交换机工作原理

                    交换机工作原理  2009.05.12
一、概述
1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与桥接器一样，交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。
交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的操作性能。如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包，可提供14880bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps／道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。

二、三种交换技术
1．端口交换
端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：
·模块交换：将整个模块进行网段迁移。
·端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。
·端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于
OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在一定程度进行客错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。
2．帧交换
帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：
·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。
·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。
前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能（如美国MADGE公司的LET集线器），如优先级控制。
3．信元交换
ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。

三、局域网交换机的种类和选择
局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：
·以大网交换机；
·令牌环交换机；
·FDDI交换机；
·ATM交换机；
·快速以太网交换机等。
如果按交换机应用领域来划分，可分为：
·台式交换机；
·工作组交换机；
·主干交换机；
·企业交换机；
·分段交换机；
·端口交换机；
·网络交换机等。
局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意以下事项：
（1）交换端口的数量；
（2）交换端口的类型；
（3）系统的扩充能力；
（4）主干线连接手段；
（5）交换机总交换能力；
（6）是否需要路由选择能力；
（7）是否需要热切换能力；
（8）是否需要容错能力；
（9）能否与现有设备兼容，顺利衔接；
（10）网络管理能力。
四、交换机应用中几个值得注意的问题
1．交换机网络中的瓶颈问题
交换机本身的处理速度可以达到很高，用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解，连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网，它遵循CSMA／CD介质访问规则。在当前的客户／服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口（如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口），方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法，方便用户架构容错的冗余连接。
2．网络中的广播帧
目前广泛使用的网络操作系统有Netware、Windows NT等，而Lan Server的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率，这时可以利用交换机的虚拟网功能（并非每种交换机都支持虚拟网）将广播包限制在一定范围内。
每台文交换机的端口都支持一定数目的MAC地址，这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况，厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC数也不一样，用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的MAC数，交换机接收到一个网络帧时，只有其目的站的MAC地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中，那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。
3．虚拟网的划分
虚拟网是交换机的重要功能，通常虚拟网的实现形式有三种：
(1) 静态端口分配
静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。
(2) 动态虚拟网
支持动态虚拟网的端口，可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时，交换机端口还未分配，于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟网的从属性，而且如果网络中出现未定义的MAC地址，则可以向网管人员报警。
(3) 多虚拟网端口配置
该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门（每种业务设置成一个虚拟网）都可同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中，因而各个公司的产品还谈不上互操作性。Cisco公司开发了Inter－Switch Link（ISL）虚拟网络协议，该协议支持跨骨干网（ATM、FDDI、Fast、Ethernet）的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式Hub，通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。
4. 高速局域网技术的应用
快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性，但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过100Mbps的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。
目前也出现了CDDI／FDDI的交换技术，另外该CDDI／FDDI的端口价格也呈下降趋势，同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势，因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。3COM的主要交换产品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交换产品有LattisSwitch2800，BAY tack workgroup、System3O00／5000（提供某些可选交换模块）；Cisco的主要交换产品有Catalyst 1000／2000／3000／5000系列。三家公司的产品形态看来都有相似之处，产品的价格也比较接近，除了设计中要考虑网络环境的具体需要（强调端口的搭配合理）外，还需从整体上考虑，例如网管、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧，帧交换机的价格将会进一步下跌，它将成为工作组网的重要解决方案。

 

