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交换机原理 泉州移动分公司金鹏 培训对象 负责数据网维护人员初级培训 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 以太网设计目标简单有效地使用共享资源容易配置和维护兼容性强低成本 以太网演变 IEEE802协议族体系 Ethernet 802 1Internetworking802 2LogicalLinkControl LLC 802 3CSMA CD802 4TokenBus802 5TokenRing802 6MetropolitanAreaNetworks 802 7BroadbandTechAdvisoryGroup802 8FiberOpticTechAdvisoryGroup802 9IntegratedVoice DataNetworks802 10NetworkSecurity802 11WirelessNetworks802 12DemandPriorityAccessLAN s 以太网v2帧结构 前同步符号 帧校验和 FCS 源MAC地址 目的MAC地址 类型 承载协议 最大帧长度 1518字节最小帧长度 64bytes 以太网类型 TypeCode0800Hex IP IEEE802 3帧 Novell以太网 长度 数据域的长度 关键特征 IPX头通常以FFFF开始 前同步符号 目的MAC地址 源MAC地址 帧校验和 FCS 最大帧长度 1518字节最小帧长度 64bytes 带有802 2逻辑链路控制 LLC 的IEEE802 3帧 长度 Data43 1497 8 6 6 2 4 1 1 1 DSAP目的服务访问点 SSAP源服务访问点 控制字段 LLC 前同步符号 目的MAC地址 源MAC地址 帧校验和 FCS 最大帧长度 1518字节最小帧长度 64bytes IEEE802 3子网访问协议 以太网SNAP 关键特征 DSAP和SSAP设为AA 表示一个SNAP帧头 FCS DSAP SSAP 控制字段 SNAP LLC Data38 1493 8 6 6 2 4 1 1 1 3 2 OUI 类型 AAAA 最大帧长度 1518字节最小帧长度 64bytes 前同步符号 目的MAC地址 源MAC地址 长度 w Data38 1493 8 6 6 2 4 1 1 1 3 2 Data43 1497 8 6 6 2 4 1 1 1 Ethernet2 IEEE802 3NovellRaw IEEE802 3Standard IEEE802 3SNAP Type Length Length Length FFFF AAAA 如何判断以太网帧类型 开始 查看源地址后的两个字节值 如果值大于1500 16进制05DC 再查看下2个字节 值是否为FFFF 16进制 值是否为AAAA 16进制 EthernetVersion2frame DIX IEEE802 3NovellRAWframe IEEE802 3SNAPframe IEEE802 3standardframe withLLC Yes Yes Yes No No No 以太网命名规范 基带传输 速度 单位Mbps 物理介质 Base 10Mbps 非屏蔽双绞线 UTP 10BaseT 100BaseTx 100Mbit s 10BaseF 光纤 CAT5 UTP 以太网标准 半双工和全双工以太网操作 Hub NIC NIC NIC NIC 2 PairCable ReceivePair TransmitPair Transmit Receive Collision Loopback 1 2 2 3 4 4 5 5 5 10BTHalf DuplexOperation 网卡发送一个帧 网卡将帧回送到自己的接收对 Hub接收到帧 Hub在内部总线上传递帧 Hub将信号从每个设备的接收对送出 半双工和全双工以太网操作 Full DuplexNIC Full DuplexNIC Receive Transmit Receive Transmit 10BTFull DuplexOperation 不会发生碰撞 所以 时间不会浪费在重传帧上不必等其他机器发送 每个方向都有10M带宽 增加了可用的带宽 快速以太网 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 CSMA CD CS CarrierSense载波侦听没有载波被侦听到 延迟一段时间后发送数据 MA MultipleAccess多路访问广播环境每个工作站可以听到每个数据帧CD CollisionDetection冲突检测传输数据时 检测冲突 CSMA 所有设备共享 载波侦听 多路访问 源 目的 找我的 查看信息 不是找我 忽略 9 6microseconds 不是找我 忽略 不是找我 忽略 CD 冲突检测 冲突发生 等待 重发 随机 随机 数据被破坏 冲突域 广播 广播帧使用FF FF FF FF FF FF地址 以太网天性就是广播网络广播机制被频繁使用如ARP协议 AddressResolutionProtocol一个广播域就是所有设备都会看到一个广播帧 冲突域和广播域 CD 冲突域 CD BD CD BD CD BD 网段A 网段A Layer1device Layer2device Layer3device BD 广播域 网段A 网段A 网段B 网段B 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 以太网分段 局域网分段的益处透明桥使用路由器分段使用交换机分段 局域网分段的益处 