有趣的网络硬件概念解释

新手入门应该搞清楚的几个有关网络的概念
说到网络的原理，当时我自己在学习的时候确实费了不少脑子，特别是深入的理解，但是理解这些概念对以后的实践绝对是有好处的。所以在这儿陆续提一下，大伙儿可以在网上查找这些概念的说明与定义。有问题来这儿大家讨论  
     
    冲突(Collisions)、冲突域  
    广播(Broadcast)、广播域  
    载波侦听多路访问/碰撞检测  
    HUB的工作原理  
    交换机的工作原理  
    路由器的工作原理  
     
    计算机网络通信象极了人与人之间的通信。一个人对一个人说话的时候总是一个说完了一个再说，要是两个一起说就会有冲突，要是两个或多个同时对一个人说冲突更大。所以要就安排好你说完了他说，他说完了我再说，我说完了你接着说。这种安排，就是大家在交流时达成的协议。  
     
    HUB就象大家在一间大房子里。而交换机就是每个人有一个单间儿。大房子里说话不容易，要抢发言权。甲跟乙说的时候，丙得在旁边等着，就算是他要跟丁说，也得等甲和乙说完以后再说，因为两对一起说的时候，就互相干扰了，这就叫冲突、碰撞。有了单间儿以后呢，世界清净了，每个房间都有电话线，甲跟乙讲电话的时候，并不影响丙和丁讲电话。所以冲突域就变小了。当然，房东要通知大家的交水电费和房租的时候，就广播一下，每个小间儿里的人就都知道了。  
     
    广播是什么呢？大家有了单间儿住，也装了电话，可惜房东大妈买的电话不灵，这种电话不是拨号的。甲跟乙通话前，先得来一嗓子，大叫一声“乙”，乙说“在”，甲再说“拿起话筒”，然后乙提起话筒，于是一个TCP连接建好了，两边开始通话。这一嗓子，不但乙听见了，而且每个房间里的人都听见了，这就是广播，只不过别人听了不是找他，就不理，把这个广播包扔了。  
     
    继续今天的故事。  
    单间儿里的人们住得久了，也聊腻了，于是乎想和外面的世界对对话。房东大妈不失时机的弄来了新玩意儿??路由器，这个东西能把不同楼里的房间连起来，还能让彼此之间互不干扰。所谓互不干扰就是A楼里住小间的人喊一嗓子只能传遍A楼，B楼听不到。反之亦然，于是，广播域就被路由器隔开了。A楼连了B楼，B楼连了C楼，一楼一楼这些连下去，好家伙，没多大功夫成千上万的楼被连在了一起。各楼的房东大妈聚在一起，商量着着给她们的住客做上标记，别让找错了门儿。商量来商量去，终于觉得楼号加房间号是个不错的方案，于是乎IP地址诞生。住单间的人想和外面的世界聊天，只要对着路由器喊一声，我找谁谁谁，把对方的IP地址告诉路由器，然后就等着路由器一跳一跳地把消息送出去，再把对方的消息带回来。

