（通信与信息系统专业论文）高性能以太网交换机硬件及ima关键技术研究.pdf

摘要 本文结合“高性能以太网交换机研究”这一课题，完成对交换式以太网的研究，并 完成了以太网交换网板的硬件设计与实现。本文在讨论以太网交换原理的基础上，主要 讨论了交换式以太网出现的新技术：虚拟局域厩j ( v l a n ) 、组播、优先级技术、以及半 双工和全双工流量控制技术，并设计和实现了2 4 口的1 0 1 0 0 m b p s 自协商的交换网板。 另外，本文还对a t m 反向复用技术作了一些研究，并在此基础上提出了一种利用a t m 反向复用技术实现以太网远程互连的新方案。 关键词：交换式以太网a t m 反向复用 a b s t r a c t t h ep a p e ri s o r i g i n a t e d f r o mt h e p r o j e c t “h i g h p e r f o r m a n c e e t h e m e ts w i t c h r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n f i ti n v e s t i g a t e sas w i s h e de t h e m e ta n dg i v e sad e s i g na n d r e a l i z a t i o no fm a i n b o a r do fae t h e r n e ts w i t c h b a s e do nt h et h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go f p r i n c i p l eo fe t h e r n e ts w i t c h ，m o s te f f o r ti sf o c u s e do nn e wt e c h n o l o g i e se m e r g e da t p r e s e n t ，s u c ha sv l a n ，m u l t i c a s t i n g ，p r i o r i t ys t r a t e g ya n df l o wc o n t r 0 1 t h em a i n b o a r d o fa2 4 p o r t 1 0 1 0 0 m b p sa u t o - - n e g o t i a t e de t h e r n e ts w i t c hi sa c c o m p l i s h e dd u r i n gt h e s t u d y a d d i t i o n a l l y , i n v e r s em u l t i p l e x i n go fa t mt e c h n o l o g yi ss t u d i e d w ep r e s e n ta n e wm e t h o d ，w h i c h i m p l e m e n t s t h er o m o t ei n t e r c o n n e c t i o no f e t h e m e t k e y w o r d s ：s w i t c h i n g e t h e r n e ti m a 第一章绪论 第一章绪论 目前，网络技术的发展日新月异。以太网技术从用户共享1 0 m b i t s 带宽发展到独占 g b i t s 带宽，从支持单纯的数据通信发展到支持多媒体通信，从支持简单的帧交换发展 到支持网络层报文路由，从没有网络管理支持发展到支持网络管理应用软件对整个网络 进行监控，为人们构建面向不同应用的网络提供了技术基础。 1 1以太网发展简史回顾 以太网的核心思想是多用户使用共享的公共传输信道。共享传输信道的思想来源于 夏威夷大学。6 0 年代末，该校的n o r m a na b r a m s o n 及其同事研制了一个名为a l o h a 系统的无线电网络。这个地面无线电广播系统是为了把该校位于o a h u 岛上的校园内的 i b m 3 6 0 主机与分布在其他岛上和海洋船舶上的读卡机和终端连接起来而开发的。 以太网( e t h e m e t ) 的名称是由加利福尼亚x e r o x 公司的p a r c ( p a l oa l t o r e s e a r c h c e n t e r ) 研究中心的b o b m e t c a l f e 于1 9 7 3 年5 月2 2 日首次提出的。b o b m e t c a l f e 在那天 的备忘录中描述了一种由他自己创造的网络系统。这个网络系统用于连结高级的计算机 工作站，使各高级的计算机工作站之间、高级的计算机工作站与高速激光打印机之间能 互相传递数据。x e r o xp a r c 研究中心的发明，包括第一台具有图形用户界面和鼠标器 的个人计算机工作站，第一台用于个人计算机的激光打印机，以及通过以太网将所有这 些设备连接起来的第一个高速局域网( l a n ) 。 1 9 8 0 年，d e c 、i n t e l 与x e r o x 三家公司宣布了一个1 0 m b p s 以太网标准d i x ，这标 志着基于以太网技术的开放式计算及通信时代正式开始了。