交換機

科技名詞定義

中文名稱：

交換機

英文名稱：

switch

定義：

網絡節點上話務承載裝置、交換級、控制和信令裝置以及其他功能單元的集合體。交換機能把使用者線路、電信電路和(或)其他要互連的功能單元根據單個使用者的請求連接配接起來。

應用學科：

通信科技（一級學科）；交換選路（二級學科）

以上内容由全國科學技術名詞審定委員會審定公布

百科名片

以太網交換機

交換機(英文：Switch，意為“開關”)是一種用于電信号轉發的網絡裝置。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信号通路。最常見的交換機是以太網交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等

概念

交換（switching）是按照通信兩端傳輸資訊的需要，用人工或裝置自動完成的方法，把要傳輸的資訊送到符合要求的相應路由上的技術的統稱。根據工作位置的不同，可以分為廣域網交換機和區域網路交換機。廣域的交換機（switch）就是一種在通信系統中完成資訊交換功能的裝置,它應用在資料鍊路層。交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能，可以連接配接一個區域網路或一台高性能伺服器或工作站。實際上，交換機有時被稱為多端口網橋。

在計算機網絡系統中，交換概念的提出改進了共享工作模式。而HUB集線器就是一種共享裝置，HUB本身不能識别目的位址，當同一區域網路内的A主機給B主機傳輸資料時，資料包在以HUB為架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一台終端通過驗證資料標頭的位址資訊來确定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網絡上隻能傳輸一組資料幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。通俗的說，普通交換機是不帶管理功能的，一根進線，其他接口接到電腦上就可以了。

編輯本段原理

工作在資料鍊路層，交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和内部交換矩陣。交換機的所有的端口都挂接在這條背部總線上，控制電路收到資料包以後，處理端口會查找記憶體中的位址對照表以确定目的MAC（網卡的硬體位址）的NIC（網卡）挂接在哪個端口上，通過内部交換矩陣迅速将資料包傳送到目的端口，目的MAC若不存在，廣播到所有的端口，接收端口回應後交換機會“學習”新的位址，并把它添加入内部MAC位址表中。使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照IP位址表，交換機隻允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的減少沖突域，但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的資料傳輸。每一端口都可視為獨立的實體網段（注：非IP網段），連接配接在其上的網絡裝置獨自享有全部的帶寬，無須同其他裝置競争使用。當節點A向節點D發送資料時，節點B可同時向節點C發送資料，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有着自己的虛拟連接配接。假使這裡使用的是10Mbps的以太網交換機，那麼該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。總之，交換機是一種基于MAC位址識别，能完成封裝轉發資料幀功能的網絡裝置。交換機可以“學習”MAC位址，并把其存放在内部位址表中，通過在資料幀的始發者和目标接收者之間建立臨時的交換路徑，使資料幀直接由源位址到達目的位址。

編輯本段技術發展

起源

“交換機”是一個舶來詞，源自英文“Switch”，原意是“開關”，我國技術界在引入這個詞彙時，翻譯為“交換”。在英文中，動詞“交換”和名詞“交換機”是同一個詞（注意這裡的“交換”特指電信技術中的信号交換，與物品交換不是同一個概念）。

1993年，區域網路交換裝置出現，1994年，國内掀起了交換網絡技術的熱潮。其實，交換技術是一個具有簡化、低價、高性能和高端口密集特點的交換産品，展現了橋接技術的複雜交換技術在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機按每一個包中的MAC位址相對簡單地決策資訊轉發。而這種轉發決策一般不考慮包中隐藏的更深的其他資訊。與橋接器不同的是交換機轉發延遲很小，操作接近單個區域網路性能，遠遠超過了普通橋接網際網路絡之間的轉發性能。

交換技術允許共享型和專用型的區域網路段進行帶寬調整，以減輕區域網路之間資訊流通出現的瓶頸問題。已有以太網、快速以太網、FDDI和ATM技術的交換産品。

類似傳統的橋接器，交換機提供了許多網絡互聯功能。交換機能經濟地将網絡分成小的沖突網域，為每個工作站提供更高的帶寬。協定的透明性使得交換機在軟體配置簡單的情況下直接安裝在多協定網絡中；交換機使用現有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網卡，不必作高層的硬體更新；交換機對工作站是透明的，這樣管理開銷低廉，簡化了網絡節點的增加、移動和網絡變化的操作。

