原创 全面解析以太网交换机的作用与功能

    经常有朋友问：“以太网交换机是什么？它的作用与功能呢？和如何选择适合的交换机呢？本期武汉海翎光电的小编将详细为大家介绍关于交换机的基础知识。

    交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。

    广义的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。在计算机网络系统中，交换概念的提出改进了共享工作模式。我们以前介绍过的HUB集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。

　　交换机工作原理

    工作在数据链路层。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MAC（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，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，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。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2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，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。

　　交换机的作用与功能

　　交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。

　　学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

　　转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

　　消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

    海翎光电的小编介绍到这里相信大家对交换机有了一个比较清晰的理解，同时对交换机的作用与功能也有了一个概念性的了解。那么如何进行交换机的选型号？首先咱们先了解一下交换机的类型：

    从应用区域划分：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，提供通信基础平台。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。

    根据传输介质、传输速度以及发展历史上看，局域网交换机有：以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、万兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机、令牌环交换机。

    按网络规模分类:

     (1) 企业级交换机：一般采用模块配置，属于第三层或第四层千兆位（或以上）交换机，通常能支持500个信息点以上。

    (2) 部门级交换机：一般为千兆位第三层交换机，固定配置或模块配置，通常能支持300～500个信息点。

    (3) 工作组级交换机：一般为固定配置，10/100Mbps自适应，通常支持的信息点少于100个。

    按组建园区网的网络拓扑结构层次，可划分为：接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。

    (1)核心层交换机: 一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；

    (2)汇聚层交换机: 可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；

    (3)接入层交换机: 一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口

    接下来和海翎光电的小编一起了解一下交换机的性能指标：

    (1) 转发速率：转发速率通常以“Mpps”来表示，即每秒能够处理的数据包的数量。转发速率体现了交换引擎的转发功能，该值越大，交换机的性能越强劲。

    (2) 端口吞吐量：端口吞吐量反映交换机端口的分组转发能力，通常可以通过两个相同速率的端口进行测试，吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。

    (3)背板带宽：背板带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽体现了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps，也叫交换带宽。

在全双工模式下，实现无阻塞数据交换，需要：背板带宽 >= 端口数×端口速率×2。

举个例子：一台固定式24口百兆交换机，其背板带宽应至少达到4.8Gb/s，才会不阻塞进行数据转发：24×2×100Mb/s=4.8Gb/s。   

     (4) 吞吐量(包转发率)

    吞吐量：指交换机所能线速处理的数据包的速度，单位为pps,表示每一秒钟内发送64字节的数据包个数。

    1、以能够处理最小包长来衡量，对于以太网最小包为64byte，加上帧开销20byte。因此最小包为84byte。

    2、对于一个全双工千兆接口达到线速时要求：端口的包转发率=1000Mbps/（84*8）=1.488Mpps。

    84Byte=64（最小帧长）+8（前导码）+12帧间隙

    3、交换机的包转发速率千兆端口数×1.488Mpps+百兆端口数量×0.1488Mpps+其余类型端口数×相应速率值，

交换机标称的包转发速率高于这个速率，那么交换机可以达到线速交换

    (5) 端口种类

    交换机按其所提供的端口种类不同主要包括三种类型的产品，它们分别是纯百兆端口交换机、百兆和千兆端口混和交换机、纯千兆端口交换机。

    每一种产品所应用的网络环境各不相同，核心骨干网络上最好选择千兆产品，上连骨干网络一般选择百兆/千兆混和交换机，边缘接入一般选择纯百兆交换机。

　　最后简略的概括一下交换机的基本功能：

　　1. 像集线器一样，交换机提供了大量可供线缆连接的端口，这样可以采用星型拓扑布线。

　　2. 像中继器、集线器和网桥那样，当它转发帧时，交换机会重新产生一个不失真的方形电信号。

　　3. 像网桥那样，交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑。

　　4. 像网桥那样，交换机将局域网分为多个冲突域，每个冲突域都是有独立的宽带，因此大大提高了局域网的带宽。

　　5. 除了具有网桥、集线器和中继器的功能以外，交换机还提供了更先进的功能，如虚拟局域网（VLAN）和更高的性能。