交换技术
交换技术原理
交换技术原理交换技术原理是一种用于数据传输和通信的基本技术，它在现代通信系统和计算机网络中起着至关重要的作用。
通过交换技术，数据能够在不同的设备之间进行传输，实现信息的互联互通。
本文将详细介绍交换技术的原理、类型和应用，帮助读者深入了解这一关键技术。
一、交换技术的原理1. 交换技术概述交换技术是指在计算机网络和通信系统中，通过交换设备（例如交换机、路由器）实现数据的转发和传输的技术。
交换技术的基本原理是通过相关的算法和协议，将数据包从发送端传输到接收端，确保数据的准确、高效地传输和交换。
2. 数据交换的基本过程数据交换的基本过程包括路由选择、数据传输和数据交换。
路由选择确定了数据包的传输路径，通过网络中的路由器进行路由选择，以确保数据包能够按照预定的路径传输。
数据包根据路由选择的结果被传输到目的地，实现数据的实时、快速传输。
数据包在到达目的地后进行交换，确保数据包能够正确地被接收端所识别和处理。
3. 交换技术的关键技术和算法交换技术涉及了多种关键技术和算法，其中包括最短路径算法、拥塞控制算法、路由选择算法等。
这些算法和技术的运用，能够有效地提高数据传输的效率和可靠性，保障网络通信的顺畅和稳定。
二、交换技术的类型1. 电路交换电路交换是一种面向连接的交换技术，它在建立通信连接时，需要占用一定的通信资源（例如带宽、传输线路等），并且在通信连接上保持一定的状态。
电路交换在传统电话网络中得到广泛应用，但其缺点是通信资源的浪费和连接建立的时间较长。
2. 报文交换报文交换是一种通过传输整个数据报文的方式进行交换的技术。
在报文交换中，整个数据报文被作为一个整体进行传输，接收端接收完整的报文后再进行处理。
报文交换更适用于数据通信，例如在计算机网络中被广泛应用。
3. 分组交换分组交换是一种将数据分割成多个较小的数据包（分组），并在网络中进行独立传输和交换的技术。
分组交换能够更灵活地利用通信资源，提高了通信的灵活性和效率，因此在现代计算机网络中得到了广泛的应用。
路由和交换技术
路由和交换技术路由（Routing）和交换（Switching）技术是计算机网络中最基础和重要的技术之一，它们对于网络的性能和效率有着至关重要的影响。
本文将对路由和交换技术的基本概念、分类以及应用进行简单介绍。
一、路由技术路由技术是指在网络中选择最佳路径将数据包从源节点传输到目的节点的方法。
在互联网中，路由器是实现路由技术的核心设备。
路由器通过学习路由表和协议来决定最佳路径，并将数据包转发到下一个节点。
路由器的主要功能是转发数据包，保证网络中各个节点之间的通信。
路由技术可以分为静态路由和动态路由。
静态路由是由网络管理员手动配置的路由，其优点是稳定可靠，但需要耗费大量的时间和精力来配置。
动态路由是由路由器自动学习和更新的路由，其优点是配置简单，而且能够根据网络拓扑的变化自动调整路由。
二、交换技术交换技术是指在网络中将数据包从一个节点传输到另一个节点的方法。
交换技术有两种主要的实现方式：电路交换和分组交换。
电路交换是在建立连接之后，一直占用网络资源进行传输，直到连接中断。
电路交换的优点是传输效率高，但缺点是连接一旦建立，不能被其他节点使用，造成资源浪费。
分组交换是将数据包拆分成一定大小的数据块，每个数据块都带有目的地址和源地址信息，然后以不同的路径传输到目的节点。
分组交换的优点是能够充分利用网络资源，但缺点是传输延迟较大。
交换技术可以分为三种：电路交换、分组交换和消息交换。
电路交换是在建立连接后一直占用网络资源进行传输；分组交换是将数据包拆分成一定大小的数据块，每个数据块都带有目的地址和源地址信息，然后以不同的路径传输到目的节点；消息交换是将数据分成一些短小的包（消息），每个包都独立传输，不需要建立连接。
消息交换的优点是传输延迟小，但缺点是传输效率低。
三、路由和交换技术的应用路由和交换技术在计算机网络中应用广泛，例如在互联网、局域网、广域网等网络中都有广泛的应用。
在互联网中，路由器和交换机是网络中最重要的设备之一，它们保证了数据的快速传输和网络的稳定性。
交换技术发展趋势
交换技术发展趋势引言在信息技术快速发展的时代，交换技术作为通信领域的核心技术，也在不断进步和演变。
本文将从网络交换技术的发展历程、当前的技术趋势以及未来的发展方向等方面进行探讨，希望能够对读者对交换技术的了解和认识有所帮助。
交换技术的发展历程早期的交换技术早期的交换技术主要是电路交换，在电话通信中得到广泛应用。
电路交换的原理是在通信建立之前，通过物理电路将通信双方进行连接，使其能够直接相互传递信息。
然而，电路交换存在资源浪费、通信效率低等问题，无法满足日益增长的通信需求。
随着计算机网络的普及和互联网的发展，交换技术也逐渐演进为分组交换。
分组交换通过将信息数据按照一定的字节大小进行分组，每个数据包都附带目的地址等信息，通过网络传输到目的地后再进行拆包，将数据重新组装。
这种方式更加灵活、高效，可以适应不同应用的需求。
分组交换的一个重要技术是以太网交换。
以太网交换使用MAC地址来唯一标识设备，通过交换机将数据包从源设备转发到目的设备，而不是广播到整个网络。
这样可以大大提高网络的带宽利用率和传输效率。
软件定义网络（SDN）软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）是当前交换技术的热门趋势之一。
SDN将网络控制平面与数据转发平面进行解耦，通过集中式的控制器对网络进行灵活的管理和控制。
SDN可以根据应用需求实时调整网络规模、流量分配和策略等，提高网络的灵活性和可编程性。
