一、網絡交換機的概述
隨著電子技術的飛速發展，計算機及其應用日益普及，計算機網絡也迅速發展起來。凡是將地理位置不同，具備獨立功能的多臺計算機、終端及其附屬設備，用通信設備和線路連接起來，並配以相應的網絡軟件實現計算機通信信息網的資源共享與數據通信，都稱為計算機通信網。
當網絡規模擴大時，單純靠延長網線已變得不現實。並且對於不同的局域網，要實現互相之間的數據傳送，共享網絡的資源，需要有專門的連接設備實現網絡擴展。同時，網絡中站點的增加，地理範圍的擴大，業務量的增長，促使網絡互聯迅速向前發展。
網絡互聯的高速發展，導致網絡交換技術的出現，網絡交換機也隨之應運而生。廣義的交換機就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。網絡交換機的主要功能包括物理編址、網絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流量控制。
隨著交換技術的發展，交換機由原來工作在OSI承M的第二層，發展到現在有可以工作在第四層的交換機出現，所以根據工作的協議層交換機可分第二層交換機、第三層交換機和第四層交換機。由於第四層交換機交換技術尚未真正成熟且價格昂貴，第四層交換機在實際應用中目前還較少見。
網絡交換機的性能
網絡交換機是一種連接網絡分段的網絡設備。從技術角度看，網絡交換機運行在 OSI 模型的第2層（數據鏈路層）。網絡交換機源於電子集線器（HUB），其中 HUB 是為星型網絡提供的一種中心結點設備。在共享 HUB 中，所有星型網絡連接都接收同一個廣播幀。交換機類似於集線器，它也支持單個廣播域，但不同的是交換機上的每個端口同時也是它自己的衝突域（Collision Domain）。通常情況下，交換機比集線器更加智能化，網絡交換機能監測到所接收的數據包，並能判斷出該數據包的源和目的地設備，從而實現正確的轉發過程。網絡交換機只對連接設備傳送信息，其目的是保存帶寬，並提供比 HUB 更好的相關性能。
交換機中流量監控過程較為複雜，這是因為每個端口在數據傳輸之前都處於分離狀態，即便相連，也只是在發送和接收端口相連接時。目前有兩種主要方法支持交換環境下網絡管理器對網絡流量的監控：
端口鏡像（Port Mirroring） ― 交換機向網絡監控連接發送一組網絡數據包；
SMON ― RFC 2613中規定的“交換機監控”是一種用來控制設施如“端口鏡像”的協議。
另外還有些方法，在無需交換機的協作下，支持網絡中另一臺計算機上的“Snooping”行為，如偽 ARP MAC 擴散行為。
LAN 網絡中最通用的網絡交換機有 Ethernet 交換機。WAN 網絡中通用的有 ATM 交換機、幀中繼及10 Gigabit Ethernet 交換機。對於高終端 WAN 交換機，通常包含一臺（軟）路由器，以支持網絡層（第3層）數據包處理。
網絡交換機的分類
從廣義上來看，交換機分為兩種：廣域網交換機和局域網交換 機。廣域網交換機主要應用於電信領域，提供通信基礎平臺。而局 域網交換機則應用於局域網絡，用於連接終端設備，如 PC機及網絡打印機等。
按照現在複雜的網絡構成方式， 網絡交換機被劃分為接入層交換機、匯聚層交換機和核心層交換機。
其中，核心層交換機全部採 用機箱式模塊化設計，已經基本上都設計了與之相配備的 1000Base-T 模塊。接入層支持 1000Base-T 的以太網交換機基本 上是固定端口式交換機，以 10/100M 端口為主，並且以固定端口 或擴展槽方式提供 1000Base-T 的上聯端口。匯聚層 1000Base-T 交換機同時存在機箱式和固定端口式兩種設計，可以提供多個 1000Base-T 端口，一般也可以提供 1000Base-X 等其他形式的端 口。接入層和匯聚層交換機共同構成完整的中小型局域網解決方 案。
從傳輸介質和傳輸速度上看， 局域網交換機可以分為以太網交 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多種，這些交換機分別適用於以太網、快 速以太網、FDDI、ATM 和令牌環網等環境。
