网络工程网络设备教案

课题纲要

题目：网络硬件设备

内容：详细说明计算机网络的结构分类，介绍服务器、网卡、网线、交换机、路由器、防火墙等网络硬件设备的原理以及工作方式。

学习要求：了解服务器、网卡、网线、交换机、路由器、防火墙等网络硬件设备的原理以及工作方式，掌握计算机网络的结构分类。

重点：1服务器和交换机的工作原理，计算机的网络结构分类。

难点：计算机的网络结构分类及网络硬件设备在其中所起到的作用

教学方式：计算机网络结构分类及优缺点（25分钟）网络传输介质介绍（15分钟）服务器工作原理及工作方式（10分钟）交换机工作原理及工作方式介绍（15分钟）路由器工作原理及工作方式（20分钟）网络安全介绍（5分钟）

所用主要设备仪器：多媒体

教案正文

1.实训目的

了解服务器、网卡、网线、交换机、路由器、防火墙等网络硬件设备的原理以及工作方式。

2.实训内容

服务器、网线、网卡、集线器、交换机、路由器、防火墙。

3.实训器材

服务器、网线、网卡、集线器、交换机、路由器、防火墙等。

4.实训步骤

计算机网络的结构，其实就是网络信道分布的拓朴结构。在计算机网络中，常常把网络的组成形式称之为拓朴结构。常见的拓朴结构有5种：总线型、星型、环型、树型和网状型。

1.总线型

总线型的拓朴结构，是用一条公共线即总线作为传输介质，所有的节点都连接在总线上。总线网络具有布线简单、维护方便、建设成本低等优点，但有网络竞争、易出错和检测困难等缺点。局域网中的以太网就是一种总线拓朴结构的网络。

2.星型

星型拓朴结构的网络是以一个中心节点和若干外围节点相连的计算机网络。星型结构网络的优点是使用网络协议简单，错误容易检测、隔离。缺点是中心节点的

负荷较重，容易出现网络的瓶颈，一旦中心节点发生故障，将导致整个网络瘫痪。客户机和主机的联机系统采用就是星型拓朴结构，属于集中控制式网络。

3.环型

环型拓朴结构式网络上的所有节点都在一个闭合的环路上，网络上的数据按照相同的方向在环路上传输。由于信号单向传递，适宜使用光纤。可以构成高速网络。虽然环型结构简单，传输延迟固定，较好地解决了网络竞争，但是如果网络上的一个节点出现故障，将会影响到整个网络。环型节点的添加和撤消的过程都很复杂，网络扩展和维护都不方便。IBM令牌环网就是一种环型结构网络。

4.树型

树型拓朴结构网络又称为分级集中式网络。是星型结构的扩展，它采用分层结构，具有一个节点和多层分支节点。其特点是网络成本低，结构简单。在网络中，任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，网络中的节点扩充方便灵活，查询链路路径比较方便。但在这种结构的网络系统中，除叶节点及相连的链路外，任何一个工作站及其链路产生故障都可能影响网络系统的正常运行。适用于分级管理的场合，或者是控制型网络的使用。TCP/IP网间网、著名的Internet 采用的就是树型结构。

5.网状型

网状型拓朴结构是一种无规定的连接方式，其中的每个节点均可能与任何节点相连。这种网络结构的主要优点是，节点间路径多，可减少碰撞和阻塞；可靠性高，

局部的故障不会影响整个网络的正常工作；网络扩充和主机入网比较灵活、简单。缺点是网络机制复杂，建网不易。目前大型广域网都采用这种网络结构，目的在于通过邮电部门提供的线路和服务，将若干个不同位置的局域网连接在一起。

以上介绍的网络拓朴结构是基本结构。在实际组建网络时，网络拓朴结构不是单一类型的，而是由几种基本类型混合而成。如局域网常采用的是总线型、星型、环型和树型结构，广域网常采用的是树型和网状型结构。

