交换机基础

交换机英文名称为Switch，也称为交换式集线器，它是一种基于MAC地址(网卡的硬件标志)识别，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。其工作原理可以简单地描述为“存储转发”四个字，比如有两台计算机(A和B)通过交换机来连接，如果A要向B传输数据，交换机首先可以将连接到A端口发送的信息先储存下来，然后查找交换机内的MAC地址列表，每一个MAC地址对应一台计算机，找到后会与B之间架起一条临时的专用数据通道，并将数据发送到B中(见图)。因为交换机支持“全双工”模式，所以B在接收A发送数据的同时，还可以向A或其他的计算机发送数据。如果在MAC地址中没有B的地址信息，那么交换机可以通过“MAC地址学习”功能将连接到自身的B计算机MAC地址记住，形成一个节点与MAC地址的对应表。
　　
　　目前，市场上可供选择的交换机种类比较多，按端口可以分为5口、8口、16口以及24口等交换机;按端口的传输速率可以分为10Mbps交换机、100Mbps交换机、10Mbps/100Mbps自适应交换机、10Mbps/100Mbps/1000Mbps自适应交换机以及1000Mbps交换机等。下面让我们来了解一下交换机的各种性能参数。
　　
　　IEEE 802.3系列标准:IEEE 802.3标准是指以太网标准，定义的传输速率为10Mbps;而IEEE 802.3u标准是指快速以太网标准，定义的传输速率为100Mbps;IEEE 802.3ab标准是千兆以太网(非屏蔽双绞线)标准，定义的传输速率为1000Mbps;IEEE 802.3x标准一般指流量控制标准，通过该标准可以控制以太网主机的流量，确保高峰通信速率期间的高吞吐量、全双工链路上不会丢失通信。购买的交换机产品一般都遵循IEEE 802.3系列标准中的多个标准。
　　
　　交换方式:是指交换机传输数据的方式，比如主流的交换方式就是存储转发(Store and Forward)，该方式是交换机在接收到全部数据包后再转发。另外，还有直通交换方式(Cut Through)，该交换机方式是在交换机收到整个数据包之前就已经开始转发数据。
　　
　　包转发率:是指交换机转发数据包的速度，单位一般为pps(包每秒)，一般交换机的包转发率在几十kpps到几百kpps不等，包转发率越大网速越快。全双工与半双工以及端口不同传输速率的包转发率都是不同的。
　　
　　背板带宽:是指交换机接口处理器和数据总线之间所能吞吐的最大数据量，背板带宽越宽越好，它是衡量交换机数据处理能力的关键指标之一。目前，一般5口和8口桌面交换机的背板带宽在1Gbps～3.2Gbps之间，专业交换机的背板带宽更高，比如一般的千兆交换机背板带宽可以达到8.8Gbps。
　　
　　VLAN:全称Virtual Local Area Network(虚拟局域网)，通过交换机的VLAN功能可以将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段(或者说是更小的局域网)，从而实现虚拟工作组的数据交换技术。通过VLAN还可以防止局域网产生广播效应，加强网段之间的管理和安全性。
　　
　　堆叠:是指通过专用的连接电缆将两台或多台交换机相互连接起来，比如要连接两台交换机，可以从一台堆叠交换机的UP堆叠端口直接连接到另一台堆叠交换机的DOWN堆叠端口，以实现单台交换机端口数的扩充。
　　
　　提示:在选购交换机的时候，主要注意交换机支持的标准和协议、端口、传输介质、交换方式、包转发率、背板带宽等，对于企业级的交换机，还需要注意是否支持VLAN以及堆叠等功能。

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许多新型的Client／Server应用程序以及多媒体技术的出现，导致了传统的共享式网络远远不能满足要求，这也就推动了局域网交换机的出现。

　　一、交换机的定义

　　局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。

　　为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。

　　为了实现交换机之间的互连或与高档服务器的连接，局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口，如100M以太网端口、FDDI端口或155M ATM端口，从而保证整个网络的传输性能。

　　二、交换机的特性

　　通过集线器共享局域网的用户不仅是共享带宽，而且是竞争带宽。可能由于个别用户需要更多的带宽而导致其他用户的可用带宽相对减少，甚至被迫等待，因而也就耽误了通信和信息处理。

　　利用交换机的网络微分段技术，可以将一个大型的共享式局域网的用户分成许多独立的网段，减少竞争带宽的用户数量，增加每个用户的可用带宽，从而缓解共享网络的拥挤状况。

　　由于交换机可以将信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和带宽，能保护用户以前在介质方面的投资，并提供良好的可扩展性，因此交换机不但是网桥的理想替代物，而且是集线器的理想替代物。

