交換機-概念和原理

1、交換 （switching ）是按照通信兩端傳輸信息的需要， 用人工或設備自動完成的方法， 把要傳 輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳酚缮系募夹g統(tǒng)稱。廣義的交換機（ switch ）就是一種在通信 系統(tǒng)中完成信息交換功能的設備。在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中， 交換概念的提出是對于共享工作模式的改進。 我們以前介紹過 的HUE集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址， 當同一局域網(wǎng)內的 A主機給B主機傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUE為架構的網(wǎng)絡上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_終端通過驗證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網(wǎng)絡上 只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重

2、試。這種方式就是共享網(wǎng)絡帶寬。交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。 交換機的所有的端口都掛接在 這條背部總線上，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若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學 習”新的地址，并把它添加入內部MAC地址表中。使用交換機也可以把網(wǎng)絡“分段”，通過對照 MAC地址表，交換機只允許必要的網(wǎng)絡 流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發(fā)，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的 出現(xiàn)，避免共享沖突。交換機

3、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網(wǎng) 段，連接在其上的網(wǎng)絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節(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 2X 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。總之，交換機是一種基于 MAC地址識別，能完成封裝轉發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡設備。交換機可以“學習” MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在

4、數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標接 收者之間建立臨時的交換路徑,使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達目的地址。交換機分類從廣義上來看, 交換機分為兩種： 廣域網(wǎng)交換機和局域網(wǎng)交換機。 廣域網(wǎng)交換機主要 應用于電信領域,提供通信用的基礎平臺。而局域網(wǎng)交換機則應用于局域網(wǎng)絡,用于連接終 端設備，如PC機及網(wǎng)絡打印機等。從傳輸介質和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機、快速以太網(wǎng)交換機、千兆以太網(wǎng)交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環(huán)交換機等。從規(guī)模應用上又可分為企業(yè)級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是完全一 致的,一般來講,企業(yè)級交換機都是機架式,部門級交換機可以是機架式（插槽數(shù)較少）,也可以是固

5、定配置式, 而工作組級交換機為固定配置式 （功能較為簡單） 。另一方面, 從應用的 規(guī)模來看,作為骨干交換機時,支持 500 個信息點以上大型企業(yè)應用的交換機為企業(yè)級交換 機,支持 300 個信息點以下中型企業(yè)的交換機為部門級交換機,而支持100 個信息點以內的交換機為工作組級交換機。本文所介紹的交換機指的是局域網(wǎng)交換機。交換機功能學習：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設備的MAC地址，并將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的 MAC地址表中。轉發(fā)/過濾：當一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播 /組播幀則轉發(fā)至所有端口）

6、 。消除回路： 當交換機包括一個冗余回路時, 以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。交換機除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡之外， 還可以在不同類型的網(wǎng)絡 （如以太網(wǎng)和快 速以太網(wǎng)） 之間起到互連作用。 如今許多交換機都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或 FDDI 等的高速 連接端口，用于連接網(wǎng)絡中的其它交換機或者為帶寬占用量大的關鍵服務器提供附加帶寬。一般來說， 交換機的每個端口都用來連接一個獨立的網(wǎng)段， 但是有時為了提供更快的 接入速度，我們可以把一些重要的網(wǎng)絡計算機直接連接到交換機的端口上。這樣，網(wǎng)絡的關 鍵服務器和重要用戶就擁有更快的接入速度，支持更大的信息流量。交換機方式交換

7、機通過以下三種方式進行交換：1. 直通式： 直通方式的以太網(wǎng)交換機可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它 在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內部的動態(tài)查 找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應的端口，實現(xiàn) 交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非?？?，這是它的優(yōu)點。它的缺點是，因為 數(shù)據(jù)包內容并沒有被以太網(wǎng)交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能 提供錯誤檢測能力。 由于沒有緩存， 不能將具有不同速率的輸入 / 輸出端口直接接通， 而且容 易丟包。2. 存儲轉發(fā)： 存儲轉發(fā)方式是計算機網(wǎng)絡領域應

8、用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲起 來，然后進行 CRC（循環(huán)冗余碼校驗）檢查，在對錯誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址， 通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，這是它 的不足，但是它可以對進入交換機的數(shù)據(jù)包進行錯誤檢測，有效地改善網(wǎng)絡性能。尤其重要 的是它可以支持不同速度的端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。3. 碎片隔離：這是介于前兩者之間的一種解決方案。 它檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠 64 個字節(jié)， 如果小于 64 字節(jié)，說明是假包，則丟棄該包；如果大于 64 字節(jié)，則發(fā)送該包。這種方式也不提供數(shù) 據(jù)校驗。它的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉發(fā)

9、方式快，但比直通式慢。交換機應用作為局域網(wǎng)的主要連接設備， 以太網(wǎng)交換機成為應用普及最快的網(wǎng)絡設備之一。 隨著 交換技術的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。如果你的以太網(wǎng)絡上擁有大量的用戶、 繁忙的應用程序和各式各樣的服務器， 而且你 還未對網(wǎng)絡結構做出任何調整，那么整個網(wǎng)絡的性能可能會非常低。解決方法之一是在以太 網(wǎng)上添加一個10/100Mbps的交換機，它不僅可以處理 10Mbps的常規(guī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，而且還 可以支持100Mbps的快速以太網(wǎng)連接。如果網(wǎng)絡的利用率超過了 40，并且碰撞率大于 10，交換機可以幫你解決一點問 題。帶有100Mbps快速以太網(wǎng)和10

