【正文】 引入路由器主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是利用網(wǎng)絡(luò)層地址轉(zhuǎn)發(fā)分組，路由器可以有效地隔離廣播風(fēng)暴，改善局域網(wǎng)的工作性能；二是利用路由器可以方便地實(shí)現(xiàn)管理域的獨(dú)立。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 圖 傳統(tǒng)局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖 R o ut e rS e r ve r PCH ub沖突域 1B r i dg e H ubS e r ve r PC PC沖突域 2I nt e r ne t第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 表 集線器、網(wǎng)橋和路由器的差別 類 型 集線器 hub 網(wǎng)橋 b ri d g e 路由器 ro u t e r 工作的層次 O S I 第一層 O S I 第二層 O S I 第三層 協(xié)議支持 相同的協(xié)議 相同的協(xié)議 相同或不同的協(xié)議 主要功能 端系統(tǒng)的連接，將接收到的分組向所有端口廣播發(fā)送 同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接，不修改分組，但將分組向指定端口發(fā)送 同構(gòu)或異構(gòu)子網(wǎng)的連接，根據(jù)路由協(xié)議維護(hù)路由表，向指定端口轉(zhuǎn)發(fā)分組 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 交換型局域網(wǎng) 1．背景 在 10 Mb/s以太網(wǎng)技術(shù)占主流的 20世紀(jì) 80年代，共享介質(zhì)型局域網(wǎng)的缺點(diǎn)還不突出。促使局域網(wǎng)由共享介質(zhì)型向交換型轉(zhuǎn)變的兩個(gè)主要原因描述如下： 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (1) 用戶對更高帶寬和服務(wù)性能的要求。傳統(tǒng)共享介質(zhì)型 LAN顯然不能滿足這種不斷增長的需求，交換技術(shù)的引入則可以很好地解決帶寬不足的問題。傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，為減少訪問沖突，通常采用網(wǎng)橋 /路由器來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段，但由于網(wǎng)橋只有兩端口，而路由器工作在第三層，其路由能力強(qiáng)而分組的轉(zhuǎn)發(fā)能力弱，這樣導(dǎo)致采用集線器 /網(wǎng)橋 /路由器模式組建的企業(yè)級局域網(wǎng)絡(luò)不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以擴(kuò)充，而且經(jīng)過多級網(wǎng)橋 /路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的延時(shí)后，性能無法保證，因而要求在局域網(wǎng)中引入類似于廣域網(wǎng)中的交換設(shè)備，以構(gòu)建分級的主干網(wǎng)，優(yōu)化局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為企業(yè)內(nèi)部各部門提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。我們可以看到，雖然多層交換技術(shù)最初是為 LAN設(shè)計(jì)的，但隨著 1 G/10 G比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的成熟，目前它們已經(jīng)被廣泛用于廣域網(wǎng)中。在任何網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)的基本功能就是執(zhí)行路由選擇，轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流。 交換機(jī)為執(zhí)行路由選擇，需要讀取輸入端口中分組的目的地址，然后根據(jù)路由表進(jìn)行分組的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 在局域網(wǎng)中，最常見的是第二層交換機(jī)，它對分組的轉(zhuǎn)發(fā)是以目的地 MAC地址為基礎(chǔ)進(jìn)行的，而 MAC層處于 OSI參考模型的第二層，因而稱為第二層交換。按照這個(gè)觀點(diǎn)來劃分，幀中繼交換機(jī)、ATM交換機(jī)、 FDDI交換機(jī)等都是采用第二層交換技術(shù)的設(shè)備。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 3．局域網(wǎng)交換機(jī)的分類 局域網(wǎng)交換機(jī)除了可按工作的層次來區(qū)分外，還可按所支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為以下 4種：① 以太網(wǎng)交換機(jī)；② 令牌環(huán)交換機(jī)；③ FDDI交換機(jī)；④ ATM LAN交換機(jī)等。 它們之間在接口的類型和數(shù)目、端口的類型和數(shù)目、內(nèi)部緩沖區(qū)的大小及交換矩陣的復(fù)雜度上都有不同，因而體現(xiàn)在成本、性能上就有很大差異。