超越距离限制通过减少或消除碰撞加快反应速度和增加吞吐量通过降低广播风暴和组播的影响加快反应速度和增加吞吐量增加每个用户的可用带宽限制到不同局域网段的流量 透明桥 透明桥的三个关键功能通过检查接收到的帧的源MAC地址学习MAC地址 根据MAC地址决定何时转发一个帧 何时过滤掉一个帧 和其他桥一起通过生成树协议创建一个没有环路的环境 透明桥 单个以太网段 0200 3333 3333 WebServer NameServer 0200 2222 2222 0200 1111 1111 1 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP DNS 2 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 ARP 3 DMAC 0200 2222 2222SMAC 0200 1111 1111 DNSRequest 4 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 DNSReply 5 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP Web 6 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 3333 3333 ARP 7 DMAC 0200 3333 3333SMAC 0200 1111 1111 ConnecttoWeb 透明桥 0200 3333 3333 WebServer NameServer 0200 2222 2222 0200 1111 1111 1 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP DNS 0200 1111 1111E0 E0 E1 AddressTableAfterStep1 2 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 ARP 0200 1111 1111E00200 2222 2222E1 AddressTableAfterStep2 3 DMAC 0200 2222 2222SMAC 0200 1111 1111 DNSRequest 0200 1111 1111E00200 2222 2222E1 AddressTableAfterStep3 4 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 DNSReply 5 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP Web 6 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 3333 3333 ARP 0200 1111 1111E00200 2222 2222E10200 3333 3333E1 AddressTableAfterStep2 7 DMAC 0200 3333 3333SMAC 0200 1111 1111 ConnecttoWeb 透明桥 透明桥的一些功能广播和组播能够被桥转发透明桥根据第二层的头和逻辑地址转发和第三层无关存储 转发 Store and Forward 是透明桥的典型操作透明桥必须对帧进行处理 所以也增加了时延 透明桥 透明桥能够提供的好处因为每段都能达到以太网的最大长度 所以超越以太网的距离限制通过桥对帧的过滤减少了碰撞桥不能降低广播 组播的影响每一段分别运行在10或100Mbps代替了整个段运行在10或100Mbps 增加了可用带宽可以在桥上对帧进行限制和过滤 使用路由器分段 0200 3333 3333 WebServer NameServer 0200 2222 2222 0200 1111 1111 1 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP Router E0 E0 E1 Notes Addressesofframeonleft sideEthernet 2 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 4444 4444 ARP 3 DMAC 0200 4444 4444SMAC 0200 1111 1111 DNSRequest 4 DNSReply 5 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP Web 6 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 3333 3333 ARP 7 DMAC 0200 3333 3333SMAC 0200 1111 1111 ConnecttoWeb 0200 4444 4444 0200 5555 5555 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 4444 4444 使用路由器分段 使用路由器分段的功能广播和组播帧不被路由器转发 默认 路由器使用第三层头和逻辑地址交换包 是第三层协议相关的路由器通常使用存储 转发 同样增加时延路由器转发一个包前要进行很多处理 这些也要增加时延 使用路由器分段 使用路由器分段的益处超越了距离限制同一段的流量不被转发 减少了碰撞路由器不转发广播 组播 默认 降低了广播 组播的影响路由器提供了更好的可管理性 路由器可以提供对于包更详细的内容路由器提供比透明桥更多的功能 比如包的分片和重组 