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企业级交换机


交换机(Switch)意为“开关”是一种用于电(光)信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
中文名
交换机
外文名
Switch / Ethernet switch
用    途
网络连接时不可缺少的设备
属    性
网络设备

交换机定义

交换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。交换机根据工作位置的不同,可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备,它应用在数据链路层。交换机有多个端口,每个端口都具有桥接功能,可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上,交换机有时被称为多端口网桥。
网络交换机,是一个扩大网络的器材,能为子网络中提供更多的连接端口,以便连接更多的计算机。随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进,网络交换机市场呈稳步上升态势。它具有性价比高、高度灵活、相对简单和易于实现等特点。以太网技术已成为当今最重要的一种局域网组网技术,网络交换机也就成为了最普及的交换机。 [1]
Switch是交换机的英文名称,这个产品是由原集线器的升级换代而来,在外观上看和集线器没有很大区别。由于通信两端需要传输信息,而通过设备或者人工来把要传输的信息送到符合要求标准的对应的路由器上的方式,这个技术就是交换机技术。从广义上来分析,在通信系统里对于信息交换功能实现的设备,就是交换机。 [2]

交换机发展历史

“交换机”是一个舶来词,源自英文“Switch”,原意是“开关”,中国技术界在引入这个词汇时,翻译为“交换”。在英文中,动词“交换”和名词“交换机”是同一个词(注意这里的“交换”特指电信技术中的信号交换,与物品交换不是同一个概念)。 [3]
1993年,局域网交换设备出现,1994年,国内掀起了交换网络技术的热潮。其实,交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品,体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与桥接器一样,交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小,操作接近单个局域网性能,远远超过了普通桥接互联网网络之间的转发性能。 [3]
交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整,以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。已有以太网快速以太网FDDIATM技术的交换产品。 [3]
类似传统的桥接器,交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域,为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中;交换机使用现有的电缆、中继器集线器和工作站的网卡,不必作高层的硬件升级;交换机对工作站是透明的,这样管理开销低廉,简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。 [3]
利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息,提供了比传统桥接器高得多的操作性能。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下得以实现上述性能,其端口造价低于传统型桥接器。 [3]

交换机分类

从广义上来看,网络交换机分为两种: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,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。 [3]

交换机以太网交换机

随着计算机及其互联技术(也即通常所谓的“网络技术”)的迅速发展,以太网成为了迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。而以太网的核心部件就是以太网交换机 [3]
以太网交换机以太网交换机
不论是人工交换还是程控交换,都是为了传输语音信号,是需要独占线路的“电路交换”。而以太网是一种计算机网络,需要传输的是数据,因此采用的是“分组交换”。但无论采取哪种交换方式,交换机为两点间提供“独享通路”的特性不会改变。就以太网设备而言,交换机和集线器的本质区别就在于:当A发信息给B时,如果通过集线器,则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息(也就是以广播形式发送),只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息;而如果通过交换机,除非A通知交换机广播,否则发给B的信息C绝不会收到(获取交换机控制权限从而监听的情况除外)。 [3]
以太网交换机厂商根据市场需求,推出了三层甚至四层交换机。但无论如何,其核心功能仍是二层的以太网数据包交换,只是带有了一定的处理IP层甚至更高层数据包的能力。网络交换机是一个扩大网络的器材,能为子网络中提供更多的连接端口,以便连接更多的计算机。随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进,网络交换机市场呈稳步上升态势。它具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。 [3]

交换机光交换机

光交换是人们正在研制的下一代交换技术。所有的交换技术都是基于电信号的,即使是光纤交换机也是先将光信号转为电信号,经过交换处理后,再转回光信号发到另一根光纤。由于光电转换速率较低,同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈,因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”,其内部不是电路而是光路,逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。 [3]

