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思科認(rèn)證輔導(dǎo)：三種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)全面對(duì)比
網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)還是比較常用的，于是我研究了一下三種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)全面對(duì)比，在這里拿出來(lái)和大家分享一下，希望對(duì)大家有用。網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)允許共享型和專(zhuān)用型的局域網(wǎng)段進(jìn)行帶寬調(diào)整，以減輕局域網(wǎng)之間信息流通出現(xiàn)的瓶頸問(wèn)題�，F(xiàn)在已有以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI和ATM技術(shù)的交換產(chǎn)品。
類(lèi)似傳統(tǒng)的橋接器，交換機(jī)提供了許多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。交換機(jī)能經(jīng)濟(jì)地將網(wǎng)絡(luò)分成小的沖突網(wǎng)域，為每個(gè)工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機(jī)在軟件配置簡(jiǎn)單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中;交換機(jī)使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線(xiàn)器和工作站的網(wǎng)卡，不必作高層的硬件升級(jí);交換機(jī)對(duì)工作站是透明的，這樣管理開(kāi)銷(xiāo)低廉，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加、移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)變化的操作。
三種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)
由網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)出現(xiàn)先后和采用的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)主要分為三種：端口交換、幀交換和信元交換。
端口交換
端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)在插槽式的集線(xiàn)器中，這類(lèi)集線(xiàn)器的背板通常劃分有多條以太網(wǎng)段(每條網(wǎng)段為一個(gè)廣播域)，不用網(wǎng)橋或路由連接，網(wǎng)絡(luò)之間是互不相通的。以大主模塊插入后通常被分配到某個(gè)背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個(gè)網(wǎng)段之間進(jìn)行分配、平衡。根據(jù)支持的程度，端口交換還可細(xì)分為：
(1)模塊交換：將整個(gè)模塊進(jìn)行網(wǎng)段遷移。
(2)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(jìn)行網(wǎng)段遷移。
(3)端口級(jí)交換：支持每個(gè)端口在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行遷移。這種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)是基于OSI第一層上完成的，具有靈活性和負(fù)載平衡能力等優(yōu)點(diǎn)。如果配置得當(dāng)，那么還可以在一定程度進(jìn)行客錯(cuò)，但沒(méi)有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，自而未能稱(chēng)之為真正的交換。
幀交換
幀交換是目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，它通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行傳送的機(jī)制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來(lái)講每個(gè)公司的產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)技術(shù)均會(huì)有差異，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式一般有以下幾種：
(1)直通交換：提供線(xiàn)速處理能力，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個(gè)字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送到相應(yīng)的端口上。
(2)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)：通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗(yàn)錯(cuò)和控制，前一種方法的交換速度非常快，但缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行更高級(jí)的控制，缺乏智能性和安全性，同時(shí)也無(wú)法支持具有不同速率的端口的交換。因此，各廠(chǎng)商把后一種技術(shù)作為重點(diǎn)。有的廠(chǎng)商甚至對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行分解，將幀分解成固定大小的信元，該信元處理極易用硬件實(shí)現(xiàn)，處理速度快，同時(shí)能夠完成高級(jí)控制功能，如優(yōu)先級(jí)控制。
信元交換
ATM技術(shù)代表了網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)發(fā)展的未來(lái)方向，也是解決目前網(wǎng)絡(luò)通信中眾多難題的一劑“良藥”，ATM采用固定長(zhǎng)度53個(gè)字節(jié)的信元交換。由于長(zhǎng)度固定，因而便于用硬件實(shí)現(xiàn)。ATM采用專(zhuān)用的非差別連接，并行運(yùn)行，可以通過(guò)一個(gè)交換機(jī)同時(shí)建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)，但并不會(huì)影響每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信能力。 ATM還容許在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)、節(jié)點(diǎn)建立多個(gè)虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯(cuò)能力。ATM采用了統(tǒng)計(jì)時(shí)分電路進(jìn)行復(fù)用，因而能大大提高通道的利用率。 ATM帶寬可以達(dá)到25M、155M、622M甚至數(shù)Gb的傳輸能力。
