简述交换机的工作原理

一、概述

1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层 *** 作。与桥接器一样，交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小， *** 作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。

交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。

类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的 *** 作。

利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的 *** 作性能。如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包，可提供14880bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率（6道信息流X14880bps／道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。

二、三种交换技术

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。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，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：将整个模块进行网段迁移。

·端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

·端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在一定程度进行客错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。

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微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：

·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。

·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。

前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能（如美国MADGE公司的LET集线器）如优先级控制。

3．信元交换

ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM采用固定长度53个字节的信元交换。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25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。

三、局域网交换机的种类和选择

局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：

·以大网交换机；

·令牌环交换机；

·FDDI交换机；

·ATM交换机；

·快速以太网交换机等。

如果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：

（1）交换端口的数量；

（2）交换端口的类型；

（3）系统的扩充能力；

（4）主干线连接手段；

（5）交换机总交换能力；

（6）是否需要路由选择能力；

（7）是否需要热切换能力；

（8）是否需要容错能力；

（9）能否与现有设备兼容，顺利衔接；

（10）网络管理能力。

四、交换机应用中几个值得注意的问题

1．交换机网络中的瓶颈问题

交换机本身的处理速度可以达到很高，用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解，连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网，它遵循CSMA／CD介质访问规则。在当前的客户／服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点，在交换机中设计了一个或多个高速端口（如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口），方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器（进行业务划分）或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法，方便用户架构容错的冗余连接。

2．网络中的广播帧

目前广泛使用的网络 *** 作系统有Netware、WindowsNT等，而LanServer的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率，这时可以利用交换机的虚拟网功能（并非每种交换机都支持虚拟网）将广播包限制在一定范围内。

每台文交换机的端口都支持一定数目的MAC地址，这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况，厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC数也不一样，用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的MAC数，交换机接收到一个网络帧时，只有其目的站的MAC地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中，那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。

3．虚拟网的划分

虚拟网是交换机的重要功能，通常虚拟网的实现形式有三种：

(1)静态端口分配

静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。

（2）动态虚拟网

支持动态虚拟网的端口，可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时，交换机端口还未分配，于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟网的从属性，而且如果网络中出现未定义的MAC地址，则可以向网管人员报警。

（3）多虚拟网端口配置

该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门（每种业务设置成一个虚拟网）都可同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中，因而各个公司的产品还谈不上互 *** 作性。Cisco公司开发了Inter－SwitchLink（ISL）虚拟网络协议，该协议支持跨骨干网（ATM、FDDI、FastEthernet）的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式Hub，通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。

4高速局域网技术的应用

快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性，但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过100Mbps的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。

目前也出现了CDDI／FDDI的交换技术，另外该CDDI／FDDI的端口价格也呈下降趋势，同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势，因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。

3COM的主要交换产品有Linkswitch系列和LANplex系列；BAY的主要交换产品有LattisSwitch2800，BAYstackworkgroup、System3O00／5000（提供某些可选交换模块）；Cisco的主要交换产品有Catalyst1000／2000／3000／5000系列。

三家公司的产品形态看来都有相似之处，产品的价格也比较接近，除了设计中要考虑网络环境的具体需要（强调端口的搭配合理）外，还需从整体上考虑，例如网管、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧，帧交换机的价格将会进一步下跌，它将成为工作组网的重要解决方案。

交换机工作：

当你开打开交换机是，里面是空的，没有任何MAC地址（就是物理地址），这时当这个网络里的A给B发送数据时，由于交换机里没有任何地址，既他查不到B的地址，所以交换机就广播到所有的计算机上，同时从A发的数据包里找到A的MAC地址记录下来，B给C发时记录B的MAC地址，同理，记录B，C，D……的地址，当都记录下来时，A再给B发数据时，在交换机上能找到B 的地址，交换机就不在广播，直接发到B上面，这样提高传输速度，也节省带宽（交换机工作可以简单描述为：广播未知帧，转发已知帧）。

交换机工作原理：

交换机能够检查每一个收到的数据包，并且对该数据包进行相应的动作处理。在交换机内保存着每一个网段上所有节点的物理地址，它只允许必要的网络流量通过交换机。例如，当交换机接收到一个数据包之后，它需要根据自身以保存的网络地址表来检验数据包内所包含的 发送方地址和接收方地址。如果接收方地址位于发送方地址网段，那么该数据包将会被交换机丢弃，不会通过交换机传送到其它的网段；如果接收方地址与发送方地址是属于两个不同的网段内，那么该数据包就会被交换机转发到目标网段。这样，我们就可以通过交换机的过 滤和转发功能，来避免网络广播风暴，减少误包和错包的出现。

