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交換機(switch)是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。在計算機網路系統中,交換概念的提出是對於共享工作模式的改進。HUB集線器就是一種共享設備,HUB本身不能識別目的地址,當同一區域網內的A主機給B主機傳輸數據時,數據包在以 HUB為架構的網路上是以廣播方式傳輸的,由每一台終端通過驗證數據包頭的地址信息來確定是否接收。在這種工作方式下,同一時刻網路上只能傳輸一組數據幀的通訊,如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網路帶寬。

1 交換機 -簡介

交換機是一種存儲轉發設備。乙太網交換機採用存儲轉發(Store-Forward)技術或直通(Cut-Through)技術來實現信息幀的轉發,也稱為交換式集線器。交換機和網橋的不同在於:交換機埠數較多,數據傳輸效率高,轉發延遲很小,吞吐量大,丟失率低,網路整體性能增強,遠遠超過了普通網橋連接網路時的轉發性能。一般用於互連相同類型的區域網,如乙太網與乙太網的互連。
交換機擁有一條很高帶寬的背部匯流排和內部交換矩陣。交換機的所有的埠都掛接在這條背部匯流排上,控制電路收到數據包以後,處理埠會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC(網卡的硬體地址)的NIC(網卡)掛接在哪個埠上,通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的埠,目的 MAC若不存在才廣播到所有的埠,接收埠回應后交換機會「學習」新的地址,並把它添加入內部MAC地址表中。
使用交換機也可以把網路「分段」,通過對照MAC地址表,交換機只允許必要的網路流量通過交換機。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,避免共享衝突。交換機在同一時刻可進行多個埠對之間的數據傳輸。每一埠都可視為獨立的網段,連接在其上的網路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路的全部帶寬,都有著自己的虛擬連接。假使這裡使用的是10Mbps的乙太網交換機,那麼該交換機這時的總流通量就等於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。
交換機是一種基於MAC地址識別,能完成封裝轉發數據包功能的網路設備。交換機可以「學習」MAC地址,並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。

2 交換機 -分類

交換機交換機的數據介面
從廣義上來看,交換機分為兩種:廣域網交換機和區域網交換機。廣域網交換機主要應用於電信領域,提供通信用的基礎平台。而區域網交換機則應用於區域網絡,用於連接終端設備,如PC機及網路印表機等。從傳輸介質和傳輸速度上可分為乙太網交換機、快速乙太網交換機、千兆乙太網交換機、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。各廠商劃分的尺度並不是完全一致的,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,作為骨幹交換機時,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。

3 交換機 -功能

交換機交換機功能
學習:乙太網交換機了解每一埠相連設備的MAC地址,並將地址同相應的埠映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。
轉發/過濾:當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時,它被轉發到連接目的節點的埠而不是所有埠(如該數據幀為廣播/組播幀則轉發至所有埠)。
消除迴路:當交換機包括一個冗餘迴路時,乙太網交換機通過生成樹協議避免迴路的產生,同時允許存在後備路徑。交換機除了能夠連接同種類型的網路之外,還可以在不同類型的網路(如乙太網和快速乙太網)之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支持快速乙太網或FDDI等的高速連接埠,用於連接網路中的其它交換機或者為帶寬佔用量大的關鍵伺服器提供附加帶寬。一般來說,交換機的每個埠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,可以把一些重要的網路計算機直接連接到交換機的埠上。這樣,網路的關鍵伺服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。

4 交換機 -交換方式

交換機交換機
交換機通過以下三種方式進行交換:
1)直通式:
直通方式的乙太網交換機可以理解為在各埠間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它在輸入埠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錶轉換成相應的輸出埠,在輸入與輸出交叉處接通,把數據包直通到相應的埠,實現交換功能。由於不需要存儲,延遲非常小、交換非常快,這是它的優點。它的缺點是,因為數據包內容並沒有被乙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。由於沒有緩存,不能將具有不同速率的輸入/輸出埠直接接通,而且容易丟包。
2)存儲轉發:
存儲轉發方式是計算機網路領域應用最為廣泛的方式。它把輸入埠的數據包先存儲起來,然後進行CRC(循環冗餘碼校驗)檢查,在對錯誤包處理后才取出數據包的目的地址,通過查找錶轉換成輸出埠送出包。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,有效地改善網路性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的埠間的轉換,保持高速埠與低速埠間的協同工作。
3)碎片隔離:
這是介於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個位元組,如果小於64位元組,說明是假包,則丟棄該包;如果大於64位元組,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。

