中国工控网 - 中国工控网,专业工控信息服务平台 !

商业资讯: 企业新闻 | 人物专访 | 企业关注 | 专家观点 | 技术文摘 | 解决方案 | 展会新闻 | 工控知识 | 工控百科 | 产品推荐

你现在的位置: 首页 > 商业资讯 > 工控百科 > 集线器

集线器

信息来源:gkong.biz  时间:2010-11-03  浏览次数:142

  集线器的英文称为“Hub”。“Hub”是“中心”的意思,集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层,即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样,属于局域网中的基础设备,采用CSMA/CD(一种检测协议)访问方式。
  集线器属于纯硬件网络底层设备,基本上不具有类似于交换机的"智能记忆"能力和"学习"能力。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,如图所示。
  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,一些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,加上以上所介绍的共享带宽方式,就更加可能造成网络塞车现象,更加降低了网络执行效率。(3)非双工传输,网络通信效率低。集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信,而不能像交换机那样进行双向双工传输,网络执行效率低,不能满足较大型网络通信需求。
  正因如此,尽管集线器技术也在不断改进,但实质上就是加入了一些交换机(SWITCH)技术,发展到了今天的具有堆叠技术的堆叠式集线器,有的集线器还具有智能交换机功能。可以说集线器产品已在技术上向交换机技术进行了过渡,具备了一定的智能性和数据交换能力。但随着交换机价格的不断下降,仅有的价格优势已不再明显,集线器的市场越来越小,处于淘汰的边缘。尽管如此,集线器对于家庭或者小型企业来说,在经济上还是有一点诱惑力的,特别适合家庭几台机器的网络中或者中小型公司作为分支网络使用。
  HUB是一个多端口的转发器,当以HUB为中心设备时,网络中某条线路产生了故障,并不影响其它线路的工作。所以HUB在局域网中得到了广泛的应用。大多数的时候它用在星型与树型网络拓扑结构中,以RJ45接口与各主机相连(也有BNC接口),HUB按照不同的说法有很多种类。
  HUB按照对输入信号的处理方式上,可以分为无源HUB、有源HUB、智能HUB。
  无源HUB:它是最次的一种(词土了点儿^_^),不对信号做任何的处理,对介质的传输距离没有扩展,并且对信号有一定的影响。连接在这种HUB上的每台计算机,都能收到来自同一HUB上所有其它电脑发出的信号;
  有源HUB:有源HUB与无源HUB的区别就在于它能对信号放大或再生,这样它就延长了两台主机间的有效传输距离;
  智能HUB:一听这词就知道这家伙一定比那两个强!智能HUB除具备有源HUB所有的功能外,还有网络管理及路由功能。在智能HUB网络中,不是每台机器都能收到信号,只有与信号目的地址相同地址端口计算机才能收到。有些智能HUB可自行选择最佳路径,这就对网络有很好的管理。
  按其它方法还有很多种类,如10M、100M、10/100M自适应HUB等等,这里就不一一介绍了。总之,现在的市场价格贵不到那去,尽量买好一点的。
  如果我们经常接触网络,对作为构建局域网的基础设备集线器应该不会陌生,但是对于集线器背后各方面的知识,我们又知道多少呢?
