（通信与信息系统专业论文）以太网交换机诊断功能设计与开发.pdf

摘要 随着通信技术不断发展，通信环境日益复杂化，以太网在人们生活中扮演着 越来越重要的角色，以太网交换机作为其中的重要部分有着广泛的应用前景以及 巨大的发展潜力。在为用户提供高性能、大容量的解决方案的同时，以太网交换 机必须具备高可靠性。为了满足这一高可靠性要求，本文提出了一种以太网交换 机诊断系统的实现方案：诊断框架，并且围绕该框架设计开发了一系列诊断测试 项。 论文着重研究了以太网交换机的基本原理和体系架构，在现有诊断理论的基 础上，本文提出了以太网交换机诊断功能的具体实现方案，该方案由诊断框架和 一系列具体的诊断测试项组成。诊断框架提供一套智能的诊断功能，包括命令行 自动注册和解析、单板检测、启动诊断、定时诊断等等；根据不同的诊断需求， 在诊断框架的基础上，诊断开发人员设计相应的算法，就可以完成一系列诊断测 试项的实现。本文设计的诊断模块将通用的诊断流程和具体诊断算法区分开，使 诊断开发人员能更加关心诊断算法的实现。 关键词：ie e e8 0 2 3 以太网交换机诊断伪随机二进制序列 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p i n go fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n g c o m p l e x i t yo fi t se n v i r o n m e n t ，e t h e m e tp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n p e o p l e s l i v e s a st h es i g n i f i c a n tp a r to fe t h e r n e t ，e t h e m e ts w i t c hh a se x t e n s i v e a p p l i e df o r e g r o u n da n dh u g ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a l e t h e r n e ts w i t c hm u s th a v eh i g h r e l i a b i l i t yw h e ni ti su s e dt op r o v i d eu s e rw i t ht h eh i g h - p e r f o r m a n c ea n dh i 曲- c a p a c i t y s o l u t i o n i no r d e rt om e e tt h eh i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r da h 1 1 do fi m p l e m e n t a t i o no fd i a g n o s t i cs y s t e mf o re t h e m e ts w i t c hw h i c hi sc a l l e da s d i a g n o s t i c sf r a m e w o r k , a n da c c o r d i n gt ot h i sd i a g n o s t i c sf r a m e w o r k , as e r i e so f d i a g n o s t i c st e s t sa l ea l s od e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e se t h e m e ts w i t c h sb a s i cp r i n c i p l ea n ds y s t e m a t i c s t r u c t u r e ，b a s e do nt h ec u r r e n td i a g n o s t i c st h e o r y , t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h e s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nf o rd i a g n o s t i cf u n c t i o no ft h ee t h e m e ts w i t c h , w h i c hi s c o m p o s e do fd i a g n o s t i c sf r a m e w o r ka n das e r i e so fd i a g n o s t i c st e s t s t h ed i a g n o s t i c s f r a m e w o r kp r o v i d e sal o to fi n t e l l i g e n tf u n c t i o n s , w h i c hi n c l u d et h ea u t o m a t i c r e g i s t r a t i o