交换机如何工作

交换机如何工作

交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单局域网性能，远远超过了普通桥接互联网之间的转发性能。
交换技术允许共享型呵专用性大的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已经有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术个交换产品。
    三种交换技术
    端口交换
    端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段，不用网桥或路由器连接，网络之间是互不相通的。以太主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板凳多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口进行还可以细分为：
    *模块交换：将整个模块进行网段迁移
    *端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。
    *端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡的能力等优点.如果配置得当,那么还可以在一定程度进行容错,但没有改变共享传输介质的特点,因而不能称之为真正的交换.
    帧交换
    帧交换是目前应用最广泛的局域网交换技术,它通过对传统传输媒介进行微分段,提供并行传送的机制,以减小冲突域,获得高的带宽.一般来说每个公司的产品德实现技术均回游差异,但对网络帧的处理方式有一下几种:
    *真通交换:提供线速处理能力,交换机只读出网络帧的前14个字节,便将网络帧转送到相应得断口上.
    *贮存转发:通过对网络帧的读取进行验错和控制.
    前一种方法的交换速度非常快,但缺乏对网络帧进行更高级的控制,缺乏智能性和安全性,同时也无法支持具有不同速率的端口的交换.因此,各厂商把后一种技术作为重点.

    信元交换
    ATM技术代表了网络和通信中众多难题的一剂"良药".ATM采用固定长度53个字节的信元交换.由于长度固定,因而便于用硬件实现.ATM采用专用的非差别连接,并行运行,可以通过一个交换机同时建立多个节点,但不会影响每个节点之间的通信能力.ATM还容许在源节点和目标节点之间的通信能力.ATM采用了统计时分电路进行复用,因而能大大提高通道德利用率.ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数GB的转送能力。

    局域网交换机的种类及选择

    局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：
    *以太网交换机
    *令牌环交换机
    *FDDI交换机
    *ATM交换机
    *快速以太网交换机交换机

    如果按交换机应用领域来划分，可分为：
    *台式交换机
    *工作组交换机
    *主干交换机
    *企业级交换机
    *分段交换机
    *端口交换机
    *网络交换机

    局域网计算机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意一下事项“
    1.交换端口的数量
    2.交换端口的型号
    3.系统的扩充能力
    4.主干线的连接手段
    5.交换机总交换能力
    6.是否需要路由选择能力
    7.是否需要热切换能力
    8.是否需要容错能力
    9.能否与现有设备兼容,顺利衔接
    10.网络管理能力

可堆叠交换机具有迅速部署、良好的价值、可伸缩性以及易于管理等优点，目前得到了广泛的应用，特别是在电子商务应用中尤为流行。但是，完全根据每个用户端口的价格来评估一台可堆叠交换机并不能反映所有情况。事实上，如果厂商根据不符合实际条件的配置来计算每端口价格或做出其它断言的话，只根据价格因素来判断一种产品可能会误导用户。
    更全面评估可堆叠交换机的途径是增加对可伸缩性和可管理性能的评估。在谈到可伸缩性时，许多厂商列举了用户端口的数量来支持他们对高可靠性的保证，这是不够的，还要考虑这种配置有没有上行链路，还需确定交换机出现阻塞或饱和的位置。这里有三点需要考虑：

    内部可伸缩性：堆叠设备之间的互联将可伸缩性限制到什么程度？

    带宽扩展：有多少端口可以在交换机过载前从10Mbps以太网升级到100Mbps以太网端口？

    外部可伸缩性：交换机上行链路将向网络其它部分传送的数据流限制到什么程度？

    以具有24个用户端口的交换机为例。在这里我们有意使用“用户端口”这个词，因为在实际配置中，一定数量的端口已经被用于服务器或内部和外部连接。如果这24个端口都具有10Mbps的吞吐量，并且如果可堆叠设备与一个千兆以太网上行链路连接在一起，那么将8个端口升级到100Mbps 以太网将会使上行链路饱和。

    计算过程如下：8个100Mbps端口等于800Mbps 吞吐量，而余下的16个10Mbps端口等于160Mbps吞吐量。总计960Mbps 的吞吐量意味着在不阻塞1Gbps上行链路的情况下，无法实施进一步的快速以太网升级。

    此外，许多第3层可堆叠交换机不支持差别服务、服务类型或多协议标记交换，因而这类可堆叠交换机需要外部路由器或额外的第3层交换机来获得所需要的管理特性。

    可管理性

    许多研究证明，涉及到运行和管理的费用在产品的生命期中耗费的资金比产品的最初购买费用要更多。因此，可管理性成为了评估总体价值的另一项关键因素。

    可堆叠交换机固有的优势在于管理单一逻辑实体比管理多台必须独立配置和监控的设备更容易。但是，这里仍有其它一些需要研究的因素，包括用于优先数据流的服务质量（QoS）、执行策略的能力、管理VLAN传输流的能力以及易于管理和操作性。

