交換式集線器

1）交換式集線器由：端口、緩衝區、信息幀的轉發機構和背板體系結構。

交換式集線器可以同時接收多個端口信息，並可以同時將這些信息發向多個目標地址對應的端口。交換式集線器還可以將從一個端口接收的信息發向多個端口。由於每個端口都有其專用的轉發通道，從而避免了共享式集線器中因共享傳輸通道所造成的衝突。但是，交換式集線器中衝突依然存在，如果兩個接收端口都要向同一個輸出端口轉發時，就形成了衝突。但是，這個衝突相對於共享式集線器來説，無論是衝突的概率，還是衝突的範圍，都要小得多。交換式集線器端口之間的衝突可以通過集線器內部的功能來協調。還有一種形式的衝突，就是如果交換式集線器端口連接到一個傳統的以太網段上，該以太網段中仍存在衝突，這種衝突可以由CSMA/CD協議來處理。

2）儘管當前FDDI和令牌環的集線器產品已經在市場上出現，然而佔絕對優勢的仍是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）緩衝能力和擁塞控制

一般説來，大的緩衝區意味着較好的性能，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制來防止緩衝區溢出的情況發生。擁塞控制可以採用這種方法實現：向高速結點發送“假”衝突，迫使它進入後退狀態，暫停數據發送，從而使得集線器得以騰空緩衝區。如果某端口識別出它的緩衝區快滿時，則立即發送擁塞模式信號給發送結點。發送結點則按衝突原則中斷髮送，進入標準後退狀態。發送結點將保持此狀態，直至該端口騰空內部緩衝區。這種類型的擁塞控制適用於半雙工端口。

4）轉發機構

交換式集線器具有網橋的功能，它必須知道要轉發的信息幀的類型。信息幀的轉發方法可以是存儲轉發式、切入式或改進的切入式。交換式集線器中，幀轉發機構將在幀的延遲等待和錯誤檢驗的可靠性之間作出折衷選擇。三種轉發機構分別如下：

存儲轉發式（store and forward）:

將發來的幀在發送到一個端口之前先全部存儲在內部存儲器中。此時，交換式集線器的延遲等待時間至少等於整個禎的傳輸時間。這樣一來，如果集線器的級聯數較大時，可能導致性能惡化。但是，此種方式可以對幀進行CRC校驗，從而濾掉不正確的或有衝突的幀。

切入式（cut_through):

只查看信息幀的目的地址（位於幀頭部分），然後立即進行信息幀的轉發，從而使得幀的延遲大為降低。此種方法實際上將目的地址有效的所有信息幀全部進行轉發，就有可能將有錯誤的幀、有衝突的幀也轉發了出去。相對主幹網而言，切入式的方法適合於工作組級別的集線器。

改進型切入式:

這種方式綜合了以上兩種方式的優點。其方法是先保存幀頭的64個字節，如果幀不正確，則立即丟棄，因為通過幀的頭64個字節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，改進型切入式在短幀（一般是控制幀）時與存儲轉發式相似，在長幀（一般是數據幀）時與切入式相似。這是改進型切入式的一個缺點，因為控制幀一般要求短的延遲，而數據幀一般需要好的錯誤校驗。這是一對矛盾。

5）背板體系結構

交換式集線器的背板體系結構定義瞭如何通過其內部的電子線路完成從一個端口向另一個端口轉發信息幀。背板體系結構對交換式集線器來説至關重要，大多數情況下，交換式集線器受到它的背板體系結構的限制。交換式集線器通常有兩種工作方式：

循環法和優先端口服務模式，這兩種方法對應着兩種不同的背板體系結構。

循環法（或先來先服務）開關體系結構一次服務一對端口。如果端口沒有活動，則跳過它。此體系結構適用於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。優先端口服務模式引入一種各活動端口爭用總線的原則，這種類型的體系結構適合於能處理突發性（burst）通信量的10/100Mbps型交換式集線器，而且一般比循環法的體系結構靈活性強。較高檔的交換式集線器可以按照這兩種體系結構進行配製。

6）網絡管理

共享介質網絡中，所有網絡端口都可以監聽該網絡段上的所有通信，網絡管理較易實現。而對於交換式以太網，由於各網絡交換式集線器要對通信流進行交換，因此管理就相當複雜。對於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構中，由背板上的功能部件進行信息統計，並將結果以唯一的以太網址存儲在管理部件中。查詢可以通過訪問此管理部件來實現。此種方法的缺點是兼容性太差，不同的廠商有不同的設計模式，通常僅侷限於SNMP統計。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，用於收集各種統計信息。此管理方法無具體標準可循。

當前，許多廠商已採用新的遠程監控（RMON）MIB，它允許對交換進行SNMP型端口順序管理。

7）交換式集線器的其他特點

交換式集線器的特殊點是每端口支持多少網絡地址，由於每一端口都象一個進行轉發的網橋，所以集線器要保持一張該端口外的所有結點地址表。這些表可能很長，要佔用大量的存儲器，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是可配置性。由於網絡帶寬愈來愈高，因此集線器的設計要能適合網絡發展需要的可升級性。例如，100BASE-TX的交換式集線器允許將快速以太網推廣到5類UTP的工作組中，但對於需要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，一個是採用帶有介質無關性接口（MII）的端口，另一種方法是將外部收發器連接到MII端口上來實現與任何類型以太網或快速以太網傳輸協議的轉換。

