第一节 中继器与集线器
中继器和集线器均工作在OSI参考模型的物理层,其主要功能是接收局域网网段上的信号(比特),再将这些信号传送出去,以此扩展网段的物理距离。这些设备对于发送和接收(端)设备来说均是透明的。从技术上讲,它们不能算作物理互连设备,因为它们只是起到了扩展线路距离的作用,或只是将同样的信号传输给了多个结点;但在实际中通常将它们算作物理互连设备。
学习目标
▶了解中继器、集线器的特性和功能;
▶掌握什么时候应该使用中继器和集线器,什么时候不使用中继器和集线器;
▶掌握基于集线器的几种网络拓扑结构;
▶了解为什么集线器不能连接使用不同MAC协议的局域网。
关键知识点
▶中继器扩展物理介质的作用距离;
▶集线器不能连接使用不同MAC协议的局域网(如以太网和令牌环网)。
中继器
中继器在物理层工作,是最简单的网络互连设备。中继器不关心数据的格式和含义,它只负责复制和增强通过物理介质传输的表示“1”和“0”的信号,如图2.1所示。如果中继器的输入端收到一个比特“1”,它的输出端就会重复生成一个比特“1”。这样,接收到的全部信号被传输到所有与之相连的网段,所以说中继器是一种“非辨识”设备。由于中继器逐比特地重复生成它所接收到的信号,因此它也会重复错误的信号。但是它的速度很快(在以太网中可以达到10Mb/s),而且延迟很小。
图2.1 中继器和OSI参考模型
中继器可以将局域网的一个网段和另一个网段相连,而且可以连接不同类型的介质。如图2.2所示,中继器可以将用于以太网的细缆和用于以太网的非屏蔽双绞线连接在一起。
图2.2 中继器和介质类型
由于中继器只是一种信号放大设备,它不能连接两种不同的介质访问类型(数据链路层协议),如令牌环网和以太网。另外,中继器只是一种物理层设备,它不能识别数据帧的格式和内容,也不能将一种数据链路报头类型转换成另外一种类型。
作为以太局域网的网络互连设备,中继器只适用于较小地理范围内的相对较小的局域网(少于100个结点),如一栋办公楼的一二层范围内的局域网。由于中继器不能隔断局域网网段间的通信,所以不能用它连接负载沉重的局域网。由于中继器逐比特地将数据复制到所有相连的网段,所有的数据都能双向通过中继器,所以在用中继器将多个局域网网段连接在一起时,因中继器不能过滤任何数据,可能会遇到性能方面的问题。
中继器的主要功能是扩展一个局域网网段的作用距离。它通常不是用来向网络中添加更多的设备的,而是用来扩展一个工作站或一组工作站与网络中其他部分的距离。在以太网中,中继器主要用来扩展物理介质间的作用距离。图2.3示出了如何利用2个中继器将3个10Base-5以太网网段连接起来。在这种配置下,中继器在每个网段中都被看作结点。因此,在这个网络中可以接入的最大结点数为296。这是因为每个10Base-5网段的最大结点数是100,而每个中继器都算作2个结点,一共有2个中继器,所以除去中继器以外,能接入的最大结点数为:300-4=296。
图2.3 中继器和以太网网段
中继器可以用来接入“链接网段”,以扩展网络的总长度。5/4/3规则适用于10Base-2和10Base-5以太网及相连的中继器:最多可以用4个中继器将5个网段连接在一起,其中最多可以有3个网段包含网络结点。因此,最多有2个以太网网段可以用作“链接”网段(只用线缆,没有网络结点)来扩展一个以太网的总的作用距离。10Base-5以太网网段的最长作用距离为500m。如果用4个中继器连接起来,其作用距离可以达到2500m。10Base-2以太网网段的最长作用距离为185m,使用4个中继器可以达到925m。
集线器
与中继器一样,集线器也工作于OSI参考模型的物理层,并逐位复制经由物理介质传输的信号。中继器和集线器都使信号得到加强,集线器还可以在一组结点中共享信号。
集线器的组成结构
随着网络管理的兴起,集线器开始发展成为使用越来越多的网络控制设备。集线器的核心是其背板,它为集线器提供基本功能。背板的设计决定了集线器所能支持的特性。
集线器背板具有很高的传输速率,支持多种网络并提供多种服务。由于智能集线器体系结构还没有标准化,每个设备供应商都提出了集线器背板的不同实现方法。有时,标准的MAC协议被用作背板,如以太网。有时使用专用的高速背板。如果背板是以太网、令牌环网或者FDDI,则被称为共享总线背板,因为这些体系结构都使用共享介质协议。其中,站点必须等到“线路空闲”时(以太网)或者它们得到了令牌时(FDDI和令牌环网)才能发送信号。