交換機(jī)的分類(lèi)和產(chǎn)品
現(xiàn)在交換機(jī)的種類(lèi)繁多，讓人有眼花繚亂的感覺(jué)。不過(guò)，根據(jù)交換機(jī)的使用環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不用，交換機(jī)還是可以分出個(gè)清晰的大類(lèi)來(lái)的。按交換機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)劃分，可分為：臺(tái)式交換機(jī)、工作組交換機(jī)、主干交換機(jī)、企業(yè)交換機(jī)、分段交換機(jī)、端口交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。根據(jù)局域網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以分為：以太網(wǎng)交換機(jī)、令牌環(huán)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆太網(wǎng)交換機(jī)，十千兆以太網(wǎng)交換機(jī)等。
以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)
目前，從以太網(wǎng)交換機(jī)當(dāng)前的主要供貨商方面來(lái)看，高端設(shè)備廠(chǎng)商主要有Cisco、網(wǎng)捷、Nortel、AVAYA、華為等，其產(chǎn)品包括高端的 WAN、MAN核心交換機(jī)及中低端的LAN交換機(jī)系列產(chǎn)品。高端產(chǎn)品主要定位于電信行業(yè)用戶(hù)及大型企業(yè)用戶(hù)。中低端設(shè)備廠(chǎng)商主要有Cisco、華為、 3Com、Intel、聯(lián)想、D-Link、Accton、Edimax、Linksys和實(shí)達(dá)等。中低端交換機(jī)面向中小企業(yè)及家庭用戶(hù)�？梢钥闯�，目前國(guó)產(chǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)則主要集中在中低端市場(chǎng)，其中有兩點(diǎn)原因：一是高端交換機(jī)對(duì)技術(shù)和性能的要求都很高，而國(guó)內(nèi)的廠(chǎng)商在研發(fā)上起步時(shí)間較晚，很多廠(chǎng)商還在進(jìn)行技術(shù)積累;二是國(guó)內(nèi)大量中小型企業(yè)的上網(wǎng)，擴(kuò)大了對(duì)中低端產(chǎn)品的需求。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商都抓住時(shí)機(jī)，推出針對(duì)中小型用戶(hù)的以太網(wǎng)交換機(jī)，并將逐漸在中小型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中扮演主角。尤其是那些技術(shù)已經(jīng)成熟的產(chǎn)品，由于本地化生產(chǎn)，可以提供同等性能但價(jià)格極具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，且品質(zhì)毫不遜色。因此，中小型用戶(hù)在建網(wǎng)時(shí)，逐漸開(kāi)始考慮國(guó)產(chǎn)品牌的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
代表的產(chǎn)品如華為3Com公司的QuidwayS1000系列以太網(wǎng)交換機(jī)。QuidwayS1000系列提供了多款機(jī)型，同時(shí)支持上機(jī)架安裝和桌面擺放，用戶(hù)可以根據(jù)各自網(wǎng)絡(luò)的具體情況進(jìn)行選擇，最大程度地保護(hù)投資。QuidwayS1000系列轉(zhuǎn)發(fā)性能優(yōu)越，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，非常適合于SOHO(Smallofficehomeoffice)、校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等中小型網(wǎng)絡(luò)使用。
一、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換：可靠性?xún)?yōu)先的 “完整校驗(yàn)者”
存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)是目前企業(yè)級(jí)交換機(jī)的主流技術(shù)，其核心邏輯是 “先完整接收，再校驗(yàn)轉(zhuǎn)發(fā)”，完全遵循 OSI 第二層的幀處理標(biāo)準(zhǔn)。
從工作流程來(lái)看，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)交換機(jī)端口時(shí)，設(shè)備會(huì)先將整個(gè)幀緩存至內(nèi)存中，這一步驟包含對(duì)幀結(jié)構(gòu)的完整解析 —— 不僅讀取前 14 字節(jié)的 MAC 頭部信息，還會(huì)檢查幀尾的 FCS（幀校驗(yàn)序列）字段。只有當(dāng)確認(rèn)數(shù)據(jù)包無(wú)傳輸錯(cuò)誤、長(zhǎng)度符合標(biāo)準(zhǔn)（64-1518 字節(jié)）后，交換機(jī)才會(huì)通過(guò) MAC 地址表查詢(xún)目的端口，完成轉(zhuǎn)發(fā)操作。這種 “先校驗(yàn)后轉(zhuǎn)發(fā)” 的機(jī)制，使得它能有效過(guò)濾沖突產(chǎn)生的錯(cuò)誤幀和殘缺幀，從源頭減少網(wǎng)絡(luò)垃圾數(shù)據(jù)。
在性能維度，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可靠性與兼容性上。它支持不同速率端口間的協(xié)同工作，例如可將 10Mbps 端口接收的數(shù)據(jù)包緩存后，以 100Mbps 速率轉(zhuǎn)發(fā)至高速端口，這一特性使其能靈活適配混合速率網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但代價(jià)是轉(zhuǎn)發(fā)延遲相對(duì)較高，且延遲會(huì)隨數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度變化 —— 長(zhǎng)幀的緩存與校驗(yàn)耗時(shí)更長(zhǎng)。