在实际网络构件的过程中，是选择使用交换机还是选择其它的网络部件，主要还是要根据不同部件在网络中的不同作用来决定。在网络中交换机主要具有两方面的重要作用。第一，交换机可以将原有的网络划分成多个子网络，能够做到扩展网络有效传输距离，并支持更多的 网络节点。第二，使用交换机来划分网络还可以有效隔离网络流量，减少网络中的冲突，缓解网络拥挤情况。但是，在使用交换机进行处理数据包的时候，不可避免的会带来处理延迟时间，所以如果在不必要的情况下盲目使用交换机就可能会在实际上降低整个网络的性能。

考点12关系数据模型

关系模型由关系数据结构、关系 *** 作集合和关系完整性约束3部分组成。

1关系数据结构

关系模型中的数据结构非常单一。实体及实体间的联系都用关系表示，一个关系就是一张二维表，是关系模型中数据的逻辑结构。

2关系 *** 作集合

关系模型中的关系 *** 作的理论依据为关系代数和关系演算。

关系模型中常用的关系 *** 作包括：选择(select)、投影(project)、连接(join)、除(divide)、并(union)交(intersection)和差(difference)等，以及查询(query) *** 作和增(insert)、删(delete)、改(update) *** 作两大部分。查询的表达能力是其中最主要的部分。

关系数据语言可以分为如下3类：关系代数语言、关系演算语言(包括元组关系演算语言和域关系演算语言)及具有关系代数和关系演算双重特点的语言。

3关系的完整性约束

数据库的数据完整性是指数据库中数据的正确性和相容性，那是一种语义概念，包括两个方面：与现实世界中应用需求的数据的相容性和正确性数据库内数据之间的相容性和正确性。

关系模型中有3类完整性约束：实体完整性、参照完整性和用户自定义的完整性。

45关系模型的数据结构

考点13关系模型的数据结构和基本术语

(1)关系( Relation) ;关系是个元素个数为K(K,1 )的元组集合。一个关系对应一个二维表，二维表名就是关系名。

(2)属性(Attribute)和值域(Domain)：二维表中的列(字段)，称为属性，属性的个数称为关系的元数，列的值称为属性值．属性值的取值范围称为值域

(3)关系模式(Relation Schema)：关系的描述称为关系模式。

(4)元组(Tuple)：二维表中的行(记录的值)称为一个元组。关系模式和元组的集合通称为关系。

(5)候选码(Candidate Key)或候选键：如果在一个关系中，存在多个属性(或属性集合)都能用来标识该关系的元组，这些属性(或属性集合)都称为该关系的候选码或候选键。而包含在任何一个候选码中的属性称为主属性或码属性，相反，不包含的为非主属性或非码属性。关系模式的所有数据组是这个关系模式的候选码，称为全码。

(6)主码(Primary Key)或主键：在一个关系的若十个候选码中指定一个用来标识该关系的元组，这个的码称为该关系的主码或主键。

(7)外码(Foreign Key)或外键：当关系中的某个属性(或属性组)不是该关系的主码或只是主码的一部分，但却是另一个关系的主码时，称该属性(或属性组)为这个关系的外码。

(8)参照关系(Referencing Relation)与被参照关系( Referenced Relation)：它们是指与外码相关联的两个关系。以外码作为主码的关系称为参照关系；外码所在的关系称为被参照关系或目标关系。

(9)分量(Component)：元组中的一个属性值。

(10)主属性(Primary Attribute)和非主属性(Nonprimary Attribute)：关系中包含在任何一个候选码中的属性称为主属性或码属性，不包含在任何一个候选码中的属性称为非主属性或非码属性。

考点14关系的形式定义和关系数据库对关系的限定

1关系的形式定义

关系从数学的观点来定义有以下两种解释。

(1)集合论观点：即前面所述，关系是一个元素个数为K(K,1)的元组集合。

(2)值域的观点：关系是属性值域笛卡儿积的一个子集。

2关系数据犀对关系的限定

当关系作为关系数据模型的数据结构时，关系数据库对关系有如下的限制。

(1)列是同质的．即每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域。

(2)不同的列可以出自同一个域，称其中的每一列为一个属性，不同的属性要给予不同的属性名。

(3)列的顺序无关紧要，即列的次序可以任意交换。

(4)任意两个元组不能完全相同。

(5)行的顺序无关紧要，即行的次序可以任意交换。

(6)每一个属性是不可分解的这是关系数据库对关系的最基本的一条限定。分量必须取原子值，即每一个分量都必须是不可拆分的数据项。

46关系模型的完整性约束

考点15数据完整性规则的分类

关系模型的完整性规则是对关系的某种约束条件。关系模型中可以有3类完整性约束：实体完整性、参照完整性和用户自定义的完整性。其中实体完整性和参照完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件，被称为两个不变性、应该由关系系统自动支持。

