局域網(wǎng)交換機(jī)體系結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響

王道勝

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

0 引言

交換機(jī)具有操作簡單、低格低廉、高性能和高端口密集特點，協(xié)議的透明性允許交換機(jī)直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中，只需簡單的軟件配置即可。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，在網(wǎng)絡(luò)傳輸密集的場合，其效率要遠(yuǎn)高于普通的集線器，在局域網(wǎng)中作為網(wǎng)絡(luò)的一個中樞，與許多工作站和服務(wù)器連接，是構(gòu)成整個交換式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。局域網(wǎng)采用不同的交換體系結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有很大的影響[1]。

1 交換機(jī)的工作原理

交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，將兩個LAN連起來，根據(jù)MAC地址來轉(zhuǎn)發(fā)幀，不需要檢查上層信息。交換機(jī)存儲的MAC地址表在交換機(jī)首次啟動時為空。當(dāng)工作站發(fā)出幀時，開關(guān)讀取幀的源地址和目標(biāo)地址，并記錄接收幀的端口。然后在地址表中查找并核對指向目標(biāo)地址的端口、幀的目標(biāo)地址和表中的地址，最終從選定的端口輸入信息[2]。

所有交換機(jī)的功能基本相同：接收幀、查找目標(biāo)地址的端口、發(fā)送幀。當(dāng)交換機(jī)從一個節(jié)點接收到一個以太網(wǎng)幀時，將會及時找到其內(nèi)存地址表（以太網(wǎng)MAC地址號），檢查目標(biāo)MAC網(wǎng)絡(luò)適配器連接到的節(jié)點，并將幀路由到此節(jié)點。如果在地址表中找不到MAC地址，則交換機(jī)會將數(shù)據(jù)包廣播到所有節(jié)點。具有MAC地址的網(wǎng)卡在接收到廣播幀后立即響應(yīng)，并將交換機(jī)插入MAC地址表中其節(jié)點的“MAC地址”[3]。

當(dāng)交換機(jī)從節(jié)點接收幀時，對地址表執(zhí)行兩個操作：（1）檢查幀的源MAC地址是否存在于地址表中，若缺少則添加，以便后續(xù)操作中能夠準(zhǔn)確定位MAC地址的具體位置。（2）檢查幀的目標(biāo)MAC地址是否已在地址表中，如果不在，則將幀發(fā)送到除源節(jié)點以外的所有其他節(jié)點，就像幀是廣播幀一樣（源節(jié)點除外），相當(dāng)于該幀是一個廣播幀。如已在地址表中，則將幀發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點，而不必將幀發(fā)送到集線器等所有節(jié)點，以實現(xiàn)源節(jié)點和目的節(jié)點之間的相互通信，從而提供了比集線器更高的傳輸速率。

2 局域網(wǎng)交換體系結(jié)構(gòu)

通常情況下，大型局域網(wǎng)是通過網(wǎng)橋、路由器或交換機(jī)等各種網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備來進(jìn)行多個LAN的連接。由于不斷增長的LAN帶寬需求必須低于以太網(wǎng)或令牌環(huán)上設(shè)置的10 Mbps或16 Mbps帶寬限制，所以在典型的LAN設(shè)計中，不同的LAN段數(shù)量迅速增加。交換式局域網(wǎng)以較低的成本跨多個網(wǎng)段提供高質(zhì)量的消息傳輸服務(wù)，作為一種通過增加網(wǎng)段來提高局域網(wǎng)容量的技術(shù)，得到了迅速的發(fā)展。局域網(wǎng)可以按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋头譃椋盒切芯W(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)和樹形網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?/p>

2.1 局域網(wǎng)交換總線結(jié)構(gòu)

（1）單個總線結(jié)構(gòu)在使用過程中，F(xiàn)DDI上行鏈路模塊、ATM上行鏈路模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)模塊和快速以太網(wǎng)交換機(jī)模塊連接到核心結(jié)構(gòu)元件。每個端口都必須提交訪問仲裁，單個總線易于廣播和組播，但很容易造成超載。

（2）交叉總線式結(jié)構(gòu)，用于端口之間的點對點直接連接。對于簡單的單播信息傳輸，可以在不阻塞的情況下垂直和水平構(gòu)建多個輸入總線。而對于點對多點廣播則存在一定缺陷，由于廣播和組播在實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中非常普遍，標(biāo)準(zhǔn)交叉總線模式會影響最終的傳輸速度以及其他的傳輸問題。例如，端口B和C只能在端口A和D傳輸數(shù)據(jù)時等待，如果端口A向所有端口發(fā)送消息，則會導(dǎo)致目標(biāo)端口排隊。這不僅會大量消耗系統(tǒng)的帶寬，還將影響連接n個端口×（n+1）交叉總線所需的局域網(wǎng)交換機(jī)的傳輸性能，最終導(dǎo)致其所需的成本因端口數(shù)量的增多而大幅增加。

