主幹交換機

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個以太網段（每個網段為一個廣播域），不用網橋或路由連接，網絡之間是互不相通的。以太主模塊插入後通常被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。這種交換技術是基於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，還可以在一定程度進行容錯，但由於沒有改變共享傳輸介質的特點，不能稱之為真正的交換。

幀交換是目前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，提供並行傳送的機制，以減小衝突域，獲得高帶寬。一般來講，各個公司的交換機產品的實現技術會有差異，但對網絡幀的處理方式一般有以下幾種：

·直通交換：提供線速處理能力，交換機只讀出網絡幀的前14個字節，便將網絡幀轉發到相應的端口上。

·存儲轉發：通過對網絡幀的讀取進行驗錯和控制。

前一種方法的交換速度非常快，但缺乏對網絡幀進行更高級的控制，缺乏智能性和安全性，同時也無法支持具有不同速率的端口的交換。因此，各廠商把後一種技術作為重點。

有的廠商對網絡幀進行分解，將幀分解成固定大小的信元，對信元的處理用硬件實現，處理速度快，同時能夠完成高級控制功能，如優先級控制。

ATM技術採用固定長度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，但並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建立多個虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM採用了統計時分電路進行復用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。但隨着萬兆以太網的出現，曾經代表網絡和通訊技術發展的未來方向的ATM技術，開始逐漸失去存在的意義。

二層交換技術的發展比較成熟，二層交換機屬於數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，並將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個地址表中。 ^[2] 

1) 當交換機從某個端口收到一個數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的；

2)再去讀取包頭中的目的MAC地址，並在地址表中查找相應的端口；

3)如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接複製到這端口上；

4) 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器迴應時，交換機又可以學習目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了。不斷的循環這個過程，對於全網的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。

1) 由於交換機對多數端口的數據進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那麼這個交換機就可以實現線速交換；

2) 學習端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為BUFFER RAM，一為MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；

3) 二層交換機一般都含有專門用於處理數據包轉發的專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片，因此轉發速度可以做到非常快。由於各個廠家採用ASIC不同，直接影響產品性能。

以上三點也是評判二三層交換機性能優劣的主要技術參數。

下面先來通過一個簡單的網絡來看看三層交換機的工作過程。

使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B

比如A要給B發送數據，已知目的IP，那麼A就用子網掩碼取得網絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網段。如果在同一網段，但不知道轉發數據所需的MAC地址，A就發送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包併發送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的端口。

如果目的IP地址顯示不是同一網段的，那麼A要實現和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數據包發送給一個缺省網關，這個缺省網關一般在操作系統中已經設好，對應第三層路由模塊，所以可見對於不是同一子網的數據，最先在MAC表中放的是缺省網關的MAC地址；然後就由三層模塊接收到此數據包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網關的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發端口的對應關係，並記錄進流緩存條目表，以後的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就是通常所説的一次路由多次轉發。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：

1）由硬件結合實現數據的高速轉發。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數。

2）簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數據轉發，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是由二層模塊高速轉發，路由軟件大多都是經過處理的高效優化軟件，並不是簡單照搬路由器中的軟件。

二層交換機用於小型的局域網絡。在小型局域網中，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户提供了很完善的解決方案。

三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網絡內部的數據的快速轉發，加入路由功能也是為這個目的服務的。如果把大型網絡按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網，這將導致大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實現網際互訪；如單純的使用路由器，由於接口數量有限和路由轉發速度慢，將限制網絡的速度和網絡規模，採用具有路由功能的快速轉發的三層交換機就成為首選。

一般來説，在內網數據流量大，要求快速轉發響應的網絡中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，將網間的路由交由路由器去完成，充分發揮不同設備的優點，不失為一種好的組網策略，當然，前提是設備採購資金充裕，否則退而求其次，也可用三層交換機兼做網際互連。