其后，以太网成为i e e e 发 起的8 0 2 系列标准中第一个标准化的局域网技术标准i e e e8 0 2 3c s m a c d ”标准。1 9 8 9 年，i e e e 8 0 2 3 以太网标准最终被国际标准化组织( i s o ) 接受为国际化标准。 1 9 8 2 年，3 c o m 公司将其产品e t h e r l i n k 投放市场，并随机配置相应的d o s 驱动器 软件，标志着以太网的产品化。 1 9 8 6 年，s y n o p t i c s 开始进行在u t p ( 非屏蔽双绞线) 电话线上运行1 0 m b p s 以太网 的研究工作，名叫l a t t i sn e t 的第一个产品于1 9 8 7 年投放市场，同年i e e e s 0 2 3 工 作组聚在一起讨论在u t p 上实现1 0 m b p s 以太网的最好方法，后来被命名为1 0 b a s e t 。1 0 b a s e t 的出现，导致了结构化布线系统的兴起和发展。 传统共享介质以太网在用户过多时，总线负载加重，就会导致冲突频繁发生，使总 线利用率急剧下降，于是网桥应运而生。通过把网络分段，不同段上的用户可同时传送 数据，提高了网络的整体带宽。1 9 9 0 年，高性能网桥的延伸一以太网交换机面世。 网络交换设备虽然是降低网络通信拥挤的最佳设备，但每端口只能提供1 0 m b p s 的 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 通信速率。为了解决速度问题，1 9 9 5 年，i e e e s 0 2 3 u 协议被通过，宣布快速以太网的 时代来临，它的带宽是1 0 0 m b p s 。 1 9 9 8 年3 月，i e e e8 0 2 3 z 标准获得通过，千兆( g b p s ) 以太网获得了发展。随着 技术的发展和网络速度的提高，万兆( 1 0 g ) 以太网技术开始列入业界的议事日程。 1 2 集线器、交换式集线器与交换机 1 2 1 集线器 原始的以太网是用细缆和粗缆串接而成的总线网，这种类型的总线网缺点很多。一 是不易布线，细缆和粗缆都不能做到随意走线；二是某个点连接不好，就有可能导致整 个网络瘫痪。随着双绞线的使用，人们开始用集线器( h u b ) 来连接终端。如图1 1 所 示：集线器就象一个多端口转发器，每个端口都具有发送和接收数据的能力。当某个端 口收到终端发来的数据时，就转送到所有其它端口。在数据转发之前，每个端口都对它 进行再生、整形，并重新定时。 图i 1 集线器工作原理 虽然采用集线器的网络从物理上看是一个星形拓扑结构，但从逻辑上看仍然是一个 总线网，各工作站仍然竞争使用总线。集线器可以串接，形成多级星形结构，但相隔最 远的两个终端受最大传输延迟时间的限制，因此这种串级的级数是有限的。当连接的主 机数很多时，总线负载很重，冲突将频频发生，导致网络利用率下降，网络处于瘫痪状 态。 1 2 2 交换式集线器 交换式集线器的特点是：所有端口平时都不连通，当工作站需要通信时，交换式集 线器能同时连通多对端口，使每一对端口都能像独占通信媒体那样无冲突地传输数据， 通信完成后。断开连接。对于使用集线器的普通共享式以太网，如果总线带宽为m ， 第一章绪论 共有n 个用户，则每个用户平均带宽为m n 。在使用交换式集线器时，如果交换式集 线器和用户连接的带宽为m ，用户数为n ，则网络总的可用带宽为n * m ，我们看到， 用户使用交换式集线器时，每个接入用户都独占连接的带宽，从而大大提高了网络的带 宽性能，这一点正是交换式集线器的最大优点。 交换式集线器构成的网络无论是从物理上，还是逻辑上都是星型拓扑结构，多台交 换式集线器可以串接，连接成多级星型结构。交换式集线器的冲突域在交换式集线器和 终端之间或两台交换式集线器之间，因此串连级数不受限制。 交换式集线器在提高通信带宽方面已经做出了很大努力，但随着网络技术的发展， 和网络应用范围的不断拓宽，人们对网络的要求不仅仅局限于速度。他们要求网络提供 良好的服务。为达到这个目标，必须提供给用户一个不仅高速，而且灵活、智能的现代 网络。交换机的出现，为实现这个目标提供了一个实现方案。 1 2 3 交换机 人们总把交换机和交换式集线器等同起来，交换机和交换式集线器的区分不是根据 其工作机制，而是它拥有的功能。交换式集线器和交换机都能给终端提供单独带宽，都 能自动建立、维护站表，并根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。但交换机 提供更多现代网络所要求的功能：信息流优先级、虚拟网、组播、远程监控( r m o n ) 、 流量控制、内嵌网络管理代理等。恰恰这些功能构成了高速、灵活、智能、可靠、扩充 性好的现代网络，不仅能提供高速的数据传输能力，而且提供良好的服务质量，把纯粹 的数据传输网延伸到适合多媒体应用、实时数据传输等新的应用领域。 1 3 本文所作的工作 结合“高性能以太网交换机研究与开发”这一课题，本文完成对交换式以太网的研 究，并完成以太网交换网板的设计与实现。本文以以太网的基本原理和网桥的工作原理 为起点，主要研究了交换式以太网出现的新技术：v l a n 、组播、优先级技术以及半双工 和全双工流量控制技术，并设计和实现了2 4 口的1 0 1 0 0 m b p s 自协商的交换网板。另外， 本文还对a t m 反向复用技术作了研究，并在此基础上提出了一种以太网帧在多路e 1 线路上传输的新方案。 