通通透透看交換機
2019-11-05 01:40:04
供稿：網友
交換的概念和原理
交換（switching）是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術統稱。廣義的交換機（switch）就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。
交換和交換機最早起源于電話通訊系統（PSTN），我們現在還能在老電影中看到這樣的場面：首長（主叫用戶）拿起話筒來一陣猛搖，局端是一排插滿線頭的機器，戴著耳麥的話務小姐接到連接要求后，把線頭插在相應的出口，為兩個用戶端建立起連接，直到通話結束。這個過程就是通過人工方式建立起來的交換。當然現在我們早已普及了程控交換機，交換的過程都是自動完成。
在計算機網絡系統中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當同一局域網內的A主機給B主機傳輸數據時，數據包在以HUB為架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端通過驗證數據包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網絡上只能傳輸一組數據幀的通訊，假如發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。
交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數據包以后，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC（網卡的硬件地址）的NIC（網卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學習”新的地址，并把它添加入內部地址表中。
使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照地址表，交換機只答應必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享沖突。
交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的網段，連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節點A向節點D發送數據時，節點B可同時向節點C發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網交換機，那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps＝20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。
總之，交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發數據包功能的網絡設備。交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址。
交換機的分類及功能
從廣義上來看，交換機分為兩種：廣域網交換機和局域網交換機。廣域網交換機主要應用于電信領域，提供通信用的基礎平臺。而局域網交換機則應用于局域網絡，用于連接終端設備，如PC機及網絡打印機等。從傳輸介質和傳輸速度上可分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環交換機等。從規模應用上又可分為企業級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是完全一致的，一般來講，企業級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式（插槽數較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應用的規模來看，作為骨干交換機時，支持500個信息點以上大型企業應用的交換機為企業級交換機，支持300個信息點以下中型企業的交換機為部門級交換機，而支持100個信息點以內的交換機為工作組級交換機。本文所介紹的交換機指的是局域網交換機。
交換機的主要功能包括物理編址、網絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流控。目前交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。
交換機除了能夠連接同種類型的網絡之外，還可以在不同類型的網絡（如以太網和快速以太網）之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支持快速以太網或FDDI等的高速連接端口，用于連接網絡中的其它交換機或者為帶寬占用量大的要害服務器提供附加帶寬。
一般來說，交換機的每個端口都用來連接一個獨立的網段，但是有時為了提供更快的接入速度，我們可以把一些重要的網絡計算機直接連接到交換機的端口上。這樣，網絡的要害服務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。
交換機的交換方式
交換機通過以下三種方式進行交換
1.直通式（Cut Through）
直通方式的以太網交換機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。它在輸入端口檢測到一個數據包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內部的動態查找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數據包直通到相應的端口，實現交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非?？欤@是它的優點。它的缺點是，因為數據包內容并沒有被以太網交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。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，而且輕易丟包。
2.存儲轉發（Store ＆ Forward）
存儲轉發方式是計算機網絡領域應用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數據包先存儲起來，然后進行CRC（循環冗余碼校驗）檢查，在對錯誤包處理后才取出數據包的目的地址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發方式在數據處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測，有效地改善網絡性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協同工作。
3.碎片隔離（Fragment Free）
這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查數據包的長度是否夠64個字節，假如小于64字節，說明是假包，則丟棄該包；假如大于64字節，則發送該包。這種方式也不提供數據校驗。它的數據處理速度比存儲轉發方式快，但比直通式慢。
交換機的應用
作為局域網的主要連接設備，以太網交換機成為應用普及最快的網絡設備之一。隨著交換技術的不斷發展，以太網交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。
假如你的以太網絡上擁有大量的用戶、繁忙的應用程序和各式各樣的服務器，而且你還未對網絡結構做出任何調整，那么整個網絡的性能可能會非常低。解決方法之一是在以太網上添加一個10/100Mbps的交換機，它不僅可以處理10Mbps的常規以太網數據流，而且還可以支持100Mbps的快速以太網連接。
假如網絡的利用率超過了40％，并且碰撞率大于10％，交換機可以幫你解決一點問題。帶有100Mbps快速以太網和10Mbps以太網端口的交換機可以全雙工方式運行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。
不僅不同網絡環境下交換機的作用各不相同，在同一網絡環境下添加新的交換機和增加現有交換機的交換端口對網絡的影響也不盡相同。充分了解和把握網絡的流量模式是能否發揮交換機作用的一個非常重要的因素。因為使用交換機的目的就是盡可能的減少和過濾網絡中的數據流量，所以假如網絡中的某臺交換機由于安裝位置設置不當，幾乎需要轉發接收到的所有數據包的話，交換機就無法發揮其優化網絡性能的作用，反而降低了數據的傳輸速度，增加了網絡延遲。
除安裝位置之外，假如在那些負載較小，信息量較低的網絡中也盲目添加交換機的話，同樣也可能起到負面影響。受數據包的處理時間、交換機的緩沖區大小以及需要重新生成新數據包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機更為理想。因此，我們不能一概認為交換機就比HUB有優勢，尤其當用戶的網絡并不擁擠，尚有很大的可利用空間時，使用HUB更能夠充分利用網絡的現有資源。
