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艾銻知識(shí)——交換機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)_交換機(jī)的基本組成

2020-04-13 17:55 作者：艾銻無限瀏覽量：

交換機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)_交換機(jī)的基本組成

交換機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　目前交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

　　1．共享內(nèi)存式結(jié)構(gòu)

　　該結(jié)構(gòu)依賴于中心局域網(wǎng)交換機(jī)引擎所提供的全端口的高性能連接，并由核心引擎完成檢查每個(gè)輸入包來決定連接路由。這種方式需要很大的內(nèi)存帶寬和很高的管理費(fèi)用，尤其是隨著局域網(wǎng)交換機(jī)端口的增加，需要內(nèi)存容量更大，速度也更快，中央內(nèi)存的價(jià)格就變得很高，從而使得局域網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)存成為性能實(shí)現(xiàn)的主要瓶頸。

　　2．交叉總線式結(jié)構(gòu)

　　交叉總線式結(jié)構(gòu)可在端口間建立直接的點(diǎn)對點(diǎn)連接，這種結(jié)構(gòu)對于簡單的單點(diǎn)式（Unicast）信息傳輸來講性能很好，但并不適合點(diǎn)對多點(diǎn)的廣播式傳輸。由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中，廣播和多播傳輸方式很常見，所以這種標(biāo)準(zhǔn)的交叉總線方式會(huì)帶來一些傳輸問題。例如，當(dāng)端口A向端口D傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，端口B和端口C就只能等待。而當(dāng)端口A向所有端口廣播消息時(shí)，就可能會(huì)引起目標(biāo)端口的排隊(duì)等候。這樣將會(huì)消耗掉系統(tǒng)大量帶寬，從而影響局域網(wǎng)交換機(jī)傳輸性能。而且要連接N個(gè)端口，就需要N×（N+1）條交叉總線，因而實(shí)現(xiàn)成本也會(huì)隨著端口數(shù)量的增加而急劇上升。

　　3．混合交叉總線式結(jié)構(gòu)

　　鑒于標(biāo)準(zhǔn)交叉總線存在的缺陷，一種混合交叉總線實(shí)現(xiàn)方式被提了出來。該方式的設(shè)計(jì)思路是將一體的交叉總線矩陣劃分成小的交叉矩陣，中間通過一條高性能總線連接。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是減少了交叉總線數(shù)，降低了成本，還減少了總線爭用。但連接交叉矩陣的總線成為新的性能瓶頸。

　　4．環(huán)形總線式結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)方式在一個(gè)環(huán)內(nèi)最多可支持四個(gè)交換引擎，并且允許不同速度的交換矩陣互連，以及環(huán)與環(huán)間通過交換引擎連接。由于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以很容易聚集帶寬。當(dāng)端口數(shù)增加的時(shí)候，帶寬就相應(yīng)增加了。與前述幾種結(jié)構(gòu)不同的是，該結(jié)構(gòu)方式有獨(dú)立的一條控制總線，用于搜集總線狀態(tài)、處理路由、流量控制和清理數(shù)據(jù)總線。另外，在環(huán)形總線上可以加入管理模塊，提供完整的SNMP管理特性。同時(shí)還可以根據(jù)需要選用第三層交換功能。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)就是擴(kuò)展能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)成本低，而且有效地避免了系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)造成的總線瓶頸。

