交換機基本原理

交換技術是一個具有簡化、低價、高性能和高連線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路性能，遠遠超過了普通橋接網際網路之間的轉發性能。

概述

交換技術允許共享型和專用型的區域網路段進行頻寬調整，以減輕區域網路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頻寬。協定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定網路中；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。

交換機分為兩大類：第二層交換機和第三層交換機。

第二層交換機

近年來，人們越來越多地用一種新的稱為第二層交換機的設備來取代集線器，特別是在高速區域網路環境下。第二層交換機有時也被稱為交換集線器。

集線器採用星形布局將站點與集線器相連。在這種布局中，來自任何站點的傳輸都會由集線器接收，然後在集線器的所有外出線路上重傳。因此為了避免衝突，一次只允許一個站點傳送。集線器與簡單的匯流排布局相比有幾個優點。它利用了標準建築物中布好的電纜作為實際的線路。另外，可以對集線器進行設定，使它能夠識別因故障而造成網路堵塞的站點，並將站點剔出網路。

我們可以通過使用第二層交換機取得更高的性能。在這種情況下，中央集線器起交換機的作用，就像分組交換機或電路交換機。在第二層交換機中，來自某個站點的入口幀被交換到適當的出口線路上，然後交付到預期的目的點。與此同時，其他未使用的線路可用於交換其他通信量。第二層交換機有以下一些引人注目的優勢：

1. 從匯流排形區域網路或集線器區域網路轉變為交換區域網路，連線設備在軟體或硬體上不需要做任何修改。如果原來是以太區域網路，那么各連線設備繼續使用乙太網媒體接入控制協定來接入區域網路。從連線設備的角度來看，接入邏輯沒有任何改變。

2. 每個連線設備都有相當於原來整個區域網路的容量的專用容量，只要第二層交換機有足夠的容量為所有連線設備服務。

3. 第二層交換機擴容簡單。只要相應地增加第二層交換機的容量，就能將更多的設備連線到第二層交換機上。

目前市場上有兩種類型的第二層交換機：

A. 存儲轉發交換機：這種第二層交換機從輸入線路上接收幀，先快取一下，然後再通過路由選擇將其發到適當的輸出線路上。

B. 直通式交換機：這種第二層交換機利用了這樣一個事實，目的地址總是出現在MAC幀的最前面。一旦第二層交換機識別出目的地址，它就將收到的幀轉發到適當的輸出線路上。

直通式交換機能夠取得最大可能的吞吐量，但有些冒險，它可能會傳播損壞的幀，因為交換機重傳之前無法做CRC檢查。存儲轉發交換機會在傳送方和接收方之間引起一些延遲，但它增進了網路的整體一致性。

第三層交換機

第二層交換機提供的性能越來越好，可以滿足個人計算機、工作站以及伺服器產生的大通信量。但是，隨著一幢樓或樓群中的設備數量不斷增加，第二層交換機也顯露出不足之處。尤其是出現了兩個問題：廣播超負荷和缺少多鏈路。為此，有些運營商推出了第三層交換機，它在硬體上實現了路由器的分組轉發邏輯。

市場上有多種不同的第三層交換機體制，不過從本質上看，可以把它們分為兩大類：分組式交換機和基於流的交換機。分組式交換機與傳統路由器的操作方式相同。由於轉發邏輯由硬體實現，與基於軟體的路由器相比，分組式交換機在性能上呈數量級地增長。基於流的交換機試圖通過識別具有相同源點和終點的IP分組流來提高性能。具體做法是通過觀察當前通信量或是在分組首部中使用特殊的流標籤（在IPv6中允許，但在IPv4中不可以）。一旦流被識別後，就可以建立一條經過網路預先定義的路由，以此加快轉發處理速度。同樣，它與完全基於軟體的路由器相比，大大提高了性能。

三種交換技術

連線埠交換

連線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），不用網橋或路由連線，網路之間是互不相通的。以太主模組插入後通常被分配到背板的某個網段上，連線埠交換用於將以太模組的連線埠在背板的多個網段之間進行分配、平衡。根據支持的程度，連線埠交換還可細分為：

模組交換：將整個模組進行網段遷移。

連線埠組交換：通常模組上的連線埠被劃分為若干組，每組連線埠允許進行網段遷移。

連線埠級交換：支持每個連線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，那么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。

幀交換

幀交換是套用最廣的區域網路交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行微分段，提供並行傳送的機制，以減小衝突域，獲得高的頻寬。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，交換機唯讀出網路幀的前14個位元組，便將網路幀傳送到相應的連線埠上。·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，缺乏智慧型性和安全性，同時也無法支持具有不同速率的連線埠的交換。因此，各廠商把後一種技術作為重點。

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，如優先權控制。

信元交換

ATM技術代表了網路和通訊技術發展的未來方向，也是解決網路通信中眾多難題的一劑“良藥”，ATM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線，並行運行，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、節點建立多個虛擬連結，以保障足夠的頻寬和容錯能力。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的頻寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。