交换机 交换方式
《IP数据通信》(孙青华)电子课件 第7章
（3）所有端口满足线速转发性能，以满足网络核心交换节点的带宽要求。 （4）多业务支持能力。要求核心交换机具有强大的二层、三层业务特性，支持多种形式的VLAN、具有较强的抗攻
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（3）按交换机应用领域来划分，可分为：台式交换机、工作组交换 机、主干交换机、企业交换机、分段交换机、端口交换机、网络交换 机等。
（4）从规模应用上，可分为：企业级交换机、部门级交换机、工作 组交换机等。
（5）从工作层次上讲，可以分为：二层交换机、三层交换机、多层 交换机。
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第 7 章 以太网交换机
滕贺颖
本章要求：
理解交换机的各种交换方式 了解主流交换机的型号及功能 熟悉各个层面交换机的选型原则 具备交换机的基本操作能力
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以太网交换机概述
1．交换机的分类 （1）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 通信用的基础网络平台。而局域网交换机则应用于园区或 企业的小规模网络，用于连接终端设备，如PC机及网络 打印机等。 （2）局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：以太 网交换机、令牌环交换机、FDDI交换机、ATM交换机、 快速以太网交换机等。
7.3.1 以太网交换机的主要技术指标 技术指标是设备选型的基本依据，根据不同交换
机的技术指标设计相应的网络，不足不同类型网 络用户的需求，是网络设计人员应具备的基本素 质。交换机的主要技术指标有：转发模式、时延、 转发速率、背板带宽、MAC地址数、生成树、VL AN和管理功能等参数组成。
交换机工作原理
交换机工作原理交换机是计算机网络中一个重要的组成部分，它能够实现对局域网内的数据处理和转发，使得网络传输更加高效和稳定。
本文将详细介绍交换机的工作原理。
一、交换机概述交换机是一种连接两个或多个数据链路的网络设备，可以让信息在局域网中被准确地传送到目标地址。
它有很多种类，包括无线交换机、路由交换机等。
它的主要作用是将数据流转发到目标地址，从而实现数据在网络中的传输。
交换机的工作原理主要分为两种方式：包交换和电路交换。
包交换使用缓存区来暂存数据包，然后再根据数据包的地址进行转发。
电路交换则直接将数据流接通到目标地址，是一种点对点的传输方式。
由于包交换可以实现多对多的连接，所以在网络中得到了广泛应用。
二、交换机的数据转发对于交换机来说，它需要进行三项工作：学习、转发和过滤。
学习是指交换机需要记录每个源地址的进入端口，转发是指将数据转发到目标地址，过滤是指交换机需要过滤掉无效数据包。
当一台设备向交换机发送数据包时，交换机需要先学习该源地址。
在交换机中设置了一个转发表，用于存储各个设备的MAC 地址，同时记录该MAC 地址对应的进入端口。
当一个数据包到达交换机时，交换机会查找该MAC 地址对应的出口端口，并向这个出口端口发送数据包。
如果交换机没有记录到源地址，它会将数据包广播出去，通过广播的方式通知其他设备信息。
当其他设备接收到该数据包时，会将源地址和端口信息发回给交换机，使得交换机可以学习新的设备。
三、交换机的广播与转发交换机的广播是指当交换机收到一个数据包时，如果该数据包的目标地址是广播地址或未知地址时，交换机会将该数据包转发到所有设备。
由于广播地址不唯一，所以这种方式不太适合大规模的网络。
交换机的转发是指当交换机收到一个数据包时，如果该数据包的目标地址已经在交换机的转发表中被记录，那么它会将数据包直接转发给目标设备。
如果该数据包的目标地址没有被记录，那么交换机会将数据包广播到所有端口，以便建立新的转发表。
简要说明电路交换的交换方式
简要说明电路交换的交换方式
电路交换是一种通信方式，它是一种建立在两个通信终端之间直接连接的通信方式。
在电路交换中，通信线路在通话过程中一直被占用，直到通话结束才会释放。
电路交换主要是通过交换机来实现通信的连接和控制。
电路交换的交换方式主要有两种，分别是空间交换和时分交换。
空间交换是一种较为传统的交换方式，它通过交换机中的多个交换单元（交换矩阵）来实现不同通信线路之间的连接。
当有通话请求时，交换机会根据通话请求的源地址和目的地址，在交换矩阵中找到一条可用的通路，将两个通信终端直接连接起来。
这样，在通话过程中，通话双方之间的通信线路就会一直被保持连接，直到通话结束。
空间交换的优点是连接速度快，通话质量高，但缺点是需要大量的交换单元，占用空间大且成本高。
时分交换是一种较为先进的交换方式，它是通过时间分割的方式来实现不同通信线路之间的连接。
在时分交换中，交换机会根据通话请求的源地址和目的地址，通过时间分割的方式将两个通信终端连接在同一个物理通信线路上，但在不同的时间片段进行通信。
这样，通话双方之间的通信线路其实是在不同的时间段上进行连接，从而实现了通话的目的。
时分交换的优点是节约了通信资源，提高了通信线路的利用率，但缺点是需要更为精密的时钟同步控制，对通话
质量要求较高。
总的来说，电路交换的交换方式主要包括空间交换和时分交换两种方式。
空间交换通过直接连接通话双方的通信线路来实现通信，速度快质量高但成本大；时分交换通过时间分割的方式来实现通信，节约了通信资源但对时钟同步要求高。
不同的交换方式适用于不同的通信场景，可以根据实际需求来选择合适的交换方式进行通信连接。
交换机的互连技术
交换机的互连技术单独⼀台交换机的端⼝数量是有限的，不⾜以满⾜⽹络终端设备接⼊⽹络的需求。
为此我们需要使⽤多台交换机来提供终端接⼊功能，并将多台交换机互连，形成⼀个局域⽹。
