第三章 数据链路层 补充 共享式以太网和交换式以太网

转载自：http://blog.youkuaiyun.com/sailor_8318/article/details/3907345

交换式以太网和共享式以太网区别

 

集线器，又称Hub，在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备，导致了在繁重的网络中，效率变得十分低下，易产生广播风暴。所以我们在中、大型的网络中看不到集线器的身影。

 

交换机是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。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。

 

在局域网中大量地了集线器（HUB）或交换机（Switch）这种连接设备。利用集线器连接的局域网叫共享式局域网，利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。那它们二者有何区别呢？

 

大家知道，以太网中采用的工作方式是CSMA／CD（载波监听多路访问／冲突检测），对于发送端来说，它每发送一个数据信息时，首先对网络进行监听，当它检测到线路正好有空，便立即发送数据，否则继续检测，直到线路空闲时再发送。对于接收端来说，对接收到的信号首先进行确认，如果是发给自己的就接收，否则不予理睬。

 

在介绍集线器与交换机二者区别的时候，我们先来谈谈网络中的共享和交换这两个概念。在此，我们打个比方，同样是10个车道的马路，如果没有给道路标清行车路线，那么车辆就只能在无序的状态下抢道或占道通行，容易发生交通堵塞和反向行驶的车辆对撞，使通行能力降低。为了避免上述情况的发生，就需要在道路上标清行车线，保证每一辆车各行其道、互不干扰。共享式网络就相当于前面所讲的无序状态，当数据和用户数量超出一定的限量时，就会造成碰撞冲突，使网络性能衰退。而交换式网络则避免了共享式网络的不足，交换技术的作用便是根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从端口送至目的端口，避免了与其它端口发生碰撞，提高了网络的实际吞吐量。

 

共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽，每个用户的实际可用带宽随网络用户数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时，多个用户都可能同进“争用”一个信道，而一个通道在某一时刻只充许一个用户占用，所以大量的经常处于监测等待状态，致使信号在传送时产生抖动、停滞或失真，严重影响了网络的性能。

 

交换式以太网中，交换机供给每个用户专用的信息通道，除非两个源端口企图将信息同时发往同一目的端口，否则各个源端口与各自的目的端口之间可同时进行通信而不发生冲突。

交换机只是在工作方式上与集线器不同，其它的连接方式、速度选择等则与集线器基本相同。

共享式以太网与交换式以太网

--- 北京邮电大学电信工程学院计算机技术中心讲师刘瑞芳
--- 北京邮电大学电信工程学院计算机技术中心教授徐惠民

［摘要］本文首先介绍传统以太网的基本技术，在此基础上发展起来的快速以太网经历了一个从共享
介质到专用介质、从集线器到交换机、从共享信道到专用信道、从10Mb/s到100Mb/s的历程。文章最后从
实际应用的角度列举了交换式快速以太网的几个组网实例。

在一些场合下，把以太网、令牌环网、令牌总线网等物理网络称为传统局域网，而以太网是最成功的局域
网技术，得到了最为广泛的应用（价格取胜）。以太网诞生之初，10Mb/s的传输速率远远超出了当时计算
机的需求和性能，所以共享带宽是其本意，网络上的多个站点共享10Mb/s带宽，而在任意时刻最多只允许
网络上两个站点之间通信，其它站点必须等待。计算技术与通信技术的发展尤如钟摆，在某个时期内，计
算性能可能超过当时的通信技术，而另一时期内，通信技术又可能超过当时的计算性能，系统性能要么受
到通信系统的限制，要么受到使用这些通信信道的计算设备的限制，所以，从10Mb/s以太网引入，到１０
年后４８６PC机能以10Mb/s进行持续的数据传输，这期间以太网缺少升级的驱动力。假设10Mb/s以太网
上有１０个站点，由于共享带宽，每个站分到的平均带宽为1Mb/s，再加上因冲突而重试，每个站分到的带
宽就更少了。当这种共享式以太网阻碍了系统性能时，为了提升带宽，10０Mb/s接口的以太网发展起来，
称为快速以太网。快速以太网是在传统以太网基础上发展起来的，经历了一个从共享介质到专用介质，从
集线器到交换机，从共享信道到专用信道，从10Mb/s到100Mb/s的历程。在实际应用时，两种网络可能混
合存在于同一个网络系统中，即有的计算设备以10Mb/s接入，而有的计算设备以10０Mb/s接入。

