交换式集线器的工作原理

交换式集线器的工作原理

1）交换式集线器由：端口、缓冲区、信息帧的转发机构和背板体系结构。

交换式集线器可以同时接收多个端口信息，并可以同时将这些信息发向多个

目标地址对应的端口。交换式集线器还可以将从一个端口接收的信息发向多个端口。由

于每个端口都有其专用的转发通道，从而避免了共享式集线器中因共享传输通道所造成

的冲突。但是，交换式集线器中冲突依然存在，如果两个接收端口都要向同一个输出端

口转发时，就形成了冲突。但是，这个冲突相对于共享式集线器来说，无论是冲突的概

率，还是冲突的范围，都要小得多。交换式集线器端口之间的冲突可以通过集线器内部

的功能来协调。还有一种形式的冲突，就是如果交换式集线器端口连接到一个传统的以

太网段上，该以太网段中仍存在冲突，这种冲突可以由CSMA/CD协议来处理。

2）尽管当前FDDI和令牌环的集线器产品已经在市场上出现，然而占绝对优势的仍

是10BASE-T和100BASE-T端口的集线器。另外，集线器端口也可以是100BASE-TX，

100BASE-T4或100BASE-FX。

3）缓冲能力和拥塞控制

一般说来，大的缓冲区意味着较好的性能，但同时价格也就高。许多交换式集

线器厂商选择拥塞控制机制来防止缓冲区溢出的情况发生。拥塞控制可以采用这种方法

实现：向高速结点发送“假”冲突，迫使它进入后退状态，暂停数据发送，从而使得集

线器得以腾空缓冲区。如果某端口识别出它的缓冲区快满时，则立即发送拥塞模

式信号给发送结点。发送结点则按冲突原则中断发送，进入标准后退状态。发送结点将

保持此状态，直至该端口腾空内部缓冲区。这种类型的拥塞控制适用于半双工端口。

4）转发机构

交换式集线器具有网桥的功能，它必须知道要转发的信息帧的类型。信息帧的

转发方法可以是存储转发式、切入式或改进的切入式。交换式集线器中，帧转发机构将

在帧的延迟等待和错误检验的可靠性之间作出折衷选择。三种转发机构分别如下：

存储转发式（store and forward):

将发来的帧在发送到一个端口之前先全部存储在内部存储器中。此时，交换式

集线器的延迟等待时间至少等于整个祯的传输时间。这样一来，如果集线器的级联数较

大时，可能导致性能恶化。但是，此种方式可以对帧进行CRC校验，从而滤掉不正确的或

有冲突的帧。

切入式（cut_through):

只查看信息帧的目的地址（位于帧头部分），然后立即进行信息帧的转发，从

而使得帧的延迟大为降低。此种方法实际上将目的地址有效的所有信息帧全部进行转发

，就有可能将有错误的帧、有冲突的帧也转发了出去。相对主干网而言，切入式的方法

适合于工作组级别的集线器。

改进型切入式:

这种方式综合了以上两种方式的优点。其方法是先保存帧头的64个字节，如果

帧不正确，则立即丢弃，因为通过帧的头64个字节就可以判断出包的好坏，所以这种方

式是以上两种方式的折衷。不过，改进型切入式在短帧（一般是控制帧）时与存储转发

式相似，在长帧（一般是数据帧）时与切入式相似。这是改进型切入式的一个缺点，因

为控制帧一般要求短的延迟，而数据帧一般需要好的错误校验。这是一对矛盾。

5）背板体系结构

交换式集线器的背板体系结构定义了如何通过其内部的电子线路完成从一个端

口向另一个端口转发信息帧。背板体系结构对交换式集线器来说至关重要，大多数情况

下，交换式集线器受到它的背板体系结构的限制。交换式集线器通常有两种工作方式：

循环法和优先端口服务模式，这两种方法对应着两种不同的背板体系结构。

循环法（或先来先服务）开关体系结构一次服务一对端口。如果端口没有活

动，则跳过它。此体系结构适用于每个端口的通信量基本相等，而且频繁使用的交换式

集线器。优先端口服务模式引入一种各活动端口争用总线的原则，这种类型的体系结构

适合于能处理突发性（burst）通信量的10/100Mbps型交换式集线器，而且一般比循环

法的体系结构灵活性强。较高档的交换式集线器可以按照这两种体系结构进行配制。

6）网络管理

共享介质网络中，所有网络端口都可以监听该网络段上的所有通信，网络管理

较易实现。而对于交换式以太网，由于各网络交换式集线器要对通信流进行交换，因此

管理就相当复杂。对于交换式集线器的管理方案主要有两种。一种是将管理的功能纳入

到集线器的背板体系结构中，由背板上的功能部件进行信息统计，并将结果以唯一的以

太网址存储在管理部件中。查询可以通过访问此管理部件来实现。此种方法的缺点是兼

容性太差，不同的厂商有不同的设计模式，通常仅局限于SNMP统计。第二种方法叫作“

端口别名法”，它允许交换式集线器将任何给定的端口“映射”到专用的管理端口上。

该管理端口配备特别的管理终端或Pc，用于收集各种统计信息。此管理方法无具体标准

可循。

当前，许多厂商已采用新的远程监控（RMON）MIB，它允许对交换进行SNMP型端

口顺序管理。

7）交换式集线器的其他特点

交换式集线器的特殊点是每端口支持多少网络地址，由于每一端口都象一个进

行转发的网桥，所以集线器要保持一张该端口外的所有结点地址表。这些表可能很长，

要占用大量的存储器，因此许多厂商只允许每端口有少量的地址。

交换式集线器的另外一个特点是可配置性。由于网络带宽愈来愈高，因此集线

器的设计要能适合网络发展需要的可升级性。例如，100BASE-TX的交换式集线器允许将

快速以太网推广到5类UTP的工作组中，但对于需要100BASE-T4、100BASE-FX的工作组则

不能方便地连接。解决这个问题有两种方法，一个是采用带有介质无关性接口（MII）

的端口，另一种方法是将外部收发器连接到MII端口上来实现与任何类型以太网或快速

以太网传输协议的转换。

8）全双工原理

目前许多种交换式集线器都支持全双工的通信方式。常规的以太网基于共享介

质，采用半双工方式。因为，共享介质网络中，一个站发送数据时，其他站点必须监

听。也就是说，信道任何时候只能有一个方向在传输数据，要么发送，要么接收，绝不

能兼而有之。全双工方式要求通信的双方具有点对点的连接。10BASE-T和以太网交换技

术的结合使得传输信道不是由多个用户共享，而是以点对点方式实现了通信双方的连

接。从而使得全双工以太网的实现成为可能。全双工以太网的实现基于Kalpana方法；

〈1〉一对UTP（或一根光纤）只用以传送数据，而另一对UTP线用作接收数据；

〈2〉不需要载波监听（CRS），因为电缆只为一个结点接收和发送数据；

〈3〉不需要冲突检测和二进制指数方式的后退算法，因为不会发生冲突。

目前，市场上的10Mbps全双工设备和100BAST-T交换式集线器多采用Kalpana方法。

采用全双工，可以使速率达到200Mbps，点-点距离采用光纤时可达2km。

9）第三层交换

交换式集线器端口具有网桥功能，可看成是多端口网桥。网桥工作的基本原则

是具有过滤作用，将进入帧的但目标地址不属于本端口连接的各工作站MAC地址的帧转

发到其他端口，如果是非法或错误的地址，则集线器各端口都会转发出去，，形成广播

风暴，这就是spanning tree的协议。对于担任网络主干的100BASE-FL集线器它会消耗过

多的网络带宽。为了避免广播风暴，在100BASE-FL集线器中引入第三层交换（Layer 3

Switching），该交换式集线器除按第二层MAC地址进行交换外，还工作在第三层及网络

层。对于TCP/IP网络或INTERNET网，应用最为广泛，第三层交换即为IP交换，即在转发

信息时对除第二层MAC地址外，还要查看IP地址。对于非法的MAC地址就没有对应的IP地

址，则不会形成广播风暴。第三层交换应用于网络主干的交换式100BASE-FL，对提高

网络性能有很大好处。但是可以看出，由于IP交换工作在第三层，这样对100BASE-FL的

交换速度有一些影响，但总体上利大于弊，因此交换式集线器引入第三层交换是一种先

进的思想和技术。