数据中心网络随着云计算和大数据等技术的发展，数据中心网络成为了交换技术的重要应用场景。
数据中心网络需要满足低延迟、高带宽和高可靠性的要求。
为了提高数据中心网络的性能，研究者们提出了一系列创新技术，如数据中心网络拓扑优化、多路径路由算法、可编程数据平面等。
IPv6随着互联网的发展和IPv4地址资源枯竭的临近，IPv6作为下一代互联网协议得到了广泛的关注。
IPv6拥有更大的地址空间、更好的安全性和更强的可扩展性。
四种交换技术概述
四种交换技术从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和异步传输模式等发展过程。
一、电路交换电路交换就是计算机终端之间通信时，一方发起呼叫，交换机进行转接并为双方建立连接，独占一条物理线路进行通信，等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。
电路交换的动作，就是在通信时建立(即连接)电路，通信完毕时拆除(即断开)电路，至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关。
它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低。
但同时也带来线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信等缺点。
电路交换比较适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的通信。
二、报文交换报文交换不要求在两个通信结点之间建立专用通路。
发送端把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中逐点向前传送。
每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。
经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储——转发网络。
—1—其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。
交换结点对各个方向上收到的报文排队，逐个找出下一个转发结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。
报文交换的优点是不建立专用链路，线路利用率较高，这是由通信中的等待时延换来的。
三、分组交换分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成多个更小的等长部分，每个部分叫做一个数据段。
在每个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的首部，就构成了一个分组。
首部用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。
进行分组交换的通信网称为分组交换网。
分组交换实质上是在“存储——转发”基础上发展起来的。
它兼有电路交换和报文交换的优点。
分组交换主要有两种方式：数据报方式和虚电路方式。
交换技术概述
消息
电信号
电信号
终端
传输媒介
终端
制作：邵黎
消息
16
第1章 交换技术概述
话音
数据
制作：邵黎
17
第1章 交换技术概述
当存在多个终端时，人们希望其中任 意两个终端之间都可以进行点对点通信。
以最基本的一种交换——电话交换为例， 为了让任意两个用户在需要时都可以进行 通话，在用户数很少时，可以采用个个相 连的方法。
制作：邵黎
21
第1章 交换技术概述
线对数=6
每个通信终端通过一 对专门的用户环线连 到交换机的线路接口
交换机
用户接口 用户环线
用户终端与交换机之 间的连接线路
交 需换要机时图负在1责两.3监用用测户户各之通个 间过交用 建换户 立机状 和互态 释连，组成通信不（性网足急1）：剧用上户升多；时连接管理复杂
制作：邵黎
26
第1章 交换技术概述
解决办法： 将电话网进行分区，并采用汇接制。 把电话网划分为若干个“汇接区”， 在汇接区内设置汇接局，下设若干个端局。 汇接局是端局的交换中心，在端局之 间接续中继呼叫，负责汇接本汇接区的本 地和长途业务。
制作：邵黎
27
第1章 交换技术概述
利用汇接交换机互连多个 端局交换机，疏导本交换 区各交换机之间的互通业 务。
1.3.1 光交换技术 1.3.2 软交换技术
制作：邵黎
11
第1章 交换技术概述
电话通信是利用声/电变换传输人类语 言的一种电信系统。从电话机输出的话音 信号是与声音一致的电信号，其频率和幅 度与声音频率和声压基本成线性关系，随 时间作连续变化。国际上确定300～ 3400Hz这个频段作为标准的传送电话的 通信频带，该频带可保证电话通信有足够 良好的清晰度，硬件上也容易实现。
交换技术课件
分组交换技术的应用场景
互联网接入
分组交换技术广泛应 用于互联网接入，提 供高速、可靠的上网
服务。
局域网互连
通过分组交换网实现 不同局域网之间的互 连互通，促进信息共
享和业务协同。
移动通信
分组交换技术用于移 动通信网络中，支持 数据业务的传输和控
制。
专网建设
利用分组交换技术构 建专用网络，满足政 府、企业等不同行业
开放性
软交换技术采用开放式体 系架构，可以与其他网络 设备和系统进行互操作和 集成。
软交换技术的应用场景
