【正文】 aits its turn for the central arbiter to grant access to the switching bus. Once access is granted to the transmitting line card, the central arbiter has to wait for the receiving line card to fully receive the frames before servicing the next request in line. The situation is not much different than needing to make a simple deposit at a bank having one teller and many lines, while the person being helped is conducting a plex transaction. In Figure 27, a congestion scenario is created using a traffic generator. Port 1 on the traffic generator is connected to Port 1 on the switch, generating traffic at a 50 percent rate, destined for both Ports 3 and 4. Port 2 on the traffic generator is connected to Port 2 on the switch, generating traffic at a 100 percent rate, destined for only Port 4. This situation creates congestion for traffic destined to be forwarded by Port 4 on the switch because traffic equal to 150 percent of the forwarding capabilities of that port is being sent. Without proper buffering and forwarding algorithms, traffic destined to be transmitted by Port 3 on the switch may have to wait until the congestion on Port 4 clears. Figure 27. HeadofLine Blocking Headofline blocking can also be experienced with crossbar switch fabrics because many, if not all, line cards have highspeed connections into the switch fabric. Multiple line cards may attempt to create a connection to a line card that is already busy and must wait for the receiving line card to bee free before transmitting. In this case, data destined for a different line card that is not busy is blocked by the frames at the head of the line. 中英文資料 6 Catalyst switches use a number of techniques to prevent headofline blocking。本章首先介紹交換機(jī)如何接受數(shù)據(jù)。最后，本章介紹如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)。 1. 數(shù)據(jù)接收 交換模式 在局域網(wǎng)交換中，根據(jù)交換機(jī)功能的不同，第一步就是從發(fā)送設(shè)備或主機(jī)接收幀或分組。而對(duì)于在 OSI模型的第 3 層 或者更高層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)決策的交換機(jī)，它們將數(shù)據(jù)看作分組。根據(jù)具體型號(hào)的不同，交換機(jī)在數(shù)據(jù)交換之前所存儲(chǔ)和檢查的楨數(shù)目也存在一定差異。 上述 3 種交換模式的區(qū)別在于交換機(jī)在制定轉(zhuǎn)發(fā)決策之前所接收和檢查的幀數(shù)目。 直通模式 如果交換機(jī)工作在直通模式，那么它將只接收和檢查幀的的前 6 個(gè)字節(jié)。