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 第 二 層 交 換 基本概念 1．定義 第二層交換是指基于第二層 MAC地址進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的多端口交換技術(shù)。第二層交換從網(wǎng)橋技術(shù)發(fā)展而來。不同之處主要有： 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (1) 網(wǎng)橋是雙端口的，而第二層交換機(jī)是多端口的，并且允許在多個(gè)端口對之間并行地傳輸數(shù)據(jù)，降低了碰撞的幾率，有效地提高了局域網(wǎng)的帶寬。 (3) 網(wǎng)橋通常只支持相同類型局域網(wǎng)的互連，而交換機(jī)可以支持異構(gòu)局域網(wǎng)之間的互連。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 通常第二層交換機(jī)應(yīng)具備以下基本功能： (1) 根據(jù) MAC地址控制轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流。 (3) 特殊服務(wù)功能 : 例如報(bào)文過濾，流量控制，網(wǎng)絡(luò)管理等。 (2) 多端口的交換機(jī)可以同時(shí)建立多個(gè)端口之間的并行連接，有效地解決了共享型局域網(wǎng)帶寬不足的問題。 (4) 采用局域網(wǎng)交換機(jī)改造原有共享式局域網(wǎng)，原有的軟硬件無需改變。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 工作原理 第二層交換機(jī)通常都有多個(gè)端口，每個(gè)端口都具有橋接功能，可以連接一個(gè)局域網(wǎng)，也可以連接一個(gè)高性能服務(wù)器。為避免在大數(shù)據(jù)流的情況下轉(zhuǎn)發(fā)處理給連接至交換機(jī)的各網(wǎng)段造成擁塞，交換機(jī)內(nèi)部都配備了高速交換模塊，可以同時(shí)建立多個(gè)端口間的并行連接，每一路連接都可以擁有全部局域網(wǎng)帶寬，這是局域網(wǎng)交換機(jī)與集線器之間的差別之一。這種方式的交換機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(shí)在多對端口間建立并行交換通路。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (2) 總線結(jié)構(gòu)。該方式需要為每端口配置專用緩沖區(qū)，同時(shí)總線的訪問控制也采用 ASIC實(shí)現(xiàn)。 (3) 共享內(nèi)存。該結(jié)構(gòu)在小型交換機(jī)中很常見，其優(yōu)點(diǎn)是便于同時(shí)支持不同類型和速率的局域網(wǎng)，缺點(diǎn)是共享內(nèi)存管理復(fù)雜。 1) 直通方式 (cutthrough) 采用直通方式的交換機(jī)利用目的 MAC地址出現(xiàn)在分組開頭的特點(diǎn)，一旦識別出目標(biāo)地址，就立即將進(jìn)來的分組轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的端口。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (2) 一旦收全 6字節(jié)的目的地址，便以目的地址為關(guān)鍵字查找端口 — MAC地址表。 (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。 (6) 數(shù)據(jù)傳送完畢后，釋放連接。因?yàn)榻粨Q機(jī)僅讀取分組中代表目的地址的 6個(gè)字節(jié)，就決定向哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)，而不等待收完整個(gè)分組后再轉(zhuǎn)發(fā)，所以交換機(jī)對錯(cuò)誤分組不進(jìn)行過濾。相對于其它方式，直通式交換機(jī)適用于網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量好，錯(cuò)誤分組較少的環(huán)境。入端口的一個(gè)分組先被完全接收，存儲在緩沖區(qū)中，交換機(jī)通過 CRC校驗(yàn)法檢查分組是否正確。其工作流程如下： (1) 接收并緩存整個(gè)分組。 (3) 若正確，則以分組中的目的地址為關(guān)鍵字查找端口 —MAC地址表。 (5) 假如 CRC校驗(yàn)錯(cuò)，則拋棄該分組。存儲轉(zhuǎn)發(fā)式由于在轉(zhuǎn)發(fā)分組之前先緩存了整個(gè)分組，因而可以對分組做很多增值處理，例如：速率匹配、差錯(cuò)檢測、協(xié)議轉(zhuǎn)換等。 目前，交換機(jī)一般同時(shí)支持上述兩種方式，并提供在兩者之間進(jìn)行切換的自適應(yīng)算法。而當(dāng)錯(cuò)誤率回落到一個(gè)下限值時(shí)，交換機(jī)又切換回直通方式。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 3) 自由分段方式 (fragmentfree) 自由分段式的轉(zhuǎn)發(fā)工作方式與直通方式相似，但不同之處是，它轉(zhuǎn)發(fā)分組之前先存儲分組的前 64字節(jié)，假如有錯(cuò)誤，則丟棄分組，否則查表轉(zhuǎn)發(fā)分組。 