交換式集線器

1、交換式原理

交換式集線器可以同時接收多個埠信息，並可以同時將這些信息發向多個

目標地址對應的埠。交換式集線器還可以將從一個埠接收的信息發向多個埠。由

於每個埠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，如果兩個接收埠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說，無論是衝突的概

率，還是衝突的範圍，都要小得多。交換式集線器埠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埠連接到一個傳統的以

太網段上，該乙太網段中仍存在衝突，這種衝突可以由CSMA/CD協議來處理。

2、埠速度和類型

儘管當前FDDI和令牌環的集線器產品已經在市場上出現，然而占絕對優勢的仍

是10BASE-T和100BASE-T埠的集線器。另外，集線器埠也可以是100BASE-TX，

100BASE-T4或100BASE-FX。

3、緩衝能力和擁塞控制

一般說來，大的緩衝區意味著較好的性能，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。如圖2所示，如果埠B識別出它的緩衝區快滿時，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，直至埠B騰空內部緩衝區。這種類型的擁塞控制適用於半雙工埠。

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禎的類型。信息禎的

轉發方法可以是存儲轉髮式、切入式或改進的切入式。交換式集線器中，禎轉發機構將

在禎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：

存儲轉髮式（store and forword):

將發來的禎在發送到一個埠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，此種方式可以對禎進行CRC校驗，從而濾掉不正確的或

有衝突的禎。

切入式（cut_through):

只查看信息禎的目的地址（位於禎頭部分），然後立即進行信息禎的轉發，從

而使得禎的延遲大為降低。此種方法實際上將目的地址有效的所有信息禎全部進行轉發

，就有可能將有錯誤的禎、有衝突的禎也轉發了出去。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。其方法是先保存禎頭的64個位元組，如果

禎不正確，則立即丟棄，因為通過禎的頭64個位元組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，改進型切入式在短禎（一般是控制禎）時與存儲轉發

式相似，在長禎（一般是數據禎）時與切入式相似。這是改進型切入式的一個缺點，因

為控制禎一般要求短的延遲，而數據禎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了如何通過其內部的電子線路完成從一個端

口向另一個埠轉發信息禎。背板體系結構對交換式集線器來說至關重要，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：

循環法和優先埠服務模式，這兩種方法對應著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埠。如果埠沒有活

動，則跳過它。此體系結構適用於每個埠的通信量基本相等，而且頻繁使用的交換式

集線器。優先埠服務模式引入一種各活動埠爭用匯流排的原則，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、網路管理

共享介質網路中，所有網路埠都可以監聽該網路段上的所有通信，網路管理

較易實現。而對於交換式乙太網，由於各網路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，通常僅局限於SNMP統計。第二種方法叫作“

埠別名法”，它允許交換式集線器將任何給定的埠“映射”到專用的管理埠上。

該管理埠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埠支持多少網路地址，由於每一埠都象一個進

行轉發的網橋，所以集線器要保持一張該埠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埠有少量的地址。例如，Grand

Junction的FastSwitch 100（現在由Cisco System公司銷售）只支持每個埠一個地

址，即只允許一個結點連接到該埠上。而Bay Networks 28115和Cisco Catalyst則支

持每埠1024個地址，它們通常用作大的工作組或主幹網集線器。當然後者價格要高得

多。

交換式集線器的另外一個特點是可配置性。由於網路帶寬愈來愈高，因此集線

器的設計要能適合網路發展需要的可升級性。例如，100BASE-TX的交換式集線器允許將

快速乙太網推廣到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介面（MII）

的埠，另一種方法是將外部收發器連接到MII埠上來實現與任何類型乙太網或快速

乙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。常規的乙太網基於共享介

質，採用半雙工方式。因為，共享介質網路中，一個站發送數據時，其他站點必須監

聽。也就是說，通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和乙太網交換技

術的結合使得傳輸通道不是由多個用戶共享，而是以點對點方式實現了通信雙方的連

接。從而使得全雙工乙太網的實現成為可能。全雙工乙太網的實現基於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位指數方式的後退演演算法，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（如Bay Networks

28115）多採用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

交換式集線器埠具有網橋功能，可看成是多埠網橋。網橋工作的基本原則

是具有過濾作用，將進入禎的但目標地址不屬於本埠連接的各工作站MAC地址的禎轉

發到其他埠，如果是非法或錯誤的地址，則集線器各埠都會轉發出去，，形成廣播

風暴，這就是spanning tree的協議。對於擔任網路主幹的100BASE-FL集線器它會消耗過

多的網路帶寬。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路

層。對於TCP/IP網路或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路主幹的交換式100BASE-FL，對提高

網路性能有很大好處。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。Intel公司的Express 100FX Switch具有第三層交換的功能。

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，使網路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路結構部件。集線器埠具有中繼放大器的作用，各埠共享

10Mbps，所有埠遵循CSMA/CD（802.3協議）。10Mbps集線器有獨立式和堆疊式，如12

ports/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，此種集線器的埠速率為100Mbps，所有埠

遵循快速乙太網協議即802.3u協議，網路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路部件。

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，該網路部件提高了網路

的整體帶寬。此種集線器每個埠都有專用的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路瓶頸。

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，每個埠都提供

專用的100Mbps速率。此種集線器是高性能的網路部件，經常和光纖介質結合起來使用，

作為網路骨幹，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。

快速乙太網光纖集線器含有多個光纖埠，其目標是在校園網級別上優化

100Mbps網路的性能，它適用於地理上較分散的網路環境。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區域網分佈更加靈活，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埠採取全雙工的操

作方式。

4、10Mbps/100Mbps自適應交換式集線器

為了解決乙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

或網路介面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，使得將網路升

級為交換式或高速乙太網時更加方便，只需要換掉集線器即可完成。

5、10Mbps和100Mbps混合交換式集線器

小型網路設計中，對於桌面PC大多使用專用10Mbps即10Mbps交換式集線器，然

而網路伺服器是各站點訪問的中心，因此10Mbps經常成為網路的瓶頸。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埠為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埠，又有能連入FDDI的雙鏈站DAS埠（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埠和FDDI雙鏈埠的網路部件。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，以便按照用戶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路模塊，

如令牌環網模塊、FDDI模塊、ATM模塊及快速乙太網模塊，還有堆疊模塊、100BASE-FX

模塊和管理模塊等。