一传统以太网技术
无论是10BASE2还是10BASET，以及10BASEF（以光纤为介质），传统以太网的最初概念就是：提供一种
方法，允许多台设备共享一个公共信道，所以它们都是共享1０Mb/s带宽。网络上的每台计算机需要安装
网络适配器，如PC机的网卡，然后经BNC头、RJ45头、双工SC等接插件与传输介质相连，从而构成系
统。

以太网适配器要实现ISO/OSI底两层协议的功能（图1是以太网适配器的逻辑结构图），物理层实现两站间
无特征、无结构的二进制数据位流的传送，MAC(MediaAccessControl)子层采用CSMA/CD算法：当一个
站点要发送信息前，先侦听总线是“闲”还是“忙”，如介质上有信息表示“忙”，则按某种随机的退避算法，
推后一段时间，并在线路“闲”时再发送，由于信息在介质上传播有延时，当侦听到“闲”时，可能其它站已
在发送信息而信号在介质上还未传到本站的物理位置，此时站点误认为“闲”，就发信息而造成“冲突”，因
此要边发送边检测，一旦检测到冲突即停止发送，仍以某种随机的退避算法，推后一段时间再试着发送。

严格地说，MAC地址只需要局部唯一，也就是说，只需要在局域网的所有端口中唯一，但不要求在所有局
域网中唯一。人们在设计链路地址时倾向于“地址位越少越好”，可以减小各种开销，只要网络上站的数量
少到够用就行。但是以太网一反常规思维，采用了48位地址空间（能使地球上平均每人拥有5万个地址，或
者说，在地球表面有人居住的每平方米上可以有5个全局唯一地址）。正是这48位全局唯一地址，解决了以
太网接入设备数量日益增长的问题，而随着技术的发展（10０Mb/s以太网，100０Mb/s以太网）“带宽变得

越来越便宜”，扩大地址位并没有增加太大开销。
可以说，CSMA/CD算法是以太网的精髓，在任意给定时刻，以太网只能从一个源站向另一个或多个目的
站传送数据，双向通信是由帧的快速交换而不是全双工操作来实现的，所以，传统以太网是半双工的工作
方式。

二从共享介质到专用介质
最早的以太网使用粗同轴电缆作为底层的物理传输介质(10BASE5标准)，后来为了减少成本及安装复杂
性，使用细同轴电缆(10BASE2标准)，这两种以太网都是总线型结构，网络上的各站点通过BNC插头连
接到同轴电缆，共享介质，共享带宽。
由于结构化布线技术的发展，以太网物理结构由总线型转向星型。利用布线系统标准，可以使建筑物以常
规方式进行布线，而不必在布线时考虑以后安装和使用的设备。按照基本的结构化布线模型，水平分布的
是非屏蔽双绞线，所以各端设备要与非屏蔽双绞线相连。以太网采用双绞线作为底层的物理传输介质
(10BASET标准)，网络上的各站点通过RJ45插头用非屏蔽双绞线与集线器Hub相连，这样就由共享介质
发展为专用介质，专用介质具有如下优点：
●可以进行结构化布线，容易增加或减少站以及改变配置。对于总线型结构，任何变动都需要重新布
线，可能要爬进顶棚或打掉墙来找电缆，并使网络中断。
●有故障隔离作用。在总线型结构中，任何一个串接的T接头不牢固，都会导致全网不通，星型结构
就避免了这一缺点。
●网络管理简单，所有的用户连接和网络集线器都放在配线间，网络诊断、测试、维护都变得相当简
单。
● 可 以 在 集 线 设 备 中 增 加 各 种 网 络 管 理 功 能 。

