局域网交换机的内部结构和主要技术（局域网交换机原理）

一、局域网交换机的内部结构

局域网交换机卓越的性能表现，来源于其内部独特的技术结构。而不同的交换模式或不同的交换类型，也跟局域网交换机内部结构密不可分。所以说，了解了局域网交换机的内部结构，就等于了解了局域网交换机的技术特点和工作原理。目前局域网交换机采用的内部技术结构主要有以下几种。

1．共享内存式结构

该结构依赖于中心局域网交换机引擎所提供的全端口的高性能连接，并由核心引擎完成检查每个输入包来决定连接路由。这种方式需要很大的内存带宽和很高的管理费用，尤其是随着局域网交换机端口的增加，需要内存容量更大，速度也更快，中央内存的价格就变得很高，从而使得局域网交换机内存成为性能实现的主要瓶颈。

2．交叉总线式结构

交叉总线式结构可在端口间建立直接的点对点连接，这种结构对于简单的单点式（Unicast）信息传输来讲性能很好，但并不适合点对多点的广播式传输。由于实际网络应用环境中，广播和多播传输方式很常见，所以这种标准的交叉总线方式会带来一些传输问题。例如，当端口A向端口D传输数据时，端口B和端口C就只能等待。而当端口A向所有端口广播消息时，就可能会引起目标端口的排队等候。这样将会消耗掉系统大量带宽，从而影响局域网交换机传输性能。而且要连接N个端口，就需要N×（N+1）条交叉总线，因而实现成本也会随着端口数量的增加而急剧上升。

3．混合交叉总线式结构

鉴于标准交叉总线存在的缺陷，一种混合交叉总线实现方式被提了出来。该方式的设计思路是将一体的交叉总线矩阵划分成小的交叉矩阵，中间通过一条高性能总线连接。该结构的优点是减少了交叉总线数，降低了成本，还减少了总线争用。但连接交叉矩阵的总线成为新的性能瓶颈。

4．环形总线式结构

这种结构方式在一个环内最多可支持四个交换引擎，并且允许不同速度的交换矩阵互连，以及环与环间通过交换引擎连接。由于采用环形结构，所以很容易聚集带宽。当端口数增加的时候，带宽就相应增加了。与前述几种结构不同的是，该结构方式有独立的一条控制总线，用于搜集总线状态、处理路由、流量控制和清理数据总线。另外，在环形总线上可以加入管理模块，提供完整的SNMP管理特性。同时还可以根据需要选用第三层交换功能。这种结构的最大优点就是扩展能力强，实现成本低，而且有效地避免了系统扩展时造成的总线瓶颈。
[NextPage]

二、局域网交换机的主要技术

局域网交换机由于使用了虚拟线路交换方式，技术上可在各输入、输出端口之间互不争用带宽，或在不产生传输瓶颈的情况下，完成各端口间数据的高速传输，从而大大提高了网络信息点的数据传输，优化了网络系统。局域网交换机与HUB在硬件上的主要区别是多出了背板总线和交换引擎两大部分，这说明局域网交换机的技术含量普遍较高。所以要全面了解局域网交换机，就必须清楚局域网交换机的主要技术特点。 下面介绍了各类用于局域网交换机中的主要技术。

1． 可编程ASIC（特定用途集成电路）

这是一种专门用于优化第二层交换处理的专用集成电路芯片，也是当前联网解决方案的核心集成技术，它可将多项功能集成在同一个芯片上，使之具有设计简单、高可靠性、低电源消耗、更高的性能和成本更低的优点。在局域网交换机上普遍采用的可编程ASIC芯片，是一种可以由厂家，甚至是用户根据应用需要，编辑专用程度的ASIC芯片，是局域网交换机应用中的重要应用技术之一。

2． 分布式流水线

有了分布式流水线，多个分布式转发引擎就能快速、独立地传送各自的数据包。而在单个流水线中，多个ASIC芯片可同时处理多个帧。这种并发性和流水线可将转发性能提高到一个新高度。在所有端口上实现点播（Unicast）、广播（Broadcast）和组播（Multicast）的线速性能。所以说，分布式流水线的采用是局域网交换机交换速度提高的重要原因。

3． 动态可扩展内存

对于先进的局域网交换产品，高性能和高品质功能往往建立在智能化的存储器系统之上。动态可扩展内存技术可以使局域网交换机在运行过程中，根据数据流的需要动态地扩展内存容量。为此，在第三层局域网交换机模式中，已将存储器的一部分直接与转发引擎关联起来，从而使其具有增加更多接口模块的能力。这样，包括各自的转发引擎，存储器也就相应地得到了扩展。同时，还可通过流水线式的ASIC处理，动态地构造缓存，增加内存的使用率，也可使系统在处理较大的突发数据流时，不会产生丢包现象。

