網路交換器

工作原理

二層交換器工作於OSI參考模型的第二層，即資料鏈路層。交換器內部的CPU會在每個埠成功連接時，通過將MAC位址和埠對應，形成一張MAC表。在今後的通訊中，發往該MAC位址的封包將僅送往其對應的埠，而不是所有的埠。因此交換器可用於劃分資料鏈路層廣播，即衝突域；但它不能劃分網路層廣播，即廣播域。交換技術是在OSI 七層網路模型中的第二層，即資料鏈路層進行操作的，因此交換器對封包的轉發是建立在MAC (Media Access Control) 位址--實體位址基礎之上的，對於IP 網路協定來說，它是透明的，即交換器在轉發封包時，不知道也無須知道信源機和信宿機的IP 位址，只需知其實體位址即MAC 位址。交換器在操作過程當中會不斷的收集資料去建立它本身的一個位址表，這個表相當簡單，它說明了某個MAC 位址是在哪個埠上被發現的，所以當交換器收到一個TCP/IP 封包時，它便會看一下該封包的目的MAC 位址，核對一下自己的位址表以確認應該從哪個埠把封包發出去。由於這個過程比較簡單，加上這功能由一嶄新硬體進行——ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ，因此速度相當快，一般只需幾十微秒，交換器便可決定一個IP 封包該往那裡送。值得一提的是：萬一交換器收到一個不認識的封包，就是說如果目的地MAC 位址不能在位址表中找到時，交換器會把IP 封包"擴散"出去，即把它從每一個埠中送出去，就如交換器在處理一個收到的廣播封包時一樣。二層交換器的弱點正是它處理廣播封包的手法不太有效，比方說，當一個交換器收到一個從TCP/IP 工作站上發出來的廣播封包時，他便會把該封包傳到所有其他埠去，哪怕有些埠上連的是IPX 或DECnet 工作站。這樣一來，非TCP/IP 節點的頻寬便會受到負面的影響，就算同樣的TCP/IP 節點，如果他們的子網路跟傳送那個廣播封包的工作站的子網路相同，那麼他們也會無原無故地收到一些與他們毫不相干的網路廣播，整個網路的效率因此會大打折扣。從90 年代開始，出現了區域網路交換裝置。從網路交換產品的形態來看，交換產品大致有三種：埠交換、影格交換和信元交換。

埠交換

埠交換技術最早出現於插槽式集線器中。這類集線器的背板通常劃分有多個乙太網路段（每個網段為一個廣播域）、各網段通過網橋或路由器相連。乙太網路模組插入後通常被分配到某個背板網段上，埠交換適用於將以太模組的埠在背板的多個網段之間進行分配。這樣網管人員可根據網路的負載情況，將用戶在不同網段之間進行分配。這種交換技術是基於OSI第一層（實體層）上完成的，它並沒有改變共用傳輸媒介的特點，因此並不是真正意義上的交換。

影格交換

影格交換是目前應用的最廣的區域網路交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行分段，提供並列傳送的機制，減少了網路的碰撞衝突域，從而獲得較高的頻寬。不同廠商產品實現影格交換的技術均有差異，但對網路影格的處理方式一般有：儲存轉發式和直通式兩種。儲存轉發式 (Store-and-Forward) ：當一個封包以這種技術進入一個交換器時，交換器將讀取足夠的資訊，以便不僅能決定哪個埠將被用來傳送該封包，而且還能決定是否傳送該封包。這樣就能有效地排除了那些有缺陷的網路段。雖然這種方式不及使用直通式產品的交換速度，但是它們卻能排除由破壞的封包所引起的經常性的有害後果。直通式 (Cut-Through) ：當一個封包使用這種技術進入一個交換器時，它的位址將被讀取。然後不管該封包是否為錯誤的格式，它都將被傳送。由於封包只有開頭幾個位元組被讀取，所以這種方法提供了較多的交換次數。然而所有的封包即使是那些可能已被破壞的都將被傳送。直到接收站才能測出這些被破壞的包，並要求傳送方重發。但是如果網路介面卡失效，或電纜存在缺陷；或有一個能引起封包遭破壞的外部訊號源，則出錯將十分頻繁。隨著技術的發展，直通式交換將逐步被淘汰。在「直通式」交換方式中，交換器唯讀出網路影格的前幾個位元組，便將網路影格傳到相應的埠上，雖然交換速度很快，但缺乏對網路影格的進階控制，無智慧型性和安全性可言，同時也無法支援具有不同速率埠的交換；而「儲存轉發」交換方式則通過對網路影格的讀取進行驗錯和控制。

