計算機網絡（二）——通信設備

通信網絡主要由通信設備和通信傳輸介質組成

一、網絡通信設備

網絡中的主要通信節點都是通信設備。

	網卡	網卡是一塊被設計用來允許計算機在計算機網絡上進行通訊的計算機設備。 網卡上MAC地址（物理地址）出廠即有，不可更改。通常的MAC地址修改指的是修改注冊表上的MAC地址，在使用的時候用注冊表上的替換硬件上的MAC。
物理層設備	中繼器	中繼器（RP repeater）是工作在物理層上的連接設備。適用於完全相同的兩個網絡的互連，主要功能是通過對數據信號的重新發送或者轉發，來擴大網絡傳輸的距離。 中繼器可以擴展網絡距離，再生衰減信號；還實現粗同軸電纜以太網和細同軸電纜以太網的互連。 中繼器雖然可以延長信號傳輸的距離、實現兩個網段的互連，但它不會增加網絡的可用帶寬。網段1和網段2經過中繼器連接后構成了一個沖突域和廣播域。
	集線器	集線器，又稱HUB，目前已被交換機替代。集線器可以看作是多接口的中繼器，若偵測到碰撞，它就會提交阻塞信號。 集線器同樣可以延長網絡通信的距離，或是連接物理結構不同的網絡，但集線器主要還是用作主機站點的匯聚點，將連接在集線器各個接口上的主機聯系起來，使之可以互相通信。集線器位於物理層，無法識別MAC地址和IP地址，因此會以廣播的形式發送它接收到的數據包，它的所有端口為一個沖突域同時也為一個廣播域。 通信時，不會過濾信號，所有接在集線器上的設備都會接到數據，不是目的計算機接到數據，會將數據丟掉，只有目的計算機會接受數據。 因為所有的端口都可以接受到數據，所以使用集線器的網絡是不安全的。 帶寬共享，連接的計算機越多，每台計算機分配的帶寬越少。
數據鏈路層設備	網橋	網橋又稱為橋接器，與中繼器類似，傳統的網橋只有兩個接口，用於連接不同的網段。 網橋具有一定的智能性，可以學習網絡上主機的地址，同時具有信號過濾的功能。 網橋可以識別網段內部的通信數據流，因此網橋連接的不同網段，如果數據是在同一個網段中交互，則另一個網段中的設備不會接受到數據。可見，網橋可以將一個沖突域分割為兩個，而每個沖突域共享自己的總線信道帶寬。 但是，如果數據包是跨網段轉發，網橋就需要對這個數據包進行轉發，這樣網橋兩側的兩個網段總線上的所有主機都會接收到該廣播數據包，因此兩個仍同屬一個廣播域。 網橋解決了集線器的部分問題，基於MAC地址來控制轉發數據，解決了沖突域。 在兩個集線器之間將各個網段分隔開，不同網段的設備通信不會出現域沖突。 隨着網橋的端口越來越多，逐漸演變成網橋直接對接計算機設備。 后來網橋逐漸演變成了交換機。
	交換機	交換機的出現是為了解決連接在集線器上的所有主機會共享可用帶寬，使得沖突域過大，從而造成網絡堵塞的問題。 交換機是通過為需要通信的兩台主機直接建立專用的通信信道來增加可用帶寬的，從一定層面上交換機可看作是多接口的網橋。 位於數據鏈路層的交換機是通過查找MAC地址表將接收到的數據傳送到目的端口的。相比於集線器，交換機可以分割沖突域，每一個端口為一個單獨的沖突域。 然而，交換機同樣沒有過濾廣播通信的功能。也就是說，交換機在接收到一個廣播數據包后，會向其所有端口轉發此廣播數據包。因此，交換機和其所有接口所連接的主機共同構成了一個廣播域。 交換機可以划分沖突域，但不能划分廣播域。
網絡層設備	路由器	通信網絡中使用路由器來分割廣播域。路由器並不通過MAC地址來轉發數據，而是利用不同網絡的ID號即IP地址來確定數據轉發的目的地址。MAC地址通常由設備硬件出廠自帶，無法自行更改，而IP地址則一般由網絡管理員手動配置或由系統自動分配。路由器通過IP地址將連接到其端口的設備划分為不同的網絡(子網)，每個端口下連接的網絡即為一個廣播域，廣播數據不會擴散到該端口以外，因此我們說路由器隔離了廣播域。 路由器工作在網絡層，可以識別網絡層的地址（即IP地址），有能力過濾第三層的廣播消息。實際上，除非做特殊配置，否則路由器從不轉發廣播類型的數據包。因此，路由器的每個端口所連接的網絡都獨自構成一個廣播域。 負責在不同的網段轉發數據，一般有廣域網接口。 路由器會隔絕廣播。 目標MAC地址是全是1或全是F，則為廣播。