5 交換機 -功能

交換機交換機

1、像集線器一樣,交換機提供了大量可供線纜連接的埠,這樣可以採用星型拓撲布線。
2、像中繼器、集線器和網橋那樣,當它轉發幀時,交換機會重新產生一個不失真的方形電信號。
3、像網橋那樣,交換機在每個埠上都時使用的相同轉發或過濾邏輯。
4、像網橋那樣,交換機將區域網分為多個衝突域,每個衝突域都是有獨立的寬頻,因此大大提高了區域網的寬頻。
5、除了具有網橋、集線器和中繼器的功能以外,交換機還提供了更先進的功能,如虛擬區域網(VLAN)和更高的性能。

6 交換機 -應用

交換機交換機
作為區域網的主要連接設備,乙太網交換機成為應用普及最快的網路設備之一。隨著交換技術的不斷發展,乙太網交換機的價格急劇下降,交換到桌面已是大勢所趨。
如果乙太網絡上擁有大量的用戶、繁忙的應用程序和各式各樣的伺服器,而且還未對網路結構做出任何調整,那麼整個網路的性能可能會非常低。解決方法之一是在乙太網上添加一個10/100Mbps的交換機,它不僅可以處理10Mbps的常規乙太網數據流,而且還可以支持100Mbps的快速乙太網連接。
如果網路的利用率超過了40%,並且碰撞率大於10%,交換機可以解決一點問題。帶有100Mbps快速乙太網和10Mbps乙太網埠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。
不僅不同網路環境下交換機的作用各不相同,在同一網路環境下添加新的交換機和增加現有交換機的交換埠對網路的影響也不盡相同。充分了解和掌握網路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儘可能的減少和過濾網路中的數據流量,所以如果網路中的某台交換機由於安裝位置設置不當,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路性能的作用,反而降低了數據的傳輸速度,增加了網路延遲。除安裝位置之外,如果在那些負載較小,信息量較低的網路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、交換機的緩衝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,不能一概認為交換機就比HUB有優勢,尤其當用戶的網路並不擁擠,尚有很大的可利用空間時,使用HUB更能夠充分利用網路的現有資源。