交换机远程配置

交换机除了可以通过“Console”端口与计算机直接连接,还可以通过普通端口连接。此时配置交换机就不能用本地配置,而是需要通过Telnet或者Web浏览器的方式实现交换机配置。具体配置方法如下:
1、Telnet
Telnet协议是一种远程访问协议,可以通过它登录到交换机进行配置。
假设交换机IP为:192.168.0.1,通过Telnet进行交换机配置只需两步: [3]
第1步,单击开始,运行,输入“Telnet 192.168.0.1”
第2步,输入好后,单击“确定”按钮,或单击回车键,建立与远程交换机的连接。然后,就可以根据实际需要对该交换机进行相应的配置和管理了。
2、Web
通过Web界面,可以对交换机设置,方法如下:
第1步,运行Web浏览器,在地址栏中输入交换机IP,回车,弹出如下对话框。
第2步,输入正确的用户名和密码。
第3步,连接建立,可进入交换机配置系统。
第4步,根据提示进行交换机设置和参数修改。 [3]

交换机特点

因为交换机有带宽很高的内部交换矩阵和背部总线,并且这个背部总线上挂接了所有的端口,通过内部交换矩阵,就能够把数据包直接而迅速地传送到目的节点而非所有节点, 这样就不会浪费网络资源,从而产生非常高的效率。同时在此过程中,数据传输的安全程度非常高,更是受到使用者的欢迎和普遍好评。 [2]
和集线器每个端口共享同样带宽不同的是,交换机的数据带宽具有独享性。在这样的前提下,在同一个时间段内,交换机就可以将数据传输到多个节点之间,并且每个节点都可 以当做独立网段而独自享有固定的部分带宽,这样就没有和其他设备进行竞争实用的必要。 [2]

交换机工作原理

交换机工作于OSI参考模型的第二层,即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时,通过将MAC地址和端口对应,形成一张MAC表。在今后的通讯中,发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口,而不是所有的端口。因此,交换机可用于划分数据链路层广播,即冲突域;但它不能划分网络层广播,即广播域。
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MAC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IP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。

交换机端口

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物理网段(注:非IP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帧功能的网络设备。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。

交换机数据传送的工作原理

交换机的任意节点收到数据传输指令后,即对于存储在内存里的地址表进行快速查找,从而对于MAC地址的网卡连接位置进行确认,然后再将数据传输到该节点上。如果在地址表中找到相应的位置,则进行传输;如果没有,交换机就会将该地址进行记录,以利于下次寻找和使用。交换机一般只需要将帧发送到相应的点,而无需如集线器发送到所有节点,从而节省了资源和时间,提高了数据传输的速率。 [2]

交换机数据传送方式

通过交换的方式进行的数据传输,其实就是交换机的数据传送的方式。之前的集线器,更多是利用共享的方式,来对数据进行传输,没有办法从通讯的速度上进行要求。集线器的共享方式,也就是常说的共享式网络,以集线器作为连接设备并且只 有一个方向的数据流,因而网络共享的效率非常低。相对而言,交换机能够对连接到自身的各台电脑进行相应的识别,通过每台电脑网卡的物理地址也就是常说的MAC地址,来进行记忆和识别。在这样的前提之下,就不用再进行广播寻找,而能够直接将记忆的MAC地址找到相应的地点并且通过一个临时性专用的数据传输通道,来完成两个节点之间不受外来干扰的数据传输的通信。由于交换机还具有全双工传输的方式,所以也可以对于多对节点间通过同时建立临时的专用通道,来形成一个立体且交叉的数据传输通道结构。 [2]