    QoS特性集中在保存所需带宽和转发传输流来支持不同服务水平的需要。一般可堆叠交换机都支持描述优先级和VLAN的IEEE 802.1p及802.1Q标准。但是当涉及到对资源保留协议（用于为特定数据流保留规定带宽的通用机制）的支持时结果却不尽相同，而资源保留对于在建立连接时保证有足够的带宽可供使用是不可或缺的。

    对策略的支持

    策略是指控制交换机行为的规则，网络管理员利用策略为应用流分配带宽、优先级以及控制网络访问，其重点是满足服务水平协议所需的带宽管理策略及向交换机发布策略的方式。由于一次配置一台交换机需要耗费大量人力，并有可能会出现输入错误，因此策略必须发布到交换机组。在需要新策略时，大量的交换机应能够被迅速修改，因此，需检查可堆叠交换机是否支持目录使能网络和轻目录访问协议，以及通用开放策略服务（一种有望实施的特性更丰富的协议）。

    用户可以使用VLAN跨多台交换机或堆叠设备来管理传输流。目前的产品都支持802.1Q标记定义的VLAN，许多产品还支持基于交换机端口、媒体访问控制地址、第3层协议或策略的其它VLAN 。

 交换是当前网络技术发展的方向。路由技术是交换网络的重要组成部分。交换网络中路由技术选用得正确与否，将直接影响到网络的整体性能的好坏。因此路由技术越来越受到生产厂家与网络设计人员的重视。 
    
     一、三种路由技术
    目前交换网络中的路由技术有三种，其中第一种是最为保守的方法，即第三层的路由器与第二层交换机相结合的方法。第二层交换机严格限制于桥结构，用于同一虚拟网内的不同节点之间的数据交换，在OSI参考模型的第二层，即数据链路层实现虚拟LAN的功能，将第三层的功能留给路由器实现，由路由器完成虚拟网络之间的数据传输与建立LAN与企业主干网连接的工作。
    第二种方法采用分布式路由技术。其特点是它使用多层交换机，将第二层的桥与第三层的路由结合在一起，有的文献也将多层交换机称之为第三层交换机。它本身所具有的路由功能支持虚拟LAN，并支持大多数同一虚拟网内或不同虚拟网之间节点的通信，减少了工作组与部门之间所使用的路由器的数目。但它仍然不能完全摆脱使用传统路由器，这是因为多层交换机只能提供高档路由器所能提供的协议、安全、交通管理及与WAN连接功能的子集。如CISCO公司7000系列路由器能够处理12种协议并支持点对点、电路交换与信元交换的广域网通信，而Alantec公司生产的Powerhub多层交换机却只能处理三种协议:DECnet、IP与IPX，并且没有WAN接口。因此，多层交换机网络中需要使用路由器作为广域网的网关，并完成较为复杂的路由功能。
　　 交换网中的第三种路由技术则采用了一种全新的结构:路由服务器与边界交换机相结合。我们知道，传统的路由器完成信息包的转发与路由选择两项工作。而基于路由服务器的网络则由两个独立的设备分别完成上述两项功能:边界交换机完成信息包的转发，而路由信息的确定由价格较为昂贵的路由服务器完成。边界交换机只有在自己的地址表中找不到目标节点的地址时才访问路由服务器，此时路由器对之响应一个正确的地址，交换机再将该信息缓存备用。需要指出的是，目前路由服务器与交换机之间的通信协议还不统一，不同厂家的产品还不兼容。
    二、比较与评价
　　 上述三种路由技术各有特色，网络设计人员可根据实际情况加以选用。为使人们对它们有更好的了解，我们分以下四个方面对它们进行比较。
    1.组网规模
    网络的大小是选择何种路由技术组网的决定性因素。第二层交换机与传统路由器相结合的办法适用于较小规模的网络，其特点是经济实用。但当主干网扩展成比较大的网络时，第二层虚拟LAN的开销将明显增大。
    随着主干网的扩展，多层交换机的智能优势得到充分发挥，由于它仅向那些属于某一特定子网的网段转发广播，因此减少了主干网上广播交通的数量。由于多层交换机组成的虚拟网络具有过滤功能，并能节省主干网的带宽与端站点的时钟，因此虚拟网络的安全性较好。另外，它与第一种方法相比，由于交换机可在工作组与部门范围内同时负责交换与路由选径工作，故节省了传统路由器使用的数目。分布式路由器法与路由服务器也比较适用于大型的分布式网络。
    2.延迟
    网络延迟的增加会导致网络性能的下降，网络延迟的大小一般与设备在转发交通之前所必须处理的作业的大小成正比。对于第二层的以太交换机来讲，由于第二层虚拟网本质上使用桥而不使用路由器，因此相对速度较快，当执行一个简单的MAC地址寻找时，一个信息包(64字节)的延迟小于100微秒。第三层路由器的使用增加了头标的寻找及某些算法的执行，因此大大增加了信息包的延迟，其延迟时间高达5毫秒。
    可见，对于由第二层交换机与第三层路由器结合组成的网络，当交通经由交换机时具有相当好的性能;当交通从一个交换机经由路由器流向另一个交换机时性能较差。
    几乎所有的第二层交换机与软件配合使用都能将节点组成虚拟网络(广播域)，并以此改善网络的性能。同一虚拟网内节点之间的交通在MAC层进行交换，延迟较小。不同虚拟网之间的节点交换信息时，信息包传递要经过路由器，此时网络延迟较大。
    分布路由技术允许交换机在第三层协议子网ID虚拟网间传递信息，能克服上述路由器所形成的瓶颈。
    路由服务器法使用边界交换机做出路径的选择。偶而在边界交换机不知道发送目标地址时，才向路由服务器发询问信息包，此时才会出现寻径的延迟。正常情况下，交换机可以直接在缓存地址表中查找地址，之后可直接转发信息包，此种情况下产生的延迟与MAC层交换机的延迟基本相同。
   
