交换机主要技术参数分析与选型

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

《网络工程设计》课程设计论文

学 院 计算机与通信工程 专 业

班 级 学 号

学生姓名 指导教师

课程成绩 完成日期 2

课程设计成绩评定

学院计算机与通信工程专业网络工程班级学号2

学生姓名指导教师

完成日期

指导教师对学生在课程设计中的评价

指导教师对课程设计的评定意见

课程设计任务书计算机与通信工程学院网络工程专业

交换机的主要技术参数分析与选型

学生姓名：指导教师：

摘要：在局域网中交换机是一个重要的网络设备,其工作状态的好坏直接决定整个网络的性能和效率。如何选择一个高性价比的交换机一直是网络系统集成商和网络用户在构建网络时首先需要考虑的问题。通过分析交换机吞吐率、交换方式、背板带宽等技术参数，结合交换机在网络中的具体应用，分析总结出核心层交换机的选型和汇聚层交换机选型的标准。

关键字：交换机；技术参数；选型；配置

目录

1 引言 (3)

1.1 交换机的工作原理 (3)

1.2 交换机的功能 (4)

1.3 交换机的分类 (5)

2 交换机的参考标准和选型 (6)

2.1 交换机的主要技术参数 (6)

2.2 不同网络部分的交换机的选型 (9)

3 网络环境中交换机的配置仿真 (12)

3.1 Cisco 2950交换机的基本配置 (12)

3.2 VLAN T runking和VLAN配置 (13)

3.3 H3C交换机VLAN的基本配置 (16)

4 结束语 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

1 引言

在以太网络中，交换机起的是信息中转站的作用。它把从某个端口接收到的数据从其他端口转发出去。以下介绍交换机的技术参数与选型。不同厂家、不同型号的以太网交换机，其外观和内部组成都有一定的个性差异，但其共性是主要的。交换机在转发数据帧时，端口带宽能够独享。交换机按其工作在OSI参考模型的对应层次，有第二层、第三层和第四层交换机。可管理的交换机内置了操作系统软件。第二层交换机采用帧交换转发数据，帧交换方式有三种，分别为存储转发、伺机通过和自由分段。

1.1 交换机的工作原理

二层交换机原理

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，交换机又可以学习一目的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。

三层交换机的原理

在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速地交换数据，从而突破了传统的外

接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在软件方面，第三层交换机将传统的基于软件的路由器重新进行了界定：

(1)．数据封包的转发：如IP/IPX 封包的转发，这些有规律的过程通过硬件高速实现；

(2)．第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现。

设有两个IP 协议站点，通过第三层交换机进行通信的过程为：站点A 在开始发送时，已知目的站B的IP 地址，但不知道它在局域网上发送所需要的MAC 地址，则需要采用ARP来确定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址与B的IP 地址比较，通过子网掩码提取出网络地址判断B是否与自己在同一子网内。若在同一子网内，A 广播一个ARP 请求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC 地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC 地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC 地址表确定数据包的目的端口。若两个站点不在同一子网内，则A 要向"缺省网关"发出ARP封包，而"缺省网关"的IP 地址已经在系统软件中设置，这个IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。当A 对"缺省网关"的IP 地址广播出一个ARP 请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到B 的MAC 地址，则向发送站A 回复B 的MAC 地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP 请求，B 得到此ARP 请求后向第三层交换模块回复其MAC 地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A 。以后，当再进行A 与B 之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC 地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换

1.2 交换机的功能

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。

学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的

产生，同时允许存在后备路径。

交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。

1.3 交换机的分类

交换机的分类标准多种多样，常见的有以下几种：

（1）根据网络覆盖范围分

局域网交换机和广域网交换机。

（2）根据传输介质和传输速度划分

以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、10千兆以太网交换机、ATM交换机、FDDI交换机和令牌环交换机。

（3）根据交换机应用网络层次划分

企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机、桌机型交换机。

（4）根据交换机端口结构划分

固定端口交换机和模块化交换机。

（5）根据工作协议层划分

第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。

（6）根据是否支持网管功能划分

网管型交换机和非网管理型交换机。

2 交换机的参考标准和选型

交换机参数是使用者用来衡量交换机用途、性能的重要参考依据，任何一个网络在施工之前都必须经严格的论证，论证的过程就包括网络拓扑结构的分析，节点设备功能的确定等环节；其中设备功能的确定主要是根据该网络的业务要求而确定，也就是能常所说的设备选型，而选购者也就是根据交换机相应的性能参数来选购所需设备。例如该网络用户需要满足的最小带宽、用户节点数量、是否支持远程网络管理、该交换机有多少个扩展槽、支持那些网络协议、是否支持VLAN、端口数量等等。

