關于全國產交換機基礎知識，您了解多少呢？來和海翎光電的小編一起學習一下吧！

  一、交換機的分類與性能指標

    1.1 交換機的分類

    按照網絡構成方式來分的話，交換機分為三類：接入層交換機、匯聚層交換機和核心層交換機。按照OSI模型來劃分的話，分為：二層交換機、三層交換機和四層交換機還有一種按照硬件形態來劃分，可以分成兩類：盒式交換機和機框式交換機。

    盒式交換機是一種有固定端口數，有時也會帶有少量擴展槽的交換機。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，可支持更大端口密度的網絡。一般在數據中心的接入層都會采用盒式交換機，盒式交換機有的只有二層功能，也有的支持三層功能，基本是以二層為主。在數據中心的匯聚、核心出口都會采用機架式交換機。相比盒式交換機，機架式交換機都具有三層功能。

    1.2性能指標

    1.2.1 背板帶寬

    背板帶寬是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。背板帶寬越高，所能處理數據的能力越強。

    背板帶寬標志了交換機總的數據交換能力，單位為Gbps，也叫交換帶寬。所以只有模塊交換機（擁有可擴展插槽，可靈活改變端口數量）才有這個概念，固定端口交換機是沒有這個概念的，并且固定端口交換機的背板容量和交換容量大小是相等的。背板帶寬決定了各板卡（包括可擴展插槽中尚未安裝的板卡）與交換引擎間連接帶寬的最高上限。但由于模塊化交換機的體系結構不同，背板帶寬并不能完全有效代表交換機的真正性能。

    在交換機選型的過程中，有一個重要的參數，是交換機背板帶寬/全雙工端口帶寬，這個比值越大，交換機就越能趨近高性能無阻塞的交換。全雙工端口帶寬（交換機使用總帶寬或者可以實現線速轉發的交換機背板帶寬

計算公式：端口數×相應端口速率×2（全雙工模式）

例如，一個24個百兆口，2個千兆口的交換機，他的全雙工端口帶寬就是：24*2*100+2*2*1000=8.8Gbps

如果我們的背板帶寬大于8.8Gbps，就說明我們的交換機始終能保持線性轉發的速度，進行無阻塞交換。

如圖，這是背板帶寬與端口帶寬之間的關系示意圖。

     1.2.2 交換容量

    交換容量表示的是我們的交換機的核心的交換引擎的轉發速率,一般單位用bps來表示。

     交換機的主要作用就是轉發數據，端口和背板帶寬只是起到一個傳輸的作用，端口的多少和背板帶寬的大小就好像是咱們的路修的有多寬，路越寬，跑的車越多，傳輸速率也就越大。

    那么交換容量是什么呢？所謂的交換容量就是交換引擎單位時間內能處理多少數據。如果說有兩個單向八車道交匯，形成一個十字路口，那么背板帶寬就是這兩個車道同一時間總共能跑多少車，而交換容量就看這個十字路口的指揮者能同時指揮多少車輛運行。遇到能力強的指揮者，這兩個車道理論上能同時跑1000輛車，那么就真的可能跑1000輛車，也不會堵車，那么如果遇到能力不夠的指揮者，比如說他只有指揮500輛車的能力，那么這個當路口有1000輛車時，就會發生堵車，路再寬，也只能同時跑500輛車。

    由于交換引擎是作為模塊化交換機數據包轉發的核心，所以這一指標能夠真實反映交換機的性能。對于固定端口交換機，交換引擎和網絡接口模板是一體的，所以廠家提供的轉發性能參數就是交換引擎的轉發性能，這一指標是決定交換機性能的關鍵。支持第三層交換的設備，廠家會分別提供第二層轉發速率和第三層轉發速率，一般二層能力用bps，三層能力用pps，采用不同體系結構的模塊化交換機，這兩個參數的意義是不同的。但是，對于一般的局域網用戶而言，只關心這兩個指標就可以了，它是決定該系統性能的關鍵指標；對于大型園區網和城域網用戶，討論交換機的體系結構和第三層優化算法才是有意義的。

