交换机知识全集讲解Word文件下载.docx

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（4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。

客户机都需要访问服务器，这样就导致服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。

交换机就主要从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足用户的要求。

一些高档的交换机还采用全双工技术进一步提高端口的带宽。

以前的网络设备基本上都是采用半双工的工作方式，即当一台主机发送数据包的时候，它就不能接收数据包，当接收数据包的时候，就不能发送数据包。

由于采用全双工技术，即主机在发送数据包的同时，还可以接收数据包，普通的10M端口就可以变成20M端口，普通的100M端口就可以变成200M端口，这样就进一步提高了信息吞吐量。

3、交换机的工作原理

传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层）交换机。

把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。

交换机（二层交换）的工作原理交换机和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。

所有端口由专用处理器进行控制，并经过控制管理总线转发信息。

同时可以用专门的网管软件进行集中管理。

除此之外，交换机为了提高数据交换的速度和效率，一般支持多种方式。

（1）存储转发：

所有常规网桥都使用这种方法。

它们在将数据帧发柱其他端口之前，要把收到的帧完全存储在内部的存储器中，对其检验后再发往其他端口，这样其延时等于接收一个完整的数据帧的时间及处理时间的总和。

如果级联很长时，会导致严重的性能问题，但这种方法可以过

滤掉错误的数据帧。

（2）切入法：

这种方法只检验数据帧的目标地址，这使得数据帧几乎马上就可以传出去，从而大大降低延时。

其缺点是：

错误帧也会被传出去。

错误帧的概率较小的情况下，可以采用切入法以提高传输速度。

而错误帧的概率较大的情况下，可以采用存储转发法／以减少错误帧的重传。

4、交换机的配置

我们下面以Cisco公司的Catlystl900交换机为例，介绍交换机的一般配置过程。

对一台新的Catlystl900交换机，使用它的缺省配置就可以工作了。

这因为它是一种将软件装在FlashMemory中的硬件设备，当加电时，它首先要进行一系列自检，对所有端口进行测试之后，交换机就处于工作状态。

这时它的交换表是空的，它可以通过自学习来了解各个端口的设备连接情况，并将设备的MAC地址记录在交换表中，当有信息交换时，交换机就根据交换表来进行数据转发。

但为了便于对它进行网络管理，Catlystl900交换机自己有一个MAC地址，这样就可以为它分配一个IP地址和屏蔽码。

网络管理员须通过交换机的串口接一台终端或仿真终端，才能为它指定一个IP地址，其缺省值是0．0．0．0。

指定IP地址以后，网络管理员就可以通过网络进行远程管理了。

Catlystl900交换机的配置界面是菜单形式，缺省配置下，它的所有端口都属于同一个VLAN，很多情况下都不需要作什么修改。

（1）将微机串口通过RS一232电缆与Cata1yst1900的Console口连接，运行仿真终端软件，Catalyst1900启动后。

（2）回车后，进入主菜单：

（3）按“S”键，进入系统配置菜单：

（配置系统名，位置，日期）

（4）在主菜单中按“N”键进入网络管理菜单

（5）配置IP地置

（6）配置SNMP参数

5、交换机的种类

交换机是数据链路层设备，它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上，与网络类似交换机传输和溢出也是基于MAC地址的传输。

