（计算机应用技术专业论文）基于igmp+snooping的二层组播技术研究.pdf

太弼i 理j ：人学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c h0 fm u l t i c a s tp r o t o c o li n u n kl a y e rb a s e d0 ni g m ps n 0 0 p i n g a b s t r a c t r e c e n t l y i nm u l t i c a s tn e t ，w h e nr o u t e rt r a n s m i t sm u l t i c a s t m e s s a g e t ol i n k l a y e r s w i t c ho nt h e e d g eo fr e c e i v e rl a y e r ，a s t r a d i t i o n a ll i n kl a y e rs w i t c h ，i tw i l lb r o a d c a s tm u l t i c a s tm e s s a g e i n t h i s w a y i tn o t o n l y w a s t e s p l e n t i f u l n e t b a n d w i d t h ，a r o u s e b r o a d c a s t i n gs t o r m ，b u ta l s oi n f e c tn o r m a lo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti s c o m p e l l e d t or e a l i z er a t i o n a lm u l t i c a s tm e c h a n i s mi nl i n k l a y e r s w i t c h a g a i n s tt h i si n s t a n c e ，t h ea u t h o rd e e p l yr e s e a r c ht h em u l t i m e d i a m u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mi ns w i t c he t h e r n e t ，d e s i g n s l i n k l a y e rm u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do ni g m ps n o o p i n gi n s w i t c h 1 i i x 太原理一f ：人学硕士研究生学位论文 提下，完成i g m p 代理的功能，过滤掉不必要的i g m p 消息，防止 了“i g m p 于艮告风暴”。 采刖i g m ps n o o p i n g 的好处在于主机和路山裕的软硬件驶箭 不需要任何修改，只需要在二者之问的交换机上增加i g m p snoopin蓁鬟蠢前i爨 麓嚣霾薹霪嚣莲蓁髫答蓁荔； 薹器黼；鞠鬻蓁薹篓雾a n d s c t su pav l a nf o re ac hg r o u p i nt h en e t w o r kl i n k e d 太原理一i ：j 人学硕研，宄生字位论文 蠢薹；鬻攫i 基萋霾雾蓁薹霎鬟，鬟塞蹙裔鐾冀耋蓁l 霎霎西鬟霉耋冀 犍。! 鋈羹雾l 雾霎霎要4 。 霞荔i 美囊覆雾霭r 丑尊i 浮车羹醴霎堡霪羹曦蓁薹篓羹蓁璧囊蘩薹蓁 强囊嚣篓蘩嶷耋i 羹墓番蓁篓鬟稚薹翼鬟羹羹蓁薹薹；矍篓蠢 墨型妻薹霉l 试 蓁鬟蠢前i 爨 麓嚣霾薹霪嚣莲蓁髫答蓁荔； 薹器黼；鞠鬻蓁薹篓雾a n d s c t su pav l a nf o re ac hg r o u p i nt h en e t w o r k linkedby v l a np o r t s ，t h c r ei sa tl e a s to n eg r o u pm e m b e ro r containsmulticastr o u t e r p r o t o c o lw i l ld y n a m i cm a i n t a i nt h ee n t e r i n g andexiting o ft h eh o s tc o m p u t e ri nt hi s p o r t c o l l e c t i o n t h u s ，w h e n m u l t i c a s t d a t ap a c k a g ei st r a n s p a r e n t ，i t i sj u s tt r a n s p a r e n ti n itsmulticastv l a np o r ta n dw i l ln o tbeb r o a d c a s t e do t h e rp o r t s thatneedntm u l t i c a s td a t a ，i nt h i sw