5.4 以太网交换
5.4.1 交换式以太网的发展
1．传统以太网技术的缺陷
传统以太网是基于CSMA/ CD 网络协议的，这一技术是以共享传输介质为基础、 各个主机之间采用竞争的方式获得网络的使用权。当主机发现网上另一主机正在发送时，只能放弃发送并转入等待状态；只有在网络空闲时，主机才可以立即开始发送。也就是说所有的主机抢占同一个带宽，在任一给定时刻只有一个主机能够获得网络的使用权，如果有多个主机同时需要传送数据，那么将由媒体访问控制协议来解决这一冲突。这将导致网络流量高峰期间出现拥塞，随着主机数目的增加，每台主机仅能获得很少的局域网带宽，而总的可用带宽也可能因为发生碰撞而损失一部分。
此外，计算机性能的不断提高也要求在网络上有更高的带宽、更快的通信支持，如果由于带宽不足，在某些情况下将使得主机的高性能被大大地削弱；而实时性强的多媒体应用以及高速数据应用的大量出现，使网络通信流量迅速增长，也要求极高的网络性能。
2 ．交换式以太网的工作原理
在上世纪90年代初期，开始出现了交换式以太网技术。它的工作原理非常简单：以太网交换机检测从以太端口来的数据包的源MAC地址和目的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口；若数据包的MAC层地址已存在于查找表中，则直接向相应的目的端口转发。
可见，交换式以太网解决了传统以太网技术的媒体共享问题，数据包仅向特定的端口进行转发，不仅提高了链路带宽的利用率，也使得多个用户可以同时访问网络。
5.4.2 交换式以太网的特点
交换式以太网具有以下几个特点。
（1）交换式以太网不需要改变网络其它硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式交换机替换原有的共享式HUB，节省用户网络升级的费用。
（2）可在高速以太网与低速以太网之间转换，实现不同网络之间的互连。目前大多数交换式以太网都具有100Mbit/s的端口，通过与之相对应的100Mbit/s的网卡接入到服务器或路由器上，可以解决10Mbit/s以太网的带宽瓶颈问题，成为低速局域网升级时首选的方案。
（3）同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽，传统的共享式10Mbit/s/100Mbit/s以太网采用广播式通信，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞则需要在退避时间之后进行重传，而交换式以太网允许不同用户间进行通信。例如，一个16端口的以太网交换机最多可以允许16个主机同时在8条链路上通信。
（4）与路由器相比，以太网交换机在用于局域网互连时可以提供更宽的带宽、更小的响应时间、同时具有更低的成本。
5.4.3 以太网交换技术的类型
交换式以太网的交换方式有直通式（cut-through）和存储转发式（store-and-forward）两种类型。
1．直通式
直通式以太网交换机的内部类似于采用空分交换矩阵的电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的MAC地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出的交叉处接通，把数据包直接交换到相应的输出端口，实现了交换功能。由于不需要存储，交换延迟非常小。而其缺点是：因为数据包的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内容是否发生了误码，不能提供错误检测能力；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，当以太网络交换机的端口增加时，交换矩阵的规模与控制复杂度均迅速增长，实现起来有一定的难度。
2．存储转发式
存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行数据校验，在对发生误码的数据包进行处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成相应输出端口并转发此数据包。因此，存储转发方式的数据处理时延较大，但是可以对进入交换机的数据包进行错误检测，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入/输出端口之间的转换，同时兼容高速端口与低速端口。
5.4.4 虚拟局域网技术
交换技术的发展，允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节点，这就是所谓的虚拟局域网技术（VLAN）。由于交换式以太网改变了以太网通信中广播的寻址方式，因此可以很好的支持虚拟局域网技术的实现。利用以太网交换机建立虚拟网即是使原来的一个广播式的局域网（交换机的所有端口）在逻辑上被划分为若干个子区域，在子区域里的数据包只会在该区域内传送，其它的区域是无法收到的。虚拟局域网技术通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的局域网设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑结构。此外不同子区域之间的数据传输被物理分割，因此也提高了数据传输的安全性。
