机器通过路由器或三层交换机进行通信的过程，机器A在开始发送时，已知目的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。
要采用地址解析（ARP，在第二章中介绍）来确定目的MAC地址。
机器A把自己的IP地址与目的IP地址比较，从其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的机器是否与自己在同一子网内。
若目的机器B与机器A在同一子网内，A广播一个ARP请求，B返回其MAC地址，A得到目的机器B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。
若两个机器不在同一子网内，如发送机器A要与目的机器C通信，发送机器A要向“缺省网关”发出ARP包，而“缺省网关”的IP地址已经在系统软件中设置。
这个IP地址实际上对应路由器或者第三层交换机的第三层交换模块。
路由器或第三层交换模块向发送机器A回复自己的MAC地址，发送机器A根据得到的网关MAC地址形成二层数据帧，并发送给路由器或第三层交换模块。
路由器或第三层交换模块收到此帧，根据第三层信息的目的IP地址查询路由表是否有能到达目的网络的下一跳出口，如果没有则回复给源主机以ICMP差错报文。
如果有下一跳出口，而且是直连网段直接到达，则路由器或第三层交换机将直接查询目标IP的MAC，然后组包直接发送；如果下一跳仍然是一台三层设备，则路由器或三层交换机将查询下一跳的IP对应的MAC地址，然后组包发送给下一跳网关设备，下一跳网关再执行相同的过程，直到数据最终到达目的地。
在这里路由器与三层交换机的区别在于三层交换机会在转发路径确定之后在内存中保存转发信息，这样后续到来的此数据流的数据就按照缓存的内容直接转发，而不再经过路由查找的过程。
这也就是为什么在局域网内部目前通常使用三层交换机来替代原来的路由器进行逻辑网段的路由。
此流程如图1-3-3所示：
图1-3-3
1.4网关
路由器可以用于运行多个通信协议的网络中。
但是，他们不能把使用不同架构的节点连接起来。
TCP/IP节点可以和其它的TCP/IP节点通信，但不能和AppleTalk节点或基于SNA的节点通信。
网关提供了使用不同架构的网络之间的连接。
网关用于互连两种网络架构。
1.4.1网关的类型
由于通信架构和应用层协议之间有多种组合方式，所以网关的类型也有很多种。
有一种称作协议转换器的网关，可以将协议从一种通信架构转化到另一种通信架构。
能够把TCP/IP网络连接到SNA网络中的节点就是协议转换器的一个例子，如图1-4-1所示。
网关对多层协议的处理是不同的。
为了说明这一点，我们把SNA和TCP/IP合在一起来解释一下网关的概念。
SNA主机
图1-4-1
协议转换器可能工作在所有的协议层上，并且对连接每一端的各个层中的进程是透明的。
图1-4-2显示TCP/IP和SNA的各部分与OSI模型的对应关系，从这里可以看出这两个通信架构之间各部分的对应关系。
这并不是一个精确的匹配。
注意将一个TCP/IP协议栈转化为一个SNA协议栈的网关必须同时转化双方的协议头。
这是一个纯软件的处理过程。
图1-4-2
这里有两个明显的问题：
●协议不是精确对应的，不能独立转化。
实际上，它们之间的转化必须作为一个综合任务来处理。
例如，当从IP向SNA路径控制协议转化时，IP元素必须也反映到SNA的传输控制协议上去。
●层丢失。
例如，协议转化程序必须处理功能管理协议，即使这个层在TCP/IP一端并不存在。
1.4.2远程网关与路由器
“网关”这个术语也用于描述路由器。
这种网关称作远程网关。
例如Internet路由器就被称为网关。
这种类型的网关提供对远程网络的访问。
这个术语同时也为协议转换器。
1.5局域网线缆的制作
目前几乎所有的局域网都在使用双绞线进行连接，双绞线成品线的种类按照使用场合的不同也有所区别，下面介绍几种常见的场合以及双绞线的制作过程。
1.5.1直通双绞线的制作
直通双绞线的制作过程如下：
1、按照线序图打开线对并排列整齐，如图1-5-1所示
图1-5-1
2、小心的将线头掐平并送入水晶头的8个线槽中，按紧，如图1-5-2所示
图1-5-2
3、用专门的卡线钳子将水晶头中的线掐紧，如图1-5-3所示。
图1-5-3
1.5.2交叉双绞线的线序
图1-5-4
1.5.3MDI接口与MDI-X接口
媒体相关接口（MediumDependentInterface），也称为“上行接口”，是集线器或交换机上用来连接到其他网络设备而不需要交叉线缆的接口。
MDI接口不交叉传送和接收线路，交叉由连接到终端工作站的常规接口（MDI-X接口）来完成。
MDI接口连接其他的设备上的MDI-X接口。