a y ，b a n d w i d t hi s savedmeanwhile，ont h ep r e c o n d i t i o no fk e e p i n gt ra n s p a r e n tt om u l t i c a s t router，theethernets w i t c h c o m p l e t e s f u n c ti o no fi g m p a g e n t ，f i l t r a t e s u n n e c e s s a r y i g m pn e w sa n dp r e v e nt s “i g m pr e p o r t f l o o d i n g ”a d v a n t a g e o fu s i n gi g m ps n o o p i n gl i e ss o f t w a r ea n d hardwareofs w i t c ha n dr o u t e rn e e d n ta n ym o d i f i c a t i o n o n l y softwarerealizationm o d u l e so fi g m ps n o o 太原理i ：人学颤一l 卅f 究生半化论文 1 1 课题来源 第一章引言 在i p 通信钡域的一头足1 p 单插j ! 豇信，批此源i i ) l i 帆m 指定的i 柏：i | ， 主机发送信息包。在这种情况下，i i ，信息也叫1 的i f i ，j i 地址就是i p 州 e 的j 朔l 地址。通过路山器将这些1 1 ，信心、也从 j j ： 1 州i 发送州1jj 川：1 ：帆，m 源主机和日标二卜机之间f 门路径上的每个路山器使川，- 播路信息阼( i i i j ) ， 并根据信息包c ql pi ： 标地址做 _ 【 单播传送决定。从。台= l = 机送小的铒个 数据他只能传送给一个i i i 托；- 上机，女i f 果彳r 另外们多个川j 。希塑川叫拔褂这 个数据包拷贝足不能的。 而在i l ，通信领域的另一头是l p 。插通信，祚这小，源j ：机向一个酬络 段中的所宵1 1 1 主机发送信息包。i pj 。播包的目标地址的土机部分被设置成 全l ，网络部分设置成子网地址。i p 广播通信通常被限制在本地的子刚i ， 除非特别的配置，路山器一般不会转发i p 广播信息包。 i p 组播介于i p 单播和i p 广播通信之问，能使主机发送i p 信息包到i p 网络c j 任何一组主机上。采用组播方式单台服务器能够对几十万台主机 同时发送连续数据流而无延时。组播发送方只要发送一个信息包而不是很 多个，所有目的地同时收到同一信息包，更及时，更同步。 与单播应用相比，使用i p 组播技术分发信息常常能从本质上减少整个 网络对带宽的需求，个典型的例子就是音频和视频网。在音频和视捌网 中，i p 组播的优点主要体现在以下两个方面：带宽和服务器负载。 对于音频和视频网米晚，大量的用户经常要在大致相同的时巾j ! b 访 相同的信息，如果使用i p 单播，网络带宽的消耗就会呈线性增长。典型的 m p e 0 2 一视频信息流需要大约? p - 5 m b i 洮的带宽用于流物。月逦真的影像传 1 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 送，显然刚i p 组播来发送节目是一利t 明智的选择。因为重复数拼：流被m 传送所代替，从而使得网络带宽得到了更有效的使玑 图i l 单播与组播性能对比 f i g u r ej jp r o p e r l yc o t l l r a s lo f u n i c a s ta n dm u l l i c a s ! 从图l l 中可以看到，使用单播传送，数掘传输量以l ：1 的比率随 用户数掘量的增长而增长，而使用组播传送，传输量不会随着刚户数啦的 增长而增长。 如果音频和视频网的网络运营商继续使用单播传送机制，随着，j ，1 ，的 增长，它将需要不断增加它的实时音视频服务器的能力和数量以适应连接 用户的增长。在单播情况下服务器必须为每一个收看节目的用户期；发出 各自的信息流。当连接用户数目增加时，服务器负载也急剧增加。当似务 器负载增加到一定程度，服务器就不能在发出信息流。而如果运营商使用 i p 组播来发_ 斫j 它们的节目，那么只有单个实时数据漉要成为连接所有刖户 的节目源头。用这种方式，运营商不需要购买越来越多高性能的服务器以 满足用户数目增长的需求。很明显，i p 组播提供的主婴优势在二：通过人人 减少需要转发和处理的数掂量，从而降低了_ j f t 所需服务器的性能要求。 总之，使用i p 组插对于网络资源的节省有着非常明显的效果。但是作 为莉w w w 浏览器在同一个时期出现的技术，甚发展和堆广却远远慢于 哺w w 。莳期时主要的难点是ff p | t 纽播通信模式需臻状母似迄复杂的路l jl 2 1llj 8 6 4 2 割吣叫呲。 