计算机网络浅析之五—— 网络设备(集线器)
集线器的英文名称就是大家通常见到的“HUB”，英文“HUB”是“中心”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OSI参考模型第二层，即“数据链路层”。 集线器是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。集线器主要以优化网络布线结构，简化网络管理为目标而设计的。集线器（HUB）是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。 常见到的集线器基本结构如图1所示，其外部结构比较简单。 以集线器为节点中心的优点是：当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影响网上其他节点的正常工作，这就是集线器刚推出时与传统的总线网络的最大的区别和优点，因为它提供了多通道通信，提高了网络通信速度。 然而随着网络技术的发展，集线器的缺点越来越突出，后来发起来的一种技术更先进的数据交换设备——交换机逐渐取代了部分集线器的高端应用。集线器的主要不足体现在如下几个方面： 集线器的每个端口并没有独立的带宽，而是所有端口共享总的背板带宽，用户端口带宽较窄，且随着集线器所接用户的增多，用户的平均带宽不断减少，不能满足当今许多对网络带宽有严格要求的网络应用，如多媒体、流媒体应用等环境。 集线器是一个共享设备，它的主要功能只是一个信号放大和中转的设备，不具备自动寻址能力，即不具备交换作用，所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口，容易形成网络风暴，造成网络堵塞。 集线器的同一时刻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双向双工传输，网络实行效率低，不能满足较大型网络通信需求。 正因如此，尽管集线器技术也在不断改进，但实质上就是加入了一些交换机技术，目前集线器与交换机的区别越来越模糊了。随着交换机价格的不断下降，仅有的价格优势已不再明显，集线器的市场越来越小，处于淘汰的边缘。尽管如此，集线器对于家庭或者小型企业来说，在经济上还是有一点诱惑力的，特别是家庭几台机的网络中。本教程也将花两篇的篇幅来先容集线器的主要方面，包括利用它如何组建小型企业局域网。 本篇主要先容其基础常识及选购方面，在下一篇将先容集线器在小型网络组建中的作用及安装、配置方法。 集线器也像网卡一样是伴随着网络的产生而产生的，它的产生早于交换机，更早于后面将要先容的路由器等网络设备，所以它属于一种传统的基础网络设备。集线器技术发展至今，也经历了许多不同主流应用的历史发展时期，所以集线器产品也有许多不同类型。下面大家就对目前主流的集线器产品分类方法作一下综述。 这是最基本的分类标准之一。大家常听说要买一个16口或24口集线器，这16口、24口指的就是集线器的端口数。如果按照集线器能提供的端口数来分的话，目前主流集线器主要有8口、16口和24口等大类，但也有少数品牌提供非标准端口数，如4口和12口的，还有的有5口、9口、18口的集线器产品，这主要是想满足部分对端口数要求过严、资金投入比较谨慎的用户需求。这端口的意思相信大家都有所了解，它其实就是所连节点的数量。如果连接的是工作站，那它就是能连接工作站的数量，不过在这里要注意如果集线器没有提供“UPLink端口的话，如果要与服务器和工作站相连时，所连接的工作站数量是”N－1“个，这”N“就是端口数，因为有一个端口要用于服务器与集线器的连接。当然在中型以上的网络中多数是使用带UPLink端口的集线器，那如果真是只连接工作站时就最多可连接N个工作站了，因为服务器与集线器的连接是通过”UPLink“端口进行连接的。为了让大家先有一个感性的认识，下面我例举了几款不同端口数量的集线器产品示意图，下图2、图3、图4分别是各包括了2款不同品牌的8口、16口和24口主流集线器产品示意图。 集线器也有带宽之分，如果按照集线器所支撑的带宽不同，大家通常可分为10Mbps、100Mbps、10／100Mbps三种，基本上与网卡一样（网卡还有1000Mbps的，但1000Mbps以上带宽的一般都由交换机来提供）。在这里要事先明白的一点就是这里所指的带宽是指整个集线器所能提供的总带宽，而非每个端口所能提供的带宽。在集线器中所有端口都是共享集线器的背板带宽的，也就是说如果集线器带宽为10Mbps，总共有16个端口，16个端口同时使用时则每个端口的带宽只有10／16Mbps。