由于交换机是用硬件实现的，因此，传输速度很快。

传输数据包时，交换机要么使用存储---转发交换方式，要么使用断---通交换方式。

目前有许多类型的交换机，其中包括ATM交换机，LAN交换机和不同类型的WAN交换机。

ATM交换机

ATM（AsynchronousTransferMode）交换机为工作组，企业网络中枢以及其它众多领域提供了高速交换信息和可伸缩带宽的能力。

ATM交换机支持语音，视频和文本数据应用，并可用来交换固定长度的信息单位（有时也称元素）。

企业网络是通过ATM中枢链路连接多个LAN组成的。

局域网交换机

LAN交换机用于多LAN网段的相互连接，它在网络设备之间进行专用的无冲突的通信，同时支持多个设备间的对话。

LAN交换机主要是用于高速交换数据帧。

通过LAN交换机将一个0Mbps以太网与一个100Mbps以太网互联。

细分网络交换机

　　随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进，以太网交换机市场呈稳步上升态势。

由于以太网具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。

所以，以太网技术已成为当今最重要的一种局域网组网技术，以太网交换机也就成为了最普及的交换机。

　　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。

　　按照现在复杂的网络构成方式，网络交换机被划分为接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。

其中，核心层交换机全部采用机箱式模块化设计，已经基本上都设计了与之相配备的1000Base-T模块。

接入层支持1000Base-T的以太网交换机基本上是固定端口式交换机，以10/100M端口为主，并且以固定端口或扩展槽方式提供1000Base-T的上联端口。

汇聚层1000Base-T交换机同时存在机箱式和固定端口式两种设计，可以提供多个1000Base-T端口，一般也可以提供1000Base-X等其他形式的端口。

接入层和汇聚层交换机共同构成完整的中小型局域网解决方案。

　　从传输介质和传输速度上看，局域网交换机可以分为以太网交换机、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多种，这些交换机分别适用于以太网、快速以太网、FDDI、ATM和令牌环网等环境。

　　从规模应用上又有企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。

各厂商划分的尺度并不完全一致，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，也可以是固定配置式，而工作组级交换机则一般为固定配置式，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。

　　根据架构特点，人们还将局域网交换机分为机架式、带扩展槽固定配置式、不带扩展槽固定配置式三种产品。

机架式交换机是一种插槽式的交换机，这种交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型，如以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等，但价格较贵。

不少高端交换机都采用机架式结构。

带扩展槽固定配置式交换机是一种有固定端口并带少量扩展槽的交换机，这种交换机在支持固定端口类型网络的基础上，还可以通过扩展其他网络类型模块来支持其他类型网络，这类交换机的价格居中。

不带扩展槽固定配置式交换机仅支持一种类型的网络（一般是以太网），可应用于小型企业或办公室环境下的局域网，价格最便宜，应用也最广泛。

　　按照OSI的七层网络模型，交换机又可以分为第二层交换机、第三层交换机、第四层交换机等，一直到第七层交换机。

基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。

基于IP地址和协议进行交换的第三层交换机普遍应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。

部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。

第四层以上的交换机称之为内容型交换机，主要用于互联网数据中心。

　　按照交换机的可管理性，又可把交换机分为可管理型交换机和不可管理型交换机，它们的区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。

可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高。

大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换机。

　　按照交换机是否可堆叠，交换机又可分为可堆叠型交换机和不可堆叠型交换机两种。

设计堆叠技术的一个主要目的是为了增加端口密度。

　　按照最广泛的普通分类方法，局域网交换机可以分为桌面型交换机（DesktopSwitch）、工作组型交换机（WorkgroupSwitch）和校园网交换机（CampusSwitch）三类。

桌面型交换机是最常见的一种交换机，使用最广泛，尤其是在一般办公室、小型机房和业务受理较为集中的业务部门、多媒体制作中心、网站管理中心等部门。

在传输速度上，现代桌面型交换机大都提供多个具有10/100M自适应能力的端口。

工作组型交换机常用来作为扩充设备，在桌面型交换机不能满足需求时，大多直接考虑工作组型交换机。

虽然工作组型交换机只有较少的端口数量，但却支持较多的MAC地址，并具有良好的扩充能力，端口的传输速度基本上为100M。

校园网交换机的应用相对较少，仅应用于大型网络，且一般作为网络的骨干交换机，并具有快速数据交换能力和全双工能力，可提供容错等智能特性，还支持扩充选项及第三层交换中的虚拟局域网（VLAN）等多种功能。

　　根据交换技术的不同，有人又把交换机分为端口交换机、帧交换机和信元交换机三种。

与桥接器不同的是，端口交换机转发延迟很小，操作接近单局域网性能，远远超过了普通桥接互联网之间的转发性能。

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，不用网桥或路由器连接，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多个网段之间进行分配、平衡。

