交換機如何工作

交換技術(shù)是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術(shù)的復(fù)雜交換技術(shù)在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器不同的是交換機轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，操作接近單局域網(wǎng)性能，遠遠超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)發(fā)性能。
交換技術(shù)允許共享型呵專用性大的局域網(wǎng)段進行帶寬調(diào)整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出現(xiàn)的瓶頸問題?，F(xiàn)在已經(jīng)有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術(shù)個交換產(chǎn)品。
    三種交換技術(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，不用網(wǎng)橋或路由器連接，網(wǎng)絡(luò)之間是互不相通的。以太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凳多個網(wǎng)段之間進行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口進行還可以細分為：
    *模塊交換：將整個模塊進行網(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，具有靈活性和負載平衡的能力等優(yōu)點.如果配置得當,那么還可以在一定程度進行容錯,但沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點,因而不能稱之為真正的交換.
    幀交換
    幀交換是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)交換技術(shù),它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進行微分段,提供并行傳送的機制,以減小沖突域,獲得高的帶寬.一般來說每個公司的產(chǎn)品德實現(xiàn)技術(shù)均回游差異,但對網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式有一下幾種:
    *真通交換:提供線速處理能力,交換機只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個字節(jié),便將網(wǎng)絡(luò)幀轉(zhuǎn)送到相應(yīng)得斷口上.
    *貯存轉(zhuǎn)發(fā):通過對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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端口的交換.因此,各廠商把后一種技術(shù)作為重點.

    信元交換
    ATM技術(shù)代表了網(wǎng)絡(luò)和通信中眾多難題的一劑"良藥".ATM采用固定長度53個字節(jié)的信元交換.由于長度固定,因而便于用硬件實現(xiàn).ATM采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(jié)點,但不會影響每個節(jié)點之間的通信能力.ATM還容許在源節(jié)點和目標節(jié)點之間的通信能力.ATM采用了統(tǒng)計時分電路進行復(fù)用,因而能大大提高通道德利用率.ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數(shù)GB的轉(zhuǎn)送能力。

    局域網(wǎng)交換機的種類及選擇

    局域網(wǎng)交換機根據(jù)使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為：
    *以太網(wǎng)交換機
    *令牌環(huán)交換機
    *FDDI交換機
    *ATM交換機
    *快速以太網(wǎng)交換機交換機

    如果按交換機應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，可分為：
    *臺式交換機
    *工作組交換機
    *主干交換機
    *企業(yè)級交換機
    *分段交換機
    *端口交換機
    *網(wǎng)絡(luò)交換機

    局域網(wǎng)計算機是組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心設(shè)備。對用戶而言，局域網(wǎng)交換機最主要的指標是端口的配置、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)交換能力、包交換速度等因素。因此，在選擇交換機時要注意一下事項“
    1.交換端口的數(shù)量
    2.交換端口的型號
    3.系統(tǒng)的擴充能力
    4.主干線的連接手段
    5.交換機總交換能力
    6.是否需要路由選擇能力
    7.是否需要熱切換能力
    8.是否需要容錯能力
    9.能否與現(xiàn)有設(shè)備兼容,順利銜接
    10.網(wǎng)絡(luò)管理能力

可堆疊交換機具有迅速部署、良好的價值、可伸縮性以及易于管理等優(yōu)點，目前得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在電子商務(wù)應(yīng)用中尤為流行。但是，完全根據(jù)每個用戶端口的價格來評估一臺可堆疊交換機并不能反映所有情況。事實上，如果廠商根據(jù)不符合實際條件的配置來計算每端口價格或做出其它斷言的話，只根據(jù)價格因素來判斷一種產(chǎn)品可能會誤導(dǎo)用戶。
    更全面評估可堆疊交換機的途徑是增加對可伸縮性和可管理性能的評估。在談到可伸縮性時，許多廠商列舉了用戶端口的數(shù)量來支持他們對高可靠性的保證，這是不夠的，還要考慮這種配置有沒有上行鏈路，還需確定交換機出現(xiàn)阻塞或飽和的位置。這里有三點需要考慮：

    內(nèi)部可伸縮性：堆疊設(shè)備之間的互聯(lián)將可伸縮性限制到什么程度？

    帶寬擴展：有多少端口可以在交換機過載前從10Mbps以太網(wǎng)升級到100Mbps以太網(wǎng)端口？

    外部可伸縮性：交換機上行鏈路將向網(wǎng)絡(luò)其它部分傳送的數(shù)據(jù)流限制到什么程度？

    以具有24個用戶端口的交換機為例。在這里我們有意使用“用戶端口”這個詞，因為在實際配置中，一定數(shù)量的端口已經(jīng)被用于服務(wù)器或內(nèi)部和外部連接。如果這24個端口都具有10Mbps的吞吐量，并且如果可堆疊設(shè)備與一個千兆以太網(wǎng)上行鏈路連接在一起，那么將8個端口升級到100Mbps 以太網(wǎng)將會使上行鏈路飽和。

