集線器,路由器，交換機的作用和區別是什麼

號稱網絡硬件三劍客的集線器（Hub）、交換機（Switch）與路由器（Router）一直都是網絡界的活躍分子，但讓很多初入網絡之門的菜鳥惱火的是，它們三者不僅外觀相似，而且經常呆在一起，要想分清誰是誰，感覺有點難!就讓我們一起來看看它們之間有什麼區別和聯繫吧! 


三劍客的工作原理 


一、集線器 
1.什麼是集線器 
在認識集線器之前，必須先了解一下中繼器。在我們接觸到的網絡中，最簡單的就是兩臺電腦通過兩塊網卡構成“雙機互連”，兩塊網卡之間一般是由非屏蔽雙絞線來充當信號線的。由於雙絞線在傳輸信號時信號功率會逐漸衰減，當信號衰減到一定程度時將造成信號失真，因此在保證信號質量的前提下，雙絞線的最大傳輸距離爲100米。當兩臺電腦之間的距離超過100米時，爲了實現雙機互連，人們便在這兩臺電腦之間安裝一個“中繼器”，它的作用就是將已經衰減得不完整的信號經過整理，重新產生出完整的信號再繼續傳送。 中繼器就是普通集線器的前身，集線器實際就是一種多端口的中繼器。集線器一般有4、8、16、24、32等數量的RJ45接口，通過這些接口，集線器便能爲相應數量的電腦完成“中繼”功能。由於它在網絡中處於一種“中心”位置，因此集線器也叫做“Hub”。 
2.集線器的工作原理 
集線器的工作原理很簡單，以圖2爲例，圖中是一個具備8個端口的集線器，共連接了8臺電腦。集線器處於網絡的“中心”，通過集線器對信號進行轉發，8臺電腦之間可以互連互通。具體通信過程是這樣的：假如計算機1要將一條信息發送給計算機8，當計算機1的網卡將信息通過雙絞線送到集線器上時，集線器並不會直接將信息送給計算機8，它會將信息進行“廣播”--將信息同時發送給8個端口，當8個端口上的計算機接收到這條廣播信息時，會對信息進行檢查，如果發現該信息是發給自己的，則接收，否則不予理睬。由於該信息是計算機1發給計算機8的，因此最終計算機8會接收該信息，而其它7臺電腦看完信息後，會因爲信息不是自己的而不接收該信息。 
3.集線器的特點 
1）共享帶寬 
集線器的帶寬是指它通信時能夠達到的最大速度。目前市面上用於中小型局域網的集線器主要有10Mbps、100Mbps和10/100Mbps自適應三種。 


10Mb帶寬的集線器的傳輸速度最大爲10Mbps，即使與它連接的計算機使用的是100Mbps網卡，在傳輸數據時速度仍然只有10Mbps。10/100Mbps自適應集線器能夠根據與端口相連的網卡速度自動調整帶寬，當與10Mbps的網卡相連時，其帶寬爲10Mb；與100Mbps的網卡相連時，其帶寬爲100Mb，因此這種集線器也叫做“雙速集線器”。 


集線器是一種“共享”設備，集線器本身不能識別目的地址，當同一局域網內的A主機給B主機傳輸數據時，數據包在以集線器爲架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端通過驗證數據包頭的地址信息來確定是否接收。 


由於集線器在一個時鐘週期中只能傳輸一組信息，如果一臺集線器連接的機器數目較多，並且多臺機器經常需要同時通信時，將導致集線器的工作效率很差，如發生信息堵塞、碰撞等。 


爲什麼會這樣呢?打給比方，以圖2爲例，當計算機1正在通過集線器發信息給計算機8時，如果此時計算機2也想通過集線器將信息發給計算機7，當它試圖與集線器聯繫時，卻發現集線器正在忙計算機1的事情，於是計算機2便會“帶”着數據站在集線器的面前等待，並時時要求集線器停下計算機1的活來幫自己幹。如果計算機2成功地將集線器“搶”過來了（由於集線器是“共享”的，因此很容易搶到手），此時正處於傳輸狀態的計算機1的數據便會停止，於是計算機1也會去“搶”集線器…… 


可見，集線器上每個端口的真實速度除了與集線器的帶寬有關外，與同時工作的設備數量也有關。比如說一個帶寬爲10Mb的集線器上連接了8臺計算機，當這8臺計算機同時工作時，則每臺計算機真正所擁有的帶寬是10/8=1.25Mb! 