一单纰一 鼙飞匾黜 太原理，j ：人学硕士研究生学位论文 g m r p ( g a r pm u l t i e a s tr e g i s t r a t i o np r o t o c 0 1 ) 是标准的第- ：- 1 2 咖 义， 它让组播m a c 地址动态地在二层交换机上注册刺取消。g m r p 馊川类橱忡 i 己录办议( g a r p ) ( g c n e d ca t t r i b u t er e g i s t r a t i o np r o t o c 0 1 ) ，曲i 一1 、交j 鲍- j e 中记录神i 传播组员的信息。g m r p 和g a r p 都是日丽f 山i e e e 的8 0 2 i 】i 作组指定的8 0 2 1p 标准的组成部分。 当组员向接收某一组播流量寸，它使 1g m r p 向其直连交换机发送加 入信息，消息中包含其要j j l 入组的组播m a c 地址。交换机接剑该请求后， 在交换机的m a c 地址转发表中建立相应条目【组播m a c 地址一一封i 则9 i 在端口】，并与本交换机直连的其他交换机交换组员信息。当交换机收到浆 一组播流量后，依据此流量的组捅m a c 地址，查询m a c 地址转发表，将 组播流量转发到相应的组员所在端口。通过g m r p ，交换机将知逆某。纰 播组的成员是接在交换桃的哪个端口上。工作方武简述如图l 一4 的( a ) 和 ( b ) 。 搓。r 器 固 潲口、l 赫雒蹙嚣竺臻警螽 鹫谤箩渊嬲 尉，。蚴画 图l 一4 纽播数据在有g m p r 支持下的传输过程 f i g u r ei 一4t r a n s m i t i o np r o c e s so f m u l t i c a s td a t as u p p o r t e db yg m p r 它的优点足不依赖于路山器，可以和i p 、1 p x 、a p p l e t a l k 或i t 它叫络 层协议协同工作，可扩张性好，转发速度快，支持的组数量多：其缺- i 也 很明显，在使甩g m r p 时。主机钓网络接口卡和二层交换机巾必须提t j 对 5 太原理j l ：大学硕士研究生学位论文 g m r p 的支持，而现有设备和系统的协议栈剥。g m i u 2 的支持并不充分。同 时如果有三层组捅加入，还必须提供g m r p 汞l1 g m p 之问的映射方法。 通过c g m p 协议 c g m p 即c i s c o 私有的组管理协测5 1 。山于c i s c o 数掘产品的市场i 。i 有 率，浚协议在交换式l a n 上有着大量的应用。 c g m p 与g m r p 一样，也是一个第二层的协泌。已监水转发匀l 插流髓 i 勺路由器取il a n 上的交换机均同时运行浚协议。c g m p 信息包i | 踏t i t 器产 生，交换机只读墩和进行相应的处理。其工作方式简述如下( 见图1 5 ) ： 鳓 ej 褊 一 ( a ) 图1 5 组播数据在有c g m p 支持下的传输过程 f i g u r e1 - 5t r a n s m i t i o np r o c e s so f m u l t i c a s td a t as u p p o r t e db yc g m p 组播路出器收到主机的i g m p 加入组稍息，路山器获知l a n 上有 6 太原驰! i = 火学顺一f ：研究! e 学竹论文 纽员存在。如图1 5 ( a ) 所示。 路【j _ i 器发送c g m pj o i n 消息给交换机。 j o i n 消息封装在m a c 帧中，帧的源m a c 地址为路i l j 器a 端ii 地址， “的地址总是为保留的m a c 地址：0 1 - - 0 0 0 c - - d d d d - - d d 。运行c g m p 的交换机阎定侦听此m a c 地址。封装在m a c 帧中的c g m p 消息包龠订 组播m a c 地址和要接收此纽播流量的主机m a c 地址。交换机收到c g m f j o i n 消息后，依据组员主机的m a c 地址和所接端口的剥。应关系，可以f f f f ) 定 组播m a c 地址的牛h 应输出端口，于是在交换机转发表l i ! 建血：纰播m a cj _ l ! ! 址的转发条目：【组播m a c 地址一- e i t 员所在端口】。如l 划l 一5 ( b ) 所，j 。 交换机根据转发表早组播m a c 地址的相关条e i ，将纽橘流量转发 给交换机相应的端口。如图1 5 ( c ) 所示。 当路由器收到组员的i g m p 退出组消息。路由器发c g m pl e a v c 消息给交换机。消息内含有该组播的m a c 地址和退出组的主机m a cj c 也, t l l ：。 交换机将该主机所连的端口，从转发表的组播m a c 地址相关条i ，删除。 若l a n 中最后一个组员退出组交换机将该组播m a c 地址的所有输 出端口从转发表中删除。如图1 - - 5 ( d ) 所示。 这种方法的优点是实现简单，交换机不参与组管理：其缺点是路由器 和交换机都需要配置c g m p ，而且必须相互配合一起使用，不利于对现j i 网络拓扑进行多播扩展。 1 。