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交换机交换机(switch)是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。在计算机网络系统中,交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。HUB集线器就是一种共享设备,HUB本身不能识别目的地址,当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时,数据包在以 HUB为架构的网络上是以广播方式传输的,由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。在这种工作方式下,同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯,如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。

 

交换机是一种存储转发设备。以太网交换机采用存储转发(Store-Forward)技术或直通(Cut-Through)技术来实现信息帧的转发,也称为交换式集线器。交换机和网桥的不同在于:交换机端口数较多,数据传输效率高,转发延迟很小,吞吐量大,丢失率低,网络整体性能增强,远远超过了普通网桥连接网络时的转发性能。一般用于互连相同类型的局域网,如以太网与以太网的互连。


交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上,控制电路收到数据包以后,处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上,通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口,目的 MAC若不存在才广播到所有的端口,接收端口回应后交换机会“学习”新的地址,并把它添加入内部MAC地址表中。


使用交换机也可以把网络“分段”,通过对照MAC地址表,交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发,可以有效的隔离广播风暴,减少误包和错包的出现,避免共享冲突。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段,连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽,无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时,节点B可同时向节点C发送数据,而且这两个传输都享有网络的全部带宽,都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机,那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps,而使用10Mbps的共享式HUB时,一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。


交换机是一种基于MAC地址识别,能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径,使数据帧直接由源地址到达目的地址。


一、主要分类
从广义上来看,网络交换机分为两种:广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域,提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络,用于连接终端设备,如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的,一般来讲,企业级交换机都是机架式,部门级交换机可以是机架式(插槽数较少),也可以是固定配置式,而工作组级交换机为固定配置式(功能较为简单)。另一方面,从应用的规模来看,作为骨干交换机时,支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机,支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机,而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。本文所介绍的交换机指的是局域网交换机。
1、以太网机
随着计算机及其互联技术(也即通常所谓的“网络技术”)的迅速发展,以太网成为了迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。而以太网的核心部件就是以太网交换机。
不论是人工交换还是程控交换,都是为了传输语音信号,是需要独占线路的“电路交换”。而以太网是一种计算机网络,需要传输的是数据,因此采用的是“分组交换”。但无论采取哪种交换方式,交换机为两点间提供“独享通路”的特性不会改变。就以太网设备而言,交换机和集线器的本质区别就在于:当A发信息给B时,如果通过集线器,则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息(也就是以广播形式发送),只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息;而如果通过交换机,除非A通知交换机广播,否则发给B的信息C绝不会收到(获取交换机控制权限从而监听的情况除外)。
以太网交换机厂商根据市场需求,推出了三层甚至四层交换机。但无论如何,其核心功能仍是二层的以太网数据包交换,只是带有了一定的处理IP层甚至更高层数据包的能力。网络交换机是一个扩大网络的器材,能为子网络中提供更多的连接端口,以便连接更多的计算机。随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进,网络交换机市场呈稳步上升态势。它具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。
2、光交换机
光交换是人们正在研制的下一代交换技术。所有的交换技术都是基于电信号的,即使是的光纤交换机也是先将光信号转为电信号,经过交换处理后,再转回光信号发到另一根光纤。由于光电转换速率较低,同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈,因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”,其内部不是电路而是光路,逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。


二、交换方式
交换机通过以下三种方式进行交换:
1、直通式:
直通方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时,检查该包的包头,获取包的目的地址,启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口,在输入与输出交叉处接通,把数据包直通到相应的端口,实现交换功能。由于不需要存储,延迟非常小、交换非常快,这是它的优点。它的缺点是,因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来,所以无法检查所传送的数据包是否有误,不能提供错误检测能力。由于没有缓存,不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通,而且容易丢包。
2、存储转发:
存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来,然后进行CRC(循环冗余码校验)检查,在对错误包处理后才取出数据包的目的地址,通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此,存储转发方式在数据处理时延时大,这是它的不足,但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测,有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换,保持高速端口与低速端口间的协同工作。
3、碎片隔离:
这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节,如果小于64字节,说明是假包,则丢弃该包;如果大于64字节,则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快,但比直通式慢。


三、管理方式
可网管交换机可以通过以下几种途径进行管理:通过RS-232串行口(或并行口)管理、通过网络浏览器管理和通过网络管理软件管理。
1、串口管理
可网管交换机附带了一条串口电缆,供交换机管理使用。先把串口电缆的一端插在交换机背面的串口里,另一端插在普通电脑的串口里。然后接通交换机和电脑电源。在Windows 98和Windows 2000里都提供了“超级终端”程序。打开“超级终端”,在设定好连接参数后,就可以通过串口电缆与交换机交互了,如图1所示。这种方式并不占用交换机的带宽,因此称为“带外管理”(Out of band)。
在这种管理方式下,交换机提供了一个菜单驱动的控制台界面或命令行界面。你可以使用“Tab”键或箭头键在菜单和子菜单里移动,按回车键执行相应的命令,或者使用专用的交换机管理命令集管理交换机。不同品牌的交换机命令集是不同的,甚至同一品牌的交换机,其命令也不同。使用菜单命令在操作上更加方便一些。
2、Web管理
可网管交换机可以通过Web(网络浏览器)管理,但是必须给交换机指定一个IP地址。这个IP地址除了供管理交换机使用之外,并没有其他用途。在默认状态下,交换机没有IP地址,必须通过串口或其他方式指定一个IP地址之后,才能启用这种管理方式。
使用网络浏览器管理交换机时,交换机相当于一台Web服务器,只是网页并不储存在硬盘里面,而是在交换机的NVRAM里面,通过程序可以把NVRAM里面的Web程序升级。当管理员在浏览器中输入交换机的IP地址时,交换机就像一台服务器一样把网页传递给电脑,此时给你的感觉就像在访问一个网站一样,如图2所示。这种方式占用交换机的带宽,因此称为“带内管理”(In band)。
如果你想管理交换机,只要点击网页中相应的功能项,在文本框或下拉列表中改变交换机的参数就可以了。Web管理这种方式可以在局域网上进行,所以可以实现远程管理。
3、软件管理
可网管交换机均遵循SNMP协议(简单网络管理协议),SNMP协议是一整套的符合国际标准的网络设备管理规范。凡是遵循SNMP协议的设备,均可以通过网管软件来管理。你只需要在一台网管工作站上安装一套SNMP网络管理软件,通过局域网就可以很方便地管理网络上的交换机、路由器、服务器等。通过SNMP网络管理软件的界面如图3所示,它也是一种带内管理方式。
可网管交换机的管理可以通过以上三种方式来管理。究竟采用哪一种方式呢?在交换机初始设置的时候,往往得通过带外管理;在设定好IP地址之后,就可以使用带内管理方式了。带内管理因为管理数据是通过公共使用的局域网传递的,可以实现远程管理,然而安全性不强。带外管理是通过串口通信的,数据只在交换机和管理用机之间传递,因此安全性很强;然而由于串口电缆长度的限制,不能实现远程管理。所以采用哪种方式得看你对安全性和可管理性的要求了。

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