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交换机工作原理:了解不同交换方式及其影响

以太网交换机数据传输过程中,主要采用了直通式交换、存储转发式和碎片隔离式三种数据包交换方式。其中,存储转发式因其在错误检测和端口兼容性方面的优势,已成为当前交换机的主流交换方式。
首先,让我们来了解直通交换方式(Cut-through)。这种交换方式类似于纵横交叉的电话交换机,它在数据包到达输入端口时,仅检查数据包的包头信息,包括目的地址,然后迅速将数据包传输到对应的输出端口。这种方法的主要优势在于延迟小,交换速度快,因为它仅处理数据包的前14个字节,无需存储整个数据包。然而,这种方法的缺点也很明显:无法对数据包内容进行校验,容易丢失错误的数据包;缺乏缓存,难以处理不同速度的输入和输出端口;且随着端口数量的增加,交换矩阵会变得复杂,难以实现。
接下来是存储转发方式(Store-and-Forward)。这种方式在数据包到达交换机后,首先将其缓存起来,然后检查数据包是否正确,过滤掉冲突和错误的包。确认无误后,提取目的地址,通过查找表确定输出端口,再将数据包发送出去。存储转发方式虽然数据处理时间较长,但它能够对数据包进行错误检测,支持不同速度的输入和输出端口之间的交换,有效改善网络性能。此外,这种交换方式还能实现不同速度端口之间的转换,确保高速端口和低速端口协同工作。
第三种方式是碎片隔离式(Fragment Free),它介于直通式和存储转发式之间。在数据包转发前,它会检查数据包长度是否达到64个字节。如果小于64字节,被认为是残帧,交换机将丢弃该包;如果大于64字节,则发送该包。这种方式的处理速度介于直通式和存储转发式之间,但能有效避免残帧的转发,因此在低档交换机中得到了广泛应用。
使用这三种交换技术的交换机通常都会采用一种特殊的缓存机制——先进先出(FIFO)缓存。这种缓存机制确保数据包按照到达的顺序进行传输。在数据包接收过程中,如果发现数据包长度小于512比特,缓存中的残帧会被丢弃,从而避免了残帧的转发问题。这种方法能够在很大程度上提高网络传输效率,因为它确保了数据包在转发前已被缓存并进行了检查。
综上所述,不同类型的交换方式各有特点,适用于不同的网络环境。直通式交换以其快速性适用于对延迟敏感的场合;存储转发式交换则因其强大的错误检测能力和端口兼容性,成为大多数以太网交换机的首选;而碎片隔离式交换则是一个折中的方案,适用于对残帧转发有一定要求的低档交换机。根据实际需求选择合适的交换方式,才能充分发挥以太网交换机的性能优势。
目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

    1、直通交换方式(Cut-through)

    采用直通交换方式的以太网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,把数据包直通到相应的端口,实现交换功能。由于它只检查数据包的包头(通常只检查14个字节),不需要存储,所以切入方式具有延迟小,交换速度快的优点。所谓延迟(Latency)是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间。

    它的缺点主要有三个方面:一是因为数据包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;第二,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,而且容易丢包。如果要连到高速网络上,如提供快速以太网(100BASE-T)、FDDI或ATM连接,就不能简单地将输入/输出端口“接通”,因为输入/输出端口间有速度上的差异,必须提供缓存;第三,当以太网交换机的端口增加时,交换矩阵变得越来越复杂,实现起来就越困难。 

    2、存储转发方式(Store-and-Forward)

    存储转发(Store and Forward)是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一,以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来,先检查数据包是否正确,并过滤掉冲突包错误。确定包正确后,取出目的地址,通过查找表找到想要发送的输出端口地址,然后将该包发送出去。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,并且能支持不同速度的输入/输出端口间的交换,可有效地改善网络性能。它的另一优点就是这种交换方式支持不同速度端口间的转换,保持高速端口和低速端口间协同工作。实现的办法是将10mbps低速包存储起来,再通过100Mbps速率转发到端口上。 

    3、碎片隔离式(Fragment Free)

    这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节(512 bit),如果小于64字节,说明是假包(或称残帧),则丢弃该包;如果大于64字节,则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快,但比直通式慢,但由于能够避免残帧的转发,所以被广泛应用于低档交换机中。
    使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存。这种缓存是一种先进先出的FIFO(First In First Out),比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。当帧被接收时,它被保存在FIFO中。如果帧以小于512比特的长度结束,那么FIFO中的内容(残帧)就会被丢弃。因此,不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题,是一个非常好的解决方案。数据包在转发之前将被缓存保存下来,从而确保碰撞碎片不通过网络传播,能够在很大程度上提高网络传输效率。  

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