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什么是“以太網(wǎng)交換機”?交換機、集線器和路由器的區(qū)別

架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟 ? 來源:架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟 ? 2024-01-02 16:42 ? 次閱讀
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根據(jù)IDC數(shù)據(jù),2022年,全球交換機市場規(guī)模為3080億元,同比增長17.0%。預(yù)計2023年可達3220億元,2027年可達3770億元,預(yù)測2022-2027年CAGR約為4.6%。

2022年中國交換機市場規(guī)模為591億元,同比增長9.5%,占全球交換機市場規(guī)模的19.2%;預(yù)計2023年可達645億元;據(jù)測算,2027年中國交換機市場規(guī)模為878億元,占全球交換機市場規(guī)模的23.3%。

一、交換機定義及分類

交換機(Switch)意為“開關(guān)”,是一種用于電(光)信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供獨享的電信號通路。從廣義上來分析,在通信系統(tǒng)里對于信息交換功能實現(xiàn)的設(shè)備,就是交換機。最常見的交換機是以太網(wǎng)交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等。

交換式集線器又稱為以太網(wǎng)交換機、二層交換機(表明此交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層),或直接簡稱為交換機。交換是按照通信兩端傳輸信息的需要,用人工或設(shè)備自動完成的方法,把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)的統(tǒng)稱。

交換機定義及分類

1、按照OSI劃分:

? 二層交換機:基于MAC地址工作的第二層交換機最為普遍,用于網(wǎng)絡(luò)接入層和匯聚層。

? 三層交換機:基于P地址和協(xié)議進行交換的第三層交換機應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的核心層,也少量應(yīng)用于匯聚層。部分第三層交換機也同時具有第四層交換功能,可以根據(jù)數(shù)據(jù)幀的協(xié)議端口信息進行目標端口判斷。

? 四層交換機:它是一種功能,它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標P地址(第三層路由),而且依據(jù)TCP/UDP(第四層)應(yīng)用端口號。第四層交換功能就象是虛IP,指向物理服務(wù)器。它所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從各種各樣的協(xié)議,有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上,需要復(fù)雜的載量平衡算法。

? 四層以上交換機:第四層以上的交換機稱之為應(yīng)用型交換機,主要用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。

2、按照網(wǎng)絡(luò)層次劃分:

? 接入層交換機:一般是固定配置的交換機,端口密度較大,具有較高的接入能力,以10/100M端口為主,以固定端口或擴展槽方式提供1000Mbps的上聯(lián)端口。

? 核心層交換機:一般采用機箱式模塊化設(shè)計,機箱中可承載管理模塊、光端口模塊、高速電口模塊、電源等,具有很高的背板容量;

? 匯聚層交換機:可以是機箱式模塊化交換機,也可以是固定配置的交換機,具有較高的接入能力和帶寬,一般會包含光端口、高速電口等端口;

3、按照應(yīng)用區(qū)域劃分:

? 廣域的交換機:是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備,它應(yīng)用在數(shù)據(jù)鏈路層。交換機有多個端口,每個端口都具有橋接功能,可以連接一個局域網(wǎng)或一臺高性能服務(wù)器或工作站。廣域網(wǎng)交換機主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域,提供通信用的基礎(chǔ)平臺;

? 局域網(wǎng)交換機:應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò),用于連接終端設(shè)備,如PC機及網(wǎng)絡(luò)打印機等。

交換機構(gòu)成

從硬件結(jié)構(gòu)來看,交換機由機殼、電源、風(fēng)扇、背板、管理引擎、系統(tǒng)控制器、交換模塊、線卡構(gòu)成。機殼是交換機的外殼,用于保護內(nèi)部電子元器件,某些交換機采用金屬機殼,可防止磁場對交換機的干擾。風(fēng)扇用于對交換機散熱,保證交換機內(nèi)部溫度處于正常區(qū)間,保障交換機長期穩(wěn)定運行。電源包含外置電源、內(nèi)置電源兩種方式,外置電源可提供靈活電源配置??蚴浇粨Q機中的背板是用于連接管理引擎、交換模塊、線卡等部分的一塊PCB板。