第四層交換是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址（第二層網橋）或源/目標IP地址（第三層路由），而且依據TCP/UDP（第四層）應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務器。它傳輸的業務遵從的協議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet等等。這些業務在物理服務器基礎上，需要複雜的載量平衡算法。

在IP世界，業務類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。 在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務器組設立虛IP地址（VIP），每組服務器支持某種應用。在域名服務器（DNS）中存儲的每個應用服務器地址是VIP，而不是真實的服務器地址。當某用户申請應用時，一個帶有目標服務器組的VIP連接請求（例如一個TCP SYN包）發給服務器交換機。服務器交換機在組中選取最好的服務器，將終端地址中的VIP用實際服務器的IP取代，並將連接請求傳給服務器。這樣，同一區間所有的包由服務器交換機進行映射，在用户和同一服務器間進行傳輸。

OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網絡源和目標系統之間協調通信。在IP協議棧中這是TCP（一種傳輸協議）和UDP（用户數據包協議）所在的協議層。

在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（port number），它們可以唯一區分每個數據包包含哪些應用協議（例如HTTP、FTP、Telnet等）。端點系統利用這種信息來區分包中的數據，尤其是端口號使一個接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包類型，並把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合通常稱作“套接字（socket）"。1和255之間的端口號被保留，他們稱為"熟知"端口，也就是説，在所有主機TCP/I P協議棧實現中，這些端口號是相同的。除了"熟知"端口外，標準UNIX服務分配在256到1024端口範圍，定製的應用一般在1024以上分配端口號。分配端口號的最近清單可以在RFC1700 "Assigned Numbers"上找到。

TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。具有第四層功能的交換機能夠起到與服務器相連接的"虛擬IP"（VIP）前端的作用。每台服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被髮送出去並在域名系統上註冊。在發出一個服務請求時，第四層交換機通過判定TCP開始，來識別一次會話的開始。然後利用複雜的算法來確定處理這個請求的最佳服務器。一旦做出這種決定，交換機就將會話與一個具體的IP地址聯繫在一起，並用該服務器真正的IP地址來代替服務器上的VIP地址。

每台四層交換機都保存一個與被選擇的服務器相配的源IP地址以及源TCP端口相關聯的連接表。然後四層交換機向這台服務器轉發連接請求。所有後續包在客户機與服務器之間重新映射和轉發，直到交換機發現會話為止。在使用四層交換的情況下，接入可以與真正的服務器連接在一起來滿足用户制定的規則，諸如使每台服務器上有相等數量的接入或根據不同服務器的容量來分配傳輸流。

為了在企業網中行之有效，第四層交換必須提供與第三層線速交換機可比擬的性能。也就是説，第四層交換必須在所有端口以全介質速度操作，即使在多個千兆以太網連接上亦如此。千兆以太網速度等於以每秒1488000 個數據包的最大速度路由（假定最壞的情形，即所有包為以太網定義的最小尺寸64字節)。

依據所希望的容量平衡間隔尺寸，四層交換機將應用分配給服務器的算法有很多種，有簡單的檢測環路最近的連接、檢測環路時延或檢測服務器本身的閉環反饋。在所有的預測中，閉環反饋提供反映服務器現有業務量的最精確的檢測。

應注意的是，進行第四層交換的交換機需要有區分和存貯大量發送表項的能力。交換機在一個企業網的核心時尤其如此。許多第二/ 三層交換機傾向發送表的大小與網絡設備的數量成正比。對第四層交換機，這個數量必須乘以網絡中使用的不同應用協議和會話的數量。因而發送表的大小隨端點設備和應用類型數量的增長而迅速增長。第四層交換機設計者在設計其產品時需要考慮表的這種增長。大的表容量對製造支持線速發送第四層流量的高性能交換機至關重要.

第四層交換機內部有支持冗餘拓撲結構的功能。在具有雙鏈路的網卡容錯連接時，就可能建立從一個服務器到網卡，鏈路和服務器交換器的完全冗餘系統。