交换机毕业设计论文

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1、长治职业技术学院信息工程系毕业设计摘 要 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络之间的转发性能。 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。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM

2、技术的交换产品。 随着网络技术发展迅猛，以太网占据了统治地位。为了适应网络应用深化带来的挑战，网络的规模和速度都在急剧发展，局域网的速度已从最初的10Mbit/s提高到100Mbit/s，千兆以太网技术也已得到了普遍应用。 对于用户来说，在减低成本的前提下，保证网络的高可靠性、高性能、易维护、易扩展，与采用何种组网技术密切相关；对于设备厂商来说，在保证用户网络功能实现的基础上，如何能够取得更为可观的利润，采用组网技术的优劣，成为提高利润的一个手段。 目 录前 言3一、交换机的基础与发展趋势41、交换机的定义42、交换机的认识43、交换机的发展趋势6二、交换机的分类及应用71、交换机的分类72、

3、交换机的应用14三、交换机的体系结构15四、交换机的工作原理17五、交换机的选择依据191、选购因素192、技术特点20六、交换机的配置及优化241、基本配置242、配置方式31七、结论31八、参考文献32九、 谢辞32前 言集线器作为第一类广泛应用的网络集线设备，当时在各大局域网中应用非常广泛。但随着网络传输媒体类型的日益丰富，图形、图像及各种流媒体等多媒体内容的出现，人们对高网络数据传输速度和传输性能的要求日益提高。集线器由于它的共享介质传输、单工数据操作和广播数据发送方式等都先天决定了很难满足用户的上述速度和性能要求。在用户的需求下、在全球各大网络设备开发商的努力下，一种更新、更实用的集

4、线设备交换机出现了。交换机完全克服了集线器的上述种种不足之处，所以在短时间内得到业界广泛的认可和应用。交换机技术也得到了飞速发展，数据传输速度的发展也是一日千里。目前最快的以太网交换机端口带宽可达到10Gbps，千兆（G位）级的交换机在各企业骨干网络中早已得到广泛应用。一、 交换机的基础与发展趋势1、 交换机的定义 交换机是一种基于MAC（网卡的硬件地址）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。2、 交换机的认识交换机的英文名称之为“Switch”

5、，它是集线器的升级换代产品，从外观上来看的话，它与集线器基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方形盒状体。交换机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统称。广义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。“交换”和“交换机”最早起源于电话通讯系统（PSTN）。我们以前经常在电影或电视中看到一些老的影片时常看到有人在电话机旁狂摇几下（注意不是拨号），然后就说：跟我接XXX，话务接线员接到要求后就会把相应端线头插在要接端子上，即可通话。其实这就是最原始的电话交换机系统，只不过它是一种人工电话交换系统，不是自动的，也不是我们今天

6、要谈的计算机交换机，但是我们现在要讲的计算机交换机也就是在这个电话交换机技术上发展而来。在计算机网络系统中，交换概念的提出是相对于共享工作模式的改进。我们知道集线器（HUB）是一种共享介质的网络设备，而且HUB本身不能识别目的地址，是采用广播方式向所有节点发送。即当同一局域网内的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，对网络上所有节点同时发送同一信息，然后再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。在这种方式下我们知道很容易造成网络堵塞，因为其实接收数据的一般来说只有一个终端节点，而现在对所有节点都发送，那么绝大部分数据流量是无效的，这样就造成整

7、个网络数据传输效率相当低。另一方面由于所发送的数据包每个节点都能侦听到，那显然就不会很安全了，容易出现一些不安全因素。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MAC地址（网卡的硬件地址）对照表以确定目的MAC的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵直接将数据迅速包传送到目的节点，而不是所有节点，目的MAC若不存在才广播到所有的端口。这种方式我们可以明显地看出一方面效率高，不会浪费网络资源，只是对目的地址发送数据，一般来说不易产生网络堵塞；另一个方面数据传输安全，因为它不是对所有节点都同时发

8、送，发送数据时其它节点很难侦听到所发送的信息。这也是交换机为什么会很快取代集线器的重要原因之一。交换机还有一个重要特点就是它不是像集线器一样每个端口共享带宽，它的每一端口都是独享交换机的一部分总带宽，这样在速率上对于每个端口来说有了根本的保障。另外，使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机，这就是后面将要介绍的VLAN（虚拟局域网）。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。这样交换机就可以在同一时刻可进行多个节点对之间的数据传输，每一节点都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有固定的一部分带宽，无须

9、同其他设备竞争使用。如当节点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带宽，都有着自己的虚拟连接。打个比方就是，如果现在使用的是10Mbps 8端口以太网交换机，因每个端口都可以同时工作，所以在数据流量较大时，那它的总流量可达到810Mbps80Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，因为它是属于共享带宽式的，所以同一时刻只能允许一个端口进行通信，那数据流量再忙HUB的总流通量也不会超出10Mbps。如果是16端口、24端口的更是明显了！ 交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。目前一些高档交换机还具备了一些新的功能，如对V

10、LAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有路由和防火墙的功能。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。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。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

11、设备。交换机对于因第一次发送到目的地址不成功的数据包会再次对所有节点同时发送，企图找到这个目的MAC地址，找到后就会把这个地址重新加入到自己的MAC地址列表中，这样下次再发送到这个节点时就不会发错。交换机的这种功能就称之为“MAC地址学习”功能。3、 交换机的发展趋势近几年来，随着企业数据通信业务以及相关的融合业务的迅猛发展，以太网交换机作为不可或缺的关键设备不仅在数量上获得了极大的提高，而且在质量、性能等方面不断完善。企业的信息应用正在全面走向宽带化和融合化，在这一背景下，传统的实现简单连接和数据传输功能的以太网交换机已成为过去，纵观当前整个发展趋势，我们发现以太网交换机正朝着高速化、智能化