局域网交换机如何选
在现代网络设计中，通过使用以太交换机可显著地提高整个用户网络的应用性能，为此交换机也愈来愈受到更多网络 用户的青睐。交换机设备除了在速度上给网络用户带来优势外，还可以比传统的网络共享设备提供更多的功能。随着交换机市 场竞争的愈趋激烈，交换设备的价格亦更加能为用户所接受。在国际市场上，交换机已经迅速代替集线器，成为用户构造网络 时的首选。
10/100Mbps的交换机是目前国际市场上流行的网络设备。它不仅能提高整体网络速度，同时还能够与原有 网络上旧的10Mbps设备兼容，使旧的10Mbps以太网设备无缝集成到100Mbps快速以太网内。10/100 Mbps网卡的迅速普及，使快速以太网的技术应用到工作组中以至于桌面设备上。自适应的10/100Mbps交换机能 够同时支持10Mbps或100Mbps的连接，这使得10/100Mbps的交换机成为中小型企业在需要支持混合新 旧技术的网络中一个理想的选择。据国外统计，10/100Mbps交换机的销量将由1998年的2100万端口增加到 今年的4700万端口。按端口数计算，会占到70%的以太网设备。
由于工作组和桌面设备对10/100Mbps交换设备需求的增加，这使得骨干网要能提供更高的速度。千兆以太 网技术的迅速成熟和市场化，使其成为企业骨干网的理想技术选择。千兆以太网不仅能提供适于网络不断扩展的带宽需要，同 时它也能平滑的和企业原有的以太网，快速以太网设备相结合。据专门的市场预测，千兆以太网的交换市场将由1998年的 22万端口增长到今年的180万端口。大部分千兆以太网的设备将用来取代目前很多用户干网中使用的FDDI网络设备。 因此，用户在选择桌面及工作组交换机设备时考察该交换机是否可提供千兆位联接选择，该设备的背板交换速率、帧转发速率 、缓存空间指标，将成为保护其网络设备投资，使其网络适于将来大数据量传输的重要因素。
今年以来，各网络产品公司纷纷推出交换机产品，国内市场交换机的价格也越来越为用户所接受。但是，众多的品牌 和系列产品也给用户带来了一定的选择困难。到底采用什么样的设备既能提高网络性能，又可以保护投资恐怕是困扰很多网络 管理人员的一个问题。最近，我们对美国安奈特(AlliedTelesynInternational)公司新上市的 两个系列交换机产品AT-8200XL和AT-8300系列进行了试验比较。最近安奈特中国公司将其在中国市场的产品 线由原来单纯的广域网产品扩展到今天广域网、局域网及光纤变频器等全线产品。AT-8200XL和AT-8300这两 个系列交换机作为安奈特中国公司首先推向国内市场的局域网产品，其份量的确不轻。
AT-8200XL和AT-8300这两个系列交换机均为10/100Mbps自适应，具有网管功能，并支持 多至两个的可选千兆位上行链路模块。两个系列的唯一区别在于AT-8300系列全部支持堆叠，可以堆叠多至8层。AT -8300系列在使用堆叠模块AT-STACK8交换矩阵的情况下，每层能做到1.328Gbps的带宽，捆绑后的能 力可以到4Gbps的连接。很简单的在一个IP设备上支持多达192个端口，对于网络管理员来说是轻松了很多。这对于 既要求高端口密度，又要求速度的网络用户来说，无疑是非常理想的选择。而AT-8200XL系列则不支持堆叠，对于不 要求堆叠的用户，这是非常经济的选择。由于可靠性和距离的因素，光纤在局域网中作为骨干的运用越来越广泛，传统的光纤 产品一般使用ST或SC全双工接口。但这两种接口占用交换机面板面积比较大，使用时较麻烦（需要有一对）。随着新技术 的应用，市场上出现了新型的MT-RJ和VF-45光纤接口。这两种接口比传统的ST/SC接口小一半，可以在一个设 备上提高端口密度。我们看到，这次安奈特的两个系列交换机中，已经推出了业届领先的新型的MT-RJ和VF-45光纤 接口的产品。这两个系列交换机背板交换速率为16Gbps，帧转发率能达到950万pps。
AT-8200XL和AT-8300系列以太网交换机为用户提供最佳的性能和最丰富的功能。其端口缓存高于目 前市场上同类交换机产品所支持的指标，从而可解决目前某些网络在数据流量增大时严重丢帧的问题。由于采用最先进的硬件 平台和高度集成的ASIC技术，AT-8200XL和AT-8300系列能达到全线速数据包交换——200Mbps带 宽和全双工模式。这两个系列每款产品均有两个扩展插槽。扩展槽能使用千兆位级连模块，100兆光纤模块，10/100 兆铜缆模块等，用户可以灵活任意组合使用这些模块。千兆位模块包括LX和SX版本。２端口的100FX光纤模块不仅有 传统的SC全双工接口，还有新的MT-RJ和VF-45光纤接口。
此外，在这两个系列产品种，16端口型号除了铜缆或光纤的版本外还包括有两个混合介质版本。同时也有48v电 压版本。AT-8288XL则包括8个100TX端口，8个100FX端口（SC/MT-RJ）。AT-D8224X L是48v电压版本，主要客户面向电信运营商。（电信运营商要求在断电后，后备电源尽可能支持较长时间。）可以说，安奈特公司的这两个系列产品可运用的领域还是非常广的。