  一、集线器的定义
  集线器(HUB)属于数据通信系统中的基础设备,它和双绞线等传输介质一样,是一种不需任何软件支持或只需很少管理软件管理的硬件设备。它被广泛应用到各种场合。集线器工作在局域网(LAN)环境,像网卡一样,应用于OSI参考模型第一层,因此又被称为物理层设备。集线器内部采用了电器互联,当维护LAN的环境是逻辑总线或环型结构时,完全可以用集线器建立一个物理上的星型或树型网络结构。在这方面,集线器所起的作用相当于多端口的中继器。其实,集线器实际上就是中继器的一种,其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务,所以集线器又叫多口中继器。
  普通集线器外部板面结构非常简单。比如D--Link最简单的10BASE~T EthernetHub集线器是个长方体,背面有交流电源插座和开关、一个AUI接口和一个BNC接口,正面的大部分位置分布有一行17个RJ--45接口。在正面的右边还有与每个RJ--45接口对应的LED接口指示灯和LED状态指示灯。高档集线器从外表上看,与现代路由器或交换式路由器没有多大区别。尤其是现代双速自适应以太网集线器,由于普遍内置有可以实现内部10Mb/s和100Mb/s网段间相互通信的交换模块,使得这类集线器完全可以在以该集线器为节点的网段中,实现各节点之间的通信交换,有时大家也将此类交换式集线器简单地称之为交换机,这些都使得初次使用集线器的用户很难正确地辨别它们。但根据背板接口类型来判别集线器,是一种比较简单的方法。
  二、 集线器的工作特点
  依据IEEE 802.3协议,集线器功能是随机选出某一端口的设备,并让它独占全部带宽,与集线器的上联设备(交换机、路由器或服务器等)进行通信。由此可以看出,集线器在工作时具有以下两个特点。
  首先是Hub只是一个多端口的信号放大设备,工作中当一个端口接收到数据信号时,由于信号在从源端口到Hub的传输过程中已有了衰减,所以Hub便将该信号进行整形放大,使被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态,紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。从Hub的工作方式可以看出,它在网络中只起到信号放大和重发作用,其目的是扩大网络的传输范围,而不具备信号的定向传送能力,是—个标准的共享式设备。因此有人称集线器为“傻Hub”或“哑Hub”。
  其次是Hub只与它的上联设备(如上层Hub、交换机或服务器)进行通信,同层的各端口之间不会直接进行通信,而是通过上联设备再将信息广播到所有端口上。由此可见,即使是在同一Hub的不同两个端口之间进行通信,都必须要经过两步操作:第一步是将信息上传到上联设备;第二步是上联设备再将该信息广播到所有端口上。
  不过,随着技术的发展和需求的变化,目前的许多Hub在功能上进行了拓宽,不再受这种工作机制的影响。由Hub组成的网络是共享式网络,同时Hub也只能够在半双工下工作。
  Hub主要用于共享网络的组建,是解决从服务器直接到桌面最经济的方案。在交换式网络中,Hub直接与交换机相连,将交换机端口的数据送到桌面。使用Hub组网灵活,它处于网络的一个星型结点,对结点相连的工作站进行集中管理,不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行,并且用户的加入和退出也很自由。
  三、集线器分类
  集线器有很多种类型。
  1.按结构和功能分类
  按结构和功能分类,集线器可分为未管理的集线器、堆叠式集线器和底盘集线器三类。
  (1)未管理的集线器
  最简单的集线器通过以太网总线提供中央网络连接,以星形的形式连接起来。这称之为未管理的集线器,只用于很小型的至多12个节点的网络中(在少数情况下,可以更多一些)。未管理的集线器没有管理软件或协议来提供网络管理功能,这种集线器可以是无源的,也可以是有源的,有源集线器使用得更多。
  (2)堆叠式集线器
  堆叠式集线器是稍微复杂一些的集线器。堆叠式集线器最显著的特征是8个转发器可以直接彼此相连。这样只需简单地添加集线器并将其连接到已经安装的集线器上就可以扩展网络,这种方法不仅成本低,而且简单易行。
  (3)底盘集线器