10、Mbps以太網(wǎng)端口的交換機可以全雙工方式運行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。不僅不同網(wǎng)絡環(huán)境下交換機的作用各不相同， 在同一網(wǎng)絡環(huán)境下添加新的交換機和增 加現(xiàn)有交換機的交換端口對網(wǎng)絡的影響也不盡相同。充分了解和掌握網(wǎng)絡的流量模式是能否 發(fā)揮交換機作用的一個非常重要的因素。因為使用交換機的目的就是盡可能的減少和過濾網(wǎng) 絡中的數(shù)據(jù)流量，所以如果網(wǎng)絡中的某臺交換機由于安裝位置設置不當，幾乎需要轉發(fā)接收 到的所有數(shù)據(jù)包的話，交換機就無法發(fā)揮其優(yōu)化網(wǎng)絡性能的作用，反而降低了數(shù)據(jù)的傳輸速 度，增加了網(wǎng)絡延遲。除安裝位置之外， 如果在那些負載較小， 信息量較低的網(wǎng)絡中也盲目添加交換機的話

11、， 同樣也可能起到負面影響。受數(shù)據(jù)包的處理時間、交換機的緩沖區(qū)大小以及需要重新生成新 數(shù)據(jù)包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機更為理想。因此，我們不能一概認為交換機就比 HUB有優(yōu)勢，尤其當用戶的網(wǎng)絡并不擁擠，尚有很大的可利用空間時， 使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡的現(xiàn)有資源。交換機技術與發(fā)展史一、概述1993 年，局域網(wǎng)交換設備出現(xiàn)， 1994 年，國內掀起了交換網(wǎng)絡技術的熱潮。其實，交換 技術是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術的復雜 交換技術在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機按每一個包中的MA（地址相對簡單地決策信息轉發(fā)。

12、而這種轉發(fā)決策一般不考慮包中隱藏的更深的其他信息。與橋接器 不同的是交換機轉發(fā)延遲很小，操作接近單個局域網(wǎng)性能，遠遠超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡之 間的轉發(fā)性能。交換技術允許共享型和專用型的局域網(wǎng)段進行帶寬調整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出 現(xiàn)的瓶頸問題?，F(xiàn)在已有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術的交換產(chǎn)品。類似傳統(tǒng)的橋接器，交換機提供了許多網(wǎng)絡互聯(lián)功能。交換機能經(jīng)濟地將網(wǎng)絡分成小的 沖突網(wǎng)域，為每個工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況 下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡中；交換機使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網(wǎng)卡，不 必作高層的硬件升級；交換機對工作站是透明的，這樣管

13、理開銷低廉，簡化了網(wǎng)絡節(jié)點的增 加、移動和網(wǎng)絡變化的操作。利用專門設計的集成電路可使交換機以線路速率在所有的端口并行轉發(fā)信息，提供了比 傳統(tǒng)橋接器高得多的操作性能。 如理論上單個以太網(wǎng)端口對含有 64 個八進制數(shù)的數(shù)據(jù)包， 可 提供14880bps的傳輸速率。這意味著一臺具有12個端口、支持6道并行數(shù)據(jù)流的“線路速率”以太網(wǎng)交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流X 14880bps/道信息流）。專用集成電路技術使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運行，其端口造價低于傳統(tǒng)型 橋接器。二、幾種交換技術1 端口交換端口交換技術最早出現(xiàn)在插槽式的集線器中，這類集線器的背板通常劃分有多

14、條以太網(wǎng) 段（每條網(wǎng)段為一個廣播域） ，不用網(wǎng)橋或路由連接， 網(wǎng)絡之間是互不相通的。 以大主模塊插 入后通常被分配到某個背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之 間進行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口交換還可細分為：模塊交換：將整個模塊進行網(wǎng)段遷移。端口組交換：通常模塊上的端口被劃分為若干組，每組端口允許進行網(wǎng)段遷移。端口級交換：支持每個端口在不同網(wǎng)段之間進行遷移。這種交換技術是基于OSI第-層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優(yōu)點。如果配置得當，那么還可以在一定程度進 行客錯，但沒有改變共享傳輸介質的特點，自而未能稱之為真正的交換。2幀交換幀交換是目前應用最廣的局域網(wǎng)交

15、換技術，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進行微分段，提供并 行傳送的機制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產(chǎn)品的實現(xiàn)技術均會有 差異，但對網(wǎng)絡幀的處理方式一般有以下幾種：直通交換：提供線速處理能力， 交換機只讀出網(wǎng)絡幀的前 14個字節(jié)，便將網(wǎng)絡幀傳送 到相應的端口上。存儲轉發(fā)：通過對網(wǎng)絡幀的讀取進行驗錯和控制。前一種方法的交換速度非?？欤狈W(wǎng)絡幀進行更高級的控制，缺乏智能性和安全 性，同時也無法支持具有不同速率的端口的交換。因此，各廠商把后一種技術作為重點。有的廠商甚至對網(wǎng)絡幀進行分解，將幀分解成固定大小的信元，該信元處理極易用硬件 實現(xiàn)，處理速度快，同時能夠完成高級控制功能（如美國MADGES司的LET集線器）如優(yōu)先級控制。3信元交換ATM 技術代表了