 

以太网交换机的参数剖析
交换机（Switch）性能的好坏将直接影响到整个网络，因此了解一下交换机参数不仅是必要的，更有助于您更好地作出符合实际需要的选择。目前，ATM交换机的价格居高不下，并且主要应用在大型网络的骨干网或者广域网中，所以，我们将讨论的重点集中在以太网交换机的参数剖析。

背板带宽与端口速率的选择
交换机的端口速率已经从10M、100M提高到现在的1000M，已经有人提出了兆兆位交换机的概念。从目前网络应用的热点来看，10兆交换机已经淡出市场。另外，由于10/100兆自适应网卡的价格大幅降低，使用户能够在桌面上享受到快速以太网技术，进而越来越多的用户在主干上将使用千兆以太网交换技术。1000M交换机一般应用在大型网络的骨干网中，与ATM一样，为用户提供高速的主干带宽。100M交换机将在中小型网络的主干中发挥作用，或者在大型网络中扮演二级交换机的角色。
对于100M交换机来说，还有一种常见的参数是速率的自动适配，即交换机的端口速率可以与网卡匹配，决定是以10M速率还是以100M速率连接。
虽然端口速率很重要，但是，影响交换速度的因素除了端口每秒吞吐多少数据包的能力外，还有：（1）背板带宽：当然是越宽越好，它将为您的交换机在高负荷下提供高速交换；（2）包转发率：即交换机每秒转发数据包的数量。

交换方式
我们知道，交换机将每一个端口都挂在一条带宽很高的背板总线（Core Bus）上，背板总线与交换引擎（Switch Engining）相连，由端口进来的封装数据包经背板总线进入交换引擎。交换机通过三种方式进行数据包的交换：
Cut through：封装数据包进入交换引擎后，在规定时间内丢到背板总线上，再送到目的端口，这种交换方式交换速度快，但容易出现丢包现象；
Store ＆ Forward：封装数据包进入交换引擎后被存在一个缓冲区，由交换引擎转发到背板总线上，这种交换方式克服了丢包现象，但降低了交换速度；
Fragment Free：介于上述两者之间的一种解决方案。
当然，不是所有的交换机都支持上述三种交换方式，有些交换机只支持前面两种交换方式，并不支持Fragment Free。

模块化还是固定配置？
目前，市场上的交换机从设计理念上讲只有两种：一种是机箱式交换机（也称为模块化交换机），另一种是独立式固定配置交换机。
机箱式交换机最大的特色就是具有很强的可扩展性，它能提供一系列扩展模块，诸如千兆以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。它最大的缺点就是价格昂贵。机箱式交换机一般作为骨干交换机来使用。
固定配置交换机，一般具有固定端口的配置，比如Cisco的Catalyst 1900/ 2900交换机，3Com的SuperStack Ⅱ系列，Bay的BayStack 350/ 450交换机等。固定配置交换机的可扩充性显然不如机箱式交换机，但是成本却要低得多。
所以，在选择交换机时应按照需要和经费来综合考虑是到底购买机箱式还是固定配置的交换机。一般来说，大型网络的中心交换机应考虑其扩充性和冗余性，适合采用机箱式交换机；而二级交换机或者中小型网络的主干则可采用简单明了的独立式交换机。

专用芯片与通用芯片
一台交换机实际上就是一台计算机，因此也有自己的处理器（CPU）。在100M/1000M交换机中，处理器的任务十分繁重。有些交换机的生产厂商，采用通用的CPU芯片，由于通用CPU芯片不是专为交换机设计的，所以工作效率比较低，如果多个端口同时工作，则会引起丢包、堵塞等状况发生。
大多数交换机生产厂商，采用自己专门设计的ASIC芯片。这种芯片由于是针对交换机而设计的，效率比较高。所以，在选用交换机时，要特别注意交换机是否采用了ASIC专用芯片。

