计算机网络浅析之九——交换机技术与选购

bianlei

计算机网络浅析之九——交换机技术与选购

要正确理解交换机的工作原理以及其优越性，就不能不提到交换机的一些主流交换技术，正是在这些交换技术基础上，交换机才实现了比集线器更好地性能，为此本篇先容几个主流的交换技术，随后在本篇最后将先容交换机选购时的一些注意事项，帮助大家正确选购。

　　一、交换机的交换方式

　　目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式，下面分别简述。>

　　1、直通交换方式

　　采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交*的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交*处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于它只检查数据包的包头（通常只检查14个字节），不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点（所谓延迟（Latency）是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间）。

　　它的缺点主要有三个方面：一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；第二，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且容易丢包。如果要连到高速网络上，如提供快速以太网（100BASE－T）、FDDI或ATM连接，就不能简单地将输入／输出端口“接通”，因为输入／输出端口间有速度上的差异，必须提供缓存；第三，当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难。　

　　2、存储转发方式

　　存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一，以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，并过滤掉冲突包错误。确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支撑不同速度的输入／输出端口间的交换，可有效地改善网络性能。它的另一优点就是这种交换方式支撑不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。实现的办法是将10Mbps低速包存储起来，再通过100Mbps速率转发到端口上。　

　　3、碎片隔离式（Fragment Free）

　　这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512 bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢，但由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。

　　使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存。这种缓存是一种先进先出的FIFO（First In First Out），比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。当帧被接收时，它被保存在FIFO中。如果帧以小于512比特的长度结束，那么FIFO中的内容（残帧）就会被丢弃。因此，不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题，是一个非常好的解决方案。数据包在转发之前将被缓存保存下来，从而确保碰撞碎片不通过网络传播，能够在很大程度上提高网络传输效率。

　　二、主流堆栈交换技术

　　通过大家前面的先容已经知道，按交换机工作在OSI／RM堆栈协议层来分的话，目前的交换机主要有第二层、第三层和第四层交换机，它们都有其对应的主流交换技术，下面分别予以先容。

　　1、第二层交换技术

　　90年代初，在网络系统集成模式中大量引入了局域网交换机。局域网交换机是一种第二层网络设备，交换机在操作过程中不断地收集资料去建立它本身的地址表，这个表相当简单，主要标明某个MAC地址是在哪个端口上被发现的。当交换机接收到一个数据封包时，它检查该封包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以决定从哪个端口发送出去。而不是象集线器那样，任何一个发送方数据都会出现在集线器的所有端口上（不管是否为你所需）。这时的交换机因为其只能工作在OSI／RM的第二层，所以也就称之为第二层交换机，所采用的技术也就称之为“第二层交换技术”。

　　“第二层交换”是指OSI第二层或称MAC层的交换。第二层交换机的引入，使得网络站点间可独享带宽，消除了无谓的碰撞检测和出错重发，提高了传输效率，在交换机中可并行的维护几个独立的、互不影响的通信进程。在交换网络环境下，用户信息只在源节点与目的节点之间进行传送，其他节点是不可见的。但有一点例外，当某一节点在网上发送广播或多目广播时，或某一节点发送了一个交换机不认识的MAC地址封包时，交换机上的所有节点都将收到这一广播信息。整个交换环境构成一个大的广播域。也就是说第二层交换机仍可能存在“广播风暴”，广播风暴会使网络的效率大打折扣，但出现情况的情形的比率比起集线器来说要少许多。

　　第二层交换仍存在“广播风暴”的弱点，同时，使用第二层交换并不能给路由器的功能带来什么进步。这样的结果是，第二层交换只能在本地不含任何路由器的工作组中取得性能的提高。在使用第二层交换的工作组之间，通过路由器的端到端性能会因为路由器阻塞而掉包，从而导致实质上的性能下降。正因如此，其于路由方式的第三交换技术顺应时代的需要而产生了。

