交换机网络

网络交换机作用

,网络交换机网络交换机(NetworkSwitch)是集

线器的升级换代产品，从外观上来看，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体。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。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。

目录

,网络交换机的概述

,网络交换机的性能

,网络交换机的分类

,网络交换机的选择

网络交换机的概述

,随着电子技术的飞速发展，计算机及其应用日益

普及，计算机网络也迅速发展起来。凡是将地理位置

不同，具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设

备，用通信设备和线路连接起来，并配以相应的网络软件实现计算机通信信息

网的资源共享与数据通信，都称为计算机通信网。当网络规模扩大时，单纯靠延长

网线已变得不现实。并且对于不同的局域网，要实现互相之间的数据传送，共享网

络的资源，需要有专门的连接设备实现网络扩展。同时，网络中站点的增加，地理

范围的扩大，业务量的增长，促使网络互联迅速向前发展。

网络互联的高速发展，导致网络交换技术的出现，网络交换机也随之应运而

生。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。网络交换机的

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。

随着交换技术的发展，交换机由原来工作在OSI承M的第二层，发展到现在有

可以工作在第四层的交换机出现，所以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。由于第四层交换机交换技术尚未真正成熟且价

格昂贵，第四层交换机在实际应用中目前还较少见。

网络交换机的性能

,网络交换机是一种连接网络分段的网络设备。从技术角度看，网络交换机运

行在OSI模型的第2层

(数据链路层)。网络交换机源于电子集线器(HUB)，其中HUB是为星型网络提

供的一种中心结点设备。在共享HUB中，所有星型网络连接都接收同一个广播

帧。交换机类似于集线器，它也支持单个广播域，但不同的是交换机上的每个端口

同时也是它自己的冲突域(CollisionDomain)。通常情况下，交换机比集线器更加

智能化，网络交换机能监测到所接收的数据包，并能判断出该数据包的源和目的地

设备，从而实现正确的转发过程。网络交换机只对连接设备传送信息，其目的是保

存带宽，并提供比HUB更好的相关性能。

交换机中流量监控过程较为复杂，这是因为每个端口在数据传输之前都处于分

离状态，即便相连，也只是在发送和接收端口相连接时。目前有两种主要方法支持

交换环境下网络管理器对网络流量的监控:端口镜像(PortMirroring)―交换机

向网络监控连接发送一组网络数据包;

SMON―RFC2613中规定的“交换机监控”是一种用来控制设施如“端口镜

像”的协议。另外还有些方法，在无需交换机的协作下，支持网络中另一台计算

机上的“Snooping”行为，如伪ARPMAC扩散行为。

LAN网络中最通用的网络交换机有Ethernet交换机。WAN网络中通用的有

ATM交换机、帧中继及10GigabitEthernet交换机。对于高终端WAN交换机，

通常包含一台(软)路由器，以支持网络层(第3层)数据包处理。

网络交换机的分类

,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1000Ba-T模块。接入层支持1000Ba-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1000Ba-T的上联端口。汇聚层1000Ba-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1000Ba-T端口，一般也可以提供

1000Ba-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。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”。