第二章以太网交换原理及关键技术 第二章以太网交换原理及关键技术 局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥。桥是一种存储转发设备，用于连接两 个或多个局域网。现在的交换机本质上是一种改进了的多端v i 网桥，但是与传统的网桥 相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。 本章首先简要介绍一下以太网的理论基础知识和网桥的工作原理。然后探讨以太网 交换机的结构和工作机制。最后，我们讨论交换式以太网的关键技术。 2 1 以太网基础“1 以太网是基于分层的o s i 参考模型的。以太网的物理层对应着o s i 参考模型的第 一层，以太网的m a c ( 媒质接入控制) 子层、数据链路层对应着o s i 参考模型的第二层。 物理层 物理层( p h y ) 协议可规定电气信号、符号、线路状态、时钟要求、数据编码 和数据传输用的连接器。以太网传输介质主要使用同轴电缆、双绞线、光缆。 1 0 m b p s 以太网使用曼彻斯特编码，1 0 0 m b p s 快速以太网使用4 b 5 b 编码，g b p s 以太网使用8 b 1 0 b 编码。 m a c 子层 m a c 子层采用的解决竞争共享介质的协议是载波侦听多址接入，冲突检测 ( c s m c d ) 。c s m c d 的主要思想是这样的：发送方在发送数据前，先监 听总线是否空闲。若总线忙，则不发送。若总线空闲，则把准备好的数据帧发 送到总线上。在发送数据的过程中，工作站边发送检测总线，看是否发生了冲 突。若无冲突则继续发送直到发完该数据：若有冲突，则立即停止发送数据， 但是要发送小段强化冲突的j a m 信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发 生了冲突，然后，等待一个随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送该数据 帧。m a c 予层的协议数据单元( p d u ) 是m a c 帧。图2 1 画出了基本的m a c 帧格式。 前导码：由0 、1 间隔代码组成，可以通知目标站作好接收准备。i e e e8 0 2 3 帧的前导码占用7 个字节，紧随其后的是长度为1 个字节的帧首定界符( s o f ) 。 帧首定界符( s f d ) ：i e e e8 0 2 3 帧的定界字节( 0 0 0 0 0 0 1 1 ) ，以两个连续的代 码1 结尾，表示一帧实际开始。 目的和源地址：表示发送和接收帧的工作站的地址，各占据6 个字节。其中， 目的地址可以是单址，也可以是多点传送或广播地址。 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 传 阿j 坝j 予 fcs 错误检测域 f cs 校验范围 7l662 o - 一1 5 0 lo _ 4 6 4 】 前导码帧开始目的地划原地址长度数据填充校验码 类型f c s 7 局| 手节 v o100 低孚节 高位n bo 卜10l低位 图2 1 基本m a c 帧结构和传输顺序 y t e 长度类型：占用2 个字节，该域表示数据域的长度或帧类型如果长度， 类型域的值 = 1 5 3 6 ，该值指定m a c 客户子层的协议类型。 数据：i e e e8 0 2 3 帧的数据段包含上层递交的数据单元。如果数据段长 度过小，使帧的总长度无法达到6 4 个字节的最小值，那么相应软件将会自动填 充数据段，以确保整个帧的长度不小于6 4 个字节。 帧校验序列( f c s ) ：该序列包含长度为4 个字节的循环冗余校验值( c r c ) ， 由发送设备计算产生，在接收方被重新计算以确定帧在传送过程中是否被损坏。 l l c 子层 l l c 子层向上提供四种服务类型，即：不确认的无连接服务、面向连接服务、 带确认的无连接服务、高速传送服务。局域网对l l c 子层是透明的，只有m a c 子层才和所连接的局域网类型有关。 2 2 网桥的工作原理 2 2 1 网桥的功能和协议结构 多数情况下，一个l a n 或m a n ( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，城域网) 不是孤立 的实体，企业需要将多个l a n 或m a n 互连以实现信息交换和资源共享。扩展l a b 范 第二章以太网交换原理及关键技术 围的最简单方法是网桥。图2 2 是双端口网桥的一个简单示意图： l a na l a nb 图2 2 网桥示意图 由图可见，l a na 和l a nb 要互相通信，需要网桥具备如下功能：网桥检查在 l a na 上传输的所有帧，接收那些目的地址在l a nb 的帧以及广播帧，利用l a nb 使用的媒质访问控制协议，把这些帧转发到l a nb 中，同样，对l a nb 到l a na 的 帧采取类似的过程。 网桥工作在o s i 模型的第二层，i e e e8 0 2 1 d 定义了网桥的协议结构。网桥连接的 两个lan 可能不是由相同的lan 技术构建的。