12、的方向前进。首先，速度是我们衡量网络性能的一个重要标准，从而也就成为以太网交换机等设备发展的一个重要方向。从最初的百兆到千兆再到万兆，以太网不断满足着人们快速增长的需求，给人们带来超乎寻常的体验。目前，人们对带宽的要求正在迅速提高，如迅猛发展的存储网络必需的海量数据传输通道;大量高带宽汇聚的城域网络;不断丰富的宽带应用所需的带宽支持;大型金融机构的数据集中;企业核心业务、ERP、CRM等复杂的应用扩展。今天，千兆为骨干、百兆为接入的主流结构，将逐渐向万兆为骨干、千兆为接入的结构过渡。其次是智能化，这里所指的智能化不仅包括交换机设备智能化的管理，还包括它们对越来越多的智能业务的支持。随着网络部署

13、新应用和融合多业务的需求日益迫切，单一交换机需要拥有丰富的功能以提供更多的支持，与此同时，复杂的网络环境加剧了网络管理的难度，通过智能交换设备进行网络的集中管理，不仅简化了管理步骤，而且降低了部署和维护的成本。从目前的市场发展趋势来看，智能交换机的需求量有了明显上升，越来越多的用户更愿意将智能交换机作为设备采购的首选。现在，越来越多的网络厂商更加注重交换设备的管理性能和功能融合，QoS、单一IP地址管理、远程控制等功能成为智能交换机不可或缺的重要特性。为了承载远程教学、呼叫中心、视频会议、VoIP语音服务、VOD视频点播等对带宽和时延敏感的应用，智能化的以太网交换机还提供了丰富的QoS策略，保

14、证了关键业务的快速、及时转发。流量访问控制、速度限制、远程管理等智能管理特性都成为以太网交换机帮助用户提升网络运行效率的重要因素。此外，以太网交换机越来越多地融入路由功能。以往，大家习惯将交换机看作基于局域网技术的一种设备，认为只有在局域网上，才考虑使用交换机，如果要与广域网互连，那就是路由器的事情。实际上，随着ASIC技术和网络处理器的不断发展成熟以及网络逐渐被IP技术所统一，以太网交换技术已经走出了当年“桥接”设备的框架，可以应用到汇聚层和骨干层，路由器中所具有的丰富的网络接口，在目前的交换机上已经可以实现;路由器中拥有的丰富的路由协议，在交换机中也得到大量的应用;路由器中具有的大容量路由

15、表在交换机中也可以实现。对于整个以太网来说，它正在从企业级应用进入电信市场，出现了“电信级以太网”的概念和相关的解决方案。电信业务的转型是电信级以太网产生的最大动力。首先，IPTV、三网融合等业务是当下最热门的应用，而以太网对于承载这些业务将非常胜任，在市场空间越来越广阔的今天，电信级的以太网就成为关键;其次，以太网越来越多地应用于家庭用户和企业用户的业务融合方面，打包式的业务组合是现在运营商开展的重点;最后，在IMS技术中，用以太网可以承载无线网络底层的IP传输。二、 交换机的分类及应用1、 交换机的分类（1）从网络覆盖范围划分 1） 广域网交换机 广域网交换机主要是应用于电信城域网互联、互

16、联网接入等领域的广域网中，提供通信用的基础平台，2）局域网交换机这种交换机就是我们常见的交换机了，也是我们学习的重点。局域网交换机应用于局域网络，用于连接终端设备，如服务器、工作站、集线器、路由器、网络打印机等网络设备，提供高速独立通信通道。其实在局域网交换机中又可以划分为多种不同类型的交换机。下面继续介绍局域网交换机的主要分类标准、（2）根据传输介质和传输速度划分根据交换机使用的网络传输介质及传输速度的不同我们一般可以将局域网交换机分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆（G位）以太网交换机、10千兆（10G位）以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。1）以太网交换机以太

17、网交换机是最普遍和便宜的，它的档次比较齐全，应用领域也非常广泛，在大大小小的局域网都可以见到它们的踪影。以太网包括三种网络接口：RJ45、BNC和AUI，所用的传输介质分别为：双绞线、细同轴电缆和粗同轴电缆。一般是在RJ45接口的基础上为了兼顾同轴电缆介质的网络连接，配上BNC或AUI接口。如图1所示的是一款带有RJ45和AUI接口的以太网交换机产品示意图。图12）快速以太网交换机这种交换机是用于100Mbps快速以太网。快速以太网是一种在普通双绞线或者光纤上实现100Mbps传输带宽的网络技术。一般来说这种快速以太网交换机通常所采用的介质也是双绞线，有的快速以太网交换机为了兼顾与其它光传输介

18、质的网络互联，或许会留有少数的光纤接口“SC”。图2所示的是一款快速以太网交换机产品示意图。图23）千兆以太网交换机千兆以太网交换机是用于目前较新的一种网络千兆以太网中，=它一般用于一个大型网络的骨干网段，所采用的传输介质有光纤、双绞线两种，对应的接口为“SC”和“RJ45”接口两种。图3所示的就是两款千兆以太网交换机产品示意图。图34）10千兆以太网交换机 10千兆以太网交换机主要是为了适应当今10千兆以太网络的接入，它一般是用于骨干网段上，采用的传输介质为光纤，其接口方式也就相应为光纤接口。，从图中可以看出，它全采用光纤接口。图45）ATM交换机ATM交换机是用于ATM网络的交换机产品，它

