網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)(13)交換機技術(shù)及選購.doc

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)(13)交換機技術(shù)及選購作者：佚名/pcjob/nettech/other/others/0511/721492.html要正確理解交換機的工作原理以及其優(yōu)越性，就不能不提到交換機的一些主流交換技術(shù)，正是在這些交換技術(shù)基礎(chǔ)上，交換機才實現(xiàn)了比集線器更好地性能，為此本篇介紹幾個主流的交換技術(shù)，隨后在本篇最后將介紹交換機選購時的一些注意事項，幫助大家正確選購。一、交換機的交換方式目前交換機在傳送源和目的端口的數(shù)據(jù)包時通常采用直通式交換、存儲轉(zhuǎn)發(fā)式和碎片隔離方式三種數(shù)據(jù)包交換方式，下面分別簡述。1、直通交換方式采用直通交換方式的以太網(wǎng)交換機可以理解為在各端口間是縱橫交*的線路矩陣電話交換機。它在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，在輸入與輸出交*處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，實現(xiàn)交換功能。由于它只檢查數(shù)據(jù)包的包頭（通常只檢查14個字節(jié)），不需要存儲，所以切入方式具有延遲小，交換速度快的優(yōu)點（所謂延遲（Latency）是指數(shù)據(jù)包進入一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到離開該設(shè)備所花的時間）。它的缺點主要有三個方面：一是因為數(shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力；第二，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，而且容易丟包。如果要連到高速網(wǎng)絡(luò)上，如提供快速以太網(wǎng)（100BASET）、FDDI或ATM連接，就不能簡單地將輸入輸出端口“接通”，因為輸入輸出端口間有速度上的差異，必須提供緩存；第三，當(dāng)以太網(wǎng)交換機的端口增加時，交換矩陣變得越來越復(fù)雜，實現(xiàn)起來就越困難。2、存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)（Store and Forward）是計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域使用得最為廣泛的技術(shù)之一，以太網(wǎng)交換機的控制器先將輸入端口到來的數(shù)據(jù)包緩存起來，先檢查數(shù)據(jù)包是否正確，并過濾掉沖突包錯誤。確定包正確后，取出目的地址，通過查找表找到想要發(fā)送的輸出端口地址，然后將該包發(fā)送出去。正因如此，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包進行錯誤檢測，并且能支持不同速度的輸入輸出端口間的交換，可有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。它的另一優(yōu)點就是這種交換方式支持不同速度端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口和低速端口間協(xié)同工作。實現(xiàn)的辦法是將10Mbps低速包存儲起來，再通過100Mbps速率轉(zhuǎn)發(fā)到端口上。3、碎片隔離式（Fragment Free）這是介于直通式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)式之間的一種解決方案。它在轉(zhuǎn)發(fā)前先檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64個字節(jié)（512 bit），如果小于64字節(jié)，說明是假包（或稱殘幀），則丟棄該包；如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。該方式的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢，但由于能夠避免殘幀的轉(zhuǎn)發(fā)，所以被廣泛應(yīng)用于低檔交換機中。使用這類交換技術(shù)的交換機一般是使用了一種特殊的緩存。這種緩存是一種先進先出的FIFO（First In First Out），比特從一端進入然后再以同樣的順序從另一端出來。當(dāng)幀被接收時，它被保存在FIFO中。如果幀以小于512比特的長度結(jié)束，那么FIFO中的內(nèi)容（殘幀）就會被丟棄。因此，不存在普通直通轉(zhuǎn)發(fā)交換機存在的殘幀轉(zhuǎn)發(fā)問題，是一個非常好的解決方案。