na n dr e s o l u t i o no fc o m m a n dl i n e ，s i n g l el i n ec a r dd e t e c t i o n ，b o o t u p d i a g n o s t i c s ，s c h e d u l e dd i a g n o s t i c sa n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t f o rt h ed i a g n o s t i c s ，b a s e do nt h et h e o r yo fd i a g n o s t i c sf r a m e w o r k , t h er e l e v a n t a l g o r i t h r ni sd e s i g n e db yt h ed i a g n o s t i cd e v e l o p e r , a n dt h e nt h ei m p l e m e n t a t i o no fa s e r i e so fd i a g n o s t i c st e s t sc a l lb ec o m p l e t e d t h ed i a g n o s t i cm o d u l ew h i c hi sd e s i g n e d i nt i f f sp a p e rc a nd e t a c ht h ed i a g n o s t i ca l g o r i t h mf r o mg e n e r a ld i a g n o s t i cp r o c e s s ，s o t h a t ，d i a g n o s t i cd e v e l o p e rc a l lp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ei m p l e m e n t a t i o no fd i a g n o s t i c a l g o r i t h m k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 3 e t h e r n e ts w i t c h d i a g n o s i s p r b s 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：i ： 遮日期：豳：；：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后使用本授权书。 本人签名：li 渣 导师躲叠 日期：，竖i ：生 日期：c 岁g ， 日期：丛l 竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着通信技术的快速发展，网络用户数量和网络数据流量的迅速增加，原有 速率的网络已难以满足人们的通信需求，市场的需求推动着技术的进步，从创建 以来，以太网的改进始终保持向前兼容，也不影响原来的业务部署和应用。以太 网结构简单、管理方便、价格低廉，而且以太网技术的持续改进也满足了用户不 断增长的需求，如物理介质从粗同轴电缆到细同轴电缆、双绞线、光纤的发展， 网络功能从共享以太网到全双工、交换以太网的进步，传输速率从1 0 m b p s 到 1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 乃至1 0 g b p s 的提升，极大的满足了广大用户对各类应用的 需求。 以太网( e t h e m e t ) 是指2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公司创建，并由x e r o x 公司、 d e c 公司和i n t e l 公司联合开发的满足标准规范的计算机局域网技术。以太网是 在a l o h a 网络的基础上发明的，使用c s m m c d 技术，并以1 0 m b p s 的速率运 行在多种类型的电缆上。随着迅速增长的带宽需求和复杂系统的低成本芯片的实 现，上世纪9 0 年代，以太网由最初的共享式结构转换为交换型网络结构，并先后 推出了1 0 0 m b p s 的快速以太网、1 0 0 0 m b p s 的千兆位以太网和1 0 g b p s 的万兆位以 太网技术i l j 。 平常人们所用的局域网一般都是以太网，这是因为局域网中使用的网卡都是 以太网卡，各种集线器、交换机、路由器也都是以太网接口。以太网其实就是一 个i e e e8 0 2 3 下的协议标准，在这个协议标准下，不同厂家生产出同种电气结构、 数据通信结构的产品，用这些产品组建起来的网络总称就是以太网。目前以太网 的数据速率、带宽、吞吐量和连接距离完全满足m a n 和w a n 的网络需求。若 l a n 、m a n 和w a n 统一采用以太网技术，不但网络升级方便，而且避免了不同 网络之间必须执行的协议转换，从而简化了网络，这样一来就可实现各网之间的 无缝连接。 随着以太网技术的不断进步，以太网交换机的发展速度非常强劲，有着广泛 的应用前景以及巨大的发展潜力。