交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)之“前世今生”篇
交換機(jī)“前世”——技術(shù)發(fā)展史
起源
“交換機(jī)”是一個(gè)舶來詞，源自英文“Switch，原意是“開關(guān)”，我國(guó)技術(shù)界在引入這個(gè)詞匯時(shí)，翻譯為“交換”。在英文中，動(dòng)詞“交換”和名詞“交換機(jī)”是同一個(gè)詞（注意這里的“交換”特指電信技術(shù)中的信號(hào)交換，與物品交換不是同一個(gè)概念）。
1993年，局域網(wǎng)交換設(shè)備出現(xiàn)，1994年，國(guó)內(nèi)掀起了交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的熱潮。其實(shí)，交換技術(shù)是一個(gè)具有簡(jiǎn)化、低價(jià)、高性能和高端口密集特點(diǎn)的交換產(chǎn)品，體現(xiàn)了橋接技術(shù)的復(fù)雜交換技術(shù)在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機(jī)按每一個(gè)包中的MAC地址相對(duì)簡(jiǎn)單地決策信息轉(zhuǎn)發(fā)。而這種轉(zhuǎn)發(fā)決策一般不考慮包中隱藏的更深的其他信息。與橋接器不同的是交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延遲很小，操作接近單個(gè)局域網(wǎng)性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通橋接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)性能。
交換技術(shù)允許共享型和專用型的局域網(wǎng)段進(jìn)行帶寬調(diào)整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出現(xiàn)的瓶頸問題?，F(xiàn)在已有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術(shù)的交換產(chǎn)品。
類似傳統(tǒng)的橋接器，交換機(jī)提供了許多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。交換機(jī)能經(jīng)濟(jì)地將網(wǎng)絡(luò)分成小的沖突網(wǎng)域，為每個(gè)工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機(jī)在軟件配置簡(jiǎn)單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中；交換機(jī)使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網(wǎng)卡，不必作高層的硬件升級(jí)；交換機(jī)對(duì)工作站是透明的，這樣管理開銷低廉，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加、移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)變化的操作。
利用專門設(shè)計(jì)的集成電路可使交換機(jī)以線路速率在所有的端口并行轉(zhuǎn)發(fā)信息，提供了比傳統(tǒng)橋接器高得多的操作性能。如理論上單個(gè)以太網(wǎng)端口對(duì)含有64個(gè)八進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)包，可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一臺(tái)具有12個(gè)端口、支持6道并行數(shù)據(jù)流的“線路速率”以太網(wǎng)交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流X14880bps/道信息流）。專用集成電路技術(shù)使得交換器在更多端口的情況下得以實(shí)現(xiàn)上述性能，其端口造價(jià)低于傳統(tǒng)型橋接器。
人工交換
電信號(hào)交換的歷史應(yīng)當(dāng)追溯到電話出現(xiàn)的初期。當(dāng)電話被發(fā)明后，只需要一根足夠長(zhǎng)的導(dǎo)線，加上末端的兩臺(tái)電話，就可以使相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)人進(jìn)行語音交談。
電話增多后，要使每個(gè)擁有電話的人都能相互通信，我們不可能每?jī)膳_(tái)電話機(jī)之間有拉上一根線。于是人們?cè)O(shè)立了電話局，每個(gè)電話用戶都接一根線到電話局的一個(gè)大電路板上。當(dāng)A希望和B通話時(shí)，就請(qǐng)求電話局的接線員接通B的電話。接線員用一根導(dǎo)線，一頭插在A接到電路板上的孔，另一頭插到B的孔，這就是“接續(xù)”，相當(dāng)于臨時(shí)給A和B拉了一條電話線，這時(shí)雙方就可以通話了。當(dāng)通話完畢后，接線員將電線拆下，這就是“拆線”。整個(gè)過程就是“人工交換”，它實(shí)際上就是一個(gè)“合上開關(guān)”和“斷開開關(guān)”的過程。因此，把“交換”譯為“開關(guān)”從技術(shù)上講更容易讓人理解。
電路程控交換機(jī)
人工交換的效率太低，不能滿足大規(guī)模部署電話的需要。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和開關(guān)電路技術(shù)的成熟，人們發(fā)現(xiàn)可以利用電子技術(shù)替代人工交換。電話終端用戶只要向電子設(shè)備發(fā)送一串電信號(hào)，電子設(shè)備就可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，將請(qǐng)求方和被請(qǐng)求方的電路接通，并且獨(dú)占此電路，不會(huì)與第三方共享（當(dāng)然，由于設(shè)計(jì)缺陷的緣故，可能會(huì)出現(xiàn)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”。而這種設(shè)備也就是“程控交換機(jī)”。
由于程控交換的技術(shù)長(zhǎng)期被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，設(shè)備昂貴，我國(guó)的電話普及率一直不高。隨著當(dāng)年華為、中興通訊等企業(yè)陸續(xù)自主研制出程控交換機(jī)，電話在我國(guó)得到迅速地普及。目前，語音程控交換機(jī)普遍使用的通信協(xié)議為七號(hào)信令（Signalling System No.7）
以太網(wǎng)交換機(jī)