　　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，有效地解决拥挤现像。这种方法人们称之为网络微分段（Micro一segmentation）技术。

　　（3）虚拟网（VirtuaI 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。我们将在后面专门介绍虚拟网。

　　（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。

　　交换机就主要从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足用户的要求。

　　一些高档的交换机还采用全双工技术进一步提高端口的带宽。以前的网络设备基本上都是采用半双工的工作方式，即当一台主机发送数据包的时候，它就不能接收数据包，当接收数据包的时候，就不能发送数据包。

　　由于采用全双工技术，即主机在发送数据包的同时，还可以接收数据包，普通的10M端口就可以变成20M端口，普通的100M端口就可以变成200M 端口，这样就进一步提高了信息吞吐量。

　　三、交换机的工作原理

　　传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层）交换机。

　　把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。

　　交换机（二层交换）的工作原理

　　交换机和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。所有端口由专用处理器进行控制，并经过控制管理总线转发信息。

　　同时可以用专门的网管软件进行集中管理。

　　除此之外，交换机为了提高数据交换的速度和效率，一般支持多种方式。

　　（1）存储转发：

　　所有常规网桥都使用这种方法。

　　它们在将数据帧发柱其他端口之前，要把收到的帧完全存储在内部的存储器中，对其检验后再发往其他端口，这样其延时等于接收一个完整的数据帧的时间及处理时间的总和。

　　如果级联很长时，会导致严重的性能问题，但这种方法可以过滤掉错误的数据帧。

　　（2）切入法：

　　这种方法只检验数据帧的目标地址，这使得数据帧几乎马上就可以传出去，从而大大降低延时。

　　其缺点是：

　　错误帧也会被传出去。错误帧的概率较小的情况下，可以采用切入法以提高传输速度。而错误帧的概率较大的情况下，可以采用存储转发法／以减少错误帧的重传。

四、交换机的配置

　　我们下面以Cisco公司的Catlystl900交换机为例，介绍交换机的一般配置过程。

　　对一台新的Catlystl900交换机，使用它的缺省配置就可以工作了。这因为它是一种将软件装在FlashMemory中的硬件设备，当加电时，它首先要进行一系列自检，对所有端口进行测试之后，交换机就处于工作状态。

　　这时它的交换表是空的，它可以通过自学习来了解各个端口的设备连接情况，并将设备的 MAC地址记录在交换表中，当有信息交换时，交换机就根据交换表来进行数据转发。

　　但为了便于对它进行网络管理，Catlystl900交换机自己有一个MAC地址，这样就可以为它分配一个IP地址和屏蔽码。网络管理员须通过交换机的串口接一台终端或仿真终端，才能为它指定一个IP地址，其缺省值是0．0．0．0。指定IP地址以后，网络管理员就可以通过网络进行远程管理了。Catlystl900交换机的配置界面是菜单形式，缺省配置下，它的所有端口都属于同一个VLAN，很多情况下都不需要作什么修改。

　　（1）将微机串口通过RS一232电缆与Cata1yst1900的Console口连接，运行仿真终端软件，Catalyst 1900 启动后。

　　（2）回车后，进入主菜单：

　　（3）按“S”键，进入系统配置菜单：（配置系统名，位置，日期）

 

　　（4）在主菜单中按“N”键进入网络管理菜单

　　（5）配置IP地置

　　（6）配置SNMP参数

　　五、交换机的种类

　　交换机是数据链路层设备，它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上，与网络类似交换机传输和溢出也是基于MAC地址的传输。由于交换机是用硬件实现的，因此，传输速度很快。传输数据包时，交换机要么使用存储---转发交换方式，要么使用断---通交换方式。目前有许多类型的交换机，其中包括ATM交换机，LAN交换机和不同类型的WAN交换机。

　　ATM交换机

　　ATM（Asynchronous Transfer Mode）交换机为工作组，企业网络中枢以及其它众多领域提供了高速交换信息和可伸缩带宽的能力。ATM交换机支持语音，视频和文本数据应用，并可用来交换固定长度的信息单位（有时也称元素）。企业网络是通过ATM中枢链路连接多个LAN组成的。

　　局域网交换机

　　LAN交换机用于多LAN网段的相互连接，它在网络设备之间进行专用的无冲突的通信，同时支持多个设备间的对话。LAN交换机主要是用于高速交换数据帧。通过LAN交换机将一个0Mbps以太网与一个100Mbps 以太网互联