从目前的发展来看，交换机与路由器之间的界 限越来越模糊，新型路由器主要偏重于网络高端，而交换机则开始覆盖从低端到 高端的所有网络层面，其应用面越来越宽，市场的需求量正急剧增加。在今后的 几年时间里，我国以太网交换机产品的市场需求量会大幅增长，将会成为i t 行业 发展最快的领域之一。 2以太网交换机诊断功能设计与开发 目前，“第一代 万兆位以太网交换机已经渐渐淡出市场，所谓“第一代”万 兆位以太网交换机，就是在原有千兆位以太网交换机的基础上添加万兆位端口。 现在许多公司推出了多款从机箱到背板设计到操作系统真正符合万兆位应用的 “第二代 万兆位以太网交换机，目前具有代表性的国内外交换机产品有：c i s c o c a t a l y s t6 5 0 0 系列交换机、华为3 c o r n 的q u i d w a y $ 8 5 0 0 系列万兆位核心路由交换 机、锐捷网络的r g $ 6 8 0 0 系列万兆位核心路由交换机、阿尔卡特的 o m n i s w i t c h 6 8 0 0 系列交换机等等，文献 2 】则通过对x g e s 3 2 0 和x g e s 6 4 两款交 换机的分析，详细介绍了韩国的万兆位以太网交换机发展情况。 由以太网交换机构成的交换网是现代通信网的重要组成部分，是通信技术与 计算机技术相结合的大型通信系统，交换机系统在启动后要求能够每天2 4 小时不 问断的工作，对系统可靠性的要求极高，因此对交换机的检测以及交换机在出现 故障时能够及时的定位和处理就显得尤为重要。为了满足这一高可靠性要求，本 文提出了一种诊断系统的实现方案：交换机诊断框架。并且围绕该诊断框架设计 和开发了一系列诊断功能。 1 2 国内外研究现状 高端以太网交换机的研发本质决定了其相关技术具有一定的保密性质，从公 开渠道很难获得有效的参考资料，而且其时效性也无法保证。国外关于交换机诊 断功能的研发水平应该比国内相对领先。从侧面了解到，c i s c o 的c a t a l y s t6 5 0 0 系列交换机，提供了一套非常完善的诊断系统：g o l d ( g e n e r i co n l i n e d i a g n o s t i c s ) 体系【3 1 。该诊断体系包括b o o t - u p 诊断、健康状态监测诊断、定时诊 断、还有现场诊断等诊断功能。其中诊断测试项覆盖了几乎所有单板的单元部件， 从c p u 、关键芯片、总线状态、中断、时钟、奇偶校验、指示灯的测试到端口测 试、业务环回测试、以及各种r a m 测试等等。 国内各交换机厂商的技术保密和信息安全都比较严格，很难接触到相关资料。 目前只能了解到h 3 c 以前研发的高端以太网交换机的诊断功能，所以在已有的交 换机诊断技术基础上，本课题的研究对交换机诊断功能的完善、创新和改进具有 重要的意义。 1 3 论文研究的意义和论文结构 随着通信技术不断发展，通信环境日益复杂化，高端以太网交换机在为用户 提供高性能、大容量、多业务的解决方案的同时，对系统的可靠性要求极高。为 了满足这一高可靠性要求，除了完善的软、硬件设计，高质量的元器件作保障外， 第一章绪论 开发高性能的诊断系统是必不可少的。本文基于华三通信技术有限公司( h 3 c ) 的高端以太网交换机软件项目，完成了交换机诊断模块的设计和开发。 本文完成的工作包括：提出高端以太网交换机诊断功能的具体实现方案；建 立一套完备、简单而且智能的交换机诊断功能；提供一套装备测试的万能命令行 注册和解析过程，以避免诊断人员进行繁琐重复的命令行注册和解析；该诊断方 案将具体诊断功能执行的算法和通用的诊断流程分开，使诊断开发人员更加关心 诊断核心算法的实现。最终设计并开发出诊断框架软件和一系列诊断功能软件。 本文中所涉及到的所有诊断软件都经过测试人员的系统测试验收。 本文共由五章组成。 第一章，主要对本课题研究的工作背景、意义及主要工作内容作了介绍。 第二章，首先介绍i e e e8 0 2 3 标准的发展历程及关键技术，然后介绍以太网 交换机二、三层交换的基本原理，最后详细介绍了以太网交换机的交换形式以及 本文基于的h 3 c 高端以太网交换机的体系架构。 第三章，介绍了交换机诊断模块的基本理论，重点研究了交换机诊断框架的 设计与实现。详细的划分了诊断模块的各子模块，并分别给出了相应的设计方案， 最后给出了各功能的实现流程。 第四章，主要研究交换机具体诊断功能软件的设计与开发，由于诊断功能项 目繁多，仅装备测试针对一块单板的诊断测试项就有数百条之多，本文仅介绍比 较有特点的p r b s 检测功能。首先分析了p r b s 检测的基本原理，并结合实际的 交换机链路情况给出了具体的设计方案，最后详细描述了p r b s 检测关键算法的 实现。 第五章，主要对p r b s 检测功能软件进行一系列系统测试，并对测试结果进 行分析，系统测试的结果表明本课题提出的诊断功能的设计方案切实有效。另外， 本文所描述的所有诊断功能软件都已完成c 代码写作与调试 4 1 ，并且通过测试部 门的系统测试验收，已经应用在h 3 c 的高端以太网交换机上。 