交换机的种类

一、交换机的工作原理以及种类的区分

许多新型的Client／Server应用程序以及多媒体技术的出现，导致了传统的共享式网络远远不能满足要求，这也就推动了交换机的出现。

1、交换机的定义

局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。

为了实现交换机之间的互连或与高档服务器的连接，局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口，如100MB以太网端口、FDDI端口或155MB ATM端口，从而保证整个网络的传输性能。

2、交换机的特性

通过集线器共享局域网的用户不仅是共享带宽，而且是竞争带宽。可能由于个别用户需要更多的带宽而导致其他用户的可用带宽相对减少，甚至被迫等待，因而也就耽误了通信和信息处理。利用交换机的网络微分段技术，可以将一个大型的共享式局域网的用户分成许多独立的网段，减少竞争带宽的用户数量，增加每个用户的可用带宽，从而缓解共享网络的拥挤状况。由于交换机可以将信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和带宽，能保护用户以前在介质方面的投资，并提供良好的可扩展性，因此交换机不但是网桥的理想替代物，而且是集线器的理想替代物。

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，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现像。这种方法人们称之为网络微分段（Micro一segmentation）技术。

（3）虚拟网（VirtuaI 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。我们将在后面专门介绍虚拟网。

（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。

交换机就主要从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足用户的要求。一些高档的交换机还采用全双工技术进一步提高端口的带宽。以前的网络设备基本上都是采用半双工的工作方式，即当一台主机发送数据包的时候，它就不能接收数据包，当接收数据包的时候，就不能发送数据包。由于采用全双工技术，即主

机在发送数据包的同时，还可以接收数据包，普通的10M端口就可以变成20M端口，普通的100M端口就可以变成200M 端口，这样就进一步提高了信息吞吐量。

3、交换机的工作原理

传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层）交换机。把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。交换机（二层交换）的工作原理交换机和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。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。

同时可以用专门的网管软件进行集中管理。除此之外，交换机为了提高数据交换的速度和效率，一般支持多种方式。

（1）存储转发：

所有常规网桥都使用这种方法。它们在将数据帧发柱其他端口之前，要把收到的帧完全存储在内部的存储器中，对其检验后再发往其他端口，这样其延时等于接收一个完整的数据帧的时间及处理时间的总和。如果级联很长时，会导致严重的性能问题，但这种方法可以过滤掉错误的数据帧。

（2）切入法：

这种方法只检验数据帧的目标地址，这使得数据帧几乎马上就可以传出去，从而大大降低延时。

其缺点是：错误帧也会被传出去。错误帧的概率较小的情况下，可以采用切入法以提高传输速度。而错误帧的概率较大的情况下，可以采用存储转发法／以减少错误帧的重传。

4、交换机的配置

我们下面以Cisco公司的Catlystl900交换机为例，介绍交换机的一般配置过程。

对一台新的Catlystl900交换机，使用它的缺省配置就可以工作了。这因为它是一种将软件装在FlashMemory中的硬件设备，当加电时，它首先要进行一系列自检，对所有端口进行测试之后，交换机就处于工作状态。这时它的交换表是空的，它可以通过自学习来了解各个端口的设备连接情况，并将设备的MAC地址记录在交换表中，当有信息交换时，交换机就根据交换表来进行数据转发。

但为了便于对它进行网络管理，Catlystl900交换机自己有一个MAC地址，这样就可以为它分配一个IP地址和屏蔽码。网络管理员须通过交换机的串口接一台终端或仿真终端，才能为它指定一个IP地址，其缺省值是0．0．0．0。指定IP地址以后，网络管理员就可以通过网络进行远程管理了。Catlystl900交换机的配置界面是菜单形式，缺省配置下，它的所有端口都属于同一个VLAN，很多情况下都不需要作什么修改。

5、交换机的种类

交换机是数据链路层设备，它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上，与网络类似交换机传输和溢出也是基于MAC地址的传输。由于交换机是用硬件实现的，因此，传输速度很快。传输数据包时，交换机要么使用存储---转发交换方式，要么使用断---通交换方式。目前有许多类型的交换机，其中包括ATM交换机，LAN交换机和不同类型的WAN交换机。

ATM交换机

ATM（Asynchronous Transfer Mode）交换机为工作组，企业网络中枢以及其它众多领域提供了高速交换信息和可伸缩带宽的能力。ATM交换机支持语音，视频和文本数据应用，并可用来交换固定长度的信息单位（有时也称元素）。企业网络是通过ATM中枢链路连接多个LAN组成的。

