一、概述

1、交換機的概念

交換機（switch）一詞最早出現在固定電話交換網絡中，此時稱為電話交換機，主要是實現話音的交換。隨著計算機技術與計算機網絡的發展，交換機被引入到了計算機網絡中，以實現數據包（或稱為分組包）的交換。在GB/T 2900.96《電工術語 計算機網絡技術》中，對于計算機網絡中的交換機的定義是：在一個計算機網絡中執行統計式多路復用和分組交換的裝置。

由于計算機網絡的發展是始于局域網（LAN）或稱以太網（Ethernet）。因此，也把計算機網絡中的交換機稱為以太網交換機（Ethernet Switch）。在YD/T 1099《以太網交換機技術要求》中，對以太網交換機的定義是：以太網交換機實質上是支持以太網接口的多端口網橋。交換機通常使用硬件實現過濾、學習和轉發數據幀。交換機必須實現網橋功能中相應功能。

那么對于網橋（bridge），在GB/T 5271.25《信息技術 詞匯 第25部分 局域網》中的定義是：一種功能單元，它將使用相同邏輯鏈路控制（LLC）協議但可能使用不同的媒體訪問控制（MAC）協議的兩個局域網（LAN）互連起來。依此定義，網橋是工作于ISO規定的OSI/RM（7層參考模型）中的第二層，即數據鏈路層的MAC子層，通過轉發MAC幀實現網絡互連。網橋的實現應當符合IEEE 802.1d《MAC網橋》》標準的要求。網橋可以連接采用相同或不相同MAC技術的網絡，利用包含在MAC幀中的目的地址和源地址信息作智能轉發決定。在連接以太網時，網橋不但可以擴展物理網絡拓撲，還可以將端口上的子網隔離成獨立的沖突域。下圖1-1給出了網橋的組網示例。

圖 1-1：網橋的組網示例

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2、以太網交換機的分類類型

以太網交換機的分類方法有多種，這里重點介紹下述三種常用的分類方法。

其一是以交換機的交換能力類分，該分類法主要是以交換機工作于OSI/RM的分層情況進行分類，可分為三種：首先是二層交換機，日常也稱為以太網交換機，它工作在數據鏈路層。再是三層以太網交換機，日常也稱為具有路由功能交換機，它工作在網絡層。三是具有內容交換功能的以太網交換機，它能夠根據第四至七層信息對發往業務服務器的數據流量進行交換及流量分配。

其二是以交換機的傳輸能力類分，該分類法主要是以交換機端口的接口類型進行分類，可分為：十兆以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、N吉以太網交換機（N=1、10、40、100）。注意的是；對于工作在網絡層以上的以太網交換機也可選配ATM接口、POS接口及SDH層接口。

其三是以交換機的協議能力類分，該分類法主要是以交換機所支持的協議種類情況進行分類，可分為三種：支持邏輯鏈路控制協議的以太網交換機（主要是指二層交換機）、支持IPv6協議的以太網交換機和支持雙棧協議的以太網交換機（這兩類主要是指三層及以上的交換機）。

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二、以太網交換機的工作原理

1、工作過程

由于以太網交換機工作在OSI/RM的數據鏈路層（層2）之MAC子層，因此其工作原理相對簡單，其工作過程可以概括為“學習”、“記憶”、“接收”、“查表”、“轉發”等幾個方面：通過“學習”可以了解到每個端口上所連接設備的MAC地址，將MAC地址與端口編號的對應關系“記憶”在內存中，產生MAC地址表，如下圖2-1所示；從一個端口“接收”到數據幀后，在MAC地址表中“查找”與幀頭中目的MAC地址相對應的端口編號，然后，將數據幀從查到的端口上“轉發”出去。

圖 2-1：以太網交換機的選詞過程與MAC地址表

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2、沖突域隔離

以太網交換機在物理層將網絡分割成多個沖突域，每個端口獨立成為一個沖突域，如下圖2-2所示。這樣可以減少網絡擁堵，提高網絡效率，此外，交換機還具有緩沖存儲功能，當某個端口有大量數據需要發送時，交換機可以先將數據存儲在緩沖區，然后在適當的時機進行發送。因此，以太網交換機對于數據幀的處理方式分為：直通轉發、存儲轉發和無碎片轉發，其含義詳見下表2-2。它們之間的最大區別在于，它們何時去處理轉發，也就是交換機怎樣去處理數據幀的接收進程和轉發進程的關系。

