以太网交换技术

以太网交换机与网桥在性能指标和结构安排上是非常相似的，甚至可将交换机看成是功能更完善的网桥。但是，以太网交换技术是网桥技术的发展与升华，以太网交换机的主要功能是要完成数据帧的交换。当然，由于采用的技术和内部的构件不同，以太网交换机在性能、造价上的相差是悬殊的。目前，以太网交换机所采用的交换技术主要有快捷交换技术 CTS（Cut-Through Switching）、准快捷交换技 术 ICS（Interim Cut-Though Switching）、存 储 转发交换技术SFS （Store and Forward Switching）和混合型交换技术 CPS （Composite Pattern Switching）几种^[1]。

快捷交换技术（CTS）又称为捷径或穿过交换技术，是以最快的速度将端口接到数据帧过滤或转发到输出端口的技术。其数据帧的交换过程是：交换机从接收端口接收数据帧并识别其目的和源节点 MAC 地址后，将目的 MAC 地址与 MAC 地址表相比较，并对 MAC 地址表进行更新和完善，然后作出过滤或转发的判断和根据此判断转发数据帧到目的端口或将数据帧滤掉，待进一步建立输入端口与输出端口之间的临时路径后，将需发送的数据帧沿临时路径转发送出去。因此，端口收到的数据帧不能立即被转发到交换的输出端口，因为上述过程需要经历一定的时间，这段时间称为转发等待时间（FLT：Forward Latency Time）。FLT 是以太网交换机的一个重要参数，反映了交换机帧交换的速度。一般地说，FLT 被规范为从接收帧第一比特进入端口时起到此比特在转发端口送出为止的时间间隔。

CTS 的 FLT 主要由三部分所组成：一是缓存数据帧将至少前 120 个比特的时间（识别目的节点MAC 地址的时间）；二是作出帧过滤或转发判的时间；三是建立数据帧输入 / 输出端口之间临时路径的时间。其后两项需要花费的时间分别为 5 比特~10 比特的时间。

因此，即使采用 CTS，FLT 的时间也至少需要 140 比特的时长。CTS 是以太网反应速度最快的一种交换技术，可以在接收端口还没有完成全帧的接收之前，就完成转发决策并将此帧的前面部分送入转发端口。因此，其转发等待时间最短。简单、快捷是这类交换技术显著特点。但是，CTS 也有下面不足之处：

• 转发部分残帧时不能识别长度超过 120 比特的残帧。
• 转发存在差错的数据帧时由于不是将全帧完全接收并证明是合法的数据帧后才将其转发的，因此没有进行全帧循环误码的校验，难免将存在差错的数据帧转发出去。
• 会发生碰撞与拥塞。

由于转发部分残帧，广播帧和组播帧从交换机各端口“喷出”会导致在各端口发生数据帧“碰撞”，使得合法帧不得不重发，从而降低了网络的利用率。当交换机从若干端口接收的数据帧有相同的目的接点 MAC 地址时，会有多个数据帧同时被转发到同一个端口，由于在每个端口无足够的缓存排对存储设施，使之在此端口造成拥塞，有的数据帧可能会被迫丢弃。

准快捷交换技术 （ICS：Interim Cut-Though Switching ）又称为无残帧交换技术 （RCS：Runt-Free Cut-Though Switching） 或改进型快捷交换技术 （MCS：Modified Cut-Though Switching）， 属 于CTS 技术的改进型。由于 CTS 存在将大于 120 比特部分的残帧转发出去等缺点，因此 ICS 进行了改进，在交换机的每个端口的接收、输入通道分别设置了一个 512 比特容量的缓存器（FIFO），此容量正好是以太网允许的最短帧长。这样 ICS 技术就可将少于 512 比特（64 个字节）的残帧除去，而避免了将小于 512 比特（64 个字节）的残帧转发出去问题的出现，也在一定程度上减少了各端口发生拥塞、碰撞的可能，使交换机的性能有了较大的提高。ICS 技术显然优于 CTS，但也有其缺点：

• 比 CTS 复杂，至少在各个端口需增加 512比特（64 个字节）容量的缓存器（FIFO）；
• 转发等待的时间OFLTL 比CTS 长，要到 512 比特（64 个字节）时间以上；
• 由于以太网数据帧最大长度达 1518 个字节，而缓存器的容量仅有 512 比特（64个字节），因此采用 ICS 时不可避免地会转发非合法的差错帧或多于 512 比特（64 个字节）部分的残帧。