利用專門設計的內建電路可使交換機以線路速率在所有的端口并行轉發資訊，提供了比傳統橋接器高得多的操作性能。如理論上單個以太網端口對含有64個八進制數的資料包，可提供14880bps的傳輸速率。這意味着一台具有12個端口、支援6道并行資料流的“線路速率”以太網交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道資訊流X14880bps/道資訊流）。專用內建電路技術使得交換器在更多端口的情況下得以實作上述性能，其端口造價低于傳統型橋接器。

人工交換

電信号交換的曆史應當追溯到電話出現的初期。當電話被發明後，隻需要一根足夠長的導線，加上末端的兩台電話，就可以使相距很遠的兩個人進行語音交談。

電話增多後，要使每個擁有電話的人都能互相通信，我們不可能每兩台電話機之間都拉上一根線。于是人們設立了電話局，每個電話使用者都接一根線到電話局的一個大電路闆上。當A希望和B通話時，就請求電話局的接線員接通B的電話。接線員用一根導線，一頭插在A接到電路闆上的孔，另一頭插到B的孔，這就是“接續”，相當于臨時給A和B拉了一條電話線，這時雙方就可以通話了。當通話完畢後，接線員将電線拆下，這就是“拆線”。整個過程就是“人工交換”，它實際上就是一個“合上開關”和“斷開開關”的過程。是以，把“交換”譯為“開關”從技術上講更容易讓人了解。

電路程控

人工交換的效率太低，不能滿足大規模部署電話的需要。随着半導體技術的發展和開關電路技術的成熟，人們發現可以利用電子技術替代人工交換。電話終端使用者隻要向電子裝置發送一串電信号，電子裝置就可以根據預先設定的程式，将請求方和被請求方的電路接通，并且獨占此電路，不會與第三方共享（當然，由于設計缺陷的緣故，可能會出現多人共享電路的情況，也就是俗稱的“串線”）。這種交換方式被稱為“程控交換”。而這種裝置也就是“程控交換機”。

由于程控交換的技術長期被發達國家壟斷，裝置昂貴，我國的電話普及率一直不高。随着當年華為、中興通訊等企業陸續自主研制出程控交換機，電話在我國得到迅速地普及。

語音程控交換機普遍使用的通信協定為七号信令（Signalling System No.7）

随着計算機及其互聯技術（也即通常所謂的“網絡技術”）的迅速發展，以太網成為了迄今為止普及率最高的短距離二層計算機網絡。而以太網的核心部件就是以太網交換機。

不論是人工交換還是程控交換，都是為了傳輸語音信号，是需要獨占線路的“電路交換”。而以太網是一種計算機網絡，需要傳輸的是資料，是以采用的是“分組交換”。但無論采取哪種交換方式，交換機為兩點間提供“獨享通路”的特性不會改變。就以太網裝置而言，交換機和集線器的本質差別就在于：當A發資訊給B時，如果通過集線器，則接入集線器的所有網絡節點都會收到這條資訊（也就是以廣播形式發送），隻是網卡在硬體層面就會過濾掉不是發給本機的資訊；而如果通過交換機，除非A通知交換機廣播，否則發給B的資訊C絕不會收到（擷取交換機控制權限進而監聽的情況除外）。

以太網交換機廠商根據市場需求，推出了三層甚至四層交換機。但無論如何，其核心功能仍是二層的以太網資料包交換，隻是帶有了一定的處理IP層甚至更高層資料包的能力。網絡交換機是一個擴大網絡的器材，能為子網絡中提供更多的連接配接端口，以便連接配接更多的計算機。随着通信業的發展以及國民經濟資訊化的推進，網絡交換機市場呈穩步上升态勢。它具有性能價格比高、高度靈活、相對簡單、易于實作等特點。

光交換

光交換是人們正在研制的下一代交換技術。所有的交換技術都是基于電信号的，即使是的光纖交換機也是先将光信号轉為電信号，經過交換處理後，再轉回光信号發到另一根光纖。由于光電轉換速率較低，同時電路的處理速度存在實體學上的瓶頸，是以人們希望設計出一種無需經過光電轉換的“光交換機”，其内部不是電路而是光路，邏輯原件不是開關電路而是開關光路。這樣将大大提高交換機的處理速率。

編輯本段遠端配置

遠端配置交換機

交換機除了可以通過“Console”端口與計算機直接連接配接，還可以通過普通端口連接配接。此時配置交換機就不能用本地配置，而是需要通過Telnet或者Web浏覽器的方式實作交換機配置。具體配置方法如下：

