淺析交換機工作原理

交換技術(shù)是一個(gè)具有簡(jiǎn)化、低價(jià)、高性能和高端口密集特點(diǎn)的交換產(chǎn)品，體現了橋接技術(shù)的復雜交換技術(shù)在OSI參考模型的第二層。  與橋接器一樣，交換機按每一個(gè)包中的MAC地址相對簡(jiǎn)單地決策信息轉發(fā)。而這種轉發(fā)決策一般不考慮包中隱藏的更深的其他信息。與橋接器不同的是交換機轉發(fā)延遲很小，接近單個(gè)局域網(wǎng)性能，遠遠超過(guò)了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )之間的轉發(fā)性能。

交換技術(shù)允許共享型和專(zhuān)用型的局域網(wǎng)段進(jìn)行帶寬調整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出現的瓶頸問(wèn)題?，F在已有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術(shù)的交換產(chǎn)品。

利用專(zhuān)門(mén)設計的集成電路可使交換機以線(xiàn)路速率在所有的端口并行轉發(fā)信息，提供了比傳統橋接器高得多的*作性能。專(zhuān)用集成電路技術(shù)使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運行，其端口造價(jià)低于傳統型橋接器。

二、三種交換技術(shù)

1．端口交換

端口交換技術(shù)最早出現在插槽式的集線(xiàn)器中，這類(lèi)集線(xiàn)器的背板通常劃分有多條以太網(wǎng)段（每條網(wǎng)段為一個(gè)廣播域），不用網(wǎng)橋或

模塊交換：將整個(gè)模塊進(jìn)行網(wǎng)段遷移。

端口組交換：通常模塊上的端口被劃分為若干組，每組端口允許進(jìn)行網(wǎng)段遷移。

端口級交換：支持每個(gè)端口在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行遷移。這種交換技術(shù)是基于OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優(yōu)點(diǎn)。如果配置得當，那么還可以在一定程度進(jìn)行客錯，但沒(méi)有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，自而未能稱(chēng)之為真正的交換。

2．幀交換

幀交換是目前應用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過(guò)對傳統傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行傳送的機制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來(lái)講每個(gè)公司的產(chǎn)品的實(shí)現技術(shù)均會(huì )有差異，但對網(wǎng)絡(luò )幀的處理方式一般有以下幾種：

直通交換：提供線(xiàn)速處理能力，交換機只讀出網(wǎng)絡(luò )幀的前14個(gè)字節，便將網(wǎng)絡(luò )幀傳送到相應的端口上。

存儲轉發(fā)：通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )幀的讀取進(jìn)行驗錯和控制。

前一種方法的交換速度非?？?，但缺乏對網(wǎng)絡(luò )幀進(jìn)行更高級的控制，缺乏智能性和安全性，同時(shí)也無(wú)法支持具有不同速率的端口的交換。因此，各廠(chǎng)商把后一種技術(shù)作為重點(diǎn)。

有的廠(chǎng)商甚至對網(wǎng)絡(luò )幀進(jìn)行分解，將幀分解成固定大小的信元，該信元處理極易用硬件實(shí)現，處理速度快，同時(shí)能夠完成高級控制功能（如美國MADGE公司的LET集線(xiàn)器）如優(yōu)先級控制。

3．信元交換

ATM技術(shù)代表了網(wǎng)絡(luò )和通訊技術(shù)發(fā)展的未來(lái)方向，也是解決目前網(wǎng)絡(luò )通信中眾多難題的一劑“良藥”，ATM采用固定長(cháng)度53個(gè)字節的信元交換。由于長(cháng)度固定，因而便于用硬件實(shí)現。ATM采用專(zhuān)用的非差別連接，并行運行，可以通過(guò)一個(gè)交換機同時(shí)建立多個(gè)節點(diǎn)，但并不會(huì )影響每個(gè)節點(diǎn)之間的通信能力。ATM還容許在源節點(diǎn)和目標、節點(diǎn)建立多個(gè)虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統計時(shí)分電路進(jìn)行復用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。

三、局域網(wǎng)交換機的種類(lèi)和選擇

局域網(wǎng)交換機根據使用的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以分為：

以大網(wǎng)交換機；

令牌環(huán)交換機；

FDDI交換機；

ATM交換機；

快速以太網(wǎng)交換機等。

如果按交換機應用領(lǐng)域來(lái)劃分，可分為：

臺式交換機；

工作組交換機；

主干交換機；

企業(yè)交換機；

分段交換機；

端口交換機；

網(wǎng)絡(luò )交換機等。

局域網(wǎng)交換機是組成網(wǎng)絡(luò )系統的核心設備。對用戶(hù)而言，局域網(wǎng)交換機最主要的指標是端口的配置、數據交換能力、包交換速度等因素。因此，在選擇交換機時(shí)要注意以下事項：

（1）交換端口的數量；

（2）交換端口的類(lèi)型；

（3）系統的擴充能力；

（4）主干線(xiàn)連接手段；

（5）交換機總交換能力；

（6）是否需要路由選擇能力；

（7）是否需要熱切換能力；

（8）是否需要容錯能力；

（9）能否與現有設備兼容，順利銜接；

（10）網(wǎng)絡(luò )管理能力。

四、交換機應用中幾個(gè)值得注意的問(wèn)題

1．交換機網(wǎng)絡(luò )中的瓶頸問(wèn)題

交換機本身的處理速度可以達到很高，用戶(hù)往往迷信廠(chǎng)商宣傳的Gbps級的高速背板。其實(shí)這是一種誤解，連接入網(wǎng)的工作站或服務(wù)器使用的網(wǎng)絡(luò )是以大網(wǎng)，它遵循CSMA／CD介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)規則。在當前的客戶(hù)／服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò )中多臺工作站會(huì )同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，因此非常容易形成服務(wù)器瓶頸。有的廠(chǎng)商已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，在交換機中設計了一個(gè)或多個(gè)高速端口（如3COM的Linkswitch1000可以配置一個(gè)或兩個(gè)100Mbps端口），方便用戶(hù)連接服務(wù)器或高速主干網(wǎng)。用戶(hù)也可以通過(guò)設計多臺服務(wù)器（進(jìn)行業(yè)務(wù)劃分）或追加多個(gè)網(wǎng)卡來(lái)消除瓶頸。交換機還可支持生成樹(shù)算法，方便用戶(hù)架構容錯的冗余連接。