3 本文研究的内容 基于以上的分析，我们提出使用i g m ps n o o p i n g 的二层组播方法，它 和c g m p 的相似之处都是利用i p 组管理协议中的信息取得主机和交换i 硐络 端口之问的对应关系，将属于同一个i p 组播组的多个交换端口划分为i 司 个虚拟域。为了利用i p 纽管理协议，交换机必须能够访p ji g m pt , j ，议小乜 7 太原驰! i = 火学顺一f ：研究! e 学竹论文 纽员存在。如图1 5 ( a ) 所示。 路【j _ i 器发送c g m pj o i n 消息给交换机。 j o i l l 消息封装在m a c 帧中，帧的源m a c 地址为路i l j 器a 端ll 地址， “的地址总是为保留的m a c 地址：o l 0 0 0 c 一削一d d d d 。运行( ：g m i ， 的交换机阎定侦听此m a c 地址。封装在m a c 帧中的c g m p 消息包龠订 组播m a c 地址和要接收此纽播流量的三l 三机m a c 地址。交换机收到c g m p j o j n 消息后，依据组员主机的m a c 地址和所接端口的剥。应关系，可以f f f f ) 定 组播m a c 地址的牛h 应输出端口，于是在交换机转发表l i ! 建血：纰播m a cj _ l ! ! 址的转发条目：【组播m a c 地址一一组i 员所在端口】。如l 划l 一5 ( b ) 所，j 。 交换机根据转发表早组播m a c 地址的相关条e i ，将纽橘流量转发 给交换机相应的端口。如图1 5 ( c ) 所示。 当路由器收到组员的i g m p 退出组消息。路由器发c g m pl e a v c 消息给交换机。消息内含有该组播的m a c 地址和退出组的主机m a c 地j - i l ：。 交换机将该主机所连的端口，从转发表的组播m a c 地址相关条i ，删除。 若l a n 中最后一个组员退出组交换机将该组播m a c 地址的所有输 出端口从转发表中删除。如图1 5 ( d ) 所示。 这种方法的优点是实现简单，交换机不参与组管理：其缺点是路由器 和交换机都需要配置c g m p ，而且必须相互配合一起使用，不利于对现j i 网络拓扑进行多播扩展。 l 。3 本文研究的内容 基于以上的分析，我们提出使用i g m ps n o o p i n g 的二层组播方法，它 和c g m p 的相似之处都是利用i p 组管理协议中的信息取得主机和交换i 硐络 端口之问的对应关系，将属于同一个i p 组播组的多个交换端口划分为i 司 个虚拟域。为了利用i p 纽管理协议，交换机必须能够访问i g m p 叻，议小乜 7 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 第二章以太网技术 2 1 以太网的发展简史 计算机技术与通信技术的结合促进了汁算机局域网络怕飞速发j 融。从 2 0 世纪6 0 , - t - 1 l ：水a l o h a 的出现到9 0 年代i n j1 0 0 0 m b i t s 交换式以太川 的登台亮十i ，短短的3 0 年州，计算机局域网经过了从单丁到双丁，从，e 享 到交换，从低速到高速，从简单到复杂，从昂贵到普及的飞跃。以太m n 勺 发展史是蜘i 此的诱人，以至于无数的技术骄予和名声显赫的公司揶外倒仡 她的石榴裙下。实际上整个产业界都在联结不同计算机设备的这一一概念| 二 腾飞。 以太网足从二十世纪七十年代丌始出现和发展起来的，最初恐x e r o x 公司丌发的一个实验性同轴电缆网络，采用载波侦听多路访问和冲突榆洲 技术c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sc o l l i s i o nd e t e c t ) 技术，数抛 传输率只有3 m b p s 。在1 9 8 0 年，d e c 、i n t e l 和x e r o x 公司指定了10 m b p s 以太网的1 0 版本，最初的i e e e s 0 2 3 标准基本上于这个版本保持致。1 9 8 5 年8 0 2 3 工作组出版了官方的标准- - a n s i i e e es t d 8 0 2 3 1 9 8 5 。从j j l jh , t 起， 大量的新技术被补充到这个标准中，用来支持更多的网络媒体和更高的数 据传输率。 随着信息技术的快速发展，特别是i n t e r n e t 和多媒体技术的发展， 网络数据流量迅速增加，原有的1 0 m b p s 速率的以太网已难以满足通信要 求，从而对更高速率的以太网产品提出了迫切要求。 1 9 9 3 年1 0 月，g r a n dj u n c t i o n 公司推出了世界上第一台快速以太网集 线器f a s ts w i t c h1 0 1 0 0 和网络接口卡f a s t n i cl o o ，随后i n t e l 、s y n o p t i c s 、 3 c o m 等公司办相继推出。自己韵快速以太网装置。