这里，我们考察简单的例子，即假定 网桥连接的是同种la n 技术构建的la n ，如图2 3 所示： 站点1坫点2 u s e b t 1 t 8u s e r l l c 2 桥 t u ，c m a c t 3t 4 m a c t 5 t 6 m a c ，、 输一 p h yp h y - - 1 b a n a ) _ _ p h yp h y ( ) 结构 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 t l ，t 8i 用户数据i 屿t t i l l c - - h i 用户数据i n 心喊惦匝至互 匝圣互习 ( b ) 操作 图2 3 网桥协议结构 网桥连接的两个l a n 采用相同的m a c 层和l l c 层协议，目的工作站和发送工作 站不在同一l a n 上的m a c 帧被网桥吸收，短暂缓冲后，从另一l a n 上转发出去，网 桥不关心l l c 层，它只中继m a c 帧。 图23 ( b ) 给出了用网桥封装数据的方法。数据由用户提供给l l c 层，l l c 层实体 给数据加上l l c 头后传给m a c 实体，m a c 实体在l l c 数据上加上m a c 的头和尾， 组装成m a c 帧，发送到l a n 上。网桥接收该m a c 帧，根据m a c 地址转发或过滤该 m a c 帧。网桥不剥离m a c 帧，只是把m a c 帧完整地中继到目的工作站。 因为桥对于其连接l a n 上的站点来说是”透明”的，因此可以将其连接的两个或多 个l a n 作为一个整体l a n 来看待。但是从图2 3 我们又可以看出网桥把其连接的l a n 在物理层上分割开来，因此两边作为以太网来说媒质接入的冲突域并没有扩大。这就提 供了一种共享式以太网无法实现的扩展以太网的方式：在扩大以太网的规模的同时，并 不扩大其媒质访问的冲突域的范围。由此带来的结果是较小的信道竞争概率和更高的信 道利用率。 2 2 2 网桥的操作原理”1 为了实现网桥的功能，网桥需要执行如下一些操作： 1 ) 转发和过滤m a c 帧 网桥对接收到的帧进行过滤，并转发从某一端口发往另一端口的m a c 帧。 2 ) 维持做出转发和过滤m a c 帧决定的信息 网桥一般以表格的形式保存、维护、和更新这些信息。网桥在接收到一个m a c 帧的时候，根据m a c 帧所带信息，通过查询这些表格，做出转发或过滤决定。 3 ) 网桥的管理 网桥还必须要提供对以上两种功能的管理。 网桥的操作原理是由i e e e8 0 2 1 d 定义的。用来描述整个网桥工作过程的术语是 “透明桥接”。这一术语表明网桥的工作过程对网络上的设备来说是透明的。图2 4 是 网桥的逻辑模型。 第二章以太网交换原理及关键技术 l l c m a c 高层实体( 桥协议实体、桥管理等l 、f 二，桥过滤，转发逻辑：刁，一 卣函 i 一fl i 图2 4 网桥的逻辑模型 桥过滤转发逻辑模块与具体的m a c 层协议无关，主要完成m a c 帧的过滤、转发、 以及过滤信息的学习获取。该模块工作于第二层，它是网桥中继m a c 帧的主要部件。 它由如下几个关键部分组成，如图2 5 所示。 图2 5网桥过滤膊专发逻辑 过滤转发查表逻辑 该模块确定交换机接收到的m a c 帧的去向。交换机一旦接收到m a c 帧，该 模块就检查目的地址并查找源地址表，这时可能遇到几种情况： 1 ) 如果m a c 帧的目的地址在源地址表中能找到，但该目的地址对应的网桥 的端口不同于接收到该m a c 帧的端口，则该m a c 帧被转发到目的地址 所对应的端口； 2 ) 如果m a c 帧的目的地址在源地址表中能找到，并且目标地址对应的网桥 的端口与接收到该m a c 帧的端口相同，则该m a c 帧被过滤掉，即丢弃； 卫高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 3 ) 如果目标地址在源地址表中没有找到，则该m a c 帧就被广播到所有端口。 学习逻辑 学习逻辑的功能是维护、更新源地址表( s a t ) 。源地址表是动态变化的。当 网桥加电初始化时，源地址表不包含以太网的任何m a c 地址的信息。通过学 习过程，网桥收集各端口m a c 地址以及相对应的端口信息，不断的填充和更 新源地址表。学习过程是针对每一个接收到的m a c 帧进行的，不论该m a c 帧最终是被转发还是被过滤掉。对每个接收到地m a c 帧，学习逻辑查询源地 址表，若是新的m a c 地址，则在源地址表中添加新的地址项，若已存在该 m a c 地址项，则更新年龄计数器。 p o r t 接口 该模块完成同物理端口的逻辑接口。 源地址表( s a t ) 源地址表是网桥智能地控制m a c 帧流动的基础。源地址表项的内容主要包括 m a c 地址和相对应的端口号。源地址表由学习过程获得和更新，被用于m a c 帧的转发和过滤决定。源地址表中的每项有一个相对应的年龄计数器，当该计 数器的计数值达到某个门限，则网桥可以丢弃相对应的m a c 地址项信息。源 地址表决定了网桥的能力。由于源地址表的大小有限，因而源地址表的大小决 定了m a c 地址项的数量。 网桥的输入输出端口完成收发m a c 桢的功能。如果网桥端接的是相同l a n 技术 构建的l a n ，那么在逻辑上，各个输入输出端口的工作原理是一样的。由于可能有多 个网桥级联工作的情况，所以我们可以在功能上把网桥的输入输出端口分成两类。一类 是接入端口，用于连接端用户：一类是上联端口，用于网桥的级联。