什么是交换机、集线器？

在计算机网络领域，了解连接设备的基本硬件对于构建高效可靠的网络至关重要。经常引起混淆的一种设备就是交换集线器，或者更准确地说，是交换机和集线器之间的区别。虽然这些术语有时可以互换使用，但它们代表具有截然不同功能的不同技术。本文探讨什么是交换集线器、它们的工作原理以及为什么现代网络很大程度上转向交换机。

了解网络集线器

网络集线器是最简单的网络设备之一，用于连接局域网 (LAN) 内的多台计算机或设备。将集线器视为具有多个端口的基本中继器。当集线器在一个端口上接收到数据包时，它会不加区别地将该数据广播到所有其他端口。这种“广播”方法意味着连接到集线器的每个设备都会接收所有数据，无论数据是否适用于该特定设备。

集线器在 OSI 模型的物理层（第 1 层）运行，这意味着它们纯粹使用电信号工作，而不了解数据的内容或目的地。它们只是放大并重新传输信号，以确保信号到达所有连接的设备。

传统枢纽的局限性

虽然集线器简单且便宜，但它们也有明显的缺点。由于所有数据都广播到每个端口，因此一次只能有一个设备传输。如果两个设备尝试同时发送数据，则会发生冲突，迫使两个设备停止并在随机延迟后重试传输。这会创建一个共享带宽环境，其中网络性能会随着添加更多设备而降低。

此外，集线器会产生不必要的网络流量，因为每个设备都会接收所有数据包，包括那些不适合它们的数据包。这会降低整体网络效率并产生潜在的安全问题，因为设备可能会拦截发往其他机器的流量。

网络交换机的演变

网络交换机代表了网络技术的重大进步。与集线器不同，交换机在 OSI 模型的数据链路层（第 2 层）运行，这意味着它们可以读取和理解数据帧中嵌入的 MAC（媒体访问控制）地址。这种智能使交换机能够就将数据发送到何处做出明智的决定。

当交换机收到数据包时，它会检查目标 MAC 地址，并将数据包仅转发到预期接收者所连接的特定端口。这种有针对性的传送与集线器的广播方法根本不同，并且具有许多优点。

交换机如何学习和转发

当您第一次连接交换机时，它不知道哪些设备连接到哪些端口。然而，交换机是自学习设备。当设备开始通信时，交换机会检查传入帧的源 MAC 地址并创建 MAC 地址表（也称为 CAM 表 - 内容可寻址内存）。

例如，当计算机 A 通过端口 1 发送数据时，交换机会记录计算机 A 的 MAC 地址与端口 1 关联。当计算机 B 从端口 3 做出响应时，交换机会获知计算机 B 在端口 3 上。随着时间的推移，交换机会构建一个完整的映射，其中显示哪些设备连接到哪些端口。

当帧到达交换机时，交换机会根据其表检查目标 MAC 地址。如果找到该地址，则该帧仅转发到相应的端口。如果该地址尚未出现在表中，则交换机会暂时充当集线器，并将帧泛洪到除源端口之外的所有端口。当目标设备响应时，交换机了解其位置并更新其表。

冲突域和全双工通信

交换机最显着的优势之一是每个端口都在自己的冲突域中运行。与所有设备共享一个冲突域的集线器不同，交换机允许多对设备之间同时通信而不会产生干扰。计算机 A 可以向计算机 B 发送数据，而计算机 C 可以同时向计算机 D 发送数据，不会发生冲突。

现代交换机还支持全双工通信，这意味着设备可以在同一连接上同时发送和接收数据。与基于集线器的网络典型的半双工操作相比，这有效地使可用带宽增加了一倍。在全双工模式下以 100 Mbps 连接到交换机的设备具有 100 Mbps 的发送速度和 100 Mbps 的接收速度，即 200 Mbps 的总吞吐量。

开关类型

网络交换机有多种类型，专为不同的用例和网络规模而设计。

非管理型交换机

非托管交换机是即插即用设备，没有配置选项。它们自动处理所有交换功能，非常适合小型网络或家庭使用，因为在这些场合，简单性比高级功能更重要。这些交换机具有成本效益，并且不需要专业技术即可部署。

管理型交换机

网管交换机提供广泛的配置功能，允许网络管理员控制流量、创建 VLAN（虚拟局域网）、实施服务质量 (QoS) 策略、监控网络性能以及配置安全功能。这些交换机对于控制、安全和优化是优先考虑的企业网络至关重要。

智能或网络管理交换机

智能交换机位于非托管交换机和完全托管交换机之间，通过简化的 Web 界面提供管理功能子集。它们以比完全托管交换机更低的成本提供基本的 VLAN 支持、端口镜像和 QoS，因此适合中小型企业。

三层交换机

标准交换机在第 2 层运行，而第 3 层交换机则结合了交换和路由功能。除了 MAC 地址之外，它们还可以根据 IP 地址做出转发决策，从而允许它们在不同 VLAN 或子网之间路由流量，而无需单独的路由器。这使得第 3 层交换机成为构建可扩展、分段网络的强大工具。

使用交换机的主要好处

交换机相对于集线器的优势使其成为现代网络的标准：

性能提升：通过仅将数据转发给预期接收者，交换机可显着减少不必要的流量并消除大多数冲突，从而形成更快、更高效的网络。

更好的带宽利用率：每个设备都获得交换机的专用带宽，并且可以同时进行多个会话而不会产生干扰。

增强安全性：由于数据不会广播到所有端口，因此未经授权的设备更难拦截发往其他端口的流量。

可扩展性：可以轻松添加交换机来扩展网络，许多型号支持链路聚合和生成树协议等功能，以创建冗余、高容量的网络路径。

高级功能：托管交换机提供通过 VLAN 进行网络分段、流量优先级和全面监控工具等功能。

现代环境中的交换集线器

The term "switch hub" itself is somewhat of a misnomer. In technical parlance, switches and hubs are distinct devices.然而，在随意交谈中，人们有时使用“交换集线器”来指代交换机，特别是在讨论网络中的中央连接点时。

值得注意的是，集线器在现代网络中已经基本过时。集线器和基本交换机之间的成本差异已经缩小到没有理由选择集线器的程度。即使是最基本的现代交换机，其性能也远远优于同等价位的任何集线器。

结论

了解集线器和交换机之间的区别是网络知识的基础。集线器不加区别地向所有连接的设备广播数据，而交换机则使用 MAC 地址表智能地将数据仅转发给预期的接收者。这种智能交换功能可提供卓越的性能、更好的安全性和更高效的带宽利用。

对于当今构建或维护网络的任何人来说，交换机是明智的选择。无论您需要用于家庭办公室的简单非托管交换机还是用于企业部署的复杂托管交换机，现代交换技术都可以为可靠的高性能网络奠定基础。随着云计算、视频流和物联网设备的网络需求不断增长，交换机提供的智能流量管理变得越来越重要。