7 交換機 -發展史

交換機交換機
來源 「交換機」是一個舶來詞,源自英文「Switch,原意是「開關」,中國技術界在引入這個辭彙時,翻譯為「交換」。在英文中,動詞「交換」和名詞「交換機」是同一個詞(注意這裡的「交換」特指電信技術中的信號交換,與物品交換不是同一個概念)。
1993年,區域網交換設備出現,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、高性能和高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地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性能,遠遠超過了普通橋接互聯網路之間的轉發性能。交換技術允許共享型和專用型的區域網段進行帶寬調整,以減輕區域網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。協議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協議網路中;交換機使用現有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網卡,不必作高層的硬體升級;交換機對工作站是透明的,這樣管理開銷低廉,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埠并行轉發信息,提供了比傳統橋接器高得多的操作性能。如理論上單個乙太網埠對含有64個八進位數的數據包,可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一台具有12個埠、支持6道并行數據流的「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埠的情況下以上述性能運行,其埠造價低於傳統型橋接器。
人工交換 電信號交換的歷史應當追溯到電話出現的初期。當電話被發明后,只需要一根足夠長的導線,加上末端的兩台電話,就可以使相距很遠的兩個人進行語音交談。
電話增多后,要使每個擁有電話的人都能相互通信,我們不可能每兩台電話機之間有拉上一根線。於是人們設立了電話局,每個電話用戶都接一根線到電話局的一個大電路板上。當A希望和B通話時,就請求電話局的接線員接通B的電話。接線員用一根導線,一頭插在A接到電路板上的孔,另一頭插到B的孔,這就是「接續」,相當於臨時給A和B拉了一條電話線,這時雙方就可以通話了。當通話完畢后,接線員將電線拆下,這就是「拆線」。整個過程就是「人工交換」,它實際上就是一個「合上開關」和「斷開開關」的過程。因此,把「交換」譯為「開關」從技術上講更容易讓人理解。
電路程式控制交換機 人工交換的效率太低,不能滿足大規模部署電話的需要。隨著半導體技術的發展和開關電路技術的成熟,人們發現可以利用電子技術替代人工交換。電話終端用戶只要向電子設備發送一串電信號,電子設備就可以根據預先設定的程序,將請求方和被請求方的電路接通,並且獨佔此電路,不會與第三方共享(當然,由於設計缺陷的緣故,可能會出現多人共享電路的情況,也就是俗稱的「串線」)。這種交換方式被稱為「程式控制交換」。而這種設備也就是「程式控制交換機」。
由於程式控制交換的技術長期被發達國家壟斷,設備昂貴,中國的電話普及率一直不高。隨著當年華為、中興通訊等企業陸續自主研製出程式控制交換機,電話在中國得到迅速地普及。
目前,語音程式控制交換機普遍使用的通信協議為七號信令(Signalling System No.7)
乙太網交換機 隨著計算機及其互聯技術(也即通常所謂的「網路技術」)的迅速發展,乙太網成為了迄今為止普及率最高的短距離二層計算機網路。而乙太網的核心部件就是乙太網交換機。
不論是人工交換還是程式控制交換,都是為了傳輸語音信號,是需要獨佔線路的「電路交換」。而乙太網是一種計算機網路,需要傳輸的是數據,因此採用的是「包交換」。但無論採取哪種交換方式,交換機為兩點間提供「獨享通路」的特性不會改變。就乙太網設備而言,交換機和集線器的本質區別就在於:當A發信息給B時,如果通過集線器,則接入集線器的所有網路節點都會收到這條信息(也就是以廣播形式發送),只是網卡在硬體層面就會過濾掉不是發給本機的信息;而如果通過交換機,除非A通知交換機廣播,否則發給B的信息C絕不會收到(獲取交換機控制許可權從而監聽的情況除外)。
目前,乙太網交換機廠商根據市場需求,推出了三層甚至四層交換機。但無論如何,其核心功能仍是二層的乙太網數據包交換,只是帶有了一定的處理IP層甚至更高層數據包的能力。
光交換 光交換是人們正在研製的下一代交換技術。目前所有的交換技術都是基於電信號的,即使是目前的光纖交換機也是先將光信號轉為電信號,經過交換處理后,再轉回光信號發到另一根光纖。由於光電轉換速率較低,同時電路的處理速度存在物理學上的瓶頸,因此人們希望設計出一種無需經過光電轉換的「光交換機」,其內部不是電路而是光路,邏輯原件不是開關電路而是開關光路。這樣將大大提高交換機的處理速率。

8 交換機 -發展前景

作為區域網的主要連接設備,乙太網交換機成為應用普及最快的網路設備之一。隨著交換技術的不斷發展,乙太網交換機的價格急劇下降,交換到桌面已是大勢所趨。
如果你的乙太網絡上擁有大量的用戶、繁忙的應用程序和各式各樣的伺服器,而且你還未對網路結構做出任何調整,那麼整個網路的性能可能會非常低。解決方法之一是在乙太網上添加一個10/100Mbps的交換機,它不僅可以處理10Mbps的常規乙太網數據流,而且還可以支持100Mbps的快速乙太網連接。
如果網路的利用率超過了40%,並且碰撞率大於10%,交換機可以幫你解決一點問題。帶有 100Mbps快速乙太網和10Mbps乙太網埠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。
不僅不同網路環境下交換機的作用各不相同,在同一網路環境下添加新的交換機和增加現有交換機的交換埠對網路的影響也不盡相同。充分了解和掌握網路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儘可能的減少和過濾網路中的數據流量,所以如果網路中的某台交換機由於安裝位置設置不當,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路性能的作用,反而降低了數據的傳輸速度,增加了網路延遲。
除安裝位置之外,如果在那些負載較小,信息量較低的網路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、交換機的緩衝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,尤其當用戶的網路並不擁擠,尚有很大的可利用空間時,使用HUB更能夠充分利用網路的現有資源。