  底盘集线器是一种模块化的设备,在其底板电路板上可以插入多种类型的模块。有些集线器带有冗余的底板和电源。同时,有些模块允许用户不必关闭整个集线器便可替换那些失效的模块。集线器的底板给插入模块准备了多条总线,这些插入模块可以适应不同的段,如以太网、快速以太网、光纤分布式数据接口(Fiber Distributed Data Interface,FDDl)和异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)中。有些集线器还包含有网桥、路由器或交换模块。有源的底盘集线器还可能会有重定时的模块,用来与放大的数据信号关联。
  2.按局域网的类型分类
  从局域网角度来区分,集线器可分为五种不同类型。
  (1)单中继网段集线器
  最简单的集线器,是一类用于最简单的中继式LAN网段的集线器,与堆叠式以太网集线器或令牌环网多站访问部件(MAU)等类似。
  (2)多网段集线器
  从单中继网段集线器直接派生而来,采用集线器背板,这种集线器带有多个中继网段。其主要优点是可以将用户分布于多个中继网段上,以减少每个网段的信息流量负载,网段之间的信息流量一般要求独立的网桥或路由器。
  (3)端口交换式集线器
  该集成器是在多网段集线器基础上,将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化,并通过增加端口交换矩阵(PSM)来实现的集线器。PSM可提供一种自动工具,用于将任何外来用户端口连接到集线器背板上的任何中继网段上。端口交换式集线器的主要优点是,可实现移动、增加和修改的自动化特点。
  (4)网络互联集线器
  端口交换式集线器注重端口交换,而网络互联集线器在背板的多个网段之间可提供一些类型的集成连接,该功能通过一台综合网桥、路由器或LAN交换机来完成。目前,这类集线器通常都采用机箱形式。 (5)交换式集线器
  目前,集线器和交换机之间的界限已变得模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板,采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市,并且混合的(中继/交换)集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出,这类集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。
  四、 局域网集线器选择
  随着技术的发展,在局域网尤其是—些大中型局域网中,集线器已逐渐退出应用,而被交换机代替。目前,集线器主要应用于一些中小型网络或大中型网络的边缘部分。下面以中小型局域网的应用为特点,介绍其选择方法。
  1.以速度为标准
  集线器速度的选择,主要决定于以下3个因素。
  (1)上联设备带宽
  如果上联设备允许跑100Mbit/s,自然可购买lOOMbit/s集线器;否则lOMbit/s集线器应是理想选择,由于是对于网络连接设备数较少,而且通信流量不是很大的网络来说,lOMbit/s集线器就可以满足应用需要。
  (2)提供的连接端口数
  由于连接在集线器上的所有站点均争用同一个上行总线,所以连接的端口数目越多,就越容易造成冲突。同时,发往集线器任一端口的数据将被发送至与集线器相连的所有端口上,端口数过多将降低设备有效利用率。依据实践经验,一个lOMbit/s集线器所管理的计算机数不宜超过15个,lOOMbit/s的不宜超过25个。如果超过,应使用交换机来代替集线器。
  (3)应用需求
  传输的内容不涉及语音、图像,传输量相对较小时,选择10Mbit/s即可。如果传输量较大,且有可能涉及多媒体应用(注意集线器不适于用来传输时间敏感性信号,如语音信号)时, 应当选择100Mbit/s或10/100Mbit/s自适应集线器。10/100Mbit/s自适应集线器的价格一般要比100Mbit/s的高。
  2.以能否满足拓展为标准
  当一个集线器提供的端口不够时,一般有以下两种拓展用户数目的方法。
  (1)堆叠
  堆叠是解决单个集线器端口不足时的一种方法,但是因为堆叠在一起的多个集线器还是工作在同一个环境下,所以堆叠的层数也不能太多。然而,市面上许多集线器以其堆叠层数比其他品牌的多而作为卖点,如果遇到这种情况,要区别对待:一方面可堆叠层数越多,一般说明集线器的稳定性越高;另一方面可堆叠层数越多,每个用户实际可享有的带宽则越小。
  (2)级连