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管理引擎:管理引擎上有配置口,屬于串行接口,可通過串口線纜和計算機連接,用于對交換機的管理及配置操作。

系統(tǒng)控制器:負責(zé)控制電源和風(fēng)扇。

線卡:可用于配置以太網(wǎng)接口,通過以太網(wǎng)接口與計算機或其他硬件設(shè)備連接,用于數(shù)據(jù)傳輸。

交換模塊:負責(zé)不同接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和交換,交換單元采用高性能ASIC芯片。

二、交換機交換架構(gòu)

業(yè)界主流的三種架構(gòu):Full-MESH架構(gòu);CROSSBAR架構(gòu);CLOS架構(gòu)。目前主流的高端核心交換機大部分采用CLOS架構(gòu)。

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基于CLOS架構(gòu)的交換網(wǎng)板設(shè)計

三種交換網(wǎng)板設(shè)計:①非正交結(jié)構(gòu)/平行結(jié)構(gòu):線卡與交換模板平行,二者通過在背板上走線連接。華為的交換機使用非正交設(shè)計。

缺點:PCB背板走線帶來信號干擾、背板設(shè)計限制寬帶升級、散熱難度大。②正交結(jié)構(gòu):線卡和交換模塊垂直,通過背板直接連接,

該設(shè)計減少了背板走線帶來的信號衰減,但是限制了帶寬升級,思科使用正交結(jié)構(gòu)。③無背板架構(gòu):線卡和交換模塊垂直連接,解除了背板對寬帶升級的限制,容易散熱。

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交換模塊作用機制:線卡A到線卡B的數(shù)據(jù)傳輸路徑為:線卡A→背板→交換模塊→交換芯片→背板→線卡B。交換模塊通過內(nèi)部芯片,識別MAC地址,并將MAC地址和對應(yīng)的線卡端口對應(yīng),從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的端口。

三、交換機的技術(shù)原理

交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨立的物理網(wǎng)段(注:非IP網(wǎng)段),連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨自享有全部的帶寬,無須同其他設(shè)備競爭使用。當(dāng)節(jié)點A向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)時,節(jié)點B可同時向節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù),而且這兩個傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬,都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機,那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps,而使用10Mbps的共享式HUB時,一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps??傊?,交換機是一種基于MAC地址識別,能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

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交換機工作于OSI參考模型的第二層,即數(shù)據(jù)鏈路層。交換機內(nèi)部的CPU會在每個端口成功連接時,通過將MAC地址和端口對應(yīng),形成一張MAC表。在今后的通訊中,發(fā)往該MAC地址的數(shù)據(jù)包將僅送往其對應(yīng)的端口,而不是所有的端口。因此,交換機可用于劃分數(shù)據(jù)鏈路層廣播,即沖突域;但它不能劃分網(wǎng)絡(luò)層廣播,即廣播域。

交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在背部總線上,控制電路收到數(shù)據(jù)包以后,處理端口會查找內(nèi)存中的地址對照表以確定目的MAC(網(wǎng)卡的硬件地址)的NIC(網(wǎng)卡)掛接在哪個端口上,通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口,目的MAC若不存在,廣播到所有的端口,接收端口回應(yīng)后交換機會“學(xué)習(xí)”新的MAC地址,并把它添加入內(nèi)部MAC地址表中。使用交換機也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”,通過對照IP地址表,交換機只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉(zhuǎn)發(fā),可以有效的減少沖突域。

四、交換機、集線器和路由器的區(qū)別

集線器僅僅知道端口上是否連接了設(shè)備,經(jīng)過集線器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包,所有設(shè)備都能接收到,如右圖,當(dāng)主機A發(fā)送數(shù)據(jù)包給主機C時,主機B和D都能接收到數(shù)據(jù);

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路由器用于連接兩個網(wǎng)絡(luò)(如右圖),他們有自己唯一的網(wǎng)絡(luò)地址,有各自的路由器1和路由器2,和交換機A和交換機B以及主機在各自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換數(shù)據(jù)。路由器可以使得不同網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