尽管在逻辑上来说， 接入端口和上联端口没什么区别，但是实际中，网桥的上联端口一般比接入端口要提供 更高的带宽，因为多个接入端口的数据要汇集在一起通过上联端口，势必造成上联端口 比普通的接入端口更大的网络流量，这需要上联端口提供足够的带宽。 桥高层实体包括桥协议实体、桥管理、g a r p ( g e n e r i c a t t r i b u t er e g i s t r a t i o np r o t o c o l ， 普通属性登记协议) 协议实体等。桥协议实体完成生成树算法。关于生成树算法的详细 介绍见2 2 3 节。g a r p 协议实体完成网桥支持的g a r p 应用。桥管理实体完成网桥的 管理功能。 2 2 3 生成树算法( s p a n n i n gt r e e ) 第二章以太网交换原理及关键技术 地址学习方法正确、有效的前提是用网桥互连的网络结构是树形结构，也就是说对 任何两台主机，只允许存在一条路由。多条路由的存在意味着存在回路或称闭环，为了 解闭环带来的问题，见图2 6 。在时间t o ，主机a 发送一帧给主机b ，该m a c 帧被两 个网桥收到。每一个网桥都更新过滤转发数据库的内容，指出主机a 在l a nx 上，并 l a n y l a n x 幽2 6 闭环网络例子 把帧从l a ny 上转发出去。假定网桥1 、2 不是同时转发。且网桥l 、2 都转发成功， 因此主机b 受到两份m a c 帧。更为严重的是两个网桥都从l a ny 收到了该帧，从而 l a n y 收的m a c 帧，其源地址依然是a ，目的地址依然是b 。两个网桥又再次更新过 滤转发数据库，指出主机a 在l a ny 上，两个网桥以后再也不可能正确地转发目的地 址为a 的m a c 帧。 产生的问题远不止这些。如果两个网桥都没有学习到主机b 的地址，在这种情况 下，如果主机a 要发送帧给主机b ，则会出现下述过程：主机a 在l a n x 上发送目的 地址为b 的m a c 帧，两个交网桥都收到该帧。由于两个网桥都不知道主机b 的地址， 所以都从其它端口把该帧转发出去。两个网桥又在l a ny 上收到该帧，又把该帧从其 他端口即l a nx 上发送出去。如此循环往复，两个网桥永无止尽的转发着同一m a c 帧。 一个简单的图论结论可以用来克服上述问题：由节点和连接一对节点的边组成的连 通图都存在生成树，该生成树保持图的连通性，但不包括任何回路。对互连网来说，l a n 对应图的节点，网桥对应图的边，在互连网中移去一个或几个网桥，可以使存在回路的 互连网成为一棵生成树。 生成树算法就是利用图论的算法，根据这种算法，网桥之间交换足够的信息，并由 此自动产生一棵生成树。而且这种算法必须是动态的，当网络拓扑结构发生变化时，能 够检测到这种变化并重新产生一棵新的生成树。 讨论算法之前，先作如下规定： 1 ) 每一个网桥分配一个唯一的标识符，实际应用中的标识符有网桥m a c 地址和 该网桥的优先权等级组成。 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 2 ) 有一个特别的、表示寻址这个l a n 上所有网桥的m a c 组地址。 3 ) 网桥内每一端口都有唯一的端口标识符。 在满足上述规定的情况下，网桥能够为产生生成树相互交换信息。用( 图2 7 、2 8 ) 作为例子来说明算法的工作过程。 在产生生成树的过程中，要用到以下概念： 根网桥：具有最小标识符的网桥选中作为生成树的根。 路径费用：和每一个网桥中的的每一端口相关，它是m a c 帧通过该端口传送 到某个l a n 的费用，两个工作站之间的路径可能经过0 个或多个网桥。在每一 个网桥，传送费用累加到某个特定路径的路径费用上。对最简单的情况，假定 每个端口的路径费用为1 ，那么两个工作站之间路径的总费用为该路径经过的 网桥数。一般情况下，端口路径费用按照对应的传输速率或其它网络管理标准 来定。 根端口：每一个网桥都有一个或多个端口，如果通过某个端口到达根网桥的路 径总费用最低，就把该端口定为该网桥的根端口，如果这样的端口不止一个， 就选择端口标识符最小的那个端口作为该网桥的根端口。这样，产生的生成树 肯定是唯一的。 根路径费用：对任何一个网桥，一定存在一条总费用最低的到达根网桥的路径， 也就是从该网桥出发到达根网桥的路径。该路径总的费用为该网桥的根路径费 用。 指定网桥与指定端口：对每一个l a n ，选择一个网桥作为它的指定网桥。选择 指定网桥的标准是该l a n 通过指定网桥到达根网桥的路径费用最低。只有指定 网桥才能转发到达该l a n 或从该l a n 发送的m a c 帧。指定网桥连接该l a n 的端口称为指定端口。对所有直接连在根网桥上的l a n 来说，根网桥就是它们 的指定网桥。所有l a n 的信息流量都必须通过指定网桥的指定端口。 一般情况下，用下述方式来构建一棵生成树： 1 ) 确定根网桥； 2 ) 对所有网桥确定它们的根端口： 3 ) 对每一个l a n 确定指定端口：对每一l a n 先找出它连接的、根路径费用最低 的那个网桥，如果这样的网桥有多个，选择优先权等级最高的那个网桥作为指定网桥。 如果指定网桥和l a n 连接的端口有多个，则选择端口标识符值最小的那个端口作为指 定端口。 经过上述处理，所有l a n 之间回路被切断，但网络之间的连通性依然保留。