目前在網(wǎng)絡(luò)中，存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)占了主導(dǎo)地位，主要因?yàn)樗诜纸M處理上具有更多的靈活性，較易解決交換機(jī)計(jì)算能力不足的問題。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 3．緩沖方式 為適配不同的速率和轉(zhuǎn)發(fā)沖突問題，交換機(jī)內(nèi)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(gè)輸入端口分配固定大小的空間； (2) 輸出緩沖方式，為每個(gè)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。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 4．工作原理 目前大多數(shù)局域網(wǎng)交換機(jī)都支持 IEEE 802委員會提出的透明網(wǎng)橋技術(shù) (transparent bridging), 其主要特點(diǎn)是：無需網(wǎng)絡(luò)管理員人工干預(yù)，交換機(jī)可以通過生成樹計(jì)算、地址學(xué)習(xí)等機(jī)制獲知網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的地址信息，創(chuàng)建轉(zhuǎn)發(fā)所需的端口 — MAC地址表。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 圖 局域網(wǎng)交換機(jī)工作過程示例 PC AH ubPC B局域網(wǎng)交換機(jī)PC CPC D網(wǎng)段 1網(wǎng)段 2網(wǎng)段 3轉(zhuǎn)發(fā)表端口號 站點(diǎn)地址 生命期… … …第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (1) 最初，交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)段與交換機(jī)的端口相連。 (3) 交換機(jī)從端口 1收到站點(diǎn) A的第一個(gè)分組，通過其中的源MAC地址了解到站點(diǎn) A在網(wǎng)絡(luò)中的位置，隨后以 A為目的地的分組，交換機(jī)將知道該如何轉(zhuǎn)發(fā)。所創(chuàng)建的項(xiàng)為： 端口號 站點(diǎn)地址 生命期 1 A XX 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (4) 由于交換機(jī)不知道站點(diǎn) C的位置，因此它將向除端口 1外的其它所有端口轉(zhuǎn)發(fā)該分組。 (5) 節(jié)點(diǎn) C收到分組后，向節(jié)點(diǎn) A發(fā)送分組進(jìn)行響應(yīng)。所創(chuàng)建的項(xiàng)為： 端口號 站點(diǎn)地址 生命期 1 A XX 2 C YY 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (7) 由于交換機(jī)已知 C的位置，因此從 A到 C方向隨后的分組將直接轉(zhuǎn)發(fā)。在轉(zhuǎn)發(fā)表中所創(chuàng)建的項(xiàng)為： 端口號 站點(diǎn)地址 生命期 1 A ， B XX 2 C YY 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (9) 另外，為了提高內(nèi)存的使用效率，減少查表的時(shí)間，交換機(jī)每為一個(gè)站點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)表中建立一項(xiàng)，就會為該項(xiàng)分配一個(gè)時(shí)間戳，該時(shí)間戳代表了該項(xiàng)的生命期，在規(guī)范中建議該值為 300秒。另一方面，該項(xiàng)對應(yīng)的站點(diǎn)一旦有分組傳遞，生命期將被更新，此過程稱為老化。然而，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲信渲靡欢ǖ娜哂嗦酚?，這樣兩個(gè)網(wǎng)段之間就可能存在多條可選路由，這就意味著網(wǎng)絡(luò)中存在閉合環(huán)路。下面舉例說明。 (1) A向 B發(fā)送分組，交換機(jī) 1和交換機(jī) 2在 LAN1側(cè)收到該分組，它們將 A位于 LAN1的信息加入自己的轉(zhuǎn)發(fā)表中。 (2) 根據(jù) CSMA/CD協(xié)議，交換機(jī) 1和交換機(jī) 2將競爭信道。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 圖 閉合環(huán)路問題 交換機(jī) 1 交換機(jī) 2AL A N 1L A N 2B第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) (3) 隨后交換機(jī) 2也成功地向 LAN2轉(zhuǎn)發(fā)該分組，此時(shí) B和交換機(jī) 1又將收到該分組，其中交換機(jī) 1也會更新轉(zhuǎn)發(fā)表中 A的位置到 LAN2，我們看到 B重復(fù)收到了兩次該分組，但更糟的問題還在后面。如不加控制，該過程將無限循環(huán)下去，引起“廣播風(fēng)暴”，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。 第 6章 局域網(wǎng)交換技術(shù) 生成樹算法使用了圖論