局域网交换机

LAN交换机用于多LAN网段的相互连接，它在网络设备之间进行专用的无冲突的通信，同时支持多个设备间的对话。LAN交换机主要是用于高速交换数据帧。通过LAN交换机将一个0Mbps以太网与一个100Mbps 以太网互联

二、深入剖析第三层交换机工作原理及优势

第三层交换机到底能不能完全取代路由器呢？这一直是人们争论的焦点，我们确实能够看到第三层交换机功能的强大，但是只有在特点的环境下，第三层交换才能代替路由器使用。在IOS的七层参考模型中，第二层（数据链路层）是实现交换的，第三层（网络层）是实现路由的，但近来，第三层交换机非常风光，这到底是怎么回事？我们通过分析第三层交换机的工作原理、优势和适用领域对第三层交换机进行深入剖析。

一、第三层交换机的工作原理

要论述第三层交换机的工作原理，我们可以从传统交换机和路由器的实现原理中入手。简单地说，传统的局域网交换机是从网桥发展来的，属于第二层设备。它是一个可以将发信方源地址与收信方目的地址连接起来的网络设备，该设备可以根据数据单元中的头信息，将来自一个或多个输入端口的信元或帧移动到一个或多个输出端口，完成信息发送过程的交换。显然，第二层交换机的最大好处是数据传输快，因为它仅需要识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址产生选择转发端口的算法又十分简单，非常便于采用ASIC芯片实现。所以，第二层交换的解决方案实际上是一个“处处交换”的廉价方案，虽然也能支持子网划分和广播限制等基本功能，但控制能力较小。

传统的第三层路由器属于第三层设备，它是根据IP地址寻址和通过路由表路由协议来实现路由功能的。在局域网中的作用主要是路由转发、网络安全和隔离广播等，即在完成子网的网间连接的同时，还可以隔离子网间的广播风暴，可以控制一个网络非法信息进入到另一个网络中。由于在路由转发中，路由器普遍采用的技术是最长匹配方式，而该方式实现起来非常复杂，所以只能利用软件来完成，自然会对网络带来一定的延迟。

由此可见，传统交换机是同一网络系统中主机之间端口连接的网络设备，传统路由器是同类或异类网络系统中各子网之间连接的网络设备。再来看一下第三层交换机。第三层交换机实际上是将传统交换器与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。当然，这种二层设备与三层设备的结合，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。

其中最重要的表现是，当某一信息源的第一个数据流进入第三层交换机后，其中的路由系统将会产生一个MAC地址与IP地址映射表，并将该表存储起来，当同一信息源的后续数据流再次进入第三层交换机时，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第二层由源地址传输到目的地址，而不再需要经过第三层路由系统处理，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率，解决了网间传输信息时路由产生的速率瓶颈。

如上所述，第三层交换机是将第二层交换机和第三层路由器两者优势结合成一个有机、灵活并可在各层次提供线速性能的整体交换方案。在第三层交换这种集成化结构中所支持的策略管理属性，不仅使第二层与第三层相互关联起来，而且还提供了流量优先化处理、安全以及Trunking、虚拟网和Intranet的动态部署等多种功能。另外，第三层交换的目标也非常明确，即只需在源地址和目的地址之间建立一条更为直接快捷的第二层通路，而不必经过路由器来转发同一信息的每个数据包。

事实上，第三层交换方案是一个能够支持分类所有层次动态集成的解决方案，虽然这种多层次动态集成也能够由传统路由器和第二层交换机搭载一起完成，但这种搭载方案与采用第三层交换机相比，不仅需要更多的设备配置、更大的空间、更多的布线和更高的成本，而且数据传输性能也要差得多，因为在海量数据传输中，搭载方案中的路由器无法克服传输速率瓶颈。

二、第三层交换机的优势

在与一些朋友交谈中，经常会听到类似“既然第三层交换机能实现路由器的功能，那么它会不会取代路由器？”这样的疑问。的确，第三层交换机的技术越来越成熟，应用也越来越普及，在一定范围内，其比路由器有很大的优势，但第三层交换机与路由器还是有很大区别，在局域网领域，第三层交换机具有明显优势。

1．子网间传输带宽可任意分配传统路由器的每个串口都可以连接一个子网，而这种通过路由器进行传输的子网速率就会受到接口带宽的直接限制。第三层交换机则不同，它可以把多个端口定义成一个虚拟网（VLAN），把多个端口组成的虚拟网作为虚拟网接口，该虚拟网内的信息可通过组成虚拟网的端口发给第三层交换机，由于端口数可任意指定，子网间的传输带宽便没有限制了。