网络交换机的选择

,通过应用技术的比较，可以看出，二层交换机主要用在小型局域网中，机器

数量在二、三十台以下，这样的网络环境下，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。在

这种小型网络中根本没必要引入路由功能从而增加管理的难度和费用，所以没有必

要使用路由器或三层交换机。三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很

强二层包处理能力，所以适用于大型局域网，为了减小广播风暴的危害，必须把大

型局域网按功能或地域等因素划成一个一个的小局域网，也就是把机器分为一个一

个的小网段，这样会导致不同网段之间存在大量的互访，单纯使用二层交换机没办

法实现网间的互访，而单纯使用路由器则由于端口数量有限，路由速度较慢，而限

制了网络的规模和访问速度，所以这种环境下由二层交换技术和路由技术有机结合

而成的三层交换机就最为适合。

路由器端口类型多，支持的三层协议多，路由能力强，所以适合于在大型网络

之间的互连，一般大型网络的互连端口不多，互连设备的主要功能不在于在端口之

间进行快速交换，而是要选择最佳路径进行负载分担，链路备份和最重要的与其它

网络进行路由信息交换，所有这些都是路由完成的功能。三层交换机的最重要目的

是加快大型局域网内部的数据交换，揉合进去的路由功能也是为这目的服务的，所

以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。在网络流量很大，但又要求响应速

度很高的情况下，由三层交换机做网内的交换，由路由器专门负责网络的路由工

作，这样就可以充分发挥不同设备的优势。

在选择交换机具体设备时根据以上情况进行分析后，还要参考以下几项设备指

标:

1、转发技术

直通转发技术就是交换机获取到数据包目的地址，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。直通转发技术速率快、延时少和吞吐率高。但

当网络中误码率较高时，交换机会转发所有的完整数据包和错误数据包，

这将给整个交换网络带来许多错误通讯包。直通转发技术适用于网络链路质量

好的网络环境。存储转发技术要求交换机在接收到全部数据包后再决定如何转

发，交换机在转发之前检查数据包完整性和正确性。它的优点是:没有残缺数据包

转发，减少了潜在的不必要数据转发。它的缺点是:转发速率比直接转发技术慢。

所以，存储转发技术比较适应于普通链路质量的网络环境。

2、背板吞吐量及缓冲区大小

背板吞吐最也称背板带宽，单位是每秒通过的数据包个数(pps)，表示交换机

接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。一台交换机的背板带宽

越高，所能处理数据的能力就越强。

缓冲区大小，又叫做包缓冲区大小，是一种数据队列机制，由交换机用来进行

不同网络设备之间的速度匹配。速率高的设备所发送的数据可以存储在缓冲区内，

直到被慢速设备处理为止。缓冲区大小由缓冲调度算法算出，过大的缓冲空问需要

相对多的寻址时间，缓冲空间过小会在发生拥塞时引起丢包出错。3、延时

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问的时

间间隔。有许多因素会影响延时大小，比如转发技术、缓冲区大小等等。4、管理

功能

为方便网管员管理，及用户控制访问交换机，通常交换机应支持SNMPMIB

I,MIBII统计管理功能以满足常用网管管理软件，如OPENVIEW、SUNSolstice

DomainManager或IBM网络管理(NetView)远程管理交换机，甚至还会增加通过内

置RMON组(mini—RMON)来支持RMON主动监视功能，或提供通过WEB页面、命令行

方式(eLI)对设备进行远程的监控，以最终实现故障管理、性能管理、配置管理、

安全管理等常用管理功能。

5、MAC地址表大小及MAC地址类型

连接到局域网上的每个端口或设备都需要一个MAC地址，其他设备要用到此地

址来定位特定的端口及更新路由表和数据结构。MAC地址表大小能反映出该设备所

支持的节点数能力。单MAC地址类型交换机连接最终用户或非桥接设备，不能接集

线器等多网络设备网段。多MAC地址交换机则可以在每端口存多个MAC地址具有较

强的多节点支持力。

6、扩展树

为保障网络的安全性，常对关键数据链路提供冗余备份链路，由于交换机实际

上是多端口的透明桥接设备，从而引发“拓扑环”问题。交换机通过采用扩展树协

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。交换机并将检

测到的“拓扑环”中的某个端口断开，以达到消除“拓扑环”的目的，维持网络中

的拓扑树的完整性。

7、是否全双工

全双工端口可以同时发送和接收数据，但这要求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可实现高吞吐量(两倍于单工模式端口