信元交換

信元交換的基本思想是採用固定長度的信元進行交換，這樣就可以用硬體實現交換，從而大大提高交換速度，尤其適合語音、影片等多媒體訊號的有效傳輸。目前，信元交換的實際應用標準是ATM （非同步傳輸模式），但是ATM 裝置的造價較為昂貴，在區域網路中的應用已經逐步被乙太網路的影格交換技術所取代。

第二層交換技術

第二層的網路交換器依據第二層的位址傳送網路影格。第二層的位址又稱硬體位址（MAC 位址），第二層交換器通常提供很高的吞吐量（線速）、低延時（10 微秒左右），每埠的價格比較經濟。第二層的交換器對於路由器和主機是「透明的」，主要遵從802.1d 標準。該標準規定交換器通過觀察每個埠的資料框獲得源MAC 位址，交換器在內部的快取記憶體中建立MAC 位址與埠的對映表。當交換器接受的資料框的目的位址在該對映表中被查到，交換器便將該資料框送往對應的埠。如果它查不到，便將該資料框廣播到該埠所屬虛擬區域網路（VLAN ）的所有埠，如果有回應封包，交換器便將在對映表中增加新的對應關係。當交換器初次加入網路中時，由於對映表是空的，所以，所有的資料框將發往虛擬區域網路內的全部埠直到交換器「學習」到各個MAC 位址為止。這樣看來，交換器剛剛啟動時與傳統的共用式集線器作用相似的，直到對映表建立起來後，才能真正發揮它的效能。這種方式改變了共用式乙太網路搶行的方式，如同在不同的行駛方向上鋪架了交流道，去往不同方向的車可以同時通行，因此大大提高了流量。從虛擬區域網路（VLAN ）角度來看，由於只有子網路內部的節點競爭頻寬，所以效能得到提高。主機1 存取主機2 同時，主機3 可以存取主機4 。當各個部門具有自己獨立的伺服器時，這一優勢更加明顯。但是這種環境正發生巨大的變化，因為伺服器趨向於集中管理，另外，這一模式也不適合Internet 的應用。不同虛擬區域網路（VLAN ）之間的通訊需要通過路由器來完成，另外為了實現不同的網段之間通訊也需要路由器進行互連。