与此同时，8 0 2 3 工程纰 9 太原理：i ：- 人学硕士l i j f 究生学位论文 发送完后要等待一段时问( 要把来回传播的最大时问和发送确认的站点竞 争信道的时问考虑在内) 以待确认，如采没有收到确认，发送站点认为发 生了冲突，就重发浚帧。 在c s m a 机制中，当发现；! ! i ! 体忙时，需要一个算法来决定站j _ 该怎么 办。常用的算法足：p 峰持胁议。 ( 1 ) 若媒体空闲以概率p 传输，以概率( 1 一p ) 延迟一个时“u m 位。 该时间单位通常等于最大传输延迟的两倍。 ( 2 ) 若媒 本忙，继续监听直到信逆空闲，并重复筇( 1 ) 步。 ( 3 ) 若传输延迟了一个时问单位，则重复第( 1 ) 步。 2 ，2 2 载波监听多路访问冲突检测c s m a ，c d 在c s m a 巾，一旦有两个帧发生了冲突，在这晒个坏帧传输的这段时 间内，其他站点都升：能传输。如果帧比较长，相对于传播时问来沈被浪赀 掉的容量是相当可观的。如果站点在传输的时间继续监听，这种浪赞可以 减少。这就是c s m 川c d 算法对于c s m a 的改进之处，因此c s m a c d 又 叫做边说边听( l w t ) 。以下是c s m a c d 的规则： ( 1 ) 若媒体空闲，则传输；否则，转第( 2 ) 步。 ( 2 ) 若媒体忙，一直监听直到信道空闲，然后立即传输。 ( 3 ) 若在传输中监听到冲突，则发出一个短小的人为干扰( j 帅m i n g ) 信号，让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输。 ( 4 ) 发完人为干扰信号等待一段随机的时问。再次试图传输( 从第( 1 ) 步开始重复) 。 采用c s m a c d 技术后，被浪费的带宽减少为检测冲突所花赞的时j 可。 包括i e e e 8 0 2 3 局域网在内的绝大多数c s m c d 系统有一条非常重要的 原则：帧必须足够长，以使冲突能在帧传输完毕d ，j 被检删到。如果帧太短， 1 2 太原理一l ：人学硕：| _ 研究生学他论文 没办法及寸进行7 l i 突检测，c s m a c d 就与c s m a 胁议没竹仆么i 别丁。 2 2 3 二进制指数退避算法 该算法是这样的0 7 1 ：当冲突发生后，时间被分成离散的寸槽。时楷k 嫂 等于在传输媒体上来回传输的时f 刚，根据8 0 2 3 标准中| ! l ! 定的最人k 皮，时 槽长度为5 1 2 比特时间即5 1 2 “s 。第一次7 叫，突产生后，每个站量等待0 或1 个时槽后尝试重新发送。如果每个站点等待的时槽数川i 再：j ，这样它 j ；l 习- f l f 次冲突。这一次，它们会从0 、l 、2 、3 。i j 随机挑选一个数作为等待川时似 数。如果又产生第三次刊- 突( 概率为9 2 s ) ，它们将从o 2 3 1l _ | l 随机挑选 一个等待的时槽数。 一般而占，i 次冲突后，等待f l q l v l - 槽数从o 2 1 一l ；i 、随机选i l l 。似越， 如果冲突的次数达到1 0 次后，随机等待的最大时槽数固定为1 0 2 3 。和1 6 次冲突后，站点放弃传输，并报告一个错误。 2 2 48 0 2 3 标准 i e e e8 0 2 3 标准是美国电气电子工程师协会于l8 9 2f f - t 旨定的一种基于 d i x ( d e c ，i n t e r ，x e r o x 三家公司的首字母拼合而成，这就是著名的以太 网蓝皮二 = s ) 以太网的局域网标准，后被国际标准化组织( s o i ) 接收，成为 f 式的开放性的世界标准s o i i e c s 0 2 3 。今天的以太网实际上就是指符合 i e e e8 0 2 3 标准的刚络。 i e e e8 0 2 3 的核心思想是利用- 共享的公共传输媒体，以广播的方式实 现端与端之间的通信。经过近2 0 年的发展，以太网技术得到了快速的发展， 其标准和产品不断更新和扩展。以太网的标准及其主要技术性能如表2 1 所示p 1 。 太原理+ j ：大学硕： ：研究生学位论文 表2 一ii e e e8 0 2 3 标准一览表 t a b l e2 1i e e e8 0 2 。3s t a n d a r dt a b l e 时间技术牛：! i ：性标准传输；【! i l 体信号编码 1 9 8 2 年 l o b a s e - 58 0 2 3粗缆曼彻斯特编码 1 9 8 5 年i o b a s e 一28 0 2 3 a细缆曼彻斯特编码 1 9 9 0 t f 1 0 b a s e - t8 0 2 3 i3 类以上烈绞线曼彻斯特编码 1 9 9 3 年l o b a s c - f8 0 2 3 j光纤曼彻j 昕特编i 5 1 0 0 9 a s 0 一t x5 类以上双绞线 1 9 9 5 1 f l o o b a s e t 48 0 2 3 u3 类以上烈绞线4 b 5 b 编“马 1 0 0 b a s c f x光纤 1 9 9 7 f i !