交换机工作原理和技术2
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交换机工作原理和技术
本章主要内容
1 交换机的概念 2 交换机的分类 3 交换机的连接 4 交换机的配置 5 交换机的交换技术 6 交换机的交换结构 7 交换机的技术指标 8 VLAN技术原理
1 交换机的概念
按照线缆段微化的思想，线缆段越多，可用带宽就越高。极限 情况是每一台计算机处在一个独立的缆段上。如果网络上有10 台计算机，需要一个10端口的网桥将它们连接起来，但实现这 样一个网桥不太现实，软件转发速度也跟不上。交换机将上述 多端口的网桥硬件整合，以达到更低的成本和更高的性能。 交换机内有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵，此背板 总线带宽通常是交换机每个端口带宽的几十倍。交换机的所有 端口都挂接在这条背板总线交换矩阵上，每个端口都有自己的 固定带宽，同时具有两个信道，在同一时刻既可发送数据，又 接收其他端口发送来的数据。 与共享带宽（一个时间只能为一对网络节点服务）、无目的地 进行数据发送（广播）的集线器不同，交换机可以在一个时间 内同时为所有的网络节点服务，并可以有目的地发送数据，所 以在带宽占用、减少阻塞、网络安全和全双工传输方面都是集 线器不可相比的。
SFP模块
4 交换机的配置
本地配置（基本配置） 通过Console端口连接并配置 通常为RS-232串口，须使用配置专用连线直接连接至计算机的串 口，利用终端仿真程序（如Windows下的“超级终端”）进行本地 配置。思科交换机则通常采用RJ-45端口，须使用专门的Console 线（两端均为RJ-45接头的扁平线）。 远程配置 通过交换机的普通端口连接并配置 Telnet方式 Web浏览器方式
图1 1000Base-T GBIC模块
图2 1000Base-SX GBIC模块
安装在GBIC插槽中的GBIC模块
GBIC模块安装 于千兆以太网 模块的GBIC插 槽中，用于提 供与其他交换 机和服务器的 千兆位连接。
安装在GBIC插槽中的GBIC模块
堆叠GBIC模块
堆叠GBIC模块用于实现交 换机之间的廉价千兆连接。 如图所示为适用于Cisco Catalyst 2950/3550的 GigaStack GBIC堆叠模块。 需要注意的是，GigaStack GBIC专门用于交换机之间 的千兆位堆叠，GigaStack GBIC之间的连接采用专门 的堆叠电缆。
第四层交换机 能够基于传输层中的TCP/UDP应用端口号决定传输，即根据端口主 机的应用需求来自主确定或动态限制端口的交换过程和数据流量，即 具有第四层智能应用交换需求
第七层交换技术
亦称“第七层认知技术”，是目前最新的交换技术，可以 实现有效的数据流优化和智能负载均衡。 用户不仅能验证是否在发送正确的内容，而且还能打开网 络上传送的数据包（不用考虑IP地址或端口），并根据包 中的信息做出负载均衡决定。 如端口80，除了WEB传输流，还有许多类型的传输流 （如流媒体数据）通过此端口传输。第四层交换无法区分 这两种类型的数据，而第七层交换可以自由地完全打开传 输流的应用层/表示层，仔细分析其中的内容，根据应用 的类型而非仅仅根据IP和端口号做出更智能的负载均衡决 定，比如规定WEB传输流具有更高优先级。 目前还没有这类第七层的标准。
交换机的功能
交换机的每个端口都具有桥接功能，可以互联一个LAN或 一台高性能计算机。所有端口由专用处理器进行控制，并 经过控制管理总线转发信息。中高档交换机可以用专门的 网管软件进行集中管理。 可将每个端口所互联的网络工作站分割为独立的LAN （VLAN）。 每个端口都与大带宽的背板连通，从而为每个端口提供专 用的带宽。 流量控制（网桥无流量控制能力）。 采用专用集成电路（ASIC）处理器完成高速交换。
Cisco GigaStack GBIC堆叠模块和电缆
