计算机网络基础：带宽占用方式与交换机的三种模式

1.任务分解

（1）任务1：交换机命令行操作模式。

（2）任务2：交换机命令行基本功能。

（3）任务3：全局配置模式基本功能。

（4）任务4：端口配置模式基本功能。

（5）任务5：查看系统和配置信息。

（6）任务6：保存和删除配置信息。

2.知识准备

1）交换机简介

交换机（Switch），也称为交换式集线器，它是一种基于MAC 地址（网卡的硬件地址）识别，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。以太网交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，若目的MAC 不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后以太网交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。

使用以太网交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发功能，可以有效地隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A 向节点D发送数据时，节点B 可同时向节点C 发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10 Mb/s 的以太网交换机，那么该以太网交换机这时的总流通量就等于2×10 Mb/s＝20 Mb/s，而使用10 Mb/s 的共享式Hub 时，一个Hub 的总流通量也不会超出10 Mb/s。

交换机与集线器的区别主要体现在如下几个方面：

（1）在OSI/RM（OSI 参考模型）中的工作层次不同。交换机和集线器在OSI／RM 开放体系模型中对应的层次不一样，集线器是同时工作在第一层（物理层）和第二层（数据链路层），而交换机至少是工作在第二层，更高级的交换机可以工作在第三层（网络层）和第四层（传输层）。

（2）交换机的数据传输方式不同。集线器的数据传输方式是广播（broadcast）方式，而交换机的数据传输是有目的的，数据只对目的节点发送，只是在自己的MAC 地址表中找不到的情况下第一次使用广播方式发送，然后因为交换机具有MAC 地址学习功能，第二次以后就不再是广播发送了，又是有目的的发送。这样的好处是使数据传输效率提高，不会出现广播风暴，在安全性方面也不会出现其他节点侦听的现象。

（3）带宽占用方式不同。在带宽占用方面，集线器所有端口是共享集线器的总带宽，而交换机的每个端口都具有自己的带宽，这样交换机实际上每个端口的带宽比集线器端口可用带宽要高许多，也就决定了交换机的传输速度比集线器要快许多。

（4）传输模式不同。集线器只能采用半双工方式进行传输，因为集线器是共享传输介质的，在上行通道上集线器一次只能传输一个任务，要么是接收数据，要么是发送数据。而交换机则不一样，它是采用全双工方式来传输数据的，因此在同一时刻可以同时进行数据的接收和发送，这不但令数据的传输速度大大加快，而且在整个系统的吞吐量方面交换机比集线器至少要快一倍以上，因为它可以使接收和发送同时进行，实际上还远不止一倍，因为一般来说交换机比集线器的端口带宽也要宽许多倍。

2）交换机的分类

交换机的分类标准多种多样，常见的有以下几种：

（1）根据网络覆盖范围分局域网交换机和广域网交换机。

（2）根据传输介质和传输速度划分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、10 千兆以太网交换机、ATM 交换机、FDDI 交换机和令牌环交换机。

（3）根据交换机应用网络层次划分为企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机、桌机型交换机。

（4）根据交换机端口结构划分为固定端口交换机和模块化交换机。

（5）根据工作协议层划分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。

（6）根据是否支持网管功能划分为网管型交换机和非网管理型交换机。

3）交换机的交换模式

目前，交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式、存储转发式和碎片隔离式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

（1）直通式（Cut Through）。直通方式在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点；它的缺点是由于数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通。

（2）存储转发式（Store & Forward）。存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

（3）碎片隔离（Fragment Free）。这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64 个字节，如果小于64 字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64 字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

4）交换机的接口类型

以太网交换机作为局域网的主要连接设备，成为应用普及最快的网络设备之一。随着快速的发展，交换机的功能不断增强，随之而来则是交换机端口的更新换代以及各种特殊设备连接端口不断地添加到交换机上，这也使得交换机的接口类型变得非常丰富。常见的一些交换机接口有RJ-45 接口、SC 光纤接口、FDDI 接口、AUI 接口、BNC 接口、Console 接口。

5）交换机端口命名

总的命名前缀：

10M 以太网口——ethernet；

100M 以太网口——fasterethernet；(www.xing528.com)

