集線器(Hub)、交換機(jī)(Switch)、路由器(Router) 工作原理

1、路由器（Router，又稱路徑器或?qū)拵Х窒砥鳎┦且环N計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將數(shù)據(jù)包通過(guò)一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳送至目的地，這個(gè)過(guò)程稱為路由。路由工作在OSI模型的第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)交換器（Switch，又稱“網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)”）是一個(gè)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的器材，能為子網(wǎng)絡(luò)中提供更多的連接端口，以便連接更多的計(jì)算機(jī)。交換機(jī)工作于OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。它通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行重新生成，并經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理后轉(zhuǎn)發(fā)至指定端口，具備自動(dòng)尋址能力和交換作用，由于交換機(jī)根據(jù)所傳遞信息包的目的地址，將每一信息包獨(dú)立地從源端口送至目的端口，避免了和其他端口發(fā)生碰撞。廣義的交換機(jī)就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。 集線器（Hub

2、）的主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時(shí)把所有節(jié)點(diǎn)集中在以它為中心的節(jié)點(diǎn)上。它工作于OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型)參考模型第一層，即“物理層”。集線器與網(wǎng)卡、網(wǎng)線等傳輸介質(zhì)一樣，屬于局域網(wǎng)中的基礎(chǔ)設(shè)備集線器共連接了8臺(tái)電腦，處于網(wǎng)絡(luò)的“中心”，通過(guò)集線器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，8臺(tái)電腦之間可以互連互通。具體通信過(guò)程是這樣的：假如計(jì)算機(jī)1要將一條信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)8，當(dāng)計(jì)算機(jī)1的網(wǎng)卡將信息通過(guò)雙絞線送到集線器上時(shí)，集線器并不會(huì)直接將信息送給計(jì)算機(jī)8，它會(huì)將信息進(jìn)行“廣播”-將信息同時(shí)發(fā)送給8個(gè)端口，當(dāng)8個(gè)端口上的計(jì)算機(jī)接收到這條廣播信息時(shí)，會(huì)對(duì)信息進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)該信息是

3、發(fā)給自己的，則接收，否則不予理睬。由于該信息是計(jì)算機(jī)1發(fā)給計(jì)算機(jī)8的，因此最終計(jì)算機(jī)8會(huì)接收該信息，而其它7臺(tái)電腦看完信息后，會(huì)因?yàn)樾畔⒉皇亲约旱亩唤邮赵撔畔?。集線器是一種“共享”設(shè)備，集線器本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以集線器為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_(tái)終端通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來(lái)確定是否接收。交換機(jī)是針對(duì)共享工作模式的弱點(diǎn)而推出的。集線器是采用共享工作模式的代表，如果把集線器比作一個(gè)郵遞員，那么這個(gè)郵遞員是個(gè)不認(rèn)識(shí)字的“傻瓜”-要他去送信，他不知道直接根據(jù)信件上的地址將信件送給收信人，只會(huì)拿著信分發(fā)給所有的人，然后讓接收的人根

4、據(jù)地址信息來(lái)判斷是不是自己的!而交換機(jī)則是一個(gè)“聰明”的郵遞員-交換機(jī)擁有一條高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上，當(dāng)控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對(duì)照表以確定目的MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個(gè)端口上，通過(guò)內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口。目的MAC若不存在，交換機(jī)才廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的地址，并把它添加入內(nèi)部地址表中。 可見，交換機(jī)在收到某個(gè)網(wǎng)卡發(fā)過(guò)來(lái)的“信件”時(shí)，會(huì)根據(jù)上面的地址信息，以及自己掌握的“常住居民戶口簿”快速將信件送到收信人的手中。萬(wàn)一收信人的地址不在“戶口簿”上，交

5、換機(jī)才會(huì)像集線器一樣將信分發(fā)給所有的人，然后從中找到收信人。而找到收信人之后，交換機(jī)會(huì)立刻將這個(gè)人的信息登記到“戶口簿”上，這樣以后再為該客戶服務(wù)時(shí)，就可以迅速將信件送達(dá)了。 路由就是指通過(guò)相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn)的活動(dòng)。那么路由器具體是如何進(jìn)行“翻譯”工作的呢?我們平時(shí)在學(xué)習(xí)、翻譯英語(yǔ)時(shí)，肯定會(huì)準(zhǔn)備一本英漢字典，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)英文與中文之間的互現(xiàn)轉(zhuǎn)換。而對(duì)于路由器而言，它也有這種用于翻譯的字典-路徑表。路徑表（Routing Table）保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)，如子網(wǎng)的標(biāo)志信息、網(wǎng)上路由器的個(gè)數(shù)和下一個(gè)路由器的名字等內(nèi)容。路徑表可以是由系統(tǒng)管理員固定設(shè)置好的，也可以由系

