交換機工作原理
 

一、概述

　　1993年，區域網路交換設備出現，1994年，國內掀起了交換網路技術的熱潮。其實，交換技術是一個具有簡化、低價、高效能和高連接埠密集特點的交換產品，體現了橋接技術的複雜交換技術在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機按每一個包中的MAC位址相對簡單地決策信息轉發。而這種轉發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延遲很小，操作接近單個區域網路效能，遠遠超過了普通橋接網際網路絡之間的轉發效能。

　　交換技術允許共享型和專用型的區域網路段進行帶寬調整，以減輕區域網路之間信息流通出現的瓶頸問題。現在已有乙太網、快速乙太網、FDDI和ATM技術的交換產品。

　　類似傳統的橋接器，交換機提供了許多網路互聯功能。交換機能經濟地將網路分成小的衝突網域，為每個工作站提供更高的帶寬。傳輸協定的透明性使得交換機在軟體配置簡單的情況下直接安裝在多傳輸協定網路中；交換機使用現有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網路卡，不必作高層的硬體昇級；交換機對工作站是透明的，這樣管理預先配置低廉，簡化了網路節點的增加、移動和網路變化的操作。

　　利用專門設計的集成電路可使交換機以線路速率在所有的連接埠並行轉發信息，提供了比傳統橋接器高得多的操作效能。如理論上單個乙太網連接埠對含有64個八進制數的資料包，可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一台具有12個連接埠、支持6道並行資料流的「線路速率」乙太網交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps道信息流）。專用集成電路技術使得交換器在更多連接埠的情況下以上述效能執行，其連接埠造價低於傳統型橋接器。

　　二、三種交換技術

　　1．連接埠交換

　　連接埠交換技術最早出現在插槽式的集線器中，這類集線器的背板通常劃分有多條乙太網段（每條網段為一個廣播域），不用網路橋接或路由連接，網路之間是互不相通的。以大主模組插入後通常被分配到某個背板的網段上，連接埠交換用於將以太模組的連接埠在背板的多個網段之間進行分配、平衡。根據支持的程度，連接埠交換還可細分為：

　　·模組交換：將整個模組進行網段遷移。

　　·連接埠組交換：通常模組上的連接埠被劃分為若干組，每組連接埠允許進行網段遷移。

　　·連接埠級交換：支持每個連接埠在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是關於OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優點。如果配置得當，那麼還可以在一定程度進行客錯，但沒有改變共享傳輸CD片的特點，自而未能稱之為真正的交換。

　　2．畫格交換

　　畫格交換是目前套用最廣的區域網路交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行微分段，提供並行傳送的機制，以減小衝突域，獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產品的實現技術均會有差異，但對網路畫格的處理方式一般有以下幾種：

　　·直通交換：提供線速處理能力，交換機只讀出網路畫格的前14個字元，便將網路畫格傳送到相應的連接埠上。

　　·存儲轉發：通過對網路畫格的讀取進行驗錯和控制。

　　前一種方法的交換速度非常快，但缺乏對網路畫格進行更進階的控制，缺乏智能性和安全性，同時也無法支持具有不同速率的連接埠的交換。因此，各廠商把後一種技術作為重點。

　　有的廠商甚至對網路畫格進行分解，將畫格分解成類BIOS大小的信元，該信元處理極易用硬體實現，處理速度快，同時能夠完成進階控制功能（如美國MADGE公司的LET集線器）如優先級控制。

　　3．信元交換

　　ATM技術代表了網路和通訊技術發展的未來方向，也是解決目前網路通信中眾多難題的一劑「良藥」，ATM採用類BIOS長度53個字元的信元交換。由於長度類BIOS，因而便於用硬體實現。ATM採用專用的非差別連接，並行執行，可以通過一個交換機同時建立多個節點，但並不會影響每個節點之間的通信能力。ATM還容許在源節點和目標、節點建立多個虛擬連結，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM採用了統計時分電路進行復用，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、區域網路交換機的種類和選項

　　區域網路交換機根據使用的網路技術可以分為：

　　·以大網交換機；

　　·令牌環交換機；

　　·FDDI交換機；

　　·ATM交換機；

　　·快速乙太網交換機等。

　　如果按交換機套用領域來劃分，可分為：

　　·台式交換機；

　　·工作組交換機；

　　·主幹交換機；

　　·企業交換機；

　　·分段交換機；

　　·連接埠交換機；

　　·網路交換機等。

　　區域網路交換機是組成網路系統的核心設備。對用戶而言，區域網路交換機最主要的指標是連接埠的配置、資料交換能力、包交換速度等因素。因此，在選項交換機時要注意以下事項：