对任 意给定的互连网络，上述处理过程肯定能够产生一棵唯一的生成树。 上述算法需要网桥之间交换信息，信息以网桥协议数据单元( b p d u ) 格式进行交 换。一个网桥发送的b p d u 被所有在同一l a n 上的网桥接收。每一个b p d u 包含下述 第二章以太网交换原理及关键技术 信息： 该网桥的标识符及该网桥中发送b p d u 的端口的标识符； 该网桥认为是根网桥的那个网桥的标识符； 该网桥的根路径费用。 开始，所有网桥认为自己本身是根网桥。每一个网桥在它连接的l a n 上广播个 b p d u 来说明这个事实。对于每一个l a n ，只有标识符最小的网桥的b p d u 将扩散到 互连网中的所有网桥，并被所有网桥承认为根网桥。根网桥随后周期性地在它连接的所 有l a n 上广播这一事实。这样可以让所有连在这些l a n 上的网桥确定它们的根端口， 并让它们知道它们是直接连在根网桥上的。这些网桥又从除连接根网桥的那个l a n 外 的所有其它l a n 上广播b p d u ，让所有在这些l a n 上的网桥知道，它们和根网桥只有 一跳距离。这个过程直至扩散到整个互连网中。任何时候，一个网桥收到一个b p d u ， 必须广播一个含有根网桥标识符和到达根网桥跳数的b p d u 给除收到该b p d u 的那个 l a n 以外的所有l a n 。对任何l a n ，在所有和连接的网桥中，宣称离根网桥最近的那 个网桥，即为指定网桥。 我们用( 图2 7 ) 来证实这么 一个流程： 开始，网桥l 、3 、4 在l a n 上发送b p d u ，宣称自己是根网 桥。当网桥3 收到来自网桥l 的 b p d u 后，发现网桥l 比自己有 更低的标识符，就服从这一事实。 当网桥3 通过l a n 5 收到网桥5 的b p d u ，依然发现网桥1 的优 先级最高，就承认网桥l 为根网 桥，连接l a n 2 的端口为根端口， 并且路径费用为1o 。通过同样的 操作，网桥4 确定连接l a n 2 的 端口为根端口，根路径费用为5 。 网桥5 确定连接l a n l 的端口为 根端口，根路径费用为5 ，网桥2 确定连接l a n l 的端口为根端 口，根路径费用为l o 。 l a n 2l li 网桥，l c 蔫网桥。l iiiiii lf i l a n 5 i 掣审 l a n l i 匕到l 卜龆li l a n 3 l a n 4 图2 7 产生生成树的互连网的例子 现在可以分配指定网桥，对 于l a n 5 ，三个和它连接的网桥都发送b p d u ，宣称自己是l a n 5 的指定网桥，网桥3 放弃，因为从其它网桥发来的b p d u 中得知，它的路径费用不是最低。而网桥4 和网 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 桥5 有相同的路径费用，但网桥4 有更高的优先级。因此网桥4 成为l a n 5 的指定网桥。 整个过程的操作结果( 如图2 8 ) ，对每一个l a n 只有指定网桥才允许转发帧，所有其 它网桥的全部端口都处于阻塞状态。生成树产生后，网桥继续周期性的交换b p d u ，以 便于及时的对网络拓扑结构的变化作出反应，阻塞的网桥和阻塞的端口同样参加b p d u 的交换过程。任何时候，网桥一旦在某个端口收到b p d u ，它必须做如下确认： 如果b p d u 从指定端口收到，确定是否有其它的发送端口比该指定端口路径费用 更低。确定该端口是否应该为根端口。 图2 8 从图2 8 互联网中生成的生成树 2 3 交换机的结构、缓冲策略和转发机制 交换机是这样一种设备：它包括输入，输出端口和转发逻辑两种模块，能够转发数 据单元比如数据包和信元。该定义模型描述如图2 9 所示： 这个交换机的基本模型可以描述任何类型的交换机。交换机的两种主要的模块是转发逻 辑和输入输出端口模块。转发逻辑模块描述了交换机转发数据单元的规则，这些规则 可以简单比如网桥中使用的透明桥机制；也可以复杂，比如多协议路由器规则。输入 输出端口是连接网络所需的物理或逻辑接口。简单的物理接口比如e h e m e t , t o k e nr i n g ， 第二章以太网交换原理及关键技术 和f d d i ：抽象的逻辑接口比如仿真a t ml a n 、时隙t 1 e 1 接口等。 2 3 1 交换机结构 网络交换机产品的设计基于性能、复杂性、价 格三因素的综合考虑，不同要求的产品，其考虑的 侧重点也有所不同。交换机的常见结构有：共享存 储器结构、共享媒体结构、点到点连接交换结构、 星型点到点连接交换结构。 共享存储器结构 共享存储器结构示于图2 1 0 ，存储器为所有的 输入端口和输出端口共用。从各个模块到达的数据 l l转发逻辑 l 圈2 9 交换机基本模型 规则写入共享存储器。实际中，存储器内部划分为若干个逻辑队列，每个队列对应一个 输出端口，写入时按照各个数据包的目的端口控制写入对应的输出队列。在写入的同时， 又按照顺序从各个输出队列读出队首的数据包，传送到各自端口。 共享存储器结构要有足够高 的处理速度，即处理时间要短， 以便能与数据包的输入速率相 匹配。处理时间主要是指判定输 入数据包应编入哪个输出队列并 控制写入的过程。因此，对存储 器访问速度的要求比较高。当交 换结构模块数为n ，每个模块访 问共享存储器的速率为v ，则对 图21 0 共享存储器交换机结构 存储器写入或读出的速度都将取决于n v 。