2) 半雙工 


先說說全雙工：兩臺設備在發送和接收數據時，通信雙方都能在同一時刻進行發送或接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工。而處於半雙工傳送方式的設備，當其中一臺設備在發送數據時，另一臺只能接收，而不能同時將自己的數據發送出去。 


由於集線器採取的是“廣播”傳輸信息的方式，因此集線器傳送數據時只能工作在半雙工狀態下，比如說計算機1與計算機8需要相互傳送一些數據，當計算機1在發送數據時，計算機8只能接收計算機1發過來的數據，只有等計算機1停止發送並做好了接收準備，它才能將自己的信息發送給計算機1或其它計算機。 


二、交換機 
1.什麼是交換機 
交換機也叫交換式集線器，它通過對信息進行重新生成，並經過內部處理後轉發至指定端口，具備自動尋址能力和交換作用，由於交換機根據所傳遞信息包的目的地址，將每一信息包獨立地從源端口送至目的端口，避免了和其他端口發生碰撞。廣義的交換機就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。 


2.交換機的工作原理 
在計算機網絡系統中，交換機是針對共享工作模式的弱點而推出的。集線器是採用共享工作模式的代表，如果把集線器比作一個郵遞員，那麼這個郵遞員是個不認識字的“傻瓜”--要他去送信，他不知道直接根據信件上的地址將信件送給收信人，只會拿着信分發給所有的人，然後讓接收的人根據地址信息來判斷是不是自己的!而交換機則是一個“聰明”的郵遞員--交換機擁有一條高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，當控制電路收到數據包以後，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC（網卡的硬件地址）的NIC（網卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口。目的MAC若不存在，交換機才廣播到所有的端口，接收端口迴應後交換機會“學習”新的地址，並把它添加入內部地址表中。 


可見，交換機在收到某個網卡發過來的“信件”時，會根據上面的地址信息，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。萬一收信人的地址不在“戶口簿”上，交換機纔會像集線器一樣將信分發給所有的人，然後從中找到收信人。而找到收信人之後，交換機會立刻將這個人的信息登記到“戶口簿”上，這樣以後再爲該客戶服務時，就可以迅速將信件送達了。 


3.交換機的性能特點 
1）獨享帶寬 
由於交換機能夠智能化地根據地址信息將數據快速送到目的地，因此它不會像集線器那樣在傳輸數據時“打擾”那些非收信人。這樣一來，交換機在同一時刻可進行多個端口組之間的數據傳輸。並且每個端口都可視爲是獨立的網段，相互通信的雙方獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。比如說，當A主機向D主機發送數據時，B主機可同時向C主機發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬--假設此時它們使用的是10Mb的交換機，那麼該交換機此時的總流通量就等於2×10Mb=20Mb。 


2）全雙工 
當交換機上的兩個端口在通信時，由於它們之間的通道是相對獨立的，因此它們可以實現全雙工通信。 


三、集線器與交換機的區別 


從兩者的工作原理來看，交換機和集線器是有很大差別的。首先，從OSI體系結構來看，集線器屬於OSI的第一層物理層設備，而交換機屬於OSI的第二層數據鏈路層設備。 


其次，從工作方式來看，集線器採用一種“廣播”模式，因此很容易產生“廣播風暴”，當網絡規模較大時性能會受到很大的影響。而當交換機工作的時候，只有發出請求的端口和目的端口之間相互響應而不影響其他端口，因此交換機能夠在一定程度上隔離衝突域和有效抑制“廣播風暴”的產生。 


另外，從帶寬來看，集線器不管有多少個端口，所有端口都是共享一條帶寬，在同一時刻只能有兩個端口傳送數據，其他端口只能等待，同時集線器只能工作在半雙工模式下；而對於交換機而言，每個端口都有一條獨佔的帶寬，當兩個端口工作時並不影響其他端口的工作，同時交換機不但可以工作在半雙工模式下而且可以工作在全雙工模式下。 


如果用最簡單的語言敘述交換機與集線器的區別，那就應該是智能與非智能的區別。集線器說白了只是連接多個計算機的網絡設備，它只能起到信號放大和傳輸的作用，不能對信號中的碎片進行處理，所以在傳輸過程中容易出錯。而交換機則可以看作爲是一種智能型的集線器，它除了擁有集線器的所有特性外，還具有自動尋址、交換、處理的功能。並且在數據傳遞過程中，發送端與接受端獨立工作，不與其它端口發生關係，從而達到防止數據丟失和提高吞吐量的目的。 


