以太網(wǎng)交換機(jī)

概念

       1990 年問世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網(wǎng)的性能。交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī)（Ethernet Switch）或第二層交換機(jī)（表明此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層）。
需要說明的是，這里所指的“以太網(wǎng)交換機(jī)”是指傳輸帶寬在100Mbps以下的交換機(jī)，下面我們還會要講到一種“快速以太網(wǎng)交換機(jī)”、“千兆以太網(wǎng)交換機(jī)”和“萬兆以太網(wǎng)交換機(jī)”其實也是以太網(wǎng)交換機(jī)，只不過它們所采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、或者傳輸介質(zhì)不一樣，當(dāng)然其接口形式也可能不一樣。
 

接口

        以太網(wǎng)包括三種網(wǎng)絡(luò)接口：

RJ-45接口

        這種接口應(yīng)用最為普遍。因其適配線纜\傳輸介質(zhì)制作簡單，傳輸速率快。支持的雙工工作方式齊全。
 

BNC

        所用的傳輸介質(zhì)為細(xì)同軸電纜，當(dāng)前已不常見。不要以為一講以太網(wǎng)就都是RJ-45接口的，只不過雙絞線類型的RJ-45接口在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中非常普遍而已。
 

AUI

        所用的傳輸介質(zhì)為粗同軸電纜。當(dāng)前多是廣電寬帶采用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，范圍不廣。為了在RJ-45接口的基礎(chǔ)上兼顧同軸電纜介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)連接，配上BNC或AUI接口。
 

應(yīng)用

        以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用最為普遍，價格也較便宜，檔次齊全。因此，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在大大小小的局域網(wǎng)都可以見到它們的蹤影。以太網(wǎng)交換機(jī)通常都有幾個到幾十個端口，實質(zhì)上就是一個多端口的網(wǎng)橋。另外，它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的帶寬、提供半雙工、全雙工、自適應(yīng)的工作方式等。
 

特點
 

1、以太網(wǎng)交換機(jī)的每個端口都直接與主機(jī)相連，并且一般都工作在全雙工方式。
2、交換機(jī)能同時連通許多對的端口，使每一對相互通信的主機(jī)都能像獨占通信媒體那樣，進(jìn)行無沖突地傳輸數(shù)據(jù)。
3、共享傳輸媒體的帶寬，對于普通10 Mb/s 的共享式以太網(wǎng)，若共有N個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬（10 Mb/s）的N分之一。
 

涉及概念

Broadcast（廣播）
        遞送報文分組的一種方式，按這種方式送出的報文分組將送到與發(fā)送系統(tǒng)連通的廣播地址所覆蓋的所有計算機(jī)系統(tǒng)。
 

Collision（沖突）
        多個事件同時請求一個服務(wù)，而這個服務(wù)又不能區(qū)分和應(yīng)付多個請求所出現(xiàn)的現(xiàn)象。以太網(wǎng)交換機(jī)使用CSMA/CD 處理沖突和協(xié)調(diào)重新傳輸。
 

Full-duplex（全雙工）
        全雙工是在通道中同時雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?br /> 

Half-duplex（半雙工）
        在通道中同時只能沿著一個方向傳輸數(shù)據(jù)。
 

Stackable（堆疊）
        堆疊是通過集線器的背板或是通過專用堆疊線纜連接起來的。堆疊后的數(shù)臺集線器或交換機(jī)在邏輯上是一個被網(wǎng)管的設(shè)備。
 

Spanning tree（生成樹）
        遵循IEEE803.1d 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時，該協(xié)議可以采用生成樹的算法從邏輯上斷開其中一條連接，使其成為備份線路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷路時，該協(xié)議會自動啟動上述備份線路，確保網(wǎng)絡(luò)正常工作。一種用于在網(wǎng)絡(luò)中檢測環(huán)路并邏輯地阻塞冗余路徑，以確保在任意兩個節(jié)點之間只存在一條路徑的技術(shù)。為提高可靠性，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備間常需建立冗余連接。但是以太網(wǎng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型或總線型的，因此鏈路中不允許出現(xiàn)環(huán)路。Spanning Tree 可以解決上述矛盾。
 

Uplink（級聯(lián)）
        級聯(lián)是通過集線器（或交換機(jī)）的某個端口與其它集線器或交換機(jī)相連的，級聯(lián)后每臺集線器或交換機(jī)在邏輯上仍是多個被網(wǎng)管的設(shè)備。通過級聯(lián)端口相連的設(shè)備不需要Cross-over 電纜。
 

