浅谈集线器、交换机、路由器及其异同
摘要: 浅析了集线器、交换机、路由器的工作原理、功能以及存在的不足，并对三者的功能和在网络中作用进行详细比较，通过对三者的介绍和比较，希望在实际设计和使用中有所帮助。
关键词 : 集线器;交换机;路由器
Discussion on the Similarities and Diferences of the Hub, Switchboard and Router
Abstract:Thea rticlesh alowlya nalyzesth eop eratingp rinciples,functionsan dshortcomingsof hub,sw itchboarda ndro uter,an din troduces and detaily compares the functions in network among the three devices. We hope the results can give help to their practical design and
application.
Keyword:Hub;Switchboard;Route
集线 器、交换机和路由器是互联网上的三种设备。集线器是这些设备中最便宜的，但它也是分布带宽方面功能最弱的一种设备。另一方面，路由器能提供最多的控制方式，但却难于配置，且价格相当昂贵。下面分别对集线器、交换机、路由器进行介绍，并对三者作一个比较。
1 集线器及其工作原理
在环型网络中只存在一个物理信号传输通道，都是通过一条传输介质来传输的，这样就存在各节点争抢信道的矛盾，传输效率较低。引人集线器这一网络集线设备后，每一个站是用它自己专用的传输介质连接到集线器的，各节点间不再只有一个传输通道，各节点发回来的信号通过集线器集中，集线器再把信号整形、放大后发送到所有节点上，这样至少在上行通道上不再出现碰撞现象。但基于集线器的网络仍然是一个共享介质的局域网，这里的“共享”其实就是集线器内部总线，所以当上行通道与下行通道同时发送数据时仍然会存在信号碰撞现象。当集线器将从其内部端口检测到碰撞时，产生碰撞强化信号(JAM)向集线器所连接的目标端口进行传送。这时所有数据都将不能发送成功，形成网络“大塞车”。虽然各节点与集线器的连接已有各自独立的通道，但是在集线器内部却只有一个共同的通道，上、下行数据都必须通过这个共享通道发送和接收数据，这样有可能像单车道一样，当上、下行通道同时有数据发送时，就可能出现塞车现象。正因为集线器的这一不足之处，所以它不能单独应用于较大网络中(通常是与交换机等设备一起分担小部分的网络通信负荷)，就像在大城市中心不能有单车道样，出现网络碰撞现象的机会就越大。也正因为如此，集线器的数据传输效率是比较低的，因为它在同一时刻只能有一个方向的数据传输，也就是所谓的“单工”方式。如果网络中要选用集线器作为单一的集线设备，则网络规模最好在10台以内，而且集线器带宽应为10/100Mbps以上。
集线器除了共享带宽这一不足之处外，还有一个方面在选择集线器时必须要考虑到，那就是它的广播方式。因为集线器属于纯硬件网络底层设备，基本上不具有“智能记忆”能力，更别说“学习”能力了。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，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。这种广播发送数据方式有两方面不足:
（1）用户数据包向所有节点发送，很可能带来数据通信的不安全因素，别有用心的人很容易就能非法截获他人的数据包;
（2）由于所有数据包都是向所有节点同时发送，加上以上介绍的共享带宽方式，就更加可能造成网络塞车现象，降低网络执行效率。
2 交换机及技术原理
“交 换”是今天网络里出现频率最高的一个词，从桥接到路由到ATM直至电话系统，无论何种场合都可将其套用，搞不清到底什么才是真正的交换。其实交换一词最早出现于电话系统，特指实现两个不同电话机之间话音信号的交换，完成该工作的设备就是电话交换机。所以从本意上来讲，交换只是一种技术概念，即完成信号由设备人口到出口的转发。因此，只要是和符合该定义的所有设备都可被称为交换设备。由此可见，“交换”是一个含义广泛的词语，当它被用来描述数据网络第二层的设备时，实际指的是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备，它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。由此可见 ，交换机内部核心处应该有一个交换矩阵，为任意两端口间的通信提供通路，或是一个快速交换总线，以使由任意端口接收的数据帧从其他端口送出。在实际设备中，交换矩阵的功能往往由专门的芯片(ASIC)完成。另外，以太网交换机在设计思想上有一个重要的假设，即交换核心的速度非常之快，以致通常的大流量数据不会使其产生拥塞，换句话说，交换的能力相对于所传信息量而无穷大(与此相反，ATM交换机在设计上的思路是，认为交换的能力相对所传信息量而言有限)。虽然以太网第二层交换机是基于多端口网桥发展而来，但毕竟交换有其更丰富的特性，使之不但是获得更多带宽的最好途径，而且还使网络更易管理。
传统交换机从网桥发展而来，属于OR第二层即数据链路层设备。它根据MAC地址寻址，通过站表选择路由，站表的建立和维护由交换自动进行。交换机最大的好处是快速，由于交换机只须识别帧中MAC地址，直接根据MAC地址产生选择转发端口算法简单，便于ASIC实现，因此转发速度极高。交换机为了提高数据交换的速度和效率，一般支持多种方式。
第一种存储转发:是交换机的基本转发方式，与网桥转发方式类似，交换机首先把整个帧全部读入到内部缓冲区中，并对信息帧进行错误校验，无错后才执行帧过滤转发操作，因此出错的帧不会被转发。利用存储转发机制，网络管理员还可以定义一些过滤算法来控制通过该交换机的通信流量。存储转发方式的缺点在于其传输延迟较大，并且随转发帧的长短而有所不同。
第二种直通方式转发:直通方式转发信息时，并不需要把整个帧全部接收下来后再进行转发，而只需要接收一个帧中最前面的目的地址部分(帧的前14B)即可开始执行过滤转发操作。
第三种无碎片直通方式转发:根据以太网帧的结构可知，一个正常的帧的长度至少是64B，而小于64B的帧(称为碎片)肯定是错误的帧。为了既拥有直通方式快速的优点，又使小于64B的错误的帧。为了既拥有直通方式快速的优点，又使小于64B的错误帧不再转发，可以让交换机在转发数据前，不仅接收目的MAC地址，还要求收到帧必须大于64B,这种转发方式就称为无碎片直通方式。
3 路由器及技术原理
