原创 关于交换机的前世今生 （一看就懂的交换机基础知识）

   今天武汉海翎光电的小编要为大家科普的是搭建网络时最常见的设备，交换机。小伙伴都知道，交换机在英文里叫做switch，交换机是一种比较省事的叫法。它的全名应该叫做以太网交换机，它还有一些姐妹，比如电话语音交换机、光纤交换机等等。要讲交换机，自然要了解它的前身，它就是集线器（图1）。用过集线器的小伙伴们可能就要暴露年龄了。

图1：集线器

    小编的大学群居时代，也是互联网人类早期。一个宿舍只有一个网口，那怎么满足四五个人甚至七八个小伙伴打星际、CS、魔兽、下载AVI文件，抄论文等需求呢？最简单的办法就是使用这种集线器，也叫HUB。简单讲它相当于把一根网线分成多根使用，并且让这些网线连接的设备组成一个局域网。从此，单机游戏变成了多人运动，更加的紧张刺激。但是集线器有不少缺点，它工作在OSI参考模型（图2），第一层，即物理层。

图2：OSI参考模型

    所以发送数据时采用的是广播的方式，如何理解呢?比如宿舍里老二大声质疑老大，“你为什么‘发图不发种’？”集线器采用的是共享带宽的工作方式，设备越多就越可能造成网络拥堵现象，老大和老二传文件占满了带宽，其他小伙伴的网络体验就会很差，很容易引发人民内部矛盾冲突。所以，我们把这种宿舍叫做一个冲突域（图3）。

图3：冲突域

    再有集线器的数据发送是非双工传输模式。什么概念呢？大家可以想象一下独木桥，同一时间只能过一个人。两边都有人要过桥的话，就只能等一个人先过去，另一个再过，效率很低，怎么办呢？那就要升级换代咯！

    1989年Kalpana公司发明了第一台以太网交换机EthrSwitch EPS-700,对外提供7个固定端口，它工作在OSI参考模型的第二层，数据链路层，所以也被称为二层交换机，为了方便大家明白，小编就拿武汉海翎光电研制的自主可控全国产交换机IERS108系列举例。

图4：海翎光电研制的全国产交换机IERS108(8口交换机）硬件规格

    这是海翎光电研制的自主可控全国产8口交换机。采用的是楠菲微SF2507的交换芯片，集成处理器，8MB flash存储，二层交换机。相比集线器广播数据的方式，交换机会按照内存里的地址表，把数据直接发送到目的地址。如果没有，则会通过广播来查找，“握手”成功后，再把它存放到地址表，方便下次寻找和使用。找不到的话，就先放到缓存，慢慢找。另外集线是共享带宽，而交换机它每一个端口上的设备都能独享全部的带宽。也就是说，如果老大给老二传文件，占满了百兆带宽，老三给老四传文件，依然可以享受百兆带宽，相当于，这8个端口，每个都是独立的百兆带宽。这等于，把冲突域从原来的整个宿舍缩小到一个端口上。

图5：双工模式

    这还没完，早期交换机依然是非双工传输模式。而1993年，Kalpana公司取得了另一项突破，使得一条链路可以同时发送和接受数据，也就是全双工以太网，我们这台小设备（全国产交换机IERS108(8口交换机））就是全双工，交换容量2Gbps,也就是同一时间平均每个端口收发的数据能达到2500M每秒。画个重点，交换容量是交换机的核心参数之一，这个数字越大，代表性能越高。当然也越贵。

    二层交换机的出现，使得以太网从“共享式”步入了“交换式”时代，大大提高了局域网的性能。但是二层交换机还是有一个毛病，只能隔离冲突域，不能分割广播域。这个如何理解呢？如果我们的宿舍楼或者办公楼都是用二层交换机组网，那么整个网络都在一个广播域内，一旦发出广播报文，就会传遍整个网络。对于局域网而言这样不仅会影响到网络带宽，还会给网络中的主机带来额外负担。

    后来出现了VLAN（Virtual Local Area Network)也就是虚拟局域网技术。在一个局域网中划分出不同的网段，实现广播域的隔离，但是不同VLAN之间的转发，还是要通过路由器来完成。如图6。相对于交换机而言，路由器价格更贵，并且交换性能要更弱，无法满足大量用户对大带宽的需求。

 图6

    在2000年，三层交换机的概念出来了。专门为IP网络设计的，接口类型简单，它既可以工作在OSI协议第三层，替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有接近第二层交换的速度，非常适用于大型局域网的数据路由与交换。如图7。

