11交換技術(shù)的基本原理

交換技術(shù)的基本原理以太網(wǎng)交換機(jī)（以下簡稱交換機(jī)）是工作在OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，外表和集線器相似。它通過判斷數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，從而將幀從合適的端口發(fā)送出去。交換機(jī)的沖突域僅局限于交換機(jī)的一個端口上。局域網(wǎng)交換機(jī)的種類1）、從廣義上分：（1）廣域網(wǎng)交換機(jī)：主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信的基礎(chǔ)平臺（2）局域網(wǎng)交換機(jī)：應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)備，如服務(wù)器、PC及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。2）、從支持的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳輸介質(zhì)和傳輸速度上看，局域網(wǎng)交換機(jī)分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆位以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等多種。3）、從外觀形態(tài)和功能上分（1）模塊式交換機(jī)（機(jī)架式交換機(jī)）：是一個擁用多插槽主板的機(jī)柜，在插槽中有可擴(kuò)展交換模塊和網(wǎng)管模塊（CPU板），每一個交換模塊可以連接不同的網(wǎng)絡(luò)。它的優(yōu)點是功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)，并且可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)目來靈活配置交換模塊。它一般作為網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)或大型校園網(wǎng)/園區(qū)網(wǎng)的分布層交換機(jī)（2）固定配置的交換機(jī)：它是一種帶有固定端口數(shù)目和類型的交換機(jī)。它的最大優(yōu)點是安裝管理方便、便于堆疊、價格適中，最適合做小型網(wǎng)絡(luò)主干或大型網(wǎng)絡(luò)的分布層/接入層設(shè)備。②按照現(xiàn)在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分為接入層交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)和核心層交換機(jī)。從規(guī)模應(yīng)用上又有企業(yè)級交換機(jī)、部門級交換機(jī)和工作組交換機(jī)等。按照OSI的參考網(wǎng)絡(luò)模型，交換機(jī)分為第2層交換機(jī)、第3層交換機(jī)、第4層交換機(jī)等，一直到第7層交換機(jī)。按照交換機(jī)的可管理性，可把交換機(jī)分為可管理型交換機(jī)和不可管理型交換機(jī)，它們的區(qū)別在于對SNMP、RMON等網(wǎng)管協(xié)議的支持。按照交換機(jī)是否可堆疊，交換機(jī)分為可堆疊型交換機(jī)和不可堆疊型交換機(jī)兩種。按照最廣泛的普通分類方法，局域網(wǎng)交換機(jī)分為桌面型交換機(jī)、工作組型交換機(jī)和校園網(wǎng)交換機(jī)3類。根據(jù)交換技術(shù)的不同，有人又把交換機(jī)分為端口交換機(jī)、幀交換機(jī)和信元交換機(jī)3種。從應(yīng)用的角度劃分，交換機(jī)分為電話交換機(jī)（PBX）和數(shù)據(jù)交換機(jī)（Switch）。當(dāng)然，目前在數(shù)據(jù)上的語音傳輸VoIP又有人稱之為“軟交換機(jī)”。交換機(jī)的特性1）、它擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。（交換機(jī)的所有端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口查找內(nèi)存中的地址對照表以確定目的MAC地址的網(wǎng)卡掛接在哪個端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，當(dāng)目的MAC地址不存在時才廣播到所在的端口，接收端口回應(yīng)后交接機(jī)將把新的地址添加入內(nèi)部地址表中。2）、交換機(jī)對數(shù)據(jù)包的過濾與轉(zhuǎn)發(fā)，可以將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段，可以有效的隔離廣播網(wǎng)暴。3）、交換機(jī)的每一個端口都可視為獨立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競爭使用。4）、交換機(jī)是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能。4、交換機(jī)的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯誤校驗、幀序列以及流控。目前交換機(jī)還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機(jī)了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機(jī)緩存中的MAC地址表中。轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。消除回路：當(dāng)交換機(jī)包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機(jī)通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。交換機(jī)除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡(luò)之外，還可以在不同類型的網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)）之間起到互連作用。如今許多交換機(jī)都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)中的其它交換機(jī)或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務(wù)器提供附加帶寬。一般來說，交換機(jī)的每個端口都用來連接一個獨立的網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)計算機(jī)直接連接到交換機(jī)的端口上。這樣，網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵服務(wù)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。最后簡略的概括一下交換機(jī)的基本功能：像集線器一樣，交換機(jī)提供了大量可供線纜連接的端口，這樣可以采用星型拓?fù)洳季€。像中繼器、集線器和網(wǎng)橋那樣，當(dāng)它轉(zhuǎn)發(fā)幀時，交換機(jī)會重新產(chǎn)生一個不失真的方形電信號。像網(wǎng)橋那樣，交換機(jī)在每個端口上都使用相同的轉(zhuǎn)發(fā)或過濾邏輯。像網(wǎng)橋那樣，交換機(jī)將局域網(wǎng)分為多個沖突域，每個沖突域都是有獨立的寬帶，因此大大提高了局域網(wǎng)的帶寬。除了具有網(wǎng)橋、集線器和中繼器的功能以外，交換機(jī)還提供了更先進(jìn)的功能，如虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和更高的性能。交換機(jī)之間的連接⑴交換機(jī)有“UpLink（級聯(lián)）”端口（上聯(lián)：交換機(jī)可通過上聯(lián)端口實現(xiàn)與骨干交換機(jī)的連接。（2）交換機(jī)沒有“UpLink（級聯(lián)）”端口（3）堆疊（提供堆疊接口的交換機(jī)之間可以通過專用的堆疊線連接起來。通常，堆疊的帶寬是交換機(jī)端口速率的幾十倍。多臺交換機(jī)的堆疊是靠一個提供背板總線帶寬的多口堆疊線模塊與單口的堆疊子模塊相連，并插入不同的交換機(jī)實現(xiàn)交換機(jī)的堆疊而實現(xiàn)的。）