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    交換機工作原理的詳細介紹
    編輯:Simon  閱讀:3688次  發布:12-05-24

    一、概述
        1993年,交換設備出現,1994年,國內掀起了交換的熱潮。其實,網絡交換機是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產品,體現了橋接技
    術的復雜交換技術在第二層的操作。與橋接器一樣,按每一個包中的相對簡單地決策轉發。與橋接器不同的是交換機轉發延遲很小,操作接近單個局域網性能,遠遠超過了普通橋接互聯網絡之間的轉發性能。交換技術允許共享型和專用型的局域網段進行帶寬調整,以減輕局域網之間流通出現的瓶頸問題。
        類似傳統的橋接器,交換機提供了許多網絡互聯功能。交換機能經濟地將網絡分成小的沖突網域,為每個工作站提供更高的帶寬。它的透明性使得交換機在
    軟件簡單的情況下直接安裝在多協議網絡中;交換機使用現有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網卡,不必作高層的硬件升級;交換機對工作站是透明的,這樣管理開銷低廉,簡化了網絡節點的增加、移動和網絡變化的操作。
        利用專門設計的集成電路可使交換機以線路速率在所有的端口并行轉發,提供了比傳統橋接器高得多的操作性能。如理論上單個以太網端口對含有64個八進
    制數的數據包,可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一臺具有12個端口、支持6道并行數據流的“線路速率”以太網交換器必須提供89280bps的總體吞吐率(6道流X14880bps/道流)。專用集成電路技術使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運行,其端口造價低于傳統型橋接器。

    二、三種交換技術
    1.端口交換
         端口交換技術最早出現在插槽式的集線器中,這類集線器的背板通常劃分有多條以太網段(每條網段為一個廣播域),不用網橋或路由連接,網絡之間是互不
    相通的。以大主模塊插入后通常被分配到某個背板的網段上,端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網段之間進行分配、平衡。根據支持的程度,端口交換還可細分為:
        •模塊交換:將整個模塊進行網段遷移。
        •端口組交換:通常模塊上的端口被劃分為若干組,每組端口允許進行網段遷移。
        •端口級交換:支持每個端口在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基于OSI第一層上完成的,具有靈活性和負載平衡能力等優點。如果配置得當,那么還
    可以在一定程度進行客錯,但沒有改變共享的特點,自而未能稱之為真正的交換。

    2.幀交換
         幀交換是目前應用最廣的局域網交換技術,它通過對傳統傳輸媒介進行微分段,提供并行傳送的機制,以減小沖突域,獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產
    品的實現技術均會有差異,但對網絡幀的處理方式一般有以下幾種:
        •直通交換:提供線速,交換機只讀出網絡幀的前14個字節,便將網絡幀傳送到相應的端口上。
        •存儲轉發:通過對網絡幀的讀取進行驗錯和控制。
        前一種方法的交換速度非常快,但缺乏對網絡幀進行更高級的控制,缺乏智能性和安全性,同時也無法支持具有不同速率的端口的交換。因此,各廠商把后一
    種技術作為重點。有的廠商甚至對網絡幀進行分解,將幀分解成固定大小的信元,該信元處理極易用硬件實現,處理速度快,同時能夠完成高級控制功能(如美國MADGE公司的LET集線器)如優先級控制。

    3.信元交換
         ATM技術代表了網絡和通訊技術發展的未來方向,也是解決目前網絡中眾多難題的一劑“良藥”,ATM采用固定長度53個字節的信元交換。由于長度固定,因而
    便于用硬件實現。ATM采用專用的非差別連接,并行運行,可以通過一個交換機同時建立多個節點,但并不會影響每個節點之間的通信能力。ATM還容許在源節點和目標、節點建立多個虛擬鏈接,以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統計時分電路進行復用,因而能大大提高通道的利用率。ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。

    三、局域網交換機的種類和選擇
       局域網交換機根據使用的網絡技術可以分為:
       •以太網交換機;
       •令牌環交換機;
       •FDDI交換機;
       •ATM交換機;
       •快速以太網交換機等。

       如果按交換機應用領域來劃分,可分為:
       •臺式交換機;
       •工作組交換機;
       •主干交換機;
       •企業交換機;
       •分段交換機;
       •端口交換機;
       •網絡交換機等。

       局域網交換機是組成的核心設備。對用戶而言,局域網交換機最主要的指標是端口的配置、數據交換能力、包交換速度等因素。因此,在選擇交換機時要注意以
    下事項:
    (1)交換端口的數量;
    (2)交換端口的類型;
    (3)系統的擴充能力;
    (4)主干線連接手段;
    (5)交換機總交換能力;
    (6)是否需要路由選擇能力;
    (7)是否需要熱切換能力;
    (8)是否需要容錯能力;
    (9)能否與現有設備兼容,順利銜接;
    (10)能力。