(1)服务器

在网络中运行着无数的服务器。从字面上就很好理解，为客户机提供服务的计算机就称为服务器。不同的服务器有不同的服务功能，比如DHCP服务器可以为客户机提供动态TCP/IP配置，DNS服务器可以为客户机解析域名，文件服务器可以提供文件共享服务。网络的规模不同，使用的服务器也不同。一般小型网络使用的服务器，就是一台配置比一般客户机要好的主机。但是对于中型网络中的服务器就必须购买专用的服务器才能满足用户的需要，一般这一类的服务器和一般的PC不同，使用专用的CPU，专用的ECC(错误检查和纠正)内存，以及支持热插拨并且能够构建独立磁盘多重阵列的起高速SCSI硬盘。对于大型网络来说一台服务器或者几台服务器根本无法满足用户需求，一般像微软，雅虎这样的大网站，无论使用多好多贵的服务器，如果只有一台是绝对无法满足用户需求。像这样的大型网络，一般都是由几台甚至几十台服务器共同建成为“群集”系统才能够满足需求。

而服务器操作系统也是服务器中的重要内容。常见的服务器操作系统有Windows 2000系列，UNIX/LINUX，NetWare等。其中以Windows 2000系统使用最为广泛，Windows 2000依靠图形化的界面，强大的功能，超强的兼容性和易用性成为目前最受广大用户青睐的一款服务器操作系统。而UNIX/LINUX依靠公开性和安全性(UNIX/LINUX的源代码是对外开放的)，成为Windows惟一的竞争对手。而Novell公司的NetWare现在几乎已经很少看到了，随着时间的流逝NetWare将逐渐从大家的视线中消失。

(2)网线

在计算机网络中，要想让计算机相互通信，必须有传输介质，例如网线使它们相互连接，现在网络中常用的传输介质有同轴电缆、双绞线和光缆，以及现在刚刚光起的无线技术等。

同轴电缆

在早期的网络中，同轴电缆是网线中的主流。但是现在已经基本被双绞线所代替，本节简单介绍一个同轴电缆的相关知识。

同轴电缆是由空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导体组成，两导体间用绝缘材料隔开。

同轴电缆由4个部分组成。

中心导体：中心轴线位置的铜导线，标准同轴电缆中心导体为多芯铜线。

绝缘体：隔离中心导体和导电网，目的是避免短路。

导电网：网状铜导体，与中心导体以一层绝缘体相隔，作为接地线用。在网络信息传输过程中，可用来作为中心导体的参考电压。

外层包裹：保护网线免受外界干扰，并预防网线在不良环境中受到氧化或其他损伤。根据直径同轴电缆还分为粗缆和细缆。

粗缆：传输距离为500m，传输速率为10Mbps，连接时需要两端安装终接器。

细缆：传输距离为185m，传输速率为10Mbps，使用T型头与BNC网卡相连。

同时组缆的成本要比细缆成本高，现在同轴电缆几乎已被光缆和双绞线所取代。

双绞线

双绞线是目前最常用的网线，内有八根铜芯，两两对绞，四对对相互缠绕，其中一对负责发送数据，一对负责接收数据。加外两对则负责连接对方的接收发送接口。在有限的距离以内双绞线的传输率可以达到10～100Mbps，如果距离短，网络经过特殊电子传输技术进，传输率可达100～155Mbps。双绞线可以分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两类。

非屏蔽双绞线(UTP)：只有一层绝缘胶皮，重量轻，组网灵活，而且成本也比较低，目前普通用户使用的双绞线几乎都为非屏蔽双绞线。

屏蔽双绞线(STP)：STP和UTP不同的地方是，在绝缘层和双绞线之间多了

一层金属屏蔽。这样做的好处就是可以以减少电磁辐射对传数据的干扰，同时还能提高数据的传输速率。由于价格昂贵，所以一般只在一些特殊的地方才使用屏蔽双绞线。

双绞线使用国际标准的RJ-45插头与计算机或其他网络设备相连。双绞线中包含4个色对，具体为白橙/橙，白蓝/蓝，白绿/绿，白棕/棕。在568B标准中白橙/橙负责发送数据，白绿/绿负责接收数据，另外两对负责连接对方接口的发送和接收接口。

光缆

光纤全称为光导纤维，主要由有机玻璃构成，光纤传输的是光信号，所以不会受到外界的任何干扰，信号衰减速度也很慢，所以光纤一般传输的最大长度可以达到2000m。光纤的传输速率也非常高，光纤网络的理论最高可以达到50000Gbps。但是光纤传输需要专门的光转换器。光纤被分为两大类，单模和多模。