1、Telnet

Telnet協定是一種遠端通路協定，可以通過它登入到交換機進行配置。

假設交換機IP為：192.168.0.1，通過Telnet進行交換機配置隻需兩步：

第1步，單機開始，運作，輸入“Telnet 192.168.0.1”

第2步，輸入好後，單擊“确定”按鈕，或單擊Enter鍵，建立與遠端交換機的連接配接。然後，就可以根據實際需要對該交換機進行相應的配置和管理了。

2、Web

通過Web界面，可以對交換機設定，方法如下：

第1步，運作Web浏覽器，在位址欄中輸入交換機IP，回車，彈出如下對話框。

第2步，輸入正确的使用者名和密碼。

第3步，連接配接建立，可進入交換機配置系統。

第4步，根據提示進行交換機設定和參數修改。

編輯本段分類

交換機的傳輸模式有全雙工，半雙工，全雙工/半雙工自适應

交換機的全雙工是指交換機在發送資料的同時也能夠接收資料，兩者同步進行，這好像我們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音。交換機都支援全雙工。全雙工的好處在于遲延小，速度快。

提到全雙工，就不能不提與之密切對應的另一個概念，那就是“半雙工”，所謂半雙工就是指一個時間段内隻有一個動作發生，舉個簡單例子，一條窄窄的馬路，同時隻能有一輛車通過，當有兩輛車對開，這種情況下就隻能一輛先過，等到頭兒後另一輛再開，這個例子就形象的說明了半雙工的原理。早期的對講機、以及早期集線器等裝置都是實行半雙工的産品。随着技術的不斷進步，半雙工會逐漸退出曆史舞台。

從廣義上來看，網絡交換機分為兩種：廣域網交換機和區域網路交換機。廣域網交換機主要應用于電信領域，提供通信用的基礎平台。而區域網路交換機則應用于區域網路絡，用于連接配接終端裝置，如PC機及網絡列印機等。從傳輸媒體和傳輸速度上可分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環交換機等。從規模應用上又可分為企業級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是完全一緻的，一般來講，企業級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式（插槽數較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應用的規模來看，作為骨幹交換機時，支援500個資訊點以上大型企業應用的交換機為企業級交換機，支援300個資訊點以下中型企業的交換機為部門級交換機，而支援100個資訊點以内的交換機為工作組級交換機。本文所介紹的交換機指的是區域網路交換機。

編輯本段功能

交換機的主要功能包括實體編址、網絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流控。交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛拟區域網路）的支援、對鍊路彙聚的支援，甚至有的還具有防火牆的功能。

學習：以太網交換機了解每一端口相連裝置的MAC位址，并将位址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC位址表中。

轉發/過濾：當一個資料幀的目的位址在MAC位址表中有映射時，它被轉發到連接配接目的節點的端口而不是所有端口（如該資料幀為廣播/多點傳播幀則轉發至所有端口）。

消除回路：當交換機包括一個備援回路時，以太網交換機通過生成樹協定避免回路的産生，同時允許存在後備路徑。

交換機除了能夠連接配接同種類型的網絡之外，還可以在不同類型的網絡（如以太網和快速以太網）之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支援快速以太網或FDDI等的高速連接配接端口，用于連接配接網絡中的其它交換機或者為帶寬占用量大的關鍵伺服器提供附加帶寬。

一般來說，交換機的每個端口都用來連接配接一個獨立的網段，但是有時為了提供更快的接入速度，我們可以把一些重要的網絡計算機直接連接配接到交換機的端口上。這樣，網絡的關鍵伺服器和重要使用者就擁有更快的接入速度，支援更大的資訊流量。

最後簡略的概括一下交換機的基本功能：

1．像集線器一樣，交換機提供了大量可供線纜連接配接的端口，這樣可以采用星型拓撲布線。

2．像中繼器、集線器和網橋那樣，當它轉發幀時，交換機會重新産生一個不失真的方形電信号。

3．像網橋那樣，交換機在每個端口上都使用相同的轉發或過濾邏輯。

4．像網橋那樣，交換機将區域網路分為多個沖突域，每個沖突域都是有獨立的寬帶，是以大大提高了區域網路的帶寬。

5．除了具有網橋、集線器和中繼器的功能以外，交換機還提供了更先進的功能，如虛拟區域網路（VLAN）和更高的性能。

編輯本段産品比較

傳統交換機從網橋發展而來，屬于OSI第二層即資料鍊路層裝置。它根據MAC位址尋址，通過站表選擇路由，站表的建立和維護由交換機自動進行。路由器屬于OSI第三層即網絡層裝置，它根據IP位址進行尋址，通過路由表路由協定産生。交換機最大的好處是快速，由于交換機隻須識别幀中MAC位址，直接根據MAC位址産生選擇轉發端口算法簡單，便于ASIC實作，是以轉發速度極高。但交換機的工作機制也帶來一些問題。