    其實現在設備廠家的部分工程師已經認為背板帶寬這個概念沒有意義了，而交換容量和下面要說的轉發率才決定交換機的性能，而這個參數很大程度上取決于交換矩陣。

    *注意：交換機達到線速轉發時，交換容量=端口數×相應端口速率×2（全雙工模式）。

    如果交換機在滿載板卡的情況下還能達到線速轉發（線速轉發可以理解為路上不堵車，所有車都能保持最高100碼的速度開），說明交換引擎的處理性能是≥背板帶寬≥所有端口的全雙工轉發速率的。

    交換容量是一個二層轉發的概念

    1.2.3 包轉發率（pps，三層轉發）

    包轉發率實際上跟交換容量概念相似，只不過交換容量是指交換機進行二層轉發的性能，而包轉發率是指交換機進行三層路由轉發的性能。這兩個概念僅僅是所屬的網絡層級不同。

    三層包轉發率的計算，簡單說一下，一個千兆的端口包轉發率是多少呢？1000，000，000bps/8*(64+8+12)=1.488Mpps，8表示8個bit，而64+12+8表示的是一個數據字段為64字節的幀，在網絡上傳輸時候實際所使用的字節數，8字節的頭部以及12字節的其他開銷，這個數據意味著一個千兆口每秒能轉發1.488M個包，每個包的大小是84字節（算上頭尾的開銷）。同理，百兆接口的包轉發率是0.1488M。（標準的以太網幀尺寸在64字節到1518字節之間，在衡量交換機包轉發能力時應當采用最小尺寸的包進行評價。指基于64字節分組，在單位時間內交換機轉發的數據總數）

    1.2.4 線速

    前面多次提到了線速，那么線速究竟是什么概念呢？       

    所謂線速，是指能夠按照網絡通信線上的數據傳輸速度實現無瓶頸的數據交換。交換機的所有端口都以線速接收幀，并能無延遲地處理被稱為“無阻塞（Nonblocking）”，之所以這樣叫是因為設備內部沒有等待處理的幀（沒有阻塞）。

    如果是總線交換結構，要想達到線速指標，背板帶寬要大于｛N*M *端口速率｝(其中 N 有每塊模塊/板卡的端口數， M 為模塊數)，同時板卡的交換容量也要大于｛端口數*端口速率｝， 一般情況下，現代的交換機背板帶寬不是瓶頸，板卡的交換容量是瓶頸，導致模塊化交換機不能實現真正線速。

    如果是交換矩陣結構，一般都能達到線速指標，這是由于這種交換結構的先進性決定的，所以高性能的交換機都采用這種交換結構。

    1.2.5 端口密度

   端口密度是一個數據中心交換機的關鍵參數，代表著交換機的轉發能力。擁有端口密度越大，代表著這個設備的轉發能力越強，端口速率越高，代表著這個設備的處理性能越強。

  由于受數據中心機柜尺寸限制，機架式交換機的寬度無法再擴寬，所以目前一個模塊能提供48個萬兆端口已經達到極限。另外能支持越多的模塊類型，則表示設備的實用性越強，可以應用于不同的網絡環境，比如：LAN接口、WAN接口、ATM接口。端口帶寬類型越豐富越好，即支持40G、100G高速端口，又支持百兆、千兆低速端口，即支持XFP又支持SFP、SFP+、CFP等等多種光接口類型。

    1.2.6 二三層表項的容量     

    二、三層轉發表項的容量基本代表了這個設備所能承載的用戶數量。比如：二層MAC地址表項32K，這意味著這個交換機能最多帶三萬多二層用戶地址，三層路由表項16K，這意味著這個交換機最多能學習一萬多條路由。還有一項規格對于交換機也非常重要，就是ACL，即訪問控制列表。通過ACL可以靈活地實現業務部署，對網絡攻擊進行限制，讓交換機更靈活地工作