集线器的主要功能
早期的线路集中器型集线器,也称为“第一代”集线器,只具有中继器功能。这类集线器不支持通过网桥或路由器进行网络互连,只包含一个单独的局域网背板及支持以太网或者令牌环网的电路,当然也不具有网络管理功能。
现在,集线器和交换技术已经进入了综合布线系统。随着网络复杂性的增加,集线器也发展成为一个更复杂的智能性设备,即智能集线器,也称为“第二代”集线器。智能集线器不但支持多种传输介质,还支持多种介质访问控制方法(数据传输协议),如以太网、令牌环网和FDDI。重要的是,通过内置的网桥和路由器模块及网络管理能力,智能集线器还能提供网络互连功能。
集线器有助于管理许多网络中都存在的繁杂的线缆和众多的线缆类型。集线器构成了许多网络的中心,因为:与其让同轴电缆总线穿过整个建筑物,不如使用铜绞线构成的星状拓扑结构,让所有的电缆都集中到像配线室这样一个地点。将集线器放置到一个有着各种不同类型接口的配线室中,通过这些接口可以连接到其他以太网、FDDI或广域网。这样,就形成了一个以集线器为中心的结构化综合布线系统。
大多数集线器均支持以太网,采用EIA/TIA-568标准进行综合布线。EIA/TIA-568标准为用户和设备供应商提供了详细、准确的布线规划指导,其中包括以下内容:
▶拓扑结构;
▶特定网络速度所需的连线类型;
▶特定连线类型所需的连接器类型;
▶线缆和连接器的最低性能要求,其中包括信号衰减、干扰和回波损耗。
由于EIA/TIA-568标准只用于物理线路布局,因此它并不与以太网的10Base-T、令牌环、FDDI或者其他数据传输协议相冲突。该标准规范了星状拓扑结构,在该标准中所有的结点都连接到一个位于中心的配线室,配线室里有诸如接线板和集线器之类在星状配置中用于网络连接的设备。图2.4示出了一个简单的星状拓扑结构中的集线器配置。这种结构化的布线规划与网络的物理结构和逻辑结构是有区别的。所有的集线器都使用一种星状物理拓扑结构;但是网段的逻辑拓扑结构可以是环状、总线、树状或者其他结构,这取决于信号从一个结点传输到另外一个结点的方式。
图2.4 星状拓扑结构中的集线器配置
基于集线器的网络拓扑结构
目前,有许多种基于集线器的网络拓扑结构可供选择。
1.经典以太局域网
经典以太局域网如图2.5所示,其中主机A、B、C、D和服务器都是经典局域网中的一个结点。传输介质(线缆)是共享型的,每个站点必须等到其他站点不传输数据时才能发送数据。一个网段中包含的站点越多,每个站点可用的带宽就越小。
图2.5 经典以太局域网
2.共享总线体系结构
共享总线体系结构如图2.6所示,它基于一个典型的经典局域网中的集线器。每个站点都接入该集线器的一个以太网模块,而该模块连接到一个以太网背板。在此,背板的作用与以太网集线器相同。在经典以太网中,每个站点都要和其他所有的站点竞争对以太网背板的访问权。但是,通过将站点和一个中心集线器相连,就可使用现有的电话双绞线连线,而不用再另外铺设贯穿整个建筑物的线缆总线。
图2.6 共享总线体系结构
3.两个分离的局域网
有些集线器具有多个背板,故可支持多个网段。图2.7中的包含两个互不相连的背板的集线器,实质上是将两个分离的集线器做到一个模块里。因为集线器不能将一种协议中的数据链路帧报头转换为另一种协议的格式,所以多背板集线器仍然不能连接使用不同传输协议的局域网,如以太网和令牌环网。要想组建一个包含混合型局域网的互联网络,需要更高层设备,如网桥或路由器。
图2.7 两个分离的局域网
练习
1.中继器可以将局域网扩展到任意长度。判断正误。
2.中继器也会复制错误。判断正误。
3.中继器可以将一个10Base-2网段和一个10Base-5网段连接在一起。判断正误。
4.集线器只将数据流量送往一组结点中的一个。判断正误。
5.以太网集线器使用100Base-T线缆。判断正误。
6.画出用中继器连接局域网网段的图,并以此说明5/4/3规则。
7.使用3个中继器的10Base-2网段的最大作用距离是多少?
8.说明集线器为什么不能连接两种不同类型的局域网,如以太网和令牌环网。
补充练习
1.使用Web调查生产中继器、集线器的厂商,并列出其相关产品的技术规范。
2.使用搜索引擎查找EIA/TIA-568布线标准,并学习和讨论。