圖 2-2：以太網交換機每個端口獨立成為一個沖突域

表 2-2：以太網交換機對數據幀的處理方式

3、數據幀的轉發方式

以太網交換機對于數據幀的轉發方式可分為：單播幀的轉發、組播幀的轉發和廣播幀的轉發。單播幀的轉發方式是指交換機根據MAC表項進行數據幀轉發，即交換機某端口收到數據幀時，根據幀中的目的地址，依據MAC地址表中的端口將數據幀發送出去，其它端口不轉發此數據幀。組播幀的轉發方式和廣播幀的轉發方式顧名思義。我們知道，在802.3標準中，MAC地址的高字節最低比特位是組播地址標識位，該比特為1，表示該地址為組播MAC地址。廣播MAC地址可以看作是組播的特殊形式：0xFFFF-FFFF-FFFF。

4、數據幀的過濾

在這里需要提到數據幀的過濾。無論是單播、組播和廣播的數據幀，如果幀目的MAC地址在MAC地址表中有表項存在，且表項關聯的端口與接收幀的端口相同時，則交換機對此幀進行過濾，即不轉發此幀（丟棄），如下圖2-4所示。這是為了杜絕不必要數據幀的轉發，以節省資源。

圖 2-4：數據幀轉發時的過濾

三、交換機的技術要求

1、二層以太網交換機

二層以太網交換機工作于數據鏈路層，支持邏輯鏈路控制（LLC）協議，基于MAC地址轉發或交換數據幀。它的主要關鍵技術包括VLAN技術、信息流優先技術、組播技術和流量控制技術等，具體釋義詳見下表3-1-1。二層以太網交換機是工作于其它層交換機的技術基礎。下表3-1-2列出了二層以太網交換機應具有的功能。通信行業標準YD/T 1099《以太網交換機技術要求》規定了以太網交換機的技術要求，包括功能指標、通信協議、通信接口、環境要求等。

表 3-1-1：二層以太網交換機的主要關鍵技術簡介

表 3-1-2：二層以太網交換機應具有的功能

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2、三層以太網交換機（支持IPv4協議）

三層以太網交換機工作于網絡層，它具有路由功能，可支持IPv4協議并基于IP地址轉發或交換數據包。擁有第三層路由功能的以太網交換機，除實現數據幀轉發功能外，能根據收到的數據包中網絡層地址以及交換機內部維護的路由表決定輸出端口以及下一條交換機地址或主機地址，并且重寫鏈路層數據包頭。路由表必須動態維護來反映當前的網絡拓撲。具有路由功能的以太網交換機通常通過與其它類似設備/路由器交換路由信息來完成動態維護路由表。下表3-2列出了三層以太網交換機應實現的功能。通信行業標準YD/T 1255《具有路由功能的以太網交換機技術要求》規定了在公網使用的具有路由功能的以太網交換機的技術要求，包括功能、指標、通信接口、通信協議環境要求等。

表 3-2：三層以太網交換機應實現的功能

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3、具有IPv6路由功能以太網交換機

具有IPv6路由功能以太網交換機是指支持IPv6協議的具有路由功能的以太網交換機。該交換機應實現的功能詳見下表3-3。我國通信行業標準YD/T 1698《IPv6網絡設備技術要求 具有IPv6路由功能的以太網交換機》規定了具有IPv6路由功能的以太網交換機的技術要求，包括功能要求、通信接口、通信協議、性能指標、安全功能要求以及環境要求等。

表 3-3：具有IPv6路由功能以太網交換機應實現的功能

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4、具有內容交換功能的以太網交換機和具有雙棧內容交換功能的以太網交換機

具有內容交換功能的以太網交換機是指能夠根據四至七層信息對發往業務服務器的數據流量進行交換及流量分配，并可基于各種應用層信息對業務會話進行控制的以太網交換機設備。具有雙棧內容交換功能的以太網交換機是指同時具備IPv4和IPv6協議處理能力的具有內容交換功能的以太網交換機。

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