6、統(tǒng)動(dòng)態(tài)修改，可以由路由器自動(dòng)調(diào)整，也可以由主機(jī)控制。 路由就是指通過(guò)相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn)的活動(dòng)。那么路由器具體是如何進(jìn)行“翻譯”工作的呢?我們平時(shí)在學(xué)習(xí)、翻譯英語(yǔ)時(shí)，肯定會(huì)準(zhǔn)備一本英漢字典，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)英文與中文之間的互現(xiàn)轉(zhuǎn)換。而對(duì)于路由器而言，它也有這種用于翻譯的字典-路徑表。路徑表（Routing Table）保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)，如子網(wǎng)的標(biāo)志信息、網(wǎng)上路由器的個(gè)數(shù)和下一個(gè)路由器的名字等內(nèi)容。路徑表可以是由系統(tǒng)管理員固定設(shè)置好的，也可以由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)修改，可以由路由器自動(dòng)調(diào)整，也可以由主機(jī)控制。路由器就是連接兩個(gè)以上網(wǎng)絡(luò)線路的設(shè)備。 由于位于兩個(gè)或更多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的交匯

7、處，從而可在它們之間傳遞分組（一種數(shù)據(jù)的組織形式）。路由器與交換機(jī)(Switch)在概念上有一定重疊但也有不同：交換機(jī)泛指工作于任何網(wǎng)絡(luò)層次的數(shù)據(jù)中繼設(shè)備（盡管多指網(wǎng)橋），而路由器則更專注于網(wǎng)絡(luò)層。一個(gè)比較直觀的理解路由器與交換機(jī)區(qū)別的例子是這樣：交換機(jī)好比是鄰近的街道，而路由器則是街道的交匯點(diǎn)。一個(gè)街區(qū)的每一間房都有它自己的地址，也就是說(shuō)，交換機(jī)連接的不同的設(shè)備也有它們自己的IP地址，交換機(jī)無(wú)MAC地址，但路由有。路由器將網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，就像公路交換坡道或主交匯點(diǎn)連接公路和高速公路一樣。交匯點(diǎn)處的街道標(biāo)記（稱為路由表）決定數(shù)據(jù)包將流向哪條路。交換機(jī)內(nèi)部的CPU會(huì)在每個(gè)端口成功連接時(shí)，通過(guò)ARP

8、協(xié)議學(xué)習(xí)它的MAC地址，保存成一張交換表。在今后的通訊中，發(fā)往該MAC地址的數(shù)據(jù)包將僅送往其對(duì)應(yīng)的端口，而不是所有的端口。因此，交換機(jī)可用于劃分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網(wǎng)絡(luò)層廣播，即廣播域。交換器與集線器不同之處是，集線器會(huì)將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一用戶傳送之封包傳至所有已連接到集線器的計(jì)算機(jī)。而交換器則只會(huì)將封包傳送到指定目的地的計(jì)算機(jī)(通過(guò)ARP協(xié)議)，相對(duì)上能減少數(shù)據(jù)碰撞及數(shù)據(jù)被竊聽的機(jī)會(huì)。交換器更能將同時(shí)傳到的封包分別處理，而集線器則不能。集線器的特點(diǎn) 1）共享帶寬 集線器的帶寬是指它通信時(shí)能夠達(dá)到的最大速度。目前市面上用于中小型局域網(wǎng)的集線器主要有10Mbps、100Mbps和10/

9、100Mbps自適應(yīng)三種。 10Mb帶寬的集線器的傳輸速度最大為10Mbps，即使與它連接的計(jì)算機(jī)使用的是100Mbps網(wǎng)卡，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)速度仍然只有10Mbps。10/100Mbps自適應(yīng)集線器能夠根據(jù)與端口相連的網(wǎng)卡速度自動(dòng)調(diào)整帶寬，當(dāng)與10Mbps的網(wǎng)卡相連時(shí)，其帶寬為10Mb；與100Mbps的網(wǎng)卡相連時(shí)，其帶寬為100Mb，因此這種集線器也叫做“雙速集線器”。 集線器是一種“共享”設(shè)備，集線器本身不能識(shí)別目的地址，當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以集線器為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_(tái)終端通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來(lái)確定是否接收。 由于集線器在一個(gè)時(shí)鐘周期

