【文章內容簡介】 ，每一路連接都可以擁有全部局域網帶寬，這是局域網交換機與集線器之間的差別之一。第 6章 局域網交換技術圖 局域網交換機的功能結構示意圖第 6章 局域網交換技術 1．交換結構 交換機交換模塊的物理結構主要有以下三種： (1) 交換矩陣。這種方式的交換機內部有一個空分的交換矩陣，它連接所有的輸入 /輸出端口，交換矩陣可以同時在多對端口間建立并行交換通路。交換機監(jiān)視每個端口的狀態(tài)，一旦有分組到達輸入端口，交換機將根據(jù)目的 MAC地址查表確定輸出端口，然后建立兩個端口間的交叉連接，傳輸數(shù)據(jù)。第 6章 局域網交換技術 (2) 總線結構。這種方式的交換機內部沒有交換矩陣，而采用時分多路復用方式讓所有端口共享一條內部公共總線的帶寬，所有端口均與該總線相連。該方式需要為每端口配置專用緩沖區(qū)，同時總線的訪問控制也采用 ASIC實現(xiàn)。與交換矩陣方式相比，該方式能夠實現(xiàn)更高的端口密度。 (3) 共享內存。該方式的交換機將所有的輸入分組都先存入一個公共的緩沖區(qū)中，然后再查表轉發(fā)其到指定的端口。該結構在小型交換機中很常見，其優(yōu)點是便于同時支持不同類型和速率的局域網，缺點是共享內存管理復雜。第 6章 局域網交換技術 2．轉發(fā)方式 第二層交換機在端口之間轉發(fā)數(shù)據(jù)的方式有三種：直通方式；存儲轉發(fā)方式；自由分段方式。 1) 直通方式 (cutthrough) 采用直通方式的交換機利用目的 MAC地址出現(xiàn)在分組開頭的特點，一旦識別出目標地址，就立即將進來的分組轉發(fā)到對應的端口。其正常工作流程如下： (1) 檢查進入端口的每個分組，并存儲目的地址。第 6章 局域網交換技術 (2) 一旦收全 6字節(jié)的目的地址，便以目的地址為關鍵字查找端口 —MAC 地址表。 (3) 一旦得到目的端口地址，便啟動交換控制邏輯建立出 /入端口之間的交叉連接，將分組發(fā)往指定端口。 (4) 如果找不到目的地址，則在除接收端口外的所有端口廣播該分組。 (5) 如果目的地址就在接收端口所連的網段中，則拋棄該分組。 (6) 數(shù)據(jù)傳送完畢后，釋放連接。第 6章 局域網交換技術 直通式交換機最大限度地減小了數(shù)據(jù)從一個端口交換至另一個端口的延遲。因為交換機僅讀取分組中代表目的地址的 6個字節(jié)，就決定向哪個端口轉發(fā)，而不等待收完整個分組后再轉發(fā)，所以交換機對錯誤分組不進行過濾。對現(xiàn)代局域網而言，由于差錯率很低，通常不會造成問題。相對于其它方式，直通式交換機適用于網絡鏈路質量好，錯誤分組較少的環(huán)境。第 6章 局域網交換技術 2) 存儲轉發(fā)方式 (storeandforward) 存儲轉發(fā)方式要求交換機接收一個完整的分組后再決定如何轉發(fā)。入端口的一個分組先被完全接收，存儲在緩沖區(qū)中，交換機通過 CRC校驗法檢查分組是否正確。若正確，則執(zhí)行交換邏輯，將分組發(fā)送到相應的端口。其工作流程如下： (1) 接收并緩存整個分組。 (2) 執(zhí)行 CRC校驗，判斷分組是否正確。 (3) 若正確，則以分組中的目的地址為關鍵字查找端口 —MAC地址表。 (4) 得到目的端口號后，啟動交換控制邏輯建立出 /入端口之間的交叉連接，將分組發(fā)往指定端口。 (5) 假如 CRC校驗錯，則拋棄該分組。第 6章 局域網交換技術 存儲轉發(fā)式和直通式相比，各有優(yōu)缺點。存儲轉發(fā)式由于在轉發(fā)分組之前先緩存了整個分組，因而可以對分組做很多增值處理，例如：速率匹配、差錯檢測、協(xié)議轉換等。但其缺點是轉發(fā)分組的速度慢。 目前，交換機一般同時支持上述兩種方式，并提供在兩者之間進行切換的自適應算法。通常在初始階段，交換機先工作于直通方式，并周期性地計算端口的錯誤分組率，錯誤率一旦超過一個上限值，交換機就會切換到存儲轉發(fā)方式。而當錯誤率回落到一個下限值時，交換機又切換回直通方式。 這種混合方式的優(yōu)點是綜合了直通式和存儲轉發(fā)式兩者的優(yōu)點，保證在差錯率低時有很小的時延，但相應的控制邏輯也復雜，成本較高。第 6章 局域網交換技術 3) 自由分段方式 (fragmentfree) 自由分段式的轉發(fā)工作方式與直通方式相似，但不同之處是，它轉發(fā)分組之前先存儲分組的前 64字節(jié)，假如有錯誤，則丟棄分組，否則查表轉發(fā)分組。采用這種方式的原因是，統(tǒng)計規(guī)律表明，大多數(shù)錯誤和沖突均發(fā)生在接收分組最初的 64字節(jié)期間，因而此方法可以過濾掉 90%的壞包。 目前在網絡中，存儲轉發(fā)式交換機占了主導地位，主要因為它在分組處理上具有更多的靈活性，較易解決交換機計算能力不足的問題。新一代的第二層交換技術都是基于存儲轉發(fā)方式的。第 6章 局域網交換技術 3．