2.1交换机的主要技术参数

交换方式

目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

（1）、直通交换方式（Cut-through）

只检查数据包的包头，不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点。缺点主要有三个方面：一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；第二，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且容易丢包。如果要连到高速网络上，如提供快速以太网（100BASE－T）、FDDI或ATM连接，就不能简单地将输入／输出端口“接通”，因为输入／输出端口间有速度上的差异，必须提供缓存；第三，当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难。

（2）、存储转发方式（Store-and-Forward）

存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入／输出端口间的交换，可有效地改善网络性能。它的另一优点就是这种交换方式支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。实现的办法是将10Mbps低速包存储起来，再通过100Mbps速率转发到端口上。

（3）、碎片隔离式（Fragment Free）

这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512 bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢，但由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。

背板带宽（Gbps）

交换机的背板带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps，也叫交换带宽，一般的交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会越高。

包转发率

包转发率标志了交换机转发数据包能力的大小。单位一般为pps（包每秒），一般交换机的包转发率在几十Kpps到几百Mpps不等。包转发速率是指交换机每秒可以转发多少百万个数据包（Mpps），即交换机能同时转发的数据包的数量。包转发率以数据包为单位体现了交换机的交换能力。其实决定包转发率的一个重要指标就是交换机的背板带宽，背板带宽标志了交换机总的数据交换能力。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，也就是包转发率越高。

MAC地址表

不同档次的交换机每个端口所能够支持的MAC数量不同。在交换机的每个端口，都需要足够的缓存来记忆这些MAC地址，所以Buffer（缓存）容量的大小就决定了相应交换机所能记忆的MAC地址数多少。通常交换机只要能够记忆1024个MAC地址基本上就可以了，而一般的交换机通常都能做到这一点，所以如果对网络规模不是很大的情况下，这参数无需太多考虑。当然越是高档的交换机能记住的MAC地址数就越多，这在选择时要视所连网

络的规模而定了。

传输速率(Mbps)

交换机的传输速度是指交换机端口的数据交换速度。目前常见的有10Mbps、100Mbps、1000Mbps等几类。除此之外，还有10GMbps交换机，但目前很少。

10M/100Mbps自适应交换机适合工作组级别使用，纯100Mbps或1000Mbps交换机一般应用在部门级以上的应用或骨干级别的应用当中。10GMbps的交换机主要用在电信等骨干网络上，其他应用很少涉及到。

端口类型

端口类型是指交换机上的端口是以太网、令牌环、FDDI还是ATM等类型，一般来说固定端口交换机只有单一类型的端口，适合中小企业或个人用户使用，而模块化交换机由于可以有不同介质类型的模块可供选择，故端口类型更为丰富，这类交换机适合部门级以上级别用户选择。

端口数

交换机设备的端口数量是交换机最直观的衡量因素，通常此参数是针对固定端口交换机而言，常见的标准的固定端口交换机端口数有8.12.16.24.48等几种。而非标准的端口数主要有：4端口，5端口、10端口、12端口、20端口、22端口和32端口等，一般固定端口交换机可根据其型号判断端口数量，例如Catalyst 1912交换机，1912表示19系列12口交换机；Catalyst 1924交换机，1924表示19系列24口交换机。

固定端口交换机虽然相对来说价格便宜一些，但由于它只能提供有限的端口和固定类型的接口，因此，无论从可连接的用户数量上，还是所从可使用的传输介质上来讲都具有一定的局限性，但这种交换机在工作组中应用较多，一般适用于小型网络、桌面交换环境。

网管功能

网络管理，是指网络管理员通过网络管理程序对网络上的资源进行集中化管理的操作，包括配置管理、性能和记账管理、问题管理、操作管理和变化管理等。一台设备所支持的管理程度反映了该设备的可管理性及可操作性。

而交换机的管理功能是指交换机如何控制用户访问交换机，以及用户对交换机的可视程度如何。通常，交换机厂商都提供管理软件或满足第三方管理软件远程管理交换机。一般的交换机满足SNMP MIB I / MIB II统计管理功能。而复杂一些的交换机会增加通过内置RMON组（mini-RMON）来支持RMON主动监视功能。有的交换机还允许外接RMON探监视

可选端口的网络状况。常见的网络管理方式有以下几种：

（1）SNMP管理技术

（2）RMON管理技术

（3）基于WEB的网络管理

2.2不同网络部分的交换机的选型

核心层交换机的选型

作为核心骨干设备，核心骨干交换机的选择最为重要。毕竟，为其所付出的价格也是其他设备所不能比拟的。因此，在选购该类设备前，首先要清楚自己的业务需求和未来的发展规划，找到适合自己的评判准则，其中有5个重要的性能指标是选购时最应该考虑的。

