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交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理
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一、簡介
1993年，局域網(wǎng)交換設(shè)備出現(xiàn)，1994年，國內(nèi)掀起了交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的熱潮。其實，交換技術(shù)是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術(shù)的復(fù)雜交換技術(shù)在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機按每一個包中的MAC地址相對簡單地決策信息轉(zhuǎn)發(fā)。而這種轉(zhuǎn)發(fā)決策一般不考慮包中隱藏的更深的其他信息。與橋接器不同的是交換機轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，操作接近單個局域網(wǎng)性能，遠遠超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)性能。
交換技術(shù)允許共享型和專用型的局域網(wǎng)段進行帶寬調(diào)整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出現(xiàn)的瓶頸問題。現(xiàn)在已有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術(shù)的交換產(chǎn)品。
類似傳統(tǒng)的橋接器，交換機提供了許多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。交換機能經(jīng)濟地將網(wǎng)絡(luò)分成小的沖突網(wǎng)域，為每個工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中；交換機使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加、移動和網(wǎng)絡(luò)變化的操作。
利用專門設(shè)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(zhuǎn)發(fā)信息，提供了比傳統(tǒng)橋接器高得多的操作性能。如理論上單個以太網(wǎng)端口對含有64個八進制數(shù)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流的“線路速率”以太網(wǎng)交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps／道信息流）。專用集成電路技術(shù)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(tǒng)型橋接器。
二、三種交換技術(shù)
1．端口交換
端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)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(wǎng)段（每條網(wǎng)段為一個廣播域），不用網(wǎng)橋或路由連接，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進行分配、平衡。根據(jù)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(wǎng)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(wǎng)段遷移。
·端口級交換：支持每個端口在不同網(wǎng)段之間進行遷移。這種交換技術(shù)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(yōu)點。如果配置得當，那么還可以在一定程度進行客錯，但沒有改變共享傳輸介質(zhì)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(yīng)用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)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(chǎn)品的實現(xiàn)技術(shù)均會有差異，但對網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式一般有以下幾種：
·直通交換：提供線速處理能力，交換機只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送到相應(yīng)的端口上。
·存儲轉(zhuǎn)發(fā)：通過對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shù)作為重點。
有的廠商甚至對網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)，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(yōu)先級控制。
3．信元交換
ATM技術(shù)代表了網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)發(fā)展的未來方向，也是解決目前網(wǎng)絡(luò)通信中眾多難題的一劑“良藥”，ATM采用固定長度53個字節(jié)的信元交換。由于長度固定，因而便于用硬件實現(xiàn)。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(jié)點，但并不會影響每個節(jié)點之間的通信能力。ATM還容許在源節(jié)點和目標、節(jié)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(tǒng)計時分電路進行復(fù)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(shù)Gb的傳輸能力。
三、局域網(wǎng)交換機的種類和選擇
局域網(wǎng)交換機根據(jù)使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為：
·以大網(wǎng)交換機；
·令牌環(huán)交換機；
·FDDI交換機；
·ATM交換機；
·快速以太網(wǎng)交換機等。
如果按交換機應(yīng)用領(lǐng)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(yè)交換機；
·分段交換機；
·端口交換機；
·網(wǎng)絡(luò)交換機等。