盡管直通交換能夠在數(shù)據(jù)傳送的時(shí)候提供最低的延遲 ,但卻容易傳送以太網(wǎng)碰撞所產(chǎn)生的碎片、殘幀 (runt)或受損幀。在某些 Cisco Catalyst 交換機(jī)的文檔中 ,碎片隔離又稱為“快速轉(zhuǎn)發(fā)”模式。 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式 如果交換機(jī)工作在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式 ,那么它將接收和檢查整幀 ,因此它是錯(cuò)誤率最低的交換模式。 中英文資料 8 圖 21 比較各種交換模式之間的區(qū)別。交換矩陣 (switch fabric)是交換機(jī)通信信道的一個(gè)常用術(shù)語(yǔ) ,它可以在交換機(jī)內(nèi)部傳送幀、承載轉(zhuǎn)發(fā)決策 信慮、和轉(zhuǎn)送管理信息。無(wú)論具體型號(hào)如何，也無(wú)論何時(shí)產(chǎn)生新的交換平臺(tái) ,所有文檔都會(huì)將“傳動(dòng)裝置”作為交換矩陣。 共享總線交換 在共享總線的體系結(jié)構(gòu)中，交換機(jī)的所有線 路模塊都共享 1 個(gè)數(shù)據(jù)通路。根據(jù)交換機(jī)配置的情況，仲裁器能夠使用多種公平方法。 圖 22 舉例說(shuō)明幀進(jìn)入交換機(jī)時(shí)的循環(huán)服務(wù)過(guò)程。為了能夠給特定通信流量提供優(yōu)先級(jí)服務(wù)，當(dāng)前的 Catalyst交換平臺(tái)（例如 Catalyst 6500）能夠支持各種各樣的 QoS（ Quanlity Of Service，服務(wù)質(zhì)量）特性。 1 的幀 交換機(jī)的入站端口接受源自主機(jī) 1 的整幀，并且將其存儲(chǔ)到接受緩沖區(qū)中。如果幀存在缺陷（例如殘幀、碎片、無(wú)效 CRC 或者巨型幀），那么端口將丟棄該幀，并且將增加相關(guān)計(jì)數(shù)器的數(shù)值。 圖 23 共享總線中的幀流 在中央仲裁器授予訪問(wèn)權(quán)限之后 , 幀將被發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。此外，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)決策的硬件也將接收到幀。在某些情況下，對(duì)于具有未知目標(biāo) MAC 地址的幀或者廣播幀，交換機(jī)將向除幀接收端口之外的所有端口發(fā)送幀。 2在這個(gè)示例中，假定交換機(jī)知道主機(jī) 2 的位置，并且僅在連接到主機(jī) 2 的端口發(fā)送幀。 交叉矩陣交換 在共享總線體系結(jié)構(gòu)示例中，共享數(shù)據(jù)總線的速度決定了交換機(jī)的流量處理總?cè)萘俊? 為了克服共享數(shù)據(jù)總線體系結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的限制，解決方案是采用交叉交換矩陣，如圖 24所示。 圖 24 交叉交換矩陣 在 Cisco Catalyst 5500 系列（ Cisco 公司最早采用交叉矩陣體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品之一）交換機(jī)產(chǎn)品中，總共實(shí)現(xiàn) 3 條獨(dú)立的 ，新型的 Catalyst 5500 系列線路卡具有必要的連接器針腳，她們能夠同時(shí)連接到這 3 條數(shù)據(jù)總線，進(jìn)而能夠充分利用 的總帶寬。在 Cisco Catalyst 5500 平臺(tái)中，吉比特以太網(wǎng)線路卡要求訪問(wèn)所有 3 條數(shù)據(jù)總線。通過(guò)到交叉交換矩陣的 16 個(gè)獨(dú)立的 8Gbit/s 連接， SFM 能夠向線路卡提供 128Gbit/s 的帶寬（ 256Gbit/s全雙工）。 3. 數(shù)據(jù)緩沖 在共享數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)傳送幀之前，幀必須等待中央仲裁器的處理安排?；谏鲜鲈?，在傳送幀之前，必須對(duì)其進(jìn)行緩沖處理。 如果發(fā)往端口的流量超過(guò)了它所能發(fā)送的流量 ,那么就需要使用緩沖。 為了防止丟棄幀 ,Catalyst 交換機(jī)通常采用下述兩種內(nèi)存管理方式： ? 端口緩沖內(nèi)存； ? 共享內(nèi)存。端口緩沖 內(nèi)存的不足之處，在于如果端口的緩沖已經(jīng)用盡，那么就會(huì)發(fā)生丟棄幀的情況。 Catalyst 5500 以太網(wǎng)線路卡端口的緩沖內(nèi)存就是非常靈活的，并且能夠創(chuàng)建各種尺寸的幀緩沖區(qū)，進(jìn)而充分利用可用的緩沖區(qū)內(nèi)存。 