网络接口类型网络接口提供不同网络设备之间的互联。作为骨干以太网交换机，支持10M/100M/1000M端口的支持是必需的。10G以太网可以作为一个选项，根据网络的业务和未来发展规划来确定是否必备。目前的骨干以太网交换机大都支持一些广域网端口，如ATM、POS等，并提供城域间网络连接。由于骨干交换机在城域网的作用越来越重要，CWDM 技术支持也成为设备选型时的重要参考。

吞吐量指标骨干交换机的吞吐量充分、全面地反映了该设备对数据包的拆分、封装、策略处理、转发/路由数据包的能力，是用户应关注的主要指标。一个交换设备的最高性能是无阻塞地实现数据交换。骨干以太网交换机具有两个转发的类型，二层的以太帧转发和三层的IP包转发，骨干交换机不仅应该提供二层以太帧的线速转发，并且应该能够提供三层IP数据包的线速转发。

可用性技术支持以太网交换机的可用性基本可以从以下几方面来评判：骨干交换机是否支持关键模块的冗余，即电源、风扇、交换矩阵、CPU等；链路层是否具备弹性恢复的功能，如SpanningTree协议，多种形式的链路捆绑等，以及在网络层是否支持动态路由协议，是否支持等价多路由功能，是否支持网关冗余协议(VRRP)等。

单/组播协议支持骨干交换机必须具备路由功能，包括单播路由协议和多路广播路由协议。目前存在很多路由协议，选择适合自己的网络协议非常必要。作为骨干交换机必须支持的路由协议应当包括RIPv1.RIPv2.OSPF路由协议，这些路由协议应用比较广泛，几乎所有的厂商都支持这几种协议，并且能够很好地互通。其他路由协议根据具体的需求来

确定是否必需。组播路由协议包括：IGMP、DVMRP、PIM-SM、PIM-DM等，较为流行的是DVMRP、PIM-SM.

QoS保障功能QoS保障功能是解决网络拥塞时确保高优先级的流量获得带宽的技术。由于网络的关键应用越来越多，尤其是多媒体应用的大量涌现，QoS技术的应用显得非常必要，并且要求交换机支持硬件优先级队列的数量越来越多，目前业界最多的硬件队列达到了8个。仅支持2～3个硬件优先级队列的产品已不能满足用户的业务发展需求。

当前市场主流核心交换机不仅具有线速交换能力，还具备路由能力，所以一般我们称之为核心路由交换机；比较常用的有锐捷网络（原实达网络）RG-S6800系列、RG-S6506 、Quidway S8500，Quidway S8016系列核心路由交换机、Cisco Catalyst 6500系列等，D-Link DES-7600、D-Link DES-6500等。

汇聚层交换机的选型

作为上连核心交换机或路由器，下连接入交换机的产品，在政府网络信息化建设中，汇聚层交换机必须具有交换路由、可管理、高QoS保障、高安全性，以及支持多业务应用特性等功能。

对于选购汇聚层交换机产品，必须注意以下5个方面的性能指标：

可对网络及设备监控和管理目前，在政府网络中应用网管系统十分完善，因此，用户在选择交换机产品时，除了能满足对整个网络节点的拓扑发现、流量监控、状态监控等需求以外，还应对交换机产品提出远程配置、用户管理、访问控制乃至QoS监控等要求。

提供高QoS保障功能该类产品必须具有对不同应用类型数据的分类和处理(QoS)的功能，实现端到端的QoS保障，而这要求交换机产品支持802.1p优先级、IntServ(RSVP)和DiffServ等功能。

支持多媒体应用整个网络的发展趋势将是朝着网络融合以及应用融合的趋势发展，而政府网也不例外。对于支持语音、组波等功能的交换机产品应优先考虑。

进行访问控制如今，网络已经变得越来越智能化，而在汇聚层设备上实现用户分类、权限设置和访问控制是智能网络的重要功能。这就要求汇聚层设备能够支持VLAN、AAA技术(授权、认证、计费)、802.1x等多种安全认证方式。

高安全性为确保核心交换机不受类似拒绝服务(DoS)攻击而导致全网瘫痪，不但要在核心路由交换机中采用防火墙和IDS系统中的防攻击技术，在汇聚层交换设备中也必须增加此项功能，从而更好地实现全网安全。

当前市场比较常见的汇聚层交换机有华为Quidway S5000系列、Quidway S3900系列、Quidway S3500系列、Quidway S5600系列等，锐捷RG-5700系列、RG-S4009 、RG-3700系列等，Cisco Catalyst 4500系列、Cisco Catalyst3700系列、 Cisco Catalyst3500系列等，D-Link DES-1000系列、D-Link DES-3600系列、D-Link DES-3500系列、D-Link DES-3300系列等。