当然所连接的节点数越少，每个端口所分得的带宽就会越宽。这一点它与交换机是有根本区别的，也是它之所以被交换机取而代之的一个重要原因之一，关于它们之间的区别当然远不止这些，我将会在后面先容交换机时详细讲到，在此就不作多讲。 这种集线器是属于低档集线器产品，这种类型的集线器原来在同轴电缆接口总线型网络中应用较多。不过现在随着双绞线以太网应用的普及，10Mbps的集线器也都普遍采用双绞线的RJ－45端口，只不过为了方便与原来的同轴电缆网络相连， 有的10Mbps集线器还提供了BNC（细同轴电缆接口）或AUI（粗同轴电缆接口），尽管如此，这种带宽的集线器还是比较少见，通常端口在8口之内。 这种集线器在目前来说是比较先进的一种集线器了，这种集线器一般用于中型网络。这种网络传输量较大，但要求上联设备支撑IEEE802.3U（快速以太网协议），在实际中应用较多。下图6中所示的是三款100Mbps带宽集线器，左边图示也是大家常见的集线器，而右边的也是两款用于工业控制上的100Mbps集线器。
目前这种集线器一般用于传统的小型网络中，或用于中、大型网络中的一个传输的内容不涉及语音、图像、传输量相对较小的网段中，如企、事业局域网络中有些用户是主要从事文字和表格处理的，或应用于DOS平台下，这些用户就可用单一台10Mbps来集中管理。下图5中显示的就是几种10Mbps的集线器产品图，左边幅图示的集线器就是大家通常所见的集线器，而右边的几种则是工业控制上用的一种10Mbps集线器产品。
与网卡一样，这种带宽类型的集线器是目前应用最为广泛的一种，它克服以单纯10Mbps或者100Mbps带宽集线器兼容性不良的缺点。它既能照顾到老设备的应用，又能与目前主流新技术设备保持高性能连接。在切换方式上，这种双速集线器目前有手动和自动切换10／100Mbps带宽的两种方式，手动切换为每集线器10／100Mbps转换，自动切换方式只是对端口带宽进行自动切换。图7为两款10Mbps／100Mbps自动适应的集线器产品图。
3. 按照配置的形式分 集线器因为是最基础的网络设备，也是网络集中管理的最基本单元，它同时是几乎不需要什么App来支撑，配置起来非常简单、方便，一般情况下只需要把节点连接好，插上电源，开启各节点即可完成连接过程的配置。如果大家按整个集线器的配置来分，一般可分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器三种。 这种类型的集线器在低端应用是最多的，也是最常见的。独立型集线器是带有许多端口的单个盒子式的产品，独立型集线器之间多数是可以用一段10Base－5同轴电缆把它们连接在一起，以实现扩展级联，这主要应用于总线型网络中，当然也可以用双绞线通过普通端口实现级连，但要注意所采用的网线跳线方式不一样，在后面网络组建中会具体先容。独立型HUB具有低价格、容易查找故障、网络管理方便等优点，在小型的局域网中广泛使用。但这类HUB的工作性能比较差，尤其是在速度上缺乏优势。图8所示的是一款独立型集线器产品示意图。 模块化集线器一般都配有机架，带有多个卡槽，每个槽可放一块通信卡，每个卡的作用就相当于一个独立型集线器，多块卡通过安装在机架上的通信底板进行互连并进行相互间的通信。现在常使用的模块化HUB一般具有4￣14个插槽。模块化集线器各个端口都有专用的带宽，只在各个网段内共享带宽，网段之间采用交换技术，从而减少冲突，提高通信效率，因此又称为端***换机模块化HUB。其实这类HUB已经采用交换机的部分技术，已不是单纯意义上的HUB了，它在较大的网络中便于实施对用户的集中管理，在较大型网络中得到了广泛应用。图9所示的是一款模块化集线器机架及模块插卡产品示意图，这是工业控制应用上的一款模块集线器产品示意图。从图中可以看出其实每个插卡就是一个独立的集线器，它上面也有一些各自独立的端口。 堆叠式集线器可以将多个集线器”堆叠“使用，当它们连接在一起时，其作用就像一个模块化集线器一样，堆叠在一起集线器可以当作一个单元设备来进行管理。一般情况下，当有多个HUB堆叠时，其中存在一个可管理HUB，利用可管理HUB可对此可堆叠式HUB中的其他”独立型HUB“进行管理。可堆叠式HUB可非常方便地实现对网络的扩充，是新建网络时最为理想的选择。图10所示的是3COM的一款堆叠式集线器产品示意图（注意整个图不是一款集线器产品，而实际上是包括了四款可堆叠集线器，包括2个24口堆叠式集线器和2个12口堆叠集线器），图11是这四款堆叠式集线器的堆叠连接背板示意图。 如果按集线器对数据信号的管理方式来分，集线器又可分为：切换式、共享式和可堆叠共享式三种。 