集线器

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集线器(Hub)

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什么是集线器

  集线器是指将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的设备。集线器是运作在OSI模型中的实体层。它可以视作多端口的中继器,若它侦测到碰撞,它会提交jam signal。(如右图所示)

  集线器通常会附上BNC and/or AUI转接头来连接传统10BASE2或10BASE5网络。

  由于集线器会把进来的信号送到除了发出者之外的每一个连接着的端口,造成信号之间碰撞的机会很大,而且信号也可能被窃听,因此大部份集线器已被交换机取代。

集线器的特点[1]

  (1)广播式发送。数据信息会被发送到每一个端口,即除了目的工作站外,连接在此集线器上的所有工作站都能感觉到该数据的存在,因此对要求数据有一定安全性的系统来说是不合适的。

  (2)共享带宽。集线器上所有站点均在争用媒体而共同分享带宽,连接在集线器上的每一个站点的平均带宽为:系统带宽/站点数咒,站点数越多(行越大)时,每一个站点得到的平均带宽就越小,所以集线器不适合于站点数多、高负荷的应用环境。

  (3)半双工工作。工作站不能同时发送和接收数据,从而使得网络工作效率不高。

集线器的分类[2]

  1.单中继网段集线器

  在硬件平台中,第一类集线器是一种简单的中继LAN网段,最好的例子是叠加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件(MAU)。某些厂商试图在可管理集线器和不可管理集线器之间划出一条界限,以便进行硬件分类。这里忽略了网络硬件本身的核心特性,即它实现什么功能,而不是如何简易地配置它。

  2.端口交换式集线器

  端口交换式集线器是在多网段集线器的基础上将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化,并通过增加端口交换矩阵(PSM)来实现的。PSM提供一种自动工具,用于将任何外来用户端.口连接到集线器背板上的任何中继网段上。这一技术的关键是“矩阵”,一个矩阵交换机是一种电缆交换机,它不能自动操作,要求用户介入。它不能代替网桥路由器,并不提供不同LAN网段之间的连接性,其主要优点是实现移动、增加和修改的自动化。

  3.多网段集线器

  多网段集线器是从第一类集线器直接派生出来的,采用集线器背板,这种集线器带有多个中继网段。多网段集线器通常有多个接口卡槽位的机箱系统。然而,一些非模块化叠加式集线器现在也支持多个中继网段。多网段集线器的主要技术优点是可以将用户分布于多个中继网段上,以减少每个网段的信息流量负载,网段之间的信息流量一般要求有独立的网桥或路由器。

  4.交换式集线器

  目前,集线器和交换机之间的界限已变得模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板,采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市,并且混合的(中继/交换)集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出,集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。

  5.网络互联集线器

  端口交换式集线器注重端口交换,而网络互联集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。这可以通过一台综合网桥、路由器或LAN交换机来完成。目前,这类集线器通常都采用机箱形式。

集线器的原理[2]

  在环型网络中只存在一个物理信号的传输通道,就是通过一条传输介质来传输,这样就存在各节点争抢信道的矛盾,传输效率较低。引入集线器这一网络设备后,每一个站用它专用的传输介质连接到集线器上,各节点问不再只有一个传输通道,各节点发回来的信号通过集线器集中,集线器再把信号整形、放大后发送到所有节点上,这样至少在上行通道上不再出现碰撞现象。但基于集线器的网络仍然是一个共享介质的局域网,这里的“共享”其实就是集线器内部总线,所以当上行通道与下行通道同时发送数据时仍然会存在信号碰撞现象。当集线器将从其内部端口检测到碰撞时,产生碰撞强化信号(Jam)向集线器所连接的目标端口进行传送。这时所有的数据都将不能发送成功,形成网络“大塞车”。

  由集线器构建的网络称为共享网络,由同一网段内所有的计算机共享固有宽带。同一时刻,网络中只能有两台计算机进行通信,接收或发送,不能同时进行收发工作,否则,由于碰撞冲突而导致通信失败。在集线器中虽然各节点与集线器的连接已有各自独立的通道,但是在集线器内部却只有一个共同的通道,上、下行数据都必须通过这个共享通道发送和接收数据,这样有可能像单车道一样,当上、下行通道同时有数据发送时,就可能出现塞车现象。

  正因为集线器的这一不足之处,所以它不能单独应用于较大网络中(通常是与交换机等设备一起分担小部分的网络通信负荷)。像在大城市中心不能有单车道一样,因为网络越多,出现网络碰撞现象的机会就越大。也正因如此,集线器的数据传输效率比较低,因为它在同一时刻只能有一个方向的数据传输,也就是所谓的“单工”方式。如果网络中要选用集线器作为单一的集线设备,则网络规模最好在10台以内,而且集线器带宽应为10/100Mb/s以上。

  集线器除了共享带宽这一不足之处外,还有一个方面在选择集线器时必须要考虑到,那就是它的广播方式。因为集线器属于纯硬件网络底层设备,基本上不具有“智能记忆”的能力,它也不具备交换机所具有的MAC地址表,所以它发送数据时都是没有针对性的,而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时,不是直接把数据发送到目的节点,而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。

  这种广播发送数据方式有以下两方面缺点:

  (1)用户数据包向所有节点发送数据很可能带来数据通信的不安全,一些别有用心的人很容易非法截获他人的数据包。

  (2)由于所有数据包都是向所有节点同时发送,加上以上所介绍的共享带宽方式,就更加可能造成网络塞车现象,更加降低了网络执行效率

集线器的选购[2]