五、交換機性能指標

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六、交換機應(yīng)用場景

按照交換機的應(yīng)用場景分類:商用交換機和工業(yè)交換機。商用交換機按照應(yīng)用場景分類:企業(yè)網(wǎng)交換機(SMB交換機)、園區(qū)交換機、數(shù)據(jù)中心交換機。

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七、數(shù)據(jù)中心交換機——傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):包括數(shù)據(jù)中心與外部運營商互聯(lián)的核心交換層,接入層,以及將連接兩者實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合的匯聚層。,現(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主要分為三層拓撲結(jié)構(gòu)。

? 接入交換機物理連接服務(wù)器;

? 匯聚交換機連接同一個二層網(wǎng)絡(luò)(VLAN)下的接入交換機,同時提供其他的服務(wù),例如防火墻,SSL offload,入侵檢測,網(wǎng)絡(luò)分析等, 它可以是二層交換機也可以是三層交換機;

? 核心交換機為進出數(shù)據(jù)中心的包提供高速的轉(zhuǎn)發(fā),為多個二層局域網(wǎng)(VLAN)提供連接性,核心交換機為通常為整個網(wǎng)絡(luò)提供一個彈性的三層網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)三次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)弊端

①帶寬的浪費:為了防止環(huán)路,匯聚層和接入層之間通常會運行STP協(xié)議,使得接入交換機的上聯(lián)鏈路中實際承載流量的只有一條,而其他上行鏈路將被阻塞(如圖中虛線所示),造成了帶寬的浪費;

②故障域較大:STP協(xié)議由于其本身的算法,在網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變更時需要重新收斂,容易發(fā)生故障,從而影響整個VLAN的網(wǎng)絡(luò);

③難以適應(yīng)超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò):在云計算領(lǐng)域,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大,數(shù)據(jù)中心也分布在不同的地理位置,虛擬機要求能在任意地點創(chuàng)建,遷移,而保持其網(wǎng)絡(luò)屬性(IP, 網(wǎng)關(guān)等)保持不變,需要支持大二層網(wǎng)絡(luò),在上圖的拓撲中,無法在VLAN10和VLAN20之間作上述遷移;

④傳統(tǒng)架構(gòu)下,當(dāng)存在大量東西向流量時,匯聚交換機和核心交換機的壓力會大大增加,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和性能也就限制在了匯聚層和核心層。要支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),就必須有性能最好,端口密度最大的匯聚層核心層設(shè)備,這樣的設(shè)備成本高,不是所有企業(yè)都買得起,且必須在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時就預(yù)先規(guī)劃好網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小時,會造成資源的浪費,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模繼續(xù)擴大時,擴容也比較困難,因而讓企事業(yè)單位陷入了成本和可擴展性的兩難選擇之中。

八、數(shù)據(jù)中心交換機——葉脊結(jié)構(gòu)

葉脊結(jié)構(gòu)(分布式核心網(wǎng)絡(luò))架構(gòu):Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),也稱為分布式核心網(wǎng)絡(luò),由于這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來源于交換機內(nèi)部的 Switch Fabric,因此也被稱為Fabric 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),同屬于 CLOS 網(wǎng)絡(luò)模型。事實已經(jīng)證明,Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以提供高帶寬、低延遲、非阻塞的服務(wù)器到服務(wù)器連接。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由Spine和Leaf這兩個交換層組成

? Leaf層由訪問交換機組成,匯聚來自服務(wù)器的流量,并直接連接到Spine或網(wǎng)絡(luò)核心。

? Spine交換機在全網(wǎng)格拓撲中互連所有Leaf交換機。上圖中,綠色節(jié)點代表交換機,

灰色節(jié)點代表服務(wù)器。在綠色節(jié)點中,最上面的是Spine節(jié)點,下面是Leaf節(jié)點。

Spine-Leaf架構(gòu)更適合滿足現(xiàn)代應(yīng)用程序的需求

? 扁平化:扁平化設(shè)計縮短服務(wù)器之間的通信路徑,從而降低延遲,可以顯著提高應(yīng)用程序和服務(wù)性能。

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? 易擴展:如果 Spine 交換機的帶寬不足,我們只需要增加 Spine 節(jié)點數(shù),也可以提供路徑上的負載均衡;如果接入連接不足,則只需增加 Leaf 節(jié)點數(shù)。