移动通信网络
固定电话网络
软交换技术可以用于构建移动通信网络的 核心网络部分，支持移动用户之间的通信 和移动用户与固定用户之间的通信。
软交换技术可以用于构建固定电话网络的 核心网络部分，支持固定用户之间的通信 和固定用户与移动用户之间的通信。
的特殊需求。
分组交换技术的发展趋势
高效性能
随着通信技术的发展，分组交换技术 将不断提升传输速率和处理能力，以
满足更高的通信需求。
安全保障
加强分组交换网络安全保障机制的研 究和应用，提高网络的安全性和可靠
性。
融合发展
分组交换技术将与电路交换、卫星通 信等技术相互融合，形成更加灵活和 多样化的通信解决方案。
稳定性。
数据通信和多媒体通信场景
02
分组交换技术更为合适，因为它可以更好地处理大量数据和多
媒体内容。
需要高度可编程和可定制的场景
03
软交换技术是最佳选择，因为它可以通过软件实现高度灵活的
通信控制和管理。
06
交换技术的应用与发展趋势
ห้องสมุดไป่ตู้ 当前应用中的交换技术
路由和交换技术
路由和交换技术路由和交换技术是网络通信中至关重要的两个概念。
路由技术是指一种从源网络地址到目的网络地址的转发过程，而交换技术则是一种在网络中传输数据的方式。
两者结合起来，可以实现高效的网络通信。
在网络中，路由技术的主要作用是确定数据包的最佳路径。
这个路径是通过路由器之间的交互来确定的。
路由器是一种专门用于转发数据包的设备，它可以根据目的地址来选择合适的路径。
路由器之间的交互是通过路由协议来实现的，常见的路由协议有RIP、OSPF、BGP等。
这些协议可以根据不同的网络拓扑结构和需求来选择最佳路径。
交换技术则是一种在网络中传输数据的方式。
交换技术可以分为电路交换和分组交换两种。
电路交换是指在通信开始前，建立一条专用的物理路径，数据沿着这条路径传输，传输结束后撤销这条路径。
电路交换的优点是传输速度快，但是缺点是容易出现拥塞。
分组交换则是将数据划分为一些较小的数据包，每个数据包独立传输，传输完成后再组合成完整的数据。
分组交换的优点是灵活性强，可以更好地适应网络环境的变化。
除了路由和交换技术，网络中还有一些其他的技术和协议。
其中比较重要的是TCP/IP协议。
TCP/IP协议是互联网的基础协议，它包括IP协议和TCP协议。
IP协议负责网络层的传输，而TCP协议负责传输控制。
TCP/IP协议可以实现可靠的数据传输，以及网络包的路由选择。
总的来说，路由和交换技术是网络通信中不可或缺的两个概念。
通过这些技术和协议的结合，可以实现高效的网络通信和数据传输。
在未来，随着网络的不断发展和变化，这些技术和协议也会不断地更新和改进，以适应不同的网络需求和环境。
03 交换技术
Routing Table
Destination Subnet 6.0.0.0 2.0.0.0 1.0.0.0 1.5.0.0 Switch Interface port 3 Port 2 Port 4 Port 6
2.1.1.1
D S S R T C
Data
Port4
Port2 Packet Header IP Address: 2.1.1.1
Switching Table
目的地 0002.ABCD.EF12 Output Interface MAC Address port 10 port 5 port 1 port 1 port 6 port 6
Frame Packet
port1 IP Address: 192.168.10.1
port6
2、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。
• 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。 • 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。
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从二层交换机的工作原理可以 得出以下三点：
（1）由于交换机对多数端口的数据进行同时交换， 这就要求具有很宽的交换总线带宽，如果二层交 换机有N个端口，每个端口的带宽是M，交换机总 线带宽超过N×M，交换机就可以实现线速交换。
3.2 VLAN技术
VLAN（Virtual Local Area Network） 即虚拟局域网，它是一种将局域网内的 设备逻辑地而不是物理地划分成一个个 网段的技术。这里的网段仅仅是逻辑网 段的概念，而不是真正的物理网段。可 以简单地将VLAN理解为是在一个物理网 络上逻辑地划分出来的逻辑网络。
作为网络核心、起到网间互联作用的路由器价 格贵，速度慢，技术没有质的突破。
第三层交换技术
第三层交换技术也称为IP 交换技术、高速路 由技术等。第三层交换技术是相对于传统交换 的概念提出的。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，而第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。
一次路由，多次转发
A C
B
A C
B
第三层交换具有以下突出特点：
（1）有机的硬件结合使得数据交换加速。 （2）优化的路由软件使得路由过程效率提
高。 （3）除了必要的路由决定过程外，大部分
数据转发过程由第二层交换处理。 （4）多个子网互联时只是与第三层交换模
块的逻辑连接，不像传统的外接路由器 那样需增加端口，保护了用户的投资。