二、通信傳輸介質

通信網絡除了包含通信設備之外，還包含連接設備的傳輸介質，如同軸電纜、雙絞線、光纖等。不同的傳輸介質具有不同的特性，這些特性直接影響到諸多方面，如線路編碼方式、傳輸速度和傳輸距離。

同軸電纜	同軸電纜：由一根空心的外圓柱導體和一根位於中心軸線的內導線組成，內導線和圓柱導體及外界之間用絕緣材料隔開。按直徑的不同，可分為粗纜和細纜兩種。現在已經被淘汰掉了。
雙絞線	雙絞線有很多種類，8芯，不同類型的雙絞線支持的傳輸速率一般也不相同。三類支持10Mbps；5類支持100Mbps，滿足快速以太網標准；超5類以及更高級別的支持千兆以太網傳輸。 雙絞線使用RJ-45接頭連接網絡設備，原先雙絞線需要按照一定順序連接水晶頭，現在技術發展，即使不按照線序做也可以。
光纖	光纖分為單模光纖和多模光纖。 單模光纖只能傳輸一種模式的光，不存在模間色散，因此適用於長距離高速傳輸；多模光纖允許不同模式的光在一條光纖上傳輸，由於模間色散較大而導致信號脈沖展寬嚴重，因此多模光纖主要用於局域網中的短距離傳輸。 光纖連接器種類也很多，常用的連接器包括：ST、FC、SC、LC連接器。
其他介質	除了有線傳輸介質之外，還存在許多無線傳輸介質。比如無線電波、微波、紅外線等。

三、廣播域和沖突域

第一層設備（如中繼器、集線器）不能划分沖突域和廣播域；

第二層設備（如網橋、交換機）能划分沖突域，但不能划分廣播域；

第三層設備（如路由器）既能划分沖突域，又能划分廣播域。

沖突域（物理分段）

沖突域指連接到同一導線上所有工作站的集合、同一物理網段上所有節點的集合或是以太網上競爭同一帶寬節點的集合。

沖突域表示沖突發生並傳播的區域，這個區域可以被認為是共享段。

在OSI模型中，沖突域被看作是OSI第一層的概念，連接同一沖突域的設備有集線器、中繼器或其它簡單的對信號進行復制的設備。

其中，使用第一層設備（如中繼器、集線器）連接的所有節點可被認為是在同一個沖突域內，而第二層設備（如網橋、交換機）和第三層設備（如路由器）既可以划分沖突域，也可以連接不同的沖突域。

廣播域

廣播域是指可以接收到同樣廣播消息的節點的集合。

簡單地說，在該集合中的任何一個節點傳輸一個廣播幀，則其它所有能夠接收到這個幀的節點都是該廣播域的一部分。

由於許多設備都極易產生廣播，因此，如果不進行維護就會消耗大量的帶寬，降低網絡的效率。

廣播域被看作是OSI第二層的概念，因此由中繼器、集線器、網橋、交換機等第一、二層設備連接的節點被認為是在同一個廣播域中，而路由器、第三層交換機等第三層設備則可以划分廣播域。

