交換式技術(shù)發(fā)展過程

以太網(wǎng)交換機(jī)，英文為SWITCH，也有人翻譯為開關(guān)，交換器或稱交換式集線器。我們首先回顧一下局域網(wǎng)的發(fā)展過程。

計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，從六十年代末ALOHA的出現(xiàn)到九十年代中期1000MBPS交換式以太網(wǎng)的登臺(tái)亮相，短短的三十年間經(jīng)過了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速， 從簡(jiǎn)單到復(fù)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(shù)的發(fā)展，使局域網(wǎng)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(tǒng)的媒體訪問方法都局限于使大量的站點(diǎn)共享對(duì)一個(gè)公共傳輸媒體的訪問， 既CSMA/CD。

九十年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及通信量的聚增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)已經(jīng)愈來愈超出了自身的負(fù)荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。與現(xiàn)在基于網(wǎng)橋和路由器的共享媒體的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能顯著的增加帶寬。交換技術(shù)的加入，就可以建立地理位置相對(duì)分散的網(wǎng)絡(luò)，使局域網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口可平行、安全、同時(shí)的互相傳輸信息，而且使局域網(wǎng)可以高度擴(kuò)充。

從網(wǎng)橋、多端口網(wǎng)橋到交換機(jī)

局域網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展要追溯到兩端口網(wǎng)橋。橋是一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來連接相似的局域網(wǎng)。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)看，橋是屬于DCE級(jí)的端到端的連接；從協(xié)議層次看，橋是在邏輯鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網(wǎng)橋幾乎是和以太網(wǎng)同時(shí)發(fā)展的。

以太網(wǎng)交換技術(shù)（SWITCH）是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上與九十年代初發(fā)展起來的，實(shí)現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，與網(wǎng)橋有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，甚至被業(yè)界人士稱為"許多聯(lián)系在一起的網(wǎng)橋"，因此現(xiàn)在的交換式技術(shù)并不是什么新的標(biāo)準(zhǔn)，而是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用而已，是一種改進(jìn)了的局域網(wǎng)橋，與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口（4～88）、更好的性能、更強(qiáng)的管理功能以及更便宜的價(jià)格。現(xiàn)在某些局域網(wǎng)交換機(jī)也實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型的第三層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(wǎng)交換機(jī)又與電話交換機(jī)相似，除了提供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（STORE ANG FORWORD）方式外還提供了其它的橋接技術(shù)，如：直通方式（CUT THROUGH）。

交換式以太網(wǎng)的工作原理

以太網(wǎng)交換機(jī)的原理很簡(jiǎn)單，它檢測(cè)從以太端口來的數(shù)據(jù)包的源和目的地的MAC（介質(zhì)訪問層）地址，然后與系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查找表進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的目的端口。

交換式以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

交換式以太網(wǎng)不需要改變網(wǎng)絡(luò)其它硬件，包括電纜和用戶的網(wǎng)卡，僅需要用交換式交換機(jī)改變共享式HUB，節(jié)省用戶網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的費(fèi)用。

可在高速與低速網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。目前大多數(shù)交換式以太網(wǎng)都具有100MBPS的端口，通過與之相對(duì)應(yīng)的100MBPS的網(wǎng)卡接入到服務(wù)器上，暫時(shí)解決了10MBPS的瓶頸，成為網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)升級(jí)時(shí)首選的方案。

它同時(shí)提供多個(gè)通道，比傳統(tǒng)的共享式集線器提供更多的帶寬，傳統(tǒng)的共享式10MBPS/100MPS以太網(wǎng)采用廣播式通信方式，每次只能在一對(duì)用戶間進(jìn)行通信，如果發(fā)生碰撞還得重試，而交換式以太網(wǎng)允許不同用戶間進(jìn)行傳送，比如，一個(gè)16端口的以太網(wǎng)交換機(jī)允許16個(gè)站點(diǎn)在8條鏈路間通信。 特別是在時(shí)間響應(yīng)方面的優(yōu)點(diǎn)，使的局域網(wǎng)交換機(jī)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(wǎng)（WAN）的要求，否則，交換機(jī)有替代路由器的趨勢(shì)。

直通式（cut throuth），存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward）的比較

直通方式的以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(jī)。它在輸入端口檢測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動(dòng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yīng)的端口，實(shí)現(xiàn)交換功能。由于不需要存儲(chǔ)，延遲（LATENCY）非常小、交換非常快，這是它的優(yōu)點(diǎn)；它的缺點(diǎn)是：因?yàn)閿?shù)據(jù)包的內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)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(cuò)誤檢測(cè)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(dāng)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的端口增加時(shí)，交換矩陣變的越來越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難。

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式，它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)起來，然后進(jìn)行CRC檢查，在對(duì)錯(cuò)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大，這是它的不足，單是它可以對(duì)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，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(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。 　

第二層和第三層交換及其與路由器方案的競(jìng)爭(zhēng)

如前所述，局域網(wǎng)交換機(jī)是工作在OSI第二層的，可以理解為一個(gè)多端口網(wǎng)橋，因此傳統(tǒng)上稱為第二層交換；目前，交換技術(shù)已經(jīng)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(kuò)散，直接利用動(dòng)態(tài)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(wǎng)間基于IP、IPX等協(xié)議的路由功能，這方面功能的順利實(shí)現(xiàn)得力于專用集成電路（ASIC）的加入，把傳統(tǒng)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(duì)包的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，使得高速下的線性路由和服務(wù)質(zhì)量都有了可靠的保證。目前，如果沒有上廣域網(wǎng)的需要，在建網(wǎng)方案中一般不再應(yīng)用價(jià)格昂貴、帶寬有限的路由器。

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

交換技術(shù)的發(fā)展，允許區(qū)域分散的組織在邏輯上成為一個(gè)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(jié)點(diǎn)，這就是用到所謂的虛擬局域網(wǎng)技術(shù)（VLAN）。用交換機(jī)建立虛擬網(wǎng)就是使原來的一個(gè)大廣播區(qū)（交換機(jī)的所有端口）邏輯的分為若干個(gè)"子廣播區(qū)"，在子廣播區(qū)里的廣播封包只會(huì)在該廣播區(qū)內(nèi)傳送，其它的廣播區(qū)是收不到的。VLAN通過交換技術(shù)將通信量進(jìn)行有效分離，從而更好地利用帶寬，并可從邏輯的角度出發(fā)將實(shí)際的LAN基礎(chǔ)設(shè)施分割成多個(gè)子網(wǎng)，它允許各個(gè)局域網(wǎng)運(yùn)行不同的應(yīng)用協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)這部分詳細(xì)內(nèi)容感興趣的讀者可以參考IEEE802.10規(guī)定。