1．回路：根據交換機位址學習和站表建立算法，交換機之間不允許存在回路。一旦存在回路，必須啟動生成樹算法，阻塞掉産生回路的端口。而路由器的路由協定沒有這個問題，路由器之間可以有多條通路來平衡負載，提高可靠性。

2．負載集中：交換機之間隻能有一條通路，使得資訊集中在一條通信鍊路上，不能進行動态配置設定，以平衡負載。而路由器的路由協定算法可以避免這一點，OSPF路由協定算法不但能産生多條路由，而且能為不同的網絡應用選擇各自不同的最佳路由。

3．廣播控制：交換機隻能縮小沖突域，而不能縮小廣播域。整個交換式網絡就是一個大的廣播域，廣播封包散到整個交換式網絡。而路由器可以隔離廣播域，廣播封包不能通過路由器繼續進行廣播。

4．子網劃分：交換機隻能識别MAC位址。MAC位址是實體位址，而且采用平坦的位址結構，是以不能根據MAC位址來劃分子網。而路由器識别IP位址，IP位址由網絡管理者配置設定，是邏輯位址且IP位址具有層次結構，被劃分成網絡号和主機号，可以非常友善地用于劃分子網，路由器的主要功能就是用于連接配接不同的網絡。

5．保密問題：雖說交換機也可以根據幀的源MAC位址、目的MAC位址和其他幀中内容對幀實施過濾，但路由器根據封包的源IP位址、目的IP位址、TCP端口位址等内容對封包實施過濾，更加直覺友善。

編輯本段集線比較

1．從OSI體系結構來看，集線器屬于第一層實體層裝置，而交換機屬于OSI的第二層資料鍊路層裝置。也就是說集線器隻是對資料的傳輸起到同步、放大和×××的作用，對于資料傳輸中的短幀=碎片等無法進行有效的處理，不能保證資料傳輸的完整性和正确性；而交換機不但可以對資料的傳輸做到同步、放大和×××，而且可以過濾短幀、碎片等。

2．從工作方式看，集線器是一種廣播模式，也就是說集線器的某個端口工作的時候，其它所有端口都能夠收聽到資訊，容易産生廣播風暴，當網絡較大時網絡性能會受到很大影響；而交換機就能夠避免這種現象，當交換機工作的時候，隻有送出請求的端口與目的端口之間互相響應而不影響其它端口，是以交換機就能夠隔離沖突域并有效地抑制廣播風暴的産生。

3．從帶寬來看，集線器不管有多少個端口，所有端口都共享一條帶寬，在同一時刻隻能有兩個端口傳送資料，其它端口隻能等待，同時集線器隻能工作在半雙工模式下；而對于交換機而言，每個端口都有一條獨占的帶寬，當兩個端口工作時不影響其它端口的工作，同時交換機不但可以工作在半雙工模式下而且可以工作在全雙工模式下。

編輯本段交換方式

交換機通過以下三種方式進行交換：

1) 直通式：

直通方式的以太網交換機可以了解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它在輸入端口檢測到一個資料包時，檢查該包的標頭，擷取包的目的位址，啟動内部的動态查找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把資料包直通到相應的端口，實作交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非常快，這是它的優點。它的缺點是，因為資料包内容并沒有被以太網交換機儲存下來，是以無法檢查所傳送的資料包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由于沒有緩存，不能将具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丢包。

2)存儲轉發：

存儲轉發方式是計算機網絡領域應用最為廣泛的方式。它把輸入端口的資料包先存儲起來，然後進行CRC（循環備援碼校驗）檢查，在對錯誤包處理後才取出資料包的目的位址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發方式在資料處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的資料包進行錯誤檢測，有效地改善網絡性能。尤其重要的是它可以支援不同速度的端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協同工作。