第三層交換技術

區域網路交換器的引入，使得網路站點間可獨享頻寬，消除了無謂的碰撞檢測和出錯重發，提高了傳輸效率，在交換器中可並列地維護幾個獨立的、互不影響的通訊行程。在交換網路環境下，用戶資訊只在源節點與目的節點之間進行傳送，其他節點是不可見的。但有一點例外，當某一節點在網上傳送廣播或組播時，或某一節點傳送了一個交換器不認識的MAC 位址封包時，交換器上的所有節點都將收到這一廣播資訊。整個交換環境構成一個大的廣播域。點到點是在第二層快速、有效的交換，但廣播風暴會使網路的效率大打折扣。交換器的速度實在快，比路由器快的多，而且價格便宜的多。可以說，在網路系統整合的技術中，直接面向用戶的第一層介面和第二層交換技術方面已得到令人滿意的答案。交換式區域網路技術使專用的頻寬為用戶所獨享，極大的提高了區域網路傳輸的效率。但第二層交換也暴露出弱點：對廣播風暴、異種網路互連、安全性控制等不能有效地解決。作為網路核心、起到網間互連作用的路由器技術卻沒有質的突破。當今絕大部分的企業網都已變成實施TCP/IP 協定的Web 技術的內部網路，用戶的資料往往越過原生的網路在網際間傳送，因而，路由器常常不堪重負。傳統的路由器基於軟體，協定複雜，與區域網路速度相比，其資料傳輸的效率較低。但同時它又作為網段(子網路，VLAN)互連的樞紐，這就使傳統的路由器技術面臨嚴峻的挑戰。隨著Internet/Intranet 的迅猛發展和B/S(瀏覽器/伺服器)計算模式的廣泛應用，跨地域、跨網路的業務急劇增長，業界和用戶深感傳統的路由器在網路中的瓶頸效應。改進傳統的路由技術迫在眉睫。一種辦法是安裝效能更強的超級路由器，然而，這樣做開銷太大，如果是建設交換網，這種投資顯然是不合理的。
在這種情況下，一種新的路由技術應運而生，這就是第三層交換技術：第三層交換技術也稱為IP 交換技術、高速路由技術等。第三層交換技術是相對於傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術是在OSI 網路標準模型中的第二層—資料鏈路層進行操作的，而第三層交換技術是在網路模型中的第三層實現了封包的高速轉發。簡單地說，第三層交換技術就是：第二層交換技術＋第三層轉發技術。這是一種利用第三層協定中的資訊來加強第二層交換功能的機制。一個具有第三層交換功能的裝置是一個帶有第三層路由功能的第二層交換器，但它是二者的有機結合，並不是簡單的把路由器裝置的硬體及軟體簡單地疊加在區域網路交換器上。從硬體的實現上看，目前，第二層交換器的介面模組都是通過高速背板/匯流排(速率可高達幾十Gbit/s)交換資料的，在第三層交換器中，與路由器有關的第三層路由硬體模組也插接在高速背板/匯流排上，這種方式使得路由模組可以與需要路由的其他模組間高速的交換資料，從而突破了傳統的外接路由器介面速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟體方面，第三層交換器也有重大的舉措，它將傳統的基於軟體的路由器軟體進行了界定，其作法是：
1 ．對於資料封包的轉發：如IP/IPX 封包的轉發，這些有規律的過程通過硬體得以高速實現。
2 ．對於第三層路由軟體：如路由資訊的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用最佳化、高效的軟體實現。假設兩個使用IP 協定的站點通過第三層交換器進行通訊的過程，傳送站點A 在開始傳送時，已知目的站的IP 位址，但尚不知道在區域網路上傳送所需要的MAC 位址。要採用位址解析(ARP)來確定目的站的MAC 位址。傳送站把自己的IP 位址與目的站的IP 位址比較，採用其軟體中組態的子網路遮罩提取出網路位址來確定目的站是否與自己在同一子網路內。若目的站B 與傳送站A 在同一子網路內，A 廣播一個ARP 請求，B 返回其MAC 位址，A 得到目的站點B 的MAC 位址後將這一位址快取起來，並用此MAC 位址封包轉發資料，第二層交換模組尋找MAC 位址表確定將封包發向目的埠。若兩個站點不在同一子網路內，如傳送站A 要與目的站C 通訊，傳送站A 要向"預設閘道器"發出ARP(位址解析)封包，而"預設閘道器"的IP 位址已經在系統軟體中設定。這個IP 位址實際上對應第三層交換器的第三層交換模組。所以當傳送站A 對"預設閘道器"的IP 位址廣播出一個ARP 請求時，若第三層交換模組在以往的通訊過程中已得到目的站B 的MAC 位址，則向傳送站A 回覆B 的MAC 位址；否則第三層交換模組根據路由資訊向目的站廣播一個ARP 請求，目的站C 得到此ARP 請求後向第三層交換模組回覆其MAC 位址，第三層交換模組儲存此位址並回覆給傳送站A 。以後，當再進行A 與C 之間封包轉發時，將用最終的目的站點的MAC 位址封包，資料轉發過程全部交給第二層交換處理，資訊得以高速交換。
第三層交換具有以下突出特點：
1. 有機的硬體結合使得資料交換加速；
2. 最佳化的路由軟體使得路由過程效率提高；
3. 除了必要的路由決定過程外，大部分資料轉發過程由第二層交換處理；
4. 多個子網路互連時只是與第三層交換模組的邏輯連接，不像傳統的外接路由器那樣需增加埠，保護了用戶的投資。
第三層交換的目標是，只要在源位址和目的位址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經過路由器轉發封包。第三層交換使用第三層路由協定確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以儲存起來，供以後使用。之後封包通過一條虛電路繞過路由器快速傳送。第三層交換技術的出現，解決了區域網路中網段劃分之後，網段中子網路必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統路由器低速、複雜所造成的網路瓶頸問題。當然，三層交換技術並不是網路交換器與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結合，形成一個整合的、完整的解決方案。
傳統的網路結構對用戶應用所造成的限制，正是三層交換技術所要解決的關鍵問題。目前，市場上最高檔路由器的最大處理能力為每秒25 萬個包，而最高檔交換器的最大處理能力則在每秒1000 萬個包以上，二者相差40 倍。在交換網路中，尤其是大規模的交換網路，沒有路由功能是不可想像的。然而路由器的處理能力又限制了交換網路的速度，這就是三層交換所要解決的問題。第三層交換器並沒有像其他二層交換器那樣把廣播封包擴散，第三層交換器之所以叫三層交換器是因為它們能看得懂第三層的資訊，如IP 位址、ARP 等。因此，三層交換器便能洞悉某廣播封包目的何在，而在沒有把他擴散出去的情形下，滿足了發出該廣播封包的人的需要，(不管他們在任何子網路里)。如果認為第三層交換器就是路由器，那也應稱作超高速反傳統路由器，因為第三層交換器沒做任何"拆打"資料封包的工作，所有路過他的封包都不會被修改並以交換的速度傳到目的地。目前，第三層交換器的成熟還有很長的路，像其它一些新技術一樣，還待進行其協定的標準化工作。目前很多廠商都宣稱開發出了第三層交換器，但經國際權威機構測試，作法各異且效能表現不同。另外，可能是基於各廠商占領市場的策略，目前的第三層交換器主要可交換路由IP/IPX 協定，還不能處理其它一些有一定應用領域的專用協定。因此，有關專家認為，第三層交換技術是將來的主要網路整合技術，傳統的路由器在一段時間內還會得以應用，但它將處於其力所能及的位置，那就是處於網路的邊緣，去作速度受限的廣域網路互聯、安全控制(防火牆)、專用協定的異構網路互連等。