    四、交換機應用中幾個值得注意的問題
    1.交換機網絡中的瓶頸問題
         交換機本身的處理速度可以達到很高,用戶往往迷信廠商宣傳的Gbps級的高速背板,其實這是一種誤解,連接入網的工作站或使用的網絡是以太網,它遵循
    CSMA/CD介質訪問規則。在當前的客戶/服務器模式的網絡中多臺工作站會同時訪問服務器,因此非常容易形成服務器瓶頸。有的廠商已經考慮到這一點,在交換機中設計了一個或多個高速端口(如3COM的Linkswitch1000可以配置一個或兩個100Mbps端口),方便用戶連接服務器或高速主干網。用戶也可以通過設計多臺服務器(進行業務劃分)或追加多個網卡來消除瓶頸。交換機還可支持生成樹算法,方便用戶架構容錯的冗余連接。

    2.網絡中的廣播幀
         目前廣泛使用的網絡有LAN、WAN等,而Lan的服務器是通過發送幀來向客戶機提供服務的。這類局域網中廣播包的存在會大大降低交換機的效率,這時可以利
    用交換機的虛擬網功能(并非每種交換機都支持虛擬網)將廣播包限制在一定范圍內。
         每臺文交換機的端口都支持一定數目的MAC地址,這樣交換機能夠“記憶”住該端口一組連接站點的情況,廠商提供的定位不同的交換機端口支持MAC數也不一
    樣,用戶使用時一定要注意交換機端口的連接端點數。如果超過廠商給定的MAC數,交換機接收到一個網絡幀時,只有其目的站的MAC地址不存在于該交換機端口的MAC地址表中,那么該幀會以廣播方式發向交換機的每個端口。

    3.虛擬網的劃分
         虛擬網是交換機的重要功能,通常虛擬網的實現形式有三種:
         A、靜態端口分配:靜態虛擬網的劃分通常是人員使用或直接設置交換機的端口,使其直接從屬某個虛擬網。這些端口一直保持這些從屬性,除非網管人員重新設置。這種方法雖
    然比較麻煩,但比較安全,容易配置和維護。
         B、動態虛擬網:支持動態虛擬網的端口,可以借助智能自動確定它們的從屬。端口是通過借助網絡包的MAC地址、邏輯地址或協議類型來確定虛擬網的從屬。當一網絡節點剛
    連接入網時,交換機端口還未分配,于是交換機通過讀取網絡節點的MAC地址動態地將該端口劃入某個虛擬網。這樣一旦網管人員配置好后,用戶的計算機可以靈活地改變交換機端口,而不會改變該用戶的虛擬網的從屬性,而且如果網絡中出現未定義的MAC地址,則可以向網管人員報警。
        C、多虛擬網端口配置:該配置支持一用戶或一端口可以同時訪問多個虛擬網。這樣可以將一臺網絡成多個業務部門(每種業務設置成一個虛擬網)都可同時訪問,也可以同時訪問多
    個虛擬網的資源,還可讓多個虛擬網間的連接只需一個路由端口即可完成。但這樣會帶來安全上的隱患。虛擬網的業界規范正在制定當中,因而各個公司的產品還談不上互操作性。

    4. 高速局域網技術的應用
        快速以太網技術雖然在某些方面與傳統以太網保持了很好的兼容性,但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX對傳輸距離和級連都有了比較大的限制。通過
    100Mbps的交換機可以打破這些局限。同時也只有交換機端口才可以支持雙工高速傳輸。目前也出現了CDDI/FDDI的交換技術,另外該CDDI/FDDI的端口價格也呈下降趨勢,同時在傳輸距離和安全性方面也有比較大的優勢,因此它是大型網絡骨干的一種比較好的選擇。
        3COM的主要交換產品有Linkswitch系列和LANplex系列;BAY的主要交換產品有LattisSwitch2800,BAYstackworkgroup、System3O00/5000(提供某些可選交
    換模塊);Cisco的主要交換產品有Catalyst1000 / 2000 / 3000 / 5000系列。三家公司的產品形態看來都有相似之處,產品的價格也比較接近,除了設計中要考慮網絡環境的具體需要(強調端口的搭配合理)外,還需從整體上考慮,例如網管、網絡應用等。隨著ATM技術的發展和成熟以及市場競爭的加劇,幀交換機的價格將會進一步下跌,它將成為工作組網的重要。



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