3) 碎片隔離：

這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查資料包的長度是否夠64個位元組，如果小于64位元組，說明是假包，則丢棄該包；如果大于64位元組，則發送該包。這種方式也不提供資料校驗。它的資料處理速度比存儲轉發方式快，但比直通式慢。

編輯本段交換技術

端×××換

端×××換技術最早出現在插槽式的集線器中，這類集線器的背闆通常劃分有多條以太網段（每條網段為一個廣播域），不用網橋或路由連接配接，網絡之間是互不相通的。以大主子產品插入後通常被配置設定到某個背闆的網段上，端×××換用于将以太子產品的端口在背闆的多個網段之間進行配置設定、平衡。根據支援的程度，端×××換還可細分為：

·子產品交換：将整個子產品進行網段遷移。

·端口組交換：通常子產品上的端口被劃分為若幹組，每組端口允許進行網段遷移。

·端口級交換：支援每個端口在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基于OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優點。如果配置得當，那麼還可以在一定程度進行容錯，但沒有改變共享傳輸媒體的特點，自而未能稱之為真正的交換。

幀交換

幀交換是應用最廣的區域網路交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行微分段，提供并行傳送的機制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講每個公司的産品的實作技術均會有差異，但對網絡幀的處理方式一般有以下幾種：

直通交換：提供線速處理能力，交換機隻讀出網絡幀的前14個位元組，便将網絡幀傳送到相應的端口上。

存儲轉發：通過對網絡幀的讀取進行驗錯和控制。

前一種方法的交換速度非常快，但缺乏對網絡幀進行更進階的控制，缺乏智能性和安全性，同時也無法支援具有不同速率的端口的交換。是以，各廠商把後一種技術作為重點。

有的廠商甚至對網絡幀進行分解，将幀分解成固定大小的信元，該信元處理極易用硬體實作，處理速度快，同時能夠完成進階控制功能（如美國MADGE公司的LET集線器）如優先級控制。

信元交換

ATM技術采用固定長度53個位元組的信元交換。由于長度固定，因而便于用硬體實作。ATM采用專用的非差别連接配接，并行運作，可以通過一個交換機同時建立多個節點，但并不會影響每個節點之間的通信能力。ATM還容許在源節點和目标、節點建立多個虛拟連結，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統計時分電路進行複用，因而能大大提高通道的使用率。ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。但随着萬兆以太網的出現，曾經代表網絡和通訊技術發展的未來方向的ATM技術，開始逐漸失去存在的意義。

編輯本段發展前景

作為區域網路的主要連接配接裝置，以太網交換機成為應用普及最快的網絡裝置之一。随着交換技術的不斷發展，以太網交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。

如果你的以太網絡上擁有大量的使用者、繁忙的應用程式和各式各樣的伺服器，而且你還未對網絡結構做出任何調整，那麼整個網絡的性能可能會非常低。解決方法之一是在以太網上添加一個10/100Mbps的交換機，它不僅可以處理10Mbps的正常以太網資料流，而且還可以支援100Mbps的快速以太網連接配接。

如果網絡的使用率超過了40%，并且碰撞率大于10%，交換機可以幫你解決一點問題。帶有100Mbps快速以太網和10Mbps以太網端口的交換機可以全雙工方式運作，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接配接。

不僅不同網絡環境下交換機的作用各不相同，在同一網絡環境下添加新的交換機和增加現有交換機的交換端口對網絡的影響也不盡相同。充分了解和掌握網絡的流量模式是能否發揮交換機作用的一個非常重要的因素。因為使用交換機的目的就是盡可能的減少和過濾網絡中的資料流量，是以如果網絡中的某台交換機由于安裝位置設定不當，幾乎需要轉發接收到的所有資料包的話，交換機就無法發揮其優化網絡性能的作用，反而降低了資料的傳輸速度，增加了網絡延遲。

除安裝位置之外，如果在那些負載較小，資訊量較低的網絡中也盲目添加交換機的話，同樣也可能起到負面影響。受資料包的處理時間、交換機的緩沖區大小以及需要重新生成新資料包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機更為理想。是以，我們不能一概認為交換機就比HUB有優勢，尤其當使用者的網絡并不擁擠，尚有很大的可利用空間時，使用HUB更能夠充分利用網絡的現有資源。

編輯本段層數差別

二層交換機，三層交換機及四層交換機的差別

二層交換

二層交換技術的發展比較成熟，二層交換機屬資料鍊路層裝置，可以識别資料包中的MAC位址資訊，根據MAC位址進行轉發，并将這些MAC位址與對應的端口記錄在自己内部的一個位址表中。