局域網(wǎng)交換機是組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心設(shè)備。對用戶而言，局域網(wǎng)交換機最主要的指標是端口的配置、數(shù)據(jù)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(shù)量；
（2）交換端口的類型；
（3）系統(tǒng)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(xiàn)有設(shè)備兼容，順利銜接；
（10）網(wǎng)絡(luò)管理能力。
四、交換機應(yīng)用中幾個值得注意的問題
1．交換機網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的工作站或服務(wù)器使用的網(wǎng)絡(luò)是以大網(wǎng)，它遵循CSMA／CD介質(zhì)訪問規(guī)則。在當前的客戶／服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)中多臺工作站會同時訪問服務(wù)器，因此非常容易形成服務(wù)器瓶頸。有的廠商已經(jīng)考慮到這一點，在交換機中設(shè)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(wù)器或高速主干網(wǎng)。用戶也可以通過設(shè)計多臺服務(wù)器（進行業(yè)務(wù)劃分）或追加多個網(wǎng)卡來消除瓶頸。交換機還可支持生成樹算法，方便用戶架構(gòu)容錯的冗余連接。
2．網(wǎng)絡(luò)中的廣播幀
目前廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有Netware、Windows NT等，而Lan Server的服務(wù)器是通過發(fā)送網(wǎng)絡(luò)廣播幀來向客戶機提供服務(wù)的。這類局域網(wǎng)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(wǎng)功能（并非每種交換機都支持虛擬網(wǎng)）將廣播包限制在一定范圍內(nèi)。
每臺文交換機的端口都支持一定數(shù)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(shù)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(shù)。如果超過廠商給定的MAC數(shù)，交換機接收到一個網(wǎng)絡(luò)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(fā)向交換機的每個端口。
3．虛擬網(wǎng)的劃分
虛擬網(wǎng)是交換機的重要功能，通常虛擬網(wǎng)的實現(xiàn)形式有三種：
(1)靜態(tài)端口分配
靜態(tài)虛擬網(wǎng)的劃分通常是網(wǎng)管人員使用網(wǎng)管軟件或直接設(shè)置交換機的端口，使其直接從屬某個虛擬網(wǎng)。這些端口一直保持這些從屬性，除非網(wǎng)管人員重新設(shè)置。這種方法雖然比較麻煩，但比較安全，容易配置和維護。
（2）動態(tài)虛擬網(wǎng)
支持動態(tài)虛擬網(wǎng)的端口，可以借助智能管理軟件自動確定它們的從屬。端口是通過借助網(wǎng)絡(luò)包的MAC地址、邏輯地址或協(xié)議類型來確定虛擬網(wǎng)的從屬。當一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剛連接入網(wǎng)時，交換機端口還未分配，于是交換機通過讀取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的MAC地址動態(tài)地將該端口劃入某個虛擬網(wǎng)。這樣一旦網(wǎng)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(wǎng)的從屬性，而且如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)未定義的MAC地址，則可以向網(wǎng)管人員報警。
（3）多虛擬網(wǎng)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(wǎng)。這樣可以將一臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置成多個業(yè)務(wù)部門（每種業(yè)務(wù)設(shè)置成一個虛擬網(wǎng)）都可同時訪問，也可以同時訪問多個虛擬網(wǎng)的資源，還可讓多個虛擬網(wǎng)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(wǎng)的業(yè)界規(guī)范正在制定當中，因而各個公司的產(chǎn)品還談不上互操作性。Cisco公司開發(fā)了Inter－Switch Link（ISL）虛擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議支持跨骨干網(wǎng)（ATM、FDDI、Fast Ethernet）的虛擬網(wǎng)。但該協(xié)議被指責為缺乏安全性上的考慮。傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)中使用了大量的共享式Hub，通過靈活接入計算機端口也可以獲得好的效果。
4.高速局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用
快速以太網(wǎng)技術(shù)雖然在某些方面與傳統(tǒng)以大網(wǎng)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(xiàn)了CDDI／FDDI的交換技術(shù)，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(yōu)勢，因此它是大型網(wǎng)絡(luò)骨干的一種比較好的選擇。
3COM的主要交換產(chǎn)品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交換產(chǎn)品有LattisSwitch2800，BAY stack workgroup、System3O00／5000（提供某些可選交換模塊）；Cisco的主要交換產(chǎn)品有Catalyst 1000／2000／3000／5000系列。
三家公司的產(chǎn)品形態(tài)看來都有相似之處，產(chǎn)品的價格也比較接近，除了設(shè)計中要考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的具體需要（強調(diào)端口的搭配合理）外，還需從整體上考慮，例如網(wǎng)管、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。隨著ATM技術(shù)的發(fā)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(wǎng)的重要解決方案。
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