这种集线器可以使10Mbps和100Mbps的站点用于同一网段中。一个切换式集线器重新生成每一个信号并在发送前过滤每一个包，而且只将其发送到目的地址，这就与交换技术类似了，也就是通常大家所说的智能集线器。 这种集线器提供了所有连接点的站点间共享一个最大频宽。共享式集线器不过滤或重新生成信号，所有与之相连的站点必须以同一速度工作（10Mbps或100Mbps），这是最常见的一类集线器。目前绝大多数集线器都是这种共享式集线器，也就是说连接在集线器上的所有节点都一起共享集线器的整个带宽。 这是一种新型的集线器，它可将多个堆放在一起，通过特定端口互连在一起，所以也可以看作是局域网中的一个大集线器。当5个12口的集线器级连在一起时，可以看作是1个60口的集线器。其中一台集线器作为主工作集线器，并带有SNMP网管代理，其它集线器则由主工作集线器代为实行网管任务。当堆叠式集线器进行堆叠时，集线器的ID自上而下设置为1、2、3。。。，有些集线器是通过DIP开关的方式设置，有些集线器是自动设置的。 这类集线器其实就是大家在上面按配置形式来分的堆叠式集线器，前面先容的图10、图11是3COM的一款堆叠共享式的集线器。图12也是一款可堆叠式共享集线器产品示意图。这里的”可堆叠“的意思就是它可以与其它可堆叠集线器堆叠连接，通过堆叠后，几台级联在一起的集线器就可当作一台集线器来管理了，集线器总的带宽就是用于管理的那台集线器带宽，这样连接在一起的集线器上的每一个节点所具有的带宽就是带宽除以所连接的节点总数。但要注意的是，不是堆叠的层数越多越好，实际上，堆叠的层次的越多，相应连接的节点也就越多，这样也每个节点所分得的带宽就越窄，速度越慢。一般情况下是两层堆叠，当然也有一些较好的品牌可以做到4层或5层堆叠。 从图12中可以看到，实际它是由4款具有不同端口数、不同带宽的可堆叠共享集线器连接在一起的。 在此顺便讲一个与堆叠类似的集线器技术——级联，级联与上面所讲的堆叠不是同一概念。 级联是通过集线器的某个端口与其它集线器相连的，而堆叠是通过集线器的背板连接起来的。虽然级联和堆叠都可以实现端口数量的扩充，但是级联后每台集线器或交换机在逻辑上仍是多个被网管的设备，而堆叠后的数台集线器或交换机在逻辑上是一个被网管的设备。 按照集线器是否可被网络管理分，有不可通过网络进行管理的”不可网管型集线器“和可通过网络进行管理的”可网管型集线器“两种。 这类集线器也称为傻瓜集线器，是指既无需进行配置，也不能进行网络管理和监测的集线器。该类集线器属于低端产品，通常只被用于小型网络，这类产品比较常见，就是集线器只要插上电，连上网线就可以正常工作。这类集线器虽然安装使用方便，但功能较弱，不能满足特定的网络需求。 这类集线器也称为智能集线器，可通过SNMP协议（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）对集线器进行简单管理的集线器，这种管理大多是通过增加网管模块来实现的。实现网管的最大用途是用于网络分段，从而缩小广播域，减少冲突提高数据传输效率。另外，通过网络管理可以在远程监测集线器的工作状态，并根据需要对网络传输进行必要的控制。需要指出的是，尽管同是对SNMP提供支撑，但不同厂商的模块是不能混用的，甚至同一厂商的不同产品的模块也不同。下图13所示是一款D－Link可网管集线器产品示意图。 可网管集线器在外观上都有一个共同的特点，即在集线器前面板或后面板都提供一个Console端口。虽然Console端口的接口类型因不同品牌或型号的集线器的可能不同，有的为DB－9串行口，如图14左图所示；有的为RJ－45端口，如图14右图所示。但共同的一点就是在该端口都标注有”Console“字样，大家只需要找到这样标有这个字样的端口即是。 以上先容的是几种常见的集线器分类标准，其实还有许多分类方法，如按集线器的应用领域、工作方式、外形结构和网络接口类型等，但本篇主要先容的是双绞线以太网集线器的几种主流分类标准。 集线器虽然属于基础网络设备产品，基本上不需要另外的App来支撑，真正达到即插即用。但在选择集线器也需要考虑实际网络需求的方方面面，下面大家就对集线器的选购注意方面作一下详细的分析。 目前主流的集线器带宽主要有三种10Mbps、10Mbps／100Mbps自适应型和100Mbps三种，这三种不同带宽的集线器在价格上也有较大区别（要知道便宜的集线器只有几十元，而贵的集线器也在千元以上），所以在选择上也应尽量做到物尽所用，也要充分考虑到网络今后一定时期的可持续发展性。