從適用場(chǎng)景來(lái)看，該技術(shù)完美匹配對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求極高的場(chǎng)景，如企業(yè)核心層交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器集群接入、財(cái)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等，是思科 IOS 中多數(shù)高端交換機(jī)的默認(rèn)配置。
二、直通交換：速度優(yōu)先的 “快速傳遞者”
直通交換是典型的 “效率優(yōu)先” 技術(shù)，其設(shè)計(jì)初衷是最大限度降低轉(zhuǎn)發(fā)延遲，核心特點(diǎn)是 “邊接收邊轉(zhuǎn)發(fā)”，僅依賴(lài)幀頭部信息進(jìn)行決策。
其工作機(jī)制極具針對(duì)性：當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)端口時(shí)，交換機(jī)只需讀取前 14 字節(jié)的 MAC 頭部（包含源 MAC、目的 MAC 及幀類(lèi)型字段），便立即停止接收過(guò)程，轉(zhuǎn)而查詢(xún) MAC 地址表確定輸出端口并開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)。整個(gè)過(guò)程無(wú)需等待數(shù)據(jù)包完整接收，更不進(jìn)行 FCS 校驗(yàn)，這種 “淺解析” 模式使轉(zhuǎn)發(fā)延遲降至微秒級(jí)，理論上可達(dá)到線(xiàn)路速率轉(zhuǎn)發(fā)。
在性能層面，直通交換的最大優(yōu)勢(shì)是超低延遲，尤其適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景。但短板同樣突出：由于缺乏完整校驗(yàn)，它無(wú)法識(shí)別傳輸錯(cuò)誤，會(huì)將錯(cuò)誤幀直接轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中，反而增加后續(xù)設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)；同時(shí)，其不支持速率適配的特性，導(dǎo)致不同速率端口間無(wú)法直接互通。此外，對(duì)于小于 64 字節(jié)的沖突碎片（殘幀），它也會(huì)無(wú)差別轉(zhuǎn)發(fā)，可能引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞。
從適用場(chǎng)景來(lái)看，該技術(shù)多見(jiàn)于早期低端交換機(jī)或?qū)ρ舆t極度敏感的特殊環(huán)境，如工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)代思科網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，已較少單獨(dú)使用，更多與其他技術(shù)結(jié)合優(yōu)化。
三、碎片隔離交換：平衡取舍的 “務(wù)實(shí)篩選者”
碎片隔離技術(shù)又稱(chēng) “無(wú)碎片轉(zhuǎn)發(fā)”，是介于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)與直通交換之間的折中方案，核心目標(biāo)是在控制延遲的同時(shí)過(guò)濾無(wú)效數(shù)據(jù)。
其工作邏輯體現(xiàn)了精準(zhǔn)取舍：交換機(jī)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)緩存前 64 字節(jié)（以太網(wǎng)幀的最小標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度），重點(diǎn)檢查幀長(zhǎng)度是否達(dá)到 512 比特（64 字節(jié)）。若小于該閾值，則判定為沖突產(chǎn)生的殘幀，直接丟棄；若長(zhǎng)度合格，則立即啟動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)流程，無(wú)需等待完整幀接收與 FCS 校驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)源于一個(gè)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)特性 —— 正常數(shù)據(jù)幀極少小于 64 字節(jié)，而多數(shù)錯(cuò)誤幀均為短碎片。
性能上，碎片隔離實(shí)現(xiàn)了 “延遲與可靠性的平衡”：轉(zhuǎn)發(fā)延遲低于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，高于直通交換；同時(shí)避免了殘幀轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)效率比直通交換提升明顯。但它仍無(wú)法檢測(cè) 64 字節(jié)以上的錯(cuò)誤幀，可靠性不及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，且同樣不支持速率適配。
在適用場(chǎng)景中，該技術(shù)常見(jiàn)于接入層低端交換機(jī)，如辦公室桌面接入、臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)部署等對(duì)成本敏感且無(wú)需極致可靠性的場(chǎng)景，是思科 SOHO 級(jí)設(shè)備的典型配置選項(xiàng)。
核心差異與認(rèn)證考點(diǎn)總結(jié)
三種技術(shù)的本質(zhì)差異源于 “延遲、可靠性、兼容性” 的取舍：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)以延遲換可靠性，直通交換以可靠性換速度，碎片隔離則尋求兩者的中間平衡點(diǎn)。從思科認(rèn)證視角，需重點(diǎn)掌握三大考點(diǎn)：一是轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)機(jī)的核心區(qū)別（完整接收 / 頭部接收 / 64 字節(jié)接收）；二是錯(cuò)誤處理能力的差異（全校驗(yàn) / 無(wú)校驗(yàn) / 碎片過(guò)濾）；三是場(chǎng)景匹配的決策邏輯 —— 核心層選存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、接入層可選碎片隔離、特殊實(shí)時(shí)場(chǎng)景可考慮直通交換。理解這些差異，是搭建高效思科網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)。
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