虽然双绞线本身的传输特性不如同轴电缆，并且系统总的造价要比原来高得多（每个站点都要布线到配线
间；系统中需要有Hub等集线设备），但人们还是纷纷转向专用介质以太网。

这时的以太网虽然使用专用介质，但仍然是共享带宽的。其中，集线器Hub的功能很简单，它直接工作在
物理层，不处理数据链路帧，不是一个存储-转发设备。它从发送端站接收数据，然后向除信号到达端口之
外的所有端口重发数据，每个端口要进行载波监听，一旦检测到信号就触发内部状态机，并通知其它站，
同样Hub要进行冲突检测，内部状态机将把冲突消息传送给相关的站。因此，Hub内部不需要MAC实体
来实现CSMA/CD算法，仅需要几个比特的缓冲区，以允许端口间信号重新记时。共享式Hub内部带宽并
不比任何一个端口大。
多个站共享介质，它们就不可能有专用的带宽，所以说，专用介质以太网的产生为以后的专用带宽提供了
必要的前提。

三从集线器到交换机
20世纪90年代，由于计算能力特别是桌面机的计算能力的增长，加上接入以太网的计算机数量的增加，通

信信道的利用率增加了，信道有时甚至会发生拥塞，10Mb/s信道变成了制约系统性能的主要因素。传统的

提升这类共享型网络带宽的方法是采用网桥或路由器进行网段分割。网桥和路由器都是存储-转发部件，所
不同的是，路由器工作在ISO/OSI的底三层协议，而网桥工作在ISO/OSI的底两层协议。以太网只涉及到
底两层协议，所以在这里我们不对路由器进行深入探讨。网桥有各种类型，如：透明网桥、源路由网桥、
翻译网桥等，有的网桥不是用于以太网，有的是在不同类型的局域网之间起到转换桥接作用。我们主要讨
论的是透明网桥，在本文中谈到网桥均指透明网桥。网桥最初主要用于网段分割，从而隔离通信流量并改
善网络性能，其基本特点有：
●网桥工作在数据链路层，接收和转发数据帧，并对帧进行管理
●网桥独立于网络层协议
●作为存储-转发设备的网桥，可以具有不只两个端口，这样的多端口网桥叫做多路网桥
●网桥是一个有源设备，所以能扩大以太网的地理范围，不再受CSMA/CD介质访问机制的限制
网桥内部存在MAC实体，工作在MAC子层，传输的是帧，它从帧中的源地址逆向学习，生成、完善和维
护地址表。网桥与每个相连的LAN(LocalAreaNetwork)的连接处都有一个端口，每个端口对应一个MAC
实体。网桥接收其每个端口到来的每一帧，根据帧的源地址动态更新或补充地址表的内容，若某表项长时
间没被刷新，超过一定时间将被删除。经过一段时间，随着站不断地发送帧，网桥就知道所有活动站的地
址-端口对应关系。当一个端口接收到帧后，网桥检查该帧的目的地址，然后查找地址表，确定与该地址对
应的端口，以便转发出去。如果收到帧的端口正是帧的目的地址所在端口，网桥就丢弃该帧，因为通过正
常的LAN传输机制，目标机已收到该帧。如果在地址表中找不到该目的地址与端口，还未建立该表项，它
便会向除收到该帧之外的所有端口转发此帧。图2表示了网桥简化的工作过程。
有几点需要特别说明：
●网桥的正常工作依赖于以太网的48位全局唯一地址。
●网桥连接了多个不同的网段，对于每个网段，网桥有一个端口和一个MAC实体与之对应，就某个
网段而言，网桥的MAC实体与其它站是平等的，网桥没有任何特权，一样要进行载波监听、冲突检测及
退避延迟。
●端站意识不到网桥的存在，转发帧的源地址是该帧最初发送者的地址，而不是网桥的地址，发送者
不知道也不需要知道网桥在为它转发。因此，网桥是透明的。

