交换机基础知识

交换机基础知识

交换机的基本概念：

交换机的英文名称为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与目标接受者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源头到达目的地址。

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。

目的MAC不存在才会广播到所有端口，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。

交换机的特性：

与网桥和集线器相比，交换机从以下几个方面改进了性能

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，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效的解决拥挤现象。

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，而绝大部门都是普通的客户机。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。

交换机的三个主要功能：

1.学习以太网交换机了解每一个端口相连设备的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冗余回路的产生，同时允许存在后备路径。

交换机的交换模式

概念：交换机将数据从一个端口转发至另一个端口的处理方式成为交换模式

类型：

存储转发（Store and Forward）

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，所以延迟跟帧的大小有关。

直通交换（Cut-Through）

特点：交换机只读取数据帧的前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帧数据。

优点：转发速度快，减少延迟和提高整体吞吐率

缺点：会给整个交换网络带来垃圾通讯包

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

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字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包，如果大于64个字节，则发送该包。

优点：数据处理速度比存储转发速度快。

缺点：比直通式慢

适用环境：一般的通讯链路

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.端口多交换机的端口密度远大于网桥。

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。

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，即所有端口处在同一个冲突域中；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的独立带宽。

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。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，交换机已成为组网中普遍使用的网络连接设备，而集线器已经逐渐退出历史舞台。

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。

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、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。

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，具有较高的交换性能，用于连接和汇聚各层汇聚交换机的流量，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和光纤端口。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、华为的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。