交换模式：存储转发与直通交换
交换模式：存储转发与直通交换
交换机操作逻辑的第一步是从传输节点接收以太网帧。接下来，根据交换模式，交换机需要接收并检查不同数量的字节。交换机有两种主要的交换模式：
- 直通模式
- Fragment-free switching 自由分段模式
- Fast-forward switching 快速转发交换
- 存储转发模式
这两种交换模式都基于以太网帧的目的MAC地址作转发。他们还可以在转发帧时检查以太网报头中的源MAC地址（SMAC）字段，从而学习MAC地址并构建MAC表。这些交换模式的不同之处在于，交换机必须接收和检查帧的多少个字节才能从出口转发出去。
Figure1 Switching Modes based on Frame Bytes Received
存储转发
以太网第一种广泛使用的转发方法被称为“存储转发”交换。在这种交换方法中，在根据目标MAC地址查找做出转发决定之前，必须完全接收帧。一旦接收并缓冲，交换机将把帧的frame-check-sequence (FCS)字段与其计算得出的FCS进行比较，以确保数据的完整性和正确性。如果CRC值不匹配，帧将标记为无效并丢弃。如果值匹配，则在转发帧之前检查目标和源MAC地址。
此方法比其他三种方法的延迟更高，默认情况下丢弃小于64字节（runts）和大于1518字节（giant）的帧。
图2显示了交换机接收帧并验证其完整性的示例。请注意，帧首先被完整接收再执行下一个操作。
Figure2 Example of Store and Forward Switching Mode
直通转发 Cut-Through Switching
使用直通交换的以太网交换机可以在收到传入帧的前几个字节后立即做出转发决定。交换机不必等待帧的其余部分开始将帧切换到传出端口。
自由分段模式 Fragment-Free Mode
在此模式下运行的交换机必须接收并检查帧的前64个字节，然后做出转发决定。为什么它们需要64字节？在以太网LAN中，在前64个字节中检测到冲突碎片。这种切换模式目前已不再广泛使用，因此我们仅提及以供参考。
快速转发交换 Fast-Forward Switching
直通式的默认模式即为快速转发交换。
直通交换机可以在获得帧的目标MAC地址后立即做出转发决定，这意味着它只需要前6个字节。它不必等待以太网帧的其余部分做出转发决定。示例如图3所示。
然而，目前更复杂的直通交换机不一定采用这种方法。他们可能会解析传入的帧，直到他们从帧内容中获得足够的信息来执行所有附加功能。
例如，如果接口上配置了访问控制列表（ACL），则交换机必须接收帧的IP头和传输层头（IPv4头为20字节，TCP头为20个字节），以便将其中的信息与接口访问列表匹配。这意味着到那时为止总共有54个字节。再比如，是否配置了服务质量（QoS）或其他高级功能。
与存储转发交换不同，直通交换不会丢弃无效的以太网帧。它们被转发到下一个节点，直到路径上的某个设备检查FCS不匹配并丢弃它。
这种交换方法的主要优点是，交换机延时远低于存储转发交换。
Figure3 Example of Cut Trough Switching
直通转发应用场景- Fiber channel communication 光纤通道通信
- SCSI traffic transmission SCSI流量传输
- ATM networks ATM网络
- InfiniBand networks InfiniBand网络
- Bitcoin 比特币
总结
综上所述，关于不同交换模式的最重要的一点是：
在存储转发模式下，交换机在做出任何操作决策之前都会接收和存储整个帧。这种方法有利于保持帧的完整性和有效性，但会产生额外的网络延迟。
在直通交换模式下，交换机只接收帧的一小部分，并立即开始做出转发决定。在这种方法中，交换机不会丢弃无效帧，而是将它们转发到下一个节点。好处是网络延迟低于存储转发方法。
参考文献
[1] Switching modes: Store-and-Forward vs Cut-Through[EB/OL]. NetworkAcademy.io. /2022-10-05. https://www.networkacademy.io/ccna/ethernet/store-and-forward-vs-cut-through-switching.
[2] What is Cut-through switching?[EB/OL]. /2022-10-04. https://www.tutorialspoint.com/what-is-cut-through-switching.
[3] What is Cut-through Switching? - GeeksforGeeks[EB/OL]. /2022-10-04. https://www.geeksforgeeks.org/what-is-cut-through-switching/.