计算机网络（二）——通信设备

通信网络主要由通信设备和通信传输介质组成

一、网络通信设备

网络中的主要通信节点都是通信设备。

	网卡	网卡是一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机设备。 网卡上MAC地址（物理地址）出厂即有，不可更改。通常的MAC地址修改指的是修改注册表上的MAC地址，在使用的时候用注册表上的替换硬件上的MAC。
物理层设备	中继器	中继器（RP repeater）是工作在物理层上的连接设备。适用于完全相同的两个网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。 中继器可以扩展网络距离，再生衰减信号；还实现粗同轴电缆以太网和细同轴电缆以太网的互连。 中继器虽然可以延长信号传输的距离、实现两个网段的互连，但它不会增加网络的可用带宽。网段1和网段2经过中继器连接后构成了一个冲突域和广播域。
	集线器	集线器，又称HUB，目前已被交换机替代。集线器可以看作是多接口的中继器，若侦测到碰撞，它就会提交阻塞信号。 集线器同样可以延长网络通信的距离，或是连接物理结构不同的网络，但集线器主要还是用作主机站点的汇聚点，将连接在集线器各个接口上的主机联系起来，使之可以互相通信。集线器位于物理层，无法识别MAC地址和IP地址，因此会以广播的形式发送它接收到的数据包，它的所有端口为一个冲突域同时也为一个广播域。 通信时，不会过滤信号，所有接在集线器上的设备都会接到数据，不是目的计算机接到数据，会将数据丢掉，只有目的计算机会接受数据。 因为所有的端口都可以接受到数据，所以使用集线器的网络是不安全的。 带宽共享，连接的计算机越多，每台计算机分配的带宽越少。
数据链路层设备	网桥	网桥又称为桥接器，与中继器类似，传统的网桥只有两个接口，用于连接不同的网段。 网桥具有一定的智能性，可以学习网络上主机的地址，同时具有信号过滤的功能。 网桥可以识别网段内部的通信数据流，因此网桥连接的不同网段，如果数据是在同一个网段中交互，则另一个网段中的设备不会接受到数据。可见，网桥可以将一个冲突域分割为两个，而每个冲突域共享自己的总线信道带宽。 但是，如果数据包是跨网段转发，网桥就需要对这个数据包进行转发，这样网桥两侧的两个网段总线上的所有主机都会接收到该广播数据包，因此两个仍同属一个广播域。 网桥解决了集线器的部分问题，基于MAC地址来控制转发数据，解决了冲突域。 在两个集线器之间将各个网段分隔开，不同网段的设备通信不会出现域冲突。 随着网桥的端口越来越多，逐渐演变成网桥直接对接计算机设备。 后来网桥逐渐演变成了交换机。
	交换机	交换机的出现是为了解决连接在集线器上的所有主机会共享可用带宽，使得冲突域过大，从而造成网络堵塞的问题。 交换机是通过为需要通信的两台主机直接建立专用的通信信道来增加可用带宽的，从一定层面上交换机可看作是多接口的网桥。 位于数据链路层的交换机是通过查找MAC地址表将接收到的数据传送到目的端口的。相比于集线器，交换机可以分割冲突域，每一个端口为一个单独的冲突域。 然而，交换机同样没有过滤广播通信的功能。也就是说，交换机在接收到一个广播数据包后，会向其所有端口转发此广播数据包。因此，交换机和其所有接口所连接的主机共同构成了一个广播域。 交换机可以划分冲突域，但不能划分广播域。
网络层设备	路由器	通信网络中使用路由器来分割广播域。路由器并不通过MAC地址来转发数据，而是利用不同网络的ID号即IP地址来确定数据转发的目的地址。MAC地址通常由设备硬件出厂自带，无法自行更改，而IP地址则一般由网络管理员手动配置或由系统自动分配。路由器通过IP地址将连接到其端口的设备划分为不同的网络(子网)，每个端口下连接的网络即为一个广播域，广播数据不会扩散到该端口以外，因此我们说路由器隔离了广播域。 路由器工作在网络层，可以识别网络层的地址（即IP地址），有能力过滤第三层的广播消息。实际上，除非做特殊配置，否则路由器从不转发广播类型的数据包。因此，路由器的每个端口所连接的网络都独自构成一个广播域。 负责在不同的网段转发数据，一般有广域网接口。 路由器会隔绝广播。 目标MAC地址是全是1或全是F，则为广播。

二、通信传输介质

通信网络除了包含通信设备之外，还包含连接设备的传输介质，如同轴电缆、双绞线、光纤等。不同的传输介质具有不同的特性，这些特性直接影响到诸多方面，如线路编码方式、传输速度和传输距离。