1 000M 以太网口——GigabitEthernet；

10 000M 以太口——TenGigabitEthernet。

模块化交换机：

接口类型 槽号/端口号。

比如，fasterethernet 1/1 表示第1 槽的第一个端口，这个端口为10M/100M 以太网口。

非模块化交换机：

接口类型 0/端口号；这里的槽号为0。

比如，fasterethernet 0/1 表示第一个端口，这个端口为10M/100M 以太网端口。

6）交换机的工作方式

（1）半双工。

① 接口只能同时发送或者接收数据。

② 接口按照CSMA/CD 的工作机制。

③ 接口点对点连接或点对多点连接。

（2）全双工。

① 接口能够同时发送接收数据。

② 任何时刻发送数据不会产生冲突。

③ 接口点对点连接。

7）交换机的工作原理

二层交换机可以识别数据包中的MAC 地址信息，根据MAC 地址进行转发，并将这些MAC 地址与对应的端口记录在内部的一个地址表中。具体的工作流程如下：当交换机从某个端口收到一个数据包，先读取包头中的源MAC 地址，这样它就知道源MAC 地址的机器是连在哪个端口上的，再去读取包头中的目的MAC 地址，并在地址表中查找相应的端口，如表中有与这目的MAC 地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上，如表中找不到相应的端口，则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习目的MAC 地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不需要对所有端口进行广播了。交换机不断地循环这个过程，对于全网的MAC 地址信息都可以学习到。从交换机上述工作过程可知：

（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC 地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC 地址表中。

（2）交换机将数据帧中的目的MAC 地址同已建立的MAC 地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。

（3）如数据帧中的目的MAC 地址不在MAC 地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）。

（4）广播帧和组播帧向所有的端口转发。

8）交换机的连接方式

交换机是一种最为基础的网络连接设备。它是不需要任何软件配置即可使用的一种纯硬件式设备。这里主要介绍多台交换机在网络中同时使用时的连接问题。多台交换机的连接方式主要有两种：级联跟堆叠。下面针对这两种连接方式，分别介绍实现原理及详细的连接过程。

（1）交换机级联。这是最常用的一种多台交换机连接方式，它通过交换机上的级联口（UpLink）进行连接。需要注意的是交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。级联又分为以下两种：

① 使用普通端口级联。所谓普通端口就是通过交换机的某一个常用端口（如RJ-45 端口）进行连接。需要注意的是，这时所用的连接双绞线要用反线，即是说双绞线的两端要跳线（第1-3 与2-6 线脚对调）。其连接示意如图6.27所示。

图6.27　普通端口级联

② 使用Uplink 端口级联。在所有交换机端口中，都会在旁边包含一个Uplink 端口。此端口是专门为上行连接提供的，只需通过直通双绞线将该端口连接至其他交换机上除“Uplink 端口”外的任意端口即可（注意：并不是Uplink 端口的相互连接）。其连接示意如图6.28所示。

图6.28　Uplink 端口级联

（2）交换机堆叠。此种连接方式主要应用在大型网络中对端口需求比较大的情况下使用。交换机的堆叠是最快捷、最便利扩展端口的方式，同时，堆叠后的带宽是单一交换机端口速率的几十倍。但是，并不是所有的交换机都支持堆叠的，这取决于交换机的品牌、型号，并且还需要使用专门的堆叠电缆和堆叠模块，最后还要注意同一堆叠中的交换机必须是同一品牌。它主要通过厂家提供的一条专用连接电缆，从一台交换机的“UP”堆叠端口直接连接到另一台交换机的“DOWN”堆叠端口。堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理。

采用堆叠方式的交换机要受到种类和相互距离的限制。一是实现堆叠的交换机必须是支持堆叠的；二是由于厂家提供的堆叠连接电缆一般都在1 m 左右，故只能在很近的距离内使用堆叠功能。

综合以上两种方式来看，交换机的级联方式实现简单，只需一根普通的双绞线即可，节约成本而且基本不受距离的限制；而堆叠方式投资相对较大，且只能在很短的距离内连接，实现起来比较困难。但也要认识到，堆叠方式比级联方式具有更好的性能，信号不易衰竭，且通过堆叠方式，可以集中管理多台交换机，大大减少了管理工作量。如果实在需要采用级联，也最好选用Uplink 端口的连接方式。因为这可以在最大程度上保证信号强度，如果是普通端口之间的连接，必定会使网络信号严重受损。