交換式集線器工作原理

1）交換式集線器由：端口、緩沖區(qū)、信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)和背板體系結(jié)構(gòu)。

交換式集線器可以同時接收多個端口信息，并可以同時將這些信息發(fā)向多個

目標(biāo)地址對應(yīng)的端口。交換式集線器還可以將從一個端口接收的信息發(fā)向多個端口。由

于每個端口都有其專用的轉(zhuǎn)發(fā)通道，從而避免了共享式集線器中因共享傳輸通道所造成

的沖突。但是，交換式集線器中沖突依然存在，如果兩個接收端口都要向同一個輸出端

口轉(zhuǎn)發(fā)時，就形成了沖突。但是，這個沖突相對于共享式集線器來說，無論是沖突的概

率，還是沖突的范圍，都要小得多。交換式集線器端口之間的沖突可以通過集線器內(nèi)部

的功能來協(xié)調(diào)。還有一種形式的沖突，就是如果交換式集線器端口連接到一個傳統(tǒng)的以

太網(wǎng)段上，該以太網(wǎng)段中仍存在沖突，這種沖突可以由CSMA/CD協(xié)議來處理。

2）盡管當(dāng)前FDDI和令牌環(huán)的集線器產(chǎn)品已經(jīng)在市場上出現(xiàn)，然而占絕對優(yōu)勢的仍

是10BASE-T和100BASE-T端口的集線器。另外，集線器端口也可以是100BASE-TX，

100BASE-T4或100BASE-FX。

3）緩沖能力和擁塞控制

一般說來，大的緩沖區(qū)意味著較好的性能，但同時價格也就高。許多交換式集

線器廠商選擇擁塞控制機(jī)制來防止緩沖區(qū)溢出的情況發(fā)生。擁塞控制可以采用這種方法

實(shí)現(xiàn)：向高速結(jié)點(diǎn)發(fā)送“假”沖突，迫使它進(jìn)入后退狀態(tài)，暫停數(shù)據(jù)發(fā)送，從而使得集

線器得以騰空緩沖區(qū)。如果某端口識別出它的緩沖區(qū)快滿時，則立即發(fā)送擁塞模

式信號給發(fā)送結(jié)點(diǎn)。發(fā)送結(jié)點(diǎn)則按沖突原則中斷發(fā)送，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)后退狀態(tài)。發(fā)送結(jié)點(diǎn)將

保持此狀態(tài)，直至該端口騰空內(nèi)部緩沖區(qū)。這種類型的擁塞控制適用于半雙工端口。

4）轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)

交換式集線器具有網(wǎng)橋的功能，它必須知道要轉(zhuǎn)發(fā)的信息幀的類型。信息幀的

轉(zhuǎn)發(fā)方法可以是存儲轉(zhuǎn)發(fā)式、切入式或改進(jìn)的切入式。交換式集線器中，幀轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)將

在幀的延遲等待和錯誤檢驗(yàn)的可靠性之間作出折衷選擇。三種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)分別如下：

存儲轉(zhuǎn)發(fā)式（store and forward):

將發(fā)來的幀在發(fā)送到一個端口之前先全部存儲在內(nèi)部存儲器中。此時，交換式

集線器的延遲等待時間至少等于整個禎的傳輸時間。這樣一來，如果集線器的級聯(lián)數(shù)較

大時，可能導(dǎo)致性能惡化。但是，此種方式可以對幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，從而濾掉不正確的或

有沖突的幀。

切入式（cut_through):

只查看信息幀的目的地址（位于幀頭部分），然后立即進(jìn)行信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)，從

而使得幀的延遲大為降低。此種方法實(shí)際上將目的地址有效的所有信息幀全部進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)

，就有可能將有錯誤的幀、有沖突的幀也轉(zhuǎn)發(fā)了出去。相對主干網(wǎng)而言，切入式的方法

適合于工作組級別的集線器。

改進(jìn)型切入式:

這種方式綜合了以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。其方法是先保存幀頭的64個字節(jié)，如果

幀不正確，則立即丟棄，因?yàn)橥ㄟ^幀的頭64個字節(jié)就可以判斷出包的好壞，所以這種方

式是以上兩種方式的折衷。不過，改進(jìn)型切入式在短幀（一般是控制幀）時與存儲轉(zhuǎn)發(fā)

式相似，在長幀（一般是數(shù)據(jù)幀）時與切入式相似。這是改進(jìn)型切入式的一個缺點(diǎn)，因

為控制幀一般要求短的延遲，而數(shù)據(jù)幀一般需要好的錯誤校驗(yàn)。這是一對矛盾。

5）背板體系結(jié)構(gòu)