19、的传输介质一般采用光纤，接口类型同样一般有两种：以太网RJ45接口和光纤接口，这两种接口适合与不同类型的网络互联。图5就是这样一款ATM交换机产品示意图。图56） FDDI交换机FDDI技术是在快速成以太网技术还没有开发出来之前开发的，FDDI交换机是用于老式中、小型企业的快速数据交换网络中的，它的接口形式都为光纤接口，图6所示的是一款3COM公司的FDDI交换机产品示意图。图6（3）根据应用层次划分根据交换机所应用的网络层次，我们又可以将网络交换机划分为可分为企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机、桌机型交换机五种。1）企业级交换机企业级交换机属于一类高端交换机，一般采用模块

20、化的结构，可作为企业网络骨干构建高速局域网，所以它通常用于企业网络的最顶层。 图72）校园网交换机校园网交换机，这种交换机应用相对较少，主要应用于较大型网络，且一般作为网络的骨干交换机。这种交换机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。3）部门级交换机部门级交换机是面向部门级网络使用的交换机，它较前面两种所能随的网络规模要小许多。这类交换机可以是固定配置，也可以是模块配置，一般除了常用的RJ45双绞线接口外，还带有光纤接口。如图8所示是一款部门级交换机产品示意图。图84）工作组交换机工作组交换机是传统集线器的理想替

21、代产品，一般为固定配置，配有一定数目的10BaseT或100BaseTX以太网口。如图9所示的是一款快速以太网工作组交换机产品示意图。图95）桌面型交换机桌面型交换机，这是最常见的一种最低档交换机，它区别于其他交换机的一个特点是支持的每端口MAC地址很少，通常端口数也较少（12口以内，但不是绝对），只具备最基本的交换机特性，当然价格也是最便宜的。图10是两款不同品牌型号的桌面型交换机产品示意图。图10（4）根据交换机的结构划分如果按交换机的端口结构来分，交换机大致可分为：固定端口交换机和模块化交换机两种不同的结构。其实还有一种是两者兼顾，那就是在提供基本固定端口的基础之上再配备一定的扩展插槽或

22、模块。1）固定端口交换机固定端口顾名思义就是它所带有的端口是固定的。目前交换机的端口比较杂，非标准的端口数主要有：4端口，5端口、10端口、12端口、20端口、22端口和32端口等。由于它只能提供有限的端口和固定类型的接口，因此，无论从可连接的用户数量上，还是所从可使用的传输介质上来讲都具有一定的局限性，如图11、图12分别是一款16端口和24端口的交换机产品示意图。图11 图122）模块化交换机模块化交换机虽然在价格上要贵很多，但拥有更大的灵活性和可扩充性，用户可任意选择不同数量、不同速率和不同接口类型的模块，以适应千变万化的网络需求。如图15为一款模块化快速以太网交换机产品示意图，在其中就

23、具有4个可拨插模块，可根据实际需要灵活配置。图15（5）根据交换机工作的协议层划分根据工作的协议层交换机可分第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。1）第二层交换机第二层交换机是对应于OSIRM的第二协议层来定义的，因为它只能工作在OSIRM开放体系模型的第二层数据链路层。第二层交换机依赖于链路层中的信息（如MAC地址）完成不同端口数据间的线速交换，主要功能包括物理编址、错误校验、帧序列以及数据流控制。如下图16所示的是一款第二层交换机的产品示意图。要说明的是，所有的交换机在协议层次上来说都是向下兼容的，也就是说所有的交换机都能够工作在第二层。图162）第三层交换机第三层同样是对应于OSIR

24、M开放体系模型的第三层网络层来定义的，也就是说这类交换机可以工作在网络层，它比第二层交换机更加高档，功能更加强。第三层交换机因为工作于OSIRM模型的网络层，所以它具有路由功能，它是将IP地址信息提供给网络路径选择，并实现不同网段间数据的线速交换。图17所示的是3COM公司是一款第三层交换机产品示意图。图173）第四层交换机第四层交换机是采用第四层交换技术而开发出来的交换机产品，当然它工作于OSIRM模型的第四层，即传输层，直接面对具体应用。第四层交换机支持的协议是各种各样的，如HTTP，FTP、Telnet、SSL等。目前由于这种交换技术尚未真正成熟且价格昂贵，所以，第四层交换机在实际应用中

25、目前还较少见。如图18所示的是一款第四层交换机产品示意图。从图中可以看出它也是采用模块结构的。图18（6）根据是否支持网管功能分如果按交换机是否支持网络管理功能，我们可以将交换机又可大分为“网管型”和“非网管理型”两大类。网管型交换机的任务就是使所有的网络资源处于良好的状态。网管型交换机产品提供了基于终端控制口（Console）、基于Web页面以及支持Telnet远程登录网络等多种网络管理方式。网管型交换机支持SNMP协议，SNMP协议由一整套简单的网络通信规范组成，可以完成所有基本的网络管理任务，对网络资源的需求量少，具备一些安全机制，。NMP协议的工作机制非常简单，主要通过各种不同类型的消