? 低收斂比:容易實現(xiàn) 1:X 甚至是無阻塞的 1:1 的收斂比,而且通過增加 Spine 和 Leaf 設(shè)備間的鏈路帶寬也可以降低鏈路收斂比。簡化管理:葉脊結(jié)構(gòu)可以在無環(huán)路環(huán)境中使用全網(wǎng)格中的每個鏈路并進行負載平衡,這種等價多路徑設(shè)計,在使用 SDN 等集中式網(wǎng)絡(luò)管理平臺時處于最佳狀態(tài)。

? 邊緣流量處理:隨著物聯(lián)網(wǎng)IoT)等業(yè)務(wù)的興起,接入層壓力劇增,可能有數(shù)千個傳感器和設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)邊緣連接并產(chǎn)生大量流量。Leaf 可以在接入層處理連接,Spine 保證節(jié)點內(nèi)的任意兩個端口之間提供延遲非常低的無阻塞性能,從而實現(xiàn)從接入到云平臺的敏捷服務(wù)。

? 多云管理:數(shù)據(jù)中心或云之間通過 Leaf Spine 架構(gòu)仍可以實現(xiàn)高性能、高容錯等優(yōu)勢,而多云管理策略也逐漸成為企業(yè)的必選項。

九、工業(yè)級交換機定義和應(yīng)用場景

工業(yè)交換機,也稱之為工業(yè)以太網(wǎng)交換機,即廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的工業(yè)交換機設(shè)備,因為所采用的網(wǎng)絡(luò)標準其開放性好、用途廣泛,適應(yīng)于低溫高溫,抗電磁干擾強,防鹽霧,抗震性能強。其使用的是透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議,以太網(wǎng)已經(jīng)是工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的主要通信標準。工業(yè)交換機具備電信級性能特征,可承受苛刻的工作環(huán)境。產(chǎn)品系列豐富多彩,端口配置靈活,可以滿足各類工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。產(chǎn)品選用寬溫設(shè)計,防護等級不低于IP30,支持標準及私域的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議。

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和商用交換機的區(qū)別相比:以太網(wǎng)在設(shè)計的時候,因其選用載波通信監(jiān)聽時分復(fù)用沖突檢測(CSMA/CD機制),在繁雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中運用,其穩(wěn)定性大幅度降低,進而導(dǎo)致以太網(wǎng)無法使用。工業(yè)交換機選用存儲轉(zhuǎn)換交換方式,同時提高以太網(wǎng)通信速度(支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速度,如千兆以太網(wǎng)(1 Gbps)或萬兆以太網(wǎng)(10Gbps)。),而且內(nèi)置智能報警設(shè)計監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀況,使得在極端危險的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中確保以太網(wǎng)可靠穩(wěn)定的運行。

十、工業(yè)交換機認證要求

工業(yè)交換機因為應(yīng)用及市場定位的關(guān)聯(lián),差別于普通交換機,它更關(guān)心可靠性,穩(wěn)定性,耐熱,耐震動,抗腐蝕等一些工業(yè)生產(chǎn)特點。工業(yè)生產(chǎn)以太網(wǎng)交換機因其較高的防護等級(一般IP40)、較強的電磁兼容性(EMS 四級)、好的工作特性而運用在一些自然環(huán)境標準嚴格的制造業(yè)當(dāng)場,為工業(yè)生產(chǎn)通訊給予充分的確保。

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十一、交換機產(chǎn)業(yè)鏈

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交換機產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括芯片、元器件、光模塊、電路板、電源模塊和結(jié)構(gòu)件等元件;中游按照終端應(yīng)用場景,可分為無管理交換機、二層管理交換機、三層管理交換機、PoE交換機、工業(yè)交換機和數(shù)據(jù)中心交換機等;下游應(yīng)用于電信運營、云服務(wù)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。







審核編輯:劉清

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原文標題:什么是“以太網(wǎng)交換機”?