    計算過程如下：8個100Mbps端口等于800Mbps 吞吐量，而余下的16個10Mbps端口等于160Mbps吞吐量?？傆?60Mbps 的吞吐量意味著在不阻塞1Gbps上行鏈路的情況下，無法實施進一步的快速以太網(wǎng)升級。

    此外，許多第3層可堆疊交換機不支持差別服務(wù)、服務(wù)類型或多協(xié)議標記交換，因而這類可堆疊交換機需要外部路由器或額外的第3層交換機來獲得所需要的管理特性。

    可管理性

    許多研究證明，涉及到運行和管理的費用在產(chǎn)品的生命期中耗費的資金比產(chǎn)品的最初購買費用要更多。因此，可管理性成為了評估總體價值的另一項關(guān)鍵因素。

    可堆疊交換機固有的優(yōu)勢在于管理單一邏輯實體比管理多臺必須獨立配置和監(jiān)控的設(shè)備更容易。但是，這里仍有其它一些需要研究的因素，包括用于優(yōu)先數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量（QoS）、執(zhí)行策略的能力、管理VLAN傳輸流的能力以及易于管理和操作性。

    QoS特性集中在保存所需帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)傳輸流來支持不同服務(wù)水平的需要。一般可堆疊交換機都支持描述優(yōu)先級和VLAN的IEEE 802.1p及802.1Q標準。但是當涉及到對資源保留協(xié)議（用于為特定數(shù)據(jù)流保留規(guī)定帶寬的通用機制）的支持時結(jié)果卻不盡相同，而資源保留對于在建立連接時保證有足夠的帶寬可供使用是不可或缺的。

    對策略的支持

    策略是指控制交換機行為的規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)管理員利用策略為應(yīng)用流分配帶寬、優(yōu)先級以及控制網(wǎng)絡(luò)訪問，其重點是滿足服務(wù)水平協(xié)議所需的帶寬管理策略及向交換機發(fā)布策略的方式。由于一次配置一臺交換機需要耗費大量人力，并有可能會出現(xiàn)輸入錯誤，因此策略必須發(fā)布到交換機組。在需要新策略時，大量的交換機應(yīng)能夠被迅速修改，因此，需檢查可堆疊交換機是否支持目錄使能網(wǎng)絡(luò)和輕目錄訪問協(xié)議，以及通用開放策略服務(wù)（一種有望實施的特性更豐富的協(xié)議）。

    用戶可以使用VLAN跨多臺交換機或堆疊設(shè)備來管理傳輸流。目前的產(chǎn)品都支持802.1Q標記定義的VLAN，許多產(chǎn)品還支持基于交換機端口、媒體訪問控制地址、第3層協(xié)議或策略的其它VLAN 。

 交換是當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的方向。路由技術(shù)是交換網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。交換網(wǎng)絡(luò)中路由技術(shù)選用得正確與否，將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的整體性能的好壞。因此路由技術(shù)越來越受到生產(chǎn)廠家與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員的重視。 
    