  级连是在网络中增加用户数的另一种方法,但是此项功能的使用—般是有条件的,即Hub必须提供可级连的端口,此端口上常标为“Uplink”或“MDI”的字样,用此端口与其他的Hub进行级连。如果没有提供专门的端口而必须要进行级连时,连接两个集线器的双绞线在制作时必须要进行错线。
  3.以是否提供网管功能为标准
  早期的Hub属于一种低端的产品,且不可管理。近年来,随着技术的发展,部分集线器在技术上引进了交换机的功能,可通过增加网管模块实现对集线器的简单管理(SNMP),以方便使用。但需要指出的是,尽管同是对SNMP提供支持,不同厂商的模块是不能混用的,同时同一厂商的不同产品的模块也不同。目前提供SNMP功能的Hub其售价较高,如D-Link公司的DEl824非智能型24口10Base-T的售价比加装网管模块后的DEl8241要便宜1000元左右。
  4.以外形尺寸为参考
  如果网络系统比较简单,没有楼宇之间的综合布线,而且网络内的用户比较少,如一个家庭、一个或几个相邻的办公室,则没有必要再考虑Hub的外形尺寸。但是有的时候情况并非如此,例如为了便于对多个Hub进行集中管理,在购买Hub之前已经购置了机柜,这时在选购Hub时必须要考虑它的外形尺寸,否则Hub无法安装在机架上。现在市面上的机柜在设计时一般都遵循19英寸的工业规范,它可安装大部分的5口、8口、16口和24口的Hub。不过,为了防止意外,在选购时一定注意它是否符合19英寸工作规范,以便在机柜中安全、集中地进行管理。
  5.适当考虑品牌和价格
  像网卡一样,目前市面上的Hub基本由美国品牌和中国台湾品牌占据,近来大陆几家公司也相继推出了集线器产品。其中高档Hub主要还是由美国品牌占领,如3COM、Intel、Bay等,它们在设计上比较独特,一般几个甚至是每个端口配置一个处理器,当然,价格也较高。我国台湾地区的D-Link和Accton占有了中低端Hub的主要份额,大陆的联想、实达、TPLink等公司分别以雄厚的实力向市场上推出了自己的产品。这些中低档产品均采用单处理器技术,其外围电路的设计思想大同小异,实现这些思想的焊接工艺手段也基本相同,价格相差不多,大陆产品相对略便宜些,正日益占据更大的市场份额。近来,随交换机产品价格的日益下降,集线器市场日益痿缩,不过,在特定的场合,集线器以其低延迟的特点可以用更低的投入带来更高的效率。交换机不可能完全代替集线器。
  五、集线器常见故障的分析处理
  对于最普通最常用的星型拓扑结构来说,集线器(HUB)是心脏部分,一旦它出 问题,整个网络便无法工作,所以它的好坏对于整个网络来说都是相当重要的。
  集线器(HUB)或交换机(Switch)是局域网中用得最为普及的设备。一般情况下,它们为用户查找网络故障提供方便,如通过观察与HUB(或Switch)连接端口的指示灯是否发亮,可以判断网络连接是否正常。对于lO/lOOMb/s自适应HUB(或Switch)而言,还可通过连接端口指示灯的不同颜色来判断被连接的电脑是工作在10Mb/s状态下,还是lOOMb/s状态下。所以,在大多数应用场合,HUB(或Switch)的使用是有利于网络维护的。但是,因为HUB(或Switch)的使用不当或自身损坏,都将给网络的连接带来问题。
  1.集线器在100Mb/s网络中的应用故障
  [故障现象]
  将网络从10Mb/s升级到100Mb/s后,网络无法正常工作。
  [故障分析处理]
  在局域网中,当网络的连接范围较大时,可通过HUB之间的级联扩大网络的传输距离。在10Mb/s网络中最多可级联四级,使网络的最大传输距离达到600m。但当网络从10Mb/s升级到100Mb/s或新建一个100Mb/s的局域网时,如果采用普通的方法对100MHUB进行连接将使局域网络无法正常工作。众所周知,在100Mb/s网络中只允许对两个100Mb/s的HUB进行级联,而且两个10Mb/sHUB之间的连接距离不能大于5m,所以100Mb/s局域网在使用HUB时最大距离为205m。如果实际连接距离不符合以上要求,网络将无法连接。这一点要引起足够重视,否则在用户规划网络时很容易造成严重的错误。
  2。集线器在进行级联时的应用故障
  [故障现象]
