交換式以太網技術

2019-11-05 01:29:56

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供稿：網友

交換式技術發展過程　　以太網交換機，英文為SWITCH，也有人翻譯為開關，交換器或稱交換式集線器。我們首先回顧一下局域網的發展過程。
　　
　　　　計算機技術與通信技術的結合促進了計算機局域網絡的飛速發展，從六十年代末ALOHA的出現到九十年代中期1000MBPS交換式以太網的登臺亮相，短短的三十年間經過了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速，從簡單到復雜，從昂貴到普及的飛躍。
　　
　　　　八十年代中后期，由于通信量的急劇增加，促使技術的發展，使局域網的性能越來越高，最早的1MBPS的速率已廣泛地被今天的100BASE－T和100CG－ANYLAN替代，但是，傳統的媒體訪問方法都局限于使大量的站點共享對一個公共傳輸媒體的訪問，既CSMA/CD。
　　
　　　　九十年代初，隨著計算機性能的提高及通信量的聚增，傳統局域網已經愈來愈超出了自身的負荷，交換式以太網技術應運而生，大大提高了局域網的性能。與現在基于網橋和路由器的共享媒體的局域網拓撲結構相比，網絡交換機能顯著的增加帶寬。交換技術的加入，就可以建立地理位置相對分散的網絡，使局域網交換機的每個端口可平行、安全、同時的互相傳輸信息，而且使局域網可以高度擴充。
　　
　　　　從網橋、多端口網橋到交換機
　　
　　　　局域網交換技術的發展要追溯到兩端口網橋。橋是一種存儲轉發設備，用來連接相似的局域網。從互聯網絡的結構看，橋是屬于DCE級的端到端的連接；從協議層次看，橋是在邏輯鏈路層對數據幀進行存儲轉發；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網橋幾乎是和以太網同時發展的。
　　
　　　　以太網交換技術（SWITCH）是在多端口網橋的基礎上與九十年代初發展起來的，實現OSI模型的下兩層協議，與網橋有著千絲萬縷的關系，甚至被業界人士稱為"許多聯系在一起的網橋"，因此現在的交換式技術并不是什么新的標準，而是現有技術的新應用而已，是一種改進了的局域網橋，與傳統的網橋相比，它能提供更多的端口（4～88）、更好的性能、更強的治理功能以及更便宜的價格。現在某些局域網交換機也實現了OSI參考模型的第三層協議，實現簡單的路由選擇功能，目前很熱的第三層交換就是指此。以太網交換機又與電話交換機相似，除了提供存儲轉發（STORE ANG FORWord）方式外還提供了其它的橋接技術，如：直通方式（CUT THROUGH）。
　　
　　　　交換式以太網的工作原理
　　
　　　　以太網交換機的原理很簡單，它檢測從以太端口來的數據包的源和目的地的MAC（介質訪問層）地址，然后與系統內部的動態查找表進行比較，若數據包的MAC層地址不在查找表中，則將該地址加入查找表中，并將數據包發送給相應的目的端口。
　　
　　　　交換式以太網技術的優點
　　
　　　　交換式以太網不需要改變網絡其它硬件，包括電纜和用戶的網卡，僅需要用交換式交換機改變共享式HUB，節省用戶網絡升級的費用。
　　
　　　　可在高速與低速網絡間轉換，實現不同網絡的協同。目前大多數交換式以太網都具有100MBPS的端口，通過與之相對應的100MBPS的網卡接入到服務器上，暫時解決了10MBPS的瓶頸，成為網絡局域網升級時首選的方案。
　　
　　　　它同時提供多個通道，比傳統的共享式集線器提供更多的帶寬，傳統的共享式10MBPS/100MPS以太網采用廣播式通信方式，每次只能在一對用戶間進行通信，假如發生碰撞還得重試，而交換式以太網答應不同用戶間進行傳送，比如，一個16端口的以太網交換機答應16個站點在8條鏈路間通信。
　　
　　　　非凡是在時間響應方面的優點，使的局域網交換機倍受青睞。它以比路由器低的成本卻提供了比路由器寬的帶寬、高的速度，除非有上廣域網（WAN）的要求，否則，交換機有替代路由器的趨勢。
　　
　　
　　
　　　　直通式（cut throuth），存儲轉發（store-and-forward）的比較
　　
　　　　直通方式的以太網絡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據包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內部的動態查找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數據包直通到相應的端口，實現交換功能。由于不需要存儲，延遲（LATENCY）非常小、交換非常快，這是它的優點；它的缺點是：因為數據包的內容并沒有被以太網交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤，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，當以太網絡交換機的端口增加時，交換矩陣變的越來越復雜，實現起來相當困難。
　　
　　　　存儲轉發方式是計算機網絡領域應用最為廣泛的方式，它把輸入端口的數據包先存儲起來，然后進行CRC檢查，在對錯誤包處理后才取出數據包的目的地址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發方式在數據處理時延時大，這是它的不足，單是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測，尤其重要的是它可以支持不同速度的輸入輸出端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協同工作。
　　
　　
　　
　　　　第二層和第三層交換及其與路由器方案的競爭
　　
　　　　如前所述，局域網交換機是工作在OSI第二層的，可以理解為一個多端口網橋，因此傳統上稱為第二層交換；目前，交換技術已經延伸到OSI第三層的部分功能，既所謂第三層交換，第三層交換可以不將廣播封包擴散，直接利用動態建立的MAC地址來通信，似乎可以看懂第三層的信息，如ip地址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網間基于IP、IPX等協議的路由功能，這方面功能的順利實現得力于專用集成電路（ASIC）的加入，把傳統的由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對包的轉發和過濾，使得高速下的線性路由和服務質量都有了可靠的保證。目前，假如沒有上廣域網的需要，在建網方案中一般不再應用價格昂貴、帶寬有限的路由器。

　　
　　　　虛擬局域網技術
　　
　　　　交換技術的發展，答應區域分散的組織在邏輯上成為一個新的工作組，而且同一工作組的成員能夠改變其物理地址而不必重新配置節點，這就是用到所謂的虛擬局域網技術（VLAN）。用交換機建立虛擬網就是使原來的一個大廣播區（交換機的所有端口）邏輯的分為若干個"子廣播區"，在子廣播區里的廣播封包只會在該廣播區內傳送，其它的廣播區是收不到的。VLAN通過交換技術將通信量進行有效分離，從而更好地利用帶寬，并可從邏輯的角度出發將實際的LAN基礎設施分割成多個子網，它答應各個局域網運行不同的應用協議和拓撲結構，對這部分具體內容感愛好的讀者可以參考IEEE802.10規定。

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