5、交換機(jī)中數(shù)據(jù)的交換技術(shù)1、幀交換：（1）、直通交換：提供線速處理能力，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送到相應(yīng)的端口上。（2）、存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換：通過對網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗錯和控制。2、信元交換ATM技術(shù)中就是以固定長度53個字節(jié)的信元交換。三、交換機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)1、轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)：有直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù);2、延時：是指從交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包到開始向目的端口復(fù)制數(shù)據(jù)包之間的時間間隔。3、管理功能：是指交換機(jī)如何控制用戶訪問交換機(jī)，以及用戶對交換機(jī)的可視程度如何。通常交換機(jī)都提供管理軟件或滿足第三方管理軟件遠(yuǎn)程管理交換機(jī)。4、單/多MAC地址類型：單MAC交換機(jī)的每一個端口只有一個MAC硬件地址，它主要用于連接網(wǎng)絡(luò)最終用戶、網(wǎng)絡(luò)共享資源等，不能連接集線器或含有多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)段。多MAC交換機(jī)在每一個端口上有足夠的存儲體記憶多個硬件地址。5、外接監(jiān)視儀支持：它可允許外接網(wǎng)絡(luò)分析儀直接連接到交換機(jī)上監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀況。6、全雙工：是否支持同時收發(fā)數(shù)據(jù)等交換機(jī)的傳輸模式有全雙工，半雙工，全雙工/半雙工自適應(yīng)交換機(jī)的全雙工是指交換機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行，這好像我們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音。目前的交換機(jī)都支持全雙工。全雙工的好處在于遲延小，速度快。提到全雙工，就不能不提與之密切對應(yīng)的另一個概念，那就是“半雙工”，所謂半雙工就是指一個時間段內(nèi)只有一個動作發(fā)生，舉個簡單例子，一條窄窄的馬路，同時只能有一輛車通過，當(dāng)目前有兩量車對開，這種情況下就只能一輛先過，等到頭兒后另一輛再開，這個例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對講機(jī)、以及早期集線器等設(shè)備都是實行半雙工的產(chǎn)品。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，半雙工會逐漸退出歷史舞臺。從應(yīng)用的規(guī)模來看，作為骨干交換機(jī)時，支持500個信息點以上大型企業(yè)應(yīng)用的交換機(jī)為企業(yè)級交換機(jī)，支持300個信息點以下中型企業(yè)的交換機(jī)為部門級交換機(jī)，而支持100個信息點以內(nèi)的交換機(jī)為工作組級交換機(jī)。[2]交換機(jī)通過以下三種方式進(jìn)行交換：1）直通式：直通方式的以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)。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，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，實現(xiàn)交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非?？欤@是它的優(yōu)點。它的缺點是，因為數(shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)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。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。2）存儲轉(zhuǎn)發(fā)：存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲起來，然后進(jìn)行€?。（循環(huán)冗余碼校驗）檢查，在對錯誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。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(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯誤檢測，有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。3）碎片隔離：這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64個字節(jié)，如果小于64字節(jié)，說明是假包，則丟棄該包；如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。這種方式也不提供數(shù)據(jù)校驗。它的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢。幾種交換技術(shù)端口交換端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)在插槽式的集線器中，這類集線器的背板通常劃分有多條以太網(wǎng)段（每條網(wǎng)段為一個廣播域），不用網(wǎng)橋或路由連接，網(wǎng)絡(luò)之間是互不相通的。以大主模塊插入后通常被分配到某個背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進(jìn)行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口交換還可細(xì)分為：?模塊交換：將整個模塊進(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(fù)載平衡能力等優(yōu)點。如果配置得當(dāng)，那么還可以在一定程度進(jìn)行容錯，但沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點，自而未能稱之為真正的交換。幀交換幀交換是目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行傳送的機(jī)制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產(chǎn)品的實現(xiàn)技術(shù)均會有差異，但對網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式一般有以下幾種：直通交換：提供線速處理能力，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送到相應(yīng)的端口上。存儲轉(zhuǎn)發(fā)：通過對網(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，同時也無法支持具有不同速率的端口的交換。因此，各廠商把后一種技術(shù)作為重點。有的廠商甚至對網(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現(xiàn)，處理速度快，同時能夠完成高級控制功能（如美國MADGE公司的LET集線器）如優(yōu)先級控制。信元交換（專用于ATM網(wǎng)絡(luò)，原點到目的結(jié)點傳輸?shù)氖切旁旁且环N特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同于普通網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸蛘甙?，因為幀和包是變長的，而ATM的信元是定長的，非常小的，長度只有53個字節(jié)，其中5個字節(jié)是信元頭，48個字節(jié)是信息段）ATM技術(shù)采用固定長度53個字節(jié)的信元交