9 交換機 -選購標準

交換機乙太網交換機
交換機是非常的重要,他把握著一個網路的命脈,那麼如何選購交換機?用什麼交換機?在選購交換機時交換機的優劣無疑十分的重要,而交換機的優劣要從總體構架、性能和功能三方面入手。
交換機選購時。性能方面除了要滿足RFC2544建議的基本標準,即吞吐量、時延、丟包率外,隨著用戶業務的增加和應用的深入,還要滿足了一些額外的指標,如MAC地址數、路由表容量(三層交換機)、 ACL數目、LSP容量、支持VPN數量等。
交換機功能是最直接指標
一般的接入層交換機,簡單的QoS保證、安全機制、支持網管策略、生成樹協議和VLAN都是必不可少的功能,經過仔細分析,在某些功能進行進一步的細分,而這些細分功能正是導致產品差異的主要原因,也是體現產品附加值的重要途徑。
交換機的應用級QoS保證
交換機的QoS策略支持多級別的數據包優先順序設置,既可分別針對MAC地址、VLAN、IP地址、埠進行優先順序設置,給網吧業主在實際應用中為用戶提供更大的靈活性。如此同時,交如果換機具有良好的擁塞控制和流量限制的能力,支持 Diffserv區分服務,能夠根據源/目的的MAC/IP智能的區分不同的應用流,從而滿足實時網吧網路的多媒體應用的需求。注意的是,目前市場上的某些交換機號稱具有QoS保證,實際上只支持單級別的優先順序設置,為實際應用帶來很多不便,所有網吧業主在選購的時候需要注意。
交換機應有VLAN支持
VLAN即虛擬區域網,通過將區域網劃分為虛擬網路VLAN網段,可以強化網路管理和網路安全,控制不必要的數據廣播,網路中工作組可以突破共享網路中的地理位置限制,而根據管理功能來劃分子網。不同廠商的交換機對VLAN的支持能力不同,支持 VLAN的數量也不同。
交換機應有網管功能
網吧交換機的網管功能可以使用管理軟體來管理、配置交換機,比如可通過Web瀏覽器、 Telnet、SNMP、RMON等管理。通常,交換機廠商都提供管理軟體或第三方管理軟體遠程管理交換機。一般的交換機滿足 SNMPMIBI/MIBII統計管理功能,並且支持配置管理、服務質量的管理、告警管理等策略,而複雜一些的千兆交換機會通過增加內置RMON組 (mini-RMON)來支持RMON主動監視功能。
交換機應支持鏈路聚合
鏈路聚合可以讓交換機之間和交換機與伺服器之間的鏈路帶寬有非常好的伸縮性,比如可以把2個、 3個、4個千兆的鏈路綁定在一起,使鏈路的帶寬成倍增長。鏈路聚合技術可以實現不同埠的負載均衡,同時也能夠互為備份,保證鏈路的冗餘性。在一些千兆乙太網交換機中,最多可以支持4組鏈路聚合,每組中最大4個埠。生成樹協議和鏈路聚合都可以保證一個網路的冗餘性。在一個網路中設置冗餘鏈路,並用生成樹協議讓備份鏈路阻塞,在邏輯上不形成環路,而一旦出現故障,啟用備份鏈路。
交換機要支持VRRP協議
VRRP(虛擬路由冗餘協議)是一種保證網路可靠性的解決方案。在該協議中,對共享多存取訪問介質上終端IP設備的默認網關(DefaultGateway)進行冗餘備份,從而在其中一台三層交換機設備宕機時,備份的設備會及時接管轉發工作,向用戶提供透明的切換,提高了網路服務質量。VRRP協議與Cisco的 HSRP協議有異曲同工之妙,只不過HSRP是Cisco私有的。目前,主流交換機廠商均已在其產品中支持了VRRP協議,但廣泛應用還尚需時日。

