交换局域网

轩辕十四

    交换式局域网所有站点都连接到一个交换式集线器或局域网交换机上。交换式集线器或局域网交换机具有交换功能，它们的特点是：所有端口平时都不连通，当工作站需要通信时，交换式集线器或局域网交换机能同时连通许多端口，使每一对端口都能像独占通信媒体那样无冲突的传输数据，通信完成后断开连接。由于消除了公共的通信媒体，每个站点独自使用一条链路，不存在冲突问题，可以提高用户的平均数据传输速率，即容量得以扩大。
    交换式局域网的优点：
（1）采用星型拓扑结构，容易扩展，而且每个用户的带宽并不因为互连的设备增多而降低。
（2）由于消除了公共的通信媒体，每个站点独自使用一条链路，不存在冲突问题，可以提高用户的平均数据传输速度。交换式局域网无论是从物理上还是逻辑上都是星形拓扑结构，多台交换式集线器可以串接，连成多级星形结构。

交换式局域网的功能

    交换式局域网可向用户提供共享式局域网不能实现的一些功能，主要包括以下几个方面：
（1）隔离冲突域在共享式以太网中，使用CSMA/CD算法来进行介质访问控制。如果两个或者更多站点同时检测到信道空闲而有帧准备发送，它们将发生冲突。一组竞争信道访问的站点称为冲突域。显然同一个冲突域中的站点竞争信道，便会导致冲突和退避。而不同冲突域的站点不会竞争公共信道，它们则不会产生冲突。在交换式局域网中，每个交换机端口就对应一个冲突域，端口就是冲突域终点，由于交换机具有交换功能，不同端口的站点之间不会产生冲突。如果每个端口只连接一台计算机站点，那么在任何一对站点之间都不会有冲突。若一个端口连接一个共享式局域网，那么在该端口的所有站点之间会产生冲突，但该端口的站点和交换机其他端口的站点之间将不会产生冲突。因此，交换机隔离了每个端口的冲突域。

（2）扩展距离交换机可以扩展LAN的距离。每个交换机端口可以连接不同的LAN，因此，每个端口都可以达到不同LAN的技术所要求的最大距离，而与连接到其他交换机端口LAN的长度无关。
（3）增加总容量在共享式LAN中，其容量由所有接入设备共享。而在交换式局域网中，由于交换机的每个端口具有专用容量，交换式局域网总容量随着交换机的端口数量而增加。所以交换机提供的数据数传输容量比共享式LAN大得多。
（4）数据率灵活性对于共享式LAN，不同LAN采用不同数据率，但连接到同一共享式LAN的所有设备必须使用同样的数据率。而对于交换式局域网，交换机的每个端口可以使用不同的数据率，所以可以以不同数据率部署站点，非常灵活。

局域网交换机的基本原理

    交换式局域网的核心设备使局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网使交换式以太网（switchedEthernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernetswitch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。

1.局域网交换机的分类：按照所执行的功能不同，局域网交换机可以分为两种。
（1）二层交换：执行桥接功能，是根据MAC地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。
（2）三层交换：是根据IP地址转发数据，具有路由功能。三层交换是二层交换与路由功能的有机组合。

2.局域网交换机的内部结构：交换机的内部结构决定交换机的性能，目前采用的内部结构主要有4种，
（1）共享式存储器结构:共享储存器结构是帧直接从存储器传送到输出端口，各模块之间不需要用背板总线连接，依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由中心交换引擎检查每个输入包以决定路由。这种方式容易实现，但需要很大的内存容量，很高的管理费用。且由于访问储存器需要时间，不可能在较大的端口数之间实现线速交换，因此比较适合于小系统交换机。（2）交叉总线结构：交叉总线式结构在端口间建立直接的点对点连接，每一模块都直接和任何其他模块相连。每一模块自己处理连接问题。不需要中心交换陈列模块进行集中控制。这种结构适合单点传输，对于多点传输存在一定的问题。
（3）混合交叉总线结构：混合交叉总线结构是在交叉总线结构的基础上改进得来的。它是将一体的交叉总线矩阵划分成小的交叉矩阵，中间通过一条高性能的总线连接。优点是减少了交叉总线数，降低了成本，还减少了总线争用。但连接交叉矩阵的总线可能称为新的性能瓶颈。
（4）环形总线结构：这种结构在1个环内最多支持4个交换引擎并且允许不同速度的交换矩阵互联，环与环之间通过交换引擎连接。与前几种结构不同的是此种结构有独立的一条控制总线，用于搜集总线状态、处理路由、流量控制和清理数据总线。环形总线结构的最大优点是扩展能力强，成本低，因为采用环形结构，很容易聚集带宽，当端口数增加的时候，带宽就相应增加了。另外，它还有效的避免了系统扩展时造成的总线瓶颈。

3.局域网交换机的交换方式一般地，交换机主要通过以下4中方式实现交换。
（1）直通式：在这种模式下，交换机只需要知道帧的目的MAC地址就可以成功的将帧转发到目的地。在交换机读取到帧中足够的信息并能识别出目的地址后，它将立即把帧发送到目的端口。直通式的优点是由于不需要存储，延迟非常小，交换非常快。但是缺点是由于没有缓存，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，而且容易丢包。
（2）存储转发：存储转发方式是将输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找MAC地址表转换成输出端口送出包。由于这种方式可以对进入交换机的数据包进行错误检测，使网络中的无效帧大大减少，所以可有效的改善网络性能。但是缺点是由于需要存储再转发，导致数据处理时延大，然而随着ASIC的降低以及处理器的速度的增加，许多新的交换机都可以在很短的时间内完成整个帧的检查，所以这种交换方式应用比较广泛。
（3）碎片隔离：碎片隔离是上述两种技术的综合。它检查数据包的长度是否够64B，如果小于这个值，说明是假包，则丢弃该包；如果大于这个值，则发送该包。这种方式也不能提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。（4）智能交换模式:智能交换模式集中了直通式和存储转发式两者的优点。只要可能，交换机总是采用直通式模式，但是一旦网络出错率超过了事先设定的阈值，交换机将采用存储转发模式，当网络出错率下降后，又重新开始直通式模式。

局域网交换机的技术特点：
1.低交换延迟这是局域网交换机的主要特点，从传输延迟时间的量级来看，如果局域网交换机为几十μs，那么网桥为几百μs，而路由器为几千μs。
2.支持不同的传输速率和工作模式局域网交换机的端口可以设计成支持不同的传输速率，例如支持10Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口。同时，端口还可以设计成支持半双共和全双工两种工作模式。
3.支持虚拟局域网服务交换式局域网是虚拟局域网的基础，目前的Ethernet交换机基本上都可以支持虚拟局域网服务。