交换机基础知识(1)全解

• 背板带宽与端口速率 • 模块化与固定配置 • 专用芯片与通用芯片 • 单/多MAC地址类型
2.2.2 交换机的主要性能指标
背板带宽与端口速率 背板带宽和端口速率是衡量交换机的交换能力的主要 参数。 背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。 交换机的端口速率：每秒通过的比特数。 – 10Mbps – 100Mbps – 1000Mbps – 10000Mbps
2.2.2 交换机的主要性能指标
模块wenku.baidu.com与固定配置
模块化交换机：具有很强的可扩展性，可在机箱内提供一系列扩展模 块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网 模块、令牌环模块等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构 的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机 一般作为骨干交换机来使用。
2.2.1 交换机的分类
按照交换机可否堆叠分为
可堆叠交换机
不可堆叠交换机
2.2.1 交换机的分类
从应用的角度划分，交换机又可分为：
• 电话交换机（PBX）：主要应用于电信领域，提供语音通 讯。 数据交换机（Switch）： 应用于计算机网络。
•
注意：我们重点学习的是数据交换机。
2.2.2 交换机的主要性能指标
2.3
交换机的接口与连接方式
2.3.1 交换机的接口类型
交换机的接口是随着网络类型的变化和传输介质的 发展而产生的不同的接口规格，主要有： • 双绞线RJ-45接口
• 光纤接口
• AUI接口与BNC • Console接口
• FDDI接口
2.3.1 交换机的接口类型
双绞线RJ-45接口
数量最多、应用最广的 一种接口类型，它属于以太 网接口类型。它不仅在最基 本的10Base-T以太网网络中 使用，还在目前主流的 100Base-TX快速以太网和 1000Base-TX千兆以太网中使 用。
2.2.2 交换机的主要性能指标
单/多MAC地址类型
• 单MAC交换机：每个端口只有一个MAC地址
• 多MAC交换机：每个端口捆绑有多个MAC硬件地址
单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共享资源 或非桥接路由器，它们不能用于连接集线器或含有多个网 络设备的网段；多MAC交换机的每个端口可以看作是一个 集线器，而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。
2.2 交换机的分类与性能指标
2.2.1 交换机的分类
从应用区域划分：广域网交换机和局域网交换机
• 广域网交换机: 主要应用于电信领域，提供通信基础平台。
•
局域网交换机: 应用于局域网络，用于连接终端设备，如 PC机及网络打印机等。
注意：我们重点学习的是局域网交换机。
2.2.1 交换机的分类
按组建园区网的网络拓扑结构层次，可划分为：接入层交换 机、汇聚层交换机和核心层交换机。 • 核心层交换机: 一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载 管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的 背板容量； • 汇聚层交换机: 可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定 配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端 口、高速电口等端口；
特点：交换机接收到数据包后，首先将数据包存储到缓冲 器中，进行CRC循环冗余校验,如果这个数据包有 CRC错误，则该包将被丢弃；如果数据包完整， 交换机查询地址映射表将其转发至相应的端口。 优点：没有残缺数据包转发，可减少潜在的不必要的数据 转发 缺点：转发速率比直接转发方式慢。 适用环境：存储转发技术适用于普通链路质量或质量较为 恶劣的网络环境，这种方式要对数据包进行处理， 所以，延迟和帧的大小有关。
交换机具有很高的交换背板带宽和较多 的高速以太网端口或光纤端口。比如 Cisco 4000 、 4500 、 5000 和 6500 系列等。
汇聚层（distribution layer） 汇聚层交换机用于汇聚接入层交换机 的流量，并上连至核心层交换机。一般采
用 3 层交换机，比如 Cisco 3550 系列、华
(3) 功能强大。交换机除了转发 / 过滤的功能，还有诸多管理 功能，如网络管理协议的支持、虚拟局域网的划分等。
2.1.3 交换机与集线器的主要区别
（1）在OSI/RM网络体系结构中的工作层次不同 集线器工作在物理层，而交换机工作在数据链路层。更高级的交 换机可以工作在第三层（网络层）、第四层（传输层）或更高层。 （2）数据传输方式不同 集线器的数据传输方式是广播（broadcast）方式，即所有端口 处在一个冲突域中；而交换机的数据传输一般只发生在源端口和目的 端口之间，即交换机的每个端口处在不同的冲突域。 （3）带宽占用方式不同 集线器所有端口共享集线器的总带宽，而交换机的每个端口都具 有自己独立的带宽。
2.2.1 交换机的分类
从规模与应用上分为
企业级交换机
部门级交换机 工作组交换机
2.2.1 交换机的分类
根据架构特点，人们还将局域网交换机分为
– 机架式
– 带扩展槽固定配置式
– 不带扩展槽固定配置式
2.2.1 交换机的分类
按照OSI的七层网络模型，交换机又可以分为：
– 第二层交换机
– 第三层交换机
交换机基础知识
本章内容
● 交换机概述 ● 交换机的分类与性能指标 ● 交换机的接口与连接方式 ● 虚拟局域网与多层交换
● 交换机产品简介
2.1 交换机概述
1. 交换机的基本概念
交换机英文名称为Switch，也称为 交换式集线器,是一种基于MAC地址识别 ，能完成封装转发数据包功能的网络设 备。交换机可以“学习”MAC地址，并 把其存放在内部地址表中，通过在数据 帧的始发者和目标接收者之间建立临时
的交换路径，使数据帧直接由源地址到
达目的地址。
2.1.1 交换机简介
交换机的工作特点： • 拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵 • 所有的端口都挂接在这条背板总线上
• 控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址 对照表以确定目的MAC地址的网卡（NIC）挂接在哪个端 口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口
设备 或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。
（3）虚拟网（Virtual LAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了 更大 的灵活性。
（4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服
务器，而绝大部分都是普通的客户机。客户机都需要访问服务器，这样就导致 服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。