  尽管集线器价格低廉,但是由于其所能提供的传输速率和传输效率非常有限,所以在不久的将来,集线器将很快被其他网络设备所替代。不过作为一种廉价的集线设备,集线器仍然被广泛应用于数据传输量不大、用户数量不多的小型网络,作为中型网络的一种补充。

  在选购集线器时,应注意以下几个方面:

  1.外型尺寸

  从外型尺寸上看,集线器可分为机架式和桌面式两种。所谓机架式是指几何尺寸符合19英寸的工业规范,可以安装在标准机柜中。该类集线器以16口和24口的设备为主流,提供较多的端V1数量,适用于较多用户的同时接入。由于集线器统一置放在机柜中,因此既便于集线设备间的连接,又便于对基线设备统一管理。

  所谓桌面式,是指几何尺寸不符合19英寸的工业规范,不能够安装在标准机柜中,只能放置在桌面或悬挂在墙壁上。该类集线器大多遵循8~16口规范,也有部分4~5口出现,仅适用于小型企业网络。原因很简单,当配备多个集线器时,由于尺寸或形状不同而很难统一放置和管理

  2.端口速率

  从集线器提供的端口速率上看,有10Mb/s和100Mb/s两种。所谓10Mb/s集线器是指所有端口均提供10Mb/s宽带。由于10Mb/s集线器拥有绝对性价比,因此成为集线器市场的主流产品,并被广泛应用于各种类型的网络。

  所谓100Mb/s集线器是指该集线器中的所有端口均提供100Mb,s宽带。由于100Mb/s集线器在价格上与10/100Mb/s交换机基本持平,但性能却远不如后者,性价比非常差,所以正逐渐退出网络市场

  除此之外,还有一种双速集线器,内置10Mb/s和100Mb/s两条内部总线,并利用内部网桥将两条总线连通,可以连接10Mb/s和100Mb/s设备。

  3.端口数量

  由于每个端口只能连接一台计算机,所以在选择集线器的端口数量时,应当首先清楚网络到底有多少台计算机。通常情况下,端口数量越多,则每个端口的平均价格也就越低。另外,当一台集线器的端口数量不能满足需要时,每连接一台集线设备,就会同时损失两个端口。通常情况下,建议选择拥有较多端口的集线器,当然,当过多的端口被闲置时,也会造成不必要的浪费。

集线器的作用[1]

  早期的集线器通常都是以优化网络布线结构、简化网络管理为目标而设计的。现在的集线器则以高性能、多功能和智能化为设计目标。这种集线器不仅具有传统集线器将多个结点汇接到一起的能力,而且采取了模块化结构,可根据需要选择各种模块。这种将多种网络技术集中到一个机箱内的设备,有的人称之为超级集线器,更多的人则将其称为集中器。

  典型的集线器有多个用户端口,连接计算机和服务器之类的外围设备。每一个端121支持一个来自网络站的连接。一个以太网数据包从一个站发送到集线器上,然后被中继到集线器中的其他所有端口。尽管每一个站是用它自己专用的双绞线连接到集线器的,但基于集线器的网络仍然是一个共享介质的局域网

集线器与交换机的区别[3]

  1.在0SI/RM(0SI参考模型)中的工作层次不同

  交换机和集线器在OSI/RM开放体系模型中对应的层次不一样,集线器是同时工作在第1层(物理层)和第2层(数据链路层),而交换机至少工作在第2层,更高级的交换机可以工作在第3层(网络层)和第4层(传输层)。

  2.交换机的数据传输方式不同

  集线器的数据传输方式是广播(Broadcast)方式,而交换机的数据传输是有目的的,数据只对目的结点发送,只是在自己的MAC地址表中找不到的情况下第一次使用广播方式发送,然后因为交换机具有MAC地址学习功能,以后就不再是广播发送了,而是有目的的发送。这样的好处是趄高了数据传输效率,不会出现广播风暴,在安全性方面也不会出现其他结点侦听的现象。

  3.带宽占用方式不同

  在带宽占用方面,集线器所有端口是共享集线器的总带宽,而交换机的每个端口都具有自己的带宽。这样,交换机实际上每个端口的带宽比集线器端口可用带宽要高许多,也就决定了交换机的传输速率比集线器要快许多。

  4.传输模式不同

  集线器只能采用半双工方式进行传输,因为集线器是共享传输介质的,这样在上行通道上集线器一次只能传输一个任务,要么是接收数据,要么是发送数据。而交换机则不同,它是采用全双工方式来传输数据的,因此在同一时刻可以同时进行数据的接收和发送工作,这不但令数据的传输速率大大加快,而且在整个系统的吞吐量方面交换机比集线器至少要快一倍以上,因为它可以接收、发送同时进行,实际上还远不止一倍,因为端口带宽一般来说交换机比集线器也要大许多倍。

  总之,交换机是一种基于MAC地址识别,能完成封装转发数据包功能的网络设备。目前,主流的交换机厂商以国外的Cisco(思科)、3COM、安奈特为代表,国内主要有华为、D-LINK等。

参考文献

  1. 1.0 1.1 张楠,曹晶华主编.速学计算机局域网施工.中国电力出版社,2009
  2. 2.0 2.1 2.2 新科教育产品研发中心编.新编计算机组装维护入门与提高教程.中国国际广播音像出版社,2006
  3. 李克编著.计算机网络技术学习宝典.中国铁道出版社,2010
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