網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客-集線器、交換機(jī)與路由器（上）

2019-11-05 01:17:34

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供稿：網(wǎng)友

　　號(hào)稱網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客的集線器（Hub）、交換機(jī)（Switch）與路由器（Router）一直都是網(wǎng)絡(luò)界的活躍分子，但讓很多初入網(wǎng)絡(luò)之門的菜鳥惱火的是，它們?nèi)卟粌H外觀相似，而且經(jīng)常呆在一起，要想分清誰是誰，感覺有點(diǎn)難!就讓我們一起來看看它們之間有什么區(qū)別和聯(lián)系吧!
　　
　　三劍客的工作原理
　　
　　一、集線器
　　
　　1.什么是集線器
　　
　　在熟悉集線器之前，必須先了解一下中繼器。在我們接觸到的網(wǎng)絡(luò)中，最簡單的就是兩臺(tái)電腦通過兩塊網(wǎng)卡構(gòu)成“雙機(jī)互連”，兩塊網(wǎng)卡之間一般是由非屏蔽雙絞線來充當(dāng)信號(hào)線的。由于雙絞線在傳輸信號(hào)時(shí)信號(hào)功率會(huì)逐漸衰減，當(dāng)信號(hào)衰減到一定程度時(shí)將造成信號(hào)失真，因此在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下，雙絞線的最大傳輸距離為100米。當(dāng)兩臺(tái)電腦之間的距離超過100米時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互連，人們便在這兩臺(tái)電腦之間安裝一個(gè)“中繼器”，它的作用就是將已經(jīng)衰減得不完整的信號(hào)經(jīng)過整理，重新產(chǎn)生出完整的信號(hào)再繼續(xù)傳送（圖1）。
　　　網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客-集線器、交換機(jī)與路由器（上）（圖一）

網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客-集線器、交換機(jī)與路由器（上）（圖一）

　　中繼器就是普通集線器的前身，集線器實(shí)際就是一種多端口的中繼器。集線器一般有4、8、16、24、32等數(shù)量的RJ45接口，通過這些接口，集線器便能為相應(yīng)數(shù)量的電腦完成“中繼”功能。由于它在網(wǎng)絡(luò)中處于一種“中心”位置，因此集線器也叫做“Hub”。
　　
　　2.集線器的工作原理
　　
　　集線器的工作原理很簡單，以圖2為例，圖中是一個(gè)具備8個(gè)端口的集線器，共連接了8臺(tái)電腦。集線器處于網(wǎng)絡(luò)的“中心”，通過集線器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，8臺(tái)電腦之間可以互連互通。具體通信過程是這樣的：假如計(jì)算機(jī)1要將一條信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)8，當(dāng)計(jì)算機(jī)1的網(wǎng)卡將信息通過雙絞線送到集線器上時(shí)，集線器并不會(huì)直接將信息送給計(jì)算機(jī)8，它會(huì)將信息進(jìn)行“廣播”——將信息同時(shí)發(fā)送給8個(gè)端口，當(dāng)8個(gè)端口上的計(jì)算機(jī)接收到這條廣播信息時(shí)，會(huì)對(duì)信息進(jìn)行檢查，假如發(fā)現(xiàn)該信息是發(fā)給自己的，則接收，否則不予理睬。由于該信息是計(jì)算機(jī)1發(fā)給計(jì)算機(jī)8的，因此最終計(jì)算機(jī)8會(huì)接收該信息，而其它7臺(tái)電腦看完信息后，會(huì)因?yàn)樾畔⒉皇亲约旱亩唤邮赵撔畔ⅰ?br />　　3.集線器的特點(diǎn)
　　
　　1）共享帶寬
　　
　　集線器的帶寬是指它通信時(shí)能夠達(dá)到的最大速度。目前市面上用于中小型局域網(wǎng)的集線器主要有10Mbps、100Mbps和10/100Mbps自適應(yīng)三種。
　　
　　10Mb帶寬的集線器的傳輸速度最大為10Mbps，即使與它連接的計(jì)算機(jī)使用的是100Mbps網(wǎng)卡，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)速度仍然只有10Mbps。10/100Mbps自適應(yīng)集線器能夠根據(jù)與端口相連的網(wǎng)卡速度自動(dòng)調(diào)整帶寬，當(dāng)與10Mbps的網(wǎng)卡相連時(shí)，其帶寬為10Mb；與100Mbps的網(wǎng)卡相連時(shí)，其帶寬為100Mb，因此這種集線器也叫做“雙速集線器”。
　　
　　集線器是一種“共享”設(shè)備，集線器本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以集線器為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_(tái)終端通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。
　　
　　由于集線器在一個(gè)時(shí)鐘周期中只能傳輸一組信息，假如一臺(tái)集線器連接的機(jī)器數(shù)目較多，并且多臺(tái)機(jī)器經(jīng)常需要同時(shí)通信時(shí)，將導(dǎo)致集線器的工作效率很差，如發(fā)生信息堵塞、碰撞等。
　　
　　為什么會(huì)這樣呢?打給比方，以圖2為例，當(dāng)計(jì)算機(jī)1正在通過集線器發(fā)信息給計(jì)算機(jī)8時(shí)，假如此時(shí)計(jì)算機(jī)2也想通過集線器將信息發(fā)給計(jì)算機(jī)7，當(dāng)它試圖與集線器聯(lián)系時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)集線器正在忙計(jì)算機(jī)1的事情，于是計(jì)算機(jī)2便會(huì)“帶”著數(shù)據(jù)站在集線器的面前等待，并時(shí)時(shí)要求集線器停下計(jì)算機(jī)1的活來幫自己干。假如計(jì)算機(jī)2成功地將集線器“搶”過來了（由于集線器是“共享”的，因此很輕易搶到手），此時(shí)正處于傳輸狀態(tài)的計(jì)算機(jī)1的數(shù)據(jù)便會(huì)停止，于是計(jì)算機(jī)1也會(huì)去“搶”集線器……
　　網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客-集線器、交換機(jī)與路由器（上）（圖二）