10、中只能傳輸一組信息，如果一臺(tái)集線器連接的機(jī)器數(shù)目較多，并且多臺(tái)機(jī)器經(jīng)常需要同時(shí)通信時(shí)，將導(dǎo)致集線器的工作效率很差，如發(fā)生信息堵塞、碰撞等。 為什么會(huì)這樣呢?打給比方，以圖2為例，當(dāng)計(jì)算機(jī)1正在通過(guò)集線器發(fā)信息給計(jì)算機(jī)8時(shí)，如果此時(shí)計(jì)算機(jī)2也想通過(guò)集線器將信息發(fā)給計(jì)算機(jī)7，當(dāng)它試圖與集線器聯(lián)系時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)集線器正在忙計(jì)算機(jī)1的事情，于是計(jì)算機(jī)2便會(huì)“帶”著數(shù)據(jù)站在集線器的面前等待，并時(shí)時(shí)要求集線器停下計(jì)算機(jī)1的活來(lái)幫自己干。如果計(jì)算機(jī)2成功地將集線器“搶”過(guò)來(lái)了（由于集線器是“共享”的，因此很容易搶到手），此時(shí)正處于傳輸狀態(tài)的計(jì)算機(jī)1的數(shù)據(jù)便會(huì)停止，于是計(jì)算機(jī)1也會(huì)去“搶”集線器 可見，集線器上每

11、個(gè)端口的真實(shí)速度除了與集線器的帶寬有關(guān)外，與同時(shí)工作的設(shè)備數(shù)量也有關(guān)。比如說(shuō)一個(gè)帶寬為10Mb的集線器上連接了8臺(tái)計(jì)算機(jī)，當(dāng)這8臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)工作時(shí)，則每臺(tái)計(jì)算機(jī)真正所擁有的帶寬是10/8=1.25Mb! 2 半雙工 先說(shuō)說(shuō)全雙工：兩臺(tái)設(shè)備在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送或接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工。而處于半雙工傳送方式的設(shè)備，當(dāng)其中一臺(tái)設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，另一臺(tái)只能接收，而不能同時(shí)將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 由于集線器采取的是“廣播”傳輸信息的方式，因此集線器傳送數(shù)據(jù)時(shí)只能工作在半雙工狀態(tài)下，比如說(shuō)計(jì)算機(jī)1與計(jì)算機(jī)8需要相互傳送一些數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)1在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)8只能

12、接收計(jì)算機(jī)1發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，只有等計(jì)算機(jī)1停止發(fā)送并做好了接收準(zhǔn)備，它才能將自己的信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)1或其它計(jì)算機(jī)。 交換機(jī)的性能特點(diǎn) 1）獨(dú)享帶寬 由于交換機(jī)能夠智能化地根據(jù)地址信息將數(shù)據(jù)快速送到目的地，因此它不會(huì)像集線器那樣在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)“打擾”那些非收信人。這樣一來(lái)，交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口組之間的數(shù)據(jù)傳輸。并且每個(gè)端口都可視為是獨(dú)立的網(wǎng)段，相互通信的雙方獨(dú)自享有全部的帶寬，無(wú)須同其他設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用。比如說(shuō)，當(dāng)A主機(jī)向D主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，B主機(jī)可同時(shí)向C主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬-假設(shè)此時(shí)它們使用的是10Mb的交換機(jī)，那么該交換機(jī)此時(shí)的總流通量就等于2×10M

13、b=20Mb。 2）全雙工 當(dāng)交換機(jī)上的兩個(gè)端口在通信時(shí)，由于它們之間的通道是相對(duì)獨(dú)立的，因此它們可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 路由器作為一種高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并不是每個(gè)人都可以接觸到的，這是因?yàn)樗钠占靶圆蝗缂€器、交換機(jī)高。 集線器、交換機(jī)在工作時(shí)都是通過(guò)硬件直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，而路由器則不同，事實(shí)上路由器是一臺(tái)特殊的計(jì)算機(jī)，它有CPU、存儲(chǔ)介質(zhì)以及操作系統(tǒng)，只不過(guò)這些都與PC上的有點(diǎn)差別而已。總的說(shuō)來(lái)，路由器也可分為硬件及軟件兩部分。軟件部分主要是操作系統(tǒng)，普通PC的操作系統(tǒng)有Windows系列、Linux/Unix等，而路由器的操作系統(tǒng)就是IOS（Internetwork Operating S

14、ystem，互聯(lián)網(wǎng)際操作系統(tǒng)）。 路由器的硬件主要有CPU、接口和存儲(chǔ)介質(zhì)等。路由器中的CPU和計(jì)算機(jī)中的CPU所要實(shí)現(xiàn)的功能都是一樣的。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的CPU處理能力比路由器強(qiáng)大，但是在一些高端路由器上也會(huì)用到頻率高到300MHz的CPU。路由器中的接口是非常重要的，因?yàn)樗沁B接網(wǎng)絡(luò)最直接的媒介，它的接口主要有以太網(wǎng)口、串口、FDDI、令牌環(huán)等。計(jì)算機(jī)中有內(nèi)存和硬盤，路由器中也有，只不過(guò)它的名字不同而已；路由器中的存儲(chǔ)介質(zhì)主要有ROM（Read-Only Memory，只讀儲(chǔ)存設(shè)備）、Flash（閃存）、NVROM（非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器）、DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）等幾種。 路由器正是通過(guò)其

