计算机网络技术及应用：交换机与集线器的区别

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：交换机和交换式集线器均被称为交换机，从外观上看交换机与集线器十分相似。目前，为了解决或减轻局域网中的信息“瓶颈”问题，交换机已迅速代替共享式集线器，并成为组建和升级以太局域网的首选。这就是以太网交换机所谓的帧的转发和学习机制。因此，无论是采用集线器的以太网，还是采用交换机的以太网，都只有一个广播域。因为广播分组能够到达集线器和交换机的所有端口。而对于交换机来说，每一个端口形成一个独立的冲突域。

交换机和交换式集线器均被称为交换机，从外观上看交换机与集线器十分相似。从工程角度看，以太网交换机是一个具有低价位、高性能和高端口密度的设备，是使用交换技术的主流产品。目前，为了解决或减轻局域网中的信息“瓶颈”问题，交换机已迅速代替共享式集线器，并成为组建和升级以太局域网的首选。

1.以太网交换机与集线器的异同

以太网交换机除了包括集线器的所有特性外，还具有自动寻址、交换和处理等功能。下面将简单总结交换机与集线器的异同点。

（1）以太网交换机与集线器的不同之处

1）在OSI模型中所处的位置不同。传统的以太网交换机是在多端口网桥基础上发展起来的，因此，它可以被看作改进了的网桥。交换机工作在数据链路层，属于OSI的第2层的网络互联设备，因此具有第2层的功能，如它能识别第2层的MAC地址，具有差错校验等功能。集线器属于OSI第1层的网络连接设备，由于它处于物理层，因此只有第1层的功能，如信号的再生、放大和转换等。

2）工作原理不同。交换机与网桥的工作十分相似，是按照存储转发原理工作的设备，它与网桥一样具有自动的“过滤”和“学习”功能。以太网交换机检测从以太端口传送来数据帧的MAC地址，然后与系统内部的动态的站表（路径表）进行比较，若该数据帧的MAC地址不在路径表中，则交换机会将该地址加入其中；若在路径表中，则能够找到相同的表项。其次，当数据帧的目的地址与源地址的端口相同时，交换机就不转发该数据帧；不同时，则将该数据帧转发到路径表指明的目的端口处。这就是以太网交换机所谓的帧的转发和学习机制。它按照每一个信息帧中的第2层（如MAC）地址，来筛选以太网的数据帧。它不向所有的端口转发数据帧，而只向目的端口转发数据帧，因此可以显著地提高网络的传输性能。

集线器则不同，当它检测到某个以太网端口发来的数据帧时，直接将该数据帧发往其他所有端口，这样就导致了共享式局域网中竞争信道的问题。

有些交换机除了具有过滤、学习功能外，还具有差错控制的功能。而集线器则无此功能，因此，不能保证数据传输的完整性和正确性。

3）网络工作方式和冲突的范围不同。集线器按广播模式进行工作，当集线器的某个端口工作时，其他所有端口都能够收听到信息，因此集线器组成网络的冲突范围是整个网络，各用户计算机和网络设备的访问冲突是由CSMA/CD来控制的。当网络较大时，网络的性能会由于冲突的激增而急剧下降。另外，也容易产生广播风暴。

交换机工作的时候，只在发出请求的端口和目的端口之间进行通信，而不会影响到其他端口，这样就减少了信号在网络上发生碰撞的机会。因此，其冲突范围是在端口，只要不访问同一端口，而且端口设置为全双工就不会发生冲突。由此可见，交换机能够隔离冲突所发生的区域，减小网络访问的冲突机会，缩小了冲突范围。

4）节点享有的带宽不同。共享式网络的最大问题就是网络中的所有节点用户共享带宽，因此，通信信道在某一个时刻只允许一个用户传递信息。这样，当多个用户需要同时传递信息时，就只能采用争用的规则来争取信道的使用权利，因此大量用户经常处于等待状态，这就严重地影响了网络的性能。也就是说，集线器的多个端口共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能处于等待中。

交换机可以为每个端口的用户或节点提供专用带宽的信息通道，并允许多对节点用户同时按端口的带宽传递信息。

5）端口的通信模式不同。集线器只能工作在半双工模式下，而交换机可以工作在全双工模式下。全双工传输可以提高网络效率，而交换机的全双工通信必须有全双工网卡、交换机端口和介质等设备的支持才能够实现。注意，有些传输介质就不能实现全双工。

6）逻辑拓扑结构不同。集线器组成的网络逻辑拓扑为总线型，而交换机组成的网络逻辑拓扑为星型。

（2）以太网交换机与集线器的相同之处

交换机和集线器只是在工作方式上不同，而在其他方面则完全一致，如连线方式、物理拓扑结构、故障指示、组网功能，以及网卡、传输介质和速度选择等。另外，交换机转发广播信息到所有的端口，因此它和集线器一样不能控制广播风暴。

（3）广播域和冲突域的概念

在选择网络互联设备时，广播域（范围）和冲突域（范围）是两个重要的概念。

广播域是指广播分组所能到达的区域。因此，无论是采用集线器的以太网，还是采用交换机的以太网，都只有一个广播域。因为广播分组能够到达集线器和交换机的所有端口。

冲突域是指网络中一组设备（或用户）的访问冲突范围。CSMA/CD协议能够控制用户对网络的访问冲突。例如，共享集线器的所有端口形成一个共同的冲突域。而对于交换机来说，每一个端口形成一个独立的冲突域。

