以太网交换机原理与应用

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由于光纤尾纤直接就是 2 条线缆，已有收发之分，一般不会出错，所以这里就不提出了。
我们现在已经了解到什么是级连以及方法，下面我们来看一下交换机间另一种常见的连 接方式“堆叠”。
首先，为什么需要“堆叠”呢？前面我们提到过，交换机的级连个数不得超过 7 个，举 一个很简单的例子，一个 200 节点的网络，如果使用普通 24 口交换机级连几乎无法实现， 因为 24 个端口乘以 7 台交换机等于 168 个端口，级连还要用掉一些，大约还有 156 个端口 可用，那么剩余的 44 台主机就没有位置来连接了，当然还可以使用路由，不过没有路由的 情况下应该如何实现呢？这类问题早在集线器时代就普遍存在了（HUB 尤其明显，因为最 多级连个数 10 兆 4 个、百兆 2 个(class II 规范)），解决办法就是使用堆叠技术。
交换机同时还支持全双工，有学习、过滤和转发的工作原理来优化工作环境，那么什么 是“学习、过滤和转发”呢？我们来看下图：
在图中，如果设备是集线器的话，PC1 想要寻找 PC2 并进行通讯，会经历以下过程： 首先 PC1 发送的寻址请求（目标地址是 PC2 的 MAC 地址）会交由集线器设备，设备会在 所有的端口“广播”，也就是发送寻址广播到所有端口所连接的主机，目标 PC2 获取到之后 发现目标是自己，就回应一个数据给 PC1，从而让 PC1 知道了 PC2 所在的位置是端口 5， 并能够进行通讯。
宽总线式交换机是在交换机主板上预留一条“数据总线”，就像一条大家公用的公路， 每个端口都可以利用其其中一部分带宽，假如这个总线带宽为 200 兆的话，也就是说最多同 时是允许 2 组 100 兆端口同时可以通讯，其余端口如果也要通讯还是需要等待的，因为带宽 已经分配完毕了。所以，这种方式的设备比较理想工作状态还有一点差距，但是因为几乎不 会有普通交换机的端口会都在同时通讯，总会有些端口处在闲置的状态，所以满足绝大部分 的网络要求是可以满足的。因此，交换机有一项性能参数，叫做“交换容量”，也叫做“背 板带宽”，指的是“交换机可以同时进出所有端口数据量的总合”，其实也就是数据的吞吐能 力。
碎片隔离式也叫改进型直通式交换，利用到直通式的优势就是转发迟延小，同时会检查 每个数据帧的长度。因为原理上，每个以太网帧不可能小于 64 字节，大于 1518 字节。如果 交换机检查到有小过 64 字节或大于 1518 字节的帧，它都会认为这些帧是“残缺帧”或“超 长帧”，那么也会在转发前丢弃掉。这种方式综合了直通交换和存储转发的优势，很多高速 交换机会采用，但是并没有存储转发方式来的普及。
高骞
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我们可以发现，交换机内部存在着桥接的环境，理论上每个端口之间都有独立的通路， 而不是像集线器一样共享带宽。所以，当 1 口与 2 口间正在通讯的时候，3 口与 4 口也可以 同时进行通讯。这样一来理论上不会发生冲突，也就是说不会造成效率的降低。因为这个原 因，交换机才会在今天非常的普及。
高骞
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那么“过滤”呢？既然交换机会“学习”MAC 地址和端口的对应关系，并凭借它来“转 发”数据，人为的也可以作出一些策略，比如禁止某个地址与端口的转发关系，从而可以“过 滤”数据。
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前面我们描述了很多的原理，对应下来级连交换机时有以下几种情况：
Hale Waihona Puke UpLink 到另一设备的普通端口，可使用直通线缆。 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
UpLink 到另一设备的 UpLink 端口，需使用交叉线。 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
从上面我们看到，交换机的名称由来，其实就是所谓数据“转发”过程。这个转发过程 其实还有一些差异，主要有：直通式交换式、存储转发式、碎片隔离式三种。
所谓直通式交换，也就是交换机在收到帧后，只要查看到此帧的目的 MAC 地址，马上 凭借 MAC 地址表向相应的端口转发；这种方式的好处是速度快，转发所需时间短，但问题 是可能同时把一些错误的、无用的帧也同时转发向目地端。
注意堆叠不是使用普通的网络电缆，而是专用堆叠电缆，从设备的主板之上直接连接， 所以早期也有所谓背板堆叠之说。既然是直接在主板上连接（需要有专用堆叠端口），大家 不妨这样想象，两台交换机在出厂的时候造成了两台独立的设备，后期我们使用堆叠技术从 主板相连，就像把主板焊接在了一起一样，所以堆叠起来的设备逻辑上算是一台设备。那么 类似下图中的拓扑，堆叠上两组交换机，设备的端口就成倍增加了，而且不占用级连的个数， 从而可以达到增加端口的目的：