1实体完整性规则

实体完整性规则：若属性“是基本关系“的主属性，则属性A不能取空。实体完整性关系的所有主属性都不能取空值，而不仅是主码整体不能取空值。说明实体完整性规则应包括如下几个方面：

(1)实体完整性规则是针对基本关系而言的。一个关系(基本表)通常对应现实世界的一个实体集。

(2)现实世界中的实体是可区分的，即它们具有某种性标识。

(3)相应地，关系模型中以主码作为标识。

(4)主码中的属性即主属性不能取空值。所谓空值就是“不知道”或“不确定”的值。

2参照完整性规则

若属性(或属性组)F是基本关系R的外码，它与基本关系S的主码Ks相对应(基本关系R和S不一定是不同的关系)，则对于R中每个元组在F上的值必须为：取空值(F的每个属性值均为空值)或者等于S中某个元组的主码值。

3用户有定义的完整性

用户定义的完整性通常是定义对关系中除外码与主码属性之外的其他属性取值的约束，即对其他属性值域的约束，也称为域完整性规则，包括数据类型、精度、取值范围、是否允许空值等。

47关系代数

考点16传统集合运算

传统的集合运算包括并、交、差和广义笛卡儿积4种运算。

1并(union)

设关系R和关系S具有相同的目n(即都有n个属性)，且相应的属性取自同一个域，则关系R与S的并是由属于R或属于S的元组组成的，结果仍为n目关系，记做：

RUS＝｛t／t∈R∨t∈S｝，t是元组变量。

2差(difference)

设关系R和关系S具有相同的目n，且相应的属性取自同一个域，则关系R与关系S的差是由属于R而不属于S的所有元组组成的，结果仍为n目关系，记做：

R－S={t／t∈R∧t￠S},t是元组变量

3交(intersection)

设关系R和关系S具有相同的目n，且相应的属性取自同一个域，则关系R与关系S的交是由既属于R而不属于S的所有元组组成的，结果仍为n目关系，记做：

R∩S=｛t|t∈R∧t∈S｝t ER八：ES｝,t是元组变量。

显然R自s＝R一(R一s)。

4广义笛卡儿积(Extended Cartesian Product)

设关系R和s的元数分别是厂和，，定义R和s的笛卡儿积是一个(r+s)元元组的集合，每一个元组的前r个分量来自R的一个元组，后s个分量来自S的一个元组。若R有m个元组，S有n个元组，则关系R 和S的广义笛卡儿积有m ×n个元组，记做：

R×S＝｛t|t=＜t¬¬¬¬r ,ts＞∧t¬¬¬¬r ∈ts∈S

考点17专门的关系运算

专门的关系运算包括：对单个关系进行垂直分解(投影 *** 作)或水平分解(选择 *** 作)和对多个关系进行结合(连接 *** 作)等。

1选择(selection)

选择又称为限制，是在关系R中选择满足给定条件的各元组，记做：

(R)={t|t∈R∧F(t=′真′)}，其中F表示选择条件，是一个逻辑表达式。

选择运算实际上是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组。这是从行的角度进行的运算。

2投影(projection)

关系R上的投影是从R中选择出若干属性列组成新的关系，记做：

二1(R、＝｛t［A〕I t ER｛,A为R的属性列。

投影 *** 作实际上是从关系中选取某些列，即从列的角度进行的运算。

3连接(join )

连接是从两个关联的笛卡儿积中选取属性间满足一定条件的元组。

连接运算中有两种最为重要也是常用的连接，一种是等值连接( equi - join)，一种是自然连接(naturaljoin)自然连接是构造新关系的有效方法。一般，自然连接使用在两个关系有公共属性的情况中。

4除(di%-ision)

给定关系R(X，州和别Y, Z)，其中X，Y, Z为属性组。R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但必须出自相同的域集R与S的除运算得到一个新的关系尸(X)，P是R中满足下列条件的元组在X属性列上的投影：元组在X分量值的对象Yx包含S在Y上投影的集合。记做：