硬盘驱动器简称硬盘，是PC机配置的大容量外部存储器，由于采用了温彻斯特（Winchester）技术，因此又称为温盘驱动器或温盘。硬盘都是采用全密封结构。
    软盘尽管有携带方便、便于保存和更换的优点，但却存在容量小。速度慢的致命弱点。
    对于运行稍大一点的软件系统而言，没有硬盘是令人无法想象的。硬盘驱动器在基本原理上与软盘系统非常相似。主要区别在于磁盘的制造材料和转速。硬盘盘片是在铝片上涂敷一层磁性粒子而制成的，硬盘驱动器的转速大约是软盘驱动器转速的十倍以上（硬盘速度在3600转／分以上，而软盘的转速只有300或360转／分）容量则是软盘的几十倍甚至上千倍。因为速度高得多，磁介质也坚固，读写操作用的磁头更精密。
    PC机发展至今，硬盘己成为各档次机型的主要配置之一，容量从初期的10MB发展到今天的几十至几百MB，还有GB、TB数量级的，而价格却“一落千丈”，早期的10MB硬盘比目前的1GB硬盘价格还要贵上几倍，可见价格落幅之大，硬盘在PC机发展史上绝对是单位价格落幅最大的器件，这也是硬盘技术的发展海用户带来的最大好处。
    硬盘驱动器的类型与规格
    PC机上所配硬盘按固定方式分为两种，一为固定式，一为活动式，所谓固定式硬盘就是固定在PC机壳内，且容量也是固定的。当容量不足时，可再扩充另一台硬盘（一般最多可以接两台〕；而活动式硬盘则如同软驱一样，是以磁盘的方式处理，但其速度与容量都远远超过软驱，这种硬盘容量有50MB、80MB等不同规格，适合于备份数据或多个用户使用同一台PC机时使用。
    按外形尺寸分有全高、半高和薄型；按盘径大小分目前主要有5．25英寸（135mm）、35英寸（90mm）、25英寸（64mm）、18英寸（46mm）和l3英寸（33mm）等五种，其中5．25英寸的硬盘主要配置在早期286以下的PC机，目前台式PC机中一般都是配置3．5英寸硬盘，也有少量台式机配2．5英寸硬盘，而PC便携机中则主要是配置25英寸以下的硬盘；按容量分有10MB、20MB、30MB至数个GB等多种类型（5.25英寸硬盘多用于老式XT和AT机中，容量一般为10-80MB）。目前的趋势是向大容量、小尺寸发展。
    按硬盘的接口方式分主要有：ST506／412接口、IDE接口（即ATBUS接口）、ESDI接口、SCSI接口、MSD接口、IPI接口和ISI接口。PC机中主要采用的接口方式则为：ST506／412接口、IDE接口（即ATBUS接口）、ESDI接口和SCSI接口。ST506／412接口主要是容量为10MB至44MB的硬盘，40MB至50MB硬盘则一般采用IDE接口，而大于50MB的硬盘则主要采用SCSI接口或ESDI接口。
    硬盘驱动器的性能指标
    硬盘驱动器的性能指标主要有：盘径、接口类型、磁头数、柱面数、每磁道扇区数、数据传输速率、磁盘转速、电源、重量、MTBF（硬盘平均使用寿命）等。
    硬盘定位并查询某个扇区中数据的总时间包括以下三个方面时间的总和：
    1）磁头定位到目标磁道所需的时间；
    2）找到目标扇区所需时间；
    3）选取扇区数据所需时间：
    这个时间值被称为硬盘的存取时间或硬盘速度。一般XT机配置的硬盘其硬盘速度为85ms左右， 286机为 28ms左右， 28ms对于386系统可能稍显缓慢， 486系统中则应配置在15ms以下的IDE、SCSI或ESDI硬盘。
硬盘的容量是由硬盘的磁头数、柱面数和每磁道扇区数决定的，因PC机中每扇区容量为512字节，所以硬盘容量的具体计算公式为：
    总容量（字节数） ＝512X磁头数X柱面数X每磁道扇区数
    例如， CP30104型硬盘的磁头数为8、柱面数为765、每磁道扇区数为39，则其总容量为：
    512X8X765X39=1220416字节＝12220416/1024/1024=117MB（lKB=1024B 1MB＝1024KB ）
    硬盘的平均使用寿命（MTBF）根据驱动器类型不同在40 000-150 000小时之间。容量越大的驱动器，价格越高，使用期限也越长。但MTBF仅仅是一个参考值，用户个能过于相信制造商所提供的MTBF数据，对用户而言最可靠的是能提供较长的保修期。例如，对于MTBF为150，000小时的驱动器，如果每天使用8小时，应该能用51年，即使每人使用24小时也应该能用17年。但实际上，硬盘驱动器的出现是十多年前的事情，因此制造商们根本无法提供高达150，000小时使用期限的验证或测试。
    2.概念荟萃
    IDE接口
    IDE （Intelligent Drive Electronics）接口，即智能化驱动器电子接口，又名AT BUS接口，多见于3．5英寸硬盘，容量从20-500MB不等，目前市场上40-500MB的硬盘大多采用IDE接口，主要优点在于兼容性高、速度快、价格低廉。其主要特点是：
    1）采用高性能的旋转音圈电机，配以嵌入式的扇区伺服机构，定位精确，速度快，其传输速率达7.5MB／s以上，且省电、抗震性能好、断电后磁头能自动锁定在启停区。
    2）采用控制线和数据线合用的40线插座及4线直流电源线插座，安装简单。所有的控制器电子设备都集成到驱动器上，IDE驱动器仅仅需要一个价格低廉的接口与总线相连接，因此控制器卡价格低廉。
    3）IDE控制卡可支持两个硬盘。与ST506／412接口不同，当连接两个硬盘时，无需外加控制信号电缆。两个硬盘的主从关系取决于硬盘电路板上的短路接头C/D。硬盘上都标示了Master（主）／Slave（从）的具体使用方法。需注意的是作为Slave的2号硬盘的起始盘符恒为D：，若在已定义有多个DOS逻辑盘的系统中添加第二个硬盘，则原所有逻辑盘号应相应后移。
    4）接口卡无需另配驱动程序，所有的IDE硬盘均能由系统BIOS利用保存在CMOS中的硬盘参数直接驱动。对于不同的lDE硬盘，必须在系统CMOS中为其设置并保存相应的硬盘参数，若参数不对，有可能使系统不认此硬盘
    3、ESDI接口
ESDI（Enhanced Small Disk Interface）即“增强型小型磁盘机接口”是由美国Maxtor、 Shugart、CDC和XEBFC等公司联合开发的，它吸收了ST506/412和其它一些非标准接口的优点，使其更适合于大容量硬盘的工作。ESDI接口的主要特点是：
    l）具有浮动的数据传输速率（从1O-15MB／s），适合于大容量硬盘驱动器。
    2）数据的编码和译码不在控制器板上进行，而由硬盘驱动器承担。
    3）ESDI驱动器具有很快的磁盘存取速度，通常为15ms～18ms。
    4）具有34条控制线和20条数据线，大部分控制线和信号线与ST506 ／412接口一致只是增加了一些信号，数据线信号的读写数据都改成了不归零制（NRZ）编码数据。