（3）并行總線結(jié)構(gòu)時，各模塊間的所有信息都經(jīng)過一塊由一種介質(zhì)組成的單塊背板（總線）來傳輸，數(shù)據(jù)利用時分多工傳輸（TDM）方式在總線上傳輸，傳輸速度較快，最高容量平均為2 GB/s。

（4）共享內(nèi)存型交換機(jī)運(yùn)行時，采用大量高速RAM存儲輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)直接從存儲器傳輸?shù)捷敵龆丝?。因此，設(shè)計不需要背板，交換機(jī)易于實現(xiàn)。缺點在于，設(shè)計中冗余開關(guān)電機(jī)的復(fù)雜性和成本增加，導(dǎo)致存儲操作存在少許延遲，不可避免地導(dǎo)致單一故障風(fēng)險存在。共享內(nèi)存型交換機(jī)適用于小型系統(tǒng)中的分布式開關(guān)模塊、堆疊系統(tǒng)或大型系統(tǒng)。

（5）混合交叉總線式結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)交叉總線缺陷的基礎(chǔ)上，提出了一種混合交叉總線實現(xiàn)方案，具體設(shè)計過程中，是將嵌入式交叉總線矩陣分解為一個個小型的交叉總線矩陣，由此形成一個強(qiáng)大的總線連接，具有數(shù)量減少和節(jié)約成本的優(yōu)點，但是如何實現(xiàn)其交叉矩陣又成為一個新的難點問題。

（6）環(huán)形總線式結(jié)構(gòu)。一個回路最多可支持4個開關(guān)電機(jī)，并以不同的速度連接開關(guān)矩陣，并通過控制電機(jī)在電路之間連接。隨著端口數(shù)量的增加，與上述結(jié)構(gòu)不同，該結(jié)構(gòu)由一個單獨的總線狀態(tài)控制和路由、流量控制、數(shù)據(jù)總線清洗等組成。另外，還可以在環(huán)總線上增加管理模塊，提供完整的SNMP管理功能。還可以根據(jù)需要選擇三級交換機(jī)功能，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是擴(kuò)展能力強(qiáng)，實現(xiàn)成本低，有效突破了系統(tǒng)擴(kuò)展造成的總線瓶頸。

2.2 點對點結(jié)構(gòu)

基于點對點結(jié)構(gòu)的交換機(jī)一般分為以下兩類。

（1）網(wǎng)狀連接的點對點結(jié)構(gòu)交換機(jī)，又稱為縱橫制交換機(jī)或矩陣交換機(jī)。每個模塊都有自己的連接，并且都是直接連接到其他模塊，形成一個完全交叉的結(jié)構(gòu)，因此無須為其配置中央交換機(jī)板。但是，由于網(wǎng)格連接的呈幾何形狀，此交換機(jī)通過增加端口數(shù)量會增加模型成本。每個模塊還提供網(wǎng)絡(luò)連接以及擴(kuò)展容量時的重復(fù)系統(tǒng)時鐘和控制功能。背板總?cè)萘康扔谶B接線的總線Nx（N－1）乘以一條點對點鏈路的傳輸速度（目前容量已達(dá)到1GB／s或更高）。

（2）星型連接的點對點結(jié)構(gòu)的交換機(jī)，其互聯(lián)設(shè)計將以太網(wǎng)模塊連接器更換為中央交換機(jī)板，每個星型連接模塊僅接收中央交換機(jī)板，并在需要冗余時連接到備用交換機(jī)板。由于每個模塊都不需要高性能的開關(guān)板，所以總體設(shè)計只使用兩個基板，這比任何具有3個或更多模塊的網(wǎng)格設(shè)計都要便宜。這種結(jié)構(gòu)主要用于ATM交換機(jī)。

相較于網(wǎng)狀設(shè)計方案，星形結(jié)構(gòu)的點到點結(jié)構(gòu)設(shè)計具有良好的可擴(kuò)展性，其實現(xiàn)了模塊和中心板之間任意數(shù)量的連接（稱為背板互連）?；ミB的最終傳輸容量取決于核心網(wǎng)絡(luò)和模塊的交換容量，而不是互聯(lián)線路本身。例如，在一個10模塊的機(jī)箱中，每個模塊可以配置兩條連接線，每條連接線的速度為1 GB/s，即模塊顯示器和中央顯示模塊之間的帶寬，因此可以配置20 GB/s的總?cè)萘俊?/p>

3 結(jié)語

要想獲得更高的帶寬和更快的速度，點對點連接是交換機(jī)結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向。點對點交換機(jī)的成本高、擴(kuò)展性差，不適合大型端口交換機(jī)；雖然星形點到點連接的絕對帶寬小于矩陣連接，但對其加以優(yōu)化后可以獲得高性能，顯著降低局域網(wǎng)交換機(jī)的復(fù)雜性，實用性更強(qiáng)。目前，共享內(nèi)存型交換機(jī)的復(fù)雜度不高，通過優(yōu)化設(shè)計和分布式處理技術(shù)，在實際應(yīng)用中可以獲得較高性能，其在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)都可以滿足大多數(shù)企業(yè)的需求，仍然是局域網(wǎng)交換機(jī)的主流產(chǎn)品。