网络交换机原理及选择

现代通信技术概论（第2版）第1页共6页网络交换机原理及选择欧祥云201214801107摘要：随着计算机网络的发展，网络交换机应用越来越广泛，技术不断发展，文章简单介绍了网络交换机工作原理。交换机的不同分类方法及如何根据实际情况为局域网选择合适的网络交换机。关键词：网络交换机；分类；选择引言：网络互联的高速发展，导致网络交换技术的出现，网络交换机也随之应运而生。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。网络交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。随着交换技术的发展，交换机由原来工作在0SI很M的第二层，发展到现在有可以工作在第四层的交换机出现，所以根据工作的协议层交换机可分第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。由于第四层交换机交换技术尚未真正成熟且价格昂贵，第四层交换机在实际应用中目前还较少见。一、二层交换与第三层交换以及路由器的区别第二层交换技术工作于数据链路层。它按所接收到数据包的目的MAC地址在内部地址表中对应端口进行转发，将本数据包MAC地址与对应端口记录在内部地址表中，MAC地址不在表内的就进行广播等待回应。因而二层交换机对MAC地址具有学习功能，对于网络层或高层协议来说是透明的，数据交换靠专用处理数据包转发的ASIC(应用专用集成芯片组)实现速度很快。但它不能处理三层及三层以上的协议，不能处理不同IP子网间的数据交换。第三层交换工作于OSI七层模型中的第三层，是利用三层协议中的IP包包头信息对后续数据流进行标记，进行帧头重组，将具有同一标记的数据流的报文交换到数据链路层，即提供一条目标地址与源地址之问的一条数据通道。因此，三层交换机不必拆包便可判断路由，从而将数据包直接转发，进行数据交换。从而可以实现不同子网IP包交换。另外三层路由模块不是简单的二层交换机与路由器的简单叠加，它是由三层路由模块叠)Jl-层交换高速背板总线速率可达10Gbit／s，其中大部分必需的路由软件处理的数据转发为三层转发外，其余均为二层高速转发。路由器工作于OSI第三层网络层，工作模式与二层相似。路由器主要决定最佳路由并转发数据包。路由器内有一个路由表，其中记录各种链路信息，供路由算法计算出到目的地的最佳路由。据此路由器再进行数据转发。如不能知道目的路由，则将包丢弃，并向源地址现代通信技术概论（第2版）第2页共6页返回信息。路由器可相互学习路由信息或将自已的链路状态进行广播，使路由信息按一定方式进行更新，从而由算法计算最佳路由。因此路由器路径计算工作量很大。路由器一般端口数量有限，路由转发速度慢。在内网数据流量较大，又要求快速转发响应时，常建议使用三层交换机，而将网问路由工作交由路由器完成。第三层交换具有以下突出特点：(1)有机的硬件结合使得数据交换加速(2)优化的路由软件使得路由过程效率提高(3)除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理(4)多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，保护了用户的投资路由器的转发采用最长匹配的方式，实现复杂，通常使用软件来实现，而三层交换机的路由查找是针对流的，它利用CACHE技术，很容易采用ASIC实现，因此可以大大的节约成本并实现快速转发。二、交换机的分类方法由于交换机具有许多优越性，它的应用和发展速度远远高于集线器，为了满足各种不同应用环境需求，出现了各种类型的交换机。根据不同划分方式，主要有以下分类：1、从网络覆盖范围划分(1)广域网交换机，主要是应用于电信城域互联、互联网接入等领域中，提供通信用的基础平台。(2)局域网交换机，一般应用于局域网络，用于连接终端设备，如服务器、工作站、集线器、路由器、网络打印机等网络设备，提供高速独立通信通道，这是最常见的交换机。2、根据传输介质和传输速度划分(1)以太网交换机，应用于带宽在100Mbps以下的以太网，应用领域最广泛，传输介质可以为：双绞线、细同轴电缆和粗同轴电缆等。