第02章 交換機(jī)原理

1、第2章 交換機(jī)原理本章主要通過(guò)講解交換機(jī)原理來(lái)幫助大家對(duì)后面各章介紹的理解。本章主要內(nèi)容：l 交換式技術(shù)發(fā)展過(guò)程l 交換機(jī)基本工作原理l 多層交換技術(shù)l 交換機(jī)和其它網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品的比較2.1 交換式技術(shù)發(fā)展過(guò)程以太網(wǎng)交換機(jī)，英文為SWITCH，也有人翻譯為開(kāi)關(guān)，交換器或稱交換式集線器。我們首先回顧一下局域網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程。計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，從六十年代末ALOHA的出現(xiàn)到九十年代中期1000MBPS交換式以太網(wǎng)的登臺(tái)亮相，短短的三十年間經(jīng)過(guò)了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速， 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從昂貴到普及的飛躍。 八十年代中后期，由于通信量的急劇增加，促

2、使技術(shù)的發(fā)展，使局域網(wǎng)的性能越來(lái)越高，最早的1MBPS的速率已廣泛地被今天的100BASET和100CGANYLAN替代，但是，傳統(tǒng)的媒體訪問(wèn)方法都局限于使大量的站點(diǎn)共享對(duì)一個(gè)公共傳輸媒體的訪問(wèn)，即CSMA/CD。九十年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及通信量的聚增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)已經(jīng)愈來(lái)愈超出了自身的負(fù)荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。與現(xiàn)在基于網(wǎng)橋和路由器的共享媒體的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能顯著的增加帶寬。交換技術(shù)的加入，就可以建立地理位置相對(duì)分散的網(wǎng)絡(luò)，使局域網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口可平行、安全、同時(shí)的互相傳輸信息，而且使局域網(wǎng)可以高度擴(kuò)充。局域網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展要追溯到兩端口

3、網(wǎng)橋。橋是一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來(lái)連接相似的局域網(wǎng)。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)看，橋是屬于DCE級(jí)的端到端的連接；從協(xié)議層次看，橋是在邏輯鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網(wǎng)橋幾乎是和以太網(wǎng)同時(shí)發(fā)展的。以太網(wǎng)交換技術(shù)（SWITCH）是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上與九十年代初發(fā)展起來(lái)的，實(shí)現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，與網(wǎng)橋有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，甚至被業(yè)界人士稱為“許多聯(lián)系在一起的網(wǎng)橋”，因此現(xiàn)在的交換式技術(shù)并不是什么新的標(biāo)準(zhǔn)，而是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用而已，是一種改進(jìn)了的局域網(wǎng)橋，與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更強(qiáng)的管理功能以及更便宜的價(jià)格。2.2 交換機(jī)基本工

4、作原理局域網(wǎng)交換技術(shù)是OSI參考模型中的第二層數(shù)據(jù)鏈路層（Data-Link Layer）上的技術(shù)，所謂“交換”實(shí)際上就是指轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（frame）。在數(shù)據(jù)通信中，所有的交換設(shè)備（即交換機(jī)）執(zhí)行兩個(gè)基本的操作：l 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)：將從輸入介質(zhì)上收到的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的輸出介質(zhì)；l 地址學(xué)習(xí)過(guò)程：用以構(gòu)造和維護(hù)交換地址表，以便維護(hù)交換操作。下面，我們探討一下這兩個(gè)基本操作的具體細(xì)節(jié)。2.2.1 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的MAC（Media Access Control）地址（即物理地址）進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)操作。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，遵循以下規(guī)則：l 如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則

5、向交換機(jī)所有端口轉(zhuǎn)發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來(lái)的端口）；l 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址是單播地址，但是這個(gè)地址并不在交換機(jī)的地址表中，那么也會(huì)向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來(lái)的端口）；l 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址在交換機(jī)的地址表中，那么就根據(jù)地址表轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口；l 如果數(shù)據(jù)幀的目的地址與數(shù)據(jù)幀的源地址在一個(gè)網(wǎng)段上，它就會(huì)丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀，交換也就不會(huì)發(fā)生。下面，我們以下圖為例來(lái)看看具體的數(shù)據(jù)幀交換過(guò)程。圖21 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程當(dāng)主機(jī)D發(fā)送廣播幀時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為ffff.ffff.ffff的數(shù)據(jù)幀，則向E0、E1、E2和E4端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。當(dāng)主機(jī)D與E主機(jī)通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為026

