广域网交换机与局域网交换机的应用

1.交换机

网络中的节点设备主要包括路由器、交换机和集线器等。

交换机意为“开关”，是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机，其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。交换机根据工作位置的不同，可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域交换机是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据报以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC地址（也叫硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据报传送到目的端口；若目的MAC不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后，交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络分段，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效地减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无需同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbit/s的以太网交换机，那么该交换机此时的总流通量就等于2×10Mbit/s=20Mbit/s；而使用10Mbit/s的共享式集线器（HUB）时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbit/s。总之，交换机是一种基于MAC地址识别、能完成封装转发数据帧功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

交换机的传输模式有全双工、半双工、全双工/半双工自适应。全双工指交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，就好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。全双工的好处在于迟延小，速度快。半双工指一个时间段内只有一个动作发生。就好像一条窄的道路，只能允许一辆车通过；当有两辆车相向行驶时，这时就只能让一辆先过，等这辆过了以后另一辆再过。这个例子就形象地说明了半双工的原理。早期的对讲机以及早期集线器等设备，都是实行半双工的产品。随着技术的不断进步，半双工会逐渐退出历史舞台。

从广义上来看，网络交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台；而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组级交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，支持大于500个信息点大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持100～300个信息点中型企业的交换机为部门级交换机，而支持小于100个信息点的交换机为工作组级交换机。

2.路由器

路由器（router）是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径、按前后顺序发送信号。路由器是互联网络的枢纽——“交通警察”。路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联，以及骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由器和交换机之间的主要区别就是，交换机发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由器发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由器和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，故两者实现各自功能的方式也不同。

路由器（router）又称网关设备（gateway），用于连接多个逻辑上分开的网络。所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

路由器分本地路由器和远程路由器。本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆和双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。

路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（routing），这也是路由器名称的由来（router，转发者）。作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互联网络Internet的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互联的质量。因此，在园区网、地区网乃至整个Internet研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向成为整个Internet研究的一个缩影。在当前我国网络基础建设和信息建设方兴未艾之际，探讨路由器在互联网络中的作用、地位及其发展方向，对于国内的网络技术研究、网络建设，以及明确网络市场上对于路由器和网络互联的各种似是而非的概念，都有重要的意义。

路由器的主要功能包括：

1）连通不同的网络。从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在网络物理层、从物理上划分网段的交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如，一台支持IP协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。对于每一个接收到的数据报，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据报物理地址的交换机慢。但是，对于那些结构复杂的网络，使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。总体上说，在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。

2）信息传输。有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳的传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略，即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据—路径表（RoutingTable），供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的。(www.xing528.com)

3.集线器

集线器的英文称为HUB。HUB是中心的意思。集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生、整形、放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于开放系统互联（OSI）参考模型第一层，即物理层。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用带冲突检测的载波监听多路访问技术（CS-MA/CD）介质访问控制机制。集线器每个接口简单地收发bit，收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。

集线器属于纯硬件网络底层设备，基本上不具有类似于交换机的智能记忆能力和学习能力。它也不具备交换机所具有的MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据报发送到与集线器相连的所有节点。

集线器是一个多端口的转发器，当以集线器为中心设备时，网络中某条线路产生了故障，并不影响其他线路的工作。所以集线器在局域网中得到了广泛的应用。大多数情况下，它用在星形与树形网络的拓扑结构中，以RJ45接口与各主机相连（也有BNC接口），集线器按照不同的说法有很多种类。

集线器工作于OSI/RM参考模型的物理层和数据链路层的介质访问控制（MAC）子层。物理层定义了电气信号、符号、线的状态和时钟要求，以及数据编码和数据传输用的连接器。因为集线器只对信号进行整形、放大后再重发，不进行编码，所以是物理层的设备。10M集线器在物理层有4个标准接口可用，即10BASE-5、10BASE-2、10BASE-T和10BASE-F。层与层之间用10M集线器的10BASE-5（AUI）端口连接。

集线器的工作过程非常简单：节点发信号到线路，集线器接收该信号；因信号在电缆传输中有衰减，集线器接收信号后将衰减的信号整形、放大，由集线器将放大的信号广播转发给其他所有端口。

集线器（HUB）属于数据通信系统中的基础设备，具有流量监控功能。它和双绞线等传输介质一样，是一种不需任何软件支持或只需很少管理软件管理的硬件设备，它被广泛应用于各种场合。集线器工作在局域网（LAN）环境，被称为物理层设备。集线器内部采用了电气互联，当维护LAN的环境为逻辑总线或环形结构时，完全可以用集线器建立一个物理上的星形或树形网络结构。在这方面，集线器所起的作用相当于多端口的中继器。集线器实际上就是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又称为多口中继器。

集线器广播发送数据方式有三方面不足：

1）用户数据报向所有节点发送，很可能带来数据通信的不安全因素，一些别有用心的人很容易就能非法截获他人的数据报。

2）由于所有数据报是向所有节点同时发送，加上其共享带宽方式（如果两个设备共享10M的集线器，那么每个设备就只有5M的带宽），就会造成网络塞车现象，降低了网络执行效率。

3）非双工传输，网络通信效率低。在同一时刻，集线器的每一个端口只能进行一个方向的数据通信，而不能像交换机那样进行全双工传输，网络执行效率低，不能满足较大型网络的通信需求。

依据IEEE 802.3协议，集线器功能是随机选出某一端口的设备，并让它独占全部带宽，与集线器的上联设备（交换机、路由器或服务器等）进行通信。

HUB是一个多端口的信号放大设备。在工作中，当HUB的一个端口接收到数据信号时，由于信号在从源端口到HUB的传输过程中已有了衰减，而HUB便将该信号进行整形、放大，使被衰减的信号再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。从HUB的工作方式可以看出，它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，是一个标准的共享式设备。不过，随着技术的发展和需求的变化，许多集线器在功能上进行了拓宽，不再受这种工作机制的影响。由集线器组成的网络是共享式网络，同时集线器也只能够在半双工模式下工作。

集线器主要用于共享网络的组建，是解决从服务器直接到桌面最经济的方案。在交换式网络中，集线器直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。使用集线器组网灵活，它处于网络的一个星形节点，对节点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。