【基础知识】

4.4.1 交换机基础概念

　　局域网交换机是一种工作在数据链路层的网络设备。

　　交换机根据进入端口数据帧中的MAC地址，过滤、转发数据帧。它是基于MAC地址识别，完成转发数据帧功能的一种网络连接设备。

　　交换机作为汇聚中心，可将多台数据终端设备连接在一起，构成星状结构的网络。使用交换机组建出的是一个交换式局域网。

4.4.2 局域网交换机的功能

　　1.局域网交换机有三个基本功能：

　　①建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口对应关系的交换表;

　　②在发送结点和接收结点之间建立一条虚连接;(源端口到目的端口之间的虚连接)

　　③完成数据帧的转发或过滤。

　　交换机就在源端口和目的端口之间建立一条虚连接，在这条专用的虚通道上完成数据帧的交换。交换机还具有帧过滤，数据帧传输控制，虚拟网等其它功能。

　　2.交换机基础：局域网交换机的工作原理

　　交换机通过一种自学习的方法，自动地建立和维护一个记录着目的MAC地址与设备端口映射关系的地址查询表。

　　转发帧的具体操作是，在查询保存在交换机高速缓存中的交换表之后，交换机根据表中给出的目的端口号，决定是否转发和往哪里转发。如果数据帧的目的地址和源地址处于交换机的同一个端口，即源端口和目的端口相同，基于某种安全控制，数据帧被拒绝转发，交换机直接丢弃。否则按与目的MAC地址相符的交换表表项中指出的目的端口号转发该帧。

   在转发数据帧之前，在源端口和目的端口之间建立一条虚连接，形成一条专用的传输通道。再利用这条通道将帧从源端口转发到目的端口，完成帧的转发。

　　丢弃帧的原因：

　　①数据帧的目的地址和源地址处于交换机的同一个端口，即源端口和目的端口相同;

　　②某种安全控制。

　　3.交换机基础：交换表内容的建立和维护

　　建立和维护交换表是交换机的重要工作任务。

　　1）、交换表的内容

　　交换表的内容包括：目的MAC地址、对应的交换机模块号端口号、所在的虚拟子网。虚拟子网用VLANID号表示。

　　例1.大型核心交换机的交换表：

　VLANDestMAC/RouteDes[COS]DestinationPortsorVCs/[protocolType]

　　11800-e0-4c-73-51-4e3/6[ALL]

　　例1.小型接入交换机的交换表：

　　DestinationaddressAddressTypeVLANDestinationPorts

　　0004.234e.0ddcDynamic148FastEthernet0/2

　　例1表示MAC地址为00-e0-4c-73-51-4e的用户，连接在交换机的第3模块第6端口。该用户被划分在VLANID为118的虚拟子网中。

　　FastEthernet0/6包含两部分内容，一个是端口类型，一个是端口号。端口号0/2中，0是模块号，2是端口号。

　　FastEthernet表示快速以太网;(FE)

　　Ethernet表示以太网;(E)

　　GigabitEthernet表示千兆以太网。(GE)

　　2）、交换表的建立

　　在交换机刚开机时，交换表的内容是空白的。

　　每一个帧进来，就分析帧中的MAC目的地址，查询交换表。

　　①如果已经存在在交换表中，就按照给出的路径转发。

　　②在交换表没有此项目，就发出一个广播帧，把数据包发送给除源端口以外的所有交换机端口。拥有该MAC地址的站点在接收到广播帧后，就会立即做出应答，从而使交换机得到目的MAC地址与其相关联的交换机端口的信息。随后交换机建立一个新的表项进行记录。

　　3）、交换表的维护

　　交换表保存在交换机的一个高速缓存中，高速缓存的空间有限，且位于高速缓存的表项也有时间限制(时间戳)。

　　4）、交换表的保存

　　交换表保存在可编址内容存储器CAM中。CAM是保存交换表的一个高速缓存。可以通过交换机的一条命令，在屏幕显示出保存在CAM中的交换表内容。

　　(大中型交换机)showcamdynamic

　　(小型交换机)showmac-address-table;

　　4.交换机基础：交换机的交换结构

　　交换机存在四种交换结构，它们是软件执行交换结构、矩阵交换结构、总线交换结构和共享存储器结构。

　　1）、软件执行交换结构

　　软件执行交换结构是借助CPU和RAM硬件环境，由特定的软件来完成数据帧交换的一种交换结构。

　　特点：软件执行交换结构的交换机具有结构灵活、交换速度慢、交换机堆叠困难、交换机端口较多导致交换机性能下降的特点。因此，软件执行交换结构主要在早期的交换器产品中应用。

