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8-6 Ethernet Switch 運作原理
8-6-1 Ethernet Switch 內部抽象圖 以 CSMA/CD 通訊協定的特性的觀點來看，這種通訊協定是屬於廣播性的傳輸。早期 Ethernet 網路都是以粗線 Ethernet（10Base5）或細線 Ethernet（10Base2）為主要佈線架構，因為這種匯流排網路最適合廣播性傳輸。但近年來，為了網路佈線及維護的方便，大部分都採用集中式的 10BaseT 連線。10BaseT 網路是以集線器為網路主幹，每部工作站都有一條專屬連線連接到集線器，而且是點對點的設計，因此沒有廣播的功能。而且，在匯流排上任何二部工作站同時傳送訊框一定會造成碰撞現象，但在集線器的架構下就不會讓訊框發生實際碰撞的問題。但為了符合 CSMA/CD 通訊協定的行為，集線器必須模擬廣播是傳送和訊框碰撞的特性。模擬廣播式的做法是將收到的訊框強制轉送到所有連接埠上；而模擬訊框碰撞是將不同雙絞線上同時傳送的訊框視為碰撞（其實沒有發生碰撞）。這使集線器上同時能傳送訊框的工作站只有一部，符合 CSMA/CD 通訊協定特性。由以上的敘述，我們能將集線器的功能修改（或提昇），使其能將某一個連接埠口所收到的訊框，依照訊框上的目的位址（MAC 位址）轉送到另一個連接埠口，這就是交換式 Ethernet（Ethernet Switch）網路的基本概念。 圖 8-22 Ethernet 交換器的基本原理 8-6-2 Ethernet Switch 運作程序 圖 8-21 為Ethernet Switch 的內部架構圖，交換器採用虛擬連線（Virtual Connection）技術，為傳送埠口和目的埠口臨時搭起的一段連線。當傳送埠口經由這段連線將訊框傳至目的埠口後，這條虛擬連線便告終止。Ethernet Switch 內部維護著一份雙向對照表，記錄著哪個 Ethernet MAC 位址該對照到哪一個連接埠口。如圖 8-22 所示，工作站 A 欲傳送訊框給工作站 B，當訊框由第 1 號連接埠進入後，交換器依照該訊框上的目的位址查詢路徑對照表，得知工作站 B 在第 2 號埠口，便建立虛擬路徑將第 1 號連接埠的訊框轉送到第 2 號連接埠。工作站 C 傳送訊框給工作站 D 也是採取相同的運作方式。 圖 8-23 交換器虛擬路徑對照（如圖 8-21） 在連接埠口之間轉送訊框，也會有潛在的問題發生，就是各個連接埠的傳輸速率不一定相同。例如，工作站 A 傳送給工作站 B，第 1 號連接埠所協商的速率是 100 Mbps，而第 2 號連接埠是 10 Mbps，接收埠口速率過慢將使訊框資料遺失。因此在每一個連接埠上必須有緩衝器，它將接收較高速的訊框再以較慢的傳輸速率傳送給接收端。 目前 Ethernet Switch的技術每個連接埠的傳輸速率可以是 10 Mbps 或 100 Mbps，實體連線特性也可由自動協商取得。如依照 Ethernet Switch 針對每一個連接埠口的訊框轉送到另一個連接埠的特性來計算它的傳輸頻寬，如有 n 個連接埠口，則它的最高傳輸頻寬為：（亦是最佳狀況） 傳輸頻寬 = n/2 × 每埠口之傳輸速率 如果每個埠口最高傳輸速率為 100 Mbps，而該交換器有 16 個埠口，則其頻寬為 800 Mbps（= 16/2 × 100）；這個速率就是背板骨幹所需的交換處理能力（但並非每一交換器都有此能力）。一般 Ethernet Switch 的背板骨幹的設計也類似 ATM 交換機的交換處理設備，可區分為：矩陣式交換處理、中央記憶體交處理、匯流排骨幹交換處理、以及環狀骨幹交換處理等等。（請參閱第十二章 ATM 網路） 8-6-3 Ethernet Switch 轉送機制 Ethernet Switch 的訊框轉送機制是決定於位址對照表的建立，由交換器的連接埠口轉送到另一個埠口。