交换机地分类及功能

1、交换机的分类及工作原理交换机的分类及工作原理交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。 交换机的所有的 端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找 内存中的地址对照表以确定目的 MA（网卡的硬件地址）的 NIC （网卡）挂 接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口， 目的 MAC 若不存在才广播到所有的端口， 接收端口回应后交换机会 “学习”新的地址， 并把它添加入内部 MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过 对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的 过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出

2、现，避免共享 冲突。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可 视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他 设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送 数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假 使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就 等于2X 10Mbps= 20Mbps而使用10Mbps的共享式HUB寸，一个HUB的总流 通量也不会超出10Mbps总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封 装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地

3、址表中， 通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换 路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。从层次上分类交换机可分为二层交换机、三层交换机、四层交换机等：（一）二层交换技术 二层交换技术是发展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，可以识 别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些 MAC地址与 对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。具体的工作流程如下：（1） 当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址， 这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；（2）再去读取包头中的目的 MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；(3) 如表中有与这目的

4、 MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口 上；(4) 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习一目的 MAC地址与哪个端口对应，在下 次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。不断的循环这个过程，对 于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自 己的地址表。(二) 三层交换技术使用IP的设备B,比如A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用 子网掩码取得网络地址，判断目的 IP 是否与自己在同一网段。如果在同一 网段，但不知道转发数据所需的 MACM址，A就发送一个ARP青求，B返回 其MACM址，A用此MA

5、C封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换 模块，查找MAO址表，将数据包转发到相应的端口。如果目的IP地址显示不是同一网段的，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应 MAC 地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般 在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块，所以可见对于不是同一子网 的数据，最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址；然后就由三层模块接 收到此数据包，查询路由表以确定到达 B的路由，将构造一个新的帧头，其 中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地 址。通过一定的识别触发机制，确立主机 A与B的MAC地址及

6、转发端口的对 应关系，并记录进流缓存条目表，以后的 A到B的数据，就直接交由二层交 换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转 发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门，地域 等等因素划分成一个个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯的使用二 层交换机不能实现网际互访；如单纯的使用路由器，由于接口数量有限和路 由转发速度慢，将限制网络的速度和网络规模，采用具有路由功能的快速转 发的三层交换机就成为首选。 一般来说，在内网数据流量大，要求快速转 发响应的网络中，如全部由三层交换机来做这个工作，会造成三层交换机负 担

7、过重，响应速度受影响，将网间的路由交由路由器去完成，充分发挥不同 设备的优点，不失为一种好的组网策略，当然，前提是客户的腰包很鼓，不 然就退而求其次，让三层交换机也兼为网际互连。（三）四层交换技术 第四层交换的一个简单定义是：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址（第二层网桥）或源/目标IP地址（第三层路由），而且依据 TCP/UDP第四层）应用端口号。第四层交换功能就象是虚IP，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

8、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）,每组服务器支持某种应用。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。第四层交换的原理：OSI模型

9、的第四层是传输层。 传输层负责端对端通信，即在网络源和目标系统之间协调通信。在 IP 协议 栈中这是TCP（ 种传输协议）和UDP（用户数据包协议）所在的协议层。在第四层中，TCP和UDF标题包含端口号（portnumber），它们可以唯一 区分每个数据包包含哪些应用协议（例如HTTP FTP等）。端点系统利用这种信息来区分包中的数据， 尤其是端口号使一个接收端计算机系统能够确定 它所收到的 IP 包类型，并把它交给合适的高层软件。端口号和设备 IP 地址 的组合通常称作 插口（ socket ）。 1和 255之间的端口号被保留，他们称 为熟知端口，也就是说，在所有主机 TCP/I P协议栈

10、实现中，这些端口号 是相同的。除了熟知端口外，标准UNIX服务分配在256到1024端口范围， 定制的应用一般在 1024 以上分配端口号。分配端口号的最近清单可以在 RFc1700Assigned Numbers上找到。TCP/UDP端 口号提供的附加信息可以 为网络交换机所利用，这是第 4 层交换的基础。每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源 IP 地址以及 源 TCP 端口相关联的连接表。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请 求。所有后续包在客户机与服务器之间重新影射和转发，直到交换机发现会 话为止。在使用第四层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起 来满足用户制定

11、的规则， 诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同 服务器的容量来分配传输流。从广义上来看，交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域 网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则 应用于局域网络，用于连接终端设备，如 PC 机及网络打印机等。从传输介 质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换 机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企 业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完 全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架 式（插槽数较少），也可以是固定配置式

12、，而工作组级交换机为固定配置式 （功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支 持 500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机， 支持 300 个信 息点以下中型企业的交换机为部门级交换机， 而支持 100 个信息点以内的交 换机为工作组级交换机。作为局域网的主要连接设备， 以太网交换机成为应用普及最快的网络设 备之一。随着交换技术的不断发展，以太网交换机的价格急剧下降，交换到 桌面已是大势所趋。如果以太网络上拥有大量的用户、繁忙的应用程序和各 式各样的服务器，而且还未对网络结构做出任何调整，那么整个网络的性能 可能会非常低。解决方法之一是在以太网上添加一个 10

13、/100Mbps的交换机， 它不仅可以处理10Mbps的常规以太网数据流，而且还可以支持 100Mbps的 快速以太网连接。如果网络的利用率超过了40，并且碰撞率大于 10，交换机可以帮你解决一点问题。带有 100Mbps快速以太网和10Mbps以太网 端口的交换机可以全双工方式运行，可以建立起专用的20Mbps到200Mbps连接。不仅不同网络环境下交换机的作用各不相同，在同一网络环境下添加 新的交换机和增加现有交换机的交换端口对网络的影响也不尽相同。 充分了 解和掌握网络的流量模式是能否发挥交换机作用的一个非常重要的因素。 因 为使用交换机的目的就是尽可能的减少和过滤网络中的数据流量， 所以如果 网络中的某台交换机由于安装位置设置不当， 几乎需要转发接收到的所有数 据包的话，交换机就无法发挥其优化网络性能的作用，