路由器 ( Router)是用于连接多个逻辑上分开的网络。逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，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。路由器是属于网络应用层的一种互联设备，只接收源站或其他路由器的信息，它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。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;远程路由器是用来与远程传输介质连接并要求相应的设备。
3.1 路由原理
当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。而要送给不同IP于网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP分组送给该路由器，由路由器负责把
IP分组送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把IP分组送给一个称为“缺省网关(defaultga teway)”的路由器上。“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的III地址。路由器转发IP分组时，只根据IP分组目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP分组送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送不知道往哪儿送的IP分组。这样，通过路由器把知道如何传送的IP分组正确转发出去，不知道的IP分组送给“缺省网关”路由器，这样一级级地传送，IP分组最终将送到目的地，送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。
3.2 路由动作包括两项基本内容:寻径和转发。
寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填人路由表中，根据路由表可将目的网络与下一(nexthop)的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议(routing protocol)，如路由信息协议(RIP),开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议(BGP)等。
转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机)，如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下
一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议(routed protoCol)。路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念，前者使用后者维护的路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。
4 集线器、交换机、路由器的区别
4.1 HUB与交换机
HUB(集线器)的作用可以简单的理解为将一些机器连接起来组成一个局域网，而交换机作用与集线器大体相同。但是两者在性能上有区别:集线器采用的式共享带宽的工作方式，而交换机是独享带宽。这样在机器很多或数据量很大时，两者将会有比较明显的。
4.2 路由器与交换机
路由器是产生于交换机之后，就像交换机产生于集线器之后，所以路由器与交换机也有一定联系，并不是完全独立的两种设备。路由器主要克服了交换机不能路由转发数据包的不足。
4.2.1工作层次不同
最初的交换机是工作在OSI/ R M开放体系结构的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在OSI模型的网络层。由于交换机工作在OSI的第二层(数据链路层)，所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在OSI的第三层(网
络层)，可以得到更多的协议信息，路由器可以做出更加智能的转发决策。
4.2.2数据转发所依据的对象不同
交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。而路由器则是利用不同网络的ID号(即IP地址)来确定数据转发的地址。IP地址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配的，而且已经固化到了网卡中去，一般来说是不可更改的。而IP地址则通常由网络管理员或系统自动分配。
4.2.3传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域;而路由器可以分割广播域
由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播，在某些情况下导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。虽然第三层以上交换机具
有VLAN功能，也可以分割广播域，但是各子广播域之间是不能通信交流的，它们之间的交流仍然需要路由器。
4.2.4路由器提供了防火墙的服务
路由器仅仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送，从而可以防止广播风暴。交换机一般用于LAN-WAN的连接，交换机归于网桥，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。路由器用于WAN-WAN之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。他们只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵，第三层交换机既有交换机线速转发报文能力，又有路由器良好的控制功能，因此得以广泛应用。
5 结束语
通过以上的分析与介绍，大家对集线器、交换机、路由器有了大概的认识，希望对大家的采购、使用及维护有一定的帮助。但在实际中由于随着技术的更新和实际使用的要求，市场上的集线器产品越来越少，目前的使用主要还是以交换机、路由器的组合使用为主，具体的组合方式可根据具体的网络情况和需求来确定。
参考文献:
[1]李勇敢.浅谈集线器与交换机的区别田.内江科技，2005
[2]路由器交换机集线器的主要区别.教育设备信息，2002
[3]王鹏.路由器的原理功能与发展方向田.科技情报开发与经济，2005
[4]曾宇网络交换机与路由器的比较与选择切.电脑知识与技术，2005