6、0.8c01.5555的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.5555并不在表中，因此交換機(jī)仍然向E0、E1、E2和E4端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。當(dāng)主機(jī)D與主機(jī)F通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.6666的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.6666也位于E3端口，即與源地址處于同一個(gè)網(wǎng)段，所以交換機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀，而是直接丟棄。當(dāng)主機(jī)D與主機(jī)A通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.1111的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.1111位于E0端口，所以交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至E0端口，這樣主機(jī)A即可收到該數(shù)據(jù)幀。如果在主機(jī)D與主機(jī)A

7、通信的同時(shí)，主機(jī)B也正在向主機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機(jī)同樣會(huì)把主機(jī)B發(fā)送的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到連接主機(jī)C的E2端口。這時(shí)E1和E2之間，以及E3和E0之間，通過(guò)交換機(jī)內(nèi)部的硬件交換電路，建立了兩條鏈路，這兩條鏈路上的數(shù)據(jù)通信互不影響，因此網(wǎng)絡(luò)亦不會(huì)產(chǎn)生沖突。所以，主機(jī)D和主機(jī)A之間的通信獨(dú)享一條鏈路，主機(jī)C和主機(jī)B之間也獨(dú)享一條鏈路。而這樣的鏈路僅在通信雙方有需求時(shí)才會(huì)建立，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，相應(yīng)的鏈路也隨之拆除。這就是交換機(jī)主要的特點(diǎn)。從以上的交換操作過(guò)程中，我們可以看到數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)都是基于交換機(jī)內(nèi)的MAC地址表，但是這個(gè)地址表是如何建立和維護(hù)的呢？下面我們就來(lái)介紹這個(gè)問(wèn)題。2.2.2 地址學(xué)習(xí)過(guò)程交換機(jī)

8、的交換地址表中，一條表項(xiàng)主要由一個(gè)主機(jī)MAC地址和該地址所位于的交換機(jī)端口號(hào)組成。整張地址表的生成采用動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)的方法，即當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀以后，將數(shù)據(jù)幀的源地址和輸入端口記錄在交換地址表中。圖2-2為交換機(jī)收到幀時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)及學(xué)習(xí)過(guò)程。當(dāng)一個(gè)幀從交換機(jī)某個(gè)特定端口X到達(dá)，交換機(jī)根據(jù)這兩個(gè)信息可以得出：從端口X可以到達(dá)幀源地址域所指定的工作站，因此，交換機(jī)能夠?yàn)樵揗AC地址更新轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。為允許網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)庫(kù)的每一項(xiàng)都配有壽命定時(shí)器，當(dāng)一個(gè)新項(xiàng)加到數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，就啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器的缺省值是30秒，如果定時(shí)器時(shí)間到，該項(xiàng)就從數(shù)據(jù)庫(kù)搜索是否存在地址字段值和該幀源地址相同的項(xiàng)，如果數(shù)據(jù)庫(kù)

9、已存在這樣的項(xiàng)，項(xiàng)的內(nèi)容被更新，重新設(shè)置定時(shí)器值。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在這樣的項(xiàng)，將在數(shù)據(jù)庫(kù)中添一新項(xiàng)，該新項(xiàng)中的地址為收到數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，端口號(hào)為收到數(shù)據(jù)幀的端口，定時(shí)器值被設(shè)置成初值。圖22 網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)及地址學(xué)習(xí)流程2.3 多層交換技術(shù)局域網(wǎng)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通常采用硬件方式。在局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式中，目的MAC地址的位置是固定的，而且?guī)^信息的檢查和校驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，便于硬件交換的實(shí)現(xiàn)。因此傳統(tǒng)的局域網(wǎng)交換都是指第二層交換，即根據(jù)第二層的信息目的MAC地址進(jìn)行。在交換模式的介紹中，我們可以看到交換機(jī)在進(jìn)行交換操作前需要接收一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)，如果將檢測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度適當(dāng)增加，即可將二層