全舣c 以太网 8 0 2 3 x 1 0 0 0 b a s e s x多模光纤 1 9 9 8 证1 0 0 0 b a s e l x8 0 2 3 z光纤8 b l o b 编码 l0 0 0 b a s e c x屏敲短舣绞线 1 9 9 9 年1 0 0 0 b a s e - t8 0 2 3 a b5 类以上双绞线8 b l o b 编码 1 e e e8 0 2 3 标准的帧结构如图2 一l 所示。每帧以7 个字节的前导字段 开头。每个字节的内容为1 0 1 0 1 0 1 0 。该字段经过曼彻斯特编码会产生 i o m h z 、持续5 6 t a s 的方波，从而使接受方与发送发的时钟同步。随后足帧 起始定界符，它是一个1 0 1 0 1 0 1l 的序列，表示帧本身的开始。帧还包括了 g g n 址, n 目的地址，它可能是一个普通地址、组地址或者广播地址。 黜数南最垂釜盘益釜鲨曲 ，u _ _ _ - _ r 。1 1 1 一 i i 前导l 帧起始定羿符| 日的地址i 源地址l 长度ll l co a t “ 坑克 f c 5 i l _ _ _ _ - _ - - - - _ 。 图2 1i e e e8 0 2 3 帧格式 f i g u r e2 - ii e e e8 0 2 3f r a r n ep a t t e r n 长度字段指明数据字段中的字段数，其值为0 1 5 0 0 。注意，长度为0 1 4 太原理j r 人学硕一| - 研究生学何论文 是合法的，这样带来些麻烦，当收发器检测到冲突寸，就将当测唤f 由c 余 部分丢弃，这样钱余帧会一直出现在电缆上。为了便于i k 别有效，呲平北余 帧，8 0 2 3 舰定有效帧从日的地址到帧枪验序列字段的最短k 皮为6 4 个；： ：社。如梨帧的数据；l | ；分少于6 4 个字节，就使用填充! ：段以达到婴求的最蛳 长度。帧检验序列( f c s ) 是一个3 2 位的循环冗余码，除了帧前导、起 始定界符和帧检验序列外的所有字段产生。 2 。3 共享式以太网和交换式以太网 不论是1 0 b a s e 一5 ，1 0 b a s e 一2 ，还是1 0 b a s e t 网络系统，都足一j ：| | l 共享式以太网系统。在整个系统中，受到c s m a ，c d 媒体访问控制叻，议的 制约，整个网络山网卡( 站) 、集线器或中继器、传输媒体三个部分组成， 整个系统的带宽是1 0 m b ，s ，所有网站处于同一个冲突域q 1 ，。在此范围t | 1 ， 当网络运行州，每个网站都可能向媒体上发送帧，那么每个j 叫站1 1 i 川媒仆 的概率就是l 1 1 ( n 为网站数) 。在一个冲突域中网站数量越多，则每个i 棚站 得到的带宽就越少。共享式以太网受到c s m c d 的制约后，所有的阔站 都在争用媒体，共同分割带宽，所以称为共享式以太网。 由于这些问题的存在，直接限制了网络的覆盖范圈影响了刚络资源 的使用效率。因此，出现了交换式以太网。 交换式以太网系统是用网络交换机连接的多个以太网系统。以太网交 换机是该系统的核心设备，用于连接网络中的网站或网段。以太网交换机 的工作方式有以下三个特点： 它能自动转接发送各个通路上传输的信息，可同时提供多条数据 传输的路径，使整个网络的吞吐量显著提高。 采用先进的转发技术，尽量减少信息的延迟时州，使一台交换机 的转发速度接近线速”。 1 5 太原理：l 二人学硕士研究生学位论文 可以分割网段。扩展网络半径以提高网络的性能。 在交换机的各个端口之问，帧的输入和输出已不再受到c s m 人，c d 媒 体访问控制1 办议的限制。山于每个端口都能形成自己的传输通道，凶此不 存在争用信道的现象，所以也不存在冲突现象。 在以太网交换机中，不同端口的数据传输可以并行地发型! 。两个端| | 之间的一次连接称之为虚拟连接。信息包从螈站点发到日的站点之后，虚 拟连接就告结束。在一台交换机c i - 维护一张m a c 地址表，浚表将与之十迹 的端口的地址关l 朕起来。枉图2 2 巾站点a 和站点b 分j 川将信息包发 往站点d 和站点c ，网络交换机查看连接表知道站点a 与端l l 捌连，站 点d 与端口4 干日连，因此网络交换机就能建立起从端口1 到端1 4n ，j 虚拟 连接。同理建立端l 二l2 和端口3 的虚拟连接，从而成功地完成了从站点人 到站点d ，站点b 到站点c 的数据传输。 步 步骤4 6 ：站点b 向站点c 发送信息包 ( 与步骤l 3 并行进 d 图2 2 以太网交换原理 f i g u r c2 - 2e x c h a n 铲p r i n c j p l eo f e t h e r n e t 综上所述，交换式以太网系统比共享式以太网系统有如下优点： 每个端口上可以连接一个站点，也可以连接一个网段站点和网 1 6 太原理j ：火学硕士研究生学能论文 段均占相同的带宽。 系统的最大；特宽可以达到端i 带宽的1 1 亿，1 引】1 1 为女* iji 数。j 1 越大，系统能达到的带宽越高。 交换机连接了多个网段，网段上运作都是独立的，被隔禹的。似 是需要的话，两个网段之州可以通过其端n 建立临时的数抓通 道。 被交换机隔离的独立网段上数据流信息玎i 会向其他端叫，卜广摘， 提高了数据安全性。 