交换机的互连主要有级联(Uplink)和堆叠(Stack)两种⽅式交换机的级联交换机级联是⽬前主流的连接技术，⽹络互联三层模型中的核⼼层交换机、汇聚层交换机、接⼊层交换机之间⼀般都采⽤级联⽅式交换机的级联可以分为以下三种:普通端⼝级联两个RJ45接⼝级联:采⽤交叉双绞线:Uplink端⼝级联使⽤RJ45接⼝和Uplink接⼝进⾏级联:使⽤直通双绞线注意⚠ :使⽤两个Uplink接⼝进⾏级联时，应该采⽤交叉双绞线光纤端⼝级联光纤端⼝级联时:光纤束应该交叉级联的优点采⽤交换机级联⽅式有利于组件结构化⽹络，有利于综合布线，易于理解，易于安装，可以⽅便地实现⼤量端⼝的接⼊。
通过统⼀的⽹管平台，可以实现对全⽹设备的统⼀管理。
级联的缺点当交换机级联层数较多时，层次之间存在较⼤的收敛⽐，将出现较⼤的延时。
解决办法是:提⾼交换机的性能或者减少级联的层次超过⼀定数量的交换机进⾏级联，最终会因此⽹络⼴播风暴，导致⽹络性能严重下降，甚⾄瘫痪。
因此交换机不应该⽆限制级联交换机的堆叠交换机的堆叠就是采⽤交换机专⽤的堆叠线缆通过堆叠模块把两台或多台交换机连接起来。
交换机堆叠技术的思想就是将⼀个交换机作为⼀个模块嵌⼊到另外⼀台交换机注意⚠ :光纤接⼝没有堆叠能⼒，只能被⽤于级联堆叠的连接交换机的堆叠模块有两个端⼝:⼀个是进⼝(IN或UP向上线)，另⼀个是出⼝(OUT或DOWN向下线)。
⽤⼚商提供的⼀条专⽤连接线缆(称为"堆叠线缆")从⼀台交换机的堆叠模块的OUT端⼝直接连接到另⼀台交换机的堆叠模块中的IN端⼝注意⚠ :使⽤堆叠之后，就不能再使⽤级联，否则会产⽣环路，导致⽹络风暴堆叠的优点通过堆叠可以扩展端⼝密度堆叠的端⼝数是有堆叠所有成员设备的端⼝相加得到，所有的端⼝可以当做⼀个设备的端⼝⽅便⽤户的管理操作。
交换机主流交换结构Crossbar-Crosspoint简介与对比
交换结构－Crosspoint和Crossbar我们现在所使用的交换机（不同于以前所说的电话交换机）在交换结构和方法的发展上有过三个阶段：计算机内存交换这种方式目前还能见到的产品主要是各种中低端的路由器产品。
它的数据交换完全依靠CPU的软件实现，处理瓶颈主要在接口总线（I/O Bus）和软件效率。
共享总线式交换这种方式目前还能见到的产品主要是各种基于电脑的接入服务器和代理服务器产品。
它的数据交换是在CPU的调度和控制下，由接口卡彼此交互完成，其处理瓶颈主要在共享总线的带宽。
矩阵式交换目前绝大多高端交换机产品都采用这种交换方式。
我们目前所说的Crosspoint和Crossbar 交换结构都属于这种方式。
其中交换矩阵的内部原理，如同下图所示：每一条输入线路与每个输出线路都有一个交叉点。
在交叉点处由一个半导体开关连接输入线路与输出线路。
当来自某个接口的输入线路需要交换到另一个接口的输出点时，在CPU或交换矩阵控制器的控制下，将交叉点的开关连接，数据就发送到另一个接口。
这种交叉矩阵，一般是由大规模集成电路实现，由于集成电路在交叉点实现规模上存在限制，造成高端交换机在具体实现方式上有三种形式：Crossbar方式：完全依赖交换矩阵方式和芯片的实现方式。
存在两种情况：1.单Crossbar芯片方式：依赖单颗芯片实现的交叉矩阵，限制在于接口规模，目前市场上规模销售的交换机（华为S6506，港湾BigHammer400/800，实达5610，我们的DCS-6512）所使用的Crossbar芯片，多为8口、12口，单口带宽为2G到4G（也就是交换能力为16G到48G）。
芯片厂商现在已经开发出单端口20G的Crossbar芯片，相信不久就会进入市场，但端口规模仍然在8/12口的水平。
2.多Crossbar芯片方式：由于单Crossbar芯片端口规模受限，因此，希望扩大交换机端口数的交换机厂商就用多颗Crossbar芯片搭出完整的交换矩阵。
交换方式实验报告
一、实验目的1. 理解交换方式的基本概念和原理。
2. 掌握交换机的基本配置方法。
3. 熟悉交换机在不同交换方式下的应用。
4. 提高网络搭建和调试能力。
二、实验环境1. 交换机：思科2960S2. 主机：2台PC3. 网线：直通线、交叉线4. 实验软件：Packet Tracer三、实验原理交换方式是指网络中数据传输的方式，主要有以下几种：1. 集中式交换：所有数据包通过中心设备进行转发。
2. 分布式交换：数据包在各个节点之间直接转发，无需经过中心设备。
3. 虚拟交换：通过软件技术实现多个物理交换机共享一个虚拟交换机。
四、实验步骤1. 集中式交换（1）连接设备：将两台PC通过网线连接到交换机的不同端口。
（2）配置交换机：设置交换机的工作模式为透明桥接模式。
（3）配置主机：设置主机IP地址、子网掩码、默认网关。
（4）测试连通性：在两台主机之间进行ping操作，验证连通性。
2. 分布式交换（1）连接设备：将两台PC通过交叉线连接到交换机的不同端口。
（2）配置交换机：设置交换机的工作模式为路由模式。
（3）配置主机：设置主机IP地址、子网掩码、默认网关。
（4）测试连通性：在两台主机之间进行ping操作，验证连通性。
3. 虚拟交换（1）连接设备：将两台PC通过网线连接到交换机的不同端口。
（2）配置交换机：设置交换机的工作模式为虚拟交换模式。
（3）配置主机：设置主机IP地址、子网掩码、默认网关。
（4）测试连通性：在两台主机之间进行ping操作，验证连通性。
五、实验结果与分析1. 集中式交换：在集中式交换方式下，两台主机之间可以正常通信，交换机起到中心节点的转发作用。
2. 分布式交换：在分布式交换方式下，两台主机之间可以正常通信，交换机起到路由器的作用，实现不同子网之间的互通。
3. 虚拟交换：在虚拟交换方式下，两台主机之间可以正常通信，实现了多个物理交换机共享一个虚拟交换机。
六、实验总结通过本次实验，我们对交换方式的基本概念、原理和应用有了更深入的了解。
以太网交换机交换方式学习
以太网交换机交换方式学习在实际使用时，以太网交换机一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。