第二章以太网交换机概述 第二章以太网交换机概述 2 1i e e e8 0 2 3 标准 2 1 1i e e e8 0 2 3 标准的发展历史 i e e e8 0 2 3 标准定义了在各种介质上c d m a c d 是如何操作的。这个标准还 在同轴电缆、双绞线及光纤介质上定义了联网方法。按照协议的传输速率和发展 阶段，可将i e e e8 0 2 3 协议分为早期以太网标准、快速以太网标准、千兆位以太 网标准和万兆位以太网标准。每一种标准的名称都是由数据速率、信号方式、最 大传输距离或介质类型三部分组成，概括了协议的主要特性，如1 0 b a s e 5 ， 1 0 0 b a s e t x 等。这里，最前面的数字指传输速率，l o 代表1 0 m b p s ，1 0 0 代表 1 0 0 m b p s ；中间的b a s e 是指基带传输。最后若是数字，则表示最大传输距离，如 5 是指最大传输距离为5 0 0 m ；若是字母则第一个表示介质类型，如t 表示采用双 绞线，f 表示采用光纤介质，第二个字母表示工作方式，如x 表示全双工工作方 式。 1 9 8 3 年，i e e e 通过了i e e e8 0 2 3 c s m a c d 标准，这就是传统的1 0 m b p s 以 太网，其拥有四种标准：一、1 0 b a s e 5 ：传输速率为1 0 m b p s 的粗缆网络，最大 传输距离为5 0 0 m ；二、1 0 b a s e 2 ：传输速率为1 0 m b p s 的细缆网络，最大传输距 离为1 8 5 m ；三、1 0 b a s e t ：传输速率为1 0 m b p s 的双绞线网络，从计算机到集线 设备的最大传输距离为1 0 0 m ，使用三类以上屏蔽或非屏蔽双绞线；四、1 0 b a s e f ： 传输速率为1 0 m b p s 的光缆网络主干，光端口间的最大传输距离为4 k m ，使用一 对多模光纤传输。由于所提供的传输速率太低，无法满足网络用户对多媒体等大 流量数据传输的需要，所有基于i e e e8 2 0 3 标准的应用产品已经被淘汰。 1 9 9 5 年，i e e e 通过了i e e e8 0 2 3 u 标准，将以太网的带宽扩大为1 0 0 m b p s ， 称之为快速以太网( f a s te t l l e m e t ) 。快速以太网拥有三种标准：一、1 0 0 b a s e t x ： 传输速率为1 0 0 m b p s 的双绞线网络，从计算机到集线设备的最大距离为1 0 0 m ， 采用5 类及以上屏蔽或非屏蔽双绞线，使用其中的2 对( 1 2 线和3 6 线) 进行传 输；二、1 0 0 b a s e f x ：传输速率为1 0 0 m b p s 的光缆网络主干，从计算机到集线设 备或集线设备之间的最大距离为2 k m ，采用一对多模光纤进行传输；三、 1 0 0 b a s e t 4 ：传输速率为1 0 0 m b p s 的双绞线网络，从计算机到集线设备的最大距 离为1 0 0 m ，采用3 类及以上非屏蔽双绞线或电话线，使用4 对线进行传输。由 于主要用于在3 类布线系统上实现快速以太网，设备价格过于昂贵，实际网络工 6 以太网交换机诊断功能设计与开发 程中几乎没有应用。 1 9 9 6 年7 月，i e e e 委员会成立了i e e e8 0 2 3 z 千兆位以太网特别工作组，其 中“z ”表示i e e e8 0 2 3 的第2 6 个特别工作组，主要负责千兆位以太网的标准制 定1 5 j 。千兆位以太网标准的内容包括在1 0 0 0 m b p s 通信速率的情况下的全双工和 半双工操作、i e e e8 0 2 3 以太网帧格式、c s m m c d 技术、在一个冲突域中支持 一个中继器( r e p e a t e r ) 、1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t 向下兼容技术等等，千兆位以太 网具有以太网的易移植、易管理特性，是i e e e8 0 2 3 以太网标准的扩展【6 j 。有关 千兆位以太网标准有两个，一、i e e e8 0 2 3 z ( 定义1 0 0 0 b a s e l x 、1 0 0 0 b a s e s x 、 10 0 0 b a s e l h 、10 0 0 b a s e z x 和10 0 0 b a s e c x ) ：二、i e e e8 0 2 3 a b ( 定义 1 0 0 0 b a s e t ) 。这两种标准分别用于在光纤和非屏蔽线缆上传输千兆位信号。 1 0 0 0 b a s e t 传输距离为1 0 0 m ，即可应用于服务器和高速工作站的网络接入，也 可作为建筑物内的千兆位骨干连接。1 0 0 0 b a s e t 在传输过程中将用到全部的4 对 线，在每对线上传输2 5 0 m b p s ，并工作在全双工模式。 1 0 0 0 b a s e t 为以太网和快速以太网向高速网络的移植提供了一种简单、廉价 的方案，具有以下特点：一、1 0 0 0 b a s e t 完全兼容原有的以太网和快速以太网， 实现1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 自适应连接，为现有的以l o o m b p s 为基础的网络提供平滑 的过度；二、1 0 0 0 b a s e t 具有更高的性能价格比。