數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)之前將被緩存保存下來，從而確保碰撞碎片不通過網(wǎng)絡(luò)傳播，能夠在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。/pcjob/nettech/other/others/0511/721492_1.html二、主流堆棧交換技術(shù)通過我們前面的介紹已經(jīng)知道，按交換機工作在OSIRM堆棧協(xié)議層來分的話，目前的交換機主要有第二層、第三層和第四層交換機，它們都有其對應(yīng)的主流交換技術(shù)，下面分別予以介紹。1、第二層交換技術(shù)90年代初，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成模式中大量引入了局域網(wǎng)交換機。局域網(wǎng)交換機是一種第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，交換機在操作過程中不斷地收集資料去建立它本身的地址表，這個表相當(dāng)簡單，主要標(biāo)明某個MAC地址是在哪個端口上被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)交換機接收到一個數(shù)據(jù)封包時，它檢查該封包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以決定從哪個端口發(fā)送出去。而不是象集線器那樣，任何一個發(fā)送方數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)在集線器的所有端口上（不管是否為你所需）。這時的交換機因為其只能工作在OSIRM的第二層，所以也就稱之為第二層交換機，所采用的技術(shù)也就稱之為“第二層交換技術(shù)”。 “第二層交換”是指OSI第二層或稱MAC層的交換。第二層交換機的引入，使得網(wǎng)絡(luò)站點間可獨享帶寬，消除了無謂的碰撞檢測和出錯重發(fā)，提高了傳輸效率，在交換機中可并行的維護幾個獨立的、互不影響的通信進程。在交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶信息只在源節(jié)點與目的節(jié)點之間進行傳送，其他節(jié)點是不可見的。但有一點例外，當(dāng)某一節(jié)點在網(wǎng)上發(fā)送廣播或多目廣播時，或某一節(jié)點發(fā)送了一個交換機不認(rèn)識的MAC地址封包時，交換機上的所有節(jié)點都將收到這一廣播信息。整個交換環(huán)境構(gòu)成一個大的廣播域。也就是說第二層交換機仍可能存在“廣播風(fēng)暴”，廣播風(fēng)暴會使網(wǎng)絡(luò)的效率大打折扣，但出現(xiàn)情況的情形的比率比起集線器來說要少許多。第二層交換仍存在“廣播風(fēng)暴”的弱點，同時，使用第二層交換并不能給路由器的功能帶來什么進步。這樣的結(jié)果是，第二層交換只能在本地不含任何路由器的工作組中取得性能的提高。在使用第二層交換的工作組之間，通過路由器的端到端性能會因為路由器阻塞而掉包，從而導(dǎo)致實質(zhì)上的性能下降。正因如此，其于路由方式的第三交換技術(shù)順應(yīng)時代的需要而產(chǎn)生了。2第三層交換技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的技術(shù)中，直接面向用戶的第一層接口和第二層交換技術(shù)方面已得到令人滿意的答案。但是，作為網(wǎng)絡(luò)核心、起到網(wǎng)間互連作用的路由器技術(shù)卻沒有質(zhì)的突破。傳統(tǒng)的路由器基于軟件，協(xié)議復(fù)雜，與局域網(wǎng)速度相比，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。但同時它又作為網(wǎng)段（子網(wǎng)，虛擬網(wǎng)）互連的樞紐，這就使傳統(tǒng)的路由器技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著Internet、Intranet的迅猛發(fā)展和BS（瀏覽器服務(wù)器）計算模式的廣泛應(yīng)用，跨地域、跨網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)急劇增長，業(yè)界和用戶深感傳統(tǒng)的路由器在網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸效應(yīng)，改進傳統(tǒng)的路由技術(shù)已迫在眉睫。在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應(yīng)運而生，這就是第三層交換技術(shù)。說它是路由器，因為它可操作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三層，是一種路由理解設(shè)備并可起到路由決定的作用；說它是交換器，是因為它的速度極快，幾乎達(dá)到第二層交換的速度。