傳統交換器（二層交換器）

交換器被廣泛應用於二層網路交換。中檔的網管型交換器還具有VLAN劃分、埠自動協商、MAC存取控制列表等功能，並提供命令列介面或圖形介面控制台，供網路管理員調整參數

三層交換器

三層交換器則可以處理第三層網路層協定，用於連接不同網段，通過對預設閘道器的查詢學習來建立兩個網段之間的直接連接。
三層交換器具有一定的「路由」功能，但只能用於同一類型的區域網路子網路之間的互連。這樣，三層交換器可以像二層交換器那樣通過MAC位址標識封包，也可以像傳統路由器那樣在兩個區域網路子網路之間進行功能較弱的路由轉發，它的路由轉發不是通過軟體來維護的路由表，而是通過專用的ASIC晶片處理這些轉發；

四層交換器

四層交換器可以處理第四層傳輸層協定，可以將對談與一個具體的IP位址繫結，以實現虛擬IP  ；

七層交換器

更加智慧型的交換器，可以充分利用頻寬資源來過濾，辨識和處理應用層資料轉換的交換裝置。

頻寬

網路交換器頻寬分為：10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s、10000 Mb/s（10Gb/s）。
Mb/s換算MB/s：1 Mb/s = 0.126 MB/s。

二層交換器與集線器的區別

交換器與集線器不同之處是，集線器會將網路內某一使用者傳送的封包傳至所有已連接到集線器的電腦。而交換器則只會將封包傳送到指定目的地的電腦（透過MAC表），相對上能減少資料碰撞及資料被竊聽的機會。交換器更能將同時傳到的封包分別處理，而集線器則不能。
最大的不同之處在於集線器的每一個介面都處於相同的衝突域，卻交換器的每個介面處於獨立一個衝突域。在效能方面尤為突出：例如在100Mb/s的乙太網路中有100個用戶，使用集線器，每個用戶只有1Mb/s（100Mb/s/100），因為集線器是共用式的網路；而使用交換器，每個介面有100Mb/s，如果有100個介面，總頻寬為100*100Mb/s （最終的頻寬大小取決於輸入介面的頻寬；即如果輸入埠只有10000M，則達到上限前，每個用戶都能使用100M頻寬，但一旦所有用戶的總需求超過10000M，用戶將在相同優先級的原則下進行頻寬分配），因為交換器是獨立式的網路。