10、交換技術(shù)擴(kuò)展為三層交換技術(shù)，乃至四層交換技術(shù)。三層交換技術(shù)就是將檢測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到IP分組頭標(biāo)部分，通過(guò)檢測(cè)其中的IP地址進(jìn)行交換，實(shí)際上是基于硬件的路由。四層交換技術(shù)則是進(jìn)一步檢查IP分組頭標(biāo)中的通信協(xié)議類型和端口號(hào)，可以看作是基于應(yīng)用的交換?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的多層交換技術(shù)就是將二層、三層和四層交換技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“一次路由、多次交換”的功能。2.4 交換機(jī)與其它網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品的比較2.4.1 交換機(jī)和交換式集線器交換式集線器都能給終端提供獨(dú)占帶寬，自動(dòng)建立、維護(hù)站表，并且根據(jù)站表內(nèi)容在輸入和輸出端口間建立交換通路。交換機(jī)由交換式集線器發(fā)展而來(lái)，不僅提供了上述功能，并且提供了很多的現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)所要求的功

11、能：信息流優(yōu)先級(jí)、服務(wù)分類、虛擬網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（RMON）、自動(dòng)流控制、內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)管理代理等。這些功能構(gòu)成了高速、靈活、智能、可靠、擴(kuò)充性好的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)，不僅能提供高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，而且提供良好的服務(wù)質(zhì)量，把純粹的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)延伸到適合多媒體應(yīng)用、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃碌念I(lǐng)域。2.4.2 交換機(jī)和路由器傳統(tǒng)交換機(jī)從網(wǎng)橋發(fā)展而來(lái)，屬于OSI第二層鏈路層設(shè)備。它根據(jù)MAC地址尋址，通過(guò)站表選擇路由，站表的建立和維護(hù)由交換機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。路由器屬于OSI第三層即網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，它根據(jù)IP地址進(jìn)行尋址，通過(guò)路由表選擇路由，路由表由路由協(xié)議產(chǎn)生。交換機(jī)最大的好處是快速，由于交換機(jī)只須識(shí)別幀中MAC地址，直接根據(jù)MAC地址選

12、擇轉(zhuǎn)發(fā)端口，算法簡(jiǎn)單，便于ASIC實(shí)現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度極高，在100Mbit/s和Gbit/s通信鏈路上能做到線速轉(zhuǎn)發(fā)。但交換機(jī)的工作機(jī)制也帶來(lái)回路、負(fù)載集中、廣播等問(wèn)題。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題現(xiàn)在也都得到了比較好的解決。隨著三層交換機(jī)的出現(xiàn)，交換機(jī)的作用顯得越來(lái)越重要。三層交換機(jī)與傳統(tǒng)路由器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：l 每個(gè)接口連接一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)通過(guò)路由器進(jìn)行傳輸?shù)乃俾时唤涌诘膸捤拗?。而三層交換機(jī)則不同，它可以把多個(gè)端口定義成一個(gè)虛擬網(wǎng)，把多個(gè)端口組成的虛擬網(wǎng)作為虛擬網(wǎng)接口，該虛擬網(wǎng)內(nèi)信息可通過(guò)組成虛擬網(wǎng)的端口送給三層交換機(jī)，由于端口數(shù)可任意指定，子網(wǎng)間傳輸帶寬沒(méi)有限制；l 合理配置信息資源：由于訪問(wèn)子網(wǎng)內(nèi)資源速率和訪問(wèn)全局網(wǎng)中資源速率沒(méi)有區(qū)別，子網(wǎng)設(shè)置單獨(dú)服務(wù)器的意義不大，通過(guò)在全局網(wǎng)中設(shè)置服務(wù)器群不僅節(jié)省費(fèi)用，更可以合理配置信息資源；l 降低成本：通常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)用交換機(jī)構(gòu)成子網(wǎng)，用路由器進(jìn)行子網(wǎng)間互連。目前采用三層交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，既可以進(jìn)行任意虛擬子網(wǎng)劃分，又可以通過(guò)交換機(jī)三層路由功能完成子網(wǎng)間通信，為此節(jié)省了價(jià)格昂貴的路由器；l 交換機(jī)之間連接靈活：作為交換機(jī)，它們之