以技術為導向 闡述交換機的發展歷程
閱讀：2558發布時間：2014-8-20
什么是交換機？
交換機（switch）是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備。在計算機網絡系統中，交換概念的提出是對于共享工作模式的改進。HUB集線器就是一種共享設備，HUB本身不能識別目的地址，當同一局域網內的A主機給B主機傳輸數據時，數據包在以HUB為架構的網絡上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端通過驗證數據包頭的地址信息來確定是否接收。在這種工作方式下，同一時刻網絡上只能傳輸一組數據幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網絡帶寬。
交換機是一種存儲轉發設備。以太網交換機采用存儲轉發（Store-Forward）技術或直通（Cut-Through）技術來實現信息幀的轉發，也稱為交換式集線器。交換機和網橋的不同在于：交換機端口數較多，數據傳輸效率高，轉發延遲很小，吞吐量大，丟失率低，網絡整體性能增強，遠遠超過了普通網橋連接網絡時的轉發性能。一般用于互連相同類型的局域網，如以太網與以太網的互連.
交換機基本概念
交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上，控制電路收到數據包以后，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC（網卡的硬件地址）的NIC（網卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學習”新的地址，并把它添加入內部MAC地址表中。
使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照MAC地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享沖突。交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的網段，連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節點A向節點D發送數據時，節點B可同時向節點C發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網交換機，那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps＝20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。
交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發數據包功能的網絡設備。交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址。
交換機分類
從廣義上來看，交換機分為兩種：廣域網交換機和局域網交換機。廣域網交換機主要應用于電信領域，提供通信用的基礎平臺。而局域網交換機則應用于局域網絡，用于連接終端設備，如PC機及網絡打印機等。從傳輸介質和傳輸速度上可分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環交換機等。從規模應用上又可分為企業級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是*一致的，一般來講，企業級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式（插槽數較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應用的規模來看，作為骨干交換機時，支持500個信息點以上大型企業應用的交換機為企業級交換機，支持300個信息點以下中型企業的交換機為部門級交換機，而支持100個信息點以內的交換機為工作組級交換機。
交換機發展史
“交換機”是一個舶來詞，源自英文“Switch，原意是“開關”，我國技術界在引入這個詞匯時，翻譯為“交換”。在英文中，動詞“交換”和名詞“交換機”是同一個詞（注意這里的“交換”特指電信技術中的信號交換，與物品交換不是同一個概念）。
1993年，局域網交換設備出現，1994年，國內掀起了交換網絡技術的熱潮。其實，交換技術是一個具有簡化、低價、高性能和口密集特點的交換產品，體現了橋接技術的復雜交換技術在OSI參考模型的第二層操作。與橋接器一樣，交換機按每一個包中的MAC地址相對簡單地決策信息轉發。而這種轉發決策一般不考慮包中隱藏的更深的其他信息。與橋接器不同的是交換機轉發延遲很小，操作接近單個局域網性能，遠遠超過了普通橋接互聯網絡之間的轉發性能。交換技術允許共享型和型的局域網段進行帶寬調整，以減輕局域網之間信息流通出現的瓶頸問題。現在已有以太網、快速以太網、FDDI和ATM技術的交換產品。
類似傳統的橋接器，交換機提供了許多網絡互聯功能。交換機能經濟地將網絡分成小的沖突網域，為每個工作站提供更高的帶寬。協議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協議網絡中；交換機使用現有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網卡，不必作高層的硬件升級；交換機對工作站是透明的，這樣管理開銷低廉，簡化了網絡節點的增加、移動和網絡變化的操作。
利用專門設計的集成電路可使交換機以線路速率在所有的端口并行轉發信息，提供了比傳統橋接器高得多的操作性能。如理論上單個以太網端口對含有64個八進制數的數據包，可提供14880bps的傳輸速率。這意味著一臺具有12個端口、支持6道并行數據流的“線路速率”以太網交換器必須提供89280bps的總體吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps／道信息流）。集成電路技術使得交換器在更多端口的情況下以上述性能運行，其端口造價低于傳統型橋接器。
人工交換
電信號交換的歷史應當追溯到出現的初期。當被發明后，只需要一根足夠長的導線，加上末端的兩臺，就可以使相距很遠的兩個人進行語音交談。
增多后，要使每個擁有的人都能相互通信，我們不可能每兩臺機之間有拉上一根線。于是人們設立了局，每個用戶都接一根線到局的一個大電路板上。當A希望和B通話時，就請求局的接線員接通B的。接線員用一根導線，一頭插在A接到電路板上的孔，另一頭插到B的孔，這就是“接續”，相當于臨時給A和B拉了一條線，這時雙方就可以通話了。當通話完畢后，接線員將電線拆下，這就是“拆線”。整個過程就是“人工交換”，它實際上就是一個“合上開關”和“斷開開關”的過程。因此，把“交換”譯為“開關”從技術上講更容易讓人理解。
電路程控交換機
人工交換的效率太低，不能滿足大規模部署的需要。隨著半導體技術的發展和開關電路技術的成熟，人們發現可以利用電子技術替代人工交換。終端用戶只要向電子設備發送一串電信號，電子設備就可以根據預先設定的程序，將請求方和被請求方的電路接通，并且獨占此電路，不會與第三方共享（當然，由于設計缺陷的緣故，可能會出現多人共享電路的情況，也就是俗稱的“串線”）。這種交換方式被稱為“程控交換”。而這種設備也就是“程控交換機”。
由于程控交換的技術長期被發達國家壟斷，設備昂貴，我國的普及率一直不高。隨著當年華為、中興通訊等企業陸續自主研制出程控交換機，在我國得到迅速地普及。
目前，語音程控交換機普遍使用的通信協議為七號信令（SignallingSystemNo.7）
以太網交換機
隨著計算機及其互聯技術（也即通常所謂的“網絡技術”）的迅速發展，以太網成為了迄今為止普及率zui高的短距離二層計算機網絡。而以太網的核心部件就是以太網交換機。
不論是人工交換還是程控交換，都是為了傳輸語音信號，是需要獨占線路的“電路交換”。而以太網是一種計算機網絡，需要傳輸的是數據，因此采用的是“包交換”。但無論采取哪種交換方式，交換機為兩點間提供“獨享通路”的特性不會改變。就以太網設備而言，交換機和集線器的本質區別就在于：當A發信息給B時，如果通過集線器，則接入集線器的所有網絡節點都會收到這條信息（也就是以廣播形式發送），只是網卡在硬件層面就會過濾掉不是發給本機的信息；而如果通過交換機，除非A通知交換機廣播，否則發給B的信息C絕不會收到（獲取交換機控制權限從而監聽的情況除外）。
目前，以太網交換機廠商根據市場需求，推出了三層甚至四層交換機。但無論如何，其核心功能仍是二層的以太網數據包交換，只是帶有了一定的處理IP層甚至更高層數據包的能力。
光交換
光交換是人們正在研制的下一代交換技術。目前所有的交換技術都是基于電信號的，即使是目前的光纖交換機也是先將光信號轉為電信號，經過交換處理后，再轉回光信號發到另一根光纖。由于光電轉換速率較低，同時電路的處理速度存在物理學上的瓶頸，因此人們希望設計出一種無需經過光電轉換的“光交換機”，其內部不是電路而是光路，邏輯原件不是開關電路而是開關光路。這樣將大大提高交換機的處理速率。