单模光纤：其特点就是单色光直线传输，仅有一条光通路，传输信息容量大，传输距离长，传输速率高。但成本较高。这类光纤使用于大容量，长距离的通信。

多模光纤：特点为复色光全反射传输。传输距离短，速率也比单模光纤差，但是成本较低，适用于小范围的传输。目前市面上的光纤一般都为多模光纤。

在传输介质中光纤可以算做是性能最为优秀的成员，虽然现在还没有到完全的普及，但是相信随着技术的发展和光纤成本的降低，在不久的将来光纤将会得到全

面的普及。

●无线传输介质

无线网络就是在没有物理连接线路的情况下，以无线电波或者红外线为载体进行网络信息传递的技术，这是近几年才兴起的技术。随着Intel公司的迅驰技术的出现，无线网络技术更是得到了飞速的发展。而无线传输介质也分为两类，一类是红外线，另一类是无线电波。

红外线：红外线传输的主要有以下特点，传输中间不能有阻挡物，要求接收器必须对准发送装置，并且只能在很小的范围之内传输。

无线电波：要求接收装置频率必须一致，并且只能在一定范围之内才能够进行通信。

无线网络技术现在正处在发展阶段，各项技术都还不够成熟。要想普及起来还有很长的路要走。

(3)网卡

网卡又称为“网络适配器”，它是网络中不可缺少的一个设备。

网卡作为连接计算机与计算机之间的桥梁，它的主要功能有以下两点。

●接收网络中传输的数据包，并且将数据包进行解析，当发现数据包不是传给本地计算机时就会将它丢弃，如果确认数据包是发送给本机的，则立即发送到本地计算机。

●封装本地计算机想要发送的数据，并且将它们发送网络当中。

那么网卡是如何标识自己的呢？每一块网卡都有它的物理地址（MAC地址），而且不同的网卡它的MAC地址都是全球唯一的。就好像我们的家庭住址一样。MAC地址是由12位十六进制数组成，其中前6位为网卡的厂商号，后6位为网卡的序列号。如何来查看见MAC地址呢？在命令行提示符中输入ipconfig /all 命令，即可以查看到MAC地址，如图错误!文档中没有指定样式的文字。-1所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-1 MAC地址MAC地址作为网卡的唯一标识，它能否修改呢？答案是肯定的，那么如何修改呢？首先右击“网上邻居”图标，在弹出的快捷菜单中选择“属性”，在网络连接窗口中，右击“本地连接”图标，在弹出的快捷菜单中选择“属性”，弹出“本地连接属性”对话框，单击“配置”按钮，弹出网卡适配器配置窗口，选择“高级”选项卡，继续选择Network Address选项，再选中“值”单选按钮，在文本框中填入一段12位的十六进制数（如FFFFFFFFFFFF），单击“确定”按钮即可更改MAC地址。

完成修改后，可以再输入ipconfig /all命令来进行查看，注意这种修改方法，实际上只是修改MAC地址对外的标识，并不是修改了真正的MAC地址。

网卡一般通过总线接口与计算机相连，按照不同的总线类型可分为ISA网卡，PCI网卡，USB网卡和PCMCIA网卡。

●ISA网卡：ISA是最早的应用在计算机上的总线，ISA网卡最大传输速率为13.33Mbps，支持16位的数据传输，但是ISA网卡不支持热插拔(PnP)。到目前为止ISA网卡基本上已经被淘汰。

●PCI网卡：PCI是Intel公司主导的总线标准，支持32和64位的数据传输，其中32位PCI网卡最大传输速率达到了132Mbps，支持热插拨(PnP)。PCI 网卡也是目前使用最为广泛的网卡。

●USB网卡

USB是由IBM，Intel和Microsoft等公司提出的新一代的总线标准。采用USB总线的设备安装和使用都非常方便，数据传输率非常高，所以现在越来越多的硬件设备都采用USB接口。USB1.1的传输速率为1.5～12Mbps，而USB2.0的传输速率可达到480Mbps。并且支持热插拨。

