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《Network Warrior中文版(第2版)——思科网络工程师必备手册》一第2章 HUB和交换机2.1 HUB

简介:
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本节书摘来自异步社区《Network Warrior中文版(第2版)——思科网络工程师必备手册》一书中的第2章,第2.1节,作者【美】Gary A. Donahue,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

第2章 HUB和交换机

Network Warrior中文版(第2版)——思科网络工程师必备手册

2.1 HUB

Network Warrior中文版(第2版)——思科网络工程师必备手册
以太网发展之初,10Base-5采用的是一种不太好使的粗缆(10Base-5也称为粗电缆网[thick-net])。随后,10Base-2取代了10Base-5,采用了一种酷似有线电视电缆的细缆。因其细于10Base-5所用的粗缆,故而人们将10Base-2称为细电缆网(thin-net)。上述电缆技术规范都要求安装大型金属连接器(也称为N连接器,用于10Base-5)或BNC连接器(用于10Base-2)。此外,在由上述电缆组成的网络中,成端时,还得安装终结器。一旦将连接器或终结器扯掉,全网都会“瘫痪”。上述电缆在物理上撑起了以太网络的“脊梁”。

随着非屏蔽双绞线(UTP)电缆(以RJ-45水晶头终结)在以太网中的使用,在大多数工程实施中,HUB成为了新的“顶梁柱”。许多公司都将HUB附接到现有的细电缆网络,以追求更强的灵活性。各厂商出产的HUB都支持UTP和BNC 10Base-2两种接口,而UTP与HUB搭配起来又极为好使,于是UTP便一跃成为事实上的标准。

HUB只是一种将以太网电缆连在一起的设备,可将以太网信号复制给连接其上的所有其他电缆。正因如此,将HUB称为中继器(repeater)也没有问题,不过,请读者务必牢记,虽然可将HUB称为中继器,但却不能将中继器称为HUB。

中继器能够复制信号。通常,人们会利用其来扩展网络所能覆盖的范围,以连接远程主机,或连接超出10Base-T距离限制的多个用户。换言之,倘若超出了10Base-T电缆的可用距离限制,便可将中继器置于线内,以增加可用距离。

注意

得知10Base-T标准并未明确定义电缆的距离限制时,着实吓了笔者一跳。虽然10Base-5和10Base-2标准都涵盖了距离方面的限制(分别为500m和200m),但10Base-T标准只是规定了电缆应该满足的某些特性。Category-5e电缆规范(TIA/EIA-568-B.2-2001)以百米电缆为基础制定了若干参数,而且还极为明确,电缆在百米之内都必须满足这些参数值。“传播延迟的偏差不能超过45 ns/100m”是一回事,“电缆长度不能超过100m”则是另外一回事1。

抛开标准中的条条框框不谈,将Cat-5e(电缆的布线距离)限制在100m之内,也算是一种最佳做法。
中继器或HUB的作用是将网络划分为一个个网段(segment)。图2-1所示为用来延伸服务器和PC之间连接距离的中继器。

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设计以太网时,就功能而言,HUB和中继器应该没有任何区别。5-4-3的以太网设计规则规定:以太网内的任意两个节点之间,最多只能隔5个网段,连4台中继器,5个网段中最多只能有3个网段连接主机。对如今的网络来说,这条规则看起来有似乎点儿过时。但要是连这条规则都不知道,那就等着“栽跟头”吧。

HUB的价格越来越便宜,在相对复杂的网络中,HUB常作为中继器来使用。图2-3演示了如何使用HUB和中继器连接两组远程用户(每端用HUB,中间用中继器)。

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HUB是一种“傻瓜”型设备,只是简单地将流入任一端口的信号,从其他所有端口外发。HUB是纯电气设备,运作于物理层,对网络来说是透明的(最多只能配个IP地址用做网络管理)。HUB既不会以任何方式改变帧,也不会根据帧内的信息作出转发决策。

图2-4所示为HUB的运行方式。可以想象,在大型网络中,HUB这样的操作模式必定会导致某些问题。要是有人(用网络打印机)打印大文件,当文件通过网络传输至打印机时,必会生成密集的流量,从而导致网络拥塞,以至于影响到网络中的每一个用户。