二层交换机工作流程：
（1）当交换机从某个端口收到一个数据包时，它读取包头 中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在 哪个端口上的。
（2）读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应 的端口。
（3）如表中有与这个目的MAC地址对应的端口，把数据包 直接复制到该端口上。
（4）如表中找不到相应的端口，则把数据包广播到所有端 口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习 目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不需 要对所有端口进行广播了。
在软件方面，第三层交换机也有重大举措，它 将传统的基于软件的路由器软件进行了界定， 其作法是：
（1）对于数据封包的转发，如IP/IPX封包的转 发，这些有规律的过程通过硬件得以高速实现。
（2）对于第三层路由软件，如路由信息的更新、 路由表维护、路由计算、路由的确定等功能， 用优化、高效的软件实现。
计算机组网技术
第三讲 交换技术
本讲主要内容
3.1 交换技术概述
二层交换 三层交换
3.2 VLAN技术
VLAN产生的原因 VLAN标准 VLAN的划分方法 VLAN内及VLAN间的通信
3.1.1 二层交换技术
目前二层交换技术的发展比较成熟，二 层交换机属于数据链路层设备，可以识 别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地 址进行转发，并将这些MAC地址与对应的 端口记录在自己内部的一个地址表中。
早期,网络分段由路由器简单实现
碰撞域 广播域 网段
局域网 园区网
VLAN课题引入
随着网络技术的发展，现在很多企业和部门都 建立了内部局域网，但是，随着网络规模的增大 也带来了一些问题：
网内数据传输量增大，网速变得越来越慢！ 计算机遭受黑客攻击，关键部门存在安全隐患！ 同一部门的人员分布不同的地域，不能相对集
（2）学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表， 地址表的大小影响交换机的接入容量。
（3）二层交换机一般含有专门用于处理数据包转发 的 ASIC （ Application Specific Integrated Circuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。
3.1.2 三层交换技术
交换式局域网技术使专用的带宽为用户独享， 极大地提高了局域网的传输效率。但第二层交 换技术也暴露出弱点：对广播风暴、异种网络 互联、安全性控制等不能有效地解决。
中办公！
VLAN与普通局域网最基本的差
异体现在：
VLAN并不局限于某一网络或物理范围， VLAN中的用户可以位于一个园区的任意 位置，甚至位于不同的国家。可以根据 网络用户的位置、作用、部门或根据网 络用户所使用的应用程序和协议进行分 组
网络管理员通过控制交换机的每个端口 来控制网络用户对网络资源的访问，同 时VLAN和第三层、第四层的交换结合使 用能够为网络提供较好的安全措施。
简单地说，第三层交换技术就是第二层交换技 术＋第三层转发技术，这是一种利用第三层协 议中的信息来加强第二层交换功能的机制。
速度！
一个具有第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，并不是把路由器设备的硬件及软件 简单地叠加在局域网交换机上。
从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接 口模块都是通过高速背板/总线（速率可高达 几十Gbps）交换数据的。在第三层交换机中， 与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在 高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可 以与需要路由的其他模块间高速地交换数据， 从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制 （10Mbps～100Mbps）。
3.2.1 VLAN产生的原因
（1）基于网络性能的考虑。 （2）安全管理方面的需要。 （3）基于组织结构的考虑。
图3-1 划分VLAN的局域网来自第三层 第二层 第一层
PC1
PC2
PC3
销售部
工程部
人力资源部
3.2.2 VLAN标准
1988年IEEE批准了802.3ac标准，这个标准定 义了以太网的帧格式的扩展，以便支持虚拟局 域网。
第三层交换的目标
只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接 的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数 据包。第三层交换使用第三层路由协议确定传 送路径，此路径可以只用一次，也可以存储起 来供以后使用。之后数据包通过一条虚电路绕 过路由器快速发送。第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。当 然，第三层交换技术并不是网络交换机与路由 器的简单叠加，而是二者的有机结合，形成一 个集成的完整的解决方案。