從規模應用上又有企業級交換機、 部門級交換機和工作組交換 機等。各廠商劃分的尺度並不完全一致，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，也可以是固定配置式， 而工作組級交換機則一般為固定配置式， 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，支持 500 個信息點以上 大型企業應用的交換機為企業級交換機，支持 300 個信息點以下 中型企業的交換機為部門級交換機，而支持 100 個信息點以內的 交換機為工作組級交換機。
根據架構特點，人們還將局域網交換機分為機架式、帶擴展槽 固定配置式、不帶擴展槽固定配置式三種產品。機架式交換機是一 種插槽式的交換機，這種交換機擴展性較好，可支持不同的網絡類 型，如以太網、快速以太網、千兆以太網、ATM、令牌環及 FDDI 等，但價格較貴。不少高端交換機都採用機架式結構。帶擴展槽固 定配置式交換機是一種有固定端口並帶少量擴展槽的交換機， 這種 交換機在支持固定端口類型網絡的基礎上， 還可以通過擴展其他網 絡類型模塊來支持其他類型網絡，這類交換機的價格居中。不帶擴 展槽固定配置式交換機僅支持一種類型的網絡（一般是以太網）， 可應用於小型企業或辦公室環境下的局域網，價格最便宜，應用也 最廣泛。分配到某個背板的網段上。端口 交換用於將以太模塊的端口在背板多個網段之間進行分配、平衡。幀交換是目前應用最廣泛的局域網交換技術， 它通過對傳統傳輸媒 介進行微分段，提供並行傳送的機制，以減小衝突域、獲得高的帶 寬。ATM 技術代表了網絡和通信中眾多難題的一劑“良藥”。ATM 採用固定長度為 53 個字節的信元交換。由於長度固定，因而便於 用硬件實現。ATM 採用專用的非差別連接，並行運行，可以通過 一個交換機同時建立多個節點， 但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標節點之間的通信能力。ATM 採用 統計時分電路進行復用，因而能大大提高通道利用率。ATM 的帶 寬可以達到 25M、155M、622M 甚至數 G 比特傳送能力。
事實上， 從應用的角度劃分， 交換機又可分為電話交換機 （PBX） 和數據交換機（Switch）。當然，目前非常時髦的在數據上的語音 傳輸 VoIP 又有人稱之為“軟交換機”。
網絡交換機的選擇
通過應用技術的比較，可以看出，二層交換機主要用在小型局域網中，機器數量在二、三十臺以下，這樣的網絡環境下，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用戶提供了很完善的解決方案。在這種小型網絡中根本沒必要引入路由功能從而增加管理的難度和費用，所以沒有必要使用路由器或三層交換機。
三層交換機是為IP設計的，接口類型簡單，擁有很強二層包處理能力，所以適用於大型局域網，為了減小廣播風暴的危害，必須把大型局域網按功能或地域等因素劃成一個一個的小局域網，也就是把機器分為一個一個的小網段，這樣會導致不同網段之間存在大量的互訪，單純使用二層交換機沒辦法實現網間的互訪，而單純使用路由器則由於端口數量有限，路由速度較慢，而限制了網絡的規模和訪問速度，所以這種環境下由二層交換技術和路由技術有機結合而成的三層交換機就最為適合。
路由器端口類型多，支持的三層協議多，路由能力強，所以適合於在大型網絡之間的互連，一般大型網絡的互連端口不多，互連設備的主要功能不在於在端口之間進行快速交換，而是要選擇最佳路徑進行負載分擔，鏈路備份和最重要的與其它網絡進行路由信息交換，所有這些都是路由完成的功能。三層交換機的最重要目的是加快大型局域網內部的數據交換，揉合進去的路由功能也是為這目的服務的，所以它的路由功能沒有同一檔次的專業路由器強。在網絡流量很大，但又要求響應速度很高的情況下，由三層交換機做網內的交換，由路由器專門負責網絡的路由工作，這樣就可以充分發揮不同設備的優勢。
在選擇交換機具體設備時根據以上情況進行分析後，還要參考以下幾項設備指標：
1、轉發技術
直通轉發技術就是交換機獲取到數據包目的地址，就開始向目的端口發送數據包。通常，交換機在接收到數據包的前6個字節時，就已經知道目的地址，從而可以決定向哪個端口轉發這個數據包。直通轉發技術速率快、延時少和吞吐率高。但當網絡中誤碼率較高時，交換機會轉發所有的完整數據包和錯誤數據包，這將給整個交換網絡帶來許多錯誤通訊包。直通轉發技術適用於網絡鏈路質量好的網絡環境。