10 交換機 -傳輸速度

交換機的傳輸速度是指交換機埠的數據交換速度。目前常見的有10Mbps、100Mbps、1000Mbps等幾類。除此之外,還有 10GMbps交換機,但目前很少。
10M/100Mbps/1000Mbps自適應交換機適合工作組級別使用,純100Mbps或1000Mbps交換機一般應用在部門級以上的應用或骨幹級別的應用當中。10GMbps的交換機主要用在電信等骨幹網路上,其他應用很少涉及到。

11 交換機 -傳輸模式

傳輸模式有全雙工,半雙工,全雙工/半雙工自適應
交換機的全雙工是指交換機在發送數據的同時也能夠接收數據,兩者同步進行,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。目前的交換機都支持全雙工。
全雙工的好處在於遲延小,速度快。
提到全雙工,就不能不提與之密切對應的另一個概念,那就是「半雙工」,所謂半雙工就是指一個時間段內只有一個動作發生,舉個簡單例子,一天窄窄的馬路,同時只能有一輛車通過,當目前有兩量車對開,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、以及早期集線器等設備都是實行半雙工的產品。隨著技術的不斷進步,半雙工會逐漸退出歷史舞台。

12 交換機 -埠類型

埠類型是指交換機上的埠是乙太網、令牌環、FDDI還是ATM等類型,一般來說固定埠交換機只有單一類型的埠,適合中小企業或個人用戶使用,而模塊化交換機由於可以有不同介質類型的模塊可供選擇,故埠類型更為豐富,這類交換機適合部門級以上級別用戶選擇。
快速乙太網交換機埠類型一般包括10Base-T、100Base-TX、100Base-FX,其中10Base-T和100Base-TX一般是由10M/100M自適應埠提供,即通常我們所講的RJ-45埠。如下圖左圖所示為10Base-T 網RJ-45埠,而右圖所示的為10/100Base-TX網RJ-45埠。其實這兩種RJ-45埠僅就埠本身而言是完全一樣的,但埠中對應的網路電路結構是不同的,所以也不能隨便接。

13 交換機 -技術

交換機交換機

1.埠交換

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),不用網橋或路由連接,網路之間是互不相通的。以大主模塊插入后通常被分配到某個背板的網段上,埠交換用於將以太模塊的埠在背板的多個網段之間進行分配、平衡。

根據支持的程度,埠交換還可細分為:

模塊交換:將整個模塊進行網段遷移。
埠組交換:通常模塊上的埠被劃分為若干組,每組埠允許進行網段遷移。

埠級交換:支持每個埠在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基於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介質的特點,自而未能稱之為真正的交換。

2.幀交換

幀交換是應用最廣的區域網交換技術,它通過對傳統傳輸媒介進行微分段,提供并行傳送的機制,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,交換機只讀出網路幀的前14個位元組,便將網路幀傳送到相應的埠上。
存儲轉發:通過對網路幀的讀取進行驗錯和控制。
前一種方法的交換速度非常快,但缺乏對網路幀進行更高級的控制,缺乏智能性和安全性,同時也無法支持具有不同速率的埠的交換。因此,各廠商把后一種技術作為重點。有的廠商甚至對網路幀進行分解,將幀分解成固定大小的信元,該信元處理極易用硬體實現,處理速度快,同時能夠完成高級控制功能(如美國MADGE公司的LET集線器)如優先順序控制。
3.信元交換
ATM技術採用固定長度53個位元組的信元交換。由於長度固定,因而便於用硬體實現。ATM採用專用的非差別連接,并行運行,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、節點建立多個虛擬鏈接,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。但隨著萬兆乙太網的出現,曾經代表網路和通訊技術發展的未來方向的ATM技術,開始逐漸失去存在的意義。

14 交換機 -層數區別

交換機交換機

二層交換

二層交換技術的發展比較成熟,二層交換機屬數據鏈路層設備,可以識別數據包中的MAC地址信息,根據MAC地址進行轉發,並將這些MAC地址與對應的埠記錄在自己內部的一個地址表中。