四、路由器 
1.路由器的作用 
通過集線器或交換機，我們可以將很多臺電腦組成一個比較大的局域網（圖3），但是當機器的數量達到一定數目時，問題也就來了：對於用集線器構成的局域網而言，由於採用“廣播”工作模式，當網絡規模較大時，信息在傳輸過程中出現碰撞、堵塞的情況越來越嚴重，即使是交換機，這種情況也同樣存在。其次，這種局域網不安全，也不利於管理。 


爲了解決這些問題，人們便將一個較大的網絡劃分爲一個個小的子網、網段，或者直接將它們劃分爲多個VLAN（即虛擬局域網），在一個VLAN內，一臺主機發出的信息只能發送到具有相同VLAN號的其他主機，其他VLAN的成員收不到這些信息或廣播幀。採用VLAN劃分網絡後，可有效地抑制網絡上的廣播風暴，增加網絡的安全性，使管理控制集中（圖4）。 


既然是局域網，萬一分別處於不同VLAN的主機需要互相通信時該怎麼辦呢?這時候就得通過路由器（Router，轉發者）來幫忙了。路由器可以將處於不同子網、網段、VLAN的電腦連接起來，讓它們自由通信。另外，我們都知道目前的網絡有很多種結構類型，且不同網絡所使用的協議、速度也不盡相同。當兩個不同結構的網絡需要互連時，也可以通過路由器來實現。路由器可以使兩個相似或不同體系結構的局域網段連接到一起，以構成一個更大的局域網或一個廣域網。 


可見，路由器是一種連接多個網絡或網段的網絡設備，它能將不同網絡、網段或VLAN之間的數據信息進行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀”懂對方的數據，從而構成一個更大的網絡。 


2.路由器的工作原理 
所謂路由就是指通過相互連接的網絡把信息從源地點移動到目標地點的活動。那麼路由器具體是如何進行“翻譯”工作的呢?我們平時在學習、翻譯英語時，肯定會準備一本英漢字典，通過它來實現英文與中文之間的互現轉換。而對於路由器而言，它也有這種用於翻譯的字典--路徑表。路徑表（Routing Table）保存着各種傳輸路徑的相關數據，如子網的標誌信息、網上路由器的個數和下一個路由器的名字等內容。路徑表可以是由系統管理員固定設置好的，也可以由系統動態修改，可以由路由器自動調整，也可以由主機控制。 


通過路由器可以讓不同子網、網段進行互連，因此路由器與集線器、交換機不同，它一般安裝在網絡的“骨幹”部位，而不像集線器、交換機那樣工作在基層。比如說一個較大規模的企業局域網，基於管理、安全、性能的考慮，一般都會將整個網絡劃分爲多個VLAN，如此一來，當VLAN與VLAN之間進行通訊時，就必須使用路由器。 


對於該企業網而言，肯定還需要與互聯網相連，對於企業而言，一般都是通過租用電信的DDN專線或者利用ADSL、Cable、ISDN等方式將企業網接入互聯網，而此時由於網絡體系及所用協議的不同，也需要路由器來完成企業網與互聯網的互連工作。 


一般來說，在路由過程中，信息至少會經過一個或多箇中間節點。通常，人們會把路由和交換進行對比，這主要是因爲在普通用戶看來兩者所實現的功能是完全一樣的。其實，路由和交換之間的主要區別就是交換髮生在OSI參考模型的第二層（數據鏈路層），而路由發生在第三層，即網絡層。這一區別決定了路由和交換在移動信息的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實現各自功能的方式是不同的。路由器通過路由決定數據的轉發。轉發策略稱爲路由選擇，這也是路由器名稱的由來。 


三劍客的外觀比較 


前面我們已經講解了集線器、交換機、路由器的工作原理，但是對於很多初學者來說，有時也希望能夠從外觀上去區分它們。當然，集線器、交換機、路由器在外觀上肯定有所區別，但這些往往只能作爲參考信息，畢竟現在很多集線器、交換機與路由器產品在外觀上看非常相似。而這裏面最難區分的就是普通桌面型的集線器與交換機，而路由器相對比較容易識別。 
1.集線器與交換機的外觀區別 


1）集線器的外觀 
集線器的結構比較簡單，因此集線器一般都比較小巧：接口面板上一般具備8個、16個、24個、32個等數量不等的RJ45接口。 


由於單個集線器的最大接口數一般也就32個，如果要連接50臺甚至100臺主機的話該怎麼辦呢?集線器上的“Uplink”級聯口就是爲了解決這個問題而出現的--通過級聯口，可以將多個集線器連接在一起，以便拓展集線器的接口數及連接距離，但最多隻能級聯4個集線器。 