不同於 Hub，對每一埠口而言，Ethernet Switch不是共享傳輸媒介，而是該埠口所連接工作站的專屬傳輸媒介。而對交換器的連接埠口之間已沒有碰撞的機會發生，它們之間傳送訊框也不再是 CSMA/CD 的通訊協定，所以 Ethernet Switch 的連接埠之間已沒有 Ethernet 的時槽時間（time slot）限制，也不再受限於交換器的最遠距離範圍。因此對整體網路而言，每一個連接埠都是獨立性網路（CSMA/CD 網路）。每一個連接埠不一定只連接一部工作站，也許會透過集線器連接多個工作站，如圖 8-23 所示，因此 Ethernet Switch 是擴充網路範圍的最佳設備。 既然 Ethernet Switch 每一個連接埠口上可以透過集線器連接多個工作站，因此對於交換器的主機系統必須紀錄每一個連接埠上所接工作站的位址（Ethernet 位址）。這些位址必須透過交換機的學習功能來記錄位址，而且這些位址也會隨網路環境變遷而改變。依目前制定的標準，每一個連接埠的次網路可以連接 1024 個工作站，也表示每一個連接埠最高必須紀錄 1024 個 Ethernet 位址。 由以上的介紹，Ethernet Switch 的功能大都符合多埠橋接器（Multi-port Bridge）的功能，尤其是在網路位址的學習功能方面。（有關學習演算法請參考第十章說明） 圖 8-24 利用 Ethernet Switch 擴充網路 在 Ethernet Switch 各個連接埠之間訊框的轉送，也具有儲存後轉送（Store and forward）的功能。其主要兩個原因是：(1) 因為每個埠口之間的傳輸速率不一定相同，較高速的連接埠必須將訊框儲存於緩衝器上，再以較慢的速率傳送到目的埠口。或者由較慢的埠口所收到訊框轉送到速率較高的埠口，後者必須收集較多訊息後再發送出埠口的連接線上。(2) 目的連接埠忙碌中，傳送端的埠口必須將訊框暫儲存於緩衝器上等待對方空閒再轉送。因此，對於連接埠上的緩衝記憶體的數量也決定交換器的處理能力。 當然，連接埠接收到訊框後轉送的時機也會影響到交換器的處理能力。我們發現連接埠收到訊框後必須拆解訊框，再由訊框上所紀錄的目的地位址轉送出去。至於連接埠口接收到訊框什麼程度後，再將它轉送出去，可區分為下列三種方法：（如圖 8-24 所示） 圖 8-25 Ethernet Switch 的轉送機制 (1) 儲存後再轉送（Store and Forward）：交換器收到整個訊框後，先將其儲存於緩衝器，再處理錯誤偵測的工作。如果沒有發現錯誤，便依照其目的位址（Ethernet address）將該訊框轉送出去；如發現該訊框已故障（碰撞、雜訊干擾），便將其丟棄而不轉送。這種方法最安全，表示經過轉送的訊框都是正常的，但也表示每一個訊框留在交換器上的時間過長，對整個網路的延遲時間也較長。 (2) 穿透式轉送（Cut-Through）：為了減少訊框在交換器內的延遲時間，當訊框進入連接埠後，交換器只拆解到該訊框的目的地位址後，便立即將訊框轉送出去。因此交換時間比較短，但不會偵測封包是否有發生錯誤，有可能會將不良的訊框也轉送出去。如果在網路環境較差的地方（電磁干擾機率大），或網路負載較高的時候（碰撞機率大），其實對整個網路的傳輸速率的提高並沒有多大幫助。 (3) 改良型穿透式轉送（Modified Cut-through）：結合Store-and-forward及Cut-through的優點。當連接埠接收到訊框時，一直收到64Bytes後，經偵測而無錯誤發生，便立即將該訊框轉送出去。由網路的使用經驗所得，一般認為某一個訊框在前面64Bytes都沒有發生錯誤，大概整個訊框也不會發生錯誤。尤其在碰撞方面，一個訊框可以連續傳送 64 Bytes，其他工作站也大都能感測出網路忙碌，而不會再發送訊框產生碰撞。
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