具體的工作流程如下:

1)當交換機從某個埠收到一個數據包,它先讀取包頭中的源MAC地址,這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個埠上的;
2)再去讀取包頭中的目的MAC地址,並在地址表中查找相應的埠;
3)如表中有與這目的MAC地址對應的端,把數據包直接複製到這埠上;
4)如表中找不到相應的埠則把數據包廣播到所有埠上,當目的機器對源機器回應時,交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個埠對應,在下次傳送數據時就不再需要對所有埠進行廣播了。不斷的循環這個過程,對於全網的MAC地址信息都可以學習到,二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。
從二層交換機的工作原理可以推知以下三點:
1)由於交換機對多數埠的數據進行同時交換,這就要求具有很寬的交換匯流排帶寬,如果二層交換機有N個埠,每個埠的帶寬是M,交換機匯流排帶寬超過N×M,那麼這交換機就可以實現線速交換;
2)學習埠連接的機器的MAC地址,寫入地址表,地址表的大小(一般兩種表示方式:一為BEFFERRAM,一為MAC表項數值),地址表大小影響交換機的接入容量;
3)還有一個就是二層交換機一般都含有專門用於處理數據包轉發的ASIC(ApplicationspecificIntegratedCircuit)晶元,因此轉發速度可以做到非常快。由於各個廠家採用ASIC不同,直接影響產品性能。
以上三點也是評判二三層交換機性能優劣的主要技術參數。
三層交換
下面先來通過一個簡單的網路來看看三層交換機的工作過程。
使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B比如A要給B發送數據,已知目的IP,那麼A就用子網掩碼取得網路地址,判斷目的IP是否與自己在同一網段。如果在同一網段,但不知道轉發數據所需的MAC地址,A就發送一個ARP請求,B返回其MAC地址,A用此MAC封裝數據包併發送給交換機,交換機起用二層交換模塊,查找MAC地址表,將數據包轉發到相應的埠。
如果目的IP地址顯示不是同一網段的,那麼A要實現和B的通訊,在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目,就將第一個正常數據包發送向一個預設網關,這個預設網關一般在操作系統中已經設好,對應第三層路由模塊,所以可見對於不是同一子網的數據,最先在MAC表中放的是預設網關的MAC地址;然後就由三層模塊接收到此數據包,查詢路由表以確定到達B的路由,將構造一個新的幀頭,其中以預設網關的MAC地址為源MAC地址,以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發機制,確立主機A與B的MAC地址及轉發埠的對應關係,並記錄進流緩存條目表,以後的A到B的數據,就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉發。
以上就是三層交換機工作過程的簡單概括,可以看出三層交換的特點:
1)由硬體結合實現數據的高速轉發。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加,三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板匯流排上,突破了傳統路由器的介面速率限制,速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬,這些是三層交換機性能的兩個重要參數。
2)簡潔的路由軟體使路由過程簡化。大部分的數據轉發,除了必要的路由選擇交由路由軟體處理,都是又二層模塊高速轉發,路由軟體大多都是經過處理的高效優化軟體,並不是簡單照搬路由器中的軟體。
二層和三層交換機的選擇
二層交換機用於小型的區域網絡。這個就不用多言了,在小型區域網中,廣播包影響不大,二層交換機的快速交換功能、多個接入埠和低謙價格為小型網路用戶提供了很完善的解決方案。路由器的優點在於介面類型豐富,支持的三層功能強大,路由能力強大,適合用於大型的網路間的路由,它的優勢在於選擇最佳路由,負荷分擔,鏈路備份及和其他網路進行路由信息的交換等等路由器所具有功能。
三層交換機的最重要的功能是加快大型區域網絡內部的數據的快速轉發,加入路由功能也是為這個目的服務的。如果把大型網路按照部門,地域等等因素劃分成一個個小區域網,這將導致大量的網際互訪,單純的使用二層交換機不能實現網際互訪;如單純的使用路由器,由於介面數量有限和路由轉發速度慢,將限制網路的速度和網路規模,採用具有路由功能的快速轉發的三層交換機就成為首選。一般來說,在內網數據流量大,要求快速轉發響應的網路中,如全部由三層交換機來做這個工作,會造成三層交換機負擔過重,響應速度受影響,將網間的路由交由路由器去完成,充分發揮不同設備的優點,不失為一種好的組網策略,當然,前提是客戶的腰包很鼓,不然就退而求其次,讓三層交換機也兼為網際互連。
四層交換
第四層交換的一個簡單定義是:它是一種功能,它決定傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層網橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據TCP/UDP(第四層)應用埠號。第四層交換功能就象是虛IP,指向物理伺服器。它傳輸的業務服從的協議多種多樣,有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協議。這些業務在物理伺服器基礎上,需要複雜的載量平衡演算法。
在IP世界,業務類型由終端TCP或UDP埠地址來決定,在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP埠共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的伺服器組設立虛IP地址(VIP),每組伺服器支持某種應用。在域名伺服器(DNS)中存儲的每個應用伺服器地址是VIP,而不是真實的伺服器地址。當某用戶申請應用時,一個帶有目標伺服器組的VIP連接請求(例如一個TCPSYN包)發給伺服器交換機。伺服器交換機在組中選取最好的伺服器,將終端地址中的VIP用實際伺服器的IP取代,並將連接請求傳給伺服器。這樣,同一區間所有的包由伺服器交換機進行映射,在用戶和同一伺服器間進行傳輸。
第四層交換的原理
OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信,即在網路源和目標系統之間協調通信。在IP協議棧中這是TCP(一種傳輸協議)和UDP(用戶數據包協議)所在的協議層。在第四層中,TCP和UDP標題包含埠號(portnumber),它們可以唯一區分每個數據包包含哪些應用協議(例如HTTP、FTP等)。端點系統利用這種信息來區分包中的數據,尤其是埠號使一個接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包類型,並把它交給合適的高層軟體。埠號和設備IP地址的組合通常稱作插口(socket)。1和255之間的埠號被保留,他們稱為熟知埠,也就是說,在所有主機TCP/IP協議棧實現中,這些埠號是相同的。除了熟知埠外,標準UNIX服務分配在256到1024埠範圍,定製的應用一般在1024以上分配埠號。分配埠號的最近清單可以在RFC1700"AssignedNumbers"上找到。
TCP/UDP埠號提供的附加信息可以為網路交換機所利用,這是第四層交換的基礎。具有第四層功能的交換機能夠起到與伺服器相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。每台伺服器和支持單一或通用應用的伺服器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被發送出去並在域名系統上註冊。在發出一個服務請求時,第四層交換機通過判定TCP開始,來識別一次會話的開始。然後它利用複雜的演算法來確定處理這個請求的最佳伺服器。一旦做出這種決定,交換機就將會話與一個具體的IP地址聯繫在一起,並用該伺服器真正的IP地址來代替伺服器上的VIP地址。
每台第四層交換機都保存一個與被選擇的伺服器相配的源IP地址以及源TCP埠相關聯的連接表。然後第四層交換機向這台伺服器轉發連接請求。所有後續包在客戶機與伺服器之間重新影射和轉發,直到交換機發現會話為止。在使用第四層交換的情況下,接入可以與真正的伺服器連接在一起來滿足用戶制定的規則,諸如使每台伺服器上有相等數量的接入或根據不同伺服器的容量來分配傳輸流。
如何選用合適的第四層交換
1)速度