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ SFP模块
SFP（Small Form-factor Pluggables）可以简单的 理解为GBIC的升级版本。 SFP模块（如图所示）体 积比GBIC模块减少一半， 可以在相同面板上配置多 出一倍以上的端口数量。 由于SFP模块在功能上与 GBIC基本一致，因此， 也被有些交换机厂商称为 小型化GBIC（MiniGBIC）。
级联GBIC模块
级联使用的GBIC模块分为4种， 一是1000Base-T GBIC模块 （如图1所示），适用于超五 类或六类双绞线，最长传输距 离为100米；二是1000Base SX GBIC模块(如图2所示)， 适用于多模多纤，最长传输距 离为500米；三是1000 BaseLX GBIC模块，适用于单模光 纤,最长传输距离为10千米； 四是1000Base-ZX GBIC，适 用于长波单模光纤，最长传输 距离为70千米~100千米。
参考阅读：http://tech.ccidnet.com/pub/article/c1084_a178357_p1.html
Uplink端口
GBIC端口模块
GBIC（GigaStack Gigabit Interface Converter） 是一个通用的、低成本的千兆位以太网堆叠模块， 可提供交换机间的高速连接，既可建立高密度端 口的堆叠，又可实现与服务器或千兆位主干的连 接，为快速以太网向千兆以太网的过渡，提供了 廉价的、高性能的选择方案。此外，借助于光纤， 还可实现与远程高速主干网络的连接。GBIC模块 分为两大类，一是普通级联使用的GBIC模块，二 是堆叠专用的GBIC模块。
3 交换机的连接
当单一交换机所能够提供的端口数量不足以满足网络计算机的需求时， 必须要有两个以上的交换机提供相应数量的端口，这也就要涉及到交换 机之间连接的问题。从根本上来讲，交换机之间的连接不外乎两种方式， 一是堆叠，一是级联。 级联(Uplink) 上层交换机普通以太网端口与下层交换机的Uplink（级联）端口连接 需要注意的是交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行 级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。 堆叠(Stack) 几台交换机堆叠在一起，采用专用堆叠电缆进行连接 堆叠中的所有交换机可视为一个整体交换机来进行管理，但必须有 专门端口（Up和Down，通常都是D型25孔接口） 群集（集群） 堆叠和级联技术的综合，可将分布各处的交换机逻辑地组合到一起， 其中一台为Commander（管理者），其他交换机则处于从属地位， 由Commander统一管理。
Quidway® S8500 万兆核心路由交换机
Quidway® S8500系列万 兆核心交换机是由华为 3Com公司自主开发的新 一代高性能万兆核心路由 交换机产品，可广泛应用 于电子政务网核心层、校 园网及教育城域网核心层、 园区网和企业网核心层以 及运营商IP城域网核心层、 汇聚层。
按网络规模分类
2 交换机的分类
交换机和集线器
不能“以貌取人”
桌面型交换机和模块化交换机
异在“按需定制”
TP-link TL-HP8MU HUB
D-Link DFE-916DX HUB
3Com Switchs
3Com SuperStack 3 4400 switch
按网络类型分类
有线交换机和无线交换机 10/100Mbps自适应标准以太网交换机 1Gbps(千兆位)以太网交换机（模块化） 10Gbps(万兆位)以太网交换机（全光纤接口） ATM交换机（传输介质一般采用光纤，成本高， 通常用作ADSL和HFC的骨干节点，广泛用于电 信、邮政网的主干网段） FDDI交换机（全光纤接口，成本高）
交换机的Console控制端口
