局域网交换机体系结构对网络传输速度的影响

王道胜

（山东理工大学，山东 淄博 255049）

0 引言

交换机具有操作简单、低格低廉、高性能和高端口密集特点，协议的透明性允许交换机直接安装在多协议网络中，只需简单的软件配置即可。交换机转发延迟很小，在网络传输密集的场合，其效率要远高于普通的集线器，在局域网中作为网络的一个中枢，与许多工作站和服务器连接，是构成整个交换式网络的关键设备。局域网采用不同的交换体系结构对网络传输速度有很大的影响[1]。

1 交换机的工作原理

交换机工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，不需要检查上层信息。交换机存储的MAC地址表在交换机首次启动时为空。当工作站发出帧时，开关读取帧的源地址和目标地址，并记录接收帧的端口。然后在地址表中查找并核对指向目标地址的端口、帧的目标地址和表中的地址，最终从选定的端口输入信息[2]。

所有交换机的功能基本相同：接收帧、查找目标地址的端口、发送帧。当交换机从一个节点接收到一个以太网帧时，将会及时找到其内存地址表（以太网MAC地址号），检查目标MAC网络适配器连接到的节点，并将帧路由到此节点。如果在地址表中找不到MAC地址，则交换机会将数据包广播到所有节点。具有MAC地址的网卡在接收到广播帧后立即响应，并将交换机插入MAC地址表中其节点的“MAC地址”[3]。

当交换机从节点接收帧时，对地址表执行两个操作：（1）检查帧的源MAC地址是否存在于地址表中，若缺少则添加，以便后续操作中能够准确定位MAC地址的具体位置。（2）检查帧的目标MAC地址是否已在地址表中，如果不在，则将帧发送到除源节点以外的所有其他节点，就像帧是广播帧一样（源节点除外），相当于该帧是一个广播帧。如已在地址表中，则将帧发送到相应节点，而不必将帧发送到集线器等所有节点，以实现源节点和目的节点之间的相互通信，从而提供了比集线器更高的传输速率。

2 局域网交换体系结构

通常情况下，大型局域网是通过网桥、路由器或交换机等各种网络连接设备来进行多个LAN的连接。由于不断增长的LAN带宽需求必须低于以太网或令牌环上设置的10 Mbps或16 Mbps带宽限制，所以在典型的LAN设计中，不同的LAN段数量迅速增加。交换式局域网以较低的成本跨多个网段提供高质量的消息传输服务，作为一种通过增加网段来提高局域网容量的技术，得到了迅速的发展。局域网可以按照网络拓扑类型分为：星行网、环形网、总线网和树形网，如图1所示。

图1 局域网的网络拓扑类型

2.1 局域网交换总线结构

（1）单个总线结构在使用过程中，FDDI上行链路模块、ATM上行链路模块、以太网交换机模块和快速以太网交换机模块连接到核心结构元件。每个端口都必须提交访问仲裁，单个总线易于广播和组播，但很容易造成超载。

（2）交叉总线式结构，用于端口之间的点对点直接连接。对于简单的单播信息传输，可以在不阻塞的情况下垂直和水平构建多个输入总线。而对于点对多点广播则存在一定缺陷，由于广播和组播在实际网络应用中非常普遍，标准交叉总线模式会影响最终的传输速度以及其他的传输问题。例如，端口B和C只能在端口A和D传输数据时等待，如果端口A向所有端口发送消息，则会导致目标端口排队。这不仅会大量消耗系统的带宽，还将影响连接n个端口×（n+1）交叉总线所需的局域网交换机的传输性能，最终导致其所需的成本因端口数量的增多而大幅增加。

（3）并行总线结构时，各模块间的所有信息都经过一块由一种介质组成的单块背板（总线）来传输，数据利用时分多工传输（TDM）方式在总线上传输，传输速度较快，最高容量平均为2 GB/s。

（4）共享内存型交换机运行时，采用大量高速RAM存储输入数据，数据直接从存储器传输到输出端口。因此，设计不需要背板，交换机易于实现。缺点在于，设计中冗余开关电机的复杂性和成本增加，导致存储操作存在少许延迟，不可避免地导致单一故障风险存在。共享内存型交换机适用于小型系统中的分布式开关模块、堆叠系统或大型系统。

（5）混合交叉总线式结构。在标准交叉总线缺陷的基础上，提出了一种混合交叉总线实现方案，具体设计过程中，是将嵌入式交叉总线矩阵分解为一个个小型的交叉总线矩阵，由此形成一个强大的总线连接，具有数量减少和节约成本的优点，但是如何实现其交叉矩阵又成为一个新的难点问题。

（6）环形总线式结构。一个回路最多可支持4个开关电机，并以不同的速度连接开关矩阵，并通过控制电机在电路之间连接。随着端口数量的增加，与上述结构不同，该结构由一个单独的总线状态控制和路由、流量控制、数据总线清洗等组成。另外，还可以在环总线上增加管理模块，提供完整的SNMP管理功能。还可以根据需要选择三级交换机功能，这种结构最大的优点是扩展能力强，实现成本低，有效突破了系统扩展造成的总线瓶颈。

2.2 点对点结构

基于点对点结构的交换机一般分为以下两类。

（1）网状连接的点对点结构交换机，又称为纵横制交换机或矩阵交换机。每个模块都有自己的连接，并且都是直接连接到其他模块，形成一个完全交叉的结构，因此无须为其配置中央交换机板。但是，由于网格连接的呈几何形状，此交换机通过增加端口数量会增加模型成本。每个模块还提供网络连接以及扩展容量时的重复系统时钟和控制功能。背板总容量等于连接线的总线Nx（N－1）乘以一条点对点链路的传输速度（目前容量已达到1GB／s或更高）。

（2）星型连接的点对点结构的交换机，其互联设计将以太网模块连接器更换为中央交换机板，每个星型连接模块仅接收中央交换机板，并在需要冗余时连接到备用交换机板。由于每个模块都不需要高性能的开关板，所以总体设计只使用两个基板，这比任何具有3个或更多模块的网格设计都要便宜。这种结构主要用于ATM交换机。

相较于网状设计方案，星形结构的点到点结构设计具有良好的可扩展性，其实现了模块和中心板之间任意数量的连接（称为背板互连）。互连的最终传输容量取决于核心网络和模块的交换容量，而不是互联线路本身。例如，在一个10模块的机箱中，每个模块可以配置两条连接线，每条连接线的速度为1 GB/s，即模块显示器和中央显示模块之间的带宽，因此可以配置20 GB/s的总容量。

3 结语

要想获得更高的带宽和更快的速度，点对点连接是交换机结构的主要发展方向。点对点交换机的成本高、扩展性差，不适合大型端口交换机；虽然星形点到点连接的绝对带宽小于矩阵连接，但对其加以优化后可以获得高性能，显著降低局域网交换机的复杂性，实用性更强。目前，共享内存型交换机的复杂度不高，通过优化设计和分布式处理技术，在实际应用中可以获得较高性能，其在相当长的一段时间内都可以满足大多数企业的需求，仍然是局域网交换机的主流产品。