交换机介绍

定义与功能

• 定义：交换机（Switch）是一种用于电（光）信号转发的网络设备，工作于 OSI 参考模型的第二层，即数据链路层，也有工作在第三层的三层交换机。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。
• 功能
  • 隔离冲突域：在交换式局域网中，每个交换机端口就对应一个冲突域，端口就是冲突域终点，由于交换机具有交换功能，不同端口的站点之间不会产生冲突。
  • 扩展距离：每个交换机端口可以连接不同的 LAN，因此，每个端口都可以达到不同 LAN 的技术所要求的最大距离，而与连接到其他交换机端口 LAN 的长度无关。
  • 增加总容量：在交换式局域网中，由于交换机的每个端口具有专用容量，交换式局域网总容量随着交换机的端口数量而增加。
  • 数据率灵活性：对于交换式局域网，交换机的每个端口可以使用不同的数据率，所以可以以不同数据率部署站点，非常灵活。

分类

• 按功能分
  • 二层交换机：执行桥接功能，是根据 MAC 地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。
  • 三层交换机：是根据 IP 地址转发数据，具有路由功能。三层交换是二层交换与路由功能的有机组合。
• 按应用场景分
  • 接入交换机：通常位于网络的边缘，负责将终端设备连接到网络，并提供基本的网络功能，如数据过滤、数据包转发和地址学习等。
  • 汇聚交换机：通常位于网络的中间层，用于将接入交换机汇聚起来，减少网络中的冲突和数据碰撞。
  • 核心交换机：则位于网络的中心，负责高速数据交换和大范围的网络连接。

内部结构

• 共享式存储器结构：帧直接从存储器传送到输出端口，各模块之间不需要用背板总线连接，依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由中心交换引擎检查每个输入包以决定路由。这种方式容易实现，但需要很大的内存容量，很高的管理费用，比较适合于小系统交换机。
• 交叉总线结构：在端口间建立直接的点对点连接，每一模块都直接和任何其他模块相连，每一模块自己处理连接问题，不需要中心交换陈列模块进行集中控制。这种结构适合单点传输，对于多点传输存在一定的问题。
• 混合交叉总线结构：是在交叉总线结构的基础上改进得来的，将一体的交叉总线矩阵划分成小的交叉矩阵，中间通过一条高性能的总线连接。优点是减少了交叉总线数，降低了成本，还减少了总线争用，但连接交叉矩阵的总线可能成为新的性能瓶颈。
• 环形总线结构：在 1 个环内最多支持 4 个交换引擎并且允许不同速度的交换矩阵互联，环与环之间通过交换引擎连接。与前几种结构不同的是此种结构有独立的一条控制总线，用于搜集总线状态、处理路由、流量控制和清理数据总线。环形总线结构的最大优点是扩展能力强，成本低。

交换方式

• 直通式：交换机只需要知道帧的目的 MAC 地址就可以成功的将帧转发到目的地。在交换机读取到帧中足够的信息并能识别出目的地址后，它将立即把帧发送到目的端口。优点是延迟非常小，交换非常快；缺点是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，而且容易丢包。
• 存储转发：将输入端口的数据包先存储起来，然后进行 CRC 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 MAC 地址表转换成输出端口送出包。可有效的改善网络性能，但数据处理时延大。
• 碎片隔离：检查数据包的长度是否够 64B，如果小于这个值，说明是假包，则丢弃该包；如果大于这个值，则发送该包。这种方式也不能提供数据校验，数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。
• 智能交换模式：集中了直通式和存储转发式两者的优点。只要可能，交换机总是采用直通式模式，但是一旦网络出错率超过了事先设定的阈值，交换机将采用存储转发模式，当网络出错率下降后，又重新开始直通式模式。

应用领域

• 计算机网络：是构建局域网、广域网等网络环境的关键设备，用于连接计算机、服务器、路由器等网络设备，实现数据的快速交换和传输，提高网络的性能和效率。
• 电话通信：在电话通信领域，交换机被用于在通话过程中建立连接，并在通话结束后断开连接。它可以根据需要将电话线路连接起来，实现通话的进行和结束。
• 光纤通信：在光纤通信领域，交换机被用于实现光信号的转换和传输。它可以将光信号转换成电信号，并将其传输到目的地。
• 数据存储：在数据存储领域，交换机被用于将数据传输到存储设备中，并从存储设备中读取数据。它们可以连接不同类型的存储设备，如硬盘、闪存等。
• 工业应用：在工业应用领域，交换机被用于连接工业设备和传感器，并实现数据交换和控制操作。它们可以提供实时数据采集、远程监控、报警和安全等功能。