交换机用途

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。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。 [3]
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。 [3]
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) [3]
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。
交换机除了能够连接同种类型的网络之外,还可以在不同类型的网络(如以太网和快速以太网)之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI等的高速连接端口,用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。 [3]
一般来说,交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段,但是有时为了提供更快的接入速度,我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样,网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度,支持更大的信息流量。 [3]
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。 [3]
传统交换机从网桥发展而来,属于OSI第二层即数据链路层设备。它根据MAC地址寻址,通过站表选择路由,站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器属于OSI第三层即网络层设备,它根据IP地址进行寻址,通过路由表路由协议产生。交换机最大的好处是快速,由于交换机只须识别帧中MAC地址,直接根据MAC地址产生选择转发端口算法简单,便于ASIC实现,因此转发速度极高。但交换机的工作机制也带来一些问题。 [3]
1.回路:根据交换机地址学习和站表建立算法,交换机之间不允许存在回路。一旦存在回路,必须启动生成树算法,阻塞掉产生回路的端口。而路由器路由协议没有这个问题,路由器之间可以有多条通路来平衡负载,提高可靠性。 [3]
2.负载集中:交换机之间只能有一条通路,使得信息集中在一条通信链路上,不能进行动态分配,以平衡负载。而路由器路由协议算法可以避免这一点,OSPF路由协议算法不但能产生多条路由,而且能为不同的网络应用选择各自不同的最佳路由。 [3]
3.广播控制:交换机只能缩小冲突域,而不能缩小广播域。整个交换式网络就是一个大的广播域,广播报文散到整个交换式网络。而路由器可以隔离广播域,广播报文不能通过路由器继续进行广播。 [3]
4.子网划分:交换机只能识别MAC地址。MAC地址是物理地址,而且采用平坦的地址结构,因此不能根据MAC地址来划分子网。而路由器识别IP地址,IP地址由网络管理员分配,是逻辑地址且IP地址具有层次结构,被划分成网络号和主机号,可以非常方便地用于划分子网,路由器的主要功能就是用于连接不同的网络。 [3]
5.保密问题:虽说交换机也可以根据帧的源MAC地址、目的MAC地址和其他帧中内容对帧实施过滤,但路由器根据报文的源IP地址、目的IP地址、TCP端口地址等内容对报文实施过滤,更加直观方便。 [3]

交换机人工交换

电信号交换的历史应当追溯到电话出现的初期。当电话被发明后,只需要一根足够长的导线,加上末端的两台电话,就可以使相距很远的两个人进行语音交谈。 [3]
电话增多后,要使每个拥有电话的人都能相互通信,我们不可能每两台电话机之间都拉上一根线。于是人们设立了电话局,每个电话用户都接一根线到电话局的一个大电路板上。当A希望和B通话时,就请求电话局的接线员接通B的电话。接线员用一根导线,一头插在A接到电路板上的孔,另一头插到B的孔,这就是“接续”,相当于临时给A和B拉了一条电话线,这时双方就可以通话了。当通话完毕后,接线员将电线拆下,这就是“拆线”。整个过程就是“人工交换”,它实际上就是一个“合上开关”和“断开开关”的过程。因此,把“交换”译为“开关”从技术上讲更容易让人理解。 [3]

交换机电路程控

人工交换的效率太低,不能满足大规模部署电话的需要。随着半导体技术的发展和开关电路技术的成熟,人们发现可以利用电子技术替代人工交换。电话终端用户只要向电子设备发送一串电信号,电子设备就可以根据预先设定的程序,将请求方和被请求方的电路接通,并且独占此电路,不会与第三方共享(当然,由于设计缺陷的缘故,可能会出现多人共享电路的情况,也就是俗称的“串线”)。这种交换方式被称为“程控交换”。而这种设备也就是“程控交换机”。 [3]
由于程控交换的技术长期被发达国家垄断,设备昂贵,我国的电话普及率一直不高。随着当年华为中兴通讯等企业陆续自主研制出程控交换机,电话在我国得到迅速地普及。 [3]
语音程控交换机普遍使用的通信协议七号信令(Signalling System No.7) [3]

交换机与集线器比较

1.从OSI体系结构来看,集线器属于第一层物理层设备,而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。也就是说集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用,对于数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理,不能保证数据传输的完整性和正确性;而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形,而且可以过滤短帧、碎片等。 [3]
2.从工作方式看,集线器是一种广播模式,也就是说集线器的某个端口工作的时候,其它所有端口都能够收听到信息,容易产生广播风暴,当网络较大时网络性能会受到很大影响;而交换机就能够避免这种现象,当交换机工作的时候,只有发出请求的端口与目的端口之间相互响应而不影响其它端口,因此交换机就能够隔离冲突域并有效地抑制广播风暴的产生。 [3]
3.从带宽来看,集线器不管有多少个端口,所有端口都共享一条带宽,在同一时刻只能有两个端口传送数据,其它端口只能等待,同时集线器只能工作 在半双工模式下;而对于交换机而言,每个端口都有一条独占的带宽,当两个端口工作时不影响其它端口的工作,同时交换机不但可以工作 在半双工模式下而且可以工作在全双工模式下。 [3]

