交换机

简介

　　交换机是一种存储转发设备。以太网交换机采用存储转发（Store-Forward）技术或直通（Cut-Through）技术来实现信息帧的转发，也称为交换式集线器。交换机和网桥的不同在于：交换机端口数较多，数据传输效率高，转发延迟很小，吞吐量大，丢失率低，网络整体性能增强，远远超过了普通网桥连接网络时的转发性能。一般用于互连相同类型的局域网，如以太网与以太网的互连。
　　交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，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（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）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。
　　使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps＝20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。
　　交换机是一种基于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。

交换机的分类

　　交换机的传输模式有全双工，半双工，全双工/半双工自适应。
　　交换机的全双工是指交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。交换机都支持全双工。全双工的好处在于迟延小，速度快。
　　提到全双工，就不能不提与之密切对应的另一个概念，那就是“半双工”，所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生，举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头儿后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是实行半双工的产品。随着技术的不断进步，半双工会逐渐退出历史舞台。
　　从广义上来看，网络交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。

交换机的几种模式

　　人工交换
　　电信号交换的历史应当追溯到电话出现的初期。当电话被发明后，只需要一根足够长的导线，加上末端的两台电话，就可以使相距很远的两个人进行语音交谈。
　　电话增多后，要使每个拥有电话的人都能相互通信，我们不可能每两台电话机之间有拉上一根线。于是人们设立了电话局，每个电话用户都接一根线到电话局的一个大电路板上。当A希望和B通话时，就请求电话局的接线员接通B的电话。接线员用一根导线，一头插在A接到电路板上的孔，另一头插到B的孔，这就是“接续”，相当于临时给A和B拉了一条电话线，这时双方就可以通话了。当通话完毕后，接线员将电线拆下，这就是“拆线”。整个过程就是“人工交换”，它实际上就是一个“合上开关”和“断开开关”的过程。因此，把“交换”译为“开关”从技术上讲更容易让人理解。
　　电路程控交换机
　　人工交换的效率太低，不能满足大规模部署电话的需要。随着半导体技术的发展和开关电路技术的成熟，人们发现可以利用电子技术替代人工交换。电话终端用户只要向电子设备发送一串电信号，电子设备就可以根据预先设定的程序，将请求方和被请求方的电路接通，并且独占此电路，不会与第三方共享（当然，由于设计缺陷的缘故，可能会出现多人共享电路的情况，也就是俗称的“串线”）。这种交换方式被称为“程控交换”。而这种设备也就是“程控交换机”。
　　由于程控交换的技术长期被发达国家垄断，设备昂贵，我国的电话普及率一直不高。随着当年华为、中兴通讯等企业陆续自主研制出程控交换机，电话在我国得到迅速地普及。
　　目前，语音程控交换机普遍使用的通信协议为七号信令（SignallingSystemNo.7）
　　以太网交换机
　　随着计算机及其互联技术（也即通常所谓的“网络技术”）的迅速发展，以太网成为了迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。而以太网的核心部件就是以太网交换机。
　　不论是人工交换还是程控交换，都是为了传输语音信号，是需要独占线路的“电路交换”。而以太网是一种计算机网络，需要传输的是数据，因此采用的是“包交换”。但无论采取哪种交换方式，交换机为两点间提供“独享通路”的特性不会改变。就以太网设备而言，交换机和集线器的本质区别就在于：当A发信息给B时，如果通过集线器，则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息（也就是以广播形式发送），只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息；而如果通过交换机，除非A通知交换机广播，否则发给B的信息C绝不会收到（获取交换机控制权限从而监听的情况除外）。
　　目前，以太网交换机厂商根据市场需求，推出了三层甚至四层交换机。但无论如何，其核心功能仍是二层的以太网数据包交换，只是带有了一定的处理IP层甚至更高层数据包的能力。
　　光交换
　　光交换是人们正在研制的下一代交换技术。目前所有的交换技术都是基于电信号的，即使是目前的光纤交换机也是先将光信号转为电信号，经过交换处理后，再转回光信号发到另一根光纤。由于光电转换速率较低，同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈，因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”，其内部不是电路而是光路，逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。

交换机的功能

　　交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。
　　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。
　　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）。
　　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。
　　交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。
　　一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。
　　交换机的基本功能：
　　1、像集线器一样，交换机提供了大量可供线缆连接的端口，这样可以采用星型拓扑布线。
　　2、像中继器、集线器和网桥那样，当它转发帧时，交换机会重新产生一个不失真的方形电信号。
　　3、像网桥那样，交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑。
　　4、像网桥那样，交换机将局域网分为多个冲突域，每个冲突域都是有独立的宽带，因此大大提高了局域网的带宽。
　　5、除了具有网桥、集线器和中继器的功能以外，交换机还提供了更先进的功能，如虚拟局域网（VLAN）和更高的性能。

交换方式

　　交换机通过以下三种方式进行交换：
　　直通式
　　直通方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。它的缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。
　　存储转发
　　存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。
　　碎片隔离
　　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64字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

交换机的应用

　　作为局域网的主要连接设备，以太网交换机成为应用普及最快的网络设备之一。随着交换技术的不断发展，以太网交换机的价格急剧下降，交换到桌面已是大势所趋。
　　如果你的以太网络上拥有大量的用户、繁忙的应用程序和各式各样的服务器，而且你还未对网络结构做出任何调整，那么整个网络的性能可能会非常低。解决方法之一是在以太网上添加一个10/100Mbps的交换机，它不仅可以处理10Mbps的常规以太网数据流，而且还可以支持100Mbps的快速以太网连接。
　　如果网络的利用率超过了40％，并且碰撞率大于10％，交换机可以帮你解决一点问题。带有100Mbps快速以太网和10Mbps以太网端口的交换机可以全双工方式运行，可以建立起专用的20Mbps到200Mbps连接。
　　不仅不同网络环境下交换机的作用各不相同，在同一网络环境下添加新的交换机和增加现有交换机的交换端口对网络的影响也不尽相同。充分了解和掌握网络的流量模式是能否发挥交换机作用的一个非常重要的因素。因为使用交换机的目的就是尽可能的减少和过滤网络中的数据流量，所以如果网络中的某台交换机由于安装位置设置不当，几乎需要转发接收到的所有数据包的话，交换机就无法发挥其优化网络性能的作用，反而降低了数据的传输速度，增加了网络延迟。
　　除安装位置之外，如果在那些负载较小，信息量较低的网络中也盲目添加交换机的话，同样也可能起到负面影响。受数据包的处理时间、交换机的缓冲区大小以及需要重新生成新数据包等因素的影响，在这种情况下使用简单的HUB要比交换机更为理想。因此，我们不能一概认为交换机就比HUB有优势，尤其当用户的网络并不拥挤，尚有很大的可利用空间时，使用HUB更能够充分利用网络的现有资源。