帧交换是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。

交换机 信元交换

ATM技术采用固定长度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。但随着 万兆以太网 的出现，曾经代表网络和通讯 技术发展 的未来方向的ATM技术，开始逐渐失去存在的意义。

交换机 二层交换

二层交换技术的发展比较成熟， 二层交换机 属 数据链路层 设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。

具体的 工作流程 如下：

1) 当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；

2) 再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

3) 如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；

4) 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以记录这一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。

从二层交换机的工作原理可以推知以下三点：

1) 由于交换机对多数端口的数据进行同时交换，这就要求具有很宽的交换 总线带宽 ，如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是M，交换机总线带宽超过N×M，那么这交换机就可以实现 线速交换

2) 学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小（一般两种表示方式：一为BEFFER RAM，一为MAC表项数值），地址表大小影响交换机的接入容量

3) 还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC（Application specific Integrated Circuit， 专用集成电路 ）芯片，因此转发速度可以做到非常快。由于各个厂家采用ASIC不同，直接影响 产品性能 。

以上三点也是评判二、 三层交换 机性能优劣的主要技术参数，这一点请大家在考虑 设备选型 时注意比较。

交换机 三层交换

下面先来通过一个简单的网络来看看三层交换机的 工作过程 。

使用IP的设备A------------------------三层交换机------------------------使用IP的设备B

比如A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用 子网掩码 取得 网络地址 ，判断目的IP是否与自己在 同一网段 。如果在同一网段，但不知道转发数据所需的MAC地址，A就发送一个 ARP 请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。

如果目的IP地址显示不是同一 网段 的，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个 缺省网关 ，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，这个缺省网关的 IP 对应第三层路由模块，所以对于不是同一 子网 的数据，最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址（由源主机A完成）；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后的A到B的数据（三层交换机要确认是由A到B而不是到C的数据，还要读取帧中的IP地址。），就直接交由二层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。

以上就是 三层交换 机工作过程的简单概括，可以看出三层交换的特点：

1）由硬件结合实现数据的高速转发。这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的 接口速率 限制，速率可达几十Gbit/s。算上 背板带宽 ，这些是三层交换机性能的两个重要参数。

2）简洁的路由软件使路由过程简化。大部分的 数据转发 ，除了必要的 路由选择 交由路由软件处理，都是由二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效 优化软件 ，并不是简单照搬路由器中的软件。

二层和三层交换机的选择

二层交换机用于小型的局域网络。这个就不用多言了，在 小型局域网 中， 广播包 影响不大，二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉价格为小型 网络用户 提供了很完善的解决方案。

三层交换机的优点在于 接口类型 丰富，支持的三层功能强大，路由能力强大，适合用于大型的网络间的路由，它的优势在于选择最佳路由， 负荷分担 ，链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等等路由器所具有功能。

三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门、地域等等因素划分成一个个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯的使用二层交换机不能实现网际互访；如单纯的使用路由器，由于接口数量有限和路由转发速度慢，将限制网络的速度和 网络规模 ，采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。

一般来说，在 内网 数据流量大，要求快速转发响应的网络中，如全部由三层交换机来做这个工作，会造成三层交换机负担过重， 响应速度 受影响，将网间的路由交由路由器去完成，充分发挥不同设备的优点，不失为一种好的组网策略，当然，前提是客户的 腰包 很鼓，不然就退而求其次，让三层交换机也兼为 网际互连 。

交换机 四层交换

第四层交换 的一个简单定义是：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址（第三层路由），而且依据 TCP / UDP (第四层) 应用 端口号 。第四层交换功能就象是虚IP，指向物理服务器。它所传输的业务服从各种各样的协议，有 HTTP 、 FTP 、 NFS 、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。

在IP世界，业务类型由终端TCP或UDP 端口地址 来决定，在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口 共同决定 。在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址（VIP），每组服务器支持某种应用。在 域名服务器 （DNS）中存储的每个 应用服务器 地址是VIP，而不是真实的服务器地址。当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求（例如一个TCP SYN包）发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。

特点：

OSI模型的第四层是 传输层 。传输层负责端对端通信，即在网络源和目标系统之间协调通信。在IP协议栈中这是TCP（一种 传输协议 ）和UDP（用户数据包协议）所在的协议层。

在第四层中，TCP和UDP标题包含端口号（ port number），它们可以唯一区分每个数据包包含哪些 应用协议 （例如 HTTP 、 FTP 等）。端点系统利用这种信息来区分包中的数据，尤其是端口号使一个接收端 计算机系统 能够确定它所收到的IP包类型，并把它交给合适的高层软件。端口号和设备IP地址的组合通常称作"插口（socket）"。1和255之间的端口号被保留，他们称为"熟知"端口，也就是说，在所有主机TCP/I P协议栈实现中，这些端口号是相同的。除了"熟知"端口外，标准UNIX服务分配在256到 1024 端口范围，定制的应用一般在1024以上分配端口号。分配端口号的清单可以在RFC1700 "Assigned Numbers"上找到。

TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用，这是第四层交换的基础。具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的" 虚拟IP "(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在 域名系统 上注册。在发出一个服务请求时， 第四层交换机 通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。