    4、SCSI接口
    SCSI（Small Computer System Interface）接口是小型计算机接口的简称，是一种多用途的输入输出接口，除用于磁盘外，还广东省用于光盘驱动器、磁带机、扫描仪、打印机等设备。一条SCSI总线最多可以连接8台设备，为了区分各个设备，每个设备拥有一个ID号（0～7）。适用于多用户多任务处理。
    SCSI驱动器一次可以处理8位数据，因而有较高的数据传送速率（5～40MB／s），相比较而言，MFM、RLL以及ESDI等硬驱都是串行系统，即一次只能传送1位数据。SCSI具有不需要理解外部设备特有的物理属性（如磁盘的柱面数、磁头数和每磁道扇区数等设备固有的参数）就可以进行高水平逻辑操作的命令体系，因此不需要将其类型编号输入到CMOS安装记录中，对外部设备的更新换代和系统的系列化提供了灵活的处理手段。
SCSI驱动器适合进行备份工作，因为这种备份速度恨快。用户可以快速和容易地将文件从IDE盘拷贝到SCSI盘。
SCSI控制器的类型很多功能和价格也各不相同。
    ◎ATAPI：
    ATAPI为（AT Attachment Packet Interface）的缩写，或称ATA（AT Attachment）接口，其结构为将硬盘控制卡与硬盘的电路合二为一以降低成本，它是由Compaq公司以PC／AT为结构而设计，即我们所说的AT总线，正因为是集成的硬盘控制卡和硬盘电路，故一般也称为IDE（Integrated Disc Electronics）硬盘。E-IDE是Enhanced IDE的缩写，是WD（Westem Digital）公司对IDE的增强改进型接品，IDE最大的功能是可突破早期IDE接口无法控制528MB以上容量硬盘，它也可作为IDE外围设备的接口。目前Pentium主板上都有两个IDE端口的标准接口，其功能归纳如下：
    ○可控制528MB以上容量的硬盘。
    ○可接4个IDE接口的外围设备（IDE的硬盘，120MB软盘驱动器、光盘驱动器、磁带机、便携硬盘等）。
    可支持ATAPI（AT Attachment Peripheral Interface）标准接口的外围设备。
    Fast-ATA:（Fast-ATA-2、Fast-ATA-3）
    Fast-ATA接口，是Seagate公司为了改进IDE接口无法控制528MB以上高容量的硬盘而制订的规格，支持的最高容量可达8．4GB，只要符合ATAPI的接口都可使用，可同时连接4个外围设备（硬盘、光盘驱动器，便携硬盘等），而且数据的传输率也提高了，目前市面上有ATA-2、 ATA3和ATA4较快的规格，其数据的传输率达167MB／Sec。
    Ultra-DMA 33：
    Ultra-DMA 33标准接口是由Intel和Quantum公司共同制订的规格，其主要的目的是，在不必更换扁平缆线的情况下，即可使用主板的IDE接口（E-IDE），不过，主板的BIOS和芯片组必须支持Ultra DMA 33规格，另外还要使用Ultra DMA 33的硬盘，方可真正实现33MB／Sec的传输率，否则只能使用E-IDE规格的16．7MB/Sec
的传输速率。
    磁头停放的磁道（ Head Parking Track）：
    当硬盘格式化时，会把盘片最内的同心圆规划为磁头安全停放的磁道，不存放任何数据，专供关机时磁头的停放区，以免硬盘搬动时，发生磁头撞击而导致磁道上数据的丢失，目前新的硬盘都有自动停放磁头（Auto Park）的设计，当关机时，音圈（启动）马达会将磁头驱动臂的磁头推向盘片最内圈的同心圆，并停放在安全磁道
    磁头0磁道：
    当电脑开机硬盘主轴马达开始运转时，其产生的空气浮力会使硬盘的磁头快速飘浮移至金属盘片的最外围，同心圆的第0磁道待命（Stand By）。第0磁道存放了硬盘的启动程序，硬盘的文件分配表（FAT）、根目录等数据，因此电脑开机时，请勿任意搬动硬盘，以免发生磁头撞击硬盘盘片而损坏硬盘。
    引导记录区（Root Record）
    开机时BIOS就会先去执行硬盘第0面，第0磁道，第1扇区的引导记录区的程序，把有关硬盘内部的记录（磁柱面总数、扇区大小、 FAT表、目录大小）和DOS的基本数据（COMMAND.COM， IO.SYS， MSDOS．SYS）载入内存，完成开机启动的基本操作。
    搜导时间（Seek Time）
    是指读写头搜寻数据移动至盘片的磁道进行定位所需要的时间，一般取其平均值，以ms（毫秒）为单位，又称为寻道定位时间（Position Time）。搜寻时间分为最大（Maximum）、最小（Minimum）和平均（Average）三种时间。一般以平均搜寻时间（Average Seek Time）作为硬盘的速度规格，硬盘速度的快慢以此值为标准，目前较快的IDE硬盘为8ms～12ms。
    存取时间（Access Time）磁头从硬盘搜寻数据，盘片旋转等待，至数据存取所需的时间。
    硬盘存取数据的时间＝搜寻时间+等待时间。
    传输率（Transfer Rate）：
    数据的传输率，分内部传输和外部传输：
---------------------------内部的传输：--------------------
    硬盘内部的传输，是指硬盘盘片读写的数据传送至硬盘的超高速缓冲区（Cache Buffer）的速率，一般以Mbit/Sec（Mega Bits EGA bits Per Second）单位。目前较快的IDE硬盘有88Mbit/Sec的传送速率，较快的SCSI硬盘有122～177 Mbit/Sec的传送速率。
---------------------------外部的传输：----------------------
    数据从主机的内存传送至硬盘的超高速缓冲区（Cache Bumffer）或从硬盘的缓冲区传送至主机的内存／称为外部传输率，以MByte/Sec（Mega Bytes Per Second）为单位。数据传输率的传输模式有PIO Mode 0至PIO Mode 5，以及DMA Mode l至DMA Mode 2。目前较快的传输率有Ultra DMA模式，一般较快硬盘的传输率为20MByte/SES至45MByte／sec。
--------------------------硬盘的分区表（Partition Table）-------------------
    一个硬盘经过FDISK的划分和高级格式化以后，会在所属的操作系统中建立分区表，记录一些有关硬盘给哪一种操作系统使用，硬盘的容量大小以及开始磁柱面和结束磁柱面的分配，哪一个硬盘启动，引导区（Boot Sector），文件分配表（FAT）、根目录和数据区等一系列数据。现将