CTS 和 ICS 技术， 由于在各个端口 FIFO 的容量都少于数据帧最大长度 1518 个字节， 因而有可能转发残帧、差错帧和产生端口的拥塞。为了避免出现上述现象，又研发出了存储转发交换技术(SFS)，在交换机各个端口的输入和输出通道都有可利用的缓存空间。在端口的接收通道，接收的帧信号首先存入 FIFO 之中，待全帧存入后，进行帧识别和帧处理，包括对帧的合法性的识别及循环冗余误码的校验（CRC）、散列出目的节点 MAC 地址和源节点 MAC 地址、修改 MAC 地址表和作出过滤与转发决策等处理。在处理的过程中将非法的帧丢弃。在对数据帧识别和处理之后，被转发到目的节点 MAC 地址对应的端口，首先存入相关的缓存器，再经排队，按先后次序发送出去。输入端口缓存储器和输出端口缓存器可以成对地放置在各端口，也可以设置一个大型共享缓存区供所有端口使用。对于使用共享存储器的存储转发交换机往往使用专用集成电路（ASIC）来控制数据帧在交换机中的流动，而不去使用中央处理机（CPU）。采用 SFS交换机的优点在于：

• 几乎可以把所有的残帧、差错帧等非法帧检出，而不把它们转发到其它端口。
• 由于转发到同一端口的数据帧被排队缓存，而大大减少了端口产生拥塞和碰撞的概率。
• 由于 SFS技术在各端口收发通道都分别设置了相关的缓存器，因而交换机的各端口能够在不同的工作速率下工作。例如，一些端口可在 10 Mbit/S 的速率下工作，而另一些端口则可在 100 Mbit/S的速率下工作，甚至可在工作于千兆（1000 Mbit/S）以太网中工作。
• 采用 SFS交换技术的交换机各端口都具有自适应性，即可根据输入以太网信号的速率自动调整，以适应工作的要求。

采用 SFS交换机的主要缺点是：

• 转 发 等 待 的 时 间(FLT，Forward Latency Time)最长，超过了 1518 个字节12144 比特/占用的时长。
• 比较复杂，需要有足够的存储器容量和相关的控制硬件或软件。

混合型交换技术（CPS）是综合了前三种交换技术的长处而形成的，也称为自适应型交换技术（AS：Adaptive Switching）。该交换机采用了多种转发交换模式共存的工作方式，可根据网络环境进行交换方式的切换。例如，当网络运行畅通无阻时，切换成 CTS 交换方式，以获得最短的交换转发等待时间（FLT）和提高工作效率；当网络运行不畅和发生拥塞时，切换到 SFS的交换方式，以减少网络的拥塞和数据帧的丢失。AS 型交换机各端口一般都有自适应工作速率的能力，可以支持 10 Base-T、100 Base-T 和 1000 Base-T 三种不同速率信号之间的交换。即通过自动检测输入每个端口信号的工作速率来确定在此端口上连接的网段是以太网、快速以太网，还是千兆以太网，从而实现在 AS 型交换机内各种以太网之间的连接和不同工作速率信号之间的变换。CPS 交换机的主要优点是：

• 集中了前三种交换技术各自的所长，既提高了网络的工作效率又避免了非法帧的转发，同时也减少了在各端口信号碰撞与拥塞的概率。
• 通过 AS 型交换机可实现各种类型以太网之间的连接。

CPS 交换机的主要缺点是：

• 结构复杂，通过网络环境进行判断和交换方式的切换需要时间，不便于频繁切换。
• 内部结构中需有足够的存储器容量和灵活调度的能力，否则会增大各网段间负荷的不平衡和端口的拥塞状况。

采用交换技术克服了传统共享式以太网缺点，大大提高了网络性能^[2]。

1. 采用交换技术，使原来的“共享”带宽变成了“独占”带宽，“串行”传送变成了“并行”传送，大大提高了网络性能。
2. 强网络的可延伸性。采用交换式以太网，当网络的规模增大时，用户实际可用带宽不会减少。将来业务需求增长或新技术出现时，可以用最小的代价换取最高的性能。而在传统的共享式以太网中，网络规模的增大是通过桥接器、路由器等设备来实现的，用户数目的增加会导致可用带宽的下降。
3. 有助于防止广播风暴。网桥最大的弱点是无法阻止“广播风暴”。当来自某一端口的数据帧的目标地址未知时，网桥会把它转发所有其它端口。当采用广播方式进行信息传递时，如果网间互连缺少智能连接，大量的广播信息会形成“广播风暴”。基于交换技术的虚拟局域网在阻止网段之间的广播数据包时，可充当防火墙的角色。同一虚拟局域网上的工作组成员可以协同工作、共享计算机资源，但是它们不能同其它的逻辑工作组进行通信。在这种方式下，对包含特定数据的服务器的访问，只限于指定工作组，而其它工作组都是被禁止的。广播数据包也限制在1个特定虚拟的网段范围内，所以它们不会传遍整个网络以至于增加业务拥塞程度，有效地阻止了网络拥塞的发生。
4. 随着网络业务的发展，网络系统将变得越来越复杂，越来越庞大，这就要求拥有强有力的网络管理手段，以便合理地调整网络资源，监视网络的状态以及控制整个网络的运行。交换技术从根本上解决了传统共享网络难以解决的网络瓶颈问题，使人们建立逻辑上的虚拟网络的愿望成为现实。