网桥初期主要用于网段分割、距离延伸、增加设备。后来，使用先进的应用专用集成电路、处理器和存储
技术可以容易地建造高性能网桥，可以在所有端口同时以全容量转发帧，各端口成为一个专用信道（不象
Hub，所有端口共享10Mb/s信道），并且网桥内部带宽要大的多（典型的无阻塞网桥内部带宽是所有端口带
宽的总和），这种产品叫做以太网交换机，其本质就是一个多路网桥。

以太网交换机的应用突破了传统以太网的限制，出现了交换式以太网。在交换式以太网中，计算机可以拥
有自己的专用信道，而不象原来所有计算机必须共享信道。由共享信道发展为专用信道得益于专用介质以
太网的首先出现，也就是说，交换式以太网从交换机的角度来看，一定是星型结构，不可能是总线型结构。
当然，以太网交换机的某个端口接入的可能不是一台计算机，而是一个传统的共享式以太网段（别忘了，
交换机的本质是网桥，网桥最初用于网段分割），那么该网段上的计算机共享带宽，交换机在这里起到了隔
离冲突域的功能。同一个冲突域中的站竞争信道，不同冲突域中的站不会竞争公共信道，参见后面图5。

四从10Mb/s到100Mb/s
交换式以太网给每个桌面机带来了更大的带宽，它们不必再与其他用户共享一个信道。当然，大多数网络

使用服务器，服务器仍然由许多用户共享，由于每个用户拥有专用带宽，因此对服务器的带宽需求变得越
来越大，于是10０Mb/s的以太网诞生了，人们称其为快速以太网。快速以太网是在原有的以太网基础上发
展来的，并且要与原有的以太网兼容，所以采用传统的以太网基本技术。

100Base-T与10Base-T使用相同的连接器和电缆，所以两种系统最好能兼容，否则对于网络安装人员来说，
即使很小心地操作也可能犯错误（比如把100Mb/s网卡连入了10Mb/s集线器），更何况对数以千计的设备进
行手工配置的工作量如此之大，于是人们开发了自动协商机制。自动协商在站与Hub之间进行，设备初始化时，

每个设备会主动发送一个16bit的自动协商报文，“通告”其功能。这也正是网卡有10/10０Mbps自适
应网卡的原因。光纤以太网主要用于干线环境，在整个市场上只占相对小的份额，因此手工配置是可以接
受的，没有自动协商。

在开发快速以太网时，LAN布线模型已经转向结构化布线，所以快速以太网没有提供共享介质选项。虽然
快速以太网中最常使用的是交换机，但也有10０Mb/s集线器，可以组成共享式以太网，共享10０Mb/s带宽 。
另外100Base-FX只用于交换式以太网，不用于共享式以太网，也就是说，10０Mb/s集线器只有双绞线接口 。

五交换式快速以太网的应用
实 例 一 ： 交 换 机 用 于 对 传 统 共 享 式LAN 分 段 ， 提 供 折 叠 式 主 干网( 如 图3）。

实例二：交换机取代集线器Hub的位置，用于端站互连，每个端站有专用带宽，并且每个站的数据率不依
赖于任何其它站（如图4）。

这样，端站之间没有冲突，但端站和交换机端口中MAC仍可能冲突，在这里可以使用全双工工作方式来
消除冲突（我们前面曾说过，以太网是半双工的，当冲突域缩小到只有两点会发生冲突时，就可以通过增
加传输线对并修改CSMA/CD算法来实现全双工）。目前有些供应商声称自己的产品是20Base-T或200Base-
T， 事 实 上 指 的 是 全 双 工 工 作 方 式 。 全 双 工 以 太 网 正 是 千 兆 以 太 网 的 基 础 。

实例三：混合使用，灵活配置交换机的各端口速率，并隔离冲突域。