交换机交换方式

交换机通过以下三种方式进行交换:
1) 直通式:
直通方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时,检查该包的包头,获取包的目的地址,启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口,在输入与输出交叉处接通,把数据包直通到相应的端口,实现交换功能。由于不需要存储,延迟非常小、交换非常快,这是它的优点。它的缺点是,因为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。由于没有缓存,不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通,而且容易丢包。 [3]
存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来,然后进行CRC(循环冗余码校验)检查,在对错误包处理后才取出数据包的目的地址,通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此,存储转发方式在数据处理时延时大,这是它的不足,但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测,有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换,保持高速端口与低速端口间的协同工作 [3]
3) 碎片隔离:
这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节,如果小于64字节,说明是假包,则丢弃该包;如果大于64字节,则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快,但比直通式慢。 [3]

交换机端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中,这类集线器的背板通常划分有多条以太网段(每条网段为一个广播域),不用网桥路由连接,网络之间是互不相通的。以太主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上,端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度,端口交换还可细分为: [3]
·模块交换:将整个模块进行网段迁移。
·端口组交换:通常模块上的端口被划分为若干组,每组端口允许进行网段迁移。
·端口级交换:支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的,具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当,那么还可以在一定程度进行容错,但没有改变共享传输介质的特点,自而未能称之为真正的交换。 [3]

交换机帧交换

帧交换是应用最广的局域网交换技术,它通过对传统传输媒介进行微分段,提供并行传送的机制,以减小冲突域,获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异,但对网络帧的处理方式一般有以下几种: [3]
直通交换:提供线速处理能力,交换机只读出网络帧的前14个字节,便将网络帧传送到相应的端口上。
存储转发:通过对网络帧的读取进行验错和控制。 [3]
前一种方法的交换速度非常快,但缺乏对网络帧进行更高级的控制,缺乏智能性和安全性,同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此,各厂商把后一种技术作为重点。 [3]
有的厂商甚至对网络帧进行分解,将帧分解成固定大小的信元,该信元处理极易用硬件实现,处理速度快,同时能够完成高级控制功能(如美国MADGE公司的LET集线器)如优先级控制。 [3]

交换机信元交换

ATM技术采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定,因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接,并行运行,可以通过一个交换机同时建立多个节点,但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标节点建立多个虚拟链接,以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用,因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。但随着万兆以太网的出现,曾经代表网络和通讯技术发展的未来方向的ATM技术,开始逐渐失去存在的意义。 [3]

交换机层数区别

交换机二层交换

二层交换技术的发展比较成熟,二层交换机数据链路层设备,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。 [3]
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,交换机又可以记录这一目的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。
从二层交换机的工作原理可以推知以下三点:
1) 由于交换机对多数端口的数据进行同时交换,这就要求具有很宽的交换总线带宽,如果二层交换机有N个端口,每个端口的带宽是M,交换机总线带宽超过N×M,那么这交换机就可以实现线速交换
2) 学习端口连接的机器的MAC地址,写入地址表,地址表的大小(一般两种表示方式:一为BEFFER RAM,一为MAC表项数值),地址表大小影响交换机的接入容量
3) 还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC(Application specific Integrated Circuit,专用集成电路)芯片,因此转发速度可以做到非常快。由于各个厂家采用ASIC不同,直接影响产品性能。
以上三点也是评判二、三层交换机性能优劣的主要技术参数,这一点请大家在考虑设备选型时注意比较。 [3]