整个IP网络由许多子网络构成，各子网络又由许多主机组成。子网内部的主机通信，由链路协议直接进行；子网之间的主机通信，要通过路由器来完成。路由器是多个子网的成员，在它的内部有一张表示Net ID与下一跳端口对应关系的路由表。通信起点主机发出IP包被路由器接收后，路由器查路由表，确定下一跳输出端口，发给下一台路由器，这台路由器又转发给另外一台路由器，用这样一跳接着一跳的方式，直到通信终点另一台主机收到这个IP包。
IP协议把网络划分为物理层（L1）、链路层（L2）、网络层（L3）、传输层（L4）及应用层（L7）五个层次。处理物理层的设备为集线器，处理链路层的设备为L2以太交换机，路由器是在网络层转发数据的设备。L3以太网交换机是IP网络路由器的特例，通常只有以太线路接口，工作在纯以太网络环境中。

路由表是工作在IP协议网络层实现子网之间转发数据的设备。路由器内部可以划分为控制平面和数据通道。在控制平面上，路由协议可以有不同的类型。路由器通过路由协议交换网络的拓扑结构信息，依照拓扑结构动态生成路由表。在数据通道上，转发引擎从输入线路接收IP包后，分析与修改包头，使用转发表查找输出端口，把数据交换到输出线路上。转发表是根据路由表生成的，其表项和路由表项有直接对应关系，但转发表的格式和路由表的格式不同，它更适合实现快速查找。转发的主要流程包括线路输入、包头分析、数据存储、包头修改和线路输出。
路由协议根据网络拓扑结构动态生成路由表。IP协议把整个网络划分为管理区域，这些管理区域称为自治域，自治域区号实行全网统一管理。这样，路由协议就有域内协议和域间协议之分。域内路由协议，如OSPF、IS-IS，在路由器间交换管理域内代表网络拓扑结构的链路状态，根据链路状态推导出路由表。域间路由协议相邻节点交换数据，不能使用多播方式，只能采用指定的点到点连接。

