交换机基础知识

1、交换机的基本概念

交换机英文名称为Switch，也称为交换式集线器,是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

2、交换机的工作特点：

拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵所有的端口都挂接在这条背板总线上控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC地址的网卡（NIC）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。

3、交换机的特性

与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能：

（1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。

（2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备 或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。

（3）虚拟网（Virtual LAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大 的灵活性。

（4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。客户机都需要访问服务器，这样就导致服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。

4、交换机的三个主要功能

（1）学习 以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

（2）转发/过滤 当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

（3）消除回路 当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

5、交换机交换模式

交换机将数据从一个端口转发至到另一个端口的处理方式称为交换模式。

交换模式类型：

存储转发（Store and Forward ）

直通交换（Cut—Through ）

碎片丢弃（Fragmentfree）

1）存储转发(Store and Forward)

特点：交换机接收到数据包后，首先将数据包存储到缓冲器中，进行CRC循环冗余校验,如果这个数据包有CRC错误，则该包将被丢弃；如果数据包完整，交换机查询地址映射表将其转发至相应的端口。

优点：没有残缺数据包转发，可减少潜在的不必要的数据转发缺点：转发速率比直接转发方式慢。

适用环境：存储转发技术适用于普通链路质量或质量较为恶劣的网络环境，这种方式要对数据包进行处理，所以，延迟和帧的大小有关。

2）直通交换(Cut—Through)

特点：交换机只读出数据帧的前6个字节，即通过地址映射表中查找目标地址，将数据帧传送到相应的端口上。直通交换能够实现较少的延迟，因为在数据帧的目的地址被读出，确定了转发端口后马上开始转发这个数据帧。

优点：转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率

缺点：会给整个交换网络带来许多垃圾通信包

适用环境：网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境，延迟时间跟帧的大小无关。

3）碎片丢弃（Fragmentfree）

特点：这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于等于64字节，则发送该包。

优点：数据处理速度比存储转发方式快

缺点：比直通式慢

适用环境：一般的通讯链路

6、交换机类型

交换机的接口是随着网络类型的变化和传输介质的发展而产生的不同的接口规格，主要有：

双绞线RJ-45接口

光纤接口

AUI接口与BNC

Console接口

FDDI接口

1）双绞线RJ-45接口

数量最多、应用最广的一种接口类型，它属于以太网接口类型。它不仅在最基本的10Base-T以太网网络中使用，还在目前主流的100Base-TX快速以太网和1000Base-TX千兆以太网中使用。

2）光纤接口

目前光纤传输介质发展相当迅速，各种光纤接口也是层出不穷，分别应用于100Base-FX、1000Base-FX等网络中。在局域网交换机中， SC类型是一种常见的光纤接口，SC接口的芯在接头里面，下图所示的是一款100Base-FX网络的SC光纤接口模块。

3）AUI接口

这是专门用于连接粗同轴电缆的，目前这种网络在局域网中已不多见。现在部分交换机保留了AUI接口。AUI接口是一个15针“D”形接口，类似于显示器接口。这种接口在其他网络设备中也可以见到，如路由器，甚至服务器中。下图中所示的是交换机上的AUI接口示意图。

4）BNC 接口

这是专门用于连接细同轴电缆的接口，目前提供这种接口的交换机比较少见。个别交换机保留BNC接口，主要是用于与细同轴电缆作为传输介质的令牌网络连接。下图是BNC接口的网卡。

5）Console接口

用于配置交换机而使用的接口。不同交换机的Console接受有所不同，有些与Cisco路由器一样采用RJ-45类型Console接口，而有的则采用串口作为Console接口。

6）FDDI接口

在早期的100Mbps时代，还有一种FDDI网络类型，即“光纤分布式数据接口”，其传输介质也是光纤，其接口类型如下图。目前由于它的优势不明显，已经很少见了。

7、交换机的连接方式

我们常见的网络都是多台网络设备连接在一起，我们来看交换机之间有哪些连接方式：

级联

冗余

堆叠

1）级联

级联是最常见的连接方式，即使用网线将两个交换机连接起来。有使用光纤介质连接和双绞线介质连接两种情况。

光纤介质连接：

直接连接的两个交换机端口要保证一致的光纤规格、端口速率，发送信号光纤端口与接收信号光纤端口相连。

双绞线介质连接：

分普通端口和使用Uplink端口级联两种情况。普通端口之间相连，使用交叉双绞线；一台交换机使用UPlink端口相连使用直通双绞线。

注意：目前有些交换机已实现智能判断，即使用交叉线或直通线均可在两台交换机之间建立连接。

2）冗余

SpanningTree冗余连接：工作方式是StandBy，一条链路在工作，其余链路处于待机(StandBy)状态，效率没有提高，可靠性提高。

PortTrunking连接：多条冗余连接链路实现负载分担。交换机之间联结带宽成倍提高，可靠性已得到增强。

3）堆叠

只有支持堆叠的交换之间才可进行堆叠，使用专用的堆叠线通过交换机上提供的堆叠接口使用一定的连接方式连接起来。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连实现的，并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。

堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理，也就是说，堆叠中所有的交换机从拓扑结构上可视为一个交换机。堆栈在一起的交换机可以当作一台交换机来统一管理。交换机堆叠技术采用了专门的管理模块和堆栈连接电缆，这样做的好处是，一方面增加了用户端口，能够在交换机之间建立一条较宽的宽带链路，这样每个实际使用的用户带宽就有可能更宽（只有在并不是所有端口都在使用情况下）。另一方面多个交换机能够作为一个大的交换机，便于统一管理。