十四、数据链路层篇-集线器和交换机

如果你要互连多台机器，比如多台电脑、打印机、路由器，等等，那你就需要一个连接所需的设备了。

大家好，我名字叫交换机，毛遂自荐下，以上任务可以交给我来做，今天我们互相认识下，以及跟我的老前辈集线器比较下，看看我两有啥不同、有啥相同，我为什么取代了前辈的地位，在二层协议下独步天下、称霸武林，下面请让我慢慢道来。

首先，老前辈集线器是工作在物理层的，而我工作在数据链路层，所谓站的越高、看的越远，我的诞生就是为了解决集线器前辈自身存在的缺陷，至于我解决了什么缺陷，下面会详细说明。

在介绍老前辈集线器之前，我们有必要说一说更早的时候，有线领域局域网是用什么设备来互联的，我们仍然以早期最常见的总线型以太网拓扑结构为例。

一、早期使用同轴电缆的连接方式

最初是用很粗的同轴电缆作为传输媒体，要把它弯曲是十分困难的事情，并且，如果弯曲太过，咔嚓，内部的数据线就被折断了，网络就断了，线缆也只能被扔进垃圾桶。

后来演进到使用价格相对便宜的细同轴电缆，主机和总线之间通过机械连接头连接，这种方式十分流行，因为那个时代普遍认为有源器件不可靠，而无源的电缆线才是最可靠的。

细同轴电缆的连接方式这里简单说下，它要用到下面三样东西：

器件说明	图片
BNC 缆线连接器：焊接或拧接在电缆的端部
BNC T型头：用于连接机器的网卡和网络中的电缆
BNC 终端器：用于防止信号到达电缆断口后反射回来产生干扰

BNC 表示 BNC 连接器（BNC 是 Bayonet Neill-Concelman 的缩写，表示“尼尔-康塞曼卡口”），是一种很常见的 RF 端子同轴电缆终结器。BNC 电缆连接器由一根中心针、一个外套和卡座组成。它包括 BNC 连接器基座、外套和探针三部分。BNC 连接器得名于其锁定方式和其发明者贝尔实验室的保罗·尼尔（发明了 N 端子）和安费诺公司的工程师卡尔·康塞曼（发明了 C 端子）。BNC 电缆连接器必须连接到每段电缆的两端。

为了构建一个网络，我们在 BNC T型头的一端接上一个 BNC 终端器，把连接机器的网卡的那根线连接到T型头中央的那个头上，然后其它的线接在 T型头的另一端。

因此，T型头的另一端连接的就是另一个T型头，这样一个接一个地连接，直到网络被一个 BNC 终端器给封闭为止。

完整的 BNC 网络如下图所示：

不过这种由无源同轴电缆结合大量机械接头的总线型以太网，并不像人们想象的那么可靠，我们可以发现在这种组网方式下，一旦某个人断开自己的那段网络的话，他就会把整个网络也断开了…

二、集线器HUB+双绞线电缆

后来，我的前辈集线器HUB和双绞线电缆横空出世，如下图所示，通过集线器和双绞线互连四台主机形成星型拓扑的以太网：

看起来是星型结构，但是前辈偷偷告诉我，实际上在使用他们的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各站共享总线资源，使用的还是CSMA/CD协议，我们可以认为集线器就是担任了总线的角色，仍然会产生冲突。

并且前辈是只工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测，碰撞检测的任务是交给各站点的网卡的。

此外，前辈说他们一般都有少量的容错能力和网络管理功能，例如若网络中某个网卡出现了故障，不停地发送帧，此时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与此故障网卡的连线，使整个以太网仍然能正常工作。

前辈的实际模样想必大家都很感兴趣，我贴个它的照片：

他告诉我他身上长满了RJ45接口的母头，我照了照镜子，发现我跟他长的竟然很像。。。

江湖上大家都说他是大嘴巴，我不小心了解了下他的工作原理，原来他真的是大嘴巴，怪不到被我干掉了，我们来详细看看老大哥集线器是如何工作的：

假设现在有 5 台机器连接在集线器上，分别是机器 A、机器 B、机器 C、机器 D 和机器 E。如果机器 A 要和机器 C 通信，它就把信息发送给集线器。

但是集线器很“笨”，不会读，只知道把信息“广而告之”。它只能把机器 A 发给它的信息“广播”给所有连接在集线器上的机器。机器 B，机器 D 和机器 E 也会收到机器 A 发的信息，但是看到信息不是给它们的，就可以丢弃信息。机器 C 看到信息是发给它的，就会读取信息。