緩沖方式 為適配不同的速率和轉發(fā)沖突問題，交換機內部都配置一定的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的分配主要有三種方式： (1) 輸入緩沖方式，為每個輸入端口分配固定大小的空間； (2) 輸出緩沖方式，為每個輸出端口分配固定大小的空間； (3) 共享緩沖池方式，即交換模塊中的輸入或輸出端口從公共緩沖池中按需分配。 這三種方式的復雜程度各不相同，比較而言：輸入緩沖方式存在隊頭阻塞，不如輸出緩沖方式；最靈活的是共享緩沖池方式，但管理的復雜度也最高。第 6章 局域網交換技術 4．工作原理 目前大多數(shù)局域網交換機都支持 IEEE 802委員會提出的透明網橋技術 (transparent bridging), 其主要特點是：無需網絡管理員人工干預，交換機可以通過生成樹計算、地址學習等機制獲知網絡中其它節(jié)點的地址信息，創(chuàng)建轉發(fā)所需的端口 —MAC 地址表。其工作過程分五部分：(1) 學習 (Learning)；(2) 泛洪 (Flooding)；(3) 過濾 (Filtering)；(4) 轉發(fā) (Forwarding)；(5) 老化 (Aging)。第 6章 局域網交換技術圖 局域網交換機工作過程示例第 6章 局域網交換技術 (1) 最初，交換機接入網絡，各網段與交換機的端口相連。 (2) 位于網段 1上的站點 A向另一網段上的站點 C發(fā)送數(shù)據(jù)。 (3) 交換機從端口 1收到站點 A的第一個分組，通過其中的源MAC地址了解到站點 A在網絡中的位置，隨后以 A為目的地的分組，交換機將知道該如何轉發(fā)。同時在轉發(fā)表中為 A創(chuàng)建一項，這一過程稱為學習。所創(chuàng)建的項為：第 6章 局域網交換技術 (4) 由于交換機不知道站點 C的位置，因此它將向除端口 1外的其它所有端口轉發(fā)該分組。交換機向所有端口發(fā)送分組以尋找特定站點的過程稱為泛洪。 (5) 節(jié)點 C收到分組后，向節(jié)點 A發(fā)送分組進行響應。 (6) 站點 C發(fā)出的分組將經過交換機，采用 (3)中的學習過程，交換機將知道站點 C的位置，并為其在轉發(fā)表中創(chuàng)建一項，同時由于交換機已經知道站點 A的位置，因此 C到 A的分組將基于轉發(fā)表轉發(fā)，而不是向所有端口轉發(fā)，這一過程稱為轉發(fā)。所創(chuàng)建的項為： 第 6章 局域網交換技術 (7) 由于交換機已知 C的位置，因此從 A到 C方向隨后的分組將直接轉發(fā)。 (8) 當站點 B向 A發(fā)信息時，交換機同樣在轉發(fā)表中記錄 B的位置信息，由于交換機已知 A的位置，因此可以判斷出 A、 B在同一網段，這時交換機將忽略該分組，不做動作，該過程稱為過濾。在轉發(fā)表中所創(chuàng)建的項為：第 6章 局域網交換技術 (9) 另外，為了提高內存的使用效率，減少查表的時間，交換機每為一個站點在轉發(fā)表中建立一項，就會為該項分配一個時間戳，該時間戳代表了該項的生命期，在規(guī)范中建議該值為 300秒。一旦生命期為零，該項將被清除。另一方面，該項對應的站點一旦有分組傳遞，生命期將被更新，此過程稱為老化。第 6章 局域網交換技術 5．廣播風暴與生成樹 假如網絡的拓撲結構是一棵樹，那么上述地址學習機制是非常有效的。然而，在實際的網絡中，為保證網絡的可靠性，需要網絡拓撲中配置一定的冗余路由，這樣兩個網段之間就可能存在多條可選路由，這就意味著網絡中存在閉合環(huán)路。此舉雖然增加了網絡的可靠性，但由于交換機對目的地不明的分組采用了泛洪的處理方式，因此容易導致廣播風暴 (Broadcast Storms)和其它難以預料的問題。下面舉例說明。 第 6章 局域網交換技術 在圖 ，我們假設開始時交換機 1和交換機 2不知道站點A和 B的位置。 (1) A向 B發(fā)送分組，交換機 1和交換機 2在 LAN1側收到該分組，它們將 A位于 LAN1的信息加入自己的轉發(fā)表中。然后，由于都不知道 B的位置，交換機 1和交換機 2都將向 LAN2轉發(fā)該分組。 (2) 根據(jù) CSMA/CD協(xié)議，交換機 1和交換機 2將競爭信道。假定交換機 1首先成功向 LAN2轉發(fā)分組，此時 B和交換機 2將收到該分組，其中交換機 2會更新轉發(fā)表中 A的位置到 LAN2。第 6章 局域網交換技術圖 閉合環(huán)路問題第 6章 局域網交換技術 (3) 隨后交換機 2也成功地向 LAN2轉發(fā)該分組，此時 B和交換機 1又將收到該分組，其中交換機 1也會更新轉發(fā)表中 A的位置到 LAN2， 我們看到 B重復收到了兩次該分組，但更糟的問題還在后面。 (4) 此時，交換機 1和交換機 2在 LAN2側相互收到了對方發(fā)出的該分組，而它們都認為 A目前已經在 LAN2側，因此將該分組又向 LAN1轉發(fā)。如不加控制，該過程將無限循環(huán)下去