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡單的把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機上。從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板總線（速率可高達(dá)幾十Gbits）交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速的交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制（10Mbits100Mbits）。在軟件方面，第三層交換機也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進行了界定。目前基于第三層交換技術(shù)的第三層交換機得到了廣泛的應(yīng)用，并得到了用戶一致的贊同。3、第四層交換雖然第三層交換技術(shù)使得用戶可在工作組之間獲得無失真的100Mbps、1000Mbps的數(shù)據(jù)交換速率。但這一切還得有一個先決條件，那就是只有當(dāng)用戶和服務(wù)器本身都能跟上網(wǎng)絡(luò)中的帶寬增長，包的傳輸可以達(dá)到系統(tǒng)的極限，即達(dá)到CPU能夠處理的最大速度，才是真正的成功。目前的主要問題在于提高服務(wù)器的能力，因為越來越多功能強大的工作站連到Ethernet交換的桌面上，用戶桌面的能力并沒有得到充分的發(fā)揮。如果服務(wù)器容量能夠滿足需求，問題解決起來就相當(dāng)簡單。不幸的是，即使是最簡單的對稱多處理服務(wù)器的CPU升級也需要大量的時間，而且需要冗長繁雜的計劃和管理。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建立在G比特速率的第二層和第三層交換上，有高速WAN接入，服務(wù)器問題就將成為隨之而來的瓶頸。也就是說如果服務(wù)器速度跟不上，即使是具有最快速交換的網(wǎng)絡(luò)也不能完全確保端到端的性能?？梢韵胂窀邇?yōu)先權(quán)的業(yè)務(wù)在這種QoS使能的網(wǎng)絡(luò)中會因服務(wù)器中低優(yōu)先權(quán)的業(yè)務(wù)隊列而阻塞。在更糟的情況下，服務(wù)器甚至?xí)适аh(huán)處理業(yè)務(wù)的能力。在這樣的需求背景下，第四層交換技術(shù)也就設(shè)計產(chǎn)生了，基于服務(wù)器設(shè)計的第四層交換擴展了服務(wù)器、第二層、第三層交換的性能和業(yè)務(wù)流的管理功能。/pcjob/nettech/other/others/0511/721492_2.html第四層交換功能就像是虛IP，直接指向物理服務(wù)器。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務(wù)器組設(shè)立虛IP地址（VIP），每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器（DNS）中存儲的每個應(yīng)用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實的服務(wù)器地址。當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)服務(wù)器組的VIP連接請求（例如一個TCPSYN包）發(fā)給服務(wù)器交換機。服務(wù)器交換機在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務(wù)器交換機進行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進行傳輸。第四層交換技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）、從操作方面來看，第四層交換是穩(wěn)固的，因為它將包控制在從源端到目的端的區(qū)間中。（2）、另一方面，路由器或第三層交換技術(shù)，只針對單一的包進行處理，不清楚上一個包從哪來、也不知道下一個包的情況。它們只是檢測包報頭中的TCP端口數(shù)字，根據(jù)應(yīng)用建立優(yōu)先級隊列。路由器根據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)可用的節(jié)點決定包的路由。（3）、第四層交換使用第三層和第四層信息包的報頭信息，根據(jù)應(yīng)用區(qū)間識別業(yè)務(wù)流，將整個區(qū)間段的業(yè)務(wù)流分配到合適的應(yīng)用服務(wù)器進行處理。每個開放的區(qū)間與特定的服務(wù)器相關(guān)，為跟蹤服務(wù)器，第四層交換使用多個服務(wù)器支持的特殊應(yīng)用，隨著服務(wù)器的增加而增強網(wǎng)絡(luò)的整體性能。同時，第四層交換通過減少對任何特定服務(wù)器的依賴性而提高應(yīng)用的可用性。