解決沖突域的方法——CSMA/CD

共享式網絡中，不同的主機同時發送數據時，就會產生信號沖突的問題，解決這一問題的方法一般是采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測技術（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），縮寫CSMA/CD。

CSMA/CD的基本工作過程：

1.終端設備不停的檢測共享線路的狀態。如果線路空閑，則可以發送數據；如果線路繁忙，則等待一段時間繼續檢測。

2.如果有另外一個設備同時發送數據，兩個設備發送的數據會產生沖突。

3.終端設備檢測到沖突之后，馬上會停止發送自己的數據，並發送特殊的阻塞信息，以強化沖突信號，使線路上其他站點能夠盡早檢測到沖突。

4.終端設備檢測到沖突之后，等待一段時間之后會再進行數據發送。

工作原理可簡單的總結為：先聽后發，邊聽邊發，沖突停發，隨機延遲后重發。

四、計算機通信方式

計算機的兩種基本通信方式是串行通信和並行通信。

串行通信指在計算機總線或其他數據通百道上，每次傳輸一個位元數據，並連續進行以上單次過程的通信方式。串行通信被用於長距離通信以及大多數計算機網絡。主要起到主機與外設以及主機之間的數據傳輸作用，串行通信具有傳輸線少、成本低的特點，適用於近距離的人-機交換、實時監控等系統。
通信工作當中，借助於現有的電話網也能實現遠距離傳輸，因此串行通信接口是計算機系統當中的常用接口，是一種通信雙方按位進行，遵守時序的一種通信方式。

並行通信是在串行端口上通過一次同時傳輸若干位元數據的方式進行通信。多比特數度據同時通過並行線進行傳送，這樣數據傳送速度大大提高，但並行傳送的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾就會增加，數據也就容易出錯。

串行和並行的區別

1. 發送數據數量不同：串行通信用一根線在不同的時刻發送8位數據；並行通信在同一時刻發送多位數據。
2. 傳輸距離不同：串行通信傳輸距離遠、占用資源少，並行通信則傳輸距離較短
3. 速度不同：串行通信發送速度慢，並行通信發送速度快，占用資源多。

 

在串行通信中,數據通常是在兩個站之間進行傳送,按照數據流的方向可分成三種基本的傳送方式：單工通信和雙工通信中的全雙工、半雙工。

通信的種類	說明
單工通信（Simplex）	在單工通信中，通信的信道是單向的，發送端與接收端也是固定的，即發送端只能發送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發送信息。基於這種情況，數據信號從一端傳送到另外一端，信號流是單方向的。 類似於電視、廣播中電磁波信號的傳輸，一般為固定發送方（電視台、廣播站）與固定接收方（接收天線）之間的通信方式。
半雙工通信（Half-duplex）	半雙工通信（Half-duplex Communication）可以 實現雙向的通信，但不能在兩個方向上同時進行，必須輪流交替地進行。 在這種工作方式下，發送端可以轉變為接收端；相應地，接收端也可以轉變為發送端。但是在同一個時刻，信息只能在一個方向上傳輸。因此，也可以將半雙工通信理解為一種切換方向的單工通信。 類似於無線對講機的通信方式，通信的一方在說話時（信號發送時），另一方不能說話（A→B且B→A）
全雙工通信（Full-duplex）	全雙工通信（Full duplex Communication）是指在通信的 任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。 全雙工通信 允許數據同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通信， 即通信的雙方可以同時發送和接收數據。 在全雙工方式下，通信系統的每一端都設置了發送器和接收器，因此，能控制數據同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應用（例如遠程監測和控制系統）十分有利。這種方式要求通訊雙方均有發送器和接收器，同時，需要2根數據線傳送數據信號。（可能還需要控制線和狀態線，以及地線）。 類似於電話的通信方式，通信的一方正在說話，另一方也可以說話（A→B或B→A）