AD：在实际使用时，以太网交换机一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。
在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向传送设备，半双工甚至单工就能胜任，也无需倒向。
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。
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。
交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。
每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。
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网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。
和HUB 的一点小区别假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出 10Mbps。
HUB集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，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，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。
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。
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交换机 : 交换方式
目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。
目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。
1、直通交换方式（Cut-through）
采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。
它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。
由于它只检查数据包的包头（通常只检查14个字节），不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点。
所谓延迟（Latency）是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间。
它的缺点主要有三个方面：一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；第二，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且容易丢包。
如果要连到高速网络上，如提供快速以太网（100BASE－T）、FDDI或ATM连接，就不能简单地将输入／输出端口“接通”，因为输入／输出端口间有速度上的差异，必须提供缓存；第三，当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难。
2、存储转发方式（Store-and-Forward）
存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一，以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，并过滤掉冲突包错误。
确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。
正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入／输出端口间的交换，可有效地改善网络性能。
它的另一优点就是这种交换方式支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。
实现的办法是将10Mbps低速包存储起来，再通过100Mbps速率转发到端口上。
3、碎片隔离式（Fragment Free）
这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。
它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512 bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。
该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢，但由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。
使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存。
这种缓存是一种先进先出的FIFO（First In First Out），比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。
当帧被接收时，它被保存在FIFO中。
如果帧以小于512比特的长度结束，那么FIFO中的内容（残帧）就会被丢弃。
因此，不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题，是一个非常好的解决方案。
数据包在转发之前将被缓存保存下来，
从而确保碰撞碎片不通过网络传播，能够在很大程度上提高网络传输效率。