交換機(jī)-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(shè)備自動(dòng)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)統(tǒng)稱。廣義的交換機(jī)（ switch ）就是一種在通信 系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中， 交換概念的提出是對于共享工作模式的改進(jìn)。 我們以前介紹過 的HUE集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識別目的地址， 當(dāng)同一局域網(wǎng)內(nèi)的 A主機(jī)給B主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包在以HUE為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_終端通過驗(yàn)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(shí)刻網(wǎng)絡(luò)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(luò)帶寬。交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。 交換機(jī)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(huì)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(gè)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若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué) 習(xí)”新的地址，并把它添加入內(nèi)部MAC地址表中。使用交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”，通過對照 MAC地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò) 流量通過交換機(jī)。通過交換機(jī)的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的隔離廣播風(fēng)暴，減少誤包和錯(cuò)包的 出現(xiàn)，避免共享沖突。交換機(jī)

3、在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的網(wǎng) 段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)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(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B可同時(shí)向節(jié)點(diǎn) C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)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(jī)，那么該交換機(jī)這時(shí)的總 流通量就等于 2X 10Mbps= 20Mbps,而使用10Mbps的共享式HUB時(shí)，一個(gè)HUB的總流通量也 不會(huì)超出 10Mbps?？傊?，交換機(jī)是一種基于 MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)” MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在

4、數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接 收者之間建立臨時(shí)的交換路徑,使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址。交換機(jī)分類從廣義上來看, 交換機(jī)分為兩種： 廣域網(wǎng)交換機(jī)和局域網(wǎng)交換機(jī)。 廣域網(wǎng)交換機(jī)主要 應(yīng)用于電信領(lǐng)域,提供通信用的基礎(chǔ)平臺。而局域網(wǎng)交換機(jī)則應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò),用于連接終 端設(shè)備，如PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等。從規(guī)模應(yīng)用上又可分為企業(yè)級交換機(jī)、部門級交換機(jī)和工作組交換機(jī)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(jī)都是機(jī)架式,部門級交換機(jī)可以是機(jī)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(jī)為固定配置式 （功能較為簡單） 。另一方面, 從應(yīng)用的 規(guī)模來看,作為骨干交換機(jī)時(shí),支持 500 個(gè)信息點(diǎn)以上大型企業(yè)應(yīng)用的交換機(jī)為企業(yè)級交換 機(jī),支持 300 個(gè)信息點(diǎn)以下中型企業(yè)的交換機(jī)為部門級交換機(jī),而支持100 個(gè)信息點(diǎn)以內(nèi)的交換機(jī)為工作組級交換機(jī)。本文所介紹的交換機(jī)指的是局域網(wǎng)交換機(jī)。交換機(jī)功能學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機(jī)了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機(jī)緩存中的 MAC地址表中。轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時(shí)，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)至所有端口）

6、 。消除回路： 當(dāng)交換機(jī)包括一個(gè)冗余回路時(shí), 以太網(wǎng)交換機(jī)通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時(shí)允許存在后備路徑。交換機(jī)除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡(luò)之外， 還可以在不同類型的網(wǎng)絡(luò) （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(jī)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(luò)中的其它交換機(jī)或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務(wù)器提供附加帶寬。一般來說， 交換機(jī)的每個(gè)端口都用來連接一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段， 但是有時(shí)為了提供更快的 接入速度，我們可以把一些重要的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)直接連接到交換機(jī)的端口上。這樣，網(wǎng)絡(luò)的關(guān) 鍵服務(wù)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(jī)方式交換

7、機(jī)通過以下三種方式進(jìn)行交換：1. 直通式： 直通方式的以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)。它 在輸入端口檢測到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動(dòng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查 找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yīng)的端口，實(shí)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(diǎn)。它的缺點(diǎn)是，因?yàn)?數(shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)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(cuò)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(zhuǎn)發(fā)： 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)

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(jìn)行 CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）檢查，在對錯(cuò)誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址， 通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大，這是它 的不足，但是它可以對進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。尤其重要 的是它可以支持不同速度的端口間的轉(zhuǎn)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(gè)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(yàn)。它的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉(zhuǎn)發(fā)