2．網(wǎng)絡(luò )中的廣播幀

目前廣泛使用的網(wǎng)絡(luò )*作系統有Netware、Windows NT等，而Lan Server的服務(wù)器是通過(guò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò )廣播幀來(lái)向客戶(hù)機提供服務(wù)的。這類(lèi)局域網(wǎng)中廣播包的存在會(huì )大大降低交換機的效率，這時(shí)可以利用交換機的虛擬網(wǎng)功能（并非每種交換機都支持虛擬網(wǎng)）將廣播包限制在一定范圍內。

每臺文交換機的端口都支持一定數目的MAC地址，這樣交換機能夠“記憶”住該端口一組連接站點(diǎn)的情況，廠(chǎng)商提供的定位不同的交換機端口支持MAC數也不一樣，用戶(hù)使用時(shí)一定要注意交換機端口的連接端點(diǎn)數。如果超過(guò)廠(chǎng)商給定的MAC數，交換機接收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò )幀時(shí)，只有其目的站的MAC地址不存在于該交換機端口的MAC地址表中，那么該幀會(huì )

3．虛擬網(wǎng)的劃分

虛擬網(wǎng)是交換機的重要功能，通常虛擬網(wǎng)的實(shí)現形式有三種：

(1)靜態(tài)端口分配

靜態(tài)虛擬網(wǎng)的劃

分通常是網(wǎng)管人員使用網(wǎng)管軟件或直接設置交換機的端口，使其直接從屬某個(gè)虛擬網(wǎng)。這些端口一直保持這些從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設置。這種方法雖然比較麻煩，但比較安全，容易配置和維護。

（2）動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)

支持動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)的端口，可以借助智能管理軟件自動(dòng)確定它們的從屬。端口是通過(guò)借助網(wǎng)絡(luò )包的MAC地址、邏輯地址或協(xié)議類(lèi)型來(lái)確定虛擬網(wǎng)的從屬。當一網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)剛連接入網(wǎng)時(shí)，交換機端口還未分配，于是交換機通過(guò)讀取網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的MAC地址動(dòng)態(tài)地將該端口劃入某個(gè)虛擬網(wǎng)。這樣一旦網(wǎng)管人員配置好后，用戶(hù)的計算機可以靈活地改變交換機端口，而不會(huì )改變該用戶(hù)的虛擬網(wǎng)的從屬性，而且如果網(wǎng)絡(luò )中出現未定義的MAC地址，則可以向網(wǎng)管人員報警。

（3）多虛擬網(wǎng)端口配置

該配置支持一用戶(hù)或一端口可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)。這樣可以將一臺網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器配置成多個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)（每種業(yè)務(wù)設置成一個(gè)虛擬網(wǎng)）都可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，也可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)虛擬網(wǎng)的資源，還可讓多個(gè)虛擬網(wǎng)間的連接只需一個(gè)路由端口即可完成。但這樣會(huì )帶來(lái)安全上的隱患。虛擬網(wǎng)的業(yè)界規范正在制定當中，因而各個(gè)公司的產(chǎn)品還談不上互*作性。Cisco公司開(kāi)發(fā)了Inter－Switch Link（ISL）虛擬網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，該協(xié)議支持跨骨干網(wǎng)（ATM、FDDI、Fast Ethernet）的虛擬網(wǎng)。但該協(xié)議被指責為缺乏安全性上的考慮。傳統的計算機網(wǎng)絡(luò )中使用了大量的共享式Hub，通過(guò)靈活接入計算機端口也可以獲得好的效果。

4.高速局域網(wǎng)技術(shù)的應用

快速以太網(wǎng)技術(shù)雖然在某些方面與傳統以大網(wǎng)保持了很好的兼容性，但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX對傳輸距離和級連都有了比較大的限制。通過(guò)100Mbps的交換機可以打破這些局限。同時(shí)也只有交換機端口才可以支持雙工高速傳輸。

目前也出現了CDDI／FDDI的交換技術(shù)，另外該CDDI／FDDI的端口價(jià)格也呈下降趨勢，同時(shí)在傳輸距離和安全性方面也有比較大的優(yōu)勢，因此它是大型網(wǎng)絡(luò )骨干的一種比較好的選擇。

3COM的主要交換產(chǎn)品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交換產(chǎn)品有LattisSwitch2800，BAY stack workgroup、System3O00／5000（提供某些可選交換模塊）；Cisco的主要交換產(chǎn)品有Catalyst 1000／2000／3000／5000系列。

三家公司的產(chǎn)品形態(tài)看來(lái)都有相似之處，產(chǎn)品的價(jià)格也比較接近，除了設計中要考慮網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的具體需要（強調端口的搭配合理）外，還需從整體上考慮，例如網(wǎng)管、網(wǎng)絡(luò )應用等。隨著(zhù)ATM技術(shù)的發(fā)展和成熟以及市場(chǎng)競爭的加劇，幀交換機的價(jià)格將會(huì )進(jìn)一步下跌，它將成為工作組網(wǎng)的重要解決方案。