為了在企業網中行之有效,第四層交換必須提供與第三層線速路由器可比擬的性能。也就是說,第四層交換必須在所有埠以全介質速度操作,即使在多個千兆乙太網連接上亦如此。千兆乙太網速度等於以每秒1488000個數據包的最大速度路由(假定最壞的情形,即所有包為以及網定義的最小尺寸,長64位元組)。
2)伺服器容量平衡演算法
依據所希望的容量平衡間隔尺寸,第四層交換機將應用分配給伺服器的演算法有很多種,有簡單的檢測環路最近的連接、檢測環路時延或檢測伺服器本身的閉環反饋。在所有的預測中,閉環反饋提供反映伺服器現有業務量的最精確的檢測。
3)表容量
應注意的是,進行第四層交換的交換機需要有區分和存貯大量發送表項的能力。交換機在一個企業網的核心時尤其如此。許多第二/三層交換機傾向發送表的大小與網路設備的數量成正比。對第四層交換機,這個數量必須乘以網路中使用的不同應用協議和會話的數量。因而發送表的大小隨端點設備和應用類型數量的增長而迅速增長。第四層交換機設計者在設計其產品時需要考慮表的這種增長。大的表容量對製造支持線速發送第四層流量的高性能交換機至關重要.
4)冗餘
第四層交換機內部有支持冗餘拓撲結構的功能。在具有雙鏈路的網卡容錯連接時,就可能建立從一個伺服器到網卡,鏈路和伺服器交換器的完全冗餘系統。