　　2．第三层交换技术

　　在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术方面已得到令人满意的答案。但是，作为网络核心、起到网间互连作用的路由器技术却没有质的突破。传统的路由器基于App，协议复杂，与局域网速度相比，其数据传输的效率较低。但同时它又作为网段（子网，虚拟网）互连的枢纽，这就使传统的路由器技术面临严峻的挑战。随着Internet、Intranet的迅猛发展和B／S（浏览器／服务器）计算模式的广泛应用，跨地域、跨网络的业务急剧增长，业界和用户深感传统的路由器在网络中的瓶颈效应，改进传统的路由技术已迫在眉睫。在这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是第三层交换技术。说它是路由器，因为它可操作在网络协议的第三层，是一种路由理解设备并可起到路由决定的作用；说它是交换器，是因为它的速度极快，几乎达到第二层交换的速度。

　　一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及App简单地叠加在局域网交换机上。从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板／总线（速率可高达几十Gbit／s）交换数据的。在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板／总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速的交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制（10Mbit／s——100Mbit／s）。在App方面，第三层交换机也有重大的举措，它将传统的基于App的路由器App进行了界定。目前基于第三层交换技术的第三层交换机得到了广泛的应用，并得到了用户一致的赞同。

　　3、第四层交换

　　虽然第三层交换技术使得用户可在工作组之间获得无失真的100Mbps、1000Mbps的数据交换速率。但这一切还得有一个先决条件，那就是只有当用户和服务器本身都能跟上网络中的带宽增长，包的传输可以达到系统的极限，即达到CPU能够处理的最大速度，才是真正的成功。目前的主要问题在于提高服务器的能力，因为越来越多功能强大的工作站连到Ethernet交换的桌面上，用户桌面的能力并没有得到充分的发挥。

　　如果服务器容量能够满足需求，问题解决起来就相当简单。不幸的是，即使是最简单的对称多处理服务器的CPU升级也需要大量的时间，而且需要冗长繁杂的计划和管理。当一个网络的基础结构建立在G比特速率的第二层和第三层交换上，有高速WAN接入，服务器问题就将成为随之而来的瓶颈。也就是说如果服务器速度跟不上，即使是具有最快速交换的网络也不能完全确保端到端的性能。可以想像高优先权的业务在这种QoS使能的网络中会因服务器中低优先权的业务队列而阻塞。在更糟的情况下，服务器甚至会丧失循环处理业务的能力。在这样的需求背景下，第四层交换技术也就设计产生了，基于服务器设计的第四层交换扩展了服务器、第二层、第三层交换的性能和业务流的管理功能。

　　第四层交换功能就像是虚IP，直接指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。在IP世界，业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定，在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。

在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址（VIP），每组服务器支撑某种应用。在域名服务器（DNS）中存储的每个应用服务器地址是VIP，而不是真实的服务器地址。当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求（例如一个TCPSYN包）发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。第四层交换技术的优点主要体现在以下几个方面：

　　（1）、从操作方面来看，第四层交换是稳固的，因为它将包控制在从源端到目的端的区间中。
　　（2）、另一方面，路由器或第三层交换技术，只针对单一的包进行处理，不清楚上一个包从哪来、也不知道下一个包的情况。它们只是检测包报头中的TCP端口数字，根据应用建立优先级队列。路由器根据链路和网络可用的节点决定包的路由。
　　（3）、第四层交换使用第三层和第四层信息包的报头信息，根据应用区间识别业务流，将整个区间段的业务流分配到合适的应用服务器进行处理。每个开放的区间与特定的服务器相关，为跟踪服务器，第四层交换使用多个服务器支撑的特殊应用，随着服务器的增加而增强网络的整体性能。同时，第四层交换通过减少对任何特定服务器的依赖性而提高应用的可*性。
　　（4）、第四层交换也要求端到端QoS，提高第二层和第三层交换中一包接一包QoS传输的能力。例如，从级别高用户来的业务或重要应用的网络业务流，可以分配给最快的I／O系统和CPU，而普通的业务就分配给性能较差的机器。

　　以上先容了一些基本的第二层、第三层和第四层交换技术，其实还有许多复杂、先进的交换技术，在此就不作详细先容了。同时要注意，以上所先容的这些交换技术并不是只能单独存在，也许它们结合使用更具有优势，例如第二层、第三层和第四层交换在校园网络中可以有很好的应用。第二层交换机连接用户和网络，在子网中指引业务流，第三层交换机或路由器将包从一个子网传到另一个子网，第四层交换机将包传到终端服务器。