集线器比较“呆”，有点“大嘴巴”，不过也还算好使。

所以说集线器不利于信息的保密，它发送数据时是没有针对性的，而是采用广播方式发送。

集线器可以在物理层拓展以太网，假设现在有三个独立的以太网：

此时再使用一个集线器将他们互连起来，这样，原来三个独立的以太网互连成为一个更大的以太网，并且原来三个独立的碰撞域（冲突域）就合并成了一个更大的碰撞域，换句话说形成了一个更大的总线型以太网。

哈！前辈啊前辈，你说你跟总线有啥区别？还不是通过大喇叭到处喊，还不是到处充满了冲突？还是休息休息吧，我该登场了！

三、交换机SWITCH+双绞线电缆

大家是不是对我长啥样很感兴趣：

实际上我也是长满了RJ45接口（母头），我也可以把其它机器（电脑、打印机、传真机、扫描仪，等等）连接起来，或者把别的交换机连接进来。如下图所示：

先来直观看下我和集线器的区别，假设一个主机要给另一个主机发送单播帧：

可以看到，单播帧进入到达我这边后，会将单播帧转发给目的主机，而不是网络中的其他主机；而集线器不同，单播帧发给集线器后，集线器广而告之所有其他主机。

那么我是如何知道谁发给谁的呢？实际上我也要学习，通过学习才能知道哪个主机在哪个接口下面，我会在学习的过程中会记录一张MAC地址和接口映射表，我通过读这张表就知道应该往哪里发啦：

至于我如何学习的，这篇文章就不提前剧透了，现在您只要知道，我是通过这张表来明确知道往哪个接口发送消息，因此不用像集线器那样只能靠广播来传递。

此外，通过上图可以看到：

我通常有多个接口，每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连，一般工作在全双工模式。
我具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，得益于已经摒弃CSMA/CD这个协议，因此在我这里不会产生碰撞。
对了，我一般具有多种速率的接口，例如10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s接口的多种组合。
我工作在数据链路层，当然我由于跟MAC地址打交道较多，因此实际上我的工作范围也包含了物理层。
我是一个学习能力很强的小能手，刚才图上面的MAC地址和接口的对应关系是我自己通过学习算法自动逐渐建立起来的，因此我即插即用，插上自动学习！
此外，我既支持把帧存储下来转发，也支持直通交换：采用基于硬件的交叉矩阵将帧不存储而直接发送出去，这样做时延会很小。

四、进一步对比交换机和集线器

第一种情况：发送一个单播帧，情况应该如下：

具体上面已经解释，交换机和集线器的表现不同。

第二种情况：此时要是发送一个广播帧呢？

看的出来效果实际上一样，使用集线器的共享总线型以太网中的各主机属于同一个广播域；而使用交换机的交换式以太网中各主机也属于同一个广播域。

第三种情况：假设此时两台主机同时向另一台主机发送单播帧呢？

使用集线器的共享总线型以太网中必然会产生碰撞，遭遇碰撞的帧会传播到总线上的各主机；使用交换机的交换式以太网中，交换机同时收到多个帧时，会进行缓存，然后逐个转发给目的主机，不会产生碰撞。

接下来对比使用集线器扩展以太网和使用交换机扩展以太网的区别。

第四种情况：发送一个单播帧：

交换机的优势在这里凸显无疑，无需赘述。

第五种情况：发送一个广播帧：

不管是使用集线器扩展以太网还是使用交换机扩展以太网，扩展后的各主机都属于同一个广播域，值得注意的是，使用集线器扩展以太网，逻辑上仍然是总线的，因此形成了一个更大的碰撞域，换句话说，参与竞争总线的主机比扩展前更多了，因此在使用集线器扩展以太网时，不仅扩大了广播域，还扩大了碰撞域；而使用交换机扩展以太网只会扩大广播域，而不会扩大碰撞域。