交換機(jī)

簡(jiǎn)介

　　交換機(jī)是一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。以太網(wǎng)交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（Store-Forward）技術(shù)或直通（Cut-Through）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)，也稱為交換式集線器。交換機(jī)和網(wǎng)橋的不同在于：交換機(jī)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(luò)整體性能增強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通網(wǎng)橋連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(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(duì)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(duì)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)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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2×10Mbps＝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。
　　交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)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)的分類

　　交換機(jī)的傳輸模式有全雙工，半雙工，全雙工/半雙工自適應(yīng)。
　　交換機(jī)的全雙工是指交換機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行，這好像我們平時(shí)打電話一樣，說話的同時(shí)也能夠聽到對(duì)方的聲音。交換機(jī)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(duì)應(yīng)的另一個(gè)概念，那就是“半雙工”，所謂半雙工就是指一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)動(dòng)作發(fā)生，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，一條窄窄的馬路，同時(shí)只能有一輛車通過，當(dāng)有兩輛車對(duì)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(gè)例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對(duì)講機(jī)、以及早期集線器等設(shè)備都是實(shí)行半雙工的產(chǎn)品。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，半雙工會(huì)逐漸退出歷史舞臺(tái)。
　　從廣義上來看，網(wǎng)絡(luò)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(tái)。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(jí)交換機(jī)、部門級(jí)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(jí)交換機(jī)都是機(jī)架式，部門級(jí)交換機(jī)可以是機(jī)架式（插槽數(shù)較少），也可以是固定配置式，而工作組級(jí)交換機(jī)為固定配置式（功能較為簡(jiǎn)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(jí)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(jí)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(jí)交換機(jī)。

交換機(jī)的幾種模式

　　人工交換
　　電信號(hào)交換的歷史應(yīng)當(dāng)追溯到電話出現(xiàn)的初期。當(dāng)電話被發(fā)明后，只需要一根足夠長的導(dǎo)線，加上末端的兩臺(tái)電話，就可以使相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)人進(jìn)行語音交談。
　　電話增多后，要使每個(gè)擁有電話的人都能相互通信，我們不可能每兩臺(tái)電話機(jī)之間有拉上一根線。于是人們?cè)O(shè)立了電話局，每個(gè)電話用戶都接一根線到電話局的一個(gè)大電路板上。當(dāng)A希望和B通話時(shí)，就請(qǐng)求電話局的接線員接通B的電話。接線員用一根導(dǎo)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(dāng)于臨時(shí)給A和B拉了一條電話線，這時(shí)雙方就可以通話了。當(dāng)通話完畢后，接線員將電線拆下，這就是“拆線”。整個(gè)過程就是“人工交換”，它實(shí)際上就是一個(gè)“合上開關(guān)”和“斷開開關(guān)”的過程。因此，把“交換”譯為“開關(guān)”從技術(shù)上講更容易讓人理解。
　　電路程控交換機(jī)
　　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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和開關(guān)電路技術(shù)的成熟，人們發(fā)現(xiàn)可以利用電子技術(shù)替代人工交換。電話終端用戶只要向電子設(shè)備發(fā)送一串電信號(hào)，電子設(shè)備就可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，將請(qǐng)求方和被請(qǐng)求方的電路接通，并且獨(dú)占此電路，不會(huì)與第三方共享（當(dāng)然，由于設(shè)計(jì)缺陷的緣故，可能會(huì)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(shè)備也就是“程控交換機(jī)”。
　　由于程控交換的技術(shù)長期被發(fā)達(dá)國家壟斷，設(shè)備昂貴，我國的電話普及率一直不高。隨著當(dāng)年華為、中興通訊等企業(yè)陸續(xù)自主研制出程控交換機(jī)，電話在我國得到迅速地普及。
　　目前，語音程控交換機(jī)普遍使用的通信協(xié)議為七號(hào)信令（SignallingSystemNo.7）
　　以太網(wǎng)交換機(jī)
　　隨著計(jì)算機(jī)及其互聯(lián)技術(shù)（也即通常所謂的“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”）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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。而以太網(wǎng)的核心部件就是以太網(wǎng)交換機(jī)。
　　不論是人工交換還是程控交換，都是為了傳輸語音信號(hào)，是需要獨(dú)占線路的“電路交換”。而以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，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(jī)為兩點(diǎn)間提供“獨(dú)享通路”的特性不會(huì)改變。就以太網(wǎng)設(shè)備而言，交換機(jī)和集線器的本質(zhì)區(qū)別就在于：當(dāng)A發(fā)信息給B時(shí)，如果通過集線器，則接入集線器的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都會(huì)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(huì)過濾掉不是發(fā)給本機(jī)的信息；而如果通過交換機(jī)，除非A通知交換機(jī)廣播，否則發(fā)給B的信息C絕不會(huì)收到（獲取交換機(jī)控制權(quán)限從而監(jiān)聽的情況除外）。
　　目前，以太網(wǎng)交換機(jī)廠商根據(jù)市場(chǎng)需求，推出了三層甚至四層交換機(jī)。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(shù)。目前所有的交換技術(shù)都是基于電信號(hào)的，即使是目前的光纖交換機(jī)也是先將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過交換處理后，再轉(zhuǎn)回光信號(hào)發(fā)到另一根光纖。由于光電轉(zhuǎn)換速率較低，同時(shí)電路的處理速度存在物理學(xué)上的瓶頸，因此人們希望設(shè)計(jì)出一種無需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的“光交換機(jī)”，其內(nèi)部不是電路而是光路，邏輯原件不是開關(guān)電路而是開關(guān)光路。這樣將大大提高交換機(jī)的處理速率。

交換機(jī)的功能

　　交換機(jī)的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流控。目前交換機(jī)還具備了一些新的功能，如對(duì)VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對(duì)鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。
　　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）。
　　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)的基本功能：
　　1、像集線器一樣，交換機(jī)提供了大量可供線纜連接的端口，這樣可以采用星型拓?fù)洳季€。
　　2、像中繼器、集線器和網(wǎng)橋那樣，當(dāng)它轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，交換機(jī)會(huì)重新產(chǎn)生一個(gè)不失真的方形電信號(hào)。
　　3、像網(wǎng)橋那樣，交換機(jī)在每個(gè)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(jī)將局域網(wǎng)分為多個(gè)沖突域，每個(gè)沖突域都是有獨(dú)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(jī)還提供了更先進(jìn)的功能，如虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和更高的性能。

交換方式

　　交換機(jī)通過以下三種方式進(jìn)行交換：
　　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(cè)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(chǔ)，延遲非常小、交換非?？?，這是它的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是，因?yàn)閿?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(cè)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)
　　存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)起來，然后進(jìn)行CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）檢查，在對(duì)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(chǔ)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(duì)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，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。
　　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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢。

交換機(jī)的應(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(shì)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(duì)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10Mbps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(duì)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(tái)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，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(jiǎn)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(shì)，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。