26、息，即PDU（协议数据单位）实现网络信息的交换。图19所示的是两款网管型交换机产品示意图。图192、 交换机的应用（1）大型企业（500节点以上）：大型企业具有跨地域、跨行业、多层次和全方位等特点，业务内容覆盖面广，网络数据传输量大，数据交换能力强，首先要满足企业内部通信的需要， 建立网络平台。并且要求网络系统不宕机，稳定可靠，不间断运行。要在注重考虑高性能、可管理性、高可靠性、适用性和性能价格比的基础上选择产品。（2）邮电行业：电信系统由于其经营特点和为公众服务的目的，决定了电信系统机构在地理位置上分布范围广，提供业务多而且不断更新。网络设备要求更是严格，一般网络设备选型为广域网产品。（3）

27、铁路系统：铁路系统一般对广域网通信要求较高，各个站点的节点数不是特别多，所以各站点在建设局域网进行设备选型时可考虑选择部门级交换机或工作组级交换机。（4）银行业：该行业支行分布范围广，业务活动频繁，业务品种变化多，业务量增长快，因此对稳定性和响应时间要求比较高。由于该行业对数据敏感性特别高，因此要求有链路冗余，传输链路应具有备份功能，一旦主线路发生故障，备份线路可立即替换。所以要求网络设备处理能力强、容错性能好，并考虑好扩展性、可用性及可靠性。（5）证券业：该行业具有迅速、及时响应和稳定、安全、可靠、不间断运行的特点。设备选型要求背板速度快、冗余性能好、可管理及可堆叠，并充分考虑好设备的可开放

28、性、可扩展性、可用性和可靠性。（6）教育行业：该行业对数据的关键性要求不是很高，涉及到多媒体教学、视频点播等主要应用，设备选型时要考虑到高带宽、高可用性及高扩展性。（7）中小型企业：对于企业的网络节点数少于500点的中小型企业，在创建企业Intranet时，由于企业内部数据流量不大，实时响应性不高，同时考虑到企业的可持续性发展，应注重网络设备的通用性、可靠性、可管理性、可扩充性及性能价格比。 总之，网络已经改变，用户却希望网络总是可以工作并且总是透明的。适应这种需求需要有弹性、速度和安全的控制。Internet 及Intranet已经使企业将注意力集中到最重要的东西信息上，而不是基础结构上。通

29、过策略控制网络是新的网络技术范例。控制方式使网络变得透明并保持配置 Intranet的灵活性。通过交换技术，能满足用户今天及未来的商业需求。而灵活的组网、线速性能以及完全的扩展性能使设备配置长期有效。三、 交换机的体系结构多层交换体系结构的引入有效地提高了局域网的速度，对多层交换体系结构排队模型、交换实施和交换结构等方面的了解，可以更深刻地认识到局域网交换机在性能上的提高。 1、排队模型 交换结构是指数据从一个端点到达另一个端点的“高速路”，排队是一种用于控制拥塞的缓冲机制，当交换结构出现拥塞时，会在很大程度上直接影响交换机的性能，所以进行拥塞管理是非常有必要的。在多个端口争用同一个端口时就需

30、要拥塞管理，对信息包进行排队处理。 排队可以采用动态缓冲区排队或固定缓冲区排队，其中动态缓冲区排队时缓冲区长度为固定增量（如每次64K字节），可以更有效地利用缓冲区资源；而固定缓冲区排序时缓冲区的长度是固定的，这样缓冲区的使用效率不高，但比定制控制器（custom controllers）成本低。 排队可以在交换结构的输入端口进行，即输入排队，也可在交换结构的输出端口进行，即输出排队。在输入排队时，信息包在进入端口处得到缓冲，最高可将吞吐量减少60，但会造成线路端阻塞；在输出排队时缓冲区设在输出端口，无线路阻塞，但在流量高峰期间会造成缓冲区溢出。 2、交换实施 交换实施用来说明交换决策的地点和

31、方式：是在本地还是在中央地点，是最长匹配还是准确匹配。 交换决策的地点是中央地点时，就是集中交换。集中交换采用集中发送表，针对交换和识别提供集中控制，为达到实施的快速处理，查询由ASIC完成，集中交换可以执行第2层或第3层查询。 在分布式交换时，交换决策由端口或模块在本地进行，其第2层和第3层表必须实现同步化，以便说明添加、移动或修改。 交换实施还可分为基于流量的交换和基于转发信息库的交换。基于流量的交换是基于需求的交换，入口包含源地址、目标地址和/或第4层信息，处理的第一个信息包由路径处理器交换，此流中后面的信息包由路径高速缓存交换，流量高速缓存决策在本地和/或中央进行，所有信息包都在第3层

32、交换。 基于转发信息库的交换是基于拓扑的交换，高速缓存根据路由表而非流量预装来进行。信息包进入路由器无需过程交换，决策支持在本地或中央进行，与交换结构无关。 3、交换结构 交换结构包括两个层面的内容，其一是总线，其二是共享内存。 采用单个总线时，FDDI上行链路模块、ATM上行链路模块、以太网交换模块和快速以太网交换模块都连到一个中央结构元素（central fabric element）上，每个端口必须为接入仲裁，采用单个总线易于进行广播和多点广播，但容易造成过载。 采用交叉总线结构时，多条输入总线可实现纵横结构的建立，一般情况下不会造成阻塞。但在进行广播和多点广播时比较复杂，如进行查阅表的

33、转发时。 交换机内部有一个内存库（memory pool），交换机的各个模块一起来共享这一内存库。其中到内存的交换输入由ASIC管理，交换核心（switching core）执行查阅功能，将目标地址分解到内存中的指针，然后交换信息包。其中缓冲区可以为固定式或动态式，如果体系结构无阻塞，所需缓冲区就可以少一些。四、 交换机的工作原理交换机和集线器在外型上非常相似，而且都遵循IEEE802.3及其扩展标准，介质存取方式也均为CSMACD，但是它们之间在工作原理上还是有着根本的区别。简单地说，由交换机构建的网络称之为交换式网络，每个端口都能独享带宽，所有端口都能够同时进行通讯，并且能够在全双工模式下