可进行网络管理的交换机上一般都 有一个“Console”端口，它是专门 用于对交换机进行配置和管理的。 通过Console端口连接并配置交换 机，是配置和管理交换机必须经过 的步骤。因为其他方式的配置往往 需要借助于IP地址、域名或设备名 称才可以实现，而新购买的交换机 显然不可能内置有这些参数，所以 Console端口是最常用、最基本的 交换机管理和配置端口。 绝大多数交换机都采用RJ－45端口， 但也有少数采用DB－9串口端口或 DB－25串口端口。
DB-9串行端口
DB-25串行端口
按协议层次分类
第二层交换机（网桥技术） 使用可编程的ASIC（专用集成电路）通过高速背板/总线（速率可达 每秒几十GB）并基于MAC地址完成不同端口间的数据转发，价格最 低，性能亦最低，支持VLAN，通常为非网管型 第三层交换机（路由技术） 使用可编程的ASIC（专用集成电路）而不是运行在处理器之上的软 件进行数据转发和IP路由处理，具有线速路由功能，可为每个端口配 置独立的IP地址，可根据IP地址划分为小而独立的VLAN——既可完 成第二层交换机的端口交换功能，又能完成部分路由器的路由功能
按网管功能分类
非网管型交换机
不支持网络管理
网管型交换机
可通过网络方式进行管理，包括交换机各端口的流量控 制、QoS和端口协议的配置等，以便使所有的网络资源 尽可能处于最佳状态 网管型交换机上都有一个“Console‖控制端口(一般为 RS232串口型)以便进行基本配置，有的还支持基于Web 页面和Telnet远程登录网络等多种网络管理方式 支持SNMP（简单网络管理协议），并采用RMON (Remote Monitoring，远程监视）技术跟踪流量和会话 状态（允许用户查看每个交换端口上的流量），增强了 流量管理、监视与分析能力。
堆叠和级联的区别
堆叠(Stack)和级联(Uplink)是多台交换机或 集线器连接在一起的两种方式。它们的主要 目的是增加端口密度。但它们实现的方法不同。 级联是通过集线器的某个端口与其它集线器相连的，如使用一 个集线器UPLINK口到另一个的普通端口；而堆叠是通过集线 器的背板连接起来的，它是一种建立在芯片级上的连接，如2个 24口交换机堆叠起来的效果就像是一个48口的交换机，优点是 不会产生瓶颈的问题。 级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，集 线器之间，或交换机与集线器之间完成。而堆叠只有在自己厂 家的设备之间，且此设备必须具有堆叠功能才可实现。级联只 需单做一根双绞线(或其他媒介)，堆叠需要专用的堆叠模块和 堆叠线缆。 交换机的级联在理论上是没有级联个数限制的(注意：集线器级 联有个数限制，且10M和100M的要求不同)，而堆叠各个厂家 的设备会标明最大堆叠个数。
堆叠和级联的区别（续）
级联相对容易，但堆叠这种技术有级联不可达到的优势。首先，多台 交换机堆叠在一起，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。这样，如 果你想对这几台交换机进行设置，只要连接到任何一台设备上，就可 看到堆叠中的其他交换机。而级联的设备逻辑上是独立的，如果想要 网管这些设备，必须依次连接到每个设备。 多个设备级联会产生级联瓶颈。例如，两个百兆交换机通过一根双绞 线级联，则它们的级联带宽是百兆。这样不同交换机之间的计算机要 通讯，都只能通过这百兆带宽。而两个交换机通过堆叠连接在一起， 堆叠线缆将能提供高于1G的背板带宽，极大地减低了瓶颈。 级联还有一个堆叠达不到的目的，是增加连接距离。比如，一台计算 机离交换机较远，超过了单根双绞线的最长距离100米，则可在中间 再放置一台交换机，使计算机与此交换机相连。堆叠线缆最长也只有 几米，所以堆叠时应予考虑。 堆叠和级联各有优点，在实际的方案设计中经常同时出现，可灵活应 用。
企业级交换机 一般采用模块配置，属于第三层或第四层千兆位（或 以上）交换机，通常能支持500个信息点以上。 部门级交换机 一般为千兆位第三层交换机，固定配置或模块配置， 通常能支持300～500个信息点。 工作组级交换机 一般为固定配置，10/100Mbps自适应，通常支持的 信息点少于100个。