交換式集線器的背板體系結(jié)構(gòu)定義了如何通過其內(nèi)部的電子線路完成從一個端

口向另一個端口轉(zhuǎn)發(fā)信息幀。背板體系結(jié)構(gòu)對交換式集線器來說至關(guān)重要，大多數(shù)情況

下，交換式集線器受到它的背板體系結(jié)構(gòu)的限制。交換式集線器通常有兩種工作方式：

循環(huán)法和優(yōu)先端口服務(wù)模式，這兩種方法對應(yīng)著兩種不同的背板體系結(jié)構(gòu)。

循環(huán)法（或先來先服務(wù)）開關(guān)體系結(jié)構(gòu)一次服務(wù)一對端口。如果端口沒有活

動，則跳過它。此體系結(jié)構(gòu)適用于每個端口的通信量基本相等，而且頻繁使用的交換式

集線器。優(yōu)先端口服務(wù)模式引入一種各活動端口爭用總線的原則，這種類型的體系結(jié)構(gòu)

適合于能處理突發(fā)性（burst）通信量的10/100Mbps型交換式集線器，而且一般比循環(huán)

法的體系結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng)。較高檔的交換式集線器可以按照這兩種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行配制。

6）網(wǎng)絡(luò)管理

共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，所有網(wǎng)絡(luò)端口都可以監(jiān)聽該網(wǎng)絡(luò)段上的所有通信，網(wǎng)絡(luò)管理

較易實(shí)現(xiàn)。而對于交換式以太網(wǎng)，由于各網(wǎng)絡(luò)交換式集線器要對通信流進(jìn)行交換，因此

管理就相當(dāng)復(fù)雜。對于交換式集線器的管理方案主要有兩種。一種是將管理的功能納入

到集線器的背板體系結(jié)構(gòu)中，由背板上的功能部件進(jìn)行信息統(tǒng)計，并將結(jié)果以唯一的以

太網(wǎng)址存儲在管理部件中。查詢可以通過訪問此管理部件來實(shí)現(xiàn)。此種方法的缺點(diǎn)是兼

容性太差，不同的廠商有不同的設(shè)計模式，通常僅局限于SNMP統(tǒng)計。第二種方法叫作“

端口別名法”，它允許交換式集線器將任何給定的端口“映射”到專用的管理端口上。

該管理端口配備特別的管理終端或Pc，用于收集各種統(tǒng)計信息。此管理方法無具體標(biāo)準(zhǔn)

可循。

當(dāng)前，許多廠商已采用新的遠(yuǎn)程監(jiān)控（RMON）MIB，它允許對交換進(jìn)行SNMP型端

口順序管理。

7）交換式集線器的其他特點(diǎn)

交換式集線器的特殊點(diǎn)是每端口支持多少網(wǎng)絡(luò)地址，由于每一端口都象一個進(jìn)

行轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)橋，所以集線器要保持一張?jiān)摱丝谕獾乃薪Y(jié)點(diǎn)地址表。這些表可能很長，

要占用大量的存儲器，因此許多廠商只允許每端口有少量的地址。

交換式集線器的另外一個特點(diǎn)是可配置性。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬愈來愈高，因此集線

器的設(shè)計要能適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要的可升級性。例如，100BASE-TX的交換式集線器允許將

快速以太網(wǎng)推廣到5類UTP的工作組中，但對于需要100BASE-T4、100BASE-FX的工作組則

不能方便地連接。解決這個問題有兩種方法，一個是采用帶有介質(zhì)無關(guān)性接口（MII）

的端口，另一種方法是將外部收發(fā)器連接到MII端口上來實(shí)現(xiàn)與任何類型以太網(wǎng)或快速

以太網(wǎng)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

8）全雙工原理

目前許多種交換式集線器都支持全雙工的通信方式。常規(guī)的以太網(wǎng)基于共享介

質(zhì)，采用半雙工方式。因?yàn)?，共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，一個站發(fā)送數(shù)據(jù)時，其他站點(diǎn)必須監(jiān)

聽。也就是說，信道任何時候只能有一個方向在傳輸數(shù)據(jù)，要么發(fā)送，要么接收，絕不

能兼而有之。全雙工方式要求通信的雙方具有點(diǎn)對點(diǎn)的連接。10BASE-T和以太網(wǎng)交換技

術(shù)的結(jié)合使得傳輸信道不是由多個用戶共享，而是以點(diǎn)對點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)了通信雙方的連