交换机三层交换

下面先来通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。
使用IP的设备A------------------------三层交换机------------------------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MAC地址,A就发送一个ARP请求,B返回其MAC地址,A用此MAC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MAC地址表,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,这个缺省网关的IP对应第三层路由模块,所以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(由源主机A完成);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(三层交换机要确认是由A到B而不是到C的数据,还要读取帧中的IP地址。),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。 [3]
以上就是三层交换机工作过程的简单概括,可以看出三层交换的特点:
1)由硬件结合实现数据的高速转发。这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加,三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上,突破了传统路由器的接口速率限制,速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽,这些是三层交换机性能的两个重要参数。 [3]
2)简洁的路由软件使路由过程简化。大部分的数据转发,除了必要的路由选择交由路由软件处理,都是由二层模块高速转发,路由软件大多都是经过处理的高效优化软件,并不是简单照搬路由器中的软件。
二层和三层交换机的选择
二层交换机用于小型的局域网络。这个就不用多言了,在小型局域网中,广播包影响不大,二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。
三层交换机的优点在于接口类型丰富,支持的三层功能强大,路由能力强大,适合用于大型的网络间的路由,它的优势在于选择最佳路由,负荷分担,链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等等路由器所具有功能。 [3]
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。 [3]

交换机四层交换

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。它所传输的业务服从各种各样的协议,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。 [3]
在IP世界,业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定,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TCP SYN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。 [3]
特点:
OSI模型的第四层是传输层。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(一种传输协议)和UDP(用户数据包协议)所在的协议层。
在第四层中,TCP和UDP标题包含端口号(port number),它们可以唯一区分每个数据包包含哪些应用协议(例如HTTPFTP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。分配端口号的清单可以在RFC1700 "Assigned Numbers"上找到。 [3]
TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用,这是第四层交换的基础。具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的"虚拟IP"(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。在发出一个服务请求时,第四层交换机通过判定TCP开始,来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定,交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起,并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。 [3]
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。 [3]
1) 速度
为了在企业网中行之有效,第四层交换必须提供与第三层线速路由器可比拟的性能。也就是说,第四层交换必须在所有端口以全介质速度操作,即使在多个千兆以太网连接上亦如此。千兆以太网速度等于以每秒1488000 个数据包的最大速度路由(假定最坏的情形,即所有包为以及网定义的最小尺寸,长64字节)。 [3]
2)服务器容量平衡算法
依据所希望的容量平衡间隔尺寸,第四层交换机将应用分配给服务器的算法有很多种,有简单的检测环路最近的连接、检测环路时延或检测服务器本身的闭环反馈。在所有的预测中,闭环反馈提供反映服务器现有业务量的最精确的检测。 [3]
3) 表容量
应注意的是,进行第四层交换的交换机需要有区分和存贮大量发送表项的能力。交换机在一个企业网的核心时尤其如此。许多第二/三层交换机倾向发送表的大小与网络设备的数量成正比。对第四层交换机,这个数量必须乘以网络中使用的不同应用协议和会话的数量。因而发送表的大小随端点设备和应用类型数量的增长而迅速增长。第四层交换机设计者在设计其产品时需要考虑表的这种增长。大的表容量对制造支持线速发送第四层流量的高性能交换机至关重要。 [3]
4) 冗余
第四层交换机内部有支持冗余拓扑结构的功能。在具有双链路的网卡容错连接时,就可能建立从一个服务器到网卡,链路和服务器交换器的完全冗余系统。 [3]

交换机管理方式

可网管交换机可以通过以下几种途径进行管理:通过RS-232串行口(或并行口)管理、通过网络浏览器管理和通过网络管理软件管理 [3]

交换机串口管理

可网管交换机附带了一条串口电缆,供交换机管理使用。先把串口电缆的一端插在交换机背面的串口里,另一端插在普通电脑的串口里。然后接通交换机和电脑电源。在Windows 98和Windows 2000里都提供了“超级终端”程序。打开“超级终端”,在设定好连接参数后,就可以通过串口电缆与交换机交互了,如图1所示。这种方式并不占用交换机的带宽,因此称为“带外管理”(Out of band)。 [3]
在这种管理方式下,交换机提供了一个菜单驱动的控制台界面或命令行界面。你可以使用“Tab”键或箭头键在菜单和子菜单里移动,按回车键执行相应的命令,或者使用专用的交换机管理命令集管理交换机。不同品牌的交换机命令集是不同的,甚至同一品牌的交换机,其命令也不同。使用菜单命令在操作上更加方便一些。 [3]