为的 Quidway S3526E 等。这类交换机一般 具有一定数量的高速端口，以提供较高的 数据吞吐能力。
3层式交换网络拓扑结构
双冗余热备份网络拓扑结构
2.2.1 交换机的分类
根据传输介质、传输速度以及发展历史上看，局域网 交换机有这样一些类型：
• 以太网交换机 • 快速以太网交换机 • 千兆以太网交换机 • 万兆以太网交换机 • FDDI交换机 • ATM交换机 • 令牌环交换机 • ……
2.2.1 交换机的分类
按照交换机的可管理性，可分为：
• 可管理型交换机
• 不可管理型交换机
两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管 理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高 。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入 层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换 机。
2.1.2 交换机的交换模式
直通交换(Cut—Through)
特点：交换机只读出数据帧的前6个字节，即通过地址映 射表中查找目标地址，将数据帧传送到相应的端 口上。直通交换能够实现较少的延迟，因为在数 据帧的目的地址被读出，确定了转发端口后马上 开始转发这个数据帧。 优点：转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率 缺点：会给整个交换网络带来许多垃圾通信包 适用环境：网络链路质量较好、错误数据包较少的网络 环境，延迟时间跟帧的大小无关。
– 第四层交换机 – 第七层交换机
基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络 接入层和汇聚层。基于IP地址和协议进行交换的第三层交换 机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层 交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议 端口信息进行目标端口判断。第四层以上的交换机称之为应 用型交换机，主要用于互联网数据中心。
2.1.2 交换机的交换模式
概念： 交换机将数据从一个端口转发至到另一个端口的处理 方式称为交换模式。
类型： •存储转发（Store and Forward ） •直通交换（Cut—Through ） •碎片丢弃（Fragmentfree）
2.1
交换机概述
2.1.2 交换机的交换模式
存储转发(Store and Forward)
2.3.1 交换机的接口类型
光纤接口 目前光纤传输介质发展 相当迅速，各种光纤接口也 是层出不穷，分别应用于 100Base-FX、1000Base-FX等 网络中。在局域网交换机中 ， SC类型是一种常见的光纤 接口，SC接口的芯在接头里 面，右图所示的是一款 100Base-FX网络的SC光纤接 口模块。
固定配置交换机：一般具有固定端口配置，比如Cisco公司的Catalyst l900/2900交换机，Bay公司的BayStack350/450交换机等。固 定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机，但是价格要低 得多。
2.2.2 交换机的主要性能指标
专用芯片与通用芯片 • • • X86： 通用计算机芯片 ASIC： （Application-Specific-Integrated Circuit ） NP： 专用网络处理器
2.1.2 交换机的交换模式
碎片丢弃（Fragmentfree）
特点：这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据 包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明 是假包，则丢弃该包；如果大于等于64字节，则发 送该包。 优点：数据处理速度比存储转发方式快 缺点：比直通式慢 适用环境：一般的通讯链路
• 接入层交换机: 一般是固定配置的交换机，端口密度较大， 具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展 槽方式提供1000Mbps的上联端口。
核心层（core layer） 核心层交换机是整个网络的中心交 换机，具有最高的交换性能，用于连接 和汇聚各汇聚层交换机的流量。核心层
交换机一般采用高档的3层交换机，这类
• 目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应 后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC 地址表中。
2. 交换机的特性
与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能： （1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。 （2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台
3. 交换机的三个主要功能
（1）学习 以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地
址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。 （2）转发/过滤 当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，
它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播
/组播帧则转发至所有端口）。 （3）消除回路 当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生 成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。
2.1.3 交换机与网桥的主要区别
(1)延迟小。交换机通过硬件实现，而网桥通过软件实现。网 桥是通过运行于计算机系统上的桥接协议实现；交换机使用 了 专 用 集 成 电 路 （ Application-Specific-Integrated Circuit，ASIC)，大大提高了网络转发速度。
(2)端口多。交换机得端口密度远大于网桥。
（4）传输模式不同
集线器采用半双工方式进行数据传输；交换机采用全双工方式来 传输数据。
2.1.3 交换机与集线器（HUB）的主要区别
总结：
交换机与集线器有着本质的不同，无论在工 作层次、通讯方式、传输速度和可管理性上，都 都存在明显的差别，交换机与集线器相比具有无 与伦比的优势。目前，交换机已经成为组网中的 普遍使用的网络连接设备，而集线器已经逐渐在 退出历史舞台。
2.3.1 交换机的接口类型
AUI接口
这是专门用于连接粗同 轴电缆的，目前这种网络在 局域网中已不多见。现在部 分交换机保留了AUI接口。 AUI接口是一个15针 “D”形接口，类似于显示器 接口。这种接口在其他网络 设备中也可以见到，如路由 器，甚至服务器中。右图中 所示的是交换机上的AUI接 口示意图。