当传输距离小于1 0 0 m 时， 1 0 0 0 b a s e t 显然比1 0 0 0 b a s e s x 更具价格优势，既无需敷设昂贵的光纤，也无需 购置昂贵的光纤模块。 2 0 0 2 年6 月，万兆位以太网标准被i e e e 正式通过。所谓万兆位以太网 ( 1 0 g b e ，1 0g i g a b i te t h e m e t ) ，其实就是1 0 g b p s 以太网。i e e e 定义了1 0 g b p s 以太网的标准为i e e e8 0 2 3 a e ，主要包含以下内容：兼容i e e e8 0 2 3 标准中定义 的最小和最大以太网帧长度；仅支持全双工方式，不运行单双工方式，而且也不 用c s m a c d 机制；支持i e e e8 0 2 3 a d 链路汇聚层协议；在m a c p l s 服务接口 上实现1 0 g b p s 的速率；定义将m a c p l s 的数据传输速率对应到广域网p h y 数 据传输速率的适配机制；定义支持特定物理介质相关子层的物理层规范，包括多 模光纤和单模光纤及相应传送距离1 7 j 。 i e e e8 0 2 3 a e 标准包括1 0 g b a s e x 、1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 。1 0 g b a s e x 使用一种特紧凑包装，含有1 个较简单的波分复用器件、4 个接收器和4 个在 1 3 0 0 n m 波长附近以大约2 5 n m 为间隔工作的激光器，每一对发送器接收器在 3 1 2 5 g b p s 速度( 数据流速度为2 5 g b p s ) 下工作，以8 b 1 0 b 为编码方案；1 0 g b a s e r 是一种使用6 4 b 6 6 b 编码的串行接口，数据流为1 0 0 0 0 g b p s ，因而产生的时钟速 率为1 0 3 g b p s ；1 0 g b a s e w 是广域网接口，其时钟为9 9 5 3 g b p s ，数据流为 9 5 8 5 g b p s ，采用6 4 b 6 6 b 编码方案1 1 1 。 第二章以太网交换机概述 2 1 2i e e e8 0 2 3 帧格式与以太网帧格式 目前，有六种不同的以太网帧格式在使用，它们分别是：e t h e m e ti i ，x e r o x 公司与d e c 公司、i n t e l 公司在1 9 8 2 年制定的以太网标准帧格式：e t h e m e t8 0 2 3 l a w ，n o v e l l 公司在1 9 8 3 年公布的专用以太网标准帧格式；e t h e m e t8 0 2 3s a p ， i e e e 在1 9 8 5 年公布的e t h e m e t8 0 2 3 的s a p 版本以太网帧格式；e t h e m e t8 0 2 3 s n a p ，i e e e 在1 9 8 5 年公布的e t h e m e t8 0 2 3 的s n a p 版本以太网帧格式；e t h e m e t 8 0 2 3 z 扩充帧格式，1 9 8 8 年公布的e t h e m e t8 0 2 3 z 标准规范中的千兆位以太网扩 充帧格式；e t h e m e t8 0 2 3 a e 扩充帧格式，2 0 0 2 年公布的e t h e m e t8 0 2 3 a e 标准规 范中的万兆位以太网的改进帧格式l l j 。 如图2 1 和图2 2 所示，e t h e m e ti i 和i e e e8 0 2 3 的帧格式比较类似，主要的 不同点在于前者定义的2 字节的类型，而后者定义的是2 字节的长度，所幸的是， 后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样通过对该字段数 值的判断就很容易区分两种帧格式了。 前导码目的m a c 地址源m a c 地址类型数据 f c s 8 字节 6 字节6 字节2 字节 1 4 6 1 5 0 0 字节72 字节 图2 1e t h e m e t i i 帧格式 前导码 s o f目的m a c 地址 源m a c 地址长度 数据 f c s 7 字节l 字节6 字节6 字节2 字节 1 4 扣1 5 0 0 字节72 字节 图2 2 i e e e8 0 2 3 一般帧格式 ( 1 ) 前序字符：在每种以太网帧格式的开始处都有8 字节的前序字符，前7 个字节称为前导码( p r e a m b l e ) ，内容是十六进制数0 x a a ；最后一个字节为帧起 始符( s o f ，s t a r to f f r a m e ) ，内容是十六进制数0 x a b ，也即最后两个比特位置 是1 l ，这两位中断了同步模式并提醒接收器后面跟随的是帧数据。设置该字段的 目的是指示帧的开始并便于网络中的所有接收器均能与到达帧同步。当控制器将 接收帧送入其缓冲器时，前序字符和s o f 字段均被去除；类似地，当控制器发送 帧时，它将这两个字段( 如果传输的是i e e e8 0 2 3 帧) 或一个前序字符( 如果传 输的是以太网帧) 作为前缀加入帧中。 ( 2 ) 目的m a c 地址：目的m a c 地址字段的功能是表示发送帧的目的节点地 址。目的m a c 地址可以是单播地址、多播地址或广播地址。 ( 3 ) 源m a c 地址：源m a c 地址用于表示帧的源节点地址。源m a c 地址总 是唯一的单播地址。目的m a c 和源m a c 地址的前三个字节表示由i e e e 分配给 8 以太网交换机诊断功能设计与开发 厂商的地址，而后三个字节由制造商自行确定。 ( 4 ) 类型：两字节的类型字段仅用于e t h e m e ti i 帧。该字段用于标识以太网帧 所携带的上层数据类型，也就是说，该字段告诉接收设备如何解析数据字段。例 如：0 x 0 8 0 0 代表i p 协议数据，0 x 8 0 9 b 代表a p p l e t a l k 协议数据等等。 ( 5 ) 长度：用于i e e e8 0 2 3 帧的两字节长度字段定义了其后数据域字节数， 其取值范围是4 6 - - , 1 5 0 0 。同时支持以太网和i e e e8 0 2 3 帧格式的网络接口卡通过 这一字段的值区分这两种帧。这是因为数据字段的最大长度为1 5 0 0 字节，所以当 该字段的值超过0 x 0 5 d c 时，就说明它不是长度字段( i e e e8 0 2 3 帧) ，而是类型 字段( e t h e m e ti i 帧) 。 ( 6 ) 数据：数据字段的功能是荷载有效数据，该字段最少不能低于4 6 字节， 最多不能高于1 5 0 0 字节。如果数据长度小于4 6 ，上层协议必须使用全“0 ”字节补 足最小数据长度。 ( 7 ) f c s ：帧校验序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 采用3 2 位的c r c 循环冗余 校验对从“目的m a c 地址”字段到“数据”字段的数据进行校验【8 j 。 2 2 1m a c 地址介绍 2 2 以太网交换机基本原理 数据链路层包含2 个子层：逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和介 质访问控制( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。m a c 子层决定该层的硬件地址， 这个地址是和网络无关的，所以无论将哪个硬件插入到网络的何处，它都有相同 的m a c 地址，因为m a c 地址是全球唯一的，不随网络的改变而改变。m a c 地 址是4 8 b i t 二进制的地址，通常表示为1 2 个1 6 进制数，每2 个1 6 进制数之间用 分隔符隔开，如：o o 0 0 o c 0 7 a c - 4 7 。其中前6 位1 6 进制数代表网络硬件制造商 的编号，它由i e e e 分配，而后3 位1 6 进制数由硬件制造商定义，代表该制造商 所制造的某个网络产品的系列号。m a c 地址可以分为单播地址、多播地址和广 播地址： 单播地址：第一字节最低位为0 ，如：0 0 0 0 o c 0 7 a c 4 7 多播地址：第一字节最低位为1 ，如：0 1 e 0 f c 0 0 - o o 0 6 广播地址：4 8 位全为l ，如：i f - i f - i f - i f - i f - f f 关于m a c 地址，需要注意以下两点：一、普通设备网卡或者路由器设备路 由接口的m a c 地址一定是单播地址，因为只有单播的m a c 地址才能保证其与 其它设备的互通；二、m a c 地址是一个以太网设备在网络上运行的基础，也是 第二章以太网交换机概述 9 链路层功能实现的立足点。 2 2 2 二层转发原理 二层交换技术是在o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型t 9 1 q 的第二 层，即数据链路层进行操作的，因此二层转发原理是根据m a c 地址传送数据的。 在交换机内部的高速缓存中保存有m a c 地址与端口的映射表，交换机就是通过 查询m a c 地址表来完成二层转发的。交换机的二层转发主要涉及到两个关键的 线程：地址学习线程和报文转发线程。 地址学习线程主要包括以下三点内容：一、源m a c 地址学习：交换机通过 观察每个端口的报文获取源m a c 地址，并建立m a c 地址与端口的映射表。这 里需要注意的是，交换机学习的是源m a c 地址而不是目的m a c 地址；二、端 口移动机制：交换机如果发现一个报文的入端口和报文中源m a c 地址的所在端 口不同，就产生端口移动，将m a c 地址重新学习到新的端口；三、地址老化机 制：如果交换机在很长一段时间之内没有收到某端口发出的报文，则该端口对应 的m a c 地址就会被删除，等下次报文来的时候会重新学习。这样可以释放出地 址空间给新学到的m a c 地址使用。地址老化是交换机应对庞大的网络地址的一 种行之有效的处理方法。注意：地址老化也是源m a c 老化而不是目的m a c 老 化。不断的循环这个过程，对于全网的m a c 地址信息都可以学习到，二层交换 机就是这样建立和维护它自己的地址表。 