每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源IP地址以及源TCP端口相关联的 连接表 。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在 客户机 与服务器之间重新影射和转发，直到交换机发现会话为止。在使用第四层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。

1) 速度

为了在 企业网 中行之有效，第四层交换必须提供与第三层 线速路由器 可比拟的性能。也就是说，第四层交换必须在所有端口以全介质速度操作，即使在多个千兆以太网连接上亦如此。 千兆以太网 速度等于以每秒1488000 个数据包的最大速度路由(假定最坏的情形，即所有包为以及网定义的最小尺寸，长64字节)。

2)服务器容量平衡算法

依据所希望的容量平衡间隔尺寸，第四层交换机将应用分配给服务器的算法有很多种，有简单的检测环路最近的连接、检测环路 时延 或检测服务器本身的闭环反馈。在所有的预测中，闭环反馈提供反映服务器现有 业务量 的最精确的检测。

3) 表容量

应注意的是，进行第四层交换的交换机需要有区分和存贮大量发送表项的能力。交换机在一个企业网的核心时尤其如此。许多第二/三层交换机倾向发送表的大小与 网络设备 的数量成正比。对第四层交换机，这个数量必须乘以网络中使用的不同应用协议和会话的数量。因而发送表的大小随端点设备和应用类型数量的增长而迅速增长。第四层交换机设计者在设计其产品时需要考虑表的这种增长。大的表容量对制造支持 线速 发送第四层流量的高性能交换机至关重要。

4) 冗余

第四层交换机内部有支持冗余 拓扑结构 的功能。在具有双链路的网卡容错连接时，就可能建立从一个服务器到网卡，链路和服务器 交换器 的完全 冗余系统 。

交换机 串口管理

可网管交换机附带了一条串口电缆，供交换机管理使用。先把串口电缆的一端插在交换机背面的串口里，另一端插在普通电脑的串口里。然后接通交换机和 电脑电源 。在 Windows 98 和 Windows 2000 里都提供了“ 超级终端 ”程序。打开“超级终端”，在设定好连接参数后，就可以通过串口电缆与交换机交互了，如图1所示。这种方式并不占用交换机的带宽，因此称为“ 带外管理 ”（Out of band）。

在这种 管理方式 下，交换机提供了一个菜单驱动的 控制台 界面或命令行界面。你可以使用“Tab”键或箭头键在菜单和 子菜单 里移动，按 回车键 执行相应的命令，或者使用专用的交换机管理命令集管理交换机。不同品牌的交换机命令集是不同的，甚至同一品牌的交换机，其命令也不同。使用菜单命令在操作上更加方便一些。

交换机 Web管理

可网管交换机可以通过Web（网络浏览器）管理，但是必须给交换机指定一个IP地址。这个IP地址除了供管理交换机使用之外，并没有其他用途。在默认状态下，交换机没有IP地址，必须通过串口或其他方式指定一个IP地址之后，才能启用这种管理方式。

使用网络浏览器管理交换机时，交换机相当于一台Web 服务器 ，只是网页并不储存在硬盘里面，而是在交换机的 NVRAM 里面，通过程序可以把NVRAM里面的Web程序升级。当管理员在浏览器中输入交换机的IP地址时，交换机就像一台 服务器 一样把网页传递给电脑，此时给你的感觉就像在访问一个网站一样，如图2所示。这种方式占用交换机的带宽，因此称为“带内管理”（In band）。

如果你想管理交换机，只要点击网页中相应的功能项，在 文本框 或下拉列表中改变交换机的参数就可以了。Web管理这种方式可以在局域网上进行，所以可以实现远程管理。

交换机 软件管理

可网管交换机均遵循 SNMP 协议（ 简单网络管理协议 ），SNMP协议是一整套的符合 国际标准 的 网络设备 管理规范。凡是遵循SNMP协议的设备，均可以通过网管软件来管理。你只需要在一台网管工作站上安装一套SNMP 网络管理软件 ，通过局域网就可以很方便地管理网络上的交换机、路由器、 服务器 等。通过SNMP 网络管理软件 的界面如图3所示，它也是一种带内管理方式。

可网管交换机的管理可以通过以上三种方式来管理。究竟采用哪一种方式呢？在交换机初始设置的时候，往往得通过带外管理；在设定好IP地址之后，就可以使用带内管理方式了。带内管理因为管理数据是通过公共使用的局域网传递的，可以实现远程管理，然而安全性不强。带外管理是通过 串口通信 的，数据只在交换机和管理用机之间传递，因此安全性很强；然而由于串口电缆长度的限制，不能实现远程管理。所以采用哪种方式得看你对安全性和可管理性的要求了。

交换机 电源故障

由于外部供电不稳定，或者电源线路老化或者雷击等原因导致电源损坏或者风扇停止，从而不能正常工作。

由于电源缘故而导致机内其他部件损坏的事情也经常发生。如果面板上的PowER 指示灯 是绿色的，就表示是正常的：如果该指示灯灭了，则说明交换机没有正常供电。这类问题很容易发现，也很容易解决，同时也是最容易预防的。针对这类故障，首先应该做好外部电源的供应工作，一般通过引入独立的 电力线 来提供独立的电源，并添加 稳压器 来避免瞬间高压或低压现象。如果条件允许，可以添加 不间断电源 来保证交换机的正常供电，有的提供稳压功能，而有的没有，选择时要注意。在机房内设置专业的避雷措施，用来避免雷电对交换机的伤害。现在有很多做避雷工程的专业公司，实施 网络布线 时可以考虑。