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若某台设备已在线路上发送数据,则有数据待发的其他设备只能稍待片刻,然后再次尝试重发。当两台工作站同时发送数据时,便会产生冲突(collision)。每台工作站都会记录冲突,然后回退,并重传数据。在繁忙的网络中,冲突会大量产生。

有了HUB,就能够让众多工作站在任意时间使用网络。若所有工作站同时传送数据,那么网络就会因过量的冲突而变得缓慢异常。

冲突只会发生在网段(network segment)之内。以太网段是网络的一部分,在以太网段内,设备可使用第二层MAC地址进行通信。要想与以太网网段之外的设备通信,则需添加额外设备,比如,路由器。冲突也同样受限于冲突域(collision domain)。冲突域是指以太网内可能会发生冲突的区域。若某工作站在使用网络的同时,妨碍了另一台工作站发送数据,则这两台工作站都必隶属于同一冲突域。

广播域是指可传播广播的以太网区域。广播只能在一个“第三层网络”内传播(除非配置了边界路由器,令其转发广播),第三层网络一般以第三层设备(比如,路由器)为界。广播可穿越交换机(第二层设备),但会受阻于路由器。

注意

许多人都误以为,交换机或VLAN(虚拟LAN)必然能够抑制广播。依笔者之见,只有在设计合理的网络中,上述说法才能成立。要是用交叉电缆互连交换机A、B——再将交换机A、B的所有端口分别“划”入VLAN 10和 VLAN 20——若接入交换机A、B的主机均隶属于同一IP子网,那么主机之间仍能彼此通信。用VLAN并不一定能够限制广播和IP子网,但这一说法却不太容易理解。
图2-5所示为一个由HUB构成的网络,中央HUB是主机间通信的必经之路。当一帧从左下角那台HUB的端口1进入时,该HUB会将其从所有其他端口向外复制,其中自然也包括了上连中央HUB的端口。中央HUB会将此帧从所有端口向外发送,即将帧传播给网络中别的HUB。这种设计照搬了骨干网的设计理念,对于此类设计,网络中的每台设备会收到在网络中穿梭的每一帧。

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此类网络的规模一旦变大,势必会遇到许多问题。当两台工作站顺利完成网络通畅性(clear)测试之后,同时开始传输数据时,便会遭遇冲突,即产生延迟冲突(late collision)。当网络的规模太大,以至于帧从网络的一端“蹿”至另一端所耗时间,长于工作站测试网络通畅性所耗时间时,必定会发生延迟冲突。

使用HUB,很有可能会引发另一个非常严重的问题,那就是广播风暴。图2-6所示为以双链路互连的两台HUB。当HUB 1收到数据帧时,会在自己的每个端口(包括与HUB 2互连的那两个端口)上复制该帧。HUB 2一旦收到该帧,便会再次将其从所有端口向外复制,从而导致了无止境的环路。

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任何一位亲历过广播风暴的读者,都应该知道广播风暴是多么“刺激”——要是再加上领导的咆哮,那就更“刺激”了。广播风暴主要表现在:网络中的每一台设备都因永不停歇的广播流量,而几乎不能发送任何数据帧;HUB上的所有状态灯都会一直常亮,而不再是正常情况下的“闪烁不定”;公司高管可能会以人身安全来威胁网络工程师(这也许才是最重要的一点)。

切断环路是解决广播风暴的不二法门。断电并重启网络设备只不过是在做无用功而已。由于HUB往往都是非网管设备,因此要想在紧要关头发现第二层环路非常困难。

HUB缺点多多,在现代化的网络中已难觅其踪。HUB早就被交换机取代了,后者可提供更快的速度、自动环路检测以及额外的主机特性等。

1译者注:整段原文是“Category-5e cable specifications (TIA/EIA-568-B.2-2001) designate values based on 100m cable, but to be painfully accurate, the cable mus tmeet these values at 100m. It is one thing to say, “Propagation delayskew shall not exceed 45 ns/100m.”It is quite another to say, “The cable must not exceed 100m”。译者按字面意思直译。

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