交换机基本原理概述

近年来，人们越来越多地用一种新的称为第二层交换机的设备来取代集线器，特别是在高速局域网环境下。第二层交换机有时也被称为交换集线器。

集线器采用星形布局将站点与集线器相连。在这种布局中，来自任何站点的传输都会由集线器接收，然后在集线器的所有外出线路上重传。因此为了避免冲突，一次只允许一个站点发送。集线器与简单的总线布局相比有几个优点。它利用了标准建筑物中布好的电缆作为实际的线路。另外，可以对集线器进行设置，使它能够识别因故障而造成网络堵塞的站点，并将站点剔出网络。

我们可以通过使用第二层交换机取得更高的性能。在这种情况下，中央集线器起交换机的作用，就像分组交换机或电路交换机。在第二层交换机中，来自某个站点的入口帧被交换到适当的出口线路上，然后交付到预期的目的点。与此同时，其他未使用的线路可用于交换其他通信量。第二层交换机有以下一些引人注目的优势：

1. 从总线形局域网或集线器局域网转变为交换局域网，连接设备在软件或硬件上不需要做任何修改。如果原来是以太局域网，那么各连接设备继续使用以太网媒体接入控制协议来接入局域网。从连接设备的角度来看，接入逻辑没有任何改变。

2. 每个连接设备都有相当于原来整个局域网的容量的专用容量，只要第二层交换机有足够的容量为所有连接设备服务。

3. 第二层交换机扩容简单。只要相应地增加第二层交换机的容量，就能将更多的设备连接到第二层交换机上。

目前市场上有两种类型的第二层交换机：

A. 存储转发交换机：这种第二层交换机从输入线路上接收帧，先缓存一下，然后再通过路由选择将其发到适当的输出线路上。

B. 直通式交换机：这种第二层交换机利用了这样一个事实，目的地址总是出现在MAC帧的最前面。一旦第二层交换机识别出目的地址，它就将收到的帧转发到适当的输出线路上。

直通式交换机能够取得最大可能的吞吐量，但有些冒险，它可能会传播损坏的帧，因为交换机重传之前无法做CRC检查。存储转发交换机会在发送方和接收方之间引起一些延迟，但它增进了网络的整体一致性。

第二层交换机提供的性能越来越好，可以满足个人计算机、工作站以及服务器产生的大通信量。但是，随着一幢楼或楼群中的设备数量不断增加，第二层交换机也显露出不足之处。尤其是出现了两个问题：广播超负荷和缺少多链路。为此，有些运营商推出了第三层交换机，它在硬件上实现了路由器的分组转发逻辑。

市场上有多种不同的第三层交换机体制，不过从本质上看，可以把它们分为两大类：分组式交换机和基于流的交换机。分组式交换机与传统路由器的操作方式相同。由于转发逻辑由硬件实现，与基于软件的路由器相比，分组式交换机在性能上呈数量级地增长。基于流的交换机试图通过识别具有相同源点和终点的IP分组流来提高性能。具体做法是通过观察当前通信量或是在分组首部中使用特殊的流标签（在IPv6中允许，但在IPv4中不可以）。一旦流被识别后，就可以建立一条经过网络预先定义的路由，以此加快转发处理速度。同样，它与完全基于软件的路由器相比，大大提高了性能。

交换机基本原理端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以太主模块插入后通常被分配到背板的某个网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：

模块交换：将整个模块进行网段迁移。

端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在一定程度进行客错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。

交换机基本原理帧交换

帧交换是应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能，如优先级控制。

交换机基本原理信元交换

ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。

交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。

交换机分为两大类：第二层交换机和第三层交换机。

交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（switchedEthernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernetswitch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。1.局域网交换机的分类：按照所执行的功能不同，局域网交换机可以分为两种。（1）二层交换：执行桥接功能，是根据MAC地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。（2）三层交换：是根据IP地址转发数据，具有路由功能。三层交换是二层交换与路由功能的有机组合。

宽带ISDN交换机采用异步转移模式（见异步转移方式交换）来传送信息。所有的信息都组装成信元，以异步时分复用的方式进行传输。信元长53字节，包括48字节信息段和5字节信头，信头中包含了该信元的路由信息。宽带ISDN交换机的主要任务就是根据信头中的路由信息将信元快速地送往目的地。宽带ISDN交换机不再采用分开的电路交换和分组交换实体，而改用统一的ATM交换结构，为所有的宽带ISDN业务交换信息。很多国家已研制成功了宽带ISDN交换机的模型，并开展了宽带ISDN试验。