接。從而使得全雙工以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。全雙工以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基于Kalpana方法；

〈1〉一對UTP（或一根光纖）只用以傳送數(shù)據(jù)，而另一對UTP線用作接收數(shù)據(jù)；

〈2〉不需要載波監(jiān)聽（CRS），因?yàn)殡娎|只為一個結(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；

〈3〉不需要沖突檢測和二進(jìn)制指數(shù)方式的后退算法，因?yàn)椴粫l(fā)生沖突。

目前，市場上的10Mbps全雙工設(shè)備和100BAST-T交換式集線器多采用Kalpana方法。

采用全雙工，可以使速率達(dá)到200Mbps，點(diǎn)-點(diǎn)距離采用光纖時可達(dá)2km。

9）第三層交換

交換式集線器端口具有網(wǎng)橋功能，可看成是多端口網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作的基本原則

是具有過濾作用，將進(jìn)入幀的但目標(biāo)地址不屬于本端口連接的各工作站MAC地址的幀轉(zhuǎn)

發(fā)到其他端口，如果是非法或錯誤的地址，則集線器各端口都會轉(zhuǎn)發(fā)出去，，形成廣播

風(fēng)暴，這就是spanning tree的協(xié)議。對于擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)主干的100BASE-FL集線器它會消耗過

多的網(wǎng)絡(luò)帶寬。為了避免廣播風(fēng)暴，在100BASE-FL集線器中引入第三層交換（Layer 3

Switching），該交換式集線器除按第二層MAC地址進(jìn)行交換外，還工作在第三層及網(wǎng)絡(luò)

層。對于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或INTERNET網(wǎng)，應(yīng)用最為廣泛，第三層交換即為IP交換，即在轉(zhuǎn)發(fā)

信息時對除第二層MAC地址外，還要查看IP地址。對于非法的MAC地址就沒有對應(yīng)的IP地

址，則不會形成廣播風(fēng)暴。第三層交換應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)主干的交換式100BASE-FL，對提高

網(wǎng)絡(luò)性能有很大好處。但是可以看出，由于IP交換工作在第三層，這樣對100BASE-FL的

交換速度有一些影響，但總體上利大于弊，因此交換式集線器引入第三層交換是一種先

進(jìn)的思想和技術(shù)。

編輯

1、共享式集線器

1>10Mbps共享式集線器（Ethernet，10BASE-T)

10Mbps共享式集線器是最早出現(xiàn)的，使網(wǎng)絡(luò)從扁平方式變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)。它

是連接低速率工作組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部件。集線器端口具有中繼放大器的作用，各端口共享

10Mbps，所有端口遵循CSMA/CD（802.3協(xié)議）。10Mbps集線器有獨(dú)立式和堆疊式，如12

ports/24ports堆疊式集線器，各模塊之間由擴(kuò)展電纜相連。

2>100Mbps共享式集線器（Fast Ethernet，100BASE-T)

按照Fast Ethernet的工作原理，此種集線器的端口速率為100Mbps，所有端口

遵循快速以太網(wǎng)協(xié)議即802.3u協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)端端之間的最長距離為210米。

100Mbps共享式集線器對于輕負(fù)荷的高性能工作站是很有用的網(wǎng)絡(luò)部件。

2、10Mbps交換式集線器（交換式Ethernet，交換式10BASE-T）

將交換式技術(shù)引入10Mbps集線器具有非常深遠(yuǎn)的意義，該網(wǎng)絡(luò)部件提高了網(wǎng)絡(luò)

的整體帶寬。此種集線器每個端口都有專用的10Mbps通道，是過去和現(xiàn)在10Mbps

Ethernet性能遷移（提高到100Mbps）的最經(jīng)濟(jì)有效的辦法。

10Mbps交換式集線器經(jīng)常和100Mbps交換式集線器結(jié)合起來使用，以便使多個

集線器能夠級聯(lián)起來而沒有網(wǎng)絡(luò)瓶頸。

3、100Mbps交換式集線器及光纖口交換式集線器

100Mbps交換式集線器，是Fast Ethernet和交換技術(shù)相結(jié)合，每個端口都提供

專用的100Mbps速率。此種集線器是高性能的網(wǎng)絡(luò)部件，經(jīng)常和光纖介質(zhì)結(jié)合起來使用，

作為網(wǎng)絡(luò)骨干，典型產(chǎn)品有Bay Model 28115。因?yàn)橹鞲删W(wǎng)很可能跨越多個子LAN，如果

子LAN的距離大于100米，此時就不能使用UTP。目前FDDI光纖環(huán)網(wǎng)是最常用的技術(shù)方案，

不過100 BASE-FX也能提供相似的方案。這兩種技術(shù)均可應(yīng)用于交換式集線器的設(shè)計上，

后者形成了100Mbps光纖口交換式集線器，例如Intel Express 510T Switches。

快速以太網(wǎng)光纖集線器含有多個光纖端口，其目標(biāo)是在校園網(wǎng)級別上優(yōu)化

100Mbps網(wǎng)絡(luò)的性能，它適用于地理上較分散的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Intel Express 100FX