網(wǎng)絡(luò)硬件三劍客-集線器、交換機(jī)與路由器（上）（圖二）

　　可見，集線器上每個(gè)端口的真實(shí)速度除了與集線器的帶寬有關(guān)外，與同時(shí)工作的設(shè)備數(shù)量也有關(guān)。比如說一個(gè)帶寬為10Mb的集線器上連接了8臺(tái)計(jì)算機(jī)，當(dāng)這8臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)工作時(shí)，則每臺(tái)計(jì)算機(jī)真正所擁有的帶寬是10/8=1.25Mb!
　　
　　2半雙工
　　
　　先說說全雙工：兩臺(tái)設(shè)備在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送或接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工。而處于半雙工傳送方式的設(shè)備，當(dāng)其中一臺(tái)設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，另一臺(tái)只能接收，而不能同時(shí)將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
　　
　　由于集線器采取的是“廣播”傳輸信息的方式，因此集線器傳送數(shù)據(jù)時(shí)只能工作在半雙工狀態(tài)下，比如說計(jì)算機(jī)1與計(jì)算機(jī)8需要相互傳送一些數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)1在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)8只能接收計(jì)算機(jī)1發(fā)過來的數(shù)據(jù)，只有等計(jì)算機(jī)1停止發(fā)送并做好了接收預(yù)備，它才能將自己的信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)1或其它計(jì)算機(jī)。
　　二、交換機(jī)
　　
　　1.什么是交換機(jī)
　　
　　交換機(jī)也叫交換式集線器，它通過對(duì)信息進(jìn)行重新生成，并經(jīng)過內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)發(fā)至指定端口，具備自動(dòng)尋址能力和交換作用，由于交換機(jī)根據(jù)所傳遞信息包的目的地址，將每一信息包獨(dú)立地從源端口送至目的端口，避免了和其他端口發(fā)生碰撞。廣義的交換機(jī)就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。
　　
　　2.交換機(jī)的工作原理
　　
　　在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，交換機(jī)是針對(duì)共享工作模式的弱點(diǎn)而推出的。集線器是采用共享工作模式的代表，假如把集線器比作一個(gè)郵遞員，那么這個(gè)郵遞員是個(gè)不熟悉字的“傻瓜”——要他去送信，他不知道直接根據(jù)信件上的地址將信件送給收信人，只會(huì)拿著信分發(fā)給所有的人，然后讓接收的人根據(jù)地址信息來判定是不是自己的!而交換機(jī)則是一個(gè)“聰明”的郵遞員——交換機(jī)擁有一條高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上，當(dāng)控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對(duì)照表以確定目的MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個(gè)端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口。目的MAC若不存在，交換機(jī)才廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的地址，并把它添加入內(nèi)部地址表中。
　　