交换机Web管理

可网管交换机可以通过Web(网络浏览器)管理,但是必须给交换机指定一个IP地址。这个IP地址除了供管理交换机使用之外,并没有其他用途。在默认状态下,交换机没有IP地址,必须通过串口或其他方式指定一个IP地址之后,才能启用这种管理方式。 [3]
使用网络浏览器管理交换机时,交换机相当于一台Web服务器,只是网页并不储存在硬盘里面,而是在交换机的NVRAM里面,通过程序可以把NVRAM里面的Web程序升级。当管理员在浏览器中输入交换机的IP地址时,交换机就像一台服务器一样把网页传递给电脑,此时给你的感觉就像在访问一个网站一样,如图2所示。这种方式占用交换机的带宽,因此称为“带内管理”(In band)。 [3]
如果你想管理交换机,只要点击网页中相应的功能项,在文本框或下拉列表中改变交换机的参数就可以了。Web管理这种方式可以在局域网上进行,所以可以实现远程管理。 [3]

交换机软件管理

可网管交换机均遵循SNMP协议(简单网络管理协议),SNMP协议是一整套的符合国际标准的网络设备管理规范。凡是遵循SNMP协议的设备,均可以通过网管软件来管理。你只需要在一台网管工作站上安装一套SNMP网络管理软件,通过局域网就可以很方便地管理网络上的交换机、路由器服务器等。通过SNMP网络管理软件的界面如图3所示,它也是一种带内管理方式。 [3]
可网管交换机的管理可以通过以上三种方式来管理。究竟采用哪一种方式呢?在交换机初始设置的时候,往往得通过带外管理;在设定好IP地址之后,就可以使用带内管理方式了。带内管理因为管理数据是通过公共使用的局域网传递的,可以实现远程管理,然而安全性不强。带外管理是通过串口通信的,数据只在交换机和管理用机之间传递,因此安全性很强;然而由于串口电缆长度的限制,不能实现远程管理。所以采用哪种方式得看你对安全性和可管理性的要求了。 [3]

交换机硬件故障

交换机故障一般可以分为硬件故障和软件故障两大类。硬件故障主要指交换机电源、背板、模块和端口等部件的故 障,具体可以分为以下几类。

交换机电源故障

由于外部供电不稳定,或者电源线路老化或者雷击等原因导致电源损坏或者风扇停止,从而不能正常厂作。
  由于电源缘故而导致机内其他部件损坏的事情也经常发生。如果面板上的PowER指示灯是绿色的,就表示是正常的:如果该指示灯灭了,则说明交换机没有正常供电。这类问题很容易发现,也很容易解决,同时也是最容易预防的。针对这类故障,首先应该做好外部电源的供应工作,一般通过引入独立的电力线来提供独立的电源,并添加稳压器来避免瞬间高压或低压现象。如果条件允许,可以添加不间断电源来保证交换机的正常供电,有的提供稳压功能,而有的没有,选择时要注意。在机房内设置专业的避雷措施,用来避免雷电对交换机的伤害。现在有很多做避雷工程的专业公司,实施网络布线时可以考虑。 [4]

交换机端口故障

这是最常见的硬件故障,无论是光纤端口还是双绞线的RJ一45端口,在插拔接头时一定要小心。如果不小心把光纤插头弄脏,可能导致光纤端口污染而不能正常通信。我们经常看到很多人喜欢带电插拔接头,理论上讲是可以的,但是这样也无意中增加了端口的故障发生率。 [4]
另外在搬运时不小心,也可能导致端口物理损坏。如果购买的水晶头尺寸偏大,插入交换机时,电容易破坏端口。此外,如果接在端口的双绞线有一段暴露在室外,万一这根电缆被雷电击中,就会导致所连交换机端口被击坏,或者造成更加 不可预料的损伤。一般情况下,端口故障是某一个或者几个端口损坏。所以,在排除了端口所连计算机的故障后,可以通过更换所连端口,来判断其是否损坏。遇到此类故障,可以尝试在电源关闭后,用酒精棉球清洗端口,如果端口确实被损坏,那就只能更换端口了。 [4]