　　三、交换机的选购

　　交换机虽然目前有进入到桌面的趋势，但是对于一些比较高档的交换来说一般只有在较大型的局域网中存在，而且由于交换机历来在人们心中的神秘性决定了在交换机的选购方面多数情况下是商家说了算。

　　在交换机的选购方面要注意的事项比较多，不再是像集线器一样那么几个简单的参数就可决定的。下面所列的是在交换机选购时要注意的几个主要方面。

　　1．转发方式

　　数据包的转发方式在前面已经先容过，主要分为“直通式转发”（现为准直通式转发）和“存储式转发”。由于不同的转发方式适应于不同的网络环境，因此，应当根据自己的需要作出相应的选择。直通式由于只检查数据包的包头，不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点。但同时它又具有以以上所先容的三个缺点。

　　存储转发方式在数据处理时延时大，但它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支撑不同速度的输入／输出端口间的交换，有效地改善网络性能。同时这种交换方式支撑不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。

　　低端交换机通常只拥有一种转发模式，或是存储转发模式，或是直通模式，往往只有中高端产品才兼具两种转发模式，并具有智能转换功能，可根据通信状况自动切换转发模式。通常情况下，如果网络对数据的传输速率要求不是太高，可选择存储转发式交换机；如果网络对数据的传输速率要求较高，可选择直通转发式交换机。

　　2．延时

　　交换机的延时（Latency）也称延迟时间，是指从交换机接收到数据包到开始向目的端口发送数据包之间的时间间隔。这主要受所采用的转发技术等因素的影响，延时越小，数据的传输速率越快，网络的效率也就越高。特别是对于多媒体网络而言，较大的数据延迟，往往导致多媒体的短暂中断，所以交换机的延迟时间越小越好，同时要注意的中，延时越小的交换机价格也就越贵。

　　3．管理功能

　　交换机的管理功能（Management）是指交换机如何控制用户访问交换机，以及系统管理人员通过App对交换机的可管理程度如何。如果需要以上配置和管理，则须选择网管型交换机，否则只需选择非网管型的。目前几乎所有中、高档交换机都是可网管的，一般来说所有的厂商都会随机提供一份本企业开发的交换机管理App，所有的交换机都能被第三方管理App所管理。低档的交换机来通常不具有网管功能，属“傻瓜”型的，只需接上电源、插好网线即可正常工作。网管型价格要贵许多。

　　4．MAC地址数

　　通常前面的先容，大家知道交换机之所以能够直接对目的节点发送数据包，而不是像集线器一样以广播方式对所有节点发送数据包，最关键的技术就是交换机可以识别连在网络上的节点的网卡MAC地址，形成一个MAC地址表。这个MAC地址表存放于交换机的缓存中，并记住这些地址，这样一来当需要向目的地址发送数据时，交换机就可在MAC地址表中查找这个MAC地址的节点位置，然后直接向这个位置的节点发送。

　　但是不同档次的交换机每个端口所能够支撑的MAC数量不同。在交换机的每个端口，都需要足够的缓存来记忆这些MAC地址，所以Buffer容量的大小就决定了相应交换机所能记忆的MAC地址数多少。通常交换机只要能够记忆1024个MAC地址基本上就可以了，而一般的交换机通常都能做到这一点，所以如果对网络规模不是很大的情况下，这参数无需太多考虑。当然越是高档的交换机能记住的MAC地址数就越多，这在选择时要视所连网络的规模而定了。

　　5．背板带宽

　　现在越来越多的100M交换到桌面方案是以实现VOD（视频点播）为目的，如果您有同样需求，在选购交换器时应注意交换机背板带宽，当然是越宽越好，它将为您的交换器在高负荷下提供高速交换。由于所有端口间的通讯都需要通过背板完成，所以背板所能够提供的带宽就成为端口间并发通讯时的总带宽。带宽越大，能够给各通讯端口提供的可用带宽越大，数据交换速度越快；带宽越小，则能够给各通讯端口提供的可用带宽越小，数据交换速度也就越慢。因此，在端口带宽、延迟时间相同的情况下，背板带宽越大，交换机的传输速率则越快。