  某单位自行组建一个局域网,使用了两个16口(还带一个级联端口)的10M共享式集线器,所有电脑通过HUB与总机房的HUB相连。其中HUBA通过级联端口连接到HUBB的第16个端口上,HUBB通过级连端口连接到总机房的HUB上,其他端口分别连接工作站。整个工作站使用静态IP地址,其值分别为192.168.0.2、192.168.0.3……依次类推,192.168.0.1分配给NT服务器使用,每台电脑(包括服务器)的子网掩码全部为255.255.255.0。在正式连接服务器前每设置一台工作站,都使用Ping命令进行测试,结果全部都连通,而且HUB A所连接的工作站全部也能用Ping命令与HUB B所连接的工作站相通。但是,当连入了服务器后,只有HUB B所连接的工作站能够登录服务器,而HUBA所连接的工作站却无法登录。
  [故障分析处理]
  通过观察电脑上网卡的指示灯,以及两个HUB上各端口的指示灯,除发现HUBB的第16个端口与HUB A的级联端口对应的指示灯不亮外,所有网卡和其他端口的指示灯都均匀发亮,说明电脑与HUB之间的连接均正常,因此问题极有可能是出在HUBA的级联端口与HUB B的第16个端口上。按照这种情况,开始怀疑在HUB A的级联端口和HUB B的第16个端口中至少有一个端口是坏的。为了进一步确认其端口是坏的,可将两个HUB的位置进行的调换,但结果依然如旧。接下来试着把连接HUB A级联端口的双绞线插在了HUB B的别处的一个普通端口上,结果问题解决了,网络中所有的工作站都能与服务器连通,而且两个HUB所连接的工作站都能相互得到响应。 由此可以看出,有些HUB的级联端口和与之紧靠的一个端口不是独立的两个端口,而应属于同一个端口(虽然存在两个独立的物理端口)。以前的许多HUB是使用了一个拨动开关在两个端口之间进行级联端口的选择,而在随后推出的产品中却省了这个开关,但如果将其中一个端口作为级联端口使用,另一个端口将无效。
  3.HUB经常烧坏
  [故障现象]
  一台连接两幢楼的HUB经常烧坏,有时候一个月之中就要坏三四次。
  [故障分析处理]
  经测试,其中A楼的电源系统已经老化,零线绝对电压是30V,火线绝对电压是 250V,而用万用表量电压还是220V;UB到B楼HUB,则两个HUB要承受30V的电势差,很可能因此而损坏。解决的办法很简单,只需在A楼的交换机房接一根地线即可。
  六、集线器的基本工作原理
  我们知道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。引入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"。
  出现这种网络现象我们可以用一个形象的现实情形来说明,那就是单车道上同时有两个方向的车驰来,如图1所示。
  我们知道,单车道上通常只允许一个行驶方向的车通过,但是在小城镇,条件有限通常没有这样的规定,单车道也很有可能允许两个行驰方向的车通过,但是必须是不同时刻经过。在集线器中也一样,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。很好理解吧?
  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一样,因为网络越来,出现网络碰撞现象的机会就越大。也正因如此,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。如果器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,图示如图2所示。
  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,一些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,加上以上所介绍的共享带宽方式,就更加可能造成网络塞车现象,更加降低了网络执行效率。
  七、集线器的安装
  了解了集线器的工作原理后,我们再来了解一下集线器在局域网中的安装与连接方法。
  接入设备最重要的是它的接口技术,不同的接口应用于不同的应用环境,不同的应用又对应于相应的接口,不仅集线器如此,包括后面将要讲到的交换机、路由器等都一样。集线器的接口相对来说是最简单的,为了使大家熟练地掌握集线器的各种应用连接,我们有必要对集线器的一些主要接口进行一下认识。
  1. 集线器常见端口
  集线器通常都提供三种类型的端口,即RJ-45端口、BNC端口和AUI端口,以适用于连接不同类型电缆构建的网络。一些高档集线器还提供有光纤端口和其他类型的端口。
  (1)RJ-45接口
  RJ-45接口可用于连接RJ-45接头,适用于由双绞线构建的网络,这