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。常規的以太網基於共享介質，採用半雙工方式。因為，共享介質網絡中，一個站發送數據時，其他站點必須監聽。也就是説，信道任何時候只能有一個方向在傳輸數據，要麼發送，要麼接收，絕不能兼而有之。全雙工方式要求通信的雙方具有點對點的連接。10BASE-T和以太網交換技術的結合使得傳輸信道不是由多個用户共享，而是以點對點方式實現了通信雙方的連接。從而使得全雙工以太網的實現成為可能。全雙工以太網的實現基於Kalpana方法；

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

〈2〉不需要載波監聽（CRS），因為電纜只為一個結點接收和發送數據；

〈3〉不需要衝突檢測和二進制指數方式的後退算法，因為不會發生衝突。

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

採用全雙工，可以使速率達到200Mbps，點-點距離採用光纖時可達2km。

9）第三層交換

交換式集線器端口具有網橋功能，可看成是多端口網橋。網橋工作的基本原則是具有過濾作用，將進入幀的但目標地址不屬於本端口連接的各工作站MAC地址的幀轉發到其他端口，如果是非法或錯誤的地址，則集線器各端口都會轉發出去，形成廣播風暴，這就是spanning tree的協議。對於擔任網絡主幹的100BASE-FL集線器它會消耗過多的網絡帶寬。為了避免廣播風暴，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地址進行交換外，還工作在第三層及網絡層。對於TCP/IP網絡或INTERNET網，應用最為廣泛，第三層交換即為IP交換，即在轉發信息時對除第二層MAC地址外，還要查看IP地址。對於非法的MAC地址就沒有對應的IP地址，則不會形成廣播風暴。第三層交換應用於網絡主幹的交換式100BASE-FL，對提高網絡性能有很大好處。但是可以看出，由於IP交換工作在第三層，這樣對100BASE-FL的交換速度有一些影響，但總體上利大於弊，因此交換式集線器引入第三層交換是一種先進的思想和技術。

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的，使網絡從扁平方式變為結構化的系統。它是連接低速率工作組的網絡結構部件。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協議）。10Mbps集線器有獨立式和堆疊式，如12ports/24ports堆疊式集線器，各模塊之間由擴展電纜相連。

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協議即802.3u協議，網絡端端之間的最長距離為210米。

100Mbps共享式集線器對於輕負荷的高性能工作站是很有用的網絡部件。

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

將交換式技術引入10Mbps集線器具有非常深遠的意義，該網絡部件提高了網絡的整體帶寬。此種集線器每個端口都有專用的10Mbps通道，是過去和現在10Mbps Ethernet性能遷移（提高到100Mbps）的最經濟有效的辦法。

10Mbps交換式集線器經常和100Mbps交換式集線器結合起來使用，以便使多個集線器能夠級聯起來而沒有網絡瓶頸。

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和交換技術相結合，每個端口都提供專用的100Mbps速率。此種集線器是高性能的網絡部件，經常和光纖介質結合起來使用，作為網絡骨幹，典型產品有Bay Model 28115。因為主幹網很可能跨越多個子LAN，如果子LAN的距離大於100米，此時就不能使用UTP。目前FDDI光纖環網是最常用的技術方案，不過100 BASE-FX也能提供相似的方案。這兩種技術均可應用於交換式集線器的設計上，後者形成了100Mbps光纖口交換式集線器，例如Intel Express 510T Switches。

快速以太網光纖集線器含有多個光纖端口，其目標是在校園網級別上優化100Mbps網絡的性能，它適用於地理上較分散的網絡環境。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的局域網分佈更加靈活，運行效率更高。它可以支持八根光纖同時運行，並且每個連接可達兩公里。此交換式集線器中每個端口採取全雙工的操作方式。

4、10Mbps/100Mbps自適應交換式集線器

為了解決以太網兩端點速率不匹配的問題，IEEE推出了一個方案——自動協商模式（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絡接口卡能夠自動調節自己的速率。今天許多10/100Mbps型集線器都有專用的自動監聽模式，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，並能自動監聽與其相連的結點的速率。它首先查看100Mbps“快速鏈路脈衝（FLP）"序列，如果沒有找到，則自動選擇10Mbps的操作。自動協商模式的應用，使得將網絡升級為交換式或高速以太網時更加方便，只需要換掉集線器即可完成。

5、10Mbps和100Mbps混合交換式集線器

小型網絡設計中，對於桌面PC大多使用專用10Mbps即10Mbps交換式集線器，然而網絡服務器是各站點訪問的中心，因此10Mbps經常成為網絡的瓶頸。另外，10Mbps交換式集線器之間的級聯往往也是系統的瓶頸。因此，在一個交換式集線器中，大多數端口為10Mbps，有少量的一個或兩個端口為100Mbps的部件就應運而生了。典型產品如3Com LinkSwitch 1000。

6、交換式集線器和FDDI相結合

FDDI是100Mbps技術最成熟的主幹網。要求10Mbps交換式集線器能被連入FDDI環內。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（主幹入，次環出）和FDDI B口（主環出，次環入））。典型產品如3Com LinkSwitch 1200，這是一個具有6個10Mbps端口和FDDI雙鏈端口的網絡部件。此種集線器為將子網連接到FDDI主幹網提供了方便。

7、交換式集線器與ATM結合

便於集線器所連接的設備和ATM交換機相連。

8、機箱式組合集線器

該部件有一個機箱和背板。機箱內有雙份電源和基本的管理系統，還有用於插接各種擴展模塊的擴展插槽，以便按照用户的要求進行靈活的配置。擴展模塊為集線器提供了較強的容錯能力，可擴展性和可升級性。許多廠商提供了名目繁多的網絡模塊，如令牌環網模塊、FDDI模塊、ATM模塊及快速以太網模塊，還有堆疊模塊、100BASE-FX模塊和管理模塊等。