34、提供双倍的传输速率。而集线器构建的网络称之为共享式网络，在同一时刻只能有两个端口（接收数据的端口和发送数据的端口）进行通讯，所有的端口分享固有的带宽。下面以简单方式介绍如下：要明白交换机的优点我们首先就必须明白交换机的基本工作原理，而交换机的工作原理其实最根本的是要理解“共享”（Share）和“交换”（Switch）这两个概念。集线器是采用共享方式进行数据传输的，而我们在这里要讲的交换机工作原理则是采用“交换”方式进行数据传输的。我们可以把“共享”和“交换”理解成公路。“共享”方式就是来回车辆共用一个车道的单车道公路，而“交换”方式则是来回车辆各用一个车道的双车道公路，“共享”和“交换”这两种

35、数据传输方式的示意图分别如图1左、右图所示。 图1从我们平常生活中就可感觉到这两种方式的不同之处，明显可以感受到双车道的交换方式的优越性。因为双车道来回的车辆可以在不同的车道上单独行走，一般来说如果不出现意外的外是不可能出现大塞车现象（当然也有可能，那就车辆太多，速度太慢情况下），而单车道就象我们过单车道的桥一样，来回的车辆每次只能允许一个方向的车辆经过这个桥，这样就很容易出现塞车现象。交换机进行数据交换的原理就是在这样的背景下产生，它解决了集线器那种共享单车道容易出现“塞车”现象。在交换机技术上把这种“独享”道宽（网络上称之为“带宽”）情况称之为“交换”，这种网络环境称为“交换式网络”，交换

36、式网络必须采用交换机（Switch）来实现。从图1右图可以知道交换式网络可以是“全双工”（Full Duplex）状态，即可以同时接收和发送数据，数据流是双向的。而集线器的“共享”方式的网络就称之为“共享式网络”，共享式网络采用集线器（集线器）作为网络连接设备。显然，共享网络的效率非常低，在任一时刻只能有一个方向的数据流，即处于“半双工”（Half Duplex）模式，也称为“单工”模式。而对于交换机而言，它能够“认识”连接到自己身上的每一台电脑，凭什么认识呢？就是凭每块网卡物理地址，俗称“MAC地址”。交换机还具有MAC地址学习功能，它会把连接到自己身上的MAC地址记住，形成一个节点与MAC

37、地址对应表。凭这样一张表，它就不必再进行广播了，从一个端口发过来的数据，其中会含有目的地的MAC地址，交换机在保存在自己缓存中的MAC地址表里寻找与这个数据包中包含的目的MAC地址对应的节点，找到以后，便在这两个节点间架起了一条临时性的专用数据传输通道，这两个节点便可以不受干扰地进行通信了。要注意交换机档次越低，交换机的缓存就越小，也就是说为保存MAC地址所准备的空间也就越小，对应的就是它能记住的MAC地址数也就越少。通常一台交换机都具有1024个MAC地址记忆空间，都能满足实际需求。从上面的分析来看我们知道交换机所进行的数据传递是有明确的方向的，而不是乱传递，而不是集线器的广播方式，这种传递

38、示意图如图2所示。同时由于交换机可以进行全双工传输，所以交换机可以同时在多对节点之间建立临时专用通道，形成了立体交叉的数据传输通道结构。图2交换机的数据传递工作原理可以简单地这样来说明：当交换机从某一节点收到一个以太网帧后，将立即在其内存中的地址表（端口号MAC地址）进行查找，以确认该目的MAC的网卡连接在哪一个节点上，然后将该帧转发至该节点。如果在地址表中没有找到该MAC地址，也就是说，该目的MAC地址是首次出现，交换机就将数据包广播到所有节点。拥有该MAC地址的网卡在接收到该广播帧后，将立即做出应答，从而使交换机将其节点的“MAC地址”添加到MAC地址表中。换言之，当交换机从某一节点收到一

39、个帧时（广播帧除外），将对地址表执行两个动作，一是检查该帧的源MAC地址是否已在地址表中，如果没有，则将该MAC地址加到地址表中，这样以后就知道该MAC地址在哪一个节点；二是检查该帧的目的MAC地址是否已在地址表中，如果该MAC地址已在地址表中，则将该帧发送到对应的节点即可，而不必像集线器那样将该帧发送到所有节点，只须将该帧发送到对应的节点，从而使那些既非源节点又非目的节点的节点间仍然可以进行相互间的通信，从而提供了比集线器更高的传输速率。如果该MAC地址不在地址表中，则将该帧发送到所有其它节点（源节点除外），相当于该帧是一个广播帧。五、 交换机的选择依据1、 选购因素1）背板带宽、二/三层交

40、换吞吐率。这个决定着网络的实际性能，不管交换机功能再多，管理再方便，如果实际吞吐量上不去，网络只会变得拥挤不堪。所以这三个参数是最重要的。背板带宽包括交换机端口之间的交换带宽，端口与交换机内部的数据交换带宽和系统内部的数据交换带宽。二/三层交换吞吐率表现了二/三层交换的实际吞吐量，这个吞吐量应该大于等于交换机（端口端口带宽）。 2）VLAN类型和数量，一个交换机支持更多的VLAN类型和数量将更加方便地进行网络拓扑的设计与实现。3）TRUNKING，目前交换机都支持这个功能，在实际应用中还不太广泛，所以个人认为只要支持此功能即可，并不要求提供最大多少条线路的绑定。 4）交换机端口数量及类型，不同