文章出處:【微信號:架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟,微信公眾號:架構(gòu)師技術(shù)聯(lián)盟】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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    什么是以太網(wǎng)交換機/ATM交換機 以太網(wǎng)交換機 作為局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備,
    發(fā)表于 04-07 16:32 ?2628次閱讀

    工業(yè)以太網(wǎng)交換機簡介及其與普通交換機區(qū)別介紹

    一。 什么是工業(yè)以太網(wǎng)交換機 在性能上,工業(yè)以太網(wǎng)交換機和普通交換機是沒有多大區(qū)別的,從網(wǎng)絡(luò)層級
    發(fā)表于 10-17 10:43 ?17次下載

    工業(yè)以太網(wǎng)交換機和普通交換機區(qū)別

    在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達的今天,交換機被許多需要使用網(wǎng)絡(luò)的朋友使用,可以實現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)多臺電腦公用。但是什么是工業(yè)以太網(wǎng)交換機,很慣性的思維就是工業(yè)用的交換機,那么工業(yè)
    發(fā)表于 10-25 10:39 ?1.2w次閱讀

    工業(yè)控制交換機和工業(yè)交換機區(qū)別

    以太網(wǎng)交換機一般分為:商用(以太網(wǎng)交換機、工業(yè)(以太網(wǎng)交換機、家用(
    發(fā)表于 01-21 09:54 ?2312次閱讀

    交換機集線器區(qū)別_交換機路由器怎么連接

    本文主要闡述了交換機集線器區(qū)別及介紹了交換機路由器的連接方法。
    發(fā)表于 03-25 10:10 ?3949次閱讀

    Antaira以太網(wǎng)交換機簡介

    。 你可以舉一個生活中的例子嗎? 日常生活中,小型交換機能為路由器提供更多接口,讓更多設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。 明白了,歐時電子就有代理Antaira的以太網(wǎng)交換機。 是的,我可以為大家進一步介
    的頭像 發(fā)表于 05-18 09:20 ?3083次閱讀

    集線器交換機以及路由器之間有什么不同

    以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中,有一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在各個級別上發(fā)揮作用,例如集線器交換機路由器。這三種設(shè)備的功能都大不相同,即使有時它們都集成到一個設(shè)備中。因此,很多人對
    發(fā)表于 11-01 17:14 ?2134次閱讀
    <b class='flag-5'>集線器</b>和<b class='flag-5'>交換機</b>以及<b class='flag-5'>路由器</b>之間有什么不同

    以太網(wǎng)交換機是什么 以太網(wǎng)交換機的使用方法

    以太網(wǎng)交換機是什么 以太網(wǎng)交換機的使用方法
    發(fā)表于 10-09 14:34 ?15次下載

    深入解讀路由器、交換機、三層交換機區(qū)別

    隨著以太網(wǎng)交換機的不斷發(fā)展,現(xiàn)在的交換機提高了性能,其中虛擬網(wǎng)絡(luò)和三層交換是最突出的。在三層交換技術(shù)出現(xiàn)之前,幾乎沒有必要將
    的頭像 發(fā)表于 09-29 17:36 ?2262次閱讀
    深入解讀<b class='flag-5'>路由器</b>、<b class='flag-5'>交換機</b>、三層<b class='flag-5'>交換機</b>的<b class='flag-5'>區(qū)別</b>

    交換機集線器路由器區(qū)別

    交換機(Switch)意為“開關(guān)”,是一種用于電(光)信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供獨享的電信號通路。從廣義上來分析,在通信系統(tǒng)里對于信息交換功能實現(xiàn)的設(shè)備,就是
    發(fā)表于 11-27 11:00 ?4592次閱讀
    <b class='flag-5'>交換機</b>、<b class='flag-5'>集線器</b>和<b class='flag-5'>路由器</b>的<b class='flag-5'>區(qū)別</b>
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