15、特殊的軟件功能來(lái)完成路由工作的，由于這種專業(yè)的路由器價(jià)格昂貴，所以現(xiàn)在人們也會(huì)在一些對(duì)路由器要求不高的應(yīng)用環(huán)境中利用普通的PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)路由功能，比如說(shuō)只要在一臺(tái)PC機(jī)上安裝Windows2000 Server，然后進(jìn)行必要的配置，一臺(tái)“路由器”就打造出來(lái)了。 三劍客的外觀比較 前面我們已經(jīng)講解了集線器、交換機(jī)、路由器的工作原理，但是對(duì)于很多初學(xué)者來(lái)說(shuō)，有時(shí)也希望能夠從外觀上去區(qū)分它們。當(dāng)然，集線器、交換機(jī)、路由器在外觀上肯定有所區(qū)別，但這些往往只能作為參考信息，畢竟現(xiàn)在很多集線器、交換機(jī)與路由器產(chǎn)品在外觀上看非常相似。而這里面最難區(qū)分的就是普通桌面型的集線器與交換機(jī)，而路由器相對(duì)比較容易識(shí)別。

16、 1.集線器與交換機(jī)的外觀區(qū)別 1）集線器的外觀 集線器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此集線器一般都比較小巧：接口面板上一般具備8個(gè)、16個(gè)、24個(gè)、32個(gè)等數(shù)量不等的RJ45接口。 由于單個(gè)集線器的最大接口數(shù)一般也就32個(gè)，如果要連接50臺(tái)甚至100臺(tái)主機(jī)的話該怎么辦呢?集線器上的“Uplink”級(jí)聯(lián)口就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的-通過(guò)級(jí)聯(lián)口，可以將多個(gè)集線器連接在一起，以便拓展集線器的接口數(shù)及連接距離，但最多只能級(jí)聯(lián)4個(gè)集線器。 與接口對(duì)應(yīng)的則是面板上標(biāo)有數(shù)字的一排或兩排指示燈，用來(lái)指示集線器的工作狀態(tài)。其中“Power”是電源指示燈，標(biāo)有數(shù)字的是“Link”（連接）與“Action”（活動(dòng)）指示燈，

17、當(dāng)某個(gè)RJ45接口中有正確的信號(hào)接入時(shí)，該接口的“Link”燈呈常亮狀態(tài)，當(dāng)有信號(hào)傳輸時(shí)，則“Action”燈閃爍?，F(xiàn)在集線器一般都將“Link”與“Action”指示燈合二為一，用一個(gè)指示燈來(lái)完成“Link”與“Action”的工作。 2）交換機(jī)的外觀 根據(jù)應(yīng)用范圍不同交換機(jī)存在著多種多樣的外觀。例如一些用于骨干線路的交換機(jī)，往往采用的是“模塊式”集成方式，用戶可以通過(guò)購(gòu)買、增加模塊來(lái)增強(qiáng)交換機(jī)的功能，這類交換機(jī)一般應(yīng)用在大型企業(yè)，其體積也很大。 而對(duì)于那些應(yīng)用在小型局域網(wǎng)的桌面型交換機(jī)，其外觀與普通的集線器非常相似，要想在外觀上區(qū)分它們，除了銘牌上“HUB”與“Switch”標(biāo)志的區(qū)別外，

18、關(guān)鍵是指示燈：如今的交換機(jī)大多是10/100Mbps自適應(yīng)交換機(jī)，因此其面板上一般有用來(lái)表示該端口是工作在10Mbps還是100Mbps的指示燈。另外，交換機(jī)既可以工作在全雙工狀態(tài)下，也可以工作在半雙工狀態(tài)下，因此其面板上一般還有一排“FDX/COL”或“FD/COL”指示燈。 其中“FDX”或“FD”是“Full Duplex”（全雙工）的縮寫，當(dāng)交換機(jī)上的某個(gè)端口工作在全雙工狀態(tài)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的“FDX”指示燈會(huì)亮，否則該端口工作在半雙工狀態(tài)下；“COL”則是信息碰撞指示燈，當(dāng)該端口中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)碰撞時(shí)，則該燈會(huì)閃爍，碰撞越厲害，閃爍越厲害。 對(duì)于集線器而言，雖然有些10/100Mbps自適應(yīng)的集線器也有用來(lái)指示是工作在10Mbps還是100Mbps的指示燈，但絕對(duì)沒有“FDX/COL”指示燈。初