Switches就是這種交換式集線器的一個例子。該交換式集線器中具有8個100BASE-FX端

口，它可以使公司或大的企業(yè)的局域網(wǎng)分布更加靈活，運(yùn)行效率更高。它可以支持八根

光纖同時運(yùn)行，并且每個連接可達(dá)兩公里。此交換式集線器中每個端口采取全雙工的操

作方式。

4、10Mbps/100Mbps自適應(yīng)交換式集線器

為了解決以太網(wǎng)兩端點(diǎn)速率不匹配的問題，IEEE推出了一個方案——自動協(xié)商

模式（通稱NWay），該模式可以告訴線路一端它的另一端可有的速率，從而使得集線器

或網(wǎng)絡(luò)接口卡能夠自動調(diào)節(jié)自己的速率。今天許多10/100Mbps型集線器都有專用的自動

監(jiān)聽模式，如Intel Express 10/100就是一種交換式集線器，它可以工作在10或100Mbps

下，并能自動監(jiān)聽與其相連的結(jié)點(diǎn)的速率。它首先查看100Mbps“快速鏈路脈沖（FLP)"

序列，如果沒有找到，則自動選擇10Mbps的操作。自動協(xié)商模式的應(yīng)用，使得將網(wǎng)絡(luò)升

級為交換式或高速以太網(wǎng)時更加方便，只需要換掉集線器即可完成。

5、10Mbps和100Mbps混合交換式集線器

小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，對于桌面PC大多使用專用10Mbps即10Mbps交換式集線器，然

而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是各站點(diǎn)訪問的中心，因此10Mbps經(jīng)常成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。另外，10Mbps交

換式集線器之間的級聯(lián)往往也是系統(tǒng)的瓶頸。因此，在一個交換式集線器中，大多數(shù)端

口為10Mbps，有少量的一個或兩個端口為100Mbps的部件就應(yīng)運(yùn)而生了。典型產(chǎn)品如3Com

LinkSwitch 1000。

6、交換式集線器和FDDI相結(jié)合

FDDI是100Mbps技術(shù)最成熟的主干網(wǎng)。要求10Mbps交換式集線器能被連入FDDI

環(huán)內(nèi)。該集線器有較多的10Mbps端口，又有能連入FDDI的雙鏈站DAS端口（即有FDDI A口

（主干入，次環(huán)出）和FDDI B口（主環(huán)出，次環(huán)入））。典型產(chǎn)品如3Com LinkSwitch

1200，這是一個具有6個10Mbps端口和FDDI雙鏈端口的網(wǎng)絡(luò)部件。此種集線器為將子網(wǎng)

連接到FDDI主干網(wǎng)提供了方便。

7、交換式集線器與ATM結(jié)合

便于集線器所連接的設(shè)備和ATM交換機(jī)相連。

8、機(jī)箱式組合集線器

該部件有一個機(jī)箱和背板。機(jī)箱內(nèi)有雙份電源和基本的管理系統(tǒng)，還有用于插

接各種擴(kuò)展模塊的擴(kuò)展插槽，以便按照用戶的要求進(jìn)行靈活的配置。擴(kuò)展模塊為集線器

提供了較強(qiáng)的容錯能力，可擴(kuò)展性和可升級性。許多廠商提供了名目繁多的網(wǎng)絡(luò)模塊，

如令牌環(huán)網(wǎng)模塊、FDDI模塊、ATM模塊及快速以太網(wǎng)模塊，還有堆疊模塊、100BASE-FX

模塊和管理模塊等。

PSM提供一種自動工具，用于將任何外來用戶端口連接到集線器背板上的任何中繼網(wǎng)段上。這一技術(shù)的關(guān)鍵是“矩陣”，一個矩陣交換機(jī)是一種電纜交換機(jī)，它不能自動操作，要求用戶介入。它不能代替網(wǎng)橋或路由器，并不提供不同LAN網(wǎng)段之間的連接性，其主要優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)移動、增加和修改的自動化。2100433B