    二、交換機的硬件構成

    首先我們來看一下交換機硬件模塊的邏輯結構

    交換機的主要硬件都有以下幾類：背板，主控單板，交換網板，接口單板。硬件組成如圖所示：

    主控單板、交換網板、接口單板是華為的名稱，其他品牌各有自己的名稱，如思科的名稱是：管理引擎、交換矩陣、線卡，雖然名稱不一樣但是都是同類部件，這些概念都是針對框式交換機，即機框+可插拔板卡形式的交換機。

    2.1 背板

    是機框背部內側的一塊板子，背板是框式交換機用于連接引擎、交換矩陣、線卡、風扇、電源等的PCB板，類似計算機的主板(顯卡、聲卡等都插入主板)，提供插卡的供電、數據、管理、控制平面的各種通道。

   背板技術每家又大不相同，華為的主控單板、交換網板、接口板都插在同一側屬于平行結構，而思科等交換機品牌最大的特點就是業務線卡和交換矩陣采用了正交硬件架構技術（上圖所示就是正交架構），正交架構最大的特點就是業務線卡和交換矩陣通過背板90°直接連接。相對于傳統的無源銅背板技術，正交硬件架構大大縮短了業務線卡與交換矩陣卡之間的高速信號傳輸距離，為交換機的高速信號穩定傳輸提供了硬件架構基礎?，F在的交換機，為了提高背板器件可用性，一般不會在背板上設計芯片，而全部是硬件鏈路，將器件故障率降低。

    2.2 主控單板（引擎）

    提供設備的管理和控制功能以及數據平面的協議處理功能，負責處理各種通信協議；作為用戶操作的代理，根據用戶的操作指令來管理系統、監視性能，并向用戶反饋設備運行情況；對接口板、交換模塊、風扇、電源進行監控和維護。

    2.3 交換網板

    主要是負責跨接口單板卡之間的數據轉發交換，負責各接口板之間報文的交換、分發、調度、控制等功能。通常交換單元采用高性能的ASIC芯片，提供線速轉發。從接口單板A到接口單板B的數據轉發路徑是接口單板A->背板->交換網板->背板->接口單板B。交換網板上一般會有一個或者多個交換芯片，交換機芯片通過交換網板內部鏈路、背板與各個接口單板相連，提供接口單板之間的數據交換。

    交換網板不是必須有的，因為交換功能可以集成在主控板上（也就是引擎上）。但是這樣做有個壞處就是一旦引擎掛了，交換功能也會隨之關閉，不能使用，這樣就嚴重影響了性能。所以將交換功能單獨弄出來集成到交換網板上，這樣即使引擎掛了，交換機也可以通過交換網板進行二層交換，不影響性能。

    交換網板的好處就是與主控引擎實現了管理控制與轉發分離，每個模塊只需要專注做一件事情就可以了，提高了效率。

    2.4 接口單板

    也稱為接口單元或業務處理板，提供業務傳輸的外部物理接口，完成報文接收和發送。對于分布式系統，承擔部分協議處理和交換/路由功能。

   一般來說就是提供交換機端口的模塊。

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    三、交換機的接口

    3.1RJ-45接口

     這種接口就是我們現在最常見的網絡設備接口，俗稱"水晶頭"，專業術語為RJ-45連接器，屬于雙絞線以太網接口類型。RJ-45插頭只能沿固定方向插入，設有一個塑料彈片與RJ-45插槽卡住以防止脫落。這種接口在10Base-T以太網、100Base-TX以太網、1000Base-TX以太網中都可以使用，傳輸介質都是雙絞線，不過根據帶寬的不同對介質也有不同的要求，特別是1000Base-TX千兆以太網連接時，至少要使用超五類線，要保證穩定高速的話還要使用6類線。

    3.2 SC光纖接口

    SC光纖接口在100Base-TX以太網時代就已經得到了應用，因此當時稱為100Base-FX(F是光纖單詞fiber的縮寫)，不過當時由于性能并不比雙絞線突出但是成本卻較高，因此沒有得到普及，現在業界大力推廣千兆網絡，SC光纖接口則重新受到重視。

