9.1　交换式技术发展历程

计算机技术与通信技术的结合促进了计算机局域网络的飞速发展，从20世纪60年代末ALOHA的出现到20世纪90年代中期1000Mbit/s交换式以太网的登台亮相，短短的30年间经过了从单工到双工、共享到交换、低速到高速、简单到复杂、昂贵到普及的飞跃。20世纪90年代初，随着计算机性能的提高及通信量的剧增，传统局域网已经超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生。

9.1.1　从网桥、多端口网桥到交换机

局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥。桥是一种存储转发设备，用来连接相似的局域网。从互连网络的结构看，桥是属于DCE级的端到端的连接；从协议层次看，桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发，与中继器在第1层、路由器在第3层的功能相似。两端口网桥几乎是和以太网同时发展的。

以太网交换技术是在多端口网桥的基础上于20世纪90年代初发展起来的，实现OSI模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系，甚至被业界人士称为“许多联系在一起的网桥”，因此现在的交换式技术并不是什么新的标准，而是已有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥。与传统的网桥相比，它能提供更多的端口（4～88）、更好的性能、更强的管理功能以及更低的价格。现在某些局域网交换机也实现了OSI参考模型的第3层协议，实现简单的路由选择功能，目前很热手的第3层交换机就是指此。以太网交换机又与电话交换机相似，除了提供存储转发（Store and Forword）方式外还提供了其他的桥接技术，如直通方式（Cut Through）。

9.1.2　交换式技术的优点

以太网交换机的原理很简单，它检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC（介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。

交换式以太网不需要改变网络其他硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式交换机替换共享式Hub，节省用户网络升级的费用。

交换式以太网可在高速网络与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有100Mbit/s的端口，通过与之相对应的100Mbit/s的网卡接入到服务器上，暂时解决了10Mbit/s的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。

它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器能提供更多的带宽。传统的共享式10Mbit/s或100Mbit/s以太网采用广播通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还须重试，而交换式以太网允许不同用户间进行信息传送，比如一个16端口的以太网交换机允许16个站点在8条链路间通信。

特别是在时间响应方面的优势，使局域网交换机备受青睐。它以比路由器低的成本却提供了比路由器大的带宽、高的速度，除非有上广域网（WAN）的要求，否则，交换机有替代路由器的趋势。

9.1.3　直通式与存储转发式交换机的比较

直通方式的以太网络交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它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将其转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直接传到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快。以上是它的优点，当然它也有一些缺点：因为数据包的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，而且，当以太网络交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来相当困难。

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检查，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，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入/输出端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

9.1.4　3层交换及其与路由器方案的竞争

局域网交换机工作在OSI第2层，可以理解为一个多端口网桥，因此传统上称为第2层交换；目前，交换技术已经延伸到OSI第3层的部分功能，即所谓第3层交换。第3层交换可以不将广播封包扩散，直接利用动态建立的MAC地址来通信，可以看懂第3层的信息，如IP地址、ARP等，具有多路广播和虚拟网间基于IP、IPX等协议的路由功能。这方面功能的顺利实现得力于专用集成电路（ASIC）的加入，把传统的由软件处理的指令改为ASIC芯片的嵌入式指令，从而加速了对包的转发和过滤，使得高速下的线性路由和服务质量都有了可靠的保证。目前，如果没有上广域网的需要，在建网方案中一般不再应用价格昂贵、带宽有限的路由器。

9.1.5　虚拟局域网技术

交换技术的发展，允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置结点，这就要用到所谓的虚拟局域网技术（VLAN）。用交换机建立虚拟局域网就是使原来的一个大广播区（交换机的所有端口）逻辑地分为若干个“子广播区”，在子广播区里的广播封包只会在该广播区内传送，其他的广播区是收不到的。VLAN通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的LAN基础设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议，采用不同的拓扑结构。对这部分详细内容感兴趣的读者可以参考IEEE 802.10规范中的规定。