存儲轉發技術要求交換機在接收到全部數據包後再決定如何轉發，交換機在轉發之前檢查數據包完整性和正確性。它的優點是：沒有殘缺數據包轉發，減少了潛在的不必要數據轉發。它的缺點是：轉發速率比直接轉發技術慢。所以，存儲轉發技術比較適應於普通鏈路質量的網絡環境。
2、背板吞吐量及緩衝區大小
背板吞吐最也稱背板帶寬，單位是每秒通過的數據包個數(pps)，表示交換機接口處理器或接口卡和數據總線間所能吞吐的最大數據量。一臺交換機的背板帶寬越高，所能處理數據的能力就越強。
緩衝區大小，又叫做包緩衝區大小，是一種數據隊列機制，由交換機用來進行不同網絡設備之間的速度匹配。速率高的設備所發送的數據可以存儲在緩衝區內，直到被慢速設備處理為止。緩衝區大小由緩衝調度算法算出，過大的緩衝空問需要相對多的尋址時間，緩衝空間過小會在發生擁塞時引起丟包出錯。
3、延時
交換機延時是指從交換機接收到數據包到開始向目的端口複製數據包之問的時間間隔。有許多因素會影響延時大小，比如轉發技術、緩衝區大小等等。
4、管理功能
為方便網管員管理，及用戶控制訪問交換機，通常交換機應支持SNMP MIB I／MIB II統計管理功能以滿足常用網管管理軟件，如OPENVIEW、SUN Solstice Domain Manager或IBM網絡管理(NetView)遠程管理交換機，甚至還會增加通過內置RMON組(mini—RMON)來支持RMON主動監視功能，或提供通過WEB頁面、命令行方式(eLI)對設備進行遠程的監控，以最終實現故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等常用管理功能。
5、MAC地址表大小及MAC地址類型
連接到局域網上的每個端口或設備都需要一個MAC地址，其他設備要用到此地址來定位特定的端口及更新路由表和數據結構。MAC地址表大小能反映出該設備所支持的節點數能力。單MAC地址類型交換機連接最終用戶或非橋接設備，不能接集線器等多網絡設備網段。多MAC地址交換機則可以在每端口存多個MAC地址具有較強的多節點支持力。
6、擴展樹
為保障網絡的安全性，常對關鍵數據鏈路提供冗餘備份鏈路，由於交換機實際上是多端口的透明橋接設備，從而引發“拓撲環”問題。交換機通過採用擴展樹協議算法讓網絡中的每一個橋接設備相互知道，自動防止拓撲環現象。交換機並將檢測到的“拓撲環”中的某個端口斷開，以達到消除“拓撲環”的目的，維持網絡中的拓撲樹的完整性。
7、是否全雙工
全雙工端口可以同時發送和接收數據，但這要求交換機和所連接的設備都支持全雙工工作方式。
具有全雙工功能的交換機可實現高吞吐量(兩倍於單工模式端口吞吐量)、避免碰撞、突破CSMA圮D鏈路長度限制，通信鏈路的長度限制只與物理介質有關，交換機端口最好能實現全伴雙工自動轉換。
8、高速端口集成
交換機可以提供高帶寬”管道”(固定端口、可選模塊或多鏈路隧道)滿足交換機的交換流量與上級主幹的交換需求。防止出現主幹通信瓶頸。如FDDI、ATM、G比特光模塊等。
9、最大VLAN數量
此參數反映了一臺設備所能支持的最大VLAN數目，就目前交換機所能支持的最大VLAN數目(1024以上)來看，足以滿足一般企業的需要。
10、擴充性配置
機架插槽數、擴展槽數、最大可堆疊數、10／1013／000M以太網端口數、最大ATM端口數、最大SONET端口數、最大FDDI端口數、最大電源數等多個硬件指標將直接反映交換機的擴充能力及與其它骨幹網絡設備的互聯互通能力。
對不同的用戶在選擇中還有不同的要求，如實施對數據流的訪問控制(ACL)、服務質量保證(QoS)、帶寬管理以及各種控制和服務策略、支持的包過濾、負載均衡及在三層交換機對各種路由協議的支持程度等等。
總之，在進行網絡規劃設計和選擇交換機時，應仔細考察交換機的各種功能，隨著交換技術的高速發展，越來越多的交換機融合了其它網絡設備的新功能，交換機的選擇更需全面考慮、實時跟蹤新產品。
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