2．合理配置信息资源因利用第三层交换机连接的网络系统，其访问子网内资源速率和访问全局网中资源速率没有区别，子网设置单独服务器便没有什么意义了。这样，直接通过在全局网中来设置服务器群，在保证内联网宽带传输速率的前提下，不仅可以节省费用，利用服务器集群的软硬件资源优势，更可以做到合理配置和管理所有信息资源。这一点是路由器组网很难办到的。

3．降低成本在企业网络设计中，由于人们通常只用二层交换机构成同一广播域子网，用路由器进行各子网间的互联，使企业网络形成一个内联网，而路由器的价钱较高，所以支持内联网的企业网络无法在设备上降低成本。目前，人们采用第三层交换机进行内联网络系统设计时，既可以进行任意虚拟子网划分，又可以通过交换机三层路由功能完成子网间的通信，即建立子网与内联子网都可以用交换机完成，大大节省了价格昂贵的路由器。

4．交换机之间连接灵活在计算机网络通信设备中，交换机之间是不允许存在任何回路的，而作为路由器，可以采用多条通路（如主备路由）来提高网络的可靠性和负载平衡。为了解决这类矛盾，在第三层交换机中，一方面采用生成树算法来阻塞造成回路的端口，在进行路由选择时，又能依然把阻塞掉的通路作为可以选择的路径来参与路由选择，从而极大地提高了交换机连接的灵活性。

从上面的介绍可以看出，不管是第二层交换机还是第三层交换机，它们终究总属于网桥类，是数据链路层的设备，第三层交换也只是实现路由器的部份第三层路由功能，使其具有线速转发报文能力。因此，它们都只用于LAN-WAN的连接。路由器则能用于WAN-WAN 之间的连接，作用于网络层中的分组交换设备，具有协议交换能力，主要功能是可以解决异构网络之间的数据包的分组转发，这种分组转发原理只是从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发，这两条线路可能分属于不同拓扑网络，并采用不同协议，这点又是第三层交换机无法做到的，也是与路由器的主要区别。

综上所述，第三层交换机非常适应局域网，而路由器可在广域网中尽显英雄本色，也就是说，第三层交换机无法适应网络拓扑各异，传输协议不同的广域网环境。但近年来，随着第三层交换技术的不断发展与创新，第三层交换机的应用已从企业网络环境的骨干层、汇聚层，开始渗透到网络边缘接入层，尤其是小区宽带网络的发展，第三层交换机完全适合放置在小区中心和多个小区的汇聚层位置。所以说，第三层交换机虽然无法替代路由器，但却完全动摇了企业路由器的地位，即在企业内联网络系统，第三层交换机正在取代路由器。

三、第三层交换机的应用领域

目前，普遍应用于企业网络中的第三层交换技术，主要是VLAN，因为VLAN打破了传统网络许多固有观念，可使网络结构更加灵活、多变、方便和随心所欲。所谓VLAN就是不需考虑用户的物理位置，而根据信息端的IP地址、用户名等直接与用户联系的特定标志及应用因素就可将用户在逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组，且每个用户主机都连接在一个支持VLAN的交换机端口上，并属于一个VLAN。同一个VLAN中的成员都共享广播，不同VLAN之间的广播信息是相互隔离的。这就相当于将整个网络分割成了多个不同的广播域，从而加强了企业内联网络的管理与维护。因此，第三层交换机最适合于那些无需远程接入或以远程接入为辅的企业内联网络，或者大部分子网系统集中，而只有部分远程接入子网的企业内联网络。

交换机从诞生到现在已经历了三代。第一代产品是一种由分立电子元件和原语式软件相结合的简单混合体，设备体积大、重量大、功耗高，所需散热风扇功率高、体积大，但性能较差。这样，运行在一个固定内存处理机上的软件系统，虽然在管理和协议功能方面有许多改善，但当用户的日常业务更加依赖于网络，使得网络流量不断增加时，网络设备便成了传输瓶颈。第二代产品的硬件引进了专门用于优化第二层处理的专用集成电路ASIC （Application Specific Integrated Circuit）芯片，体积、功耗和性能都得到了极大改善，并降低了系统的整体成本，这就是传统的第二层交换机。第三代交换机并不是简单地建立在第二代交换设备上，而是在第三层路由、组播及用户可选策略等方面提供了线速性能，在硬件方面也采用了性能与功能更先进的ASIC芯片，也正是我们这个专题中的主题：第三代交换机