(2)快速以太网交换机，应用于100Mbps快速以太网，传输介质可以为：双绞线、光纤。(3)千兆以太网交换机，应用于千兆以太网中，也称为“吉位(GB)以太网”，那是因为它的带宽可以达到1000Mbps。它一般用于一个大型网络的骨干恻段，传输介质可以为：光纤、双绞线。(4)10千兆以太网交换机，主要是为了适应当今l0干兆以太网络的接入，它一般是用于骨干网段上，传输介质为光纤。现代通信技术概论（第2版）第3页共6页(5)ATM交换机，用于ATM网络的交换机产品。ATM网络一般只广泛用于电信网的主干网段，传输介质一般采用光纤。(6)FDDI交换机，FDDI技术是在快速成以太网技术还没有开发出来之前开发的，它的传输速度可达到100Mbps，随着快速以太网技术的广泛应用，FDDI技术逐步会将淘汰，传输介质一般采用光纤。3、根据交换机工作的协议层划分(1)第二层交换机，是对应于OSIdRM的第一协议层来定义的，因为它只能工作在OSI／RM开放体系模型的第二层_一数据链路层。这是最原始的交换技术产品，目前第二层交换机应用最为普遍。(2)第三层交换机，是对应于OSIdRM开放体系模型的第三层一网络层来定义的，也就是说这类交换机可以工作在网络层，具有路由功能，它是将IP地址信息提供给网络路径选择，并实现不同网段间数据的线速交换。当网络规模较大时，可以根据特殊应用需求划分为小面独立的VLAN网段，以减小广播所造成的影响时。(3)第四层交换机，是采用第四层交换技术而开发出来的交换机产品，工作于OSIdRM模型的第四层，即传输层，直接面对具体应用。目前由于这种交换技术尚未真正成熟且价格昂贵，所以，第四层交换机在实际应用中目前还较少见。另外可根据应用层次划分：企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机、桌机型交换机五种：根据是否支持网管功能分：“网管型”和“非网管型”两大类；根据交换机的端口结构划分：固定端口交换机和模块化交换机两种不同的结构。三、交换机的选择方式通过应用技术的比较，可以看出，二层交换机主要用在小型局域网中，机器数量在二、三十台以下，这样的网络环境下，广播包影响不大，二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。在这种小型网络中根本没必要引入路由功能从而增加管理的难度和费用，所以没有必要使用路由器或三层交换机。三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，所以适用于大型局域网，为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个一个的小局域网，也就是把机器分为一个一个的小网段，这样会导致不同网段之间存在大量的互访，单纯使用二层交换机没办法实现网间的互访，而单纯使用路由器则由于端口数量有限，路由速度较慢，而限制了网络的规模和访问速度，所以这种环境下由二层交换技术和路由技术有机结合而成的三层交换机就最为适合。现代通信技术概论（第2版）第4页共6页路由器端口类型多，支持的三层协议多，路由能力强，所以适合于在大型网络之间的互连，一般大型网络的互连端口不多，互连设备的主要功能不在于在端口之间进行快速交换，而是要选择最佳路径进行负载分担，链路备份和最重要的与其它网络进行路由信息交换，所有这些都是路由完成的功能。三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，揉合进去的路由功能也是为这目的服务的，所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。在网络流量很大，但又要求响应速度很高的情况下，由三层交换机做网内的交换，由路由器专门负责网络的路由工作，这样就可以充分发挥不同设备的优势。在选择交换机具体设备时根据以上情况进行分析后，还要参考以下几项设备指标：1、转发技术直通转发技术就是交换机获取到数据包目的地址，就开始向目的端口发送数据包。通常，交换机在接收到数据包的前6个字节时，就已经知道目的地址，从而可以决定向哪个端口转发这个数据包。