3.8、集线器与交换机的区别

1、早期总线型以太网

最初使用粗同轴电缆作为传输媒体，后来是用相对便宜的细同轴电缆

普遍认为有源器件不可靠，无缘的电缆线最可靠（并没有那么可靠）

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2、只用双绞线和集线器 HUB 的星型以太网

主机中的以太网卡及集线器个接口使用 RJ-45 插座，个之间使用双绞线电缆进行连接

在双绞线电缆的两端是 RJ-45 插头（水晶头）

• 就是平常所说的网线

1. $使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网$，各站共享总线资源，$使用的还是CSMA/CD协议;$

2. $集线器只工作在物理层，$它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测 (由各站的网卡检测) ;

   在分析问题时，我们可将集线器简单的看成一条总线

3. $集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。$

   例如，若网络中某个网卡出了故障，不停地发送帧。此时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作。

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4. 使用集线器 HUB 在物理层扩展以太网

   • 假设，某学院以下有三个系部。每个系部都有一个使用集线器作为互连设备的以太网。

     这三个以太网各自独立，各自共享自己的总线资源，三个独立的碰撞域

     

     一系中的某台主机给另一台主机发送数据帧，由于总线特性：表示该数据帧的信号会通过总线传输到其他主机

     二系中的多台主机同时发送数据帧，由于总线特性：这必然会产生信号碰撞，碰撞后的信号会传输到二系中的各主机

     

     为了让各系部的以太网能够相互通信，可以在使用一个集线器将他们互连起来。

     • 这样原来三个独立的以太网，就互连成了一个更大的以太网
     • 原来三个独立的碰撞域就合并成了更大的一个碰撞域

     就是形成了一个更大的总线型以太网

     

     一系中的某台主机给二系中的某一台主机发送数据帧，由于总线特性：表示该数据帧的信号会通过总线传输到其他主机

     

3、以太网交换机与集线器的区别

使用集线器互连而成的共享总线式以太网上的某个主机要给另一个主机发送单播帧

该单播帧会通过共享总线传输到其他各个主机

使用交换机互连而成的共享总线式以太网上的某个主机要给宁一个主机发送单播帧

交换机会将该单播帧转发给目的主机，而不是网络中的其他各个主机

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说明：

• 忽略 ARP 过程
• 假设交换机的帧交换表已经学习或者配置好了

4、以太网交换机

4.1、全双工

1.以太网交换机通常都有多个接口。每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连。一般都工作在全双工方式。

• 全双工方式：就是发送帧和接受帧可以同时进行

注意：使用集线器的以太网在逻辑上式共享总线的。需要使用 CSMA/CD 协议来协调各主机争用总线

• 只能工作在半双工模式。也就是收发帧不能同时进行

4.2、并行性

2.以太网交换机具有并行性，能$同时连通多对接口$，使用多对主机能同时通信，$无碰撞（不使用CSMA/CD协议）$

4.3、多种接口

3.以太网交换机一般都具有多种速率的接口，

• 例如: $10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s$ 接口的多种组合。

4.4、工作流程

4.以太网交换机$工作在数据链路层$（也包括物理层)，它收到帧后，在帧交换表中查找$帧的目的MAC地址所对应的接口号$，然后通过该接口转发帧。

• 主机 A 给主机 B 发送数据帧，交换机收到该帧后，在交换表查找该帧的 MAC 地址，也就是主机 B 的 MAC 地址，发现应该从接口 $2$ 转发。于是就从接口 $2$ 将该帧转发出去

  • 若交换表中没有主机 B 的 MAC 地址，则通过将数据包（泛洪）广播到各主机，拥有该 MAC 地址的主机（B）网卡接收到该广播帧后，立即做出应答，从而使交换机将其节点的 MAC 地址 添加到 MAC 地址表中（交换表）

  

5.以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的$帧交换表$是通过$自学习算法$自动地逐渐建立起来的。

4.5、帧的两种转发方式

6.帧的两种转发方式

• 存储转发
• 直通交换：采用基于硬件的交叉矩阵（交换时延非常小，但不检查帧是否有差错，就直接将帧转发出去）
  • 直通交换不必把整个帧先缓存后再进行处理，而是再接受帧的同时就立即按帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速率

5、对比集线器与交换机

说明：

• 忽略 ARP 过程
• 假设交换机的帧交换表已经学习或者配置好了

5.1、单播帧

使用集线器互连而成的共享总线式以太网上的某个主机要给另一个主机发送单播帧

该单播帧会通过共享总线传输到其他各个主机

各主机中的网卡根据帧的 MAC 地址决定是否接受该帧

使用交换机互连而成的共享总线式以太网上的某个主机要给另一个主机发送单播帧

交换机收到单播帧后，根据帧的目的 MAC 地址和自身的帧交换表将帧转发给目的主机，而不是网络中的其他主机

5.2、广播帧

对于使用集线器共享的总线型以太网，广播帧会以总线传播到其他主机

• 各主机中的网卡检测到帧的 MAC 地址是广播地址，就接受该帧

对与使用交换机的以太网，交换机收到该广播帧后。检测到帧的目的 MAC 地址是广播地址。

• 于是从除该帧进入交换机接口外的其他各接口转发该帧
• 网络中除源主机外的其他主机收到广播帧后，接受该广播帧

从上述可以看出

• 使用集线器的共享总线型以太网中的各主机，属于同一个广播域
• 使用交换机的以太网中的各主机，也属于同一个广播域

5.3、多台主机同时给另一台主机发送单播帧

对于使用集线器的总线型以太网，这必然会产生碰撞，遭遇碰撞的帧会传播到总线上的各主机

对与使用交换机的以太网，交换机收到该各个帧时，会将它们缓存起来，然后逐个转发给目的主机，不会产生碰撞

5.4、扩展以太网的区别

5.4.1、发送单播帧

仅使用集线器物理层扩展以太网发送单播帧的情况

仅使用交换机数据链路层扩展以太网发送单播帧的情况

5.4.2、发送广播帧

仅使用集线器物理层扩展以太网发送广播帧的情况

仅使用交换机数据链路层扩展以太网发送广播帧的情况

从效果上看是一样的。

可见不管使用集线器还是交换机来扩展以太网，扩展后的以太网中的各主机都属同一个广播域。

仅使用集线器扩展的以太网再逻辑上仍然是共享总线的，并且形成一个更大的碰撞域

• 参与竞争的主机比扩展前的更多了

同样的传输任务，在使用交换机扩展的以太网就不会产生碰撞

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这里只是使用一个交换机来隔离冲突域，若都是交换机就没有冲突了，对比作用

6、总结