隨著計(jì)算機(jī)及其互聯(lián)技術(shù)（也即通常所謂的“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”）的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)成為了迄今為止普及率***的短距離二層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。而以太網(wǎng)的核心部件就是以太網(wǎng)交換機(jī)。不論是人工交換還是程控交換，都是為了傳輸語音信號(hào)，是需要獨(dú)占線路的“電路交換”。而以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，需要傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，因此采用的是“分組交換”。但無論采取哪種交換方式，交換機(jī)為兩點(diǎn)間提供“獨(dú)享通路”的特性不會(huì)改變。
就以太網(wǎng)設(shè)備而言，交換機(jī)和集線器的本質(zhì)區(qū)別就在于：當(dāng)A發(fā)信息給B時(shí)，如果通過集線器，則接入集線器的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到這條信息（也就是以廣播形式發(fā)送），只是網(wǎng)卡在硬件層面就會(huì)過濾掉不是發(fā)給本機(jī)的信息；而如果通過交換機(jī)，除非A通知交換機(jī)廣播，否則發(fā)給B的信息C絕不會(huì)收到（獲取交換機(jī)控制權(quán)限從而監(jiān)聽的情況除外）。
目前，以太網(wǎng)交換機(jī)廠商根據(jù)市場(chǎng)需求，推出了三層甚至四層交換機(jī)。但無論如何，其核心功能仍是二層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換，只是帶有了一定的處理IP層甚至更高層數(shù)據(jù)包的能力。
光交換
光交換是人們正在研制的下一代交換技術(shù)。目前所有的交換技術(shù)都是基于電信號(hào)的，即使是目前的光纖交換機(jī)也是先將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過交換處理后，再轉(zhuǎn)回光信號(hào)發(fā)到另一根光纖。由于光電轉(zhuǎn)換速率較低，同時(shí)電路的處理速度存在物理學(xué)上的瓶頸，因此人們希望設(shè)計(jì)出一種無需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的“光交換機(jī)”，其內(nèi)部不是電路而是光路，邏輯原件不是開關(guān)電路而是開關(guān)光路。這樣將大大提高交換機(jī)的處理速率。
交換機(jī)“今生”——發(fā)展前景
作為局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備，以太網(wǎng)交換機(jī)成為應(yīng)用普及最快的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之一。隨著交換技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)的價(jià)格急劇下降，交換到桌面已是大勢(shì)所趨。
如果你的以太網(wǎng)絡(luò)上擁有大量的用戶、繁忙的應(yīng)用程序和各式各樣的服務(wù)器，而且你還未對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出任何調(diào)整，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能可能會(huì)非常低。解決方法之一是在以太網(wǎng)上添加一個(gè)10/100Mbps的交換機(jī)，它不僅可以處理10Mbps的常規(guī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，而且還可以支持100Mbps的快速以太網(wǎng)連接。
如果網(wǎng)絡(luò)的利用率超過了40%，并且碰撞率大于10%，交換機(jī)可以幫你解決一點(diǎn)問題。帶有100Mbps快速以太網(wǎng)和10Mbps以太網(wǎng)端口的交換機(jī)可以全雙工方式運(yùn)行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連接。
不僅不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下交換機(jī)的作用各不相同，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下添加新的交換機(jī)和增加現(xiàn)有交換機(jī)的交換端口對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響也不盡相同。充分了解和掌握網(wǎng)絡(luò)的流量模式是能否發(fā)揮交換機(jī)作用的一個(gè)非常重要的因素。因?yàn)槭褂媒粨Q機(jī)的目的就是盡可能的減少和過濾網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，所以如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)交換機(jī)由于安裝位置設(shè)置不當(dāng)，幾乎需要轉(zhuǎn)發(fā)接收到的所有數(shù)據(jù)包的話，交換機(jī)就無法發(fā)揮其優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的作用，反而降低了數(shù)據(jù)的傳輸速度，增加了網(wǎng)絡(luò)延遲。
除安裝位置之外，如果在那些負(fù)載較小，信息量較低的網(wǎng)絡(luò)中也盲目添加交換機(jī)的話，同樣也可能起到負(fù)面影響。受數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間、交換機(jī)的緩沖區(qū)大小以及需要重新生成新數(shù)據(jù)包等因素的影響，在這種情況下使用簡(jiǎn)單的HUB要比交換機(jī)更為理想。因此，我們不能一概認(rèn)為交換機(jī)就比HUB有優(yōu)勢(shì)，尤其當(dāng)用戶的網(wǎng)絡(luò)并不擁擠，尚有很大的可利用空間時(shí)，使用HUB更能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源。
交換機(jī)設(shè)備的發(fā)展是迅速的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的發(fā)展容不得其慢下腳步，交換機(jī)的配置和性能影響著網(wǎng)絡(luò)之間聯(lián)系，所以請(qǐng)讀者多多關(guān)心交換機(jī)的動(dòng)態(tài)，其更新頻率是很高的。
【編輯推薦】