　　6．端口

　　交换机也与集线器一样，也有端口带宽之分，但这里所指的带宽与集线器的端口带宽不一样，因为这里交换机上所指的端口带宽是独享的，而集线器上端口的带宽是共享的。交换机的端口带宽目前主要包括10M、100M和1000M三种，但就这三种带宽又有不同的组合形式，以满足不同类型网络的需要。最常见的组合形式包括n＊100M＋m＊10M、n＊10／100M、n＊1000M＋m＊100M和n＊1000M四种。

　　n＊100M＋m＊10M就是在一个交换机上同时有“n”个100Mbps带宽的端口和“m”个10Mbps带宽的端口，这“n＋m”就是交换机的端口总和。当然这“n”与“m”可以是相同的，也可以是不同的，一般来说这“n”数要远比“m”数小。这种组合的交换机既可以作为小型低价网络的中心节点，也可以用于大、中型网络中的工作组交换机。因为它也具有100Mbps带宽的端口，适合于大型网络的连接，100M端口一般用于服务器或主干网段的连接，或者用于级联至另一台交换机，10M端口则用于直接连接工作站计算机，从而实现不同交换机端口之间的高速连接，并满足网络内所有计算机对服务器高速连接的需求。该类交换机的最大特点就是价格低廉，且基本能够满足网络的所有需求。

　　n＊10／100M，这种组合的交换机相比前面那种又要先进一些，因为它的每个端口都可以自适应地达到10Mbps或100Mbps的带宽，这比固定几个100Mbps带宽的交换机当然是方便许多，在性能方面也肯定要好许多。目前这种组合方式的交换机是当前市场上的主流产品，能够自动适应10Mbps或100Mbps的速率，可以无缝连接以太网和快速以太网。该类型的交换机既可以作为工作组交换机直接连接客户机，实现100Mbps到桌面的高速交换，也可以作为小型网络中心节点。当直接连接至计算机时，在全双工状态下收发各占100Mbps带宽，从而能够实现200Mbps的带宽。当与n＊100M＋m＊10M类型的交换机连接时，为连接至不同端口的交换机提供较快链路，满足多个端口间同时传输数据的需要。

　　n＊1000M＋m＊100M与上面所先容的“n＊100M＋m＊10M”组合形式的交换组合方式类似，只不过这里所指的带宽是“1000Mbps 与100Mbps”带宽，而不是“10Mbps与100Mbps”带宽的。这种端口配置的含义也是这种交换机同时具有n个1000Mbps带宽的端口和m个100Mbps带宽的端口，这里的“n＋m”也一般是交换机的端口总数，但一般来说“n”值要远小于“m”值。目前这种配置的交换机已经逐渐由中心交换机和骨干交换机，慢慢地向大中型网络普及。也可作为小型网络中的中心交换机或骨干交换机，对上可直接连接至服务器，对下可连接各组交换机。千兆的带宽不仅能够很好地解决多用户对服务器突发性地访问问题，消除了服务器的瓶颈问题，而且还能够很好地解决高速交换机之间的互联问题，消除了级联端口的带宽瓶颈。当然这种交换机目前来说对于中、小型的单位来说还是有点贵。

　　n＊1000M，这种交换机是目前很先进的一种，当然价格也是很贵的，因为它提供了全部都是1000Mbps的端口带宽，这种交换机目前一般是充当在大中型网络中心交换机或骨干交换机的角色。在中、小型企业单位局域网中一般来说还是很产见的，因为它实在太贵了，而且对于中、小型个、事业单位的局域网也根本用不上这1000Mbps的带宽。

　　7．光纤解决方案

　　最后要谈一点就是光纤的选择了，如果你的布线中必须选用光纤，则在您的交换机选择方案中可以有以下三种方案：其一选择具有光纤接口的交换机；另外还可以在模块结构的交换机中加装光纤模块；最后一种就是加装光纤与双绞线的转发器。第一种性能最好，但不够灵活，而且价格较贵；第二种方案具有较强的灵活配置能力，性能也较好，但价格最贵；最后一种方案价格最便宜，但性能受影响较大。