图7

    三层交换机最典型的应用就是代替路由器，来实现同一个局域网中各子网以及VLAN间的互联，所以它又被称路由交换机，三层交换机可以说是诸多网络设备中的中流砥柱了。不管在学校还是在办公楼、产业园还是住宅区都有它的身影。尤其是核心骨干网，一定会用到三层交换机。这里要注意，路由交换机的路由和路由器的路由并不是一回事儿。交换机的路由功能是围绕局域网内部的数据交换。在安全、协议支持方面有很多欠缺，并不能取代路由器，所以局域网与公网之间要实现跨地域的网络访问时，都需要通过专业路由器。（下期分享《路由器到底能不能代替交换机？》敬请关注。

    除了二层三层的分类，我们更多时候是根据使用场景的不同，将交换机分为接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。也可以根据接口的速率，把交换机分为百兆交换机、千兆交换机、万兆交换机、25G、40G、100G交换机等等。根据接口类型分为电口交换机、光纤交换机，当然也有非常风骚的光电混合交换机。

   这里顺便为大家介绍一款海翎光电研制的自主可控全国产三层交换机，IEGM210系列，这款交换机12口千兆交换机。采用盛科CTC7132交换芯片，交换芯片内嵌ARM53处理器，1GB DDR4内存。这台网管型交换机，支持风暴抑制；支持VLAN标记；支持MAC地址自动学习和老化；支持静态、动态、黑洞MAC表项；支持源MAC地址过滤；支持基于端口和VLAN的MAC地址学习限制；支持STP\RSTP\MSTP\ERPS等链路环网保护；支持IGMP snooping v1/v2/v3 IGMP Proxy；支持MVR\MLD Snooping v1/v2；支持静态和LACP链路聚合; 支持静态路由、RIP v1/v2、OSPF、 BGP、ECMP、策略路由、VRF等路由协议; 支持静态组播;支持UDLD、VCT、LLDP 支持DHCP Server/Relay Snooping/Client ;支持DNS与NTP时间同步;支持SamrtLink、M-LAG\VRRP等。（还需要了解此款交换机更多参数请加小编微信13296589910）

图8:全国产交换机IEGM210系列 硬件规格

    随着如今数据增长越来越快，各种高带宽业务越来越普及，对于交换机也提出了更高的要求。目前来讲，交换机正在朝着两个方向进化。

    第一，就是转化效率、性能和可靠性的提升。从100G、200G到400G甚至800G。交换机的单板能力不断提升，与 英特尔的TICK-TOCK策略近似（如图9)

图9：英特尔的TICK-TOCK策略

    交换机在硬件架构上也不断演进，从早期的Full Mesh到目前经常提到的三平面分离正交架构，通过采用数据平台，控制平台、管理平台相互分离的结构模型保证了大量的数据处理和路由环境复杂条件下，各个平台互不干扰，高度保障系统安全稳定性。（如图10、图11）

    同时，正交设计减少了背板走线，带来的高速信号衰减，提高了硬件的可靠性。（如图12）无背板设计能够解除背板对容量提升的限制，当需要更大带宽的时候，只需要更换相应的板卡就可以实现。目前，大多数园区网以及数据中心级交换机，都采用了这样的设计。

图10

图11

图12

    第二，就是交换技术的发展，从最初集线器的端口交换到目前利用ATM技术的信元交换，从之前的二三层交换发展到目前第七层的应用交换。也就是通过逐层打开每一个数据包的封装，识别出应用层的信息，从而实现对内容的识别。

    有个典型的场景（如图12、图13），可以很好地说明这点。就是区分应用Qos通过识别来自不同应用的流量，来实现针对性的转发。比如文字、语音数据、视频流这些需要稳定带宽传输的会优选保证。对于上传下载等优先级过低的应用，则需要降低带宽给优选级高的应用让路。这对于企业充分利用带宽资源非常有效。能节省下大量的真金白银。像核心交换机还能支持防火墙，负载均衡、无限AC、IPSec VPN等多种增值业务能力。

图12

图13

    总之，交换机的花活是越来越多。当然大的发展方向下，各个厂家的交换机也有差异化设计。比如，交换机的堆叠技术、枝叶交换机、统一运维的云管理技术，还有当下的边缘计算跟交换机的技术结合。不同应用场景的部署需要不同的技术形态来满足，从而诞生了很多细分品类。好了，今天关于交换机的前世今生以及未来就介绍到这里吧！