與接口對應的則是面板上標有數字的一排或兩排指示燈，用來指示集線器的工作狀態。其中“Power”是電源指示燈，標有數字的是“Link”（連接）與“Action”（活動）指示燈，當某個RJ45接口中有正確的信號接入時，該接口的“Link”燈呈常亮狀態，當有信號傳輸時，則“Action”燈閃爍。現在集線器一般都將“Link”與“Action”指示燈合二爲一，用一個指示燈來完成“Link”與“Action”的工作。 


2）交換機的外觀 
根據應用範圍不同交換機存在着多種多樣的外觀。例如一些用於骨幹線路的交換機，往往採用的是“模塊式”集成方式，用戶可以通過購買、增加模塊來增強交換機的功能，這類交換機一般應用在大型企業，其體積也很大。 


而對於那些應用在小型局域網的桌面型交換機，其外觀與普通的集線器非常相似，要想在外觀上區分它們，除了銘牌上“HUB”與“Switch”標誌的區別外，關鍵是指示燈：如今的交換機大多是10/100Mbps自適應交換機，因此其面板上一般有用來表示該端口是工作在10Mbps還是100Mbps的指示燈。另外，交換機既可以工作在全雙工狀態下，也可以工作在半雙工狀態下，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，當交換機上的某個端口工作在全雙工狀態時，其對應的“FDX”指示燈會亮，否則該端口工作在半雙工狀態下；“COL”則是信息碰撞指示燈，當該端口中傳輸的數據出現碰撞時，則該燈會閃爍，碰撞越厲害，閃爍越厲害。 


對於集線器而言，雖然有些10/100Mbps自適應的集線器也有用來指示是工作在10Mbps還是100Mbps的指示燈，但絕對沒有“FDX/COL”指示燈。初學者可以通過這一點來區分集線器與交換機。 
2.路由器的組成與外觀 


1）路由器的組成 


路由器作爲一種高級的網絡設備，並不是每個人都可以接觸到的，這是因爲它的普及性不如集線器、交換機高。 


集線器、交換機在工作時都是通過硬件直接實現信號的傳輸，而路由器則不同，事實上路由器是一臺特殊的計算機，它有CPU、存儲介質以及操作系統，只不過這些都與PC上的有點差別而已。總的說來，路由器也可分爲硬件及軟件兩部分。軟件部分主要是操作系統，普通PC的操作系統有Windows系列、Linux/Unix等，而路由器的操作系統就是IOS（Internetwork Operating System，互聯網際操作系統）。 


路由器的硬件主要有CPU、接口和存儲介質等。路由器中的CPU和計算機中的CPU所要實現的功能都是一樣的。一般來說，計算機的CPU處理能力比路由器強大，但是在一些高端路由器上也會用到頻率高到300MHz的CPU。路由器中的接口是非常重要的，因爲它是連接網絡最直接的媒介，它的接口主要有以太網口、串口、FDDI、令牌環等。計算機中有內存和硬盤，路由器中也有，只不過它的名字不同而已；路由器中的存儲介質主要有ROM（Read-Only Memory，只讀儲存設備）、Flash（閃存）、NVROM（非易失性隨機存儲器）、DRAM（動態隨機存儲器）等幾種。 


路由器正是通過其特殊的軟件功能來完成路由工作的，由於這種專業的路由器價格昂貴，所以現在人們也會在一些對路由器要求不高的應用環境中利用普通的PC機來實現路由功能，比如說只要在一臺PC機上安裝Windows2000 Server，然後進行必要的配置，一臺“路由器”就打造出來了。 


2）路由器的外觀 


路由器主要運行在骨幹網絡上，因此外觀也千姿百態，比如一些應用於因特網骨幹線路的千兆級別的路由器，往往也是模塊化設計，體型也很龐大。 


而那些應用於中小型企業的路由器則相對比較小巧，這類外觀看起來與集線器、交換機差不多的路由器，其最大的外觀特點就是端口數量相對較少，但類型多樣。 
其實也很好理解，路由器主要是用來連接不同類型的網絡，它位於網絡的最高層，基於成本的考慮，其端口肯定比較少，但同時爲了連接多種類型的網絡，又必須具備多種類型的網絡接口。