若端口支持全双工传输方式，则端1 上媒体段的长度刁i 受 c s m c d 制约，可以延仲距离。若端口上j 支持半双：j ：传输方 式，则交换机的作用是连接网段( 即是连接冲突域) 扩展网络的 覆盖半径。 当交换式以太网技术和应用发展到一定阶段后，不仅要求整个系统的 带宽要达到定高度，而且还要求控个系统的覆盖范田也有一定的保征， 特别在l o o m b ，s 及l g b ，s 以太网环境中，在剐光缆媒体的情况下，若雨使 用受到c s m a ，c d 约束的半双工技术和产品的话，则覆盖范田的问题尤为 突出。 由此，全双工以太网技术出现了。它与传统半双工以太网技术n 勺区别 在于，端口问两对双绞线( 或两根光纤) 上可以同时接收和发送帧，不再 受到c s m a ，c d 限制，在端口上发送帧时不再会发生帧的7 q r 突，且已无冲 突域的存在。这样。端口之问媒体的长度仅仅受到数字信号在媒体上传输 衰减的影响，而不像传统以太网半双工传输时还要受到冲突域的约束。 出于传输媒体的特性，采用双绞线媒体的以太网，采用了全双工技术 以后，只能拓宽网络的带宽；采用光纤媒体的以太网，采用了仝烈t 技术， 当传输率超过1 0 0 m b ，s ，既能拓宽网络的带宽，又能延长网络的传输距离。 17 太原理：l ：人学顶七研究生学位论文 存储转发：通过对例络帧的读取进行验锚和控制。 d p 俐方法的交换速度非常怏，但缺乏埘网络l 坎进行亚高级的控制， 缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有刁i 同速率的端 m 0 交换。后一 利t 技术 ：j 到，“泛应j 1 j 。 3 信元交换 a t m 技术代表了网络和通讯技术发展的未来力。也是解决l ji 训t 4 通信。1 1 众多难题的一剂“良药”，a t m 采f l j 固定艮皮5 3 个字h 的 ：i 冗交掀。 山于k ：度匿【定，因而便于斤j 硬件实现。a t m 采川专j f j f | ，j ：m 差别连接，f ：行 运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影l 晌每个节点之 问的通信能力。a t m 还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟锰接，以 保障足够的带宽和容错能力。a t m 采用了统计时分电路进彳亍复川，l 划而能 大大提商通道的利用率。a t m 的带宽可以达到2 5 m 、1 5 5 m 、6 2 2 m 甚至数 g b 的传输能力。 按交换层次分_ 以太网交换帆有三科类型： 单纯的根掘m a c 地址进行二层交换。它是工作曲10 s l 筇二：层的， 可以理觯为一个多端口的网桥。 在二层交换的基础上增加一些三层的功能。这是目莳使用较多的模 式，交换技术已经延伸到o s i 第三层的部分功能，利用笫三层的信息建立 和动态维护m a c 地址，并直接利用它们进行通信，这种功能的顺利实现得 力于专川集成电路a s i c ( a p p l i c a i o n s p e c j n ci n 【c g r a c c dc i r c u i l ) 的加入， 传统的有软机处理的指令被改为a s i c 芯片的嵌入式指令，从而加速了对包 的转发和过滤，使得高速下的线性转发和服务质量酃有了可靠的垛征。 实现三层交换。交换机在支持的三层功能中包含了i p 路山，就可 以实现三层交换，完全可以替代价格昂贵、带宽有限的路山器同时交现 高速路山转发，这是目前路山器和交换机发展的方向。三层交换机“天然 1 9 太原理j ：_ 人学硕士研究生学位论文 的”在i p 层j 二支持i p 组播，不需要添加其他附属协议。 2 5 本章小节 本章介纠了c s m a c d 平| | i e e e8 0 2 3 标珂i ；，以及刈j l 事式以太刚和变 换式以太斛进行了比较，这足做该项研究的j 1 ； i ：咿| i 论。最后介 “了以爪 刷交换机的交换技术和分类。 本课题研究的以太网交换方式川i 属于其r 扣谈到按交换层次分的第二i 种 类型：存二二层变换的蛳u 二增加一砦三层的功能。 山于我们研究需要利用i p 组管理协议i g m f ，交换机必须能够访问i ( ： 协议中包含的信息，以取得对应组播组的成员信息，而i g m ) 属于第三层n 0 协议，如果只能访问二层协议的数掘包，交换机无法区分i g m p 信息和难常 的组播数掘，因此对于其第一种类型：单纯的根据m a c 地j ：i 】= 进行二层变换， 不能实现我们的要求。 而对于第三种类型：实现三层交换。三层交换机可以直接利用i p 纽播 体系中的组成员管理协议i g m p 实现动态组的加入和离开和i p 组播路i l j 可 以自然结合，是i p 层上的组播。这种方式对交换机要求提供三层交换和路 由的功能。这种组播实现方式中的网络结构采用组插路由协议和i p 组橘成 员管理协议。与路山模块相结合，三层交换机相当于一个多端口的高性能 路出器，可以直接从i p 组播成员管理协议中取到组播组信息，“天然的” 支持i p 组挢，不需要添加其他附属协议。 