交叉媒体相关接口（MDI-X，MediumDependentInterface-crossed）是网络集线器或交换机上将进来的传送线路和出去的接收线路交叉的接口，是在网络设备或接口转接器上实施内部交叉功能的MDI端口。
它意味着由于端口内部实现了信号交叉，某站点的MDI接口和该端口间可使用直通电缆。
由以上的分析可以看出，MDI与MDI接口互连或MDI-X与MDI-X接口互连时必须使用交叉线缆才能使发送的管脚与对端接收的管脚对应，而MDI与MDI-X互连时则必须使用直通线缆才能使发送的管脚与对端接收的管脚对应。
如图1-5-5和3-5-6所示：
图1-5-5
图1-5-6
通常集线器和交换机的普通端口一般为MDI接口；而集线器和交换机的级连端口，路由器的以太口和网卡的RJ-45接口都是MDI-X接口。
注：
在目前的交换机设备端口实现技术中，大多数厂商都实现了MDI及MDI-X接口的自动切换，即对于普通用户来讲，使用交换机连接不同设备时，如果交换机的端口类型是MDI-MDIX自动协商的，连接所使用的双绞线类型即可无需考虑，交换机会按照在端口的哪个管脚接收数据而自动进行MDI及MDIx的切换。
下面小节内容是按照标准的情况进行的建议，如使用DCS-3000系列交换机时，可不必考虑双绞线的适用场合的限制。
1.5.4双绞线的适用场合
在实际的网络环境中，一根双绞线的两端分别连接不同设备时，必须根据标准确定两端的线序，否则将无法连通。
通常，在下列情况下，双绞线的两端线序必须一致才可连通：
1、主机与交换机的普通端口连接。
2、交换机与路由器的以太口相连。
3、集线器的uplink口与交换机的普通端口相连。
②交换机与路由器以太口相连
③集线器的uplink口与交换机互连
①主机与交换机相连
图1-5-7
图1-5-7的线序是TIA/EIA-568B《商务楼电信布线标准》中规定的100欧姆非屏蔽双绞线线序，即T568B线序：
1-白桔、2-桔、3-白绿、4-兰、5-白兰、6-绿、7-白棕、8-棕。
通常在我国的布线楼宇中，规范的直通线做法均是使用568B的标准。
与之相对应的是T568A线序：
1-白绿、2-绿、3-白桔、4-兰、5-白兰、6-桔、7-白棕、8-棕。
在美国和北美的一些国家，规范的直通线做法均使用568A的标准。
在制作这类双绞线时，在两端都遵循TIA/EIA–568A标准线序或者两端都遵循TIA/EIA-568B标准线序即可。
在下列情况下，双绞线的两端线序必须将一端中的1与3对调，2与6对调才可连通：
如图1-5-8所示。
1、主机与主机的网卡端口连接。
2、交换机与交换机的非uplink口相连。
3、路由器的以太口互连。
4、主机与路由器以太口相连。
图1-5-8
在制作这类双绞线时，需要在一端遵循TIA/EIA–568A标准线序，而另一端遵循TIA/EIA-568B标准线序即可。
1.6网络布线基础
1.6.1综合布线的由来
网络是将独立的设备连接在一起，并使它们可以共享信息和资源的连接系统。
正确的设计和实施一个网络系统可以提高通信的速度和可靠性，从而使得一个系统工作起来更加富有效率。
网络的建设应该满足已公布的国家和国际标准的要求，并应能够根据商业要求的改变进行不断的进化和升级。
将那些用于完成计算、建筑物安全以及环境控制等任务的电子设备集成到一个集成系统中去将会产生更大的效益。
当这些独立设备的数量增加时，这些设备协同工作的优点就越发明显。
当然，对设备链路的需求也将相应的增加。
对网络和电缆类型的选择主要是由需要连接的设备的类型、它们的位置和它们的使用方式来决定的。
对于一个完整的新系统来说，负载评估的主要工作是计算网络节点数量，询问各部门在“最坏情况”下的使用要求。
当对一个已存在的系统进行更换时，在计划更换之前，应对系统的使用方式进行一个星期或更长一段时间的监测。
在规划阶段，对未来需求的规划和对现在需求的规划应放在同等重要的地位上。
综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。
它既能使语音、数据、图像设备和交换设备与其它信息管理系统彼此相连,也能使这些设备与外部相连接。
它还包括建筑物外部网络或电信线路的连接点与应用系统设备之间的所有线缆及相关的连接部件。
综合布线由不同系列和规格的部件组成,其中包括：
传输介质、相关连接硬件（如配线架、连接器、插座、插头、适配器）以及电气保护设备等。
这些部件可用来构建各种子系统,它们都有各自的具体用途，不仅易于实施,而且能随需求的变化而平稳升级。
布线系统的平均目标生命周期为15年，它与主要建筑物的整修周期是一致的。
在这段时间内，系统的计算机硬件、软件和使用方式都将发生重大的变化。
网络的吞吐量、可靠性和安全性的要求肯定都要增加。
1.6.2综合布线标准
