交换机的交换结构及交换模式

<培训课三>

交换机的交换结构及交换模式

一、交换机的交换结构

交换机的交换结构主要有四种，它们分别是软件执行交换结构、矩阵交换结构、总线交换结构和共享存储交换结构。

1 软件执行交换结构

交换机接收到数据帧后，先将其由串行代码转化为并行代码，暂时存储在交换机的快速缓存RAM中，交换机的CPU开始根据数据帧中的目的MAC地址进行查询交换表。确定了目的端口后，交换机在源端口与目的端口之间建立起虚连接，然后将以并行代码形式存储在RAM中的数据帧转化为串行代码，发送到目的端口。上述的步骤都是由软件控制完成的。软件执行交换结构如图6-10所示。

2 矩阵交换结构(Crossbar)

在矩阵交换结构中，交换机确定了目的端口后，根据源端口与目的端口打开交换矩阵中相应的开关，在两个端口之间建立连接，通过建立的这个传输通道来完成数据帧的传输。它的优点是交换速率快、时延小、易于实现；缺点是扩展与可管理性较差。图6-11为矩阵交换结构图。

3 总线交换结构

总线交换结构的交换机拥有一条很高带宽的背部总线。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，总线按时隙分为多条逻辑通道，各个端口都可以往该总线上发送数据帧，这些数据帧都按时隙在总线上传输，并从各自的目的端口中输出数据帧。总线交换结构对总线的带宽有较高的要求，设交换机的端口数为M，每个端口的带宽为N，则总线的带宽应为M×N。

总线交换结构扩展性和管理性好，易实现帧的广播和多个输入对一个输出的帧传送。图6-12为总线交换结构图。

4 共享存储交换结构

共享存储交换结构将共享存储RAM代替了总线交换结构中的总线，数据帧通过共享存储器实现从源端口直接传送到目的端口，它是总线交换结构的改进。图6-13为共享存储交换结构图。

数量不断增加，存储容量不断扩大的同时，数据交换的时延也会越来越大。而且共享存储交换结构的成本比较高。

二、交换机的交换模式

交换机的交换方式包括静态交换和动态交换两种。静态交换是由人工来完成端口之间传输通道的建立，如果没有人工的更改，这些通道是固定不变的；动态交换是通过对目的MAC地址的查询而得到的输出端口来临时建立传输通道的，这个传输通道在数据帧传送完成后自动断开。目前，交换机最常采用的交换方式是动态交换方式。动态交换模式主要有：快速转发、碎片丢弃和存储转发三种模式。

1 快速转发交换模式(cut-through)

快速转发交换模式是指交换机在接收数据帧时，一旦检测到6个字节，目的地址就立即进行转发操作。由于数据帧在进行转发处理仅是帧中的MAC地址部被复制到缓冲区，这时它并不是一个完整的帧，因此这个数据帧将无法经过校验、纠错，即被直接转发，即使是有错误的数据帧，仍然被转发到网络上。

BNT的万兆交换机采用的是此种交换模式。

快速转发交换模式的优点在于端口交换时延小，交换速度快；缺点是可靠性较差，因此它适合于小型的交换机。

2 碎片丢弃交换模式(fragment free)

碎片丢弃交换模式也被称为自由分段模式或是碎片隔离交换模式。交换机接收到数据帧时，先检测该数据帧是不是冲突碎片，如果不是冲突碎片，也不保存整个数据帧，而是在接收了它的目的地址就直接进行转发操作；如果该数据帧是冲突碎片，则直接将该帧丢弃。

冲突碎片是因为网络冲突而受损的数据帧碎片，其特征是长度小于64字节，它不是有效的数据帧，应该被丢弃。因此，交换机检测该数据帧是否冲突碎片，是通过判断这个数据帧的长度是否达到64字节，小于64字节的数据帧都将被视为冲突碎片，而等于或大于64字节的数据帧都被视为有效帧。

碎片丢弃交换模式过滤掉了冲突碎片，提高了网络传速的效率和带宽的利用率。

3 存储转发交换模式(store and forward)

存储转发模式与前两种转发模式最大的不同在于：它将接收到的整个数据帧保存在缓冲区中。它把数据帧先存储起来，然后进行循环冗余码校验检查，在对错误帧进行处理后，才取出数据帧的目的地址，进行转发操作。

存储转发方式的不足之处在于其进行数据处理的延时大。但是它的优点是可以对进行交换机的数据帧进行错误检测，有效地改善网络性能，同时它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。因此，存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，另外现在交换机的处理能力、缓存已大大改进，所以存储转发交换模式应用以成为主流模式。

※重点提示：交换机的动态转发交换模式主要包括：快速转发交换模式、碎片丢弃交换模式、存储转发交换模式。前两种交换模式的交换机在接收到数据帧

后，仅将数据帧中的目的MAC地址复制到缓冲区内即进行转发；存储转发交换模式要求交换机将整个数据帧保存到缓冲区中，再进行转发处理。

BNT的千兆交换机如G8000是此种交换模式。

三、交换机的性能参数

交换机的主要性能参数有：背板(backplane)带宽，是否线速（line rate/line speed）,delay, 包的转发率等。

1 背板带宽(backplane bandwidth)

以上讲了交换机的交换结构，这个性能指标在总线交换结构中适用，模块化的交换机都采用总线交换结构，如思科的6500系列，它直接影响着另外一个指标即是否线速。

BNT交换机采用的是单个芯片的矩阵式交换结构，不存在背板带宽的概念。

2 线速(Line Speed/Line Rate)

即交换机上的所有口同时都能以最大标称速率收发，如千兆以太口可以按1000兆收发。如果是总线交换结构，要想达到线速指标，背板带宽>N*M (其中N有每块模块/板卡的端口数，M为模块数)

如果是交换矩阵结构，一般都能达到线速指标，这是由于这种交换结构的先进性决定的，所以现在许多高性能的交换机五般采用这种交换结构。

3 包的转发率(pps)

异步传输：每发一个字节，一个停止位，即1/8浪费带宽

同步传输：在数据前加一个前导位7E：01111110，收到前导位后，后边是所要发的数据

以太网传输：101010….1011(8个字节preamble前导位)+1个以太帧+12字节停止位

在计算交换机包的转发率时是按以太网最小包64字节计算的，

10M的端口如在线速下其包的转发率为：(10000000/8)/(64+(8+12))=14880包/秒一个千兆端口的包的转发率为1.488Mpps

4 吞吐量(throughput)

一般认为，只要是线速，那么吞吐率也就为100%，但如果细分，二者还是有区别的：

一个Throughput的实测统计表如下：