同轴电缆	同轴电缆：由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之间用绝缘材料隔开。按直径的不同，可分为粗缆和细缆两种。现在已经被淘汰掉了。
双绞线	双绞线有很多种类，8芯，不同类型的双绞线支持的传输速率一般也不相同。三类支持10Mbps；5类支持100Mbps，满足快速以太网标准；超5类以及更高级别的支持千兆以太网传输。 双绞线使用RJ-45接头连接网络设备，原先双绞线需要按照一定顺序连接水晶头，现在技术发展，即使不按照线序做也可以。
光纤	光纤分为单模光纤和多模光纤。 单模光纤只能传输一种模式的光，不存在模间色散，因此适用于长距离高速传输；多模光纤允许不同模式的光在一条光纤上传输，由于模间色散较大而导致信号脉冲展宽严重，因此多模光纤主要用于局域网中的短距离传输。 光纤连接器种类也很多，常用的连接器包括：ST、FC、SC、LC连接器。
其他介质	除了有线传输介质之外，还存在许多无线传输介质。比如无线电波、微波、红外线等。

三、广播域和冲突域

第一层设备（如中继器、集线器）不能划分冲突域和广播域；

第二层设备（如网桥、交换机）能划分冲突域，但不能划分广播域；

第三层设备（如路由器）既能划分冲突域，又能划分广播域。

冲突域（物理分段）

冲突域指连接到同一导线上所有工作站的集合、同一物理网段上所有节点的集合或是以太网上竞争同一带宽节点的集合。

冲突域表示冲突发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。

在OSI模型中，冲突域被看作是OSI第一层的概念，连接同一冲突域的设备有集线器、中继器或其它简单的对信号进行复制的设备。

其中，使用第一层设备（如中继器、集线器）连接的所有节点可被认为是在同一个冲突域内，而第二层设备（如网桥、交换机）和第三层设备（如路由器）既可以划分冲突域，也可以连接不同的冲突域。

广播域

广播域是指可以接收到同样广播消息的节点的集合。

简单地说，在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则其它所有能够接收到这个帧的节点都是该广播域的一部分。

由于许多设备都极易产生广播，因此，如果不进行维护就会消耗大量的带宽，降低网络的效率。

广播域被看作是OSI第二层的概念，因此由中继器、集线器、网桥、交换机等第一、二层设备连接的节点被认为是在同一个广播域中，而路由器、第三层交换机等第三层设备则可以划分广播域。

解决冲突域的方法——CSMA/CD

共享式网络中，不同的主机同时发送数据时，就会产生信号冲突的问题，解决这一问题的方法一般是采用载波侦听多路访问/冲突检测技术（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），缩写CSMA/CD。

CSMA/CD的基本工作过程：

1.终端设备不停的检测共享线路的状态。如果线路空闲，则可以发送数据；如果线路繁忙，则等待一段时间继续检测。

2.如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送的数据会产生冲突。

3.终端设备检测到冲突之后，马上会停止发送自己的数据，并发送特殊的阻塞信息，以强化冲突信号，使线路上其他站点能够尽早检测到冲突。

4.终端设备检测到冲突之后，等待一段时间之后会再进行数据发送。

工作原理可简单的总结为：先听后发，边听边发，冲突停发，随机延迟后重发。

四、计算机通信方式

计算机的两种基本通信方式是串行通信和并行通信。

串行通信指在计算机总线或其他数据通百道上，每次传输一个位元数据，并连续进行以上单次过程的通信方式。串行通信被用于长距离通信以及大多数计算机网络。主要起到主机与外设以及主机之间的数据传输作用，串行通信具有传输线少、成本低的特点，适用于近距离的人-机交换、实时监控等系统。
通信工作当中，借助于现有的电话网也能实现远距离传输，因此串行通信接口是计算机系统当中的常用接口，是一种通信双方按位进行，遵守时序的一种通信方式。

并行通信是在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信。多比特数度据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，数据也就容易出错。

串行和并行的区别

1. 发送数据数量不同：串行通信用一根线在不同的时刻发送8位数据；并行通信在同一时刻发送多位数据。
2. 传输距离不同：串行通信传输距离远、占用资源少，并行通信则传输距离较短
3. 速度不同：串行通信发送速度慢，并行通信发送速度快，占用资源多。

 

在串行通信中,数据通常是在两个站之间进行传送,按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式：单工通信和双工通信中的全双工、半双工。

通信的种类	说明
单工通信（Simplex）	在单工通信中，通信的信道是单向的，发送端与接收端也是固定的，即发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息。基于这种情况，数据信号从一端传送到另外一端，信号流是单方向的。 类似于电视、广播中电磁波信号的传输，一般为固定发送方（电视台、广播站）与固定接收方（接收天线）之间的通信方式。
半双工通信（Half-duplex）	半双工通信（Half-duplex Communication）可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。 在这种工作方式下，发送端可以转变为接收端；相应地，接收端也可以转变为发送端。但是在同一个时刻，信息只能在一个方向上传输。因此，也可以将半双工通信理解为一种切换方向的单工通信。 类似于无线对讲机的通信方式，通信的一方在说话时（信号发送时），另一方不能说话（A→B且B→A）
全双工通信（Full-duplex）	全双工通信（Full duplex Communication）是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。 全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。 在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2根数据线传送数据信号。（可能还需要控制线和状态线，以及地线）。 类似于电话的通信方式，通信的一方正在说话，另一方也可以说话（A→B或B→A）