例如，对于具有w 位宽的存储器，访问 时问等于w ( n v ) ，如采用双端口存储器，访问时间的要求可降低为w ( 2 n v ) 。可 以看出，由于受到存储器访问速度的限制，交换结构的容量( 端口数及链路速率) 不可 能太大。 存储器容量的设计也是一个重要的问题。共享存储器应具有一定的容量，使数据 包丢失率保持在一定限度下。存储器容量不但与交换结构、流入负荷和业务模型有关， 而且与存储器的共享方式有关。例如有完全共享和完全分离两种方式。完全共享是各个 输出队列可以共享整个存储器，只有当整个存储器占满时才会发生数据包的丢失：完全 分离是将整个存储器分为n 个区域，每个区域对应一个输出对列，当某个输出队列已 满时，再到达该输出端口的数据包将被丢弃。显然，完全共享方式的存储器的使用效率 较高，在相同条件下，存储器的容量可以减少。但是当出现非均匀的业务流时。例如某 个或几个输出端口的负荷很高，会出现整个存储区被少数几个端口占有的不公平情况。 堕高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 完全分离方式保证了对各个输出端口的公平性，但存储器的利用效率不高。一种折衷的 方式是划出一部分存储区作为所有的输出端口的共享区。此外还可以有基于每个端口的 最小分配或最长队列以及队列长度的动态控制等方式。 共享媒质结构 图2 1l共享总线交换机结构 与共享存储器相似，共享媒质结构也是将所有交换模块上到达的数据包同步地汇聚 到公共的传送媒体上( 总线或环) ，同时要采用某种控制方法使公共媒质上收集的数据 包发送到各个输出端口。以共享总线结构为例：共享总线结构由一组总线完成所有模块 之间的信息流传输，如图2 1 1 所示。数据用时分复用( t d m ) 的方式在总线上进行传 输，每一个模块在周期重复的连续传输帧中分配一个时隙( s l o t ) ，在该时隙内，由该 模块占用总线，进行数据传输。可以看到，对于有n 个模块的交换结构，共享媒体的 速率至少为每个模块输入链路速率的n 倍。因此，共享媒质的速率限制成为交换结构 的瓶颈，限制了容量的扩大。 点到点直连的交换机结构 点到点连接交换机也称作交叉式交 换机或阵列式交换机结构，这种交换机 结构的最大限制是成本和复杂性，总的 带宽一般在1 0 0 g b i t s 左右。在全阵列 交换机结构中，每一个模块都直接和任 何其他模块相连，见图2 1 2 ，由于每一 个模块自己在处理连接问题，不需要中 心交换阵列模块进行集中控制。总的通 圈2 1 2 点到点连接交换机结构 信带宽等于nx ( n 一1 ) x 每一连路的通信带宽，这里n 为系统中的模块数。在完全 实现端口与端口之间点一点互连的交换机结构中，每个模块增加一个端口都将增加大量 成本。例如一个交换机有14 个模块，每个模块提供2 个千兆以太网口，为和所有其它 端口做到无阻塞交换，每一个模块实际上成了2 8 g b i t s 的交换机。 每一个模块从一个端口升级到2 个端1 ：3 不但增加和其他模块的连线，而且成倍增加 第二章以太网交换原理及关键技术 模块时钟和控制功能。为减少系统复杂性，一般不采用端1 2 1 之间点一点连接，但势必导 致阻塞发生。 星型点到点连接交换结构 这种交换结构的实现要比阵列交换机的实现简单。他用一个中心交换阵列来代替模 块间的点到点互连，如图2 1 3 所示。每一个星型连接的模块，只连到中心交换阵列模 块上。由于它不需要在每一个模块提供交换功能，因此减少了系统的总的成本。星型点 到点连接交换结构比点到点直连的交换机结构有更好的扩充能力，这种设计允许任意多 个接口模块和中心交换阵列模块相连，因此通信带宽取决于中心交换阵列模块和接口模 块的能力，而不是连线本身。例如，能安装l o 个接口模块的机箱，每个接口模块和中 心交换阵列模块有2 g b i t s 的带宽，总的交换带宽为1 0 x 2 = 2 0 g b i t s 。 图2 1 3 星型点到点连接交换机结构 2 3 2 缓冲策略 为了解决在发生出线竞争和内部竞争的情况下数据包丢失的问题，交换机需要采取 相应的缓冲策略。我们讨论输入缓冲和输出缓冲两种方式，如图2 1 4 所示。 - 卜 交换 结构 交换 结构 ( a ) 输入埋冲 ( b ) 输出疆冲 图2 1 4 输入、输出缓冲策略 堡高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 输入缓冲 输入缓冲( i n p u tb u f f e r i n g ) 是在交换结构的每条入线上设置缓冲器。输入缓冲一般采 用简单的先进先出( f i r s ti nf i r s to u t ) 的排队规则。这样，当入线上每个时隙到来时，各个 非空的输入队列数据包进行竞争，通过仲裁，使去往不同出线的数据包都通过交换网络 而传送到出线上，在竞争中失败的数据包暂时留在输入缓冲器中，等待下一轮( 下一个 时隙) 的竞争和发送。 输入缓冲存在排头阻塞( h e a do f l i n eb l o c k i n g h o lb l o c k i n g ) 效应。所谓h o l 阻塞， 是指在发生出线竞争时，排在竞争中失败的数据包( 处于排头的位置) 之后的数据包即使 其指向的出线处于空闲状态也不能传送的现象。图2 1 5 给出了一个说明h o l 阻塞的示 例，缓冲器内的数字表示该数据包要去的输出端号。