本章主要内容
1 交换机的概念 2 交换机的分类 3 交换机的连接 4 交换机的配置 5 交换机的交换技术 6 交换机的交换结构 7 交换机的技术指标 8 VLAN技术原理
1 交换机的概念
按照线缆段微化的思想，线缆段越多，可用带宽就越高。极限 情况是每一台计算机处在一个独立的缆段上。如果网络上有10 台计算机，需要一个10端口的网桥将它们连接起来，但实现这 样一个网桥不太现实，软件转发速度也跟不上。交换机将上述 多端口的网桥硬件整合，以达到更低的成本和更高的性能。 交换机内有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵，此背板 总线带宽通常是交换机每个端口带宽的几十倍。交换机的所有 端口都挂接在这条背板总线交换矩阵上，每个端口都有自己的 固定带宽，同时具有两个信道，在同一时刻既可发送数据，又 接收其他端口发送来的数据。 与共享带宽（一个时间只能为一对网络节点服务）、无目的地 进行数据发送（广播）的集线器不同，交换机可以在一个时间 内同时为所有的网络节点服务，并可以有目的地发送数据，所 以在带宽占用、减少阻塞、网络安全和全双工传输方面都是集 线器不可相比的。
SFP模块
4 交换机的配置
本地配置（基本配置） 通过Console端口连接并配置 通常为RS-232串口，须使用配置专用连线直接连接至计算机的串 口，利用终端仿真程序（如Windows下的“超级终端”）进行本地 配置。思科交换机则通常采用RJ-45端口，须使用专门的Console 线（两端均为RJ-45接头的扁平线）。 远程配置 通过交换机的普通端口连接并配置 Telnet方式 Web浏览器方式
图1 1000Base-T GBIC模块
图2 1000Base-SX GBIC模块
安装在GBIC插槽中的GBIC模块
GBIC模块安装 于千兆以太网 模块的GBIC插 槽中，用于提 供与其他交换 机和服务器的 千兆位连接。
安装在GBIC插槽中的GBIC模块
堆叠GBIC模块
堆叠GBIC模块用于实现交 换机之间的廉价千兆连接。 如图所示为适用于Cisco Catalyst 2950/3550的 GigaStack GBIC堆叠模块。 需要注意的是，GigaStack GBIC专门用于交换机之间 的千兆位堆叠，GigaStack GBIC之间的连接采用专门 的堆叠电缆。
第四层交换机 能够基于传输层中的TCP/UDP应用端口号决定传输，即根据端口主 机的应用需求来自主确定或动态限制端口的交换过程和数据流量，即 具有第四层智能应用交换需求
第七层交换技术
亦称“第七层认知技术”，是目前最新的交换技术，可以 实现有效的数据流优化和智能负载均衡。 用户不仅能验证是否在发送正确的内容，而且还能打开网 络上传送的数据包（不用考虑IP地址或端口），并根据包 中的信息做出负载均衡决定。 如端口80，除了WEB传输流，还有许多类型的传输流 （如流媒体数据）通过此端口传输。第四层交换无法区分 这两种类型的数据，而第七层交换可以自由地完全打开传 输流的应用层/表示层，仔细分析其中的内容，根据应用 的类型而非仅仅根据IP和端口号做出更智能的负载均衡决 定，比如规定WEB传输流具有更高优先级。 目前还没有这类第七层的标准。
交换机的功能
交换机的每个端口都具有桥接功能，可以互联一个LAN或 一台高性能计算机。所有端口由专用处理器进行控制，并 经过控制管理总线转发信息。中高档交换机可以用专门的 网管软件进行集中管理。 可将每个端口所互联的网络工作站分割为独立的LAN （VLAN）。 每个端口都与大带宽的背板连通，从而为每个端口提供专 用的带宽。 流量控制（网桥无流量控制能力）。 采用专用集成电路（ASIC）处理器完成高速交换。
Cisco GigaStack GBIC堆叠模块和电缆
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ SFP模块