     3.管理
    路由信息存放于网络中各个路由器中，每种协议都有相应的表列。网管人员必须逐个对路由器进行配置，其中包括滤波器的设置，增加、修改路由表等。加之人机界面是基于文本的界面，因此当企业网扩展到较大规模时，路由器的管理与配置是相当费时的。
    分布式路由技术不利的一面是其管理的开销与路由及交换表数目的增加呈指数增加趋势。为了克服这一缺点，生产商家拟采用以下措施:在中心控制台制定交通管制策略，并通过网络自动传播，从而避免对每个设备逐一配置，并增加图形人机界面。
    路由服务器的特点是易于管理，只需对一个路由服务器的配置就可提供高质量的服务与虚拟网络的管理。如Cabletron公司的Securefast管理程序就能够允许网管人员利用屏幕，对不同组的用户分配访问权限，通过执行该软件将访问权限通知所有的交换机。
    路由服务器方法的另一个优点是，允许网管人员透明地制定交通管理策略，不必关心端站用户的类型。例如，网管人员可将以太交换机上的节点与ATM上的服务器分配给同一个虚拟局域网，而不必输入以太节点的MAC或IP地址，也不必输入ATM节点的VPI/VCI。 4.价格
    价格是人们组网考虑的另一个主要因素。以下作者给出几个公司生产的50、250、500个端口三种路由方式产品的平均每个端口价格的对比情况(见表1～2)。这里每个端口的价格是用端口的数目去除网络设备总价格所得的结果，网络设备包括以太交换机、ATM交换机、路由服务器与第三层路由器。
    路由服务器组网方式只有Newbridge公司给出价格，其50、250、500个端口设备每个端口的平均价格分别为1920、1520与1435美元。
    从上面给出的数据可以看出，基于第二层交换与路由器方式组网的方案价格最便宜，分布式路由技术组网价格最高，而路由服务器方式组网价格适中。从中我们还可发现，使用第二层交换机与第三层路由器组网时，随着网络规模的扩大，平均每个端口的价格越来越小，路由服务器组网的情况与之类似。但分布式路由器组网方式平均每个端口的价格受网络规模影响不大。
    三、与ATM主干的连接
    由于路由服务器与分布式路由方式组成的交换LAN与ATM主干相连目前还没有统一的标准，故各公司提供的连接方式也不尽相同。
    常见的方法是将以太或令牌环局域网交换机的所有虚拟网的交通送往装有ATM接口卡的路由器，但这种作法的缺点是路由器将会成为整个网络的瓶颈，影响了网络的整体性能。
    较好的方法是，以太LAN交换机都备有各自的ATM接口，从而允许LAN交换机与ATM交换机直接建立连接，不必经由路由器，这是一个明显的改进。但不同虚拟网之间的数据传输仍需经过路由器，瓶颈依然存在。
    目前关于传统的交通在ATM上传输有两种标准:其一是ATM论坛制定
    的LAN仿真，另一种标准是国际计算机互连网络工程任务组IETF制定的ATM上的传统IP标准(IPOverATM)。LAN仿真运行于介质访问控制MAC层，它的最大好处是，能确保以太及令牌环的交通在不需对应用程序及人机界面做任何改变的情况下在ATM网上正常运行。IPOverATM标准与LAN仿真具有相同的目的，与LAN仿真不同的是，它只允许ATM交通运行于IP网络。但是，它们都没有彻底地解决不同虚拟网之间交通的传输，仍需要在不同虚拟网之间设有路由器:路由器将信元装配成信息包，完成路由选择，并在发送前再将信息包恢复成信元，这样做效率明显要低得多。为了消除路由器形成的瓶颈，ATM论坛制定了ATM上的多协议传输标准(MPOA)，其目的是解决ATM上的多种协议的传输，这其中包括IP、IPX/SPX与Appletalk等。MPOA的不同虚拟网之间的路由交通是基于网络层的交通信息(如IP子网地址)，以达到避免使用外部路由器的目的。

    四、结论
    综上所述，三种路由器技术各有特点，各有所长，用户可根据自己的实际需要加以选择。需要强调的是，路由技术在当前，乃至于在可预见的未来，仍是交换网络的一个非常重要的组成部分，路由技术选择的正确与否会直接影响网络整体性能，必须予以足够的重视。