2 0 太原理：l ：大学顸：l ：t i j l | ：究生学位论文 3 1v l a n 的定义 第三章v l a n 技术 所州虚拟局域涮【8 i ( v i r t u a ll o c a la r e a n e t w o k s 【l | jv i 。a n ) 魁拊m ! * l i i 的站点不拘泥于所处的物理位置，叮咀根捌需要灵活的：l j i l 入刁i 川的逻4 ： 网中的一种网络技术。 3 2v l a n 技术和优点 虚拟网技术的出现和l a n 交换技术分7 4 = 9 1 - ，而交换l a n 技术是川剥 于共享l a n 披术而吉的。为了更好地理解l a n 技术，需要理解下瑚阿个 术语： 冲突域在以太网中，如果某个c d m a c d 刚络上的2 台一k f l j ：, i 同时通信时可能发生冲突，那么这个c d m a c d 网络就是一个冲突域。殳l 果2 台工作站被交换设备分割，它们就不在一个冲突域了( 如图3 1 ) 。 一个冲突域 因3 一i 冲突域示意图 f i g u r e3 - - 2c o n f l i c tf i e l ds k e t c hm a p t t u b 所连接的l a n 只做信号的中继，所以上述穆i 有的物理设备构成 一个冲突域。 2 i 太原理i ：人学硕十训f 究生学化论文 广播域当局域网上任何1 能接收到j 。播的区域，称为广捅域。 一广插域。 台工作站向网上发送广播信息时，儿 该区域一| i 所以服务然硐l r i f l j l j 处d 一瓢 ( ) _ j )j 、一，7 【 、一j 。j i | i 突域 i冲突域 、r 一_ ：_ 、) 1 | 1 究战， 、芝兰： 。7 二么一一 而说交换机不具有分隔广播域的意思是，交换机只能识别物= 9 l i l i i ：， 如果帧中的物理地址是广播地址或组播地址的话，交换机是会毫无例外地 放行的，所以说交换机建立了多个冲突域，而仍处1 i 个火的f 一插域h v l a n 在逻辑上等价于广播域。可以将v l a n 类比成一纽最终用户的 集合，这些用户可以处在不同的物理l a n 上，但他们之问可以像在同一个 l a n 上那样自山通信而不受物理位置的限制。在这避，网络的定义和划分 与物理位旨及物理连接没有任何必然的联系。刚络管理员可以根掘刁i 闸“i l l l # 要，通过相应的网络软件灵活地建立和配置虚拟网，并为每个虚拟h 分眦 它所需要的带宽。v l a n 具有以下优点： 在l a n 互联结构c 1 ，v l a n 可以降低移动或变更一i 作站物埋位 置的赞刚，网络管理员可以从逻辑上重新配置网络，迅速、简m 、 有效地平撕负载流量，轻松自如地增加、删除和修改几j ，、j f i l l ( 必从物理上调整网络配置。 设鼢v i 。a n 的日的之。是为了控制存l a n 段之问f i j “播通f i ， 太原理一：人学硕十研究生学位论文 带有i e e e8 0 2 ，1 q 帧头的以太网帧格式如图3 3 所示。这4 个姗0 【e e e8 0 2 1 q 帧头包含了2 个字节的标签协议标i ( r i i i d j 1 1 a gp n l t 姒1 i i d c n l i 矗e r 它的值足8 l o o ) ，承12 个字节的标签控制信息( 1 i j l i a gc o n 【1 0 l i n f o r m a “o n ) 。t c i h 包含1 2 个比特n 勺v l a n 怕：志村( v l a ni d ) ，1 个比 特的j ；! i ! 范格式指示器( c f i ) 卸3 个比特的用户优先级域( m o l 。i i y ) 。 l8 0 2 1 ql c k l 门的地王i f = 洲龇旒莩割刿科 数拼r ： l1 l p l l )t c i l1 6 b il p r i o r i t y c f l v l ni d l ( 3b i t )( 1b i t ：( 1 2b “) 图3 3 带有i e e e8 0 2 1 q 帧头的以太网帧 i ? i g u l c3 3e 1 1 1 c r l l c if i _ a m ew i i l li i = 巨e8 0 2 qi ? r a l n cli c a 【1 其中： t p i d ：是i e e e 定义的新的类型，表明这是一个加了i e e e8 0 2 1 q 标签 的帧。 p r j o r n y ：这3 位指明帧的优先级。一共有8 种优先级，主要用于当交 换机阻塞时，优先发送哪个数据包。 c a n o n i c a lf o r m a ti n d i c a t o r ( c f i ) ：这一位主要用于总线型的以太m 与 f d d i 、令牌环网交换数据时的帧格式。 v l a nl d e n t m e r ( v l a ni d ) ：这是一个1 2 位的域，指明v l a nn 0l d ， 一共4 0 9 6 个，每个支持i e e e8 0 2 1 q 标准的主机发送出来的数据包都会包 含这个域以指明白己属于咖5 一个v l a