（4）、第四層交換也要求端到端QoS，提高第二層和第三層交換中一包接一包QoS傳輸?shù)哪芰?。例如，從級別高用戶來的業(yè)務(wù)或重要應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流，可以分配給最快的IO系統(tǒng)和CPU，而普通的業(yè)務(wù)就分配給性能較差的機器。以上介紹了一些基本的第二層、第三層和第四層交換技術(shù)，其實還有許多復(fù)雜、先進的交換技術(shù)，在此就不作詳細(xì)介紹了。同時要注意，以上所介紹的這些交換技術(shù)并不是只能單獨存在，也許它們結(jié)合使用更具有優(yōu)勢，例如第二層、第三層和第四層交換在校園網(wǎng)絡(luò)中可以有很好的應(yīng)用。第二層交換機連接用戶和網(wǎng)絡(luò)，在子網(wǎng)中指引業(yè)務(wù)流，第三層交換機或路由器將包從一個子網(wǎng)傳到另一個子網(wǎng)，第四層交換機將包傳到終端服務(wù)器。/pcjob/nettech/other/others/0511/721492_3.html三、交換機的選購交換機雖然目前有進入到桌面的趨勢，但是對于一些比較高檔的交換來說一般只有在較大型的局域網(wǎng)中存在，而且由于交換機歷來在人們心中的神秘性決定了在交換機的選購方面多數(shù)情況下是商家說了算。在交換機的選購方面要注意的事項比較多，不再是像集線器一樣那么幾個簡單的參數(shù)就可決定的。下面所列的是在交換機選購時要注意的幾個主要方面。1轉(zhuǎn)發(fā)方式數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)方式在前面已經(jīng)介紹過，主要分為“直通式轉(zhuǎn)發(fā)”（現(xiàn)為準(zhǔn)直通式轉(zhuǎn)發(fā)）和“存儲式轉(zhuǎn)發(fā)”。由于不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式適應(yīng)于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的需要作出相應(yīng)的選擇。直通式由于只檢查數(shù)據(jù)包的包頭，不需要存儲，所以切入方式具有延遲小，交換速度快的優(yōu)點。但同時它又具有以以上所介紹的三個缺點。存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，但它可以對進入交換機的數(shù)據(jù)包進行錯誤檢測，并且能支持不同速度的輸入輸出端口間的交換，有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。同時這種交換方式支持不同速度端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口和低速端口間協(xié)同工作。低端交換機通常只擁有一種轉(zhuǎn)發(fā)模式，或是存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，或是直通模式，往往只有中高端產(chǎn)品才兼具兩種轉(zhuǎn)發(fā)模式，并具有智能轉(zhuǎn)換功能，可根據(jù)通信狀況自動切換轉(zhuǎn)發(fā)模式。通常情況下，如果網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不是太高，可選擇存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換機；如果網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的傳輸速率要求較高，可選擇直通轉(zhuǎn)發(fā)式交換機。2延時交換機的延時（Latency）也稱延遲時間，是指從交換機接收到數(shù)據(jù)包到開始向目的端口發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。這主要受所采用的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)等因素的影響，延時越小，數(shù)據(jù)的傳輸速率越快，網(wǎng)絡(luò)的效率也就越高。特別是對于多媒體網(wǎng)絡(luò)而言，較大的數(shù)據(jù)延遲，往往導(dǎo)致多媒體的短暫中斷，所以交換機的延遲時間越小越好，同時要注意的中，延時越小的交換機價格也就越貴。3管理功能交換機的管理功能（Management）是指交換機如何控制用戶訪問交換機，以及系統(tǒng)管理人員通過軟件對交換機的可管理程度如何。如果需要以上配置和管理，則須選擇網(wǎng)管型交換機，否則只需選擇非網(wǎng)管型的。目前幾乎所有中、高檔交換機都是可網(wǎng)管的，一般來說所有的廠商都會隨機提供一份本公司開發(fā)的交換機管理軟件，所有的交換機都能被第三方管理軟件所管理。低檔的交換機來通常不具有網(wǎng)管功能，屬“傻瓜”型的，只需接上電源、插好網(wǎng)線即可正常工作。網(wǎng)管型價格要貴許多。