路由器的控制平面，运行在通用CPU系统中，多年来一直没有多少变化。在高可用性设计中，可以采用双主控进行主从式备份，来保证控制平面的可靠性。路由器的数据通道，为适应不同的线路速度，不同的系统容量，采用了不同的实现技术。 路由器的结构体系正是根据数据通道转发引擎的实现机理来区分。简单而言，可以分为软件转发路由器和硬件转发路由器。软件转发路由器使用CPU软件技术实现数据转发，根据使用CPU的数目，进一步区分为单CPU的集中式和多CPU的分布式。硬件转发路由器使用网络处理器硬件技术实现数据转发，根据使用网络处理器的数目及网络处理器在设备中的位置，进一步细分为单网络处理器的集中式、多网络处理器的负荷分担并行式和中心交换分布式。

路由器控制平面部分和数据通道部分对路由器的使用有着不同的影响。在数据通道上，IP报文处理能力主要受交换部件的有效带宽和转发部分的处理速度影响。交换带宽，用技术指标bps（比特/秒）来衡量，一般在纯大包的条件下测定。转发速度，用技术指标pps（包/秒）来衡量，一般在纯小包的条件下测定。软件转发单CPU路由器，交换带宽和转发能力为系统共享，线路卡个数不同，各线路卡会有不同的性能表现。软件转发多CPU路由器，转发能力有明显优势，交换带宽没有明显提高。硬件转发路由器，一般要针对线速进行设计，系统交换带宽大于各线路接口的总和，转发处理能力在纯小包的情形下也能胜任，区别的只是容量和价格。线速路由器，保证线路接口在各种情况下能够达到满速，这时候，是线路而非设备是网络的瓶颈。另外，IP业务，如ACL，NAT、IPSec等，是否造成性能下降，也是设计和使用路由器要考虑的问题。

在控制平面上，小型网络问题不大，只要支持选用的路由协议就可以了。对于大型网络，特别是有独立自治域号的运营商网络，在路由协议类型满足要求的情况下，应该考察路由表项大小是否满足、域间路由协议相邻节点的连接数目是否满足、路由表项更新速度如何、路由更新时对数据通道上的处理有无影响等等。