R÷S＝t,[X]t,ER八二，(S) C-玖｝

除 *** 作是同时从行和列的角度进行运算。

48 SQL概述：

考点18结构化查询语言SQL

SQL (Structured Query Language)称为结构化查询语言，是于1974年由Boyce和Chamberlin提出的，1975年IBM公司研制的关系数据库管理系统的原型系统System R实现了SQL语言。SQL是一个通用的、功能极强的关系数据库语言。我国制定了SQL的国家标准为GB12911, SQL已经成为关系数据库领域中的一种主流语言。

考点19 SQL的特点一

SQL语言集数据查询、数据 *** 纵、数据定义和数据控制功能于一体，主要特点包括以下几个方面：

(1)综合统一。

(2)高度非过程化。

(3)面向集合的 *** 作方式。

(4)以同一种语法结构提供两种使用方式。

(5)语言简洁，易学易用。

考点20 SQL数据库体系结构

SQL语言支持关系数据库三级模式结构：其中外模式对应于视图和部分基本表，模式对应于基本表，内模式对应于存储文件：

基本表是本身独立存在的表，在SQL中一个关系就是一个基本表。一个基本表对应一个存储文件，一个表可以带若干索引，索引也存放在存储文件中存储文件的逻辑结构组成了关系数据库的内模式。存储文件的物理结构是任意的，对用户是透明的。

视图是从一个或几个基本表导出的表二视图是一个虚表视图在概念上与基本表等同，用户可以在视上再定义视图。

49 SQL的数据定义

考点21基本表

1定义基本表

SQL语言使用CREATE TABLE语句定义基本表，其格式如下：

CREATE TABLE＜表名＞(＜列名＞＜数据类型＞［列级完整性约束〕

［，＜列名＞＜数据类型＞［列级完整性约束］…＝

〔，＜表级完整性约束＞〕)；

如果完整性约束条件涉及到该表的多个属性列，则必须定义在表级上，否则既可以定义在列级，也可以定义在表级。

2修改基本表

SQL语言用ALTER TABLE语句修改基本表，其格式为：

ALTER TABLE＜表名＞

「ADD＜新列名＞＜数据类型＞［完整性约束〕〕

［DROP＜完整性约束名＞〕

［MODIFY＜列名＞＜数据类型＞」；

ADD子句用于增加新列和新的完整性约束条件。DROP子句用于删除指定的完整性约束条件。MOD-IFY子句用于修改原有的列定义，包括修改列名和数据类型。

3删除基本表

当某个基本表不再需要时，可以用DROP TABLE语句进行删除，其格式为：

DROP TABLE＜表名＞

基本表一旦被删除，表中的数据、此表上建立的索引和视图都将自动被删除。因此执行删除基本表的 *** 作时一定要格外小心。

IP交换的工作过程 可分为四个阶段。

（1）对默认信道上传来的数据分组进行存储转发

在系统开始运行时，IP数据分组被封装在信元中，通过默认通道传送到IP交换机。当封装了IP分组数据的信元到达IP交换控制器后，被重新组合成IP数据分组，在第三层按照传统的IP选路方式，进行存储转发，然后再被拆成信元在默认通道上进行传送。

（2）向上游节点发送改向消息

在对从默认信道传来的分组进行存储转发时，IP交换控制器中的流判识软件要对数据流进行判别，以确定是否建立ATM直通连接。对于连续的、业务量大的数据流采用ATM交换式传输，对于持续时间短的、业务量小的数据流采用传统IP存储转发方式。当需要建立ATM直通连接时，则从该数据流输入的端口上分配一个空闲的VCI，并向上游节点发送IFMP的改向消息，通知上游节点将属于该流的IP数据分组在指定端口的VC上传送到IP交换机。上游IP交换机收到IFMP的改向消息后，开始把指定流的信元在相应VC上进行传送。

（3）收到下游节点的改向消息

在同一个IP交换网内，各个交换节点对流的判识方法是一致的，因此IP交换机也会收到下游节点要求建立ATM直通连接的IFMP改向消息，改向消息含有数据流标识和下游节点分配的VCI。随后，IP交换机将属于该数据流的信元在此VC上传送到下游节点。

（4）在ATM直通连接上传送分组

IP交换机检测到流在输入端口指定的VCI上传送过来，并受到下游节点分配的VCI后，IP交换控制器 通过GSMP消息指示ATM控制器，建立相应输入和输出端口的入出VCI的连接，这样就建立起ATM直通连接，属于该数据流的信元就会在ATM连接上以ATM交换机的速度在IP交换机中转发。

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