SFP（Small Form-factor Pluggables）可以简单的 理解为GBIC的升级版本。 SFP模块（如图所示）体 积比GBIC模块减少一半， 可以在相同面板上配置多 出一倍以上的端口数量。 由于SFP模块在功能上与 GBIC基本一致，因此， 也被有些交换机厂商称为 小型化GBIC（MiniGBIC）。
级联GBIC模块
级联使用的GBIC模块分为4种， 一是1000Base-T GBIC模块 （如图1所示），适用于超五 类或六类双绞线，最长传输距 离为100米；二是1000Base SX GBIC模块(如图2所示)， 适用于多模多纤，最长传输距 离为500米；三是1000 BaseLX GBIC模块，适用于单模光 纤,最长传输距离为10千米； 四是1000Base-ZX GBIC，适 用于长波单模光纤，最长传输 距离为70千米~100千米。
参考阅读：http://tech.ccidnet.com/pub/article/c1084_a178357_p1.html
Uplink端口
GBIC端口模块
GBIC（GigaStack Gigabit Interface Converter） 是一个通用的、低成本的千兆位以太网堆叠模块， 可提供交换机间的高速连接，既可建立高密度端 口的堆叠，又可实现与服务器或千兆位主干的连 接，为快速以太网向千兆以太网的过渡，提供了 廉价的、高性能的选择方案。此外，借助于光纤， 还可实现与远程高速主干网络的连接。GBIC模块 分为两大类，一是普通级联使用的GBIC模块，二 是堆叠专用的GBIC模块。
3 交换机的连接
当单一交换机所能够提供的端口数量不足以满足网络计算机的需求时， 必须要有两个以上的交换机提供相应数量的端口，这也就要涉及到交换 机之间连接的问题。从根本上来讲，交换机之间的连接不外乎两种方式， 一是堆叠，一是级联。 级联(Uplink) 上层交换机普通以太网端口与下层交换机的Uplink（级联）端口连接 需要注意的是交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行 级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。 堆叠(Stack) 几台交换机堆叠在一起，采用专用堆叠电缆进行连接 堆叠中的所有交换机可视为一个整体交换机来进行管理，但必须有 专门端口（Up和Down，通常都是D型25孔接口） 群集（集群） 堆叠和级联技术的综合，可将分布各处的交换机逻辑地组合到一起， 其中一台为Commander（管理者），其他交换机则处于从属地位， 由Commander统一管理。
Quidway® S8500 万兆核心路由交换机
Quidway® S8500系列万 兆核心交换机是由华为 3Com公司自主开发的新 一代高性能万兆核心路由 交换机产品，可广泛应用 于电子政务网核心层、校 园网及教育城域网核心层、 园区网和企业网核心层以 及运营商IP城域网核心层、 汇聚层。
按网络规模分类
2 交换机的分类
交换机和集线器
不能“以貌取人”
桌面型交换机和模块化交换机
异在“按需定制”
TP-link TL-HP8MU HUB
D-Link DFE-916DX HUB
3Com Switchs
3Com SuperStack 3 4400 switch
按网络类型分类
有线交换机和无线交换机 10/100Mbps自适应标准以太网交换机 1Gbps(千兆位)以太网交换机（模块化） 10Gbps(万兆位)以太网交换机（全光纤接口） ATM交换机（传输介质一般采用光纤，成本高， 通常用作ADSL和HFC的骨干节点，广泛用于电 信、邮政网的主干网段） FDDI交换机（全光纤接口，成本高）
交换机的Console控制端口
