通信系統(tǒng)中交換機的交換方式及其應用技術(shù)

摘要:交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡設(shè)備。交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達目的地址。 交換機在我國通信系統(tǒng)中應用十分廣泛，本文就針對通信系統(tǒng)中交換機理論進行簡要的分析，以供參考。

關(guān)鍵詞:交換機涵義交換方式應用

一、交換機的基本原理

交換 switching 是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳酚缮系募夹g(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機switch就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。

交換和交換機最早起源于電話通訊系統(tǒng)(PSTN)，我們現(xiàn)在還能在老電影中看到這樣的場面:首長(主叫用戶)拿起話筒來一陣猛搖，局端是一排插滿線頭的機器，戴著耳麥的話務小姐接到連接要求后，把線頭插在相應的出口，為兩個用戶端建立起連接，直到通話結(jié)束。這個過程就是通過人工方式建立起來的交換。當然現(xiàn)在我們早已普及了程控交換機，交換的過程都是自動完成。

在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享設(shè)備，HUB本身不能識別目的地址，當同一局域網(wǎng)內(nèi)的A主機給B主機傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構(gòu)的網(wǎng)絡上是以廣播方式傳輸?shù)模擅恳慌_終端通過驗證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網(wǎng)絡上只能傳輸一組數(shù)據(jù)幀的通訊，如果發(fā)生碰撞還得重試。這種方式就是共享網(wǎng)絡帶寬。

交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會查找內(nèi)存中的地址對照表以確定目的MAC(網(wǎng)卡的硬件地址)的NIC(網(wǎng)卡)掛接在哪個端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學習”新的地址，并把它添加入內(nèi)部地址表中。

使用交換機也可以把網(wǎng)絡“分段”，通過對照地址表，交換機只允許必要的網(wǎng)絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現(xiàn)，避免共享沖突。

交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡設(shè)備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競爭使用。當節(jié)點A向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點B可同時向節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個傳輸都享有網(wǎng)絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機，那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。

二、交換機的分類及功能

從廣義上來看，交換機分為兩種:廣域網(wǎng)交換機和局域網(wǎng)交換機。廣域網(wǎng)交換機主要應用于電信領(lǐng)域，提供通信用的基礎(chǔ)平臺。而局域網(wǎng)交換機則應用于局域網(wǎng)絡，用于連接終端設(shè)備，如PC機及網(wǎng)絡打印機等。從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機、快速以太網(wǎng)交換機、千兆以太網(wǎng)交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環(huán)交換機等。從規(guī)模應用上又可分為企業(yè)級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是完全一致的，一般來講，企業(yè)級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式(插槽數(shù)較少)，也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式(功能較為簡單)。另一方面，從應用的規(guī)模來看，作為骨干交換機時，支持500個信息點以上大型企業(yè)應用的交換機為企業(yè)級交換機，支持300個信息點以下中型企業(yè)的交換機為部門級交換機，而支持100個信息點以內(nèi)的交換機為工作組級交換機。本文所介紹的交換機指的是局域網(wǎng)交換機。

交換機的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、錯誤校驗、幀序列以及流控。目前交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN(虛擬局域網(wǎng))的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。

交換機除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡之外，還可以在不同類型的網(wǎng)絡(如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng))之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡中的其它交換機或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務器提供附加帶寬。

三、交換機的交換方式

交換機通過以下三種方式進行交換

1.直通式(Cut Through)

直通方式的以太網(wǎng)交換機可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應的端口，實現(xiàn)交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非?？?，這是它的優(yōu)點。它的缺點是，因為數(shù)據(jù)包內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由于沒有緩存，不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丟包。

2.存儲轉(zhuǎn)發(fā)(Store Forward)

存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式是計算機網(wǎng)絡領(lǐng)域應用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲起來，然后進行CRC(循環(huán)冗余碼校驗)檢查，在對錯誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的數(shù)據(jù)包進行錯誤檢測，有效地改善網(wǎng)絡性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。

3.碎片隔離(Fragment Free)

這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64個字節(jié)，如果小于64字節(jié)，說明是假包，則丟棄該包;如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。這種方式也不提供數(shù)據(jù)校驗。它的數(shù)據(jù)處理速度比存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式快，但比直通式慢。

四、交換機的應用

作為局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備，以太網(wǎng)交換機成為應用普及最快的網(wǎng)絡設(shè)備之一。隨著交換技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。

如果你的以太網(wǎng)絡上擁有大量的用戶、繁忙的應用程序和各式各樣的服務器，而且你還未對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)做出任何調(diào)整，那么整個網(wǎng)絡的性能可能會非常低。解決方法之一是在以太網(wǎng)上添加一個10/100Mbps的交換機，它不僅可以處理10Mbps的常規(guī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，而且還可以支持100Mbps的快速以太網(wǎng)連接。

如果網(wǎng)絡的利用率超過了40%，并且碰撞率大于10%，交換機可以幫你解決一點問題。帶有100Mbps快速以太網(wǎng)和10Mbps以太網(wǎng)端口的交換機可以全雙工方式運行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。

不僅不同網(wǎng)絡環(huán)境下交換機的作用各不相同，在同一網(wǎng)絡環(huán)境下添加新的交換機和增加現(xiàn)有交換機的交換端口對網(wǎng)絡的影響也不盡相同。充分了解和掌握網(wǎng)絡的流量模式是能否發(fā)揮交換機作用的一個非常重要的因素。因為使用交換機的目的就是盡可能的減少和過濾網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量，所以如果網(wǎng)絡中的某臺交換機由于安裝位置設(shè)置不當，幾乎需要轉(zhuǎn)發(fā)接收到的所有數(shù)據(jù)包的話，交換機就無法發(fā)揮其優(yōu)化網(wǎng)絡性能的作用，反而降低了數(shù)據(jù)的傳輸速度，增加了網(wǎng)絡延遲。

除安裝位置之外，如果在那些負載較小，信息量較低的網(wǎng)絡中也盲目添加交換機的話，同樣也可能起到負面影響。受數(shù)據(jù)包的處理時間、交換機的緩沖區(qū)大小以及需要重新生成新數(shù)據(jù)包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機更為理想。因此，我們不能一概認為交換機就比HUB有優(yōu)勢，尤其當用戶的網(wǎng)絡并不擁擠，尚有很大的可利用空間時，使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡的現(xiàn)有資源。