吞吐量)、避免碰撞、突破CSMA圮D链路长度限制，通信链路的长度限制只与物理

介质有关，交换机端口最好能实现全伴双工自动转换。8、高速端口集成

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。如FDDI、ATM、G

比特光模块等。

9、最大VLAN数量

此参数反映了一台设备所能支持的最大VLAN数目，就目前交换机所能支持的

最大VLAN数目(1024以上)来看，足以满足一般企业的需要。

10、扩充性配置

机架插槽数、扩展槽数、最大可堆叠数、10,1013,000M以太网端口数、最大

ATM端口数、最大SONET端口数、最大FDDI端口数、最大电源数等多个硬件指标

将直接反映交换机的扩充能力及与其它骨干网络设备的互联互通能力。

对不同的用户在选择中还有不同的要求，如实施对数据流的访问控制(ACL)、

服务质量保证(QoS)、带宽管理以及各种控制和服务策略、支持的包过滤、负载均

衡及在三层交换机对各种路由协议的支持程度等等。

总之，在进行网络规划设计和选择交换机时，应仔细考察交换机的各种功能，

随着交换技术的高速发展，越来越多的交换机融合了其它网络设备的新功能，交换

机的选择更需全面考虑、实时跟踪新产品。交换机的作用:

交换机也叫交换式集线器，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转

发至指定端口，具备自

动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信

息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞。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。

在计算机网络系统中，交换机是针对共享工作模式的弱点而推出的。集线器是

采用共享工作模式的代表，如果把集线器比作一个邮递员，那么这个邮递员是个不

认识字的“傻瓜”——要他去送信，他不知道直接根据信件上的地址将信件送给收

信人，只会拿着信分发给所有的人，然后让接收的人根据地址信息来判断是不是自

己的!而交换机则是一个“聪明”的邮递员——交换机拥有一条高带宽的背部总线

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，当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，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地

址，并把它添加入内部地址表中。

可见，交换机在收到某个网卡发过来的“信件”时，会根据上面的地址信息，

以及自己掌握的“常住居民户口簿”快速将信件送到收信人的手中。万一收信人的

地址不在“户口簿”上，交换机才会像集线器一样将信分发给所有的人，然后从中

找到收信人。而找到收信人之后，交换机会立刻将这个人的信息登记到“户口簿”

上，这样以后再为该客户服务时，就可以迅速将信件送达了。

网络交换机作用

网络交换机的作用是网管的必备知识，下面就来作系统介绍。

在计算机网络系统中，交换是相对于共享工作模式的改进。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

节点发送消息。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。

网络交换机拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵。网络交换机的所有

端口都挂接在这条背部总线上。控制电路收到数据包以后，网络交换机处理端口会

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，再通过内部交换矩阵直接将数据包迅速传送到目的节点，而不是所

有节点，目的MAC若不存在才广播到所有的端口。我们可以明显地看出，这种方式

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送，发送数

据时其他节点很难侦听到所发送的信息。这也是交换机为什么会节点都同时发送，

发送数据时其他节点很难侦听到所发送的信息。这也是网络交换机为什么会很快取

代集线器的重要原因之一，也是网络交换机的作用最大的亮点。

网络交换机的作用有一个重要点，就是它不是像集线器一样每个端口共享整个

的带宽，它的每一端口都是独享交换机的一部分总带宽，对于每个端口来说在

速率上有了根本的保障。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，可以有效地隔离广播风暴，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进行多个节点之间的数

据传输，每一个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自己的带宽，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的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，它的总流量可达到

8×10Mbps=80Mbps，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El进行通信，即使数据流量再忙，HUB的总

流通量也不会超出10Mbps。如果是16端口、24端口的交换机，这个优点更是明

显。

网络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VLAN(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。

网络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他交换机或者为带宽占用量

大的关键服务器提供附加带宽。

因此，网络交换机是一种基于MAC地址识别、能完成封装转发数据包功能的网

络设备。对于因第一次发送到目的地址不成功的数据包，网络交换机会再次同时向

所有节点发送，以找到这个目的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，以便下次再发送到这个节点时就不会发错。网络交换机的这种

功能就称之为“MAC地址学习”功能。

上面主要盘点了网络交换机的作用几个大方面，其实还有很多小的方面也是很

优秀的:

学习:网络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。

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)。

消除回路:当交换机包括一个冗余回路时，网络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。

网络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，网络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。

看完上文，您一定对网路交换机是什么和网络交换机的作用有了一定的了解。

(2010-11-29)

谢谢品读～