交换机 端口故障

这是最常见的硬件故障，无论是光纤端口还是 双绞线 的 RJ 一45端口，在插拔接头时一定要小心。如果不小心把光纤插头弄脏，可能导致光纤端口污染而不能正常通信。我们经常看到很多人喜欢带电插拔接头，理论上讲是可以的，但是这样也无意中增加了端口的故障 发生率 。

另外在搬运时不小心，也可能导致端口 物理损坏 。如果购买的 水晶头 尺寸偏大，插入交换机时，电容易破坏端口。此外，如果接在端口的双绞线有一段暴露在室外，万一这根电缆被雷电击中，就会导致所连交换机端口被击坏，或者造成更加 不可预料的损伤。一般情况下，端口故障是某一个或者几个端口损坏。所以，在排除了端口所连计算机的故障后，可以通过更换所连端口，来判断其是否损坏。遇到此类故障，可以尝试在电源关闭后，用 酒精棉球 清洗端口，如果端口确实被损坏，那就只能更换端口了。

交换机 模块故障

交换机是由很多模块组成，比如：堆叠模块、管理模块(控制模块)和扩展模块等。这些模块发生故障的机率很小，不过一旦出现问题，就会遭受巨大的经济损失。如果插拔模块时不小心，或者搬运交换机时受到碰撞，或者电源不稳定等情况，都可能导致此类故障的发生。

交换机 背板故障

交换机的各个模块都是接插在背板上的。如果环境潮湿，电路板受潮短路，或者元器件因高温、雷击等因素而受损都会造成电路板不能正常工作。比如： 散热性能 不好或 环境温度 太高导致机内温度升高，致使元器件烧坏。在外部电源正常供电的情况下，如果交换机的各个内部模块都不能正常工作，那就可能是背板坏了，遇到这种情况即使是电器 维修工程师 ，恐怕也无计可施，惟一的办法就是更换背板了。

交换机 线缆故障

其实这类故障从理论上讲，不属于交换机本身的故障，但在实际使用中， 电缆故障 经常导致交换机系统或端口不能正常工作，所以这里也把这类故障归入交换机硬件故障。比如接头接插不紧，线缆制作时 顺序排列 错误或者不规范，线缆连接时应该用 交叉线 却使用了 直连线 ，光缆中的两根光纤交错连接，错误的线路连接导致 网络环路 等。

如今，交换机以应用需求为向导对交换机的性能提出了新的要求。在网络 综合服务 、安全性、智能化等方面有了新的发展。协议测试是一种基本交换机测试技术， 网络协议 是为了提高测试的效率和沟通的 有效性 提出的为了保障通信的规则。在 网络通信 日益膨胀的年代，网络协议也必不可少，网络协议的基本要求是功能正确、 互通性 好和性能优越。协议测试最初的原型为 软件测试 ，主要的分类有 黑盒测试 、 白盒测试 和 灰盒测试 。现简要说明黑盒测试的基本原理，利用一个激励，使其作用在被测物上，利用被测物的响应，在不考虑被测物具体的结构和原理的情况下，我们依然可以得出一个 传递函数 ，这个传递函数就是我们需要的数据。利用这种原理，同样可以进行以太网中交换机的测试。 向交换机传送一个数据和信息，分析其返回的信息，就可以判断交换机的故障。

随着 云计算 和虚拟化技术的迅速发展， 数据中心业务的融合，对交换机的性能、功能、可靠性等提出了更高的要求。但由于 数据中心交换机 能够承载各种业务，对数据的传输提供较 好的保障。而数据中心交换机将来还会承载未来更多的业务，对 未来网络 的发展有很好的扩展性。 所以相信对于未来数据中心的建立，数据中心交换机会随着时代发展，针对网络中的需求研发出更高性能、稳定和更新技术的交换机。现在已经步入 数据时代 ，相信数据中心交换机必定会大展宏图。

世界在进步，科技在发展，网络也在不断的提速。从第一块 网卡 的问世，到现在通用的 千兆以太网卡 、万兆网卡，甚至还有很多超万兆的网卡出现。标示着，世界正在发生翻天覆地的变化，数据流量正在不断地增加，传统的交换机已经不能满足现在日趋复杂的网络和庞大的流量。 为了能够更好的承载视频、语音、文件等各种服务。需要高速的硬件和新一代的 交换系统 来处理越来越大的数据流量。随着云计算的发展越来越快， 对于数据中心的建立将带来更大的考验，对交换机的性能、背板带宽要求也更加高。 数据中心交换机在此大环境下孕育而 生，接替了传统的交换机工作在数据中心。提供了更高的可靠性，更稳定的性能和更大的 吞吐量 。还有更新的技术解决复杂的网络。