1.2.3 局域网中的交换机
交换机是局域网中计算机和服务器的连接设备，它能够单独地享受带宽，这样可以有效地利用带宽。
交换机是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址，如图1-36所示。
图1-36 交换机
1.交换机与集线器的区别
交换机是集线器的升级换代产品，外形上和集线器没有什么区别，是一种在通信系统中自动完成信息交换功能的设备，用途和HUB一样也是连接组网之用，但是它具有比集线器更强大的功能。通常把利用集线器连接的局域网叫共享式局域网，利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。交换机只是在工作方式上与集线器不同，其他的连接方式、速度选择等则与集线器基本相同。
2.交换机的相关技术及其特点
（1）交换技术
1）端口交换
端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：模块交换、端口组交换和端口级交换。
2）帧交换
帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行细微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。通常每个公司的产品的实现技术均会有差异，但网络帧的处理方式一般有直通交换和存储转发两种。
3）信元交换
ATM（异步传输模式）技术代表了网络和通信技术发展的未来方向，ATM采用固定长度53字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到很高的传输能力。
（2）交换机的特点
1）交换机属于OSI的第二层数据链路层设备，也就是说交换机工作在第二层，以MAC地址（网卡等设备的硬件地址）进行寻址。
2）交换机每个端口都独占一条带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下，而且可以工作在全双工模式下。例如现在使用的是10Mbps 8端口以太网交换机，因每个端口都可以同时工作，所以在数据流量较大时，它的总流量可达到8×10Mbps=80Mbps。现在市场上的交换机多为10/100Mbps自适应型。
3）交换机在绝大多数情况下是一种单播工作模式，它的内存中会有一张MAC地址对照表以确定目的MAC的NIC（网卡）挂接在哪个端口上。简单来说，交换机是这样工作的：当一个含有不明目标地址的包传来时，交换机会先在所有端口广播，这时目标地址的主机会响应发回一个信息包，那么交换机就会在MAC对照表中记录下这个端口的地址，下次再有去这个地址的包，交换机就会直接发到这个端口而不再广播了。交换机的这种功能可以称为“MAC地址学习”功能，也可以把交换机的这种工作方式不太准确的理解为“一次广播，多次单播”。那么在大多数情况下，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，因此交换机就能够隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的产生。
3.用交换机提升网络性能
交换机是工作在OSI第二层（数据链路层）的物理设备，它分割网络，形成多个冲突域段，可以很好地提升网络性能。
实际应用中，网络各不相同，每个网络都有其特定的设计思想和应用需求。下面从实际当中抽象出一个网络模型，如图1-37所示。对于左边的10Mbps共享式局域网，在一般情况下，带宽利用率只有50%左右，即5Mbps。假如一个集线器实际连接用户数为10，则每个用户可获得的速度只有0.5Mbps。可以看出用户实际可利用的带宽与期望值相差较远。
图1-37 网络模型
要想优化这种网络，提升它的性能，延长现有设备的使用年限，可以添加一台交换机更换原有的集线器，网络的性能便会被得到极大提升。当交换机工作在全双工模式下时，交换机与服务器之间的连接速度一般可达到9Mbps，而且不论它连接了多少个用户，每个用户可独享此带宽；当工作在交换方式时，服务器和交换机之间的连接速度也可以达到8.5Mbps，每个用户也可以享用8.5Mbps的连接速度，满足自身工作需求。
由此看来，在提升网络性能时适当更换设备可以获得一种质的飞跃。
4.对称和不对称交换机的功能和应用
现实网络环境中存在对各段均衡的和不均衡的带宽需求，例如Client/Server的普遍应用，使得对称和不对称交换机由此而产生。
对称交换机是根据位于交换机每个端口的带宽来描述LAN交换的方法，它用相同的带宽在端口之间提供交换连接，例如，全部为10Mbps端口或100Mbps端口。交换机的实际吞吐量为端口数与带宽的乘积。
不对称交换机大多应用于C/S网络中，在不同带宽的端口间提供了交换连接，例如10Mbps端口与100Mbps端口的通信。它可以为服务器分配更多的带宽满足网络需求，防止在服务器端产生流量瓶颈。
交换机使用了存储器缓冲区来存储和转发数据包到合适的端口，存储器缓冲区能使用两种方法来转发数据包——基于端口存储器缓冲区和共享存储器缓冲区。交换机维护一个端口映射表，只有在数据包已经成功传送后它才清楚这个目的端口映射，所以才能完成前述的各项功能，如图1-38所示。
图1-38 对称交换机和不对称交换机
5.局域网交换机的选择
局域网交换机的种类有两种划分方法，一种是根据使用的网络技术来划分，一种是根据交换机的应用领域来划分。
● 局域网交换机根据使用的网络技术可以分为： 以太网交换机、令牌环交换机、FDDI交换机、ATM交换机和快速以太网交换机等。
● 按交换机应用领域来划分，可分为： 台式交换机、工作组交换机、主干交换机、企业交换机、分段交换机、端口交换机、网络交换机等。
局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言，局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此，在选择交换机时要注意以下事项：
● 交换端口的数量；
● 交换端口的类型；
● 系统的扩充能力；
● 主干线连接手段；
● 交换机总交换能力；
● 是否需要路由选择能力；
● 是否需要热切换能力；
● 是否需要容错能力；
● 能否与现有设备兼容，顺利衔接；
● 网络管理能力。