　　（1）交換連接埠的數量；

　　（2）交換連接埠的類型；

　　（3）系統的擴充能力；

　　（4）主幹線連接手段；

　　（5）交換機總交換能力；

　　（6）是否需要路由選項能力；

　　（7）是否需要熱切換能力；

　　（8）是否需要容錯能力；

　　（9）能否與現有設備相容，順利銜接；

　　（10）網路管理能力。

　　四、交換機套用中幾個值得注意的問題

　　1．交換機網路中的瓶頸問題

　　交換機本身的處理速度可以達到很高，用戶往往迷信廠商宣傳的Gbps級的高速背板。其實這是一種誤解，連接入網的工作站或伺服器使用的網路是以大網，它遵循CSMACDCD片訪問規則。在當前的客戶伺服器模式的網路中多台工作站會同時訪問伺服器，因此非常容易形成伺服器瓶頸。有的廠商已經考慮到這一點，在交換機中設計了一個或多個高速連接埠（如3COM的Linkswitch1000可以配置一個或兩個100Mbps連接埠），方便用戶連接伺服器或高速主幹網。用戶也可以通過設計多台伺服器（進行業務劃分）或追加多個網路卡來消除瓶頸。交換機還可支持產生樹算法，方便用戶架構容錯的冗余連接。

　　2．網路中的廣播畫格

　　目前廣泛使用的網路操作系統有Netware、Windows NT等，而Lan Server的伺服器是通過傳送網路廣播畫格來向客戶端機提供服務的。這類區域網路中廣播包的存在會大大降低交換機的效率，這時可以利用交換機的虛擬網功能（並非每種交換機都支持虛擬網）將廣播包限制在一定範圍內。

　　每台文交換機的連接埠都支持一定數目的MAC位址，這樣交換機能夠「記憶」住該連接埠一組連接站點的情況，廠商提供的定位不同的交換機連接埠支持MAC數也不一樣，用戶使用時一定要注意交換機連接埠的連接端點數。如果超過廠商給定的MAC數，交換機接收到一個網路畫格時，只有其目的站的MAC位址不存在於該交換機連接埠的MAC位址表中，那麼該畫格會以廣播方式發向交換機的每個連接埠。

　　3．虛擬網的劃分

　　虛擬網是交換機的重要功能，通常虛擬網的實現形式有三種：

　　(1)靜態連接埠分配

　　靜態虛擬網的劃分通常是網管人員使用網管軟體或直接設定交換機的連接埠，使其直接從屬某個虛擬網。這些連接埠一直保持這些從內容，除非網管人員重新設定。這種方法雖然比較麻煩，但比較安全，容易配置和維護。

　　（2）動態虛擬網

　　支持動態虛擬網的連接埠，可以借助智能管理軟體自動確定它們的從屬。連接埠是通過借助網路包的MAC位址、邏輯位址或傳輸協定類型來確定虛擬網的從屬。當一網路節點剛連接入網時，交換機連接埠還未分配，於是交換機通過讀取網路節點的MAC位址動態地將該連接埠劃入某個虛擬網。這樣一旦網管人員配置好後，用戶的電腦可以靈活地改變交換機連接埠，而不會改變該用戶的虛擬網的從內容，而且如果網路中出現未定義的MAC位址，則可以向網管人員報警。

　　（3）多虛擬網連接埠配置

　　該配置支持一用戶或一連接埠可以同時訪問多個虛擬網。這樣可以將一台網路伺服器配置成多個業務部門（每種業務設定成一個虛擬網）都可同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網的資源，還可讓多個虛擬網間的連接只需一個路由連接埠即可完成。但這樣會帶來安全上的隱患。虛擬網的業界規範正在制定當中，因而各個公司的產品還談不上互操作性。Cisco公司開發了Inter－Switch Link（ISL）虛擬網路傳輸協定，該傳輸協定支持跨骨幹網（ATM、FDDI、Fast Ethernet）的虛擬網。但該傳輸協定被指責為缺乏安全性上的考慮。傳統的電腦網路中使用了大量的共享式Hub，通過靈活接入電腦連接埠也可以獲得好的效果。

　　4.高速區域網路技術的套用

　　快速乙太網技術雖然在某些方面與傳統以大網保持了很好的相容性，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100Mbps的交換機可以打破這些局限。同時也只有交換機連接埠才可以支持雙工高速傳輸。

　　目前也出現了CDDIFDDI的交換技術，另外該CDDIFDDI的連接埠價格也呈下降趨勢，同時在傳輸距離和安全性方面也有比較大的優勢，因此它是大型網路骨幹的一種比較好的選項。

　　3COM的主要交換產品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交換產品有LattisSwitch2800，BAY stack workgroup、System3O005000（提供某些可選交換模組）；Cisco的主要交換產品有Catalyst 1000200030005000系列。

　　三家公司的產品形態看來都有相似之處，產品的價格也比較接近，除了設計中要考慮網路環境的直接需要（強調連接埠的搭配合理）外，還需從整體上考慮，例如網管、網路套用等。隨著ATM技術的發展和成熟以及市場競爭的加劇，畫格交換機的價格將會進一步下跌，它將成為工作組網的重要解決方案。

好屌