具體的工作流程如下：

1) 當交換機從某個端口收到一個資料包，它先讀取標頭中的源MAC位址，這樣它就知道源MAC位址的機器是連在哪個端口上的；

2) 再去讀取標頭中的目的MAC位址，并在位址表中查找相應的端口；

3) 如表中有與這目的MAC位址對應的端口，把資料包直接複制到這端口上；

4) 如表中找不到相應的端口則把資料包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以記錄這一目的MAC位址與哪個端口對應，在下次傳送資料時就不再需要對所有端口進行廣播了。不斷的循環這個過程，對于全網的MAC位址資訊都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的位址表。

從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：

1) 由于交換機對多數端口的資料進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那麼這交換機就可以實作線速交換

2) 學習端口連接配接的機器的MAC位址，寫入位址表，位址表的大小（一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數值），位址表大小影響交換機的接入容量

3) 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理資料包轉發的ASIC（Application specific Integrated Circuit，專用內建電路）晶片，是以轉發速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響産品性能。

以上三點也是評判二、三層交換機性能優劣的主要技術參數，這一點請大家在考慮裝置選型時注意比較。

三層交換

下面先來通過一個簡單的網絡來看看三層交換機的工作過程。

使用IP的裝置A------------------------三層交換機------------------------使用IP的裝置B

比如A要給B發送資料，已知目的IP，那麼A就用子網路遮罩取得網絡位址，判斷目的IP是否與自己在同一網段。如果在同一網段，但不知道轉發資料所需的MAC位址，A就發送一個ARP請求，B傳回其MAC位址，A用此MAC封裝資料包并發送給交換機，交換機起用二層交換子產品，查找MAC位址表，将資料包轉發到相應的端口。

如果目的IP位址顯示不是同一網段的，那麼A要實作和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC位址條目，就将第一個正常資料包發送向一個預設網關，這個預設網關一般在作業系統中已經設好，這個預設網關的IP對應第三層路由子產品，是以對于不是同一子網的資料，最先在MAC表中放的是預設網關的MAC位址（由源主機A完成）；然後就由三層子產品接收到此資料包，查詢路由表以确定到達B的路由，将構造一個新的幀頭，其中以預設網關的MAC位址為源MAC位址，以主機B的MAC位址為目的MAC位址。通過一定的識别觸發機制，确立主機A與B的MAC位址及轉發端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以後的A到B的資料（三層交換機要确認是由A到B而不是到C的資料，還要讀取幀中的IP位址。），就直接交由二層交換子產品完成。這就通常所說的一次路由多次轉發。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：

1）由硬體結合實作資料的高速轉發。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由子產品直接疊加在二層交換的高速背闆總線上，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背闆帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數。

2）簡潔的路由軟體使路由過程簡化。大部分的資料轉發，除了必要的路由選擇交由路由軟體處理，都是由二層子產品高速轉發，路由軟體大多都是經過處理的高效優化軟體，并不是簡單照搬路由器中的軟體。

二層和三層交換機的選擇

二層交換機用于小型的區域網路絡。這個就不用多言了，在小型區域網路中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低廉價格為小型網絡使用者提供了很完善的解決方案。

三層交換機的優點在于接口類型豐富，支援的三層功能強大，路由能力強大，适合用于大型的網絡間的路由，它的優勢在于選擇最佳路由，負荷分擔，鍊路備份及和其他網絡進行路由資訊的交換等等路由器所具有功能。

三層交換機的最重要的功能是加快大型區域網路絡内部的資料的快速轉發，加入路由功能也是為這個目的服務的。如果把大型網絡按照部門，地域等等因素劃分成一個個小區域網路，這将導緻大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實作網際互訪；如單純的使用路由器，由于接口數量有限和路由轉發速度慢，将限制網絡的速度和網絡規模，采用具有路由功能的快速轉發的三層交換機就成為首選。

一般來說，在内網資料流量大，要求快速轉發響應的網絡中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，将網間的路由交由路由器去完成，充分發揮不同裝置的優點，不失為一種好的組網政策，當然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網際互連。

四層交換

第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC位址(第二層網橋)或源/目标IP位址（第三層路由），而且依據TCP/UDP(第四層) 應用端口号。第四層交換功能就象是虛IP，指向實體伺服器。它傳輸的業務服從的協定多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協定。這些業務在實體伺服器基礎上，需要複雜的載量平衡算法。