您需要哪一种VLAN？
为了减少碰撞和广播风暴、增强安全性，用户通常要求交换机具有划分VLAN功能，也就是说，在交换机上实现划分子网。VLAN是一组可以互换单一播送数据包的交换机上的端口。当一个数据包从一个属于某VLAN的端口进行广播时，交换机收到数据包，然后将它拷贝到这一VLAN所包括的所有端口上。
一般来说，不同VLAN之间是不能互相通信的，但是有些交换机支持一个端口既可以属于这个VLAN，又可以属于另外一个VLAN。
一些交换机依赖于附加的用于交换机之间进行VLAN信息通信的协议，允许一个VLAN跨越到多台交换机的端口上。
VLAN的划分方式通常有如下几种：最早的VLAN划分是基于端口（Port Based ）的，即通过端口来划分VLAN；现在的交换机还支持通过MAC地址（MAC Based ）和IP地址（Protocol Based ）来划分VLAN；一些较新的交换机，还可以通过策略服务(Policy Servie)来管理VLAN，进一步简化了VLAN的划分和管理。
大部分交换机VLAN都遵循IEEE 802.1Q标准，有些交换机则遵循CGMP （Cisco Group Management Protocol）专有标准。

第三层交换还是第四层交换?
用户在第二层交换机上划分子网（VLAN），其子网之间的通信有赖于路由器的沟通，这就是传统网络的做法。路由器的低效率和大时延使之成为网络流量的瓶颈。于是一种同时具有第二层交换机和第三层路由器功能，并且其时延大大小于传统路由器的全新设备应运而生了。这就是第三层交换机。第三层交换机适用在有多个子网而不同的子网之间需要互通的场合，例如大型企业网或者校园网的骨干交换机。
值得一提的是，第三层交换的实现技术目前还没有公认的标准，不同的厂商有不同的作法，例如：ATM论坛的MPOA、3Com的Fast IP、Cisco的Tag Switch、Ascend的IP Navigator等，当然，还有极具发展潜力的MPLS。
有些第三层交换机具有通过辨别第四层协议端口的能力，有人就将其称为第四层交换机。从根本上来说，第四层交换实际上就是一种第三层交换，不过是有一些增值的软件。第四层交换实际上不在传输层上工作，它还是在第三层上进行交换操作，只不过是对第三层交换更加敏感而已。

交换机之间的连接
需要交换机之间互相连接吗？有人认为用一根交叉的双绞线（1、2和3、6对调）将它们连接起来就万事大吉了，其实不然，交换机之间的连接还要考虑冗余和因此引起的带宽瓶颈问题。

冗余连接突破瓶颈
我们知道，在以太网环境下是不允许出现环路的，生成树（Spanning Tree）则可以在交换机之间实现冗余连接又避免出现环路。当然，这要求交换机支持Spanning Tree。
不过，Spanning Tree冗余连接的工作方式是Stand By，也就是说，除了一条链路工作外，其余链路实际上是处于待机（Stand By）状态，这显然影响传输的效率。一些最新的技术，例如FEC（Fast Ethernet Channel）、ALB（Advanced Load Balancing）和Port Trunking 技术，则可以允许每条冗余连接链路实现负载分担。其中FEC和ALB技术是用来实现交换机与服务器之间的连接（Server to Switch），而Port Trunking技术则是实现交换机之间的连接（Switch to Switch）。通过Port Trunking的冗余连接，交换机之间可以实现几倍于线速带宽的连接。

堆叠
提供堆叠接口的交换机之间可以通过专用的堆叠线连接起来。通常，堆叠的带宽是交换机端口速率的几十倍，例如，一台100M交换机，堆叠后两台交换机之间的带宽可以达到几百兆甚至上千兆。多台交换机的堆叠是靠一个提供背板总线带宽的多口堆叠母模块与单口的堆叠子模块相联实现的，并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。 上联 交换机可以通过上联端口实现与骨干交换机的连接。例如，一台具有24个10M和1个100M端口的交换机，就可以通过100M端口与100M主干交换机实现100M速率的连接。
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