9、方式快，但比直通式慢。交換機(jī)應(yīng)用作為局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備， 以太網(wǎng)交換機(jī)成為應(yīng)用普及最快的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之一。 隨著 交換技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)的價(jià)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(luò)上擁有大量的用戶、 繁忙的應(yīng)用程序和各式各樣的服務(wù)器， 而且你 還未對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出任何調(diào)整，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能可能會(huì)非常低。解決方法之一是在以太 網(wǎng)上添加一個(gè)10/100Mbps的交換機(jī)，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(luò)的利用率超過了 40，并且碰撞率大于 10，交換機(jī)可以幫你解決一點(diǎn)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(jī)可以全雙工方式運(yùn)行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。不僅不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下交換機(jī)的作用各不相同， 在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下添加新的交換機(jī)和增 加現(xiàn)有交換機(jī)的交換端口對網(wǎng)絡(luò)的影響也不盡相同。充分了解和掌握網(wǎng)絡(luò)的流量模式是能否 發(fā)揮交換機(jī)作用的一個(gè)非常重要的因素。因?yàn)槭褂媒粨Q機(jī)的目的就是盡可能的減少和過濾網(wǎng) 絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，所以如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺交換機(jī)由于安裝位置設(shè)置不當(dāng)，幾乎需要轉(zhuǎn)發(fā)接收 到的所有數(shù)據(jù)包的話，交換機(jī)就無法發(fā)揮其優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)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(luò)延遲。除安裝位置之外， 如果在那些負(fù)載較小， 信息量較低的網(wǎng)絡(luò)中也盲目添加交換機(jī)的話

11、， 同樣也可能起到負(fù)面影響。受數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間、交換機(jī)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(jī)更為理想。因此，我們不能一概認(rèn)為交換機(jī)就比 HUB有優(yōu)勢，尤其當(dāng)用戶的網(wǎng)絡(luò)并不擁擠，尚有很大的可利用空間時(shí)， 使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源。交換機(jī)技術(shù)與發(fā)展史一、概述1993 年，局域網(wǎng)交換設(shè)備出現(xiàn)， 1994 年，國內(nèi)掀起了交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的熱潮。其實(shí)，交換 技術(shù)是一個(gè)具有簡化、低價(jià)、高性能和高端口密集特點(diǎn)的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術(shù)的復(fù)雜 交換技術(shù)在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機(jī)按每一個(gè)包中的MA（地址相對簡單地決策信息轉(zhuǎn)發(fā)。

12、而這種轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，操作接近單個(gè)局域網(wǎng)性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之 間的轉(zhuǎn)發(fā)性能。交換技術(shù)允許共享型和專用型的局域網(wǎng)段進(jìn)行帶寬調(diào)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(shù)的交換產(chǎn)品。類似傳統(tǒng)的橋接器，交換機(jī)提供了許多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。交換機(jī)能經(jīng)濟(jì)地將網(wǎng)絡(luò)分成小的 沖突網(wǎng)域，為每個(gè)工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機(jī)在軟件配置簡單的情況 下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中；交換機(jī)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(jī)對工作站是透明的，這樣管

13、理開銷低廉，簡化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增 加、移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)變化的操作。利用專門設(shè)計(jì)的集成電路可使交換機(jī)以線路速率在所有的端口并行轉(zhuǎn)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(gè)以太網(wǎng)端口對含有 64 個(gè)八進(jìn)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(gè)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(shù)使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運(yùn)行，其端口造價(jià)低于傳統(tǒng)型 橋接器。二、幾種交換技術(shù)1 端口交換端口交換技術(shù)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(gè)廣播域） ，不用網(wǎng)橋或路由連接， 網(wǎng)絡(luò)之間是互不相通的。 以大主模塊插 入后通常被分配到某個(gè)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(gè)網(wǎng)段之 間進(jìn)行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口交換還可細(xì)分為：模塊交換：將整個(gè)模塊進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)段遷移。端口級交換：支持每個(gè)端口在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行遷移。這種交換技術(shù)是基于OSI第-層上完成的，具有靈活性和負(fù)載平衡能力等優(yōu)點(diǎn)。如果配置得當(dāng)，那么還可以在一定程度進(jìn) 行客錯(cuò)，但沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，自而未能稱之為真正的交換。2幀交換幀交換是目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)交

15、換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并 行傳送的機(jī)制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講每個(gè)公司的產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)技術(shù)均會(huì)有 差異，但對網(wǎng)絡(luò)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(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前 14個(gè)字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送 到相應(yīng)的端口上。存儲轉(zhuǎn)發(fā)：通過對網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗(yàn)錯(cuò)和控制。前一種方法的交換速度非?？?，但缺乏對網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行更高級的控制，缺乏智能性和安全 性，同時(shí)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(shù)作為重點(diǎn)。有的廠商甚至對網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)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(shí)現(xiàn)，處理速度快，同時(shí)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(shù)代表了