     一、三種路由技術(shù)
    目前交換網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)有三種，其中第一種是最為保守的方法，即第三層的路由器與第二層交換機相結(jié)合的方法。第二層交換機嚴格限制于橋結(jié)構(gòu)，用于同一虛擬網(wǎng)內(nèi)的不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，在OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)虛擬LAN的功能，將第三層的功能留給路由器實現(xiàn)，由路由器完成虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸與建立LAN與企業(yè)主干網(wǎng)連接的工作。
    第二種方法采用分布式路由技術(shù)。其特點是它使用多層交換機，將第二層的橋與第三層的路由結(jié)合在一起，有的文獻也將多層交換機稱之為第三層交換機。它本身所具有的路由功能支持虛擬LAN，并支持大多數(shù)同一虛擬網(wǎng)內(nèi)或不同虛擬網(wǎng)之間節(jié)點的通信，減少了工作組與部門之間所使用的路由器的數(shù)目。但它仍然不能完全擺脫使用傳統(tǒng)路由器，這是因為多層交換機只能提供高檔路由器所能提供的協(xié)議、安全、交通管理及與WAN連接功能的子集。如CISCO公司7000系列路由器能夠處理12種協(xié)議并支持點對點、電路交換與信元交換的廣域網(wǎng)通信，而Alantec公司生產(chǎn)的Powerhub多層交換機卻只能處理三種協(xié)議:DECnet、IP與IPX，并且沒有WAN接口。因此，多層交換機網(wǎng)絡(luò)中需要使用路由器作為廣域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，并完成較為復(fù)雜的路由功能。
　　 交換網(wǎng)中的第三種路由技術(shù)則采用了一種全新的結(jié)構(gòu):路由服務(wù)器與邊界交換機相結(jié)合。我們知道，傳統(tǒng)的路由器完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇兩項工作。而基于路由服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)則由兩個獨立的設(shè)備分別完成上述兩項功能:邊界交換機完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)，而路由信息的確定由價格較為昂貴的路由服務(wù)器完成。邊界交換機只有在自己的地址表中找不到目標節(jié)點的地址時才訪問路由服務(wù)器，此時路由器對之響應(yīng)一個正確的地址，交換機再將該信息緩存?zhèn)溆谩Ｐ枰赋龅氖?，目前路由服?wù)器與交換機之間的通信協(xié)議還不統(tǒng)一，不同廠家的產(chǎn)品還不兼容。
    二、比較與評價
　　 上述三種路由技術(shù)各有特色，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員可根據(jù)實際情況加以選用。為使人們對它們有更好的了解，我們分以下四個方面對它們進行比較。
    1.組網(wǎng)規(guī)模
    網(wǎng)絡(luò)的大小是選擇何種路由技術(shù)組網(wǎng)的決定性因素。第二層交換機與傳統(tǒng)路由器相結(jié)合的辦法適用于較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，其特點是經(jīng)濟實用。但當主干網(wǎng)擴展成比較大的網(wǎng)絡(luò)時，第二層虛擬LAN的開銷將明顯增大。
    隨著主干網(wǎng)的擴展，多層交換機的智能優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，由于它僅向那些屬于某一特定子網(wǎng)的網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)廣播，因此減少了主干網(wǎng)上廣播交通的數(shù)量。由于多層交換機組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)具有過濾功能，并能節(jié)省主干網(wǎng)的帶寬與端站點的時鐘，因此虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全性較好。另外，它與第一種方法相比，由于交換機可在工作組與部門范圍內(nèi)同時負責交換與路由選徑工作，故節(jié)省了傳統(tǒng)路由器使用的數(shù)目。分布式路由器法與路由服務(wù)器也比較適用于大型的分布式網(wǎng)絡(luò)。
    2.延遲
    網(wǎng)絡(luò)延遲的增加會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，網(wǎng)絡(luò)延遲的大小一般與設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)交通之前所必須處理的作業(yè)的大小成正比。對于第二層的以太交換機來講，由于第二層虛擬網(wǎng)本質(zhì)上使用橋而不使用路由器，因此相對速度較快，當執(zhí)行一個簡單的MAC地址尋找時，一個信息包(64字節(jié))的延遲小于100微秒。第三層路由器的使用增加了頭標的尋找及某些算法的執(zhí)行，因此大大增加了信息包的延遲，其延遲時間高達5毫秒。
    可見，對于由第二層交換機與第三層路由器結(jié)合組成的網(wǎng)絡(luò)，當交通經(jīng)由交換機時具有相當好的性能;當交通從一個交換機經(jīng)由路由器流向另一個交換機時性能較差。
    幾乎所有的第二層交換機與軟件配合使用都能將節(jié)點組成虛擬網(wǎng)絡(luò)(廣播域)，并以此改善網(wǎng)絡(luò)的性能。同一虛擬網(wǎng)內(nèi)節(jié)點之間的交通在MAC層進行交換，延遲較小。不同虛擬網(wǎng)之間的節(jié)點交換信息時，信息包傳遞要經(jīng)過路由器，此時網(wǎng)絡(luò)延遲較大。
    分布路由技術(shù)允許交換機在第三層協(xié)議子網(wǎng)ID虛擬網(wǎng)間傳遞信息，能克服上述路由器所形成的瓶頸。
    路由服務(wù)器法使用邊界交換機做出路徑的選擇。偶而在邊界交換機不知道發(fā)送目標地址時，才向路由服務(wù)器發(fā)詢問信息包，此時才會出現(xiàn)尋徑的延遲。正常情況下，交換機可以直接在緩存地址表中查找地址，之后可直接轉(zhuǎn)發(fā)信息包，此種情況下產(chǎn)生的延遲與MAC層交換機的延遲基本相同。
   