　　可見，交換機(jī)在收到某個(gè)網(wǎng)卡發(fā)過來的“信件”時(shí)，會(huì)根據(jù)上面的地址信息，以及自己把握的“常住居民戶口簿”快速將信件送到收信人的手中。萬一收信人的地址不在“戶口簿”上，交換機(jī)才會(huì)像集線器一樣將信分發(fā)給所有的人，然后從中找到收信人。而找到收信人之后，交換機(jī)會(huì)馬上將這個(gè)人的信息登記到“戶口簿”上，這樣以后再為該客戶服務(wù)時(shí)，就可以迅速將信件送達(dá)了。
　　
　　3.交換機(jī)的性能特點(diǎn)
　　
　　1）獨(dú)享帶寬
　　
　　由于交換機(jī)能夠智能化地根據(jù)地址信息將數(shù)據(jù)快速送到目的地，因此它不會(huì)像集線器那樣在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)“打攪”那些非收信人。這樣一來，交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口組之間的數(shù)據(jù)傳輸。并且每個(gè)端口都可視為是獨(dú)立的網(wǎng)段，相互通信的雙方獨(dú)自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競爭使用。比如說，當(dāng)A主機(jī)向D主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，B主機(jī)可同時(shí)向C主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬——假設(shè)此時(shí)它們使用的是10Mb的交換機(jī)，那么該交換機(jī)此時(shí)的總流通量就等于2×10Mb=20Mb。
　　
　　2）全雙工
　　
　　當(dāng)交換機(jī)上的兩個(gè)端口在通信時(shí)，由于它們之間的通道是相對(duì)獨(dú)立的，因此它們可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。
　　
　　三、集線器與交換機(jī)的區(qū)別
　　
　　從兩者的工作原理來看，交換機(jī)和集線器是有很大差別的。首先，從OSI體系結(jié)構(gòu)來看，集線器屬于OSI的第一層物理層設(shè)備，而交換機(jī)屬于OSI的第二層數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。
　　
　　其次，從工作方式來看，集線器采用一種“廣播”模式，因此很輕易產(chǎn)生“廣播風(fēng)暴”，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)性能會(huì)受到很大的影響。而當(dāng)交換機(jī)工作的時(shí)候，只有發(fā)出請(qǐng)求的端口和目的端口之間相互響應(yīng)而不影響其他端口，因此交換機(jī)能夠在一定程度上隔離沖突域和有效抑制“廣播風(fēng)暴”的產(chǎn)生。
　　
　　另外，從帶寬來看，集線器不管有多少個(gè)端口，所有端口都是共享一條帶寬，在同一時(shí)刻只能有兩個(gè)端口傳送數(shù)據(jù)，其他端口只能等待，同時(shí)集線器只能工作在半雙工模式下；而對(duì)于交換機(jī)而言，每個(gè)端口都有一條獨(dú)占的帶寬，當(dāng)兩個(gè)端口工作時(shí)并不影響其他端口的工作，同時(shí)交換機(jī)不但可以工作在半雙工模式下而且可以工作在全雙工模式下。
　　
　　假如用最簡單的語言敘述交換機(jī)與集線器的區(qū)別，那就應(yīng)該是智能與非智能的區(qū)別。集線器說白了只是連接多個(gè)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它只能起到信號(hào)放大和傳輸?shù)淖饔茫荒軐?duì)信號(hào)中的碎片進(jìn)行處理，所以在傳輸過程中輕易出錯(cuò)。而交換機(jī)則可以看作為是一種智能型的集線器，它除了擁有集線器的所有特性外，還具有自動(dòng)尋址、交換、處理的功能。并且在數(shù)據(jù)傳遞過程中，發(fā)送端與接受端獨(dú)立工作，不與其它端口發(fā)生關(guān)系，從而達(dá)到防止數(shù)據(jù)丟失和提高吞吐量的目的。

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