交換機

簡介

　　交換機是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設備。以太網(wǎng)交換機采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)（Store-Forward）技術或直通（Cut-Through）技術來實現(xiàn)信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)，也稱為交換式集線器。交換機和網(wǎng)橋的不同在于：交換機端口數(shù)較多，數(shù)據(jù)傳輸效率高，轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，吞吐量大，丟失率低，網(wǎng)絡整體性能增強，遠遠超過了普通網(wǎng)橋連接網(wǎng)絡時的轉(zhuǎn)發(fā)性能。一般用于互連相同類型的局域網(wǎng)，如以太網(wǎng)與以太網(wǎng)的互連。
　　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(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(nèi)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(zhuǎn)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。
　　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)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(nèi)部地址表中，通過在數(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。

交換機的分類

　　交換機的傳輸模式有全雙工，半雙工，全雙工/半雙工自適應。
　　交換機的全雙工是指交換機在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進行，這好像我們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音。交換機都支持全雙工。全雙工的好處在于遲延小，速度快。
　　提到全雙工，就不能不提與之密切對應的另一個概念，那就是“半雙工”，所謂半雙工就是指一個時間段內(nèi)只有一個動作發(fā)生，舉個簡單例子，一條窄窄的馬路，同時只能有一輛車通過，當有兩輛車對開，這種情況下就只能一輛先過，等到頭兒后另一輛再開，這個例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對講機、以及早期集線器等設備都是實行半雙工的產(chǎn)品。隨著技術的不斷進步，半雙工會逐漸退出歷史舞臺。
　　從廣義上來看，網(wǎng)絡交換機分為兩種：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(zhì)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(nèi)的交換機為工作組級交換機。

交換機的幾種模式

　　人工交換
　　電信號交換的歷史應當追溯到電話出現(xiàn)的初期。當電話被發(fā)明后，只需要一根足夠長的導線，加上末端的兩臺電話，就可以使相距很遠的兩個人進行語音交談。
　　電話增多后，要使每個擁有電話的人都能相互通信，我們不可能每兩臺電話機之間有拉上一根線。于是人們設立了電話局，每個電話用戶都接一根線到電話局的一個大電路板上。當A希望和B通話時，就請求電話局的接線員接通B的電話。接線員用一根導線，一頭插在A接到電路板上的孔，另一頭插到B的孔，這就是“接續(xù)”，相當于臨時給A和B拉了一條電話線，這時雙方就可以通話了。當通話完畢后，接線員將電線拆下，這就是“拆線”。整個過程就是“人工交換”，它實際上就是一個“合上開關”和“斷開開關”的過程。因此，把“交換”譯為“開關”從技術上講更容易讓人理解。
　　電路程控交換機
　　人工交換的效率太低，不能滿足大規(guī)模部署電話的需要。隨著半導體技術的發(fā)展和開關電路技術的成熟，人們發(fā)現(xiàn)可以利用電子技術替代人工交換。電話終端用戶只要向電子設備發(fā)送一串電信號，電子設備就可以根據(jù)預先設定的程序，將請求方和被請求方的電路接通，并且獨占此電路，不會與第三方共享（當然，由于設計缺陷的緣故，可能會出現(xiàn)多人共享電路的情況，也就是俗稱的“串線”）。這種交換方式被稱為“程控交換”。而這種設備也就是“程控交換機”。
　　由于程控交換的技術長期被發(fā)達國家壟斷，設備昂貴，我國的電話普及率一直不高。隨著當年華為、中興通訊等企業(yè)陸續(xù)自主研制出程控交換機，電話在我國得到迅速地普及。
　　目前，語音程控交換機普遍使用的通信協(xié)議為七號信令（SignallingSystemNo.7）
　　以太網(wǎng)交換機
　　隨著計算機及其互聯(lián)技術（也即通常所謂的“網(wǎng)絡技術”）的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)成為了迄今為止普及率最高的短距離二層計算機網(wǎng)絡。而以太網(wǎng)的核心部件就是以太網(wǎng)交換機。
　　不論是人工交換還是程控交換，都是為了傳輸語音信號，是需要獨占線路的“電路交換”。而以太網(wǎng)是一種計算機網(wǎng)絡，需要傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，因此采用的是“包交換”。但無論采取哪種交換方式，交換機為兩點間提供“獨享通路”的特性不會改變。就以太網(wǎng)設備而言，交換機和集線器的本質(zhì)區(qū)別就在于：當A發(fā)信息給B時，如果通過集線器，則接入集線器的所有網(wǎng)絡節(jié)點都會收到這條信息（也就是以廣播形式發(fā)送），只是網(wǎng)卡在硬件層面就會過濾掉不是發(fā)給本機的信息；而如果通過交換機，除非A通知交換機廣播，否則發(fā)給B的信息C絕不會收到（獲取交換機控制權限從而監(jiān)聽的情況除外）。
　　目前，以太網(wǎng)交換機廠商根據(jù)市場需求，推出了三層甚至四層交換機。但無論如何，其核心功能仍是二層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換，只是帶有了一定的處理IP層甚至更高層數(shù)據(jù)包的能力。
　　光交換
　　光交換是人們正在研制的下一代交換技術。目前所有的交換技術都是基于電信號的，即使是目前的光纖交換機也是先將光信號轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過交換處理后，再轉(zhuǎn)回光信號發(fā)到另一根光纖。由于光電轉(zhuǎn)換速率較低，同時電路的處理速度存在物理學上的瓶頸，因此人們希望設計出一種無需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的“光交換機”，其內(nèi)部不是電路而是光路，邏輯原件不是開關電路而是開關光路。這樣將大大提高交換機的處理速率。

交換機的功能

　　交換機的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、錯誤校驗、幀序列以及流控。目前交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。
　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。
　　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。
　　交換機的基本功能：
　　1、像集線器一樣，交換機提供了大量可供線纜連接的端口，這樣可以采用星型拓撲布線。
　　2、像中繼器、集線器和網(wǎng)橋那樣，當它轉(zhuǎn)發(fā)幀時，交換機會重新產(chǎn)生一個不失真的方形電信號。
　　3、像網(wǎng)橋那樣，交換機在每個端口上都使用相同的轉(zhuǎn)發(fā)或過濾邏輯。
　　4、像網(wǎng)橋那樣，交換機將局域網(wǎng)分為多個沖突域，每個沖突域都是有獨立的寬帶，因此大大提高了局域網(wǎng)的帶寬。
　　5、除了具有網(wǎng)橋、集線器和中繼器的功能以外，交換機還提供了更先進的功能，如虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和更高的性能。

交換方式

　　交換機通過以下三種方式進行交換：
　　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(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)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(nèi)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。
　　存儲轉(zhuǎn)發(fā)
　　存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式是計算機網(wǎng)絡領域應用最為廣泛的方式。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(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(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。
　　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(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢。

交換機的應用

　　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(jié)構(gòu)做出任何調(diào)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10Mbps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(zhuǎn)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，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。