4MAC地址數(shù)通常前面的介紹，我們知道交換機之所以能夠直接對目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，而不是像集線器一樣以廣播方式對所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，最關(guān)鍵的技術(shù)就是交換機可以識別連在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點的網(wǎng)卡MAC地址，形成一個MAC地址表。這個MAC地址表存放于交換機的緩存中，并記住這些地址，這樣一來當(dāng)需要向目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)時，交換機就可在MAC地址表中查找這個MAC地址的節(jié)點位置，然后直接向這個位置的節(jié)點發(fā)送。但是不同檔次的交換機每個端口所能夠支持的MAC數(shù)量不同。在交換機的每個端口，都需要足夠的緩存來記憶這些MAC地址，所以Buffer容量的大小就決定了相應(yīng)交換機所能記憶的MAC地址數(shù)多少。通常交換機只要能夠記憶1024個MAC地址基本上就可以了，而一般的交換機通常都能做到這一點，所以如果對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是很大的情況下，這參數(shù)無需太多考慮。當(dāng)然越是高檔的交換機能記住的MAC地址數(shù)就越多，這在選擇時要視所連網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模而定了。/pcjob/nettech/other/others/0511/721492_4.html 5背板帶寬現(xiàn)在越來越多的100M交換到桌面方案是以實現(xiàn)VOD（視頻點播）為目的，如果您有同樣需求，在選購交換器時應(yīng)注意交換機背板帶寬，當(dāng)然是越寬越好，它將為您的交換器在高負(fù)荷下提供高速交換。由于所有端口間的通訊都需要通過背板完成，所以背板所能夠提供的帶寬就成為端口間并發(fā)通訊時的總帶寬。帶寬越大，能夠給各通訊端口提供的可用帶寬越大，數(shù)據(jù)交換速度越快；帶寬越小，則能夠給各通訊端口提供的可用帶寬越小，數(shù)據(jù)交換速度也就越慢。因此，在端口帶寬、延遲時間相同的情況下，背板帶寬越大，交換機的傳輸速率則越快。6端口交換機也與集線器一樣，也有端口帶寬之分，但這里所指的帶寬與集線器的端口帶寬不一樣，因為這里交換機上所指的端口帶寬是獨享的，而集線器上端口的帶寬是共享的。交換機的端口帶寬目前主要包括10M、100M和1000M三種，但就這三種帶寬又有不同的組合形式，以滿足不同類型網(wǎng)絡(luò)的需要。最常見的組合形式包括n100Mm10M、n10100M、n1000Mm100M和n1000M四種。n100Mm10M就是在一個交換機上同時有“n”個100Mbps帶寬的端口和“m”個10Mbps帶寬的端口，這“nm”就是交換機的端口總和。當(dāng)然這“n”與“m”可以是相同的，也可以是不同的，一般來說這“n”數(shù)要遠(yuǎn)比“m”數(shù)小。這種組合的交換機既可以作為小型廉價網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，也可以用于大、中型網(wǎng)絡(luò)中的工作組交換機。因為它也具有100Mbps帶寬的端口，適合于大型網(wǎng)絡(luò)的連接，100M端口一般用于服務(wù)器或主干網(wǎng)段的連接，或者用于級聯(lián)至另一臺交換機，10M端口則用于直接連接工作站計算機，從而實現(xiàn)不同交換機端口之間的高速連接，并滿足網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機對服務(wù)器高速連接的需求。該類交換機的最大特點就是價格低廉，且基本能夠滿足網(wǎng)絡(luò)的所有需求。n10100M，這種組合的交換機相比前面那種又要先進一些，因為它的每個端口都可以自適應(yīng)地達(dá)到10Mbps或100Mbps的帶寬，這比固定幾個100Mbps帶寬的交換機當(dāng)然是方便許多，在性能方面也肯定要好許多。目前這種組合方式的交換機是當(dāng)前市場上的主流產(chǎn)品，能夠自動適應(yīng)10Mbps或100Mbps的速率，可以無縫連接以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)。該類型的交換機既可以作為工作組交換機直接連接客戶機，實現(xiàn)100Mbps到桌面的高速交換，也可以作為小型網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點。當(dāng)直接連接至計算機時，在全雙工狀態(tài)下收發(fā)各占100Mbps帶寬，從而能夠?qū)崿F(xiàn)200Mbps的帶寬。當(dāng)與n100Mm10M類型的交換機連接時，為連接至不同端口的交換機提供較快鏈路，滿足多個端口間同時傳輸數(shù)據(jù)的需要。n100