1.6.2.1标准委员会
国际标准化组织（ISO）的职责是保证所有普遍性的标准得到所有成员国的一致认可。
ISO所负责的标准范围从制造和质量控制规程到电气与电信分布布线系统。
在北美洲，有四个标准化组织为北美市场开发或推行布线标准。
美国国家标准协会（ANSI）于1918年在美国成立。
该组织的主要任务是美国国内的国内的国家标准的协调、正规化和采纳工作。
ANSI还在ISO技术会议上代表美国。
电讯工业协会（TIA）是一个由ANSI授权的单独的组织。
并附属于电子工业协会（EIA）。
TIA最著名的活动是开发用于当今的结构化布线系统的设计与安装的布线标准，并支持未来广泛的应用及满足高速的要求。
在加拿大，所有国内使用的电气与电子商品必须经CSA批准。
产品获得批准说明它符合加拿大电气标准（CEC）的所有要求。
CEC引用CSA相关的标准。
在TIA/EIA内开发布线标准的过程中，决定CSA应参与结构化布线标准的进一步研发工作，以保证加拿大独特的要求包含在标准内。
1.6.2.2标准的历史
在1985年前的布线系统没有标准化。
其中有几个原因。
首先，本地电话公司总是关心他们的基本布线要求。
其次，使用主机系统的公司要依靠其供货商来安装符合系统要求的布线系统。
随着计算机技术的日益成熟，越来越多的机构安装了计算机系统，而每个系统都需要自己独特的布线和连接器。
客户开始抱怨他们更改了计算机平台的同时也不得不相应改变其布线方式。
为赢得并保持市场的信任，计算机通信工业协会（CCIA）与EIA联合开发建筑物布线标准。
讨论在1985年开始，并取得一致，认为商用和住宅的话音和数据通信都应有相应的标准。
EIA将开发布线标准的任务交给了TR-41委员会。
TR-41委员会认识到该任务的艰巨性，于是设立了下属委员会及数个工作组来负责开发上用和住宅建筑物布线标准的各方面的广泛工作。
这些委员会在开发这些标准时主要关注的重点是保证开发的标准是独立于技术及生产厂家的。
1.6.2.3建筑物布线基础设施标准
ANSWIA/EIA-569（CSAT530）商业大楼通讯通路与空间标准
ANSI/TIA/EIA-568-A（CSAT529-95）商业大楼通讯布线标准
ANSI/TIA/EIA-607（CSAT527）商业大楼布线接地保护连接需求
ANSI/TIA/EIA-606（CSAT528）商业大楼通讯基础设施管理标准
ANSI/TIA/EIATSB-67非屏蔽双绞线布线系统传输性能现场测试
ANSI/TIA/EIATSB-72集中式光纤布线准则
ANSI/TIA/EIATSB-75开放型办公室水平布线附加标准
ANSI/TIA/EIA-568-AI传输延迟和延迟差规范
1.6.3布线子系统
按照一般划分，结构化布线系统包括六个子系统：
建筑群主干子系统、设备子系统、垂直主干子系统、管理子系统、水平支干子系统和工作区子系统，如图1-6-1所示。
1.6.3.1建筑群主干子系统
提供外部建筑物与大楼内布线的连接点。
建筑群子系统宜采用地下管道或电缆沟的铺设方式。
管道内铺设的铜缆或光缆应遵循电话管道和入孔的各项设计规定。
此外安装时至少应预留1～2个备用管孔，以供扩充之用。
建筑群子系统采用直埋沟内铺设时，如果在同一沟内埋入了其他的图像、监控电缆，应设立明显的共用标志。
从电话局引来的电缆应进入一个阻燃接头箱，再接至保护装置。
图1-6-1
1.6.3.2设备子系统
EIA/TIA568标准规定了设备间的设备布线。
它是布线系统最主要的管理区域，所有楼层的资料都由电缆或光缆传送至此。
通常，此系统安装在计算机系统、网络系统和程控机系统的主机房内。
设备间内的所有总配线设备应用色标区别各类用途的配线区。
设备间的位置及大小应根据设备的数量、规模、最佳网络中心等因素，综合考虑确定。
1.6.3.3垂直主干子系统
它连接通讯室、设备间和入口设备，包括主干电缆、中间交换和主交接、机械终端和用于主干到主干交换的接插线或插头。
主干布线要采用星形拓扑结构，接地应符合EIA/TIA607规定的要求。
1.6.3.4管理子系统
此部分放置电信布线系统设备，包括水平和主干布线系统的机械终端和交换。
管理应对设备间、交接间和工作区的配线设备、线缆、信息插座等设施，按一定的模式进行标示和记录。
1.6.3.5水平支干子系统
连接管理子系统至工作区，包括水平布线、信息插座、电缆终端及交换，指定的拓扑结构为星形拓扑。
水平布线可选择的介质有三种（100欧姆UTP电缆、150欧姆STP电缆及62.5/125微米光缆），最远的延伸距离为90米，除了90米水平电缆外，工作区与管理子系统的接插线和跨接线电缆的总长可达10米。
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