41、的应用有不同的需要，应视具体情况而定。 5）支持网络管理的协议和方法。需要交换机提供更加方便和集中式的管理。 6）Qos、802.1q优先级控制、802.1X、802.3X的支持，这些都是交换机发展的方向，这些功能能提供更好的网络流量控制和用户的管理，应该考虑采购支持这些功能的交换机。 7）堆叠的支持，当用户量提高后，堆叠就显得非常重要了。一般公司扩展交换 机 端口的方法为一台主交换机各端口下连接分交换机，这样分交换机与主交换机的最大数据传输速率只有100M，极大得影响了交换性能，如果能采用堆叠模式，其以G为单位得带宽将发挥出巨大的作用。主要参数有堆叠数量、堆叠方式、堆叠带宽等。 8）交换机的

42、交换缓存和端口缓存、主存、转发延时等也是相当重要的参数。 9）对于三层交换机来说，802.1d生产树也是一个重要的参数，这个功能 可以让交换机学习到网络结构，对网络的性能也有很大的帮助。 10）三层交换机还有一些重要的参数，如启动其他功能时二/三是否保持线速转 发、路由表大小、访问控制列表大小、对路由协议的支持情况、对组播协议的支持情况、包过滤方法、机器扩展能力等都是值得考虑的参数，应根据实际情况考察。2、 技术特点1）转发技术:(Forwarding Technologies)转发技术是指交换机所采用的用于决定如何转发数据包的转发机制。各种转发技术各有优缺点。直通转发技术:(Cut-thro

43、ugh)交换机一旦解读到数据包目的地址，就开始向目的端口发送数据包。通常，交换机在接收到数据包的前6个字节时，就已经知道目的地址，从而可以决定向哪个端口转发这个数据包。直通转发技术的优点是转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率。其缺点是交换机在没有完全接收并检查数据包的正确性之前就已经开始了数据转发。这样，在通讯质量不高的环境下，交换机会转发所有的完整数据包和错误数据包，这实际上是给整个交换网络带来了许多垃圾通讯包，交换机会被误解为发生了广播风暴。总之，直通转发技术适用与网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境。存储转发技术:(Store-and-Forward)存储转发技术要求交换机在接收到

44、全部数据包后再决定如何转发。这样一来，交换机可以在转发之前检查数据包完整性和正确性。其优点是:没有残缺数据包转发，减少了潜在的不必要数据转发。其缺点是:转发速率比直接转发技术慢。所以，存储转发技术比较适应与普通链路质量的网络环境。碰撞逃避转发技术:(Collision-avoidance)某些厂商(3Com)的交换机还提供这种厂商特定的转发技术。碰撞逃避转发技术通过减少网络错误繁殖，在高转发速率和高正确率之间选择了一条折衷的解决办 2）延时:(Latency)交换机延时是指从交换机接收到数据包到开始向目的端口复制数据包之间的时间间隔。有许多因素会影响延时大小，比如转发技术等等。采用直通转发技术

45、的交换机有固定的延时。因为直通式交换机不管数据包的整体大小，而只根据目的地址来决定转发方向。所以，它的延时是固定的，取决于交换机解读数据包前6个字节中目的地址的解读速率。采用存储转发技术的交换机由于必须要接收完了完整的数据包才开始转发数据包，所以它的延时与数据包大小有关。数据包大，则延时大;数据包小，则延时小。3）管理功能:(Management)交换机的管理功能是指交换机如何控制用户访问交换机，以及用户对交换机的可视程度如何。通常，交换机厂商都提供管理软件或满足第三方管理软件远程管理交换机。一般的交换机满足SNMP MIB I / MIB II统计管理功能。而复杂一些的交换机会增加通过内置R

46、MON组(mini-RMON)来支持RMON主动监视功能。有的交换机还允许外接RMON探监视可选端口的网络状况。4）单/多MAC地址类型:(Single- versus Multi-MAC)单MAC交换机的每个端口只有一个MAC硬件地址。多MAC交换机的每个端口捆绑有多个MAC硬件地址。单MAC交换机主要设计用于连接最终用户、网络共享资源或非桥接路由器。它们不能用于连接集线器或含有多个网络设备的网段。多MAC交换机在每个端口有足够存储体记忆多个硬件地址。多MAC交换机的每个端口可以看作是一个集线器，而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。每个厂商的交换机的存储体Buffer的容量大小各不相同

47、。这个Buffer容量的大小限制了这个交换机所能够提供的交换地址容量。一旦超过了这个地址容量，有的交换机将丢弃其它地址数据包，有的交换机则将数据包复制到各个端口不作交换。5）外接监视支持:(Extendal Monitoring) 一些交换机厂商提供“监视端口”(monitoring port)，允许外接网络分析仪直接连接到交换机上监视网络状况。但各个厂商的实现方法各不相同。6）扩展树:(Spanning Tree)由于交换机实际上是多端口的透明桥接设备，所以交换机也有桥接设备的固有问题“拓扑环”问题(Topology Loops)。当某个网段的数据包通过某个桥接设备传输到另一个网段，而返回的