    光纖接口類型很多，SC光纖接口主要用于局域網交換環境，在一些高性能千兆或萬兆交換機和路由器上提供了這種接口，它與RJ-45接口看上去很相似，不過SC接口顯得更扁些，其明顯區別還是里面的觸片，如果是8條細的銅觸片，則是RJ-45接口，如果是一根銅柱則是SC光纖接口。

    3.3 Consle口

    是用來配置交換機的，所以只有網管型交換機才有。而且還要注意，并不是所有網管型交換機都有，那是因為交換機的配置方法有多種，如通過Telnet命令行方式、Web方式、TFTP方式等。雖然理論上來說，交換機的基本配置必須通過Console（控制）端口，但有些品牌的交換機的基本配置在出廠時就已配置好了，不須要進行諸如IP地址、基本用戶名之類的基本配置，所以這類網管型交換機就不用提供這個Console接口了，而且就目前來說還占多數。這類交換機通常只需要通過簡單的Telnet或Java程序的Web方式進行一些高級配置即可。

   當然也有一些交換機還是提供了Console接口的，但要注意的是，用于交換機配置的Console端口并不是所有交換機都一樣，有的采用與Cisco路由器一樣的RJ-45類型Console接口,而有的則采用串口作為Console接口。

     四、交換機的主要功能與工作方式

    交換機的主要功能包括物理編址、網絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流控。交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN(虛擬局域網)的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有防火墻的功能。     

    4.1 三大基本功能：

    地址學習：以太網交換機了解每一端口相連設備的MAC地址，并將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。

   轉發/過濾：當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉發到連接目的節點的端口而不是所有端口(如該數據幀為廣播/組播幀則轉發至所有端口)。

   消除回路： 當交換機包括一個冗余回路時，以太網交換機通過生成樹協議避免回路的產生，同時允許存在后備路徑。

    4.2 交換方式

    端口交換

    端口交換技術最早出現在插槽式的集線器中，這類集線器的背板通常劃分有多條以太網段（每條網段為一個廣播域），不用網橋或路由連接，網絡之間是互不相通的。以太主模塊插入后通常被分配到某個背板的網段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網段之間進行分配、平衡。根據支持的程度，端口交換還可細分為：

   ·模塊交換：將整個模塊進行網段遷移。

  ·端口組交換：通常模塊上的端口被劃分為若干組，每組端口允許進行網段遷移。

   ·端口級交換：支持每個端口在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基于OSI第一層上完成的，具有靈活性和負載平衡能力等優點。如果配置得當，那么還可以在一定程度進行容錯，但沒有改變共享傳輸介質的特點，自而未能稱之為真正的交換。

    這種交換手段實際上就是將端口從一個網絡移到另一個網絡，實現的二層交換。

    幀交換

   幀交換是應用最廣的局域網交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行微分段，提供并行傳送的機制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產品的實現技術均會有差異，但對網絡幀的處理方式一般有以下幾種：

    直通式：

    它在輸入端口檢測到一個數據包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內部的動態查找表轉換成相應的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數據包直通到相應的端口，實現交換功能。由于不需要存儲，延遲非常小、交換非?？欤@是它的優點。它的缺點是，因為數據包內容并沒有被以太網交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由于沒有緩存，不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丟包。

   存儲轉發：

   通過對網絡幀的讀取進行驗錯和控制。

   存儲轉發方式是計算機網絡領域應用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數據包先存儲起來，然后進行CRC（循環冗余碼校驗）檢查，在對錯誤包處理后才取出數據包的目的地址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發方式在數據處理時時延大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測，有效地改善網絡性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協同工作。

    碎片隔離(快速轉發)：

    這是介于前兩者之間的一種解決方案。它檢查數據包的長度是否夠64個字節，如果小于64字節，說明是假包，則丟棄該包；如果大于64字節，則發送該包。這種方式也不提供數據校驗。它的數據處理速度比存儲轉發方式快，但比直通式慢。