可进行网络管理的交换机上一般都 有一个“Console”端口，它是专门 用于对交换机进行配置和管理的。 通过Console端口连接并配置交换 机，是配置和管理交换机必须经过 的步骤。因为其他方式的配置往往 需要借助于IP地址、域名或设备名 称才可以实现，而新购买的交换机 显然不可能内置有这些参数，所以 Console端口是最常用、最基本的 交换机管理和配置端口。 绝大多数交换机都采用RJ－45端口， 但也有少数采用DB－9串口端口或 DB－25串口端口。
DB-9串行端口
DB-25串行端口
按协议层次分类
第二层交换机（网桥技术） 使用可编程的ASIC（专用集成电路）通过高速背板/总线（速率可达 每秒几十GB）并基于MAC地址完成不同端口间的数据转发，价格最 低，性能亦最低，支持VLAN，通常为非网管型 第三层交换机（路由技术） 使用可编程的ASIC（专用集成电路）而不是运行在处理器之上的软 件进行数据转发和IP路由处理，具有线速路由功能，可为每个端口配 置独立的IP地址，可根据IP地址划分为小而独立的VLAN——既可完 成第二层交换机的端口交换功能，又能完成部分路由器的路由功能
按网管功能分类
非网管型交换机
不支持网络管理
网管型交换机
可通过网络方式进行管理，包括交换机各端口的流量控 制、QoS和端口协议的配置等，以便使所有的网络资源 尽可能处于最佳状态 网管型交换机上都有一个“Console‖控制端口(一般为 RS232串口型)以便进行基本配置，有的还支持基于Web 页面和Telnet远程登录网络等多种网络管理方式 支持SNMP（简单网络管理协议），并采用RMON (Remote Monitoring，远程监视）技术跟踪流量和会话 状态（允许用户查看每个交换端口上的流量），增强了 流量管理、监视与分析能力。
堆叠和级联的区别
堆叠(Stack)和级联(Uplink)是多台交换机或 集线器连接在一起的两种方式。它们的主要 目的是增加端口密度。但它们实现的方法不同。 级联是通过集线器的某个端口与其它集线器相连的，如使用一 个集线器UPLINK口到另一个的普通端口；而堆叠是通过集线 器的背板连接起来的，它是一种建立在芯片级上的连接，如2个 24口交换机堆叠起来的效果就像是一个48口的交换机，优点是 不会产生瓶颈的问题。 级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，集 线器之间，或交换机与集线器之间完成。而堆叠只有在自己厂 家的设备之间，且此设备必须具有堆叠功能才可实现。级联只 需单做一根双绞线(或其他媒介)，堆叠需要专用的堆叠模块和 堆叠线缆。 交换机的级联在理论上是没有级联个数限制的(注意：集线器级 联有个数限制，且10M和100M的要求不同)，而堆叠各个厂家 的设备会标明最大堆叠个数。
堆叠和级联的区别（续）
级联相对容易，但堆叠这种技术有级联不可达到的优势。首先，多台 交换机堆叠在一起，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。这样，如 果你想对这几台交换机进行设置，只要连接到任何一台设备上，就可 看到堆叠中的其他交换机。而级联的设备逻辑上是独立的，如果想要 网管这些设备，必须依次连接到每个设备。 多个设备级联会产生级联瓶颈。例如，两个百兆交换机通过一根双绞 线级联，则它们的级联带宽是百兆。这样不同交换机之间的计算机要 通讯，都只能通过这百兆带宽。而两个交换机通过堆叠连接在一起， 堆叠线缆将能提供高于1G的背板带宽，极大地减低了瓶颈。 级联还有一个堆叠达不到的目的，是增加连接距离。比如，一台计算 机离交换机较远，超过了单根双绞线的最长距离100米，则可在中间 再放置一台交换机，使计算机与此交换机相连。堆叠线缆最长也只有 几米，所以堆叠时应予考虑。 堆叠和级联各有优点，在实际的方案设计中经常同时出现，可灵活应 用。
企业级交换机 一般采用模块配置，属于第三层或第四层千兆位（或 以上）交换机，通常能支持500个信息点以上。 部门级交换机 一般为千兆位第三层交换机，固定配置或模块配置， 通常能支持300～500个信息点。 工作组级交换机 一般为固定配置，10/100Mbps自适应，通常支持的 信息点少于100个。