弱电智能化-以太网交换机原理与应用

以太网交换机原理与应用

以太网交换机，作为今天我们广为使用的局域网硬件设备，一直为大家所熟悉。它的普

及程度其实是由于以太网的广泛使用，作为今天以太网的主流设备，几乎所有的局域网中都

会有这种设备的存在。看看以下的拓扑，大家会发现，在使用星型拓扑的情况下，以太网中

必然会有交换机的存在，因为所有的主机都是使用电缆集中连接到交换机上从而能够互相连

接的：

其实在最早的星型拓扑中，标准的线缆集中连接设备是“HUB（集线器）”，但是集线

器存在着：共享带宽、端口间冲突等问题，因为大家都知道，标准的以太网是一个“冲突的

网络”，也就是说在一个所谓“冲突域”里面，最多只有两个节点可以互相通讯。而且，虽

然集线器有很多端口，但是其内部结构完全是以太网所谓的“总线结构”，也就是说其内部

只有一条“线路”来进行通信。如果上图中的设备是集线器的话，举个例子来说，假如端口

1 和 2 之间的节点正在通信，其它端口是需要等待的。直接造成的现象也就是，比如端口 1

和 2 所连接节点之间传送数据需要 10 分钟，端口 3 和 4 所在的节点在此同时也开始通过此

集线器传输数据，互相间冲突，造成大家所需的时间都会变久，时间可能会达到 20 分钟才

能传送完毕。也就是说集线器上互相通讯的端口越多，冲突越严重，传送数据所需的时间越

久。

这种问题在小型以太网中并不会造成很大问题，并且可以很好的工作，但是如果网络上

的通讯量有增加，或者连接的节点数目很多的时候，“冲突”会严重影响网络的性能，比如

我们在第一章中讲解以太网原理的时候就解释过优化“冲突域”的问题，这时候我们需要能

够隔离“冲突”的设备，交换机就可以完成这个功能了。

交换机在连接的时候，各个端口之间都可以同时通讯，也就是说端口间是不冲突的，也

可以用来隔离冲突。那么，什么样的原理造成交换机可以达成这个能力呢？我们来看看下图：

我们可以发现，交换机内部存在着桥接的环境，理论上每个端口之间都有独立的通路，

而不是像集线器一样共享带宽。所以，当 1 口与 2 口间正在通讯的时候，3 口与 4 口也可以

同时进行通讯。这样一来理论上不会发生冲突，也就是说不会造成效率的降低。因为这个原

因，交换机才会在今天非常的普及。

刚才我们说交换机理论上可以让所有端口通讯互不影响，为什么强调理论上呢？因为，

事实上出于造价，很少有交换机可以达到我们上图中的所谓“矩阵式交换”的能力，因为大

家从图上也可以看到，为了让端口间绝对的存在可利用通路，每个端口都要预留到任何一个

端口的线路，这种全矩阵交换机的模型实现起来造价非常昂贵，因为要利用大量的 CPU 和

内存，这种工作方式的交换机动辄要价会达到几十万人民币，普通网络环境根本无法使用。

所以造成今天大部分的交换机其实是利用所谓“宽总线式交换”，牺牲带宽来换取造价，其

原理如下图：

宽总线式交换机是在交换机主板上预留一条“数据总线”，就像一条大家公用的公路，

每个端口都可以利用其其中一部分带宽，假如这个总线带宽为 200 兆的话，也就是说最多同

时是允许 2 组 100 兆端口同时可以通讯，其余端口如果也要通讯还是需要等待的，因为带宽

已经分配完毕了。所以，这种方式的设备比较理想工作状态还有一点差距，但是因为几乎不

会有普通交换机的端口会都在同时通讯，总会有些端口处在闲置的状态，所以满足绝大部分

的网络要求是可以满足的。因此，交换机有一项性能参数，叫做“交换容量”，也叫做“背

板带宽”，指的是“交换机可以同时进出所有端口数据量的总合”，其实也就是数据的吞吐能

力。

当然，处在网络核心的一些交换机对这个参数是有要求的。大家不妨考虑下这种状况：

某台核心交换机用 16 个千兆端口连接 16 栋楼宇内的交换机，这台交换机绝对会要求 16 个

端口同时通信，并可能带宽达到饱和状态，也就是说它需要至少 16G 的交换总容量，才能

满足网络需求，这也是我们以后选择交换机交换容量的一种参考。同时我们还要为未来升级

预留扩展，那么为其准备 1 倍的升级空间，即此设备最好有 32G 的交换总容量。为了让大

家对交换机的这个能力有个印象，我们举一些例子，如一般厂商的系列交换机中，低端部门

工作组级交换机的交换容量一般是 2G 左右，汇聚层设备一般为 20G 左右，核心设备从 30G

到 180G 不等。

交换机同时还支持全双工，有学习、过滤和转发的工作原理来优化工作环境，那么什么

是“学习、过滤和转发”呢？我们来看下图：

那么“过滤”呢？既然交换机会“学习”MAC 地址和端口的对应关系，并凭借它来“转

发”数据，人为的也可以作出一些策略，比如禁止某个地址与端口的转发关系，从而可以“过

滤”数据。

从上面我们看到，交换机的名称由来，其实就是所谓数据“转发”过程。这个转发过程

其实还有一些差异，主要有：直通式交换式、存储转发式、碎片隔离式三种。

所谓直通式交换，也就是交换机在收到帧后，只要查看到此帧的目的 MAC 地址，马上

凭借 MAC 地址表向相应的端口转发；这种方式的好处是速度快，转发所需时间短，但问题

是可能同时把一些错误的、无用的帧也同时转发向目地端。

所以各大厂商出于形象考虑，大部分设备使用的是存储转发机制，也就是交换机的每个

端口被分配到一定的缓冲区（内存空间，一般为 64k 大），数据在进入交换机后读取完目标

MAC 地址，凭借 MAC 地址表掌握到转发关系后，数据会一直在此端口的缓冲区内存储，

直到数据填满缓冲区然后一次把所有数据转发到目的，在数据存储在缓冲区期间，交换机会

对数据作出简单效验，如果此时发现错误的数据，就不会转发到目地端，而是在这里直接丢

弃掉了；当然这种方式可以提供更好的数据转发质量，但是相对的转发所需时间就会比直通

交换要长一点。

碎片隔离式也叫改进型直通式交换，利用到直通式的优势就是转发迟延小，同时会检查

每个数据帧的长度。因为原理上，每个以太网帧不可能小于 64 字节，大于 1518 字节。如果

交换机检查到有小过 64 字节或大于 1518 字节的帧，它都会认为这些帧是“残缺帧”或“超

长帧”，那么也会在转发前丢弃掉。这种方式综合了直通交换和存储转发的优势，很多高速

交换机会采用，但是并没有存储转发方式来的普及。

以下是这三种方式的比较图：