在IP世界，業務類型由終端TCP或UDP端口位址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP位址、TCP和UDP端口共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的伺服器組設立虛IP位址（VIP），每組伺服器支援某種應用。在域名伺服器（DNS）中存儲的每個應用伺服器位址是VIP，而不是真實的伺服器位址。當某使用者申請應用時，一個帶有目标伺服器組的VIP連接配接請求（例如一個TCP SYN包）發給伺服器交換機。伺服器交換機在組中選取最好的伺服器，将終端位址中的VIP用實際伺服器的IP取代，并将連接配接請求傳給伺服器。這樣，同一區間所有的包由伺服器交換機進行映射，在使用者和同一伺服器間進行傳輸。

特點：

OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網絡源和目标系統之間協調通信。在IP協定棧中這是TCP（一種傳輸協定）和UDP（使用者資料包協定）所在的協定層。

在第四層中，TCP和UDP标題包含端口号（port number），它們可以唯一區分每個資料包包含哪些應用協定（例如HTTP、FTP等）。端點系統利用這種資訊來區分包中的資料，尤其是端口号使一個接收端計算機系統能夠确定它所收到的IP包類型，并把它交給合适的高層軟體。端口号和裝置IP位址的組合通常稱作"插口（socket）"。1和255之間的端口号被保留，他們稱為"熟知"端口，也就是說，在所有主機TCP/I P協定棧實作中，這些端口号是相同的。除了"熟知"端口外，标準UNIX服務配置設定在256到1024端口範圍，定制的應用一般在1024以上配置設定端口号。配置設定端口号的清單可以在RFC1700 "AssignedNumbers"上找到。

TCP/UDP端口号提供的附加資訊可以為網絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。具有第四層功能的交換機能夠起到與伺服器相連接配接的"虛拟IP"(VIP)前端的作用。每台伺服器和支援單一或通用應用的伺服器組都配置一個VIP位址。這個VIP位址被發送出去并在域名系統上注冊。在發出一個服務請求時，第四層交換機通過判定TCP開始，來識别一次會話的開始。然後它利用複雜的算法來确定處理這個請求的最佳伺服器。一旦做出這種決定，交換機就将會話與一個具體的IP位址聯系在一起，并用該伺服器真正的IP位址來代替伺服器上的VIP位址。

每台第四層交換機都儲存一個與被選擇的伺服器相配的源IP位址以及源TCP端口相關聯的連接配接表。然後第四層交換機向這台伺服器轉發連接配接請求。所有後續包在客戶機與伺服器之間重新影射和轉發，直到交換機發現會話為止。在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的伺服器連接配接在一起來滿足使用者制定的規則，諸如使每台伺服器上有相等數量的接入或根據不同伺服器的容量來配置設定傳輸流。

1) 速度

為了在企業網中行之有效，第四層交換必須提供與第三層線速路由器可比拟的性能。也就是說，第四層交換必須在所有端口以全媒體速度操作，即使在多個千兆以太網連接配接上亦如此。千兆以太網速度等于以每秒1488000 個資料包的最大速度路由(假定最壞的情形，即所有包為以及網定義的最小尺寸，長64位元組)。

2)伺服器容量平衡算法

依據所希望的容量平衡間隔尺寸，第四層交換機将應用配置設定給伺服器的算法有很多種，有簡單的檢測環路最近的連接配接、檢測環路時延或檢測伺服器本身的閉環回報。在所有的預測中，閉環回報提供反映伺服器現有業務量的最精确的檢測。

3) 表容量

應注意的是，進行第四層交換的交換機需要有區分和存貯大量發送表項的能力。交換機在一個企業網的核心時尤其如此。許多第二/三層交換機傾向發送表的大小與網絡裝置的數量成正比。對第四層交換機，這個數量必須乘以網絡中使用的不同應用協定和會話的數量。因而發送表的大小随端點裝置和應用類型數量的增長而迅速增長。第四層交換機設計者在設計其産品時需要考慮表的這種增長。大的表容量對制造支援線速發送第四層流量的高性能交換機至關重要。

4) 備援

第四層交換機内部有支援備援拓撲結構的功能。在具有雙鍊路的網卡容錯連接配接時，就可能建立從一個伺服器到網卡，鍊路和伺服器交換器的完全備援系統。

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