直通转发技术速率快、延时少和吞吐率高。但当网络中误码率较高时，交换机会转发所有的完整数据包和错误数据包，这将给整个交换网络带来许多错误通讯包。直通转发技术适用于网络链路质量好的网络环境存储转发技术要求交换机在接收到全部数据包后再决定如何转发，交换机在转发之前检查数据包完整性和正确性。它的优点是：没有残缺数据包转发，减少了潜在的不必要数据转发它的缺点是：转发速率比直接转发技术慢所以，存储转发技术比较适应于普通链路质量的网络环境。2、背板吞吐量及缓冲区大小背板吞吐最也称背板带宽，单位是每秒通过的数据包个数(pps)，表示交换机接1处理器或接2口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强。缓冲区大小，又叫做包缓冲区大小，是一种数据队列机制，由交换机用来进行不同网络设备之间的速度匹配速率高的设备所发送的数据可以存储在缓冲区内，直到被慢速设备处理为止。缓冲区大小由缓冲调度算法算出，过大的缓冲空间需要相对多的寻址时间，缓冲空间过小会在发生拥塞时引起丢包出错。3、延时交换机延时是指从交换机接收到数据包到开始向目的端口复制数据包之间的时间间隔。有许多因素会影响延时大小，比如转发技术、缓冲区大小等等。4、管理功能为方便网管员管理，及用户控制访问交换机，通常交换机应支持SNMPMIBI／MIBI统计管理功能以满足常用网管管理软件，如OPENVIEW、SUNSolsticeDomainManager现代通信技术概论（第2版）第5页共6页或IBM网络管理(NetView)远程管理交换机，甚至还会增加通过内置RMON组(mini—RMON)来支持RMON主动监视功能，或提供通过WEB页面、命令行方式(CLI)对设备进行远程的监控，以最终实现故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等常用管理功能。5、MAC地址表大小及MAC地址类型连接到局域网上的每个端口或设备都需要一个MAC地址，其他设备要用到此地址来定位特定的端口及更新路由表和数据结构。MAC地址表大小能反映出该设备所支持的节点数能力。单MAC地址类型交换机连接最终用户或非桥接设备，不能接集线器等多网络设备网段。多MAC地址交换机则可以在每端口存多个MAC地址具有较强的多节点支持能力。6、扩展树为保障网络的安全性，常对关键数据链路提供冗余备份链路，由于交换机实际上是多端口的透明桥接设备，从而引发“拓扑环”问题。交换机通过采用扩展树协议算法让网络中的每一个桥接设备相互知道，自动防止拓扑环现象。交换机并将检测到的“拓扑环”中的某个端口断开，以达到消除“拓扑环”的目的，维持网络中的拓扑树的完整性。7、是否全双工全双工端口可以同时发送和接收数据，但这要求交换机和所连接的设备都支持全双工工作方式。具有全双工功能的交换机可实现高吞吐量(两倍于单工模式端口吞吐量)、避免碰撞、突破CSMA,ED链路长度限制，通信链路的长度限制只与物理介质有关，交换机端口最好能实现全哗双工自动转换。8、高速端口集成交换机可以提供高带宽”管道”(固定端口、可选模块或多链路隧道)满足交换机的交换流量与上级主干的交换需求。防止出现主干通信瓶颈如FDDI、ATM、G比特光模块等。9、最大VLAN数量此参数反映了一台设备所能支持的最大VLAN数目，就目前交换机所能支持的最大VLAN数目(1024以上)来看，足以满足一般企业的需要。10、扩充性配置数、扩展槽数、最大可堆叠数、10/100／IO00M以太网端口数、最大ATM端口数、最大SONET端口数、最大FDDI端口数、最大电源数等多个硬件指标将直接反映交换机的扩充能力及与其它骨干网络设备的互联互通能力对不同的用户在选择中还有不同的要求，如实施对数据流的访问控制(ACL)、服务质量保证(QoS)、带宽管理以及各种控制和服务策略、支持的包过滤、负载均衡及在三层交换机对各种路由协议的支持程度等等。现代通信技术概论（第2版）第6页共6页总之，在进行网络规划设计和选择交换机时，应仔细考察交换机的各种功能，随着交换技术的高速发展，越来越多的交换机融合了其它网络设备的新功能，交换机的选择更需全面考虑，实时跟踪新产品