帧交换是目前应用最广泛的局域网交换技术，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。

ATM技术代表了网络和通信中众多难题的一剂“良药”。

ATM采用固定长度为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之间的通信能力。

ATM采用统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道利用率。

ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数G比特传送能力。

　　事实上，从应用的角度划分，交换机又可分为电话交换机（PBX）和数据交换机（Switch）。

当然，目前非常时髦的在数据上的语音传输VoIP又有人称之为“软交换机”。

三层交换技术解析

简单地说，三层交换技术就是：

二层交换技术＋三层转发技术。

它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

什么是三层交换

三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。

众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。

简单地说，三层交换技术就是：

三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

三层交换原理

一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。

其原理是：

假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。

若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。

若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向“缺省网关”发出ARP（地址解析）封包，而“缺省网关”的IP地址其实是三层交换机的三层交换模块。

当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。

否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A,同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。

从这以后，当A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。

由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。

三层交换机种类

三层交换机可以根据其处理数据的不同而分为纯硬件和纯软件两大类。

（1）纯硬件的三层技术相对来说技术复杂，成本高，但是速度快，性能好，带负载能力强。

其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式进行路由表的查找和刷新。

当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发，否则将数据送至三层引擎。

在三层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。

（2）基于软件的三层交换机技术较简单，但速度较慢，不适合作为主干。

其原理是，采用CPU用软件的方式查找路由表。

当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发否则将数据送至CPU。

CPU查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。

因为低价CPU处理速度较慢，因此这种三层交换机处理速度较慢。

市场产品选型

近年来宽带IP网络建设成为热点，下面以适合定位于接入层或中小规模汇聚层的第三层交换机产品为例，介绍一些三层交换机的具体技术。

在市场上的主流接入第三层交换机，主要有Cisco的Catalyst2948GL3、Extreme的Summit24和AlliedTelesyn的Rapier24等，这几款三层交换机产品各具特色，涵盖了三层交换机大部分应用特性。

当然在选择第三层交换机时，用户可根据自己的需要，判断并选择上述产品或其他厂家的产品，如北电网络的Passport/Acceler系列、原Cabletron的SSR系列（在Cabletron一分四后，大部分SSR三层交换机已并入Riverstone公司）、Avaya的CajunM系列、3Com的Superstack34005系列等。

此外，国产网络厂商神州数码网络、TCL网络、上海广电应确信、紫光网联、首信等都已推出了三层交换机产品。

下面就其中三款产品进行介绍，使您能够较全面地了解三层交换机，并针对自己的情况选择合适的机型。

CiscoCatalyst2948GL3交换机结合业界标准IOS提供完整解决方案，在版本12.0（10）以上全面支持IOS访问控制列表ACL，配合核心Catalyst6000，可完成端到端全面宽带城域网的建设（Catalyst6000使用MSFC模块完成其多层交换服务，并已停止使用RSM路由交换模块，IOS版本6.1以上全面支持ACL）。

Extreme公司三层交换产品解决方案，能够提供独特的以太网带宽分配能力，切割单位为500kbps或200kbps，服务供应商可以根据带宽使用量收费，可实现音频和视频的固定延迟传输。

AlliedTelesyn公司Rapier24三层交换机提供的PPPoE特性，丰富和完善了用户认证计费手段，可适合多种接入网络，应用灵活，易于实现业务选择，同时又保护目前用户的已有投资，另可配合NAT（网络地址转换）和DHCP的Server等功能，为许多服务供应商看好。

总之，三层交换机从概念的提出到今天的普及应用，虽然只历经了几年的时间，但其扩展的功能也不断结合实际应用得到丰富。

随着ASIC硬件芯片技术的发展和实际应用的推广，三层交换的技术与产品也会得到进一步发展。

第三层交换技术

1．引言

　　在今天的网络建设中，新出现的三层交换机已成为我们的首选。

它以其高效的性能、优良的性能价格比得到用户的认可和赞许。

目前，三层交换机在企业网/校园网建设、智能社区接入等等许多场合中得到了大量的应用，市场的需求和技术的更新推动这种应用向纵深发展。

2．传统交换技术

　　传统的局域网交换机是一种二层网络设备，它在操作过程中不断收集信息去建立起它本身的一个MAC地址表。

这个表相当简单，基本上说明了某个MAC地址是在哪个端口上被发现的。

这样当交换机收到一个以太网包时，它便会查看一下该以太网包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以确认该从哪个端口把包发出去。

但当交换机收到一个不认识的包时，也就是说如果目的MAC地址不在MAC地址表中，交换机便会把该包“扩散”出去，即从所有端口发出去，就如同交换机收到一个广播包一样，这就暴露出传统局域网交换机的弱点：