●PCMCIA网卡

PCMCIA网卡是用于笔记本电脑的一种网卡，它的体积非常小，大概和常见扑克牌差不多大小。

而依据接口，网卡又可以分为BNC接口网卡，RJ-45接口网卡以及现在的无线网

卡。

●BNC网卡

BNC网卡主要连接同轴电缆，一般BNC接口只适合组建总线型的局域网，这款网卡的传输速率也不高，现在BNC网卡已经很少见了。

●RJ-45网卡

RJ-45网卡主要连接双绞线接头。RJ-45网卡使用PCI总线，这种网卡和集线设备组建的网络扩充性强，调试方便，容易排错，所以日前最为流行的网卡。

●无线网卡

通过无线电传输网络信号，主要针对专门的无线设备。

按照网卡的传输速率，网卡又可以分为10Mbps，10/100Mbps自适应（包括100Mbps），1000Mbps和10000Mbps等4种。

(4)集线器

集线器(Hub)是一种集联设备，可以将局域网中的计算机集联起来，就像树的主干一样，集线器为中心节点。

集线器为共享介质设备，它可以把网络中独立的主机连接在一起，并且能够起到扩展网络，放大信号的作用。在局域网中，如果双绞线的长度超过100m，信号的衰减将会达到一定程度，数据将无法识别。早期的网络中，人们会使用中继器对信号做放大处理以扩大网络的范围，但是中继器上只有两个接口，这样远远不能满足一个网络的需求。而集线器的出现完全解决了这个问题，基于这个用途集线器可

以被以为是多口的中继器。

集线器适用于星型网络中的星型接点，这样的网络成本不高，而且某一台计算机的故障不会影响到整个网络的正常运作。但是集线器是一种很“笨”的网络设备，因为它是共享介质，所以网络中它接收到的数据包会无条件地转发给局域网中的任何一台计算机，因为它无法识别数据包的目标地址。比如网络中有10台计算机通过集线器相连，一台计算机要通过集线器发送一个数据给另一台计算机，当数据通过集线器中继时，集线器由于无法判断，它会把数据发送连接它的所有计算机，这样由计算机的网卡来判断本机是否应该接收这个数据。这样的工作方式会大大降低局域网的工作效率，如果计算机达到一定数量，很容易起广播风暴。

集线器的分类也很多。

●依据端口数量分类

集线器端口数量有5口，8口，12口，16口，24口，48口等，其中16口和24口是常用的种类。

●按照传输速度分类

10M集线器：10M集线器的所有端口共享10M带宽，支持10/100M自适应网卡。

100M集线器：100M集线器的所有端口共享100M带宽，支持100M网卡和10/100M自适应网卡。

●按照扩展能力分类

独立型集线器：独立集线器本身没有进一步的扩展能力，但是价格低廉，管理方便，但是性能较差。多用于小型局域网。

堆叠式集线器：堆叠式集线器带有堆叠接口，可以连接多台集线器，方便网络的扩展，一般使用于中型网络。

模块化集线器：便于实施对用户的集中管理，一般使用大型网络。

(5)交换机

前面我们提到了HUB是一个共享介质，即所有端口处在一个冲突域，通过它转发的数据都是以广播的方式出现的，但是这样的传输方式会大大降低网络传输效率和质量，而且当主机数量到达一定程度时还有可能引发广播风暴。

随着网桥的出现这个问题得到了根本的解决。网桥(Bridge)又称为桥接器，它和HUB不同的就是多了一张地址转发表，而且拥有自己的缓存。它可以把网络中计算机的IP地址以及MAC地址储存在它的缓存中，每当有数据包经过网桥，网桥就会根据地址转发表中的配置信息，把数据包直接转发到接收方的计算机，而不像HUB会把数据包发送到接口上的每台计算机。如果在网桥的地址转发表中没有的IP地址通过网桥传送数据，这时网桥也会用广播的方式把数据包转发给接口上的所有计算机。如果确定接收方MAC地址之后，网桥就会把这个新的MAC地址加入自己的地址转发表之中，以后的通信网桥就可以根据地址转发表直接转发数据了。网桥每关闭一次就会释放自己所有的缓存，当重新启动时网桥又会重新记录经过它转发数据的计算机的IP地址以及MAC地址。