48、数据包通过另一个桥接设备返回源地址。这个现象就叫“拓扑环”。一般，交换机采用扩展树协议算法让网络中的每一个桥接设备相互知道，自动防止拓扑环现象。交换机通过将检测到的“拓扑环”中的某个端口断开，达到消除“拓扑环”的目的，维持网络中的拓扑树的完整性。在网络设计中，“拓扑环”常被推荐用于关键数据链路的冗余备份链路选择。所以，带有扩展树协议支持的交换机可以用于连接网络中关键资源的交换冗余。7）全双工:(Full Duplex)全双工端口可以同时发送和接收数据，但这要交换机和所连接的设备都支持全双工工作方式。具有全双工功能的交换机具有以下优点:1、高吞吐量(Throughput):两倍于单工模式通信吞吐

49、量。2、避免碰撞(Collision Avoidance):没有发送/接收碰撞。3、突破长度限制(Improved Distance Limitation):由于没有碰撞，所以不受CSMA/CD链路长度的限制。通信链路的长度限制只与物理介质有关。现在支持全双工通信的协议有:快速以太网、千兆以太网和ATM。8）高速端口集成:(High-Speed Intergration)交换机可以提供高带宽“管道”(固定端口、可选模块或多链路隧道)满足交换机的交换流量与上级主干的交换需求。防止出现主干通信瓶颈。常见的高速端口有:FDDI:应用较早，范围广。但有协议转换花费。Fast Ethernet / Gi

50、gabit Ethernet:连接方便，协议转换费用少;但受到网络规模限制。ATM:可提供高速交换端口;但协议转换费用大。ATM交换(ATM Switch) 随着ATM交换技术的发展，现在企业网络中越来越多在高速网络主干或边缘网络采用ATM交换技术。根据现有企业计算的发展要求，适应数据网络交换的技术趋势，我们有必要了解ATM。ATM的数据交换由一个一个固定长度的ATM信元组成。每个ATM信元都是53字节长(5个字节长的信头和48字节长的信体)。信头包括虚拟通路(VP)和虚拟电路(VC)标识等地址信息。ATM根据VP和VC来确定信元的发送源地址和接收目的地址。ATM交换机中的连接分为永久虚拟电路

51、(PVC)和交换虚拟电路(SVC)两种。PVC是在源地址与目的地址之间的永久性硬件电路连接。SVC是根据实时交换要求建立的临时交换电路连接。两者的最大区别是:PVC不论是否有数据传输，它都保持连接;而SVC在数据传输完成后就自动断开。两者的应用区别是:在通常的ATM交换中，有一些PVC用于保持信号和管理信息通 讯，保持永久连接;而SVC主要用于大量的具体数据的传输。ATM交换另一个特点是:ATM本身就是全双工的。发送数据和接收数据在不同虚拟电路中同时进行，保持双向高速通讯。为了满足以太网帧(Frames)与ATM信元(Cells)的相互通讯要求，ATM协议标准规定了针对数据应用的ATM适配层(

52、ATM Adaption Layer)，它工作在帧交换和信元交换之间，将以太帧的逻辑电路层的地址信息对应得转换为虚拟电路VC、虚拟通路VP地址信息，完成帧-信元转换和信元-帧转换工作。ATM交换的广泛应用，也给交换网络的网络监视和管理带来了新的挑战。虚拟局域网(VLAN)交换技术的发展，也加快了新的交换技术(VLAN)的应用速度。通过将企业网络划分为虚拟网络VLAN网段，可以强化网络管理和网络安全，控制不必要的数据广播。在共享网络中，一个物理的网段就是一个广播域。而在交换网络中，广播域可以是有一组任意选定的第二层网络地址(MAC地址)组成的虚拟网段。这样，网络中工作组的划分可以突破共享网络中的

53、地理位置限制，而完全根据管理功能来划分。这种基于工作流的分组模式，大大提高了网络规划和重组的管理功能。在同一个VLAN中的工作站，不论它们实际与哪个交换机连接，它们之间的通讯就好象在独立的集线器上一样。同一个VLAN中的广播只有VLAN中的成员才能听到，而不会传输到其他的 VLAN中去，这样可以很好的控制不必要的广播风暴的产生。同时，若没有路由的话，不同VLAN之间不能相互通讯，这样增加了企业网络中不同部门之间的安全性。网络管理员可以通过配置VLAN之间的路由来全面管理企业内部不同管理单元之间的信息互访。交换机是根据用户工作站的MAC地址来划分VLAN的。所以，用户可以自由的在企业网络中移动办

54、公，不论他在何处接入交换网络，他都可以与VLAN内其他用户自如通讯。VLAN可以是有混合的网络类型设备组成，比如:10M以太网、100 M以太网、令牌网、FDDI、CDDI等等，可以是工作站、服务器、集线器、网络上行主干等等。VLAN的管理需要比较复杂的专门软件，它通过对用户、MAC地址、交换机端口号、VLAN号等管理对象的综合管理，来满足整个网络的VLAN划分、监视等功能，以及其他扩展管理功能。现在比较通用的VLAN的划分方法是基于MAC地址。但也有一些厂商的交换机提供更多的VLAN划分方法:MAC地址、协议地址、交换机端口、网络应用类型和用户权限等等。用户在选择交换机的同时，应当仔细考察选

55、购的交换机的VLAN功能，根据自己企业的实际需要，选择满足要求而且管理方便的交换机。同时，应当特别注意现在不同厂商的交换机的VLAN之间大多数是不兼容的六、交换机的配置及优化1、基本配置（1）本地配置方式本地配置我们首先要遇到的是它的物理连接方式，然后还需要面对软件配置，在软件配置方面我们主要以最常见的思科的“Catalyst 1900”交换机为例来讲述。 因为要进行交换机的本地配置就要涉及到硬、软件的连接了，所以下面我们分这两步来说明配置的基本连接过程。1）物理连接 因为笔记本电脑的便携性能，所以配置交换机通常是采用笔记本电脑进行，在实在无笔记本的情况下，当然也可以采用台式机，但移动起来麻烦