通過(guò)使用 168KB 的發(fā)送緩沖區(qū)，每個(gè)端口最多能夠創(chuàng)建 2500 個(gè) 64 字節(jié)的緩沖 區(qū)。 圖 25 舉例說(shuō)明端口緩沖內(nèi)存的情況。對(duì)于采用共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的交換機(jī)，所有端口能夠同時(shí)以共享幀或者分組緩沖區(qū)的形式訪問(wèn)內(nèi)存。交換機(jī)以緩沖區(qū)的形式動(dòng)態(tài)地分配共享內(nèi)存，為接收大量入口流量的端口分配足夠的緩沖區(qū)，并且不會(huì)為空閑端口分配不必要的緩沖區(qū) 。 Catalyst 1200 能夠支持以太網(wǎng)和 FDDI，并且具有 4MB 的共享分組 DRAM（ Dynamic RandomAccess Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存）。 在采用共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的交換機(jī)中， Catalyst 4000 和 Catalyst 4500 系列交換機(jī)是比較新的一些產(chǎn)品。中央處理器或者 ASIC負(fù)責(zé)幀交換，并且在交換之前將把幀存儲(chǔ)到分組緩沖區(qū)內(nèi)。共享內(nèi)存緩沖區(qū)尺寸可能取決于平臺(tái)，但大多數(shù)情況下在 64 字節(jié)到 256 字節(jié)的范圍內(nèi)進(jìn)行分配。 4. 過(guò)度預(yù)定交換矩陣 交換機(jī)制造商喜 歡使用術(shù)語(yǔ)無(wú)阻塞米表明連接到交換矩陣的交換端口能夠達(dá)到線速。除最高端交換平臺(tái)和配置之外，所有交換產(chǎn)品都可能發(fā)生過(guò)度預(yù)定交換矩陣的情況。例如，對(duì)于48 端口的 10/100/1000 吉比特以太網(wǎng)模塊，如果所有端口都工作在 1Gbit/s，那么就需要交換矩陣支持 48Gbit/s 的帶寬。如果所有模塊都連接到帶寬要求不高的終端用戶工作站，即使某個(gè)線路卡過(guò)度預(yù)定交換矩陣，那么也不會(huì)顯著影響性能。為了確定交換矩陣的總連接帶寬，請(qǐng)查看各種平臺(tái)和線路卡的技術(shù)指標(biāo)。線端阻塞大多發(fā)生在多個(gè)高速數(shù)據(jù)源向相同目標(biāo)發(fā)送流 量灼的情況。每個(gè)線路卡上的端口通過(guò)本地仲裁器來(lái)請(qǐng)求發(fā)送流量。一旦發(fā)送線路卡獲得訪問(wèn)權(quán)限 ,在能夠?yàn)榫€路中的下一個(gè)請(qǐng)求提供服務(wù)之前，中央仲裁器不得不等待接收線路卡完整地接收幀。 如圖 27 所示，流量發(fā)生器能夠產(chǎn)生 擁塞現(xiàn)象。流量發(fā)生器的端口 2 連接到交換機(jī)的端口 2，并且向交換機(jī)的端口 4 發(fā)送 100%速率的流量。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)木彌_和轉(zhuǎn)發(fā)算法，那么交換端口 3 所轉(zhuǎn)發(fā)的流量就將等待，并且一直等到端口4 的擁塞消除為止。對(duì)于已經(jīng)處于繁忙狀態(tài)的 線路卡，如果多個(gè)線路卡試圖與其建立連接，那么它們就必須等待接收線路卡處于空閑狀態(tài)。 Catalyst 交換機(jī)采用多種技術(shù)來(lái)避免線端阻塞，例如采用每端口緩沖。在發(fā)生擁塞期間，大的輸出緩沖區(qū)（ 64KB到 512KB 共享內(nèi)存）允許對(duì)準(zhǔn)備發(fā)送的幀進(jìn)行排隊(duì)。除了能夠在擁塞期間進(jìn)行排隊(duì)，很多型號(hào)的 Catalyst 交換機(jī)都 能夠?qū)指舻讲煌妮斎牒洼敵鲫?duì)列中，進(jìn)而可以為某些敏感流量（例如語(yǔ)音）提供更高優(yōu)先級(jí)的待遇或者優(yōu)先級(jí)排隊(duì)。決策的參考依據(jù)可以是第 2 層信息（源 /目標(biāo) MAC 地址）或其他一些信息（例如第 3 層 IP 信息和第 4 層端口信息）。每臺(tái) Catalyst 交換機(jī)都會(huì)為每個(gè)分組創(chuàng)建報(bào)頭或者標(biāo)簽，并且以該報(bào)頭或者標(biāo)簽作為轉(zhuǎn)發(fā)決策的基礎(chǔ)。為了獲得高速交換的解決方案，根據(jù)具體平臺(tái)的不同， Cisco Catalyst 交換機(jī)產(chǎn)品線注重使用共享總線、交叉交換矩陣和兩種技術(shù)的結(jié)合。