报文转发线程主要包括以下三点内容：一、交换机在m a c 地址表中查找报 文中的目的m a c 地址，如果找到，就将该报文发送到相应的端口，如果找不到， 就向所有的端口广播该报文；二、如果交换机收到的报文中源m a c 地址和目的 m a c 地址所在的端口相同，则丢弃该报文；三、交换机向入端口以外的其它所 有端口转发广播报文。 从二层交换机的工作原理可以推知以下三点： ( 1 ) 由于交换机对多数端口的数据进行同时交换，这就要求具有很宽的交换总 线带宽，如果二层交换机有n 个端口，每个端口的带宽是m ，交换机总线带宽超 过n x m ，那么这交换机就可以实现线速转发； ( 2 ) 交换机学习端口的m a c 地址，写入地址表，地址表的大小影响交换机的 接入容量； ( 3 ) 还有就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片，因此转发速度可以做到非常快。 1 0 以太网交换机诊断功能设计与开发 2 2 3v l a n 技术 随着网络的不断扩展，接入设备逐渐增多，网络结构也日趋复杂，为了解决 以太网的广播泛滥和安全性问题，v l a n 技术应运而生。v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e a n e t w o r k ) 即虚拟局域网，它在以太网帧的基础上增加了v l a n 头，用v l a ni d 划分虚拟网的方式将网络分割开来，将一个大的广播域划分为若干小的广播域， 这样就可以限制广播范围，提高网络安全性，并能够形成虚拟工作组，动态管理 网络。 当v l a n 在交换机上划分后，不同v l a n 间的设备就如同被物理分割一样。 也就是说，连接到同一交换机，但是处于不同v l a n 的设备，就如同被物理的连 接到两个位于不同网络的交换机一样，彼此之间的通信就一定要通过路由设备。 划分v l a n 的方法有很多，以下是常见的几种v l a n 类型u u j ： ( 1 ) 基于端1 2 1 的v l a n 。基于端1 2 1 的v l a n 的划分是最简单、最常用的v l a n 划分方法，几乎被所有的交换机所支持。它按照局域网交换机端1 3 来定义v l a n 成员。v l a n 从逻辑上把局域网交换机的端口划分开来，从而把终端系统划分为 不同的部分，各部分相对独立，在功能上模拟了传统的局域网。基于端口的v l a n 的划分简单、有效，但其缺点是当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管 理员必须对v l a n 成员进行重新配置。 ( 2 ) 基于m a c 的v l a n 。所谓基于m a c 的v l a n 是指根据m a c 地址来划 分v l a n 。由于m a c 地址具有世界惟一性，这种划分方法允许终端在交换式网 络中移动时，不必重新定义虚拟网，交换机能够自动识别和定义。基于m a c 的 v l a n 划分方式的安全性也较高，但随着网络规模的扩大，网络设备、用户的增 加，则会在很大程度上加大管理的难度。 ( 3 ) 基于口的v l a n 。所谓基于口的v l a n 是指根据i p 地址来划分v l a n 。 这种划分方法的优点是当某一终端使用的网络层协议或口地址改变时，交换机能 够自动识别，并重新定义v l a n ，不需要管理员干预。但由于口地址可以人为的、 不受约束的自由设置，因此使用该方式划分v l a n 也会带来安全上的隐患。 ( 4 ) 基于组播的v l a n 。基于组播的v l a n ，就是动态的把那些需要同时通 信的端口定义到一个v l a n ，并在v l a n 中用广播的方法解决点到多点通信的问 题。这种划分的方法将v l a n 扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性， 而且也很容易通过路由器进行扩展，主要适用于不在同一地理范围的局域网用户 组成一个v l a n ，但这种方法不适合局域网，主要是效率不高。 引入了v l a n 以后对二层交换机的报文转发线程产生了如下的影响： ( 1 ) 交换机在m a c 地址表中查找报文中的目的m a c 地址，如果找到( 同时 第二章以太网交换机概述 还要确保报文的入v l a n 和出v l a n 是一致的) ，就将该报文发送到相应的端 口，如果找不到，就向v l a n 内所有的端口广播该报文； ( 2 ) 如果交换机收到的报文中源m a c 地址和目的m a c 地址所在的端口相 同，则丢弃该报文： ( 3 ) 交换机向v l a n 内入端口以外的其它所有端口转发广播报文。 以太网交换机上通过引入v l a n ，带来了如下的好处：首先，限制了局部的 网络流量，在一定程度上可以提高整个网络的处理能力：其次，通过灵活的v l a n 设置，可以把不同的用户划分到工作组内；最后，一个v l a n 内的用户和其它 v l a n 内的用户不能互访，提高了网络安全性l l 。 二层交换技术从网桥发展到v l a n ，在局域网建设和改造中得到了广泛的应 用。