但是一般的网桥只有两个接口，这远远不能满足网络的需求，但是随着交换机的出现这个问题得到完全的解决，交换机实际上就是一个多层多口网桥，即每个端口都是一个独立的冲突域，另外它的缓存比网桥大，性能和扩展能力更强。

交换机依据网络和结构分为以下几大类。

●依据网络类型

以太网交换机：应用于以太网中的交换机，因为现在的局域网几乎都是以太网，所以它也是使用最广泛的交换机。我们常说的交换机通常指的就是以太网交换机。

令牌环交换机：应用于令牌环网中的交换机，由于现在使用令牌环的网络已经很少了，所以令牌环交换机已经很少见了。

ATM交换机：应用于ATM网络中的交换机，价格非常昂贵。由于ATM网络现在还没有得到普及，所以ATM交换机也只有在一些特殊的部门才用得到，但是ATM交换机的市场潜力非常大。

●依据结构

固定式交换机：这种交换机成本较低，但是只能提供固定类型的接口，在接口数量和扩展能力上都有很大的局限性，只适用于小型网络。

模块化交换机：价格比较昂贵，但是它能根据插入的不同扩展模块提供不同的速率、接口和功能，这样在大型网络中它适应于任何环境，灵活性和扩展性也非常强。为了保证工作的连续性模化交换机还带有双电源冗余功能。

(5)路由器

路由器工作在OSI开放式参考模型的第三层（网络层）。主要实现不同网络或不同网段的数据转换及连接。可以说当今的Internet就是由无数台路由器接成的网络而组成的。可以说路由器是网络中最重要，最关键的设备。路由器的发展直接影响着Internet的发展。

所谓的路由器就是指通过相互的连接可以使不同的网络以及不同的网段相互连接，从而可以进行数据交互。路由器主要依据TCP/IP协议进行传输和数据封装以及转换。当一个数据在Internet中传输时，当数据包到达第一个路由器时，路由器从数据包中查看到它的目标地址后，路由器会利用自己的处理器为数据包算出一条最佳的传输线路，并将该数据包有效地传送到目的的地址。由此可见，选择最佳传输路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。

路由器也可以分为两大类。

●软件路由器

软件路由器由一台安装了操作系统的主机就可以实现，即安装第三方软件就可以让自己的电脑变为路由器，或者Windows 2000也自带路由功能，只要启用Windwos 2000管理工具中的“路由与远程访问”功能，也可以把一台普通计算机做成路由器。这种路由器功能完全无法与真正的硬件路由器相比，但是可以作为小型网络中的一个临时路由器。

●硬件路由器

功能强大，处理能力强，能够实现多方位的数据转发，但是价格比较高。根据

工作方式路由器又可以分为静态路由器和动态路由器两种。

●静态路由器

其路由表已经被管理员事先设置好了，不能进行更改，静态路由器只能转发路由表中固定的几个网段的IP。它不能随着网络结构的改变而进行改变。

●动态路由器

动态路由器的路由表是根据网络运行的情况进行自动调整，它能够自动记忆，自动调配网络的运行。还可以为数据的传输算出最佳的路径。

硬件路由器由于其技术含量比较高，所以能够生产的厂家也不多，目前世界著名的路由器生产厂商有Cisco，华为3Com等公司。

(5)防火墙

防火墙（Firewall）本意是指那种能够在大火中完全隔离火势的墙，在网络中防火墙是指隔离在本地网络与外界网络之间的一道防御系统，是这一类防范措施的总称。在网络中防火墙是一种非常有效的网络安全模型，通过它可以隔离风险区域（即Internet或有一定风险的网络）与安全区域（局域网）的连接，同时不会妨碍人们对风险区域的访问。一个简单的防火墙只需要一个软件或者路由器就可以实现。复杂的防火墙可以用一台主要甚至一个网段来实现。设置防火墙的目的就是为了让内部网络和外部网络之间建立一个安全通道，任何要经过这个通道的数据都会经过严格的审查，任何不符合要求的数据都会被“拒之门外”。

不同：

对所讲设备侧重点偏向最近流行的路由器，核心交换机。缩减被淘汰设备的介绍时间。主要讲解交换机和路由器的区别。