工作原理

        以太網(wǎng)交換機(jī)工作于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層），是一種基于MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）地址識別、完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
 

        交換機(jī)上用于鏈接計算機(jī)或其他設(shè)備的插口稱作端口。計算機(jī)借助網(wǎng)卡通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)的端口上。網(wǎng)卡、交換機(jī)和路由器的每個端口都具有一個MAC地址，由設(shè)備生產(chǎn)廠商固化在設(shè)備的EPROM中。MAC由IEEE負(fù)責(zé)分配，每個MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是長度為48位的二進(jìn)制，前24位由設(shè)備生產(chǎn)廠商標(biāo)識符，后24位由生產(chǎn)廠商自行分配的序列號。
 

        交換機(jī)在端口上接受計算機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)幀頭的目的MAC地址查找MAC地址表然后將該數(shù)據(jù)幀從對應(yīng)端口上轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
 

        交換機(jī)的工作過程可以概括為“學(xué)習(xí)、記憶、接收、查表、轉(zhuǎn)發(fā)”等幾個方面：通過“學(xué)習(xí)”可以了解到每個端口上所連接設(shè)備的MAC地址；將MAC地址與端口編號的對應(yīng)關(guān)系“記憶”在內(nèi)存中，生產(chǎn)MAC地址表；從一個端口“接收”到數(shù)據(jù)幀后，在MAC地址表中“查找”與幀頭中目的MAC地址相對應(yīng)的端口編號，然后，將數(shù)據(jù)幀從查到的端口上“轉(zhuǎn)發(fā)”出去。
 

        交換機(jī)分割沖突域，每個端口獨立成一個沖突域。每個端口如果有大量數(shù)據(jù)發(fā)送，則端口會先將收到的等待發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到寄存器中，在輪到發(fā)送時再發(fā)送出去。
 

轉(zhuǎn)發(fā)方式
 

1. 直通轉(zhuǎn)發(fā)（cut-through switching ）
2. 存儲轉(zhuǎn)發(fā)（Store-and-Forward switching）
3. 無碎片轉(zhuǎn)發(fā)（segment-free switching）
 

        直通式交換，也就是交換機(jī)在收到幀后，只要查看到此幀的目的MAC地址，馬上憑借MAC地址表向相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)；這種方式的好處是速度快，轉(zhuǎn)發(fā)所需時間短，但問題是可能同時把一些錯誤的、無用的幀也同時轉(zhuǎn)發(fā)向目地端。存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制就是交換機(jī)的每個端口被分配到一定的緩沖區(qū)（內(nèi)存空間，一般為64 k），數(shù)據(jù)在進(jìn)入交換機(jī)后讀取完目標(biāo)MAC地址，憑借MAC地址表了解到轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系后，數(shù)據(jù)會一直在此端口的緩沖區(qū)內(nèi)存儲，直到數(shù)據(jù)填滿緩沖區(qū)然后一次把所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。在數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)期間，交換機(jī)會對數(shù)據(jù)作出簡單效驗，如果此時發(fā)現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)，就不會轉(zhuǎn)發(fā)到目地端，而是在這里直接丟棄掉了。當(dāng)然這種方式可以提供更好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量，但是相對的轉(zhuǎn)發(fā)所需時間就會比直通交換要長一點。碎片隔離式也叫改進(jìn)型直通式交換，利用到直通式的優(yōu)勢就是轉(zhuǎn)發(fā)遲延小，同時會檢查每個數(shù)據(jù)幀的長度。因為原理上，每個以太網(wǎng)幀不可能小于64字節(jié)，大于1518字節(jié)。如果交換機(jī)檢查到有小過64字節(jié)或大于1518字節(jié)的幀，它都會認(rèn)為這些幀是“殘缺幀”或“超長幀”，那么也會在轉(zhuǎn)發(fā)前丟棄掉。這種方式綜合了直通交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)勢，很多高速交換機(jī)會采用，但是并沒有存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式來的普及。
 

        無論是直通轉(zhuǎn)發(fā)還是存儲轉(zhuǎn)發(fā)都是一種二層的轉(zhuǎn)發(fā)方式，而且它們的轉(zhuǎn)發(fā)策略都是基于 目的MAC（DMAC）的，在這一點上這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式?jīng)]有區(qū)別。第三種方法主要是第一種“直通轉(zhuǎn)發(fā)”的變形。
 

        它們之間的最大區(qū)別在于，它們何時去處理轉(zhuǎn)發(fā)，也就是交換機(jī)怎樣去處理數(shù)據(jù)包的接收進(jìn)程和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程的關(guān)系。