交换机模块故障

交换机是由很多模块组成,比如:堆叠模块、管理模块(控制模块)和扩展模块等。这些模块发生故障的机率很小,不过一旦出现问题,就会遭受巨大的经济损失。如果插拔模块时不小心,或者搬运交换机时受到碰撞,或者电源不稳定等情况,都可能导致此类故障的发生。 [4]

交换机背板故障

交换机的各个模块都是接插在背板上的。如果环境潮湿,电路板受潮短路,或者元器件因高温、雷击等因素而受损都会造成电路板不能正常工作。比如:散热性能不好或环境温度太高导致机内温度升高,致使元器件烧坏。在外部电源正常供电的情况下,如果交换机的各个内部模块都不能正常工作,那就可能是背板坏了,遇到这种情况即使是电器维修工程师,恐怕也无计可施,惟一的办法就是更换背板了。 [4]

交换机线缆故障

其实这类故障从理论上讲,不属于交换机本身的故障,但在实际使用中,电缆故障经常导致交换机系统或端口不能正常工作,所以这里也把这类故障归入交换机硬件故障。比如接头接插不紧,线缆制作时顺序排列错误或者不规范,线缆连接时应该用交叉线却使用了直连线,光缆中的两根光纤交错连接,错误的线路连接导致网络环路等。 [4]

交换机交换机测试技术

如今,交换机以应用需求为向导对交换机的性能提出了新的要求。在网络综合服务、安全性、智能化等方面有了新的发展。协议测试是一种基本交换机测试技术,网络协议是为了提高测试的效率和沟通的有效性提出的为了保障通信的规则。在网络通信日益膨胀的年代,网络协议也必不可少,网络协议的基本要求是功能正确、互通性好和性能优越。协议测试最初的原型为软件测试,主要的分类有黑盒测试白盒测试灰盒测试。现简要说明黑盒测试的基本原理,利用一个激励,使其作用在被测物上,利用被测物的响应,在不考虑被测物具体的结构和原理的情况下,我们依然可以得出一个传递函数,这个传递函数就是我们需要的数据。利用这种原理,同样可以进行以太网中交换机的测试。 向交换机传送一个数据和信息,分析其返回的信息,就可以判断交换机的故障。 [5]

交换机发展前景

随着云计算虚拟化技术的迅速发展, 数据中心业务的融合,对交换机的性能、功能、可靠性等提出了更高的要求。但由于数据中心交换机能够承载各种业务,对数据的传输提供较 好的保障。而数据中心交换机将来还会承载未来更多的业务,对未来网络的发展有很好的扩展性。 所以相信对于未来数据中心的建立,数据中心交换机会随着时代发展,针对网络中的需求研发出更高性能、稳定和更新技术的交换机。现在已经步入数据时代,相信数据中心交换机必定会大展宏图。 [6]
世界在进步,科技在发展,网络也在不断的提速。从第一块网卡的问世,到现在通用的千兆以太网卡、万兆网卡,甚至还有很多超万兆的网卡出现。标示着,世界正在发生翻天覆地的变化,数据流量正在不断地增加,传统的交换机已经不能满足现在日趋复杂的网络和庞大的流量。 为了能够更好的承载视频、语音、文件等各种服务。需要高速的硬件和新一代的交换系统来处理越来越大的数据流量。随着云计算的发展越来越快, 对于数据中心的建立将带来更大的考验,对交换机的性能、背板带宽要求也更加高。 数据中心交换机在此大环境下孕育而 生,接替了传统的交换机工作在数据中心。提供了更高的可靠性,更稳定的性能和更大的吞吐量。还有更新的技术解决复杂的网络。


文章分类: 行业解决方案
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