　　交換機(jī)的基本組成

　　1、交換機(jī)的外部構(gòu)造：
　　前面板上的多個(gè)RJ45 接口是以太網(wǎng)口，用來連接計(jì)算機(jī)或其他交換機(jī)。
　　后面板或前面板上的串口是交換機(jī)的配置口，用串口線纜將其與計(jì)算機(jī)的串口連接起來，可實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)的配置操作。也有的交換機(jī)的配置口位于前面板上。
　　面板上有若干指示燈，其亮、滅或閃爍可以反映交換機(jī)的工作狀態(tài)是否正常。
　　此外還有電源插口、電源開關(guān)等。
　　可上機(jī)架（柜）式交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)長度為48.26cm（19in）。
　　2、交換機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造：
　　交換機(jī)的內(nèi)部組成為：
　　CPU （中央處理器）：交換機(jī)使用特殊用途集成電路芯片ASIC，以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。
　　RAM/DRAM：主存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)運(yùn)行配置。
　　NVRAM（非易失性RAM）：存儲(chǔ)備份配置文件等。
　　FlashROM（快閃存儲(chǔ)器）：存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件映像文件等。是可擦可編程的ROM。
　　ROM：存儲(chǔ)開機(jī)診斷程序、引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)軟件。
　　接口電路：交換機(jī)各端口的內(nèi)部電路。

　　交換機(jī)的工作原理

　　交換機(jī)工作于OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。交換機(jī)內(nèi)部的CPU會(huì)在每個(gè)端口成功連接時(shí)，通過將MAC地址和端口對應(yīng)，形成一張MAC表。在今后的通訊中，發(fā)往該MAC地址的數(shù)據(jù)包將僅送往其對應(yīng)的端口，而不是所有的端口。因此，交換機(jī)可用于劃分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網(wǎng)絡(luò)層廣播，即廣播域。
　　交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對照表以確定目的MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個(gè)端口上，通過內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，目的MAC若不存在，廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的MAC地址，并把它添加入內(nèi)部MAC地址表中。使用交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”，通過對照IP地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過交換機(jī)。通過交換機(jī)的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的減少?zèng)_突域。
　　端口
　　交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的物理網(wǎng)段（注：非IP網(wǎng)段），連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)自享有全部的帶寬，無須同其他設(shè)備競爭使用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B可同時(shí)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機(jī)，那么該交換機(jī)這時(shí)的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時(shí)，一個(gè)HUB的總流通量也不會(huì)超出10Mbps。總之，交換機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址。
　　數(shù)據(jù)傳送的工作原理
　　交換機(jī)的任意節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)傳輸指令后，即對于存儲(chǔ)在內(nèi)存里的地址表進(jìn)行快速查找，從而對于MAC地址的網(wǎng)卡連接位置進(jìn)行確認(rèn)，然后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆摴?jié)點(diǎn)上。如果在地址表中找到相應(yīng)的位置，則進(jìn)行傳輸；如果沒有，交換機(jī)就會(huì)將該地址進(jìn)行記錄，以利于下次尋找和使用。交換機(jī)一般只需要將幀發(fā)送到相應(yīng)的點(diǎn)，而無需如集線器發(fā)送到所有節(jié)點(diǎn)，從而節(jié)省了資源和時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?br /> 　　數(shù)據(jù)傳送方式
　　通過交換的方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，其實(shí)就是交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳送的方式。之前的集線器，更多是利用共享的方式，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，沒有辦法從通訊的速度上進(jìn)行要求。集線器的共享方式，也就是常說的共享式網(wǎng)絡(luò)，以集線器作為連接設(shè)備并且只有一個(gè)方向的數(shù)據(jù)流，因而網(wǎng)絡(luò)共享的效率非常低。相對而言，交換機(jī)能夠?qū)B接到自身的各臺(tái)電腦進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別，通過每臺(tái)電腦網(wǎng)卡的物理地址也就是常說的MAC地址，來進(jìn)行記憶和識(shí)別。在這樣的前提之下，就不用再進(jìn)行廣播尋找，而能夠直接將記憶的MAC地址找到相應(yīng)的地點(diǎn)并且通過一個(gè)臨時(shí)性專用的數(shù)據(jù)傳輸通道，來完成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不受外來干擾的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拧Ｓ捎诮粨Q機(jī)還具有全雙工傳輸?shù)姆绞剑砸部梢詫τ诙鄬?jié)點(diǎn)間通過同時(shí)建立臨時(shí)的專用通道，來形成一個(gè)立體且交叉的數(shù)據(jù)傳輸通道結(jié)構(gòu)。
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