不能有效的解决广播、异种网络互连、安全性控制等问题。

因此，产生了交换机上的VLAN（虚拟局域网）技术。

3．第三层交换技术

　　三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。

众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层――数据链路层进行操作的，而三层交换技术在网络模型中的第三层实现了分组的高速转发。

简单的说，三层交换技术就是“二层交换技术+三层转发”。

三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

　　一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。

我们可以通过以下例子说明三层交换机是如何工作的。

　　假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，会先拿自己的IP地址与B站的IP地址进行比较，判断B站是否与自己在同一子网内。

具体步骤如下：

为了得到站点B的MAC地址，站点A首先发一个ARP广播报文，请求站点B的MAC地址。

该ARP请求报文进入交换机后，首先进行源MAC地址学习，芯片自动把站点A的MAC地址以及进入交换机的端口号等信息填入到芯片的MAC地址表中，然后在MAC地址表中进行目的地址查找。

由于此时是一个广播报文，交换机则会把这个广播报文从进入交换机端口所属的VLAN中进行广播。

B站点收到这个ARP请求报文之后，会立刻发送一个ARP回复报文，这个报文是一个单播报文，目的地址为站点A的MAC地址。

该包进入交换机后，同样，首先进行源MAC地址学习，然后进行目的地址查找，由于此时MAC地址表中已经存在了A站点MAC地址的匹配条目，所以交换机直接把此报文从相应的端口中转发出去。

通过以上一次ARP过程，交换芯片就把站点A和B的信息保存在其MAC地址表中。

以后A、B之间进行通信或者同一网段的其它站点想要与A或B通信，交换机就知道该把报文从哪个端口送出。

还必须说明的一点是，当查找MAC地址表的时候发现找不到匹配表项，该报文又不是广播或多播报文，此时此报文被称为DLF（DestinationLookupFailure）报文,交换机对此类报文的处理就象对收到一个广播报文处理一样，将此报文从进入端口所属的VLAN中扩散出去。

从以上过程可以看出，所有二层转发都是由硬件完成的，无论是MAC地址表的学习过程还是目的地址查找确定输出端口过程都没有软件进行干预。

　　下面我们看一下两个站点通过三层交换机实现跨网段通信是怎样一个过程。

　　如上例，站点A、B通过三层交换机进行通信。

站点A和B所在网段都属于交换机上的直连网段，若站点A和站点B不在同一子网内，发送站A首先要向其“缺省网关”发出ARP请求报文，而“缺省网关”的IP地址其实就是三层交换机上站点A所属VLAN的IP地址。

当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，交换机就向发送站A回一个ARP回复报文，告诉站点A交换机此VLAN的MAC地址，同时可以通过软件把站点A的IP地址、MAC地址、与交换机直接相连的端口号等信息设置到交换芯片的三层硬件表项中。

站点A收到这个ARP回复报文之后，进行目的MAC地址替换，把要发给B的包首先发给交换机。

交换机收到这个包以后，同样首先进行源MAC地址学习，目的MAC地址查找，由于此时目的MAC地址为交换机的MAC地址，在这种情况下将会把该报文送到交换芯片的三层引擎处理。

一般来说，三层引擎会有两个表，一个是主机路由表，这个表是以IP地址为索引的，里面存放目的IP地址、下一跳MAC地址、端口号等信息。

若找到一条匹配表项，就会在对报文进行一些操作（例如目的MAC与源MAC替换、TTL减1等）之后将报文从表中指定的端口转发出去。

若主机路由表中没有找到匹配条目，则会继续查找另一个表――网段路由表。

这个表存放网段地址、下一跳MAC地址、端口号等信息。

一般来说这个表的条目要少得多，但覆盖的范围很大，只要设置得当，基本上可以保证大部分进入交换机的报文都走硬件转发，这样不仅大大提高转发速度，同时也减轻了CPU的负荷。

若查找网段路由表也没有找到匹配表项，则交换芯片会把包送给CPU处理，进行软路由。

由于站点B属于交换机的直连网段之一，CPU收到这个IP报文以后，会直接以B的IP为索引检查ARP缓存，若没有站点B的MAC地址，则根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向交换机回复其MAC地址