CCNA手册交换机(Switch)工作原理

一.概述

交换技术是一种交换产品，具有简单、低价格、高性能和高端口密度的特点。体现桥接技术的复杂交换技术运行在OSI参考模型的第二层。像网桥一样，交换机根据每个数据包中的MAC地址对信息转发做出相对简单的决定。但是，这种转发决策一般不会考虑隐藏在数据包中的其他更深层次的信息。与网桥不同的是，交换机的转发延迟非常小，运行接近于单个局域网的性能，远远超过普通桥接网间的转发性能。
交换技术允许共享和专用局域网段调整其带宽，从而缓解局域网之间信息流动的瓶颈。现在有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。
交换机可以经济地将网络划分为小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机可以直接安装在多协议网络中，软件配置简单；交换机使用工作站现有的线缆、中继器、集线器和网卡，无需升级高层硬件；对交换工作站透明，管理开销低，简化了网络节点添加、移动和网络变更的操作。
使用专门设计的集成电路，交换机可以以线速并行转发所有端口中的信息，这提供了比传统网桥高得多的操作性能。ASIC技术使交换机能够在更多端口的情况下以上述性能运行，并且其端口成本低于传统网桥。

两三种交换技术

1.端口交换
端口交换技术最早出现在插槽集线器中。这类集线器的背板通常分为多个以太网段(每个段为一个广播域)，网络之间没有桥或路由，互不相连。大主模块插入后，通常会分配给一个背板的网段。端口交换用于在背板的多个网段之间分配和平衡大主模块的端口。根据支持程度，端口切换还可以细分为:
模块切换:整个模块迁移到网段。
端口组交换:通常模块上的端口被分成若干组，每组端口都允许网段迁移。
端口级交换:每个端口可以在不同网段之间迁移。这种交换技术基于OSI的第一层，具有灵活性和负载均衡的优点。如果配置得当，在一定程度上可以产生guest错误，但不改变共享传输介质的特性，所以不能称为真正的交换。
2。帧交换
帧交换是目前应用最广泛的局域网交换技术。它通过对传统传输介质进行微分段，提供了一种并行传输机制，减少了冲突域，获得了高带宽。一般来说，每个公司的产品实现技术不同，但处理网络帧的方式一般有以下几种:
直通交换:它提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，然后将网络帧传输到相应的端口。
存储转发:通过读取网络帧进行错误检查和控制。
前一种方式的切换速度很快，但是缺乏对网络帧的更高级的控制，智能性和安全性，不能支持不同速率的端口切换。因此，制造商将重点放在后一种技术上。
有些厂商甚至将网络帧分解成固定大小的信元。这种信元处理易于硬件实现，处理速度快。同时可以完成优先级控制等高级控制功能(如美国马奇公司的LET hub)。
3。信元交换
ATM技术代表了未来网络和通信技术发展的方向，也是解决当前网络通信诸多问题的“良药”。ATM采用固定长度为53字节的信元交换。因为长度是固定的，所以很容易用硬件实现。利用ATM的专用非差分连接和并行操作，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但各节点之间的通信能力不会受到影响。ATM还允许在源节点、目标节点和节点之间建立多条虚拟链路，以确保足够的带宽和容错能力。ATM采用统计时分电路进行复用，可以大大提高信道利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至几Gb的传输能力。

三。局域网交换机的类型和选择

根据局域网交换机使用的网络技术，可分为:
大型网络交换机；
令牌环交换机；
FDDI开关；
ATM交换机；
快速以太网交换机等。
如果按照交换机的应用领域来划分，可以分为:
台式交换机；
工作组交换机；
骨干交换机；
企业交换机；
分段开关；
端口开关；
网络交换机等。
局域网交换机是网络系统的核心设备。对于用户来说，局域网交换机最重要的指标是端口配置、数据交换能力、包交换速度等因素。所以你在选择交换机的时候要注意以下事项:
(1)交换机端口的数量；
(2)交换端口的类型；
(3)系统的扩展能力；
(4)主线连接手段；
(5)交换机的总交换容量；
(6)是否需要路由能力；
(7)是否需要热切换能力；
(8)是否需要容错；
(9)是否能与现有设备兼容并平滑连接；
(10)网络管理能力。