中低端交换机的生产厂商很多，高端交换机生产厂商主要有Cisco（思科）、Juniper （杰科）、H3C（华为3COM）、中心通信等公司。下列为交换机的主要技术参数。

3 网络环境中交换机的配置仿真

在了解了vlan的基础上，对于交换机我们必须掌握端口划分vlan的配置。通过VLAN Trunking配置跨交机的VLAN，配置VTP。还要了解如何配置项目的项目的有关信息。

3.1 Cisco 2950交换机的基本配置

2950交换机的基本配置的拓扑结构图

图4.1交换机基本配置拓扑图

配置主机名，并且在缺省模式下为vlan1配置网络地址。并用sh int vlan1查看接口的配置和统计信息

C2950#sh int vlan1

图4.2 vlan1的配置

2950交换机的端口属性缺省的支持一般网络环境下的正常工作，在某些情况下需要对其端口属性进行配置，主要配置对象有速率，双工和端口描述等。例如：设置端口速率为100Mbit/s、全双工、端口描述为to_pc。并且用show interface查看配置结果。

C2950#sh int fa0/1

图4.3 交换机端口的配置

3.2 VLAN T r unking和VLAN配置

VLAN Trunting和VLAN配置的拓扑结构图。

图4.4 VLAN Trunking和VLAN的拓扑图

使用vlan database命令进入vlan配置模式，在vlan配置模式下，设置vtp的一系列属性，把C2950A交换机设置成vtp server模式（缺省模式），vtp域名为test。定义V10、V20、V30、V40等4个vlan。并用sh vtp status命令进行查看VTP相关的配置和状态信息。用show vtp counters查看VTP的统计信息。

C2950A#sh vtp status

图4.5 VTP相关配置和状态信息

C2950A#sh vtp status

图4.6 VTP的统计信息

配置C2950B交换机的VTP

C2950B#vlan database

C2950B(vlan)#vtp domain test

C2950B(vlan)#vtp client

图4.7 交换机B的配置

配置和监测两个交换机之间的VLAN Trunking。将交换机A和交换机B的24口配置成Trunking模式。用show interface fa0/1 switchport查看fa0/1端口上的交换端口信息。

C2950B#sh int fa0/24 switchport

图4.8 fa0/1端口交换信息

完成两台交换机之间的Trunk配置以后，在C2950B上发出命令查看VTP和VLAN信息C2950B#sh vtp status

图4.9 VTP和VLAN信息

3.3 H3C交换机VLAN的基本配置

H3C交换机VLAN的基本配置拓扑图

图4.10 H3C交换机vlan配置拓扑图

SwitchA相关配置：

system-view //进入全局视图//

System View: return to User View with Ctrl+Z.

[H3C]sysname SwitchA//重命名//

1．创建（进入）VLAN10，将E0/1加入到VLAN10

[SwitchA]vlan 10 //创建VLAN10//

[SwitchA-vlan10]port Ethernet1/ 0/1 //将端口E1/0/1加入Vlan 10中// 2．创建（进入）VLAN20，将E0/2加入到VLAN20

[SwitchA]vlan 20 //创建VLAN20//

[SwitchA-vlan20]port Ethernet 0/2 //将端口E1/0/1加入Vlan 10中//

3．将端口E1/ 0/24配置为Trunk端口，并允许VLAN10和VLAN20通过[SwitchA]interface Ethernet1/ 0/24

[SwitchA-Ethernet1/ 0/24]port link-type trunk

[SwitchA-Ethernet1/ 0/24]port trunk permit vlan 10 20

图4.11 vlan测试图

SwitchB相关配置：

1．创建VLAN10

[SwitchB]vlan 10 //创建VLAN10//

2．设置VLAN10的虚接口地址

[SwitchB]interface vlan 10 //进入VLAN10//

[SwitchB-int-vlan10]ip address 10.1.1.254 255.255.255.0 //配置VLAN10的IP地址// 3．创建VLAN20

[SwitchB]vlan 20

4．设置VLAN20的虚接口地址

[SwitchB]interface vlan 20

[SwitchB-int-vlan20]ip address 20.1.1.254 255.255.255.0/配置VLAN20的IP地址// 5．将端口E1/ 0/24配置为Trunk端口，并允许VLAN10和VLAN20通过[SwitchA]interface Ethernet1/ 0/24

[SwitchA-Ethernet1/ 0/24]port link-type trunk

[SwitchA-Ethernet1/ 0/24]port trunk permit vlan 10 20