4．先进的队列机制

事实上，不管网络设备有多么优秀的性能和品质，谁都会受到其所联接网段上的数据拥挤所带来的不同损害。传统的方式是，通过一个端口的流量必须在只有一个输出队列的缓存中保存，不论它的优先级是多大，也必须按照先进先出的方式来处理。当队列满时，任何超出部分都将被丢弃。而当队列变长时，延时也将会增加。显然，该传统的队列机制使得在运行实时事务处理及多媒体应用时，往往变得非常困难。为此，许多网络设备商都在开发先进的队列新技术，使其可在一个以太网段上提供不同的服务级别，同时还可提供对延时和抖动的控制。先进的队列机制可以是每端口具有不同级别的队列机制，这种队列机制能更好地区分不同的流量级别，以便使网络系统能与高性能应用具有更好的匹配。像多媒体和实时数据流这样的数据包被放进高优先级队列中，在使用加权公平排队算法后，就可以更频繁地处理高优先级队列，还不会置低优先级队列于不顾。而且，传统应用用户也不会察觉到响应时间和吞吐量的变化，而那些使用紧急应用的用户则可得到及时的响应。

5． 自动流量分类

在网络传输中，有些数据流比其它数据流更重要，第三层局域网交换机已经开始采用自动流量分类技术，使之可以用来区分不同类型和不同级别的数据流量。实践证明，在使用自动流量分类技术后，第三层局域网交换机可以指示数据包流水线区分用户指定的数据流，从而实现了低延时和高优先级传输，不仅为特殊数据流量提供了有效的控制和管理途径，而且还避免了网络数据流的拥塞。

6． 智能许可权控制

众所周知，第三层局域网交换机可以为网络系统提供多种安全机制，如局域网交换机在使用流量分类器后，管理员就可以限制任何被识别的数据流，包括限制对服务器的访问及排除无用的协议广播。这就是所谓的智能许可权控制技术，该技术为网络技术领域里的突破性进展技术-线速防火墙技术提供了技术基础。

7． 动态流量监督

虽然局域网交换机流量分类、优先化处理以及资源保留等先进技术，可以极大地减轻网络管理员的管理负担，但它们无法完成网络流量监督。动态流量监督实际上是一个保护机制，主要监视流量和网络拥塞情况，并对这些情况作出动态响应，以保证所有网络元素（终端用户和网络本身） 都能置身于管理员的控制之下，并能得到最佳运行。为了在拥塞局域网上进行优先化处理，许多第三层局域网交换机使用了IEEE 802.1p服务级别。为了避免拥塞，某些第三层局域网交换机甚至采用了更先进的技术来动态地监视输出队列的大小，以便及时发现一个端口是否将变得拥挤。通过控制队列大小和拥塞，网络可以维持对延时敏感的数据流所需的极限。

8． 向量处理技术

向量处理技术是第三层局域网交换机技术之一，主要用来加速数据帧的处理速度。由于第三层局域网交换机体系结构不仅在第二层之上增加了第三层控制能力，而且还增加了多方位的多种向量控制，从而加强了向量处理功能。第三层局域网交换机的向量处理优点主要有：快速帧处理速度，由于局域网交换机支持基于 ASIC数据包分类、转发和解释技术，由软件进行帧解码工作被降至最低程度，与纯软件设计相比，这种方法可以获得很高的性能；具有高度适应性的功能控制，向量处理与可编程的ASIC配合工作，从而能够以最小的开销支持未来新标准。如对 IPv6的支持已经是向量逻辑的一部分；增强的管理功能，多方位的向量处理还包括内置的网络管理代理及RMON等。

9． 多RISC处理机

在高可靠性局域网交换机中，内置一个或多个专门的高性能RISC（Reduced Instruction Set Computer：精简指令集计算机）处理器是绝对需要的。事实上，采用RISC处理器的帧处理机FP（Frame Processor）与向量逻辑的结合所提供的性能是无与伦比的。一个独立的应用处理机AP（Application Processor）可辅助FP。象FP一样，AP也是一个高性能的RISC处理器。其中，AP控制器除了进行帧转发以外，还有高层桥接和路由，如生成树和OSPF协议，以及SNMP操作和HTTP操作等。所以，使用AP和FP的好处是显而易见的，因为管理和计算方面的工作并不影响数据转发，从而可实现高吞吐量和低延时。

总之，通过以上技术分析，我们不难看出，高性能、安全性、易用性、可管理性、可堆叠性、服务质量及容错性是当前局域网交换机的主要技术特点之一。随着视频会议、实时组播、网络电话、程控交换及自动呼叫转发等多媒体业务的开展，局域网交换技术将会向着高带宽、安全性、服务质量及智能化技术方向迅猛发展。