四。开关应用中值得注意的几个问题

1.交换机网络中的瓶颈问题
交换机本身的处理速度可以达到很高的水平，用户往往会相信厂商宣传的Gbps级高速背板。其实这是一个误区。连接到网络的工作站或服务器所使用的网络是一个大型网络，它遵循CSMA/CD介质访问规则。在目前的客户机/服务器网络中，多个工作站会同时访问服务器，因此很容易形成服务器瓶颈。一些厂商考虑到了这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口(例如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口)，方便用户连接服务器或高速骨干网。用户还可以通过设计多个服务器(用于业务部门)或添加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可以支持生成树算法，方便用户构建容错冗余连接。
2。网络中的广播帧
目前广泛使用的网络操作系统有Netware、Windows NT等。，局域网服务器的服务器通过发送网络广播帧为客户端提供服务。这种局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率。这时可以利用交换机的虚拟网络功能(不是每个交换机都支持虚拟网络)将广播包限制在一定范围内。
每个文本交换机的端口都支持一定数量的MAC地址，这样交换机就可以“记住”该端口的一组连接站点的情况。厂商提供的不同交换机端口支持的MAC数量也不同。用户在使用时必须注意交换机端口的连接端子数量。如果厂家给的MAC数量超过，当交换机接收到一个网络帧时，只有其目的站的MAC地址不存在于交换机端口的MAC地址表中，那么该帧将被广播到交换机的每个端口。
3。虚拟网络的划分
虚拟网络是交换机的重要功能，通常有三种虚拟网络实现形式:
(1)静态端口分配
静态虚拟网络的划分通常是网络管理员使用网络管理软件或者直接设置交换机的端口，使其直接隶属于一个虚拟网络。这些端口总是保持这些从属属性，除非网络管理员重置它们。虽然这种方法很麻烦，但它是安全的，并且易于配置和维护。
(2)动态虚拟网络
动态虚拟网络的端口可以由智能管理软件自动确定。端口通过网络数据包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网络的从属关系。当网络节点刚刚连接到网络时，交换机端口尚未分配，因此交换机通过读取网络节点的MAC地址来动态地将端口分配给虚拟网络。这样，一旦配置了网络管理员，用户的电脑就可以在不改变用户虚拟网络的从属属性的情况下，灵活地改变交换机端口，如果网络中存在未定义的MAC地址，就可以向网络管理员报警。
(3)多虚拟网络端口配置
该配置支持一个用户或一个端口同时访问多个虚拟网络。这样就可以配置一个网络服务器，使得多个业务部门(每个业务设置为一个虚拟网络)可以同时访问多个虚拟网络的资源，多个虚拟网络之间的连接只需要一个路由端口就可以完成。但这样会带来安全隐患。虚拟网络的行业标准正在制定中，所以各家公司的产品不具备互通性。Cisco开发了交换机间链路(ISL)虚拟网络协议，它支持跨主干网络(ATM、FDDI、快速以太网)的虚拟网络。然而，该协议被指责缺乏安全考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享集线器，通过灵活地访问计算机端口可以获得良好的效果。
4。高速局域网技术的应用
虽然快速以太网技术在某些方面与传统的大型网络保持了良好的兼容性，但是100BASE-TX、100BASAE-T4和100BASE-FX在传输距离和级联方面的限制相对较大。这些限制可以通过100Mbps的交换机来突破。同时，只有交换机端口可以支持双工高速传输。
目前，CDDI/FDDI的交换技术也出现了。此外，这种CDDI/FDDI的端口价格也呈下降趋势，同时在传输距离和安全性上有很大优势，是大规模网络骨干的较好选择。
3Com的主要交换产品是Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交换产品有LattisSwitch2800、BAY stack workgroup、System3O00/5000(提供部分可选交换模块)；思科的主要交换产品是Catalyst 1000/2000/3000/5000系列。
三家公司的产品形态看起来都差不多，产品价格也比较接近。除了网络环境的具体需求(强调端口的合理搭配)，还要考虑整体，比如网络管理、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧，帧中继交换机的价格将进一步下降，并将成为工作网的重要解决方案。