15 交換機 -管理方式

交換機交換機
可網管交換機可以通過以下幾種途徑進行管理:通過RS-232串列口(或并行口)管理、通過網路瀏覽器管理和通過網路管理軟體管理。
1.通過串口管理
可網管交換機附帶了一條串口電纜,供交換機管理使用。先把串口電纜的一端插在交換機背面的串口裡,另一端插在普通電腦的串口裡。然後接通交換機和電腦電源。在Windows98和Windows2000里都提供了「超級終端」程序。打開「超級終端」,在設定好連接參數后,就可以通過串口電纜與交換機交互了,如圖1所示。這種方式並不佔用交換機的帶寬,因此稱為「帶外管理」(Outofband)。在這種管理方式下,交換機提供了一個菜單驅動的控制台界面或命令行界面。可以使用「Tab」鍵或箭頭鍵在菜單和子菜單里移動,按回車鍵執行相應的命令,或者使用專用的交換機管理命令集管理交換機。不同品牌的交換機命令集是不同的,甚至同一品牌的交換機,其命令也不同。使用菜單命令在操作上更加方便一些。
2.通過Web管理
可網管交換機可以通過Web(網路瀏覽器)管理,但是必須給交換機指定一個IP地址。這個IP地址除了供管理交換機使用之外,並沒有其他用途。在默認狀態下,交換機沒有IP地址,必須通過串口或其他方式指定一個IP地址之後,才能啟用這種管理方式。
使用網路瀏覽器管理交換機時,交換機相當於一台Web伺服器,只是網頁並不儲存在硬碟裡面,而是在交換機的NVRAM裡面,通過程序可以把NVRAM裡面的Web程序升級。當管理員在瀏覽器中輸入交換機的IP地址時,交換機就像一台伺服器一樣把網頁傳遞給電腦,此時感覺就像在訪問一個網站一樣。這種方式佔用交換機的帶寬,因此稱為「帶內管理」(Inband)。如果管理交換機,只要點擊網頁中相應的功能項,在文本框或下拉列表中改變交換機的參數就可以了。Web管理這種方式可以在區域網上進行,所以可以實現遠程管理。
3.通過網管軟體管理
可網管交換機均遵循SNMP協議(簡單網路管理協議),SNMP協議是一整套的符合國際標準的網路設備管理規範。凡是遵循SNMP協議的設備,均可以通過網管軟體來管理。只需要在一台網管工作站上安裝一套SNMP網路管理軟體,通過區域網就可以很方便地管理網路上的交換機、路由器、伺服器等。通過SNMP網路管理軟體的界面,它也是一種帶內管理方式。可網管交換機的管理可以通過以上三種方式來管理。究竟採用哪一種方式呢?在交換機初始設置的時候,往往得通過帶外管理;在設定好IP地址之後,就可以使用帶內管理方式了。帶內管理因為管理數據是通過公共使用的區域網傳遞的,可以實現遠程管理,然而安全性不強。帶外管理是通過串口通信的,數據只在交換機和管理用機之間傳遞,因此安全性很強;然而由於串口電纜長度的限制,不能實現遠程管理。所以採用哪種方式得看對安全性和可管理性的要求了。

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