     3.管理
    路由信息存放于網(wǎng)絡(luò)中各個路由器中，每種協(xié)議都有相應(yīng)的表列。網(wǎng)管人員必須逐個對路由器進行配置，其中包括濾波器的設(shè)置，增加、修改路由表等。加之人機界面是基于文本的界面，因此當企業(yè)網(wǎng)擴展到較大規(guī)模時，路由器的管理與配置是相當費時的。
    分布式路由技術(shù)不利的一面是其管理的開銷與路由及交換表數(shù)目的增加呈指數(shù)增加趨勢。為了克服這一缺點，生產(chǎn)商家擬采用以下措施:在中心控制臺制定交通管制策略，并通過網(wǎng)絡(luò)自動傳播，從而避免對每個設(shè)備逐一配置，并增加圖形人機界面。
    路由服務(wù)器的特點是易于管理，只需對一個路由服務(wù)器的配置就可提供高質(zhì)量的服務(wù)與虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理。如Cabletron公司的Securefast管理程序就能夠允許網(wǎng)管人員利用屏幕，對不同組的用戶分配訪問權(quán)限，通過執(zhí)行該軟件將訪問權(quán)限通知所有的交換機。
    路由服務(wù)器方法的另一個優(yōu)點是，允許網(wǎng)管人員透明地制定交通管理策略，不必關(guān)心端站用戶的類型。例如，網(wǎng)管人員可將以太交換機上的節(jié)點與ATM上的服務(wù)器分配給同一個虛擬局域網(wǎng)，而不必輸入以太節(jié)點的MAC或IP地址，也不必輸入ATM節(jié)點的VPI/VCI。 4.價格
    價格是人們組網(wǎng)考慮的另一個主要因素。以下作者給出幾個公司生產(chǎn)的50、250、500個端口三種路由方式產(chǎn)品的平均每個端口價格的對比情況(見表1～2)。這里每個端口的價格是用端口的數(shù)目去除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總價格所得的結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括以太交換機、ATM交換機、路由服務(wù)器與第三層路由器。
    路由服務(wù)器組網(wǎng)方式只有Newbridge公司給出價格，其50、250、500個端口設(shè)備每個端口的平均價格分別為1920、1520與1435美元。
    從上面給出的數(shù)據(jù)可以看出，基于第二層交換與路由器方式組網(wǎng)的方案價格最便宜，分布式路由技術(shù)組網(wǎng)價格最高，而路由服務(wù)器方式組網(wǎng)價格適中。從中我們還可發(fā)現(xiàn)，使用第二層交換機與第三層路由器組網(wǎng)時，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，平均每個端口的價格越來越小，路由服務(wù)器組網(wǎng)的情況與之類似。但分布式路由器組網(wǎng)方式平均每個端口的價格受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響不大。
    三、與ATM主干的連接
    由于路由服務(wù)器與分布式路由方式組成的交換LAN與ATM主干相連目前還沒有統(tǒng)一的標準，故各公司提供的連接方式也不盡相同。
    常見的方法是將以太或令牌環(huán)局域網(wǎng)交換機的所有虛擬網(wǎng)的交通送往裝有ATM接口卡的路由器，但這種作法的缺點是路由器將會成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，影響了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
    較好的方法是，以太LAN交換機都備有各自的ATM接口，從而允許LAN交換機與ATM交換機直接建立連接，不必經(jīng)由路由器，這是一個明顯的改進。但不同虛擬網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸仍需經(jīng)過路由器，瓶頸依然存在。
    目前關(guān)于傳統(tǒng)的交通在ATM上傳輸有兩種標準:其一是ATM論壇制定
    的LAN仿真，另一種標準是國際計算機互連網(wǎng)絡(luò)工程任務(wù)組IETF制定的ATM上的傳統(tǒng)IP標準(IPOverATM)。LAN仿真運行于介質(zhì)訪問控制MAC層，它的最大好處是，能確保以太及令牌環(huán)的交通在不需對應(yīng)用程序及人機界面做任何改變的情況下在ATM網(wǎng)上正常運行。IPOverATM標準與LAN仿真具有相同的目的，與LAN仿真不同的是，它只允許ATM交通運行于IP網(wǎng)絡(luò)。但是，它們都沒有徹底地解決不同虛擬網(wǎng)之間交通的傳輸，仍需要在不同虛擬網(wǎng)之間設(shè)有路由器:路由器將信元裝配成信息包，完成路由選擇，并在發(fā)送前再將信息包恢復(fù)成信元，這樣做效率明顯要低得多。為了消除路由器形成的瓶頸，ATM論壇制定了ATM上的多協(xié)議傳輸標準(MPOA)，其目的是解決ATM上的多種協(xié)議的傳輸，這其中包括IP、IPX/SPX與Appletalk等。MPOA的不同虛擬網(wǎng)之間的路由交通是基于網(wǎng)絡(luò)層的交通信息(如IP子網(wǎng)地址)，以達到避免使用外部路由器的目的。

    四、結(jié)論
    綜上所述，三種路由器技術(shù)各有特點，各有所長，用戶可根據(jù)自己的實際需要加以選擇。需要強調(diào)的是，路由技術(shù)在當前，乃至于在可預(yù)見的未來，仍是交換網(wǎng)絡(luò)的一個非常重要的組成部分，路由技術(shù)選擇的正確與否會直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能，必須予以足夠的重視。