这种问题在小型以太网中并不会造成很大问题，并且可以很好的工作，但是如果网络上 的通讯量有增加，或者连接的节点数目很多的时候，“冲突”会严重影响网络的性能，比如 我们在第一章中讲解以太网原理的时候就解释过优化“冲突域”的问题，这时候我们需要能 够隔离“冲突”的设备，交换机就可以完成这个功能了。
交换机在连接的时候，各个端口之间都可以同时通讯，也就是说端口间是不冲突的，也 可以用来隔离冲突。那么，什么样的原理造成交换机可以达成这个能力呢？我们来看看下图：
高骞
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当然，处在网络核心的一些交换机对这个参数是有要求的。大家不妨考虑下这种状况： 某台核心交换机用 16 个千兆端口连接 16 栋楼宇内的交换机，这台交换机绝对会要求 16 个 端口同时通信，并可能带宽达到饱和状态，也就是说它需要至少 16G 的交换总容量，才能 满足网络需求，这也是我们以后选择交换机交换容量的一种参考。同时我们还要为未来升级 预留扩展，那么为其准备 1 倍的升级空间，即此设备最好有 32G 的交换总容量。为了让大 家对交换机的这个能力有个印象，我们举一些例子，如一般厂商的系列交换机中，低端部门 工作组级交换机的交换容量一般是 2G 左右，汇聚层设备一般为 20G 左右，核心设备从 30G 到 180G 不等。
普通端口到普通端口，也需要交叉线。
此外还要注意，处于造价考虑，大部分厂商的 UpLink 端口和相邻端口有“共用”关系， 也就是说比如 UpLink 与 1 口相邻，UpLink 端口连线后 1 口就不能使用了，图解如下：
高骞
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高骞
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所以各大厂商出于形象考虑，大部分设备使用的是存储转发机制，也就是交换机的每个 端口被分配到一定的缓冲区（内存空间，一般为 64k 大），数据在进入交换机后读取完目标 MAC 地址，凭借 MAC 地址表掌握到转发关系后，数据会一直在此端口的缓冲区内存储， 直到数据填满缓冲区然后一次把所有数据转发到目的，在数据存储在缓冲区期间，交换机会 对数据作出简单效验，如果此时发现错误的数据，就不会转发到目地端，而是在这里直接丢 弃掉了；当然这种方式可以提供更好的数据转发质量，但是相对的转发所需时间就会比直通 交换要长一点。
其实在最早的星型拓扑中，标准的线缆集中连接设备是“HUB（集线器）”，但是集线 器存在着：共享带宽、端口间冲突等问题，因为大家都知道，标准的以太网是一个“冲突的 网络”，也就是说在一个所谓“冲突域”里面，最多只有两个节点可以互相通讯。而且，虽 然集线器有很多端口，但是其内部结构完全是以太网所谓的“总线结构”，也就是说其内部 只有一条“线路”来进行通信。如果上图中的设备是集线器的话，举个例子来说，假如端口 1 和 2 之间的节点正在通信，其它端口是需要等待的。直接造成的现象也就是，比如端口 1 和 2 所连接节点之间传送数据需要 10 分钟，端口 3 和 4 所在的节点在此同时也开始通过此 集线器传输数据，互相间冲突，造成大家所需的时间都会变久，时间可能会达到 20 分钟才 能传送完毕。也就是说集线器上互相通讯的端口越多，冲突越严重，传送数据所需的时间越 久。
但是，只要有过成功通讯后，交换机会把来源节点的 MAC 地址和端口对应关系记录在 本机的“MAC 地址表”中，也就是会把 PC1 的 MAC 地址对应端口 1 的关系记录下来，同 理 PC2 的 MAC 地址也会记录对应端口 5。表项类似：“0050ba000001（PC1 的 MAC 地址)= 端口 1”、“0050ba000005（PC2 的 MAC 地址）=端口 5”。这就是所谓的“学习”能力。之 后，如果 PC1 又要和 PC2 通讯，寻找目标 PC2 的 MAC 地址的请求会进入交换机，交换机 首先会比对自己的“MAC 地址表”，发现目标 PC2 的 MAC 地址已经在表中存在，也就不会 再“广播”寻址，而是凭借端口对应关系，直接从端口 1 向端口 5 转发数据，从而减少了网 络上的寻址广播。这就是所谓的“转发”。
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1. 以太网交换机原理
以太网交换机，作为今天我们广为使用的局域网硬件设备，一直为大家所熟悉。它的普 及程度其实是由于以太网的广泛使用，作为今天以太网的主流设备，几乎所有的局域网中都 会有这种设备的存在。看看以下的拓扑，大家会发现，在使用星型拓扑的情况下，以太网中 必然会有交换机的存在，因为所有的主机都是使用电缆集中连接到交换机上从而能够互相连 接的：
刚才我们说交换机理论上可以让所有端口通讯互不影响，为什么强调理论上呢？因为， 事实上出于造价，很少有交换机可以达到我们上图中的所谓“矩阵式交换”的能力，因为大 家从图上也可以看到，为了让端口间绝对的存在可利用通路，每个端口都要预留到任何一个 端口的线路，这种全矩阵交换机的模型实现起来造价非常昂贵，因为要利用大量的 CPU 和 内存，这种工作方式的交换机动辄要价会达到几十万人民币，普通网络环境根本无法使用。 所以造成今天大部分的交换机其实是利用所谓“宽总线式交换”，牺牲带宽来换取造价，其 原理如下图：