二层交换技术是工作在0 s i 参考模型的数据链路层。它按照所接收到报文的 目的m a c 地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理 网络层的p 地址，不处理高层协议的诸如t c p 、u d p 的端口地址，它只需要报 文的物理地址即m a c 地址，而数据交换是靠硬件来实现的，其速度相当快，而 且在引入v l a n 之后，网络的广播风暴得到了控制，网络的安全性也得到了提高。 但是，在隔离广播风暴的同时，也隔离了各个不同的v l a n 之间的通信，这使得 不同v l a n 之间的通信就需要由路由器来完成，传统的路由器可以处理大量的跨 越m 子网的报文，但是它的转发效率比二层低，因此要想利用二层转发效率高这 一优点，又要处理三层口报文，三层交换技术就诞生了。 2 2 4 三层交换原理 第三层交换技术也称为i p 交换技术、高速路由技术等。第三层交换技术是相 对于传统交换概念而提出的，众所周知，传统的交换技术是在o s i 参考模型中的 数据链路层进行操作的，而三层交换技术则是在网络层实现了报文的高速转发。 第三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路 由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。 首先介绍一下三层交换机和传统路由器的几点区别：传统的路由器基于微处 理器转发报文，靠软件处理，而三层交换机通过a s i c 硬件来进行报文转发，性 能差别很大；三层交换机的接口基本都是以太网接口，没有路由器接口类型丰富； 三层交换机还可以工作在二层模式，对某些不需路由的报文直接交换，而路由器 不具有二层的功能。 在使用v l a n 技术之后，网络的广播风暴得到了控制，安全性也得到了提高， 但同时也隔离了不同v l a n 间的通信，不同的v l a n 之间无法直接通过二层转 发完成数据的传输，但是可以使用三层交换来实现不同v l a n 间的通信。下面通 以太网交换机诊断功能设计与开发 过举例介绍一下三层交换原理。 v l a n 1 9 2 1 6 8 1 a b c n 2 2 1 1 6 图2 3 三层交换组网示意图 如图2 3 所示，交换机上划分了两个v l a n ，a 和b 属于v l a n l ，其中a 的i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 2 1 6 ，b 的i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 3 1 6 ；c 属于v l a n 2 ，其 m 地址为1 9 2 1 6 8 2 2 1 6 。源节点在开始发送数据时，已知目的节点的m 地址， 但不知道目的节点的m a c 地址，则需要采用地址解析( 蟠中) 来确定其m a c 地址。源节点把自己的口地址与目的节点的口地址比较，采用其软件中配置的 子网掩码提取出网络地址来确定目的节点是否与自己在同一子网内。交换机针对 源和目的节点是否在同一子网，分别走不同的流程完成数据的转发，下面分别举 例描述。 a 向b 发送报文：a 检查报文的目的邛地址，发现和自己在同一个网段；则 广播一个a r p 请求，b 返回其m a c 地址，a 得到b 的m a c 地址后将这一地址 缓存起来，并用此m a c 地址封包转发报文，第二层交换模块查找m a c 地址表 确定将报文发向目的端口。 a 向c 发送报文：a 检查报文的目的m 地址，发现和自己不在同一个网段； 则a 要向“缺省网关”发送a r p 请求，而“缺省网关”的口地址已经在系统软 件中设置，这个i p 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。当a 对“缺 省网关 的i p 地址广播出一个a r p 请求时，若第三层交换模块在以往的通信过 程中已得到c 的m a c 地址，则向发送站a 回复c 的m a c 地址；否则第三层交 换模块根据路由信息向目的站广播一个a r p 请求，c 得到此a r p 请求后向第三 层交换模块回复其m a c 地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站a ， 这样就确立了a 与c 的m a c 地址及转发端口的对应关系，以后a 与c 之间报 文的转发直接交由二层交换模块完成，信息得以高速交换【1 2 1 。下面以a 向c 发起 p i n g 请求为例，介绍具体的转发步骤： ( 1 ) a 检查报文的目的p 地址，发现和自己不在同一个网段； ( 2 ) a 向网关发送a r p 请求报文，该报文在v l a n l 内广播： 第二章以太网交换机概述 ( 3 ) 网关向a 发送a r p 应答报文，返回网关( v l a n l ) 的m a c 地址； ( 4 ) a 向网关发送i c m p 请求报文，目的m a c 是网关( v l a n l ) 的m a c 地址，源m a c 是a 的m a c 地址，目的i p 是c 的i p 地址，源i p 是a 的i p 地 址： ( 5 ) 网关