2.交换机的基本概念

（1）背板带宽

交换机实际上是一台具有特殊用途的计算机，其内部也有CPU、内存和主板，只不过这些部件是专门为数据交换而设计的。背板带宽又称背板吞吐量，它类似于电脑主板上的总线，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。一台交换机的背板带宽越高，处理数据的能力就越强。对于中等规模以上的局域网来说，网络中心的主干交换机对背板带宽的要求比下一级交换机要高，一般可达到几十甚至几百Gb/s的数据吞吐量。一般来说，一台背板带宽为2.4Gb/s的24口交换机（如全向QS-524V交换机）每端口平均分配100Mb/s，可以满足大多数数据传输业务对网络速度的要求。

（2）MAC地址

MAC地址存在于网卡或路由器等设备上，并可以唯一地标识网络设备。通过它可以实现计算机间的网络连接。

MAC地址位于数据链路层，对于每一台计算机的网卡来说，该地址都是唯一的，并且被生产厂商烧制在网卡的硬件电路上。MAC地址也称物理地址，它是由12位16进制数（0～F）组成的。使用48个二进制位来表示，其中的前24位标识网卡的生产厂商，后24位是网卡的序列号，可以通过有关命令（例如，在命令提示符模式下键入“IPconfig/all”）来查询设备的MAC地址。

交换机能够记住连接在端口的计算机网卡上的MAC地址，但这个连接数量是有限的，根据交换机的不同，可能是几个（1～4）、几十个、几百个甚至几千个。中高档交换机MAC地址一般被标识为2K、4K或8K。这个标识的含义为2×1024、4×1024或8×1024个MAC地址空间。假定选择了2K地址空间的交换机，则表示该交换机最多能够支持2048（2×1024=2048）个MAC地址。当这种交换机通过其共享端口，与集线器或其他交换机来扩展连接时，最多可以连接2024台电脑或网络设备。故选择交换机时应根据实际网络的需要来选择交换机支持的MAC地址数量。(www.chuimin.cn)

（3）交换机的类型

交换机与集线器类似，主要有独立式（图3-41）、可堆叠式（图3-42）和模块式（图3-43）3种。许多交换机既是模块化交换机，也支持交换机的堆叠。堆叠是指交换机可以通过模块堆叠，将两台或两台以上的交换机从逻辑上合并成一台交换机，以扩展端口的数量。例如，Intel的Express510交换机具备多达7台的堆叠能力，能将端口数量扩展为196个，背板带宽也将随之扩展。堆叠与级联不同，堆叠相当于并联电路，级联相当于串联电路，并联的效率比串联的效率要高得多。对于一个不断扩展的网络来说，中心交换机必须有堆叠能力，才能满足不断增长的端口数量的需求。而对于一个规模已经基本确定的网络来说，交换机的堆叠能力就显得不那么重要。因此，是否选择能够堆叠的交换机，要视网络的规模和扩展的规模而定。

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图3-41　独立交换机

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图3-42　堆叠式交换机

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图3-43　以太网模块化交换机

3.选择交换机的要点

在选择交换机时，可以从技术的角度、应用规模和品牌角度3个方面进行选择。一般选择中低档交换机时，所涉及的因素较少，而选择中高档交换机时，需要选择和考虑的因素就会较多。综上所述，选择和判断交换机性能的几大要素如下。

（1）根据应用规模选择

1）对于支持500个信息点以上的大型企业来说，应当选择企业级交换机或骨干交换机。

2）对于支持300～500个信息点的大中型企业，可以选择部门级交换机。

3）对于支持100～300个信息点的中小型单位，可以选择工作组级交换机。

4）对于支持10～100个信息点的小型单位，选择工作组级交换机或桌面交换机。

（2）从技术角度进行选择

1）从以太网交换机的工作方式类型进行选择。可选择的有存储转发、直通方式和无碎片直通式3种技术方式。目前，许多厂家的产品都能够同时支持这3种技术，以适应交换机的不同应用。

2）端口的传输模式。应当选择端口同时支持全双工/半双工传输模式的产品，以确保与早期设备有较好的兼容性。

3）提供网管功能。一般中高档交换机都提供管理软件，或者是支持第三方管理软件的功能。例如，许多交换机都内置了简单管理（SNMP）模块，可以方便地支持需要SNMP协议的网管软件的使用，以便对网络实行整体的管理。

4）提供虚拟局域网的管理功能。通过交换机的虚拟局域网技术，可以使用交换机的软件将处于不同物理位置的多个用户进行逻辑上的分组管理。这样，组与组之间既可相互联系，又可彼此独立。从而减小了冲突域，提高了网络的性能和安全性。

5）提供多模块和多类型端口的支持。每个交换机模块就相当于一个独立的小型交换机，提供的模块数目越多，可管理的用户和设备数也就越多。多类型端口支持是指一个交换机能够同时支持多种类型端口的连接，如具有10Base-T、100Base-TX和100Base-FX等端口的交换机可以实现与相应网络的连接。例如，通过10Base-T端口实现与10Mb/s双绞线以太网的连接，通过100Base-TX端口与100Mb/s快速以太网的连接，等等。其中的100Base-FX端口，是指通过该端口可以同100Mb/s的光纤进行连接。需要时，还应考虑是否提供1000Mb/s光纤的连接端口。

（3）根据支持的MAC地址数量

交换机能够记住连接到端口的计算机网卡的MAC地址，但是，是有数量限制的。目前，中小型交换机都能支持2K及以上的MAC地址数量。

4.局域网交换机的主要指标

在选择交换机时，需要了解交换机的各种性能指标。交换机性能指标主要有：交换容量（Gb/s）、背板带宽（Gb/s）、处理能力（Mb/s）、吞吐量（Mb/s）、MAC地址数目和端口的半双工/全双工的支持等。局域网交换机最主要的性能指标还有端口的配置、数据交换能力和信息帧（包）的交换速度等。

计算机网络技术及应用：交换机与集线器的区别

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