　　2）、矩阵交换结构

　　在矩阵交换结构的交换机中，交换功能完全由硬件完成。

　　交换机在确定目的端口号之后，就会根据源端口号和目的端口号打开相应的交换矩阵开关，在源端口和目的端口之间建立连接，形成一条传输通道。

　　特点：具有交换速度快、延时小、结构紧凑、矩阵交换的实现相对比较简单、不易扩展、不利于交换机性能的监控和运行管理等特点。目前有一些交换机产品采用这种结构。

　　3）、总线交换结构

　　在总线交换结构的交换机背板上都有一条公用总线，数据帧的交换都在总线上完成。通过时分多路复用TDM技术，将总线按时隙分成多条逻辑通道，可同时在总线上建立多对端口的连接。

　　特点：具有性能好、便于堆叠扩展、易实现帧的广播、易监控管理、易实现多个输入对一个输出的帧传送，但对带宽要求比较高。

　　一般总线带宽应为端口带宽的总和。如果端口带宽都相同，则总线带宽应等于端口带宽乘以端口数量。即S=B×N.其中S为总线带宽，B是端口带宽，N是端口数。

　　许多交换机产品都使用总线交换结构。

　　4）、共享存储器交换结构

　　共享存储器交换结构是总线交换结构的一种很变形，它用共享存储器替代了公用总线。它不需要背板。

　　特点：交换机的结构简单、易实现，但在交换机端口数量与存储容量扩展到一定程度时，会产生延时。因此，比较适合小型交换机的采用。成本高。

　　5.交换机基础：交换机的交换模式

　　1）、交换机交换模式的分类

　　交换机有静态交换和动态交换两种方式。

　　在采用静态交换方式的交换机中，端口之间传输通道的建立是人工预先设定的，这些通道是固定不变的。

　　在采用动态交换方式的交换机中，传输通道的建立是依据目的MAC地址查询交换表，根据表中给出的输出端口临时建立的，在一个数据帧传送完成后，连接就会自动断开。

　　动态交换模式有存储转发和直通两种模式。

　　直通交换模式又有快速转发交换和碎片丢弃交换两种方式。

　　总结起来，交换机有存储转发、快速转发和碎片丢弃三种交换模式。

　　2）、快速转发交换模式(FastForward)

　　快速转发交换模式，也叫直通模式，它是在交换机接收到帧中6个字节的目的地址后就立即转发数据帧。

　　快速转发交换模式不缓存整个数据帧。这种交换模式会在整个数据帧收到之前就开始转发。不能提供检错纠错，可靠性差，但是时延小、交换速度快。适合小型交换机采用。

　　3）、碎片丢弃交换模式(FragmentFree)

　　碎片丢弃模式又称无分段交换模式。这种交换模式是在开始转发数据帧前，先过滤掉造成大部分数据报错误的冲突片段。

　　先检查数据包的长度是否够64字节，如果小于64字节，直接丢弃，任何大于64字节的数据帧，都被交换机视为有效帧，进行转发。

　　数据帧只是接收了64字节，也不保存整个数据帧，就开始转发。

　　碎片丢弃交换模式的最大优点：在开始转发数据帧前就过滤掉冲突碎片，确保冲突碎片不通过网络传播，从而提高了网络的传输效率和带宽利用率。

　　4）、存储转发交换模式(StoreandForward)

　　采用存储转发交换模式的交换机，在开始转发数据帧之前先接收整个数据帧，并把整个数据帧存储在缓冲区。有差错检验功能，但是时延大。目前应用最广泛。

　　交换机基础知识就为大家介绍这么多，希望新入行的工程师们可以认真阅读，因为想在网络上发展，这些知识还是不能忽略的。

【知识拓展】

堆叠:

       交换机堆叠是通过厂家提供的一条专用连接电缆，从一台交换机的"UP"堆叠端口直接连接到另一台交换机的"DOWN"堆叠端口。以实现单台交换机端口数的扩充。一般交换机能够堆叠4～9台。堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理，也就是说，堆叠中所有的交换机从拓扑结构上可视为一个交换机。堆栈在一起的交换机可以当作一台交换机来统一管理。交换机堆叠技术采用了专门的管理模块和堆 栈连接电缆，这样做的好处是，一方面增加了用户端口，能够在交换机之间建立一条较宽的宽带链路，这样每个实际使用的用户带宽就有可能更宽（只有在并不是所有端口都在使用情况下）。另一方面多个交换机能够作为一个大的交换机，便于统一管理。

级联:

       级联就是将两个交换机用直通线或交叉线线连接起来，接联的端口也可以任意，至于交换机都有一个级联口,那是为了方便,其实任何一个口都可以用来级联。这时交换机之间仍然是独立的！  

堆叠和级联的区别：

首先，堆叠必须交换机支持，级联是任何交换都能级联。

其次，堆叠使用的线缆是专用的,不像级联随便一个直通线或交叉线就可以.

第三，堆叠线缆不能太长.级联100m以下都行.

第四，堆叠后的交换机从逻辑上可以看成一个交换机,对于他们的管理可以在堆叠主机上进行. 

第五，级联 任何两个交换机都可以,堆叠一般只有同种型号的才行

【习题巩固】