56、些。交换机的本地配置方式是通过计算机与交换机的“Console”端口直接连接的方式进行通信的，它的连接图如图1所示。图1可进行网络管理的交换机上一般都有一个“Console”端口(这个在前面介绍集线器时已作介绍，交换机也一样)，它是专门用于对交换机进行配置和管理的。通过Console端口连接并配置交换机，是配置和管理交换机必须经过的步骤。虽然除此之外还有其他若干种配置和管理交换机的方式(如Web方式、Telnet方式等)，但是，这些方式必须依靠通过Console端口进行基本配置后才能进行。因为其他方式往往需要借助于IP地址、域名或设备名称才可以实现，而新购买的交换机显然不可能内置有这些参数，所

57、以通过Console端口连接并配置交换机是最常用、最基本也是网络管理员必须掌握的管理和配置方式。不同类型的交换机Console端口所处的位置并不相同，有的位于前面板(如Catalyst 3200和Catalyst 4006)，而有的则位于后面板(如Catalyst 1900和Catalyst 2900XL)。通常是模块化交换机大多位于前面板，而固定配置交换机则大多位于后面板。不过，倒不用担心无法找到Console端口，在该端口的上方或侧方都会有类似“CONSOLE”字样的标识，如图2所示。图2除位置不同之外，Console端口的类型也有所不同，绝大多数(如Catalyst 1900和Catal

58、yst 4006)都采用RJ-45端口(如图2所示)，但也有少数采用DB-9串口端口(如Catalyst 3200)或DB-25串口端口(如Catalyst 2900)。无论交换机采用DB-9或DB-25串行接口，还是采用RJ-45接口，都需要通过专门的Console线连接至配置用计算机(通常称作终端)的串行口。与交换机不同的Console端口相对应，Console线也分为两种:一种是串行线，即两端均为串行接口(两端均为母头)，两端可以分别插入至计算机的串口和交换机的Console端口;另一种是两端均为RJ-45接头(RJ-45-to-RJ-45)的扁平线。由于扁平线两端均为RJ-45接口，无

59、法直接与计算机串口进行连接，因此，还必须同时使用一个如图3所示的RJ-45-to-DB-9(或RJ-45-to-DB-25)的适配器。通常情况下，在交换机的包装箱中都会随机赠送这么一条Console线和相应的DB-9或DB-25适配器。图3（2）软件配置物理连接好了我们就要打开计算机和交换机电源进行软件配置了，下面我们以思科的一款网管型交换机“Catalyst 1900”来讲述这一配置过程。在正式进入配置之前我们还需要进入系统，步骤如下:第1步:打开与交换机相连的计算机电源，运行计算机中的Windows 95、Windows 98或Windows 2000等其中一个操作系统。第2步:检查是否安

60、装有“超级终端”(Hyper Terminal)组件。如果在“附件”(Accessories)中没有发现该组件，可通过“添加/删除程序”(Add/Remove Program)的方式添加该Windows组件。 好了，“超级终端”安装好后我们就可以与交换机进行通信了(当然要连接好，并打开交换机电源了)，下面的步骤就是正式进行配置了。在使用超级终端建立与交换机的通信之前，必须先对超级终端进行必要的设置。Catalyst 1900交换机在配置前的所有缺省配置为:所有端口无端口名;所有端口的优先级为Normal方式，所有10/100Mbps以太网端口设为Auto方式，所有10/100Mbps以太网端口

61、设为半双工方式，未配置虚拟子网。正式配置步骤如下(本文以Windows 98系统为例):第1步:单击“开始”按钮，在“程序”菜单的“附件”选项中单击“超级终端”，弹出如图4所示界面。图4第2步:双击“Hypertrm”图标，弹出如图5所示对话框。这个对话框是用来对立一个新的超级终端连接项。图5第3步:在“名称”文本框中键入需新建超的级终端连接项名称，这主要是为了便于识别，没有什么特殊要求，我们这里键入“Cisco”，如果您想为这个连接项选择一个自己喜欢的图标的话，您也可以在下图的图标栏中选择一个，然后单击“确定”按钮，弹出如图6所示的对话框。图6第4步:在“连接时使用”下拉列表框中选择与交换机

62、相连的计算机的串口。单击“确定”按钮，弹出如图7所示的对话框。 图7图7第5步:在“波特率”下拉列表框中选择“9600”，因为这是串口的最高通信速率，其他各选项统统采用默认值。单击“确定”按钮，如果通信正常的话就会出现类似于如下所示的主配置界面，并会在这个窗口中就会显示交换机的初始配置情况。 Catalyst 1900 Management Console Copyright(c)Cisco Systems，Inc。 1993-1999All rights reserved。 Standard Edition SoftwareEthernet address:00-E0-1E-7E-B4-40PCA Number:73-2239-01PCA Serial Number:SAD01200001Model Number:WS-C1924-ASystem Serial Number:FAA01200001User Interface MenuMMenus/主配置菜单IIP Configuration/IP地址等配置PConsole Password/控制密码配置Enter Selection:/在此输入要选择项的快捷字母，然后按回车键确认【注】“/”后面的内容为笔者对前面语句的解释，下同。至此就正式进入了交换机配置界面了，下面的工作就可以正式配置交换机了。