入线l 与入线2 缓冲器中的排头数 据包均要送往出线2 ，产生了出线竞争，假定入线1 在竞争中取胜，队首数据包送到出 线2 ，入线2 在竞争中失败，队首数据包仍留在缓冲器中等待下一轮机会。入线3 和4 的排头数据包分别送到出线4 和出线1 。此时，出线3 在该时隙内空闲，无数据包传送， 而在入线2 输入队列中第二个数据包明明是要到出线3 ，由于其排头数据包在竞争中失 败以及f i f o 规则，因此不能传送，这就是所谓的h o l 阻塞。由于h o l 阻塞，会使交 换网络的吞吐率降低。 2 卜 卜 _ 卜 匕i ! i l 羽 k 日 l ! 口 r1rr iz34 图2 1 5h o l 阻塞现象 输出缓冲 输出缓冲( o u t p u tb u f f e r i n g ) 是在每条出线上设置缓冲器。 为了解决输出竞争，一个理想的采用输出缓冲的无阻塞交换结构最好使得每个出端 能够同时接收所有入端发来的数据包。这就是说，当入线数为n 时，考虑到最不利的 情况，每个出端在一个时隙最多应可接收n 个数据包。要做到这一点，就要采用内部 加速的方法，即提高内部处理的速度，于是引入加速因子的( s p e e du pf a c t o r ) 的概念。 应该注意的是，尽管在同一时隙可能有多个数据包进入同一个出端的缓冲器中，但输出 的速率仍保持不变，每个时隙只向外发送一个数据包。 加速因子等于n 时，完全消除了输出冲突，吞吐率为1 ，但对内部速率的要求较高。 为此，可使加速因子小于n ，例如等于k ：l k n 。这样，每一出端同时最多只能接 第二章以太网交换原理及关键技术 1 9 收k 个数据包：如果有多于k 个数据包去向同一端口，就要按一定规则选取其中的k 个，其余的数据包就将丢弃。应该选择合适的k 值，以使数据包丢失率足够小。 输出缓冲方式不存在h o l 阻塞现象，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐 率和良好的性能。 采用单纯的输出缓冲时，如果加速因子小于n ，就会发生数据包丢弃。如果同时在 入端也设置缓冲器，在发生出线竞争时，受加速因子限制而不能同时传送到出端缓冲器 的数据包可以暂时保存在入端缓冲器中，从而避免了数据包的丢失。入端的缓冲器并不 需要太大。 2 3 3 交换机的转发机制 在分组交换网络中，网络交换机通常使用两种转发技术：直通方式( c u t t h r o u g h ) 、 存储转发式。 直通方式的以太网络交换机在输入端口检测到一个数据包时，只检查数据包的目的 地址，这使得数据包几乎马上能发出去，由于不需要存储，延迟( l a t e n c y ) 非常小、 交换非常快，这是它的优点；它的缺点是：因为数据包的内容并没有被交换机保存下来， 所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力，由于没有缓存，不能 将具有不同速率的输入，输出端口直接接通。 存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口的数据包先 存储起来，然后进行c r c 检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，进行转 发。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入 交换机的数据包进行错误检测，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入输出端口间的 转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。 2 4 交换式以太网关键技术 2 4 1v l a n 技术” 根据以人嗍交换机的t 作原理，当其检测到广播数据帧时，会向其他的端l 转发该 数据帧。因此，当个大型的以太网完全由以太网交换机组网时，可以发现，虽然其冲 突域没有扩大，但是其广播域却覆盖整个以太网的范围。这就是交换式以太网的冲突域 与j “播域4 i 一致的特点。这一特点决定了当以太嘲内任何一个站点发出了广播帧后，会 山各个以人网交换机传播至整个以太网的范围，若以太网规模很大，由几十甚至上卣台 主机组成时，每个主机发出的广播帧合起来会象风暴一样席卷整个交换式以太网。为了 解决人型交换式以太网的广播风暴问题，就必须限制其广播域的范围，从而产生了虚拟 局域网技术( v l a n ) 。用交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播域( 交换机的所 高性能以太网交换机硬件及i m a 关键技术研究 有端口) 逻辑地分为若干个子广播域，在子广播域晕的广播包只会在该广播域内传送， 其它的广播域是收i i 到的。v l a n 通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利 用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的l a n 基础设施分割成多个子网。 v l a n 定义 v l a n 可以根据端口、m a c 地 址、协议类型和i p 地址来定义。 1 ) 基于端口定义v l a n 可以根据端口来定义，端口 属于哪个v l a n 。例如一个 有