集线器带宽的选择，最好充分考虑以下几点： （1）强烈建议不要选择纯10Mbps带宽的集线器，目前这类只提供10Mbps带宽的集线器市面上也很少见。 （2）如果集线器的上连设备带宽支撑IEEE802.3U（允许跑100Mbps），并且经济条件允许的话最好选择100Mbps带宽的集线器，因为这样可以更好地利用现有设备的带宽性能，也可保持网络的可持续发展性。 （3）如果您单位对网络带宽需求比较高，而原来在网络中存在许多较低档的网络设备，这时为了充分利用、保护原来的设备投资，您就最好选择10Mbps／100Mbps带宽自适应的集线器了。大因为这种集线器能自动识别所连网络节点的带宽需求，自动选择10Mbps或100Mbps带宽，这样既可以保护到原来较低档次设备（如有的工作上的网卡是10Mbps的），而另一方面又可与较高档次的设备（如100Mbps网卡）保持高性能连接，充分发挥高档次设备的带宽优势。目前这种集线器是市场主流，得到了普遍认同。 （4）虽然纯100M的HUB给桌面提供了100M的传输速度，但当网络升级到100M后，原来众多的10M设备将无法再使用，所以在选择集线器方面一定要选择具有10M／100M自适应的集线器，一则是因为你的整个网络中或许还有一些网络设备（如网卡）不完全支撑100M的带宽，如果只选择100M的很可能造成网络无法正常连通和运作，除非你确信你的整络中都是支撑100M带宽的。 集线器作为一个特殊的中继器，它的最大特点就是能提供多个端口，所以在端口的选择上大家也需要充分考虑网络的实际需要及发展需求。通过上面的学习大家知道集线器可以通过两种方式来获得端口的扩展，一种是通过集线器的堆叠，另一种是通过集线器的级联，这两种方法的主要应用环境有所侧重。 （1）在端口的选择上大家还应充分考虑到网络的发展，如果仅局限于当前的网络规模，很可能会造成网络设备投资的浪费。假如您现在仅有5台工作站要集联，但您企业在电脑方面的应用比较频繁，所以很可能在不久的将来您企业的工作站会大量增加，这时您如果仅从当前网络规模来购买集线器等设备，只购买了一个8端口的集线器，那在不久的将来这个集线器很可能成为”鸡肋“，到那时肯定会造成一部分设备投资浪费。 （2）由于联在集线器上的所有节点均争用同一个上行总线，处于同一冲突域内，所以在集线器内所连接节点数目太多，造成冲突也就可能会过于频繁。如果您的集线器在带宽上不是很宽裕的话，很可能造成工作站经常死机、网络速度过慢等不良现象的发生。所以如果您所购买的集线器应用的网段数据传输量较大，而您又不想花高价钱买交换机，那就要注意您的集线器最好别端口太多（以16口以下为好）。 根据对HUB管理方式的不同大家可分为Damp Hub（亚集线器）和Intelligent Hub（智能集线器）两种。Intelligent Hub（智能集线器）改进了普通HUB的缺点，增加了网络的交换功能，具有网络管理和自动检测网络端口速度的能力（类似于交换机）。而Damp Hub（亚集线器）只起到简单的信号放大和再生的作用，无法对网络性能进行优化。早期大多数共享式10Mbps HUB一般为非智能型的，而现在流行的100Mbps HUB和10／100Mbps自适应HUB多为智能型的。 智能型的集线器虽然它比较贵，但是比较起同类的交换机来说它刘便宜许多，所以智能型的集线器在目前来说它是应用的主流，正因为是主流，所以也应是大家选择的方向。但是大家又来看看非智能型的亚集线器，它的价格比起智能型的又要便宜许多，所以选择上不应只看技术不看实际需求，并不能一概而论的。在国内来说目前在小型企业中，局域网发展非常之快，而这类企业一般来说网络数据传输量不是很繁重，网络规模较小（一般在30台之内），对于一般小型企业来说选择智能型的集线器就显得有点投资浪费了。 对于较大规模的网络当然首选智能型集线器了，这不仅是网络本身的实际需求，同时也是网络管理的需求。现在有的智能型集线器提供了网络管理功能，通过，网络管理App可以实现对集线器端口的有效管理，监控各端口的使用状况，同时也可对集线器的使用状况进行监视，及时发现和排除故障。这一点对于大型的网络中相当重要，因为这样的网络用户较多，数据流量也较大，一旦网络出现了故障，如果不能及时发现、及时排除的话对整个网络影响非常大，还有可能造成非常巨大的经济损失。不过由于交换机的价格不断下降，这类集线器在价格上优势也早已失去了竞争力，所以这类高档的集线器设备反而不受欢迎，人们选择更多的是交换机。 综上而述，在亚集线器与智能型集线器的选择上大家最好理智些，最好根据分析一下单位近几年网络的发展可能到什么水平再做决定，毕竟两类集线器在价格上相差较大（有的有好几倍差距！）。 | 
发表于 2012-6-13 16:34:35
