交換機(jī)基礎(chǔ)：局域網(wǎng)交換機(jī)的基本功能

1交換機(jī)基礎(chǔ)概念

局域網(wǎng)交換機(jī)是一種工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

交換機(jī)根據(jù)進(jìn)入端口數(shù)據(jù)幀中的MAC地址，過濾、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。它是基于MAC地址識(shí)別，完成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀功能的一種網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

交換機(jī)作為匯聚中心，可將多臺(tái)數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接在一起，構(gòu)成星狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。使用交換機(jī)組建出的是一個(gè)交換式局域網(wǎng)。

2局域網(wǎng)交換機(jī)的功能

局域網(wǎng)交換機(jī)有三個(gè)基本功能：

①建立和維護(hù)一個(gè)表示MAC地址與交換機(jī)端口對(duì)應(yīng)關(guān)系的交換表；

②在發(fā)送結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)之間建立一條虛連接；（源端口到目的端口之間的虛連接）

③完成數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)或過濾。

交換機(jī)就在源端口和目的端口之間建立一條虛連接，在這條專用的虛通道上完成數(shù)據(jù)幀的交換。交換機(jī)還具有幀過濾，數(shù)據(jù)幀傳輸控制，虛擬網(wǎng)等其它功能。

交換機(jī)基礎(chǔ)：局域網(wǎng)交換機(jī)的工作原理

交換機(jī)通過一種自學(xué)習(xí)的方法，自動(dòng)地建立和維護(hù)一個(gè)記錄著目的MAC地址與設(shè)備端口映射關(guān)系的地址查詢表。

轉(zhuǎn)發(fā)幀的具體操作是，在查詢保存在交換機(jī)高速緩存中的交換表之后，交換機(jī)根據(jù)表中給出的目的端口號(hào)，決定是否轉(zhuǎn)發(fā)和往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。如果數(shù)據(jù)幀的目的地址和源地址處于交換機(jī)的同一個(gè)端口，即源端口和目的端口相同，基于某種安全控制，數(shù)據(jù)幀被拒絕轉(zhuǎn)發(fā)，交換機(jī)直接丟棄。否則按與目的MAC地址相符的交換表表項(xiàng)中指出的目的端口號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)該幀。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀之前，在源端口和目的端口之間建立一條虛連接，形成一條專用的傳輸通道。再利用這條通道將幀從源端口轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口，完成幀的轉(zhuǎn)發(fā)。

丟棄幀的原因：

①數(shù)據(jù)幀的目的地址和源地址處于交換機(jī)的同一個(gè)端口，即源端口和目的端口相同；

②某種安全控制。

交換機(jī)基礎(chǔ)：交換表內(nèi)容的建立和維護(hù)

建立和維護(hù)交換表是交換機(jī)的重要工作任務(wù)。

1交換表的內(nèi)容

交換表的內(nèi)容包括：目的MAC地址、對(duì)應(yīng)的交換機(jī)模塊號(hào)端口號(hào)、所在的虛擬子網(wǎng)。虛擬子網(wǎng)用VLANID號(hào)表示。

例1.大型核心交換機(jī)的交換表：

VLANDestMAC/RouteDes[COS]DestinationPortsorVCs/[protocolType]

11800-e0-4c-73-51-4e3/6[ALL]

例1.小型接入交換機(jī)的交換表：

DestinationaddressAddressTypeVLANDestinationPorts

0004.234e.0ddcDynamic148FastEthernet0/2

例1表示MAC地址為00-e0-4c-73-51-4e的用戶，連接在交換機(jī)的第3模塊第6端口。該用戶被劃分在VLANID為118的虛擬子網(wǎng)中。

FastEthernet0/6包含兩部分內(nèi)容，一個(gè)是端口類型，一個(gè)是端口號(hào)。端口號(hào)0/2中，0是模塊號(hào)，2是端口號(hào)。

FastEthernet表示快速以太網(wǎng)；（FE）

Ethernet表示以太網(wǎng)；（E）

GigabitEthernet表示千兆以太網(wǎng)。（GE）

2交換表的建立

在交換機(jī)剛開機(jī)時(shí)，交換表的內(nèi)容是空白的。

每一個(gè)幀進(jìn)來，就分析幀中的MAC目的地址，查詢交換表。

①如果已經(jīng)存在在交換表中，就按照給出的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

②在交換表沒有此項(xiàng)目，就發(fā)出一個(gè)廣播幀，把數(shù)據(jù)包發(fā)送給除源端口以外的所有交換機(jī)端口。擁有該MAC地址的站點(diǎn)在接收到廣播幀后，就會(huì)立即做出應(yīng)答，從而使交換機(jī)得到目的MAC地址與其相關(guān)聯(lián)的交換機(jī)端口的信息。隨后交換機(jī)建立一個(gè)新的表項(xiàng)進(jìn)行記錄。

3交換表的維護(hù)

交換表保存在交換機(jī)的一個(gè)高速緩存中，高速緩存的空間有限，且位于高速緩存的表項(xiàng)也有時(shí)間限制（時(shí)間戳）。

4交換表的保存

交換表保存在可編址內(nèi)容存儲(chǔ)器CAM中。CAM是保存交換表的一個(gè)高速緩存。可以通過交換機(jī)的一條命令，在屏幕顯示出保存在CAM中的交換表內(nèi)容。

(大中型交換機(jī))showcamdynamic

(小型交換機(jī))showmac-address-table；

交換機(jī)基礎(chǔ)：交換機(jī)的交換結(jié)構(gòu)

交換機(jī)存在四種交換結(jié)構(gòu)，它們是軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)、矩陣交換結(jié)構(gòu)、總線交換結(jié)構(gòu)和共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

1軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)

軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)是借助CPU和RAM硬件環(huán)境，由特定的軟件來完成數(shù)據(jù)幀交換的一種交換結(jié)構(gòu)。

特點(diǎn)：軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)的交換機(jī)具有結(jié)構(gòu)靈活、交換速度慢、交換機(jī)堆疊困難、交換機(jī)端口較多導(dǎo)致交換機(jī)性能下降的特點(diǎn)。因此，軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)主要在早期的交換器產(chǎn)品中應(yīng)用。

2矩陣交換結(jié)構(gòu)

在矩陣交換結(jié)構(gòu)的交換機(jī)中，交換功能完全由硬件完成。

交換機(jī)在確定目的端口號(hào)之后，就會(huì)根據(jù)源端口號(hào)和目的端口號(hào)打開相應(yīng)的交換矩陣開關(guān)，在源端口和目的端口之間建立連接，形成一條傳輸通道。

特點(diǎn)：具有交換速度快、延時(shí)小、結(jié)構(gòu)緊湊、矩陣交換的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡單、不易擴(kuò)展、不利于交換機(jī)性能的監(jiān)控和運(yùn)行管理等特點(diǎn)。目前有一些交換機(jī)產(chǎn)品采用這種結(jié)構(gòu)。

3總線交換結(jié)構(gòu)

在總線交換結(jié)構(gòu)的交換機(jī)背板上都有一條公用總線，數(shù)據(jù)幀的交換都在總線上完成。通過時(shí)分多路復(fù)用TDM技術(shù)，將總線按時(shí)隙分成多條邏輯通道，可同時(shí)在總線上建立多對(duì)端口的連接。

特點(diǎn)：具有性能好、便于堆疊擴(kuò)展、易實(shí)現(xiàn)幀的廣播、易監(jiān)控管理、易實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入對(duì)一個(gè)輸出的幀傳送，但對(duì)帶寬要求比較高。

一般總線帶寬應(yīng)為端口帶寬的總和。如果端口帶寬都相同，則總線帶寬應(yīng)等于端口帶寬乘以端口數(shù)量。即S=B×N。其中S為總線帶寬，B是端口帶寬，N是端口數(shù)。

許多交換機(jī)產(chǎn)品都使用總線交換結(jié)構(gòu)。

4共享存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)

共享存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)是總線交換結(jié)構(gòu)的一種很變形，它用共享存儲(chǔ)器替代了公用總線。它不需要背板。

特點(diǎn)：交換機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)，但在交換機(jī)端口數(shù)量與存儲(chǔ)容量擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。因此，比較適合小型交換機(jī)的采用。成本高。

交換機(jī)基礎(chǔ)：交換機(jī)的交換模式

1交換機(jī)交換模式的分類

交換機(jī)有靜態(tài)交換和動(dòng)態(tài)交換兩種方式。

在采用靜態(tài)交換方式的交換機(jī)中，端口之間傳輸通道的建立是人工預(yù)先設(shè)定的，這些通道是固定不變的。

在采用動(dòng)態(tài)交換方式的交換機(jī)中，傳輸通道的建立是依據(jù)目的MAC地址查詢交換表，根據(jù)表中給出的輸出端口臨時(shí)建立的，在一個(gè)數(shù)據(jù)幀傳送完成后，連接就會(huì)自動(dòng)斷開。

動(dòng)態(tài)交換模式有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直通兩種模式。

直通交換模式又有快速轉(zhuǎn)發(fā)交換和碎片丟棄交換兩種方式。

總結(jié)起來，交換機(jī)有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、快速轉(zhuǎn)發(fā)和碎片丟棄三種交換模式。

2快速轉(zhuǎn)發(fā)交換模式（FastForward）

快速轉(zhuǎn)發(fā)交換模式，也叫直通模式，它是在交換機(jī)接收到幀中6個(gè)字節(jié)的目的地址后就立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。

快速轉(zhuǎn)發(fā)交換模式不緩存整個(gè)數(shù)據(jù)幀。這種交換模式會(huì)在整個(gè)數(shù)據(jù)幀收到之前就開始轉(zhuǎn)發(fā)。不能提供檢錯(cuò)糾錯(cuò)，可靠性差，但是時(shí)延小、交換速度快。適合小型交換機(jī)采用。

3碎片丟棄交換模式（FragmentFree）

碎片丟棄模式又稱無分段交換模式。這種交換模式是在開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀前，先過濾掉造成大部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)誤的沖突片段。

先檢查數(shù)據(jù)包的長度是否夠64字節(jié)，如果小于64字節(jié)，直接丟棄，任何大于64字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，都被交換機(jī)視為有效幀，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)幀只是接收了64字節(jié)，也不保存整個(gè)數(shù)據(jù)幀，就開始轉(zhuǎn)發(fā)。

碎片丟棄交換模式的最大優(yōu)點(diǎn)：在開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀前就過濾掉沖突碎片，確保沖突碎片不通過網(wǎng)絡(luò)傳播，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和帶寬利用率。

4存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式（StoreandForward）

采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式的交換機(jī)，在開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀之前先接收整個(gè)數(shù)據(jù)幀，并把整個(gè)數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在緩沖區(qū)。

有差錯(cuò)檢驗(yàn)功能，但是時(shí)延大。

目前應(yīng)用最廣泛。

交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)就為大家介紹這么多，希望新入行的工程師們可以認(rèn)真閱讀，因?yàn)橄朐诰W(wǎng)絡(luò)上發(fā)展，這些知識(shí)還是不能忽略的。