插入包的生存时间控制额外的处理同样比透明桥引入了更多的时延 使用交换机分段 0200 3333 3333 WebServer NameServer 0200 2222 2222 0200 1111 1111 1 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP DNS 0200 1111 1111E0 E0 E1 AddressTableAfterStep1 2 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 ARP 0200 1111 1111E00200 2222 2222E2 AddressTableAfterStep2 3 DMAC 0200 2222 2222SMAC 0200 1111 1111 DNSRequest 0200 1111 1111E00200 2222 2222E2 4 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 2222 2222 DNSReply 5 DMAC FFFF FFFF FFFFSMAC 0200 1111 1111 ARP Web 6 DMAC 0200 1111 1111SMAC 0200 3333 3333 ARP 0200 1111 1111E00200 2222 2222E20200 3333 3333E1 AddressTableAfterStep2 7 DMAC 0200 3333 3333SMAC 0200 1111 1111 ConnecttoWeb E2 使用交换机分段 在交换机中同时传送帧 a b c d 使用交换机分段 Full Duplex a b c 使用交换机分段 使用交换机分段的功能广播和组播能够被交换机转发交换机使用第二层头和逻辑地址 与第三层无关 存储 转发和cut through是交换机典型的处理方式 cut through时延较小 但是增加了转发出错包的风险交换机必须对帧进行处理 引入了时延 使用交换机分段 使用交换机分段的益处超越了距离限制减少了碰撞 因为帧只在特定口发送交换机不能降低组播影响 但是可以通过组播协议降低组播影响因为每段分别运行在10或100Mbps增加了可用带宽可以限制用户流量可以同时转发多个帧交换机通常在硬件上进行了优化 同透明桥相比 时延较小 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 交换方式 存储转发方式 StoreandForward 存储转发式交换机是指在交换机接收到数据帧时 先存储在一个共享缓冲区中 然后进行过滤 滤掉不健全的帧和有冲突的帧 和差错校验处理 最后再将数据按目的地址发送到指定的端口 直接转发 CutThrough 直通式交换机只对接收到的数据帧的目的地址信息进行检查 然后立刻按指定的地址转发出去 而不做差错和过滤处理 无碎片直通 FragmentFreeCutThrough 碎片 是指当信息发送中突然发生冲突时 因为双方立即停止发送数据帧而在网络中产生的残缺不健全的帧 碎片是无用的信息 必须将其滤除 无碎片直通方式首先存储接收到的数据帧的部分字节 前64个字节 然后进行差错检验 如果有错 立即滤除 并要求对方重发此帧 否则认为该帧健全 并马上转发出去 直接转发转发开始点 帧校验和 FCS 源MAC地址 目的MAC地址 类型 承载协议 帧开始转发 3种交换方式比较 在三种交换方式中 存储转发方式具有最高的交换质量 但速度最慢 适用于网络主干的连接 直通方式是三种交换方式中最快的一种 但因对任何帧都不做过滤处理 所以误码率较高 适用于交换式网络的外围连接 无碎片直通方式是前两种方式的折衷 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 VLAN 一个VLAN是由一个或多个交换机创建的广播域 VLAN可以通过交换机的配置实现 也可以是通过外部的服务器同交换机通讯配置 通常可以分为基于端口的VLAN 基于协议的VLAN 基于MAC的VLAN等 通过VLAN划分广播域 基于端口的VLAN 基于协议的VLAN 基于子网的VLAN 帧Trunking Tagging协议 802 1Q协议帧结构 帧在网络通信中的变化 TRUNK和VLAN VLAN地址表 E1 E8 E10 E11 SW1 SW2 AddressTableVlan10200 1111 0001E10200 1111 0002E10 02000 1111 0001 Vlan1 Vlan2 Vlan2 Vlan1 02000 2222 0001 02000 1111 0002 02000 2222 0002 AddressTableVlan10200 2222 0001E110200 2222 0002E1 E1 E8 Trunkingport VLAN VLAN的益处使用VLAN 增加了网络的灵活性 方便增加 移动设备 强迫VLAN间进行第三层路由 加强了系统管理 分成多个广播域 降低了广播占用的带宽降低了联网设备的CPU利用率 因为减少了广播数量 目录 以太网技术冲突域和广播域以太网分段交换方式VLAN二层 三层交换机工作原理交换机重要技术参数 二层交换机工作原理 二层交换技术是发展比较成熟 二层交换机属数据链路层设备 可以识别数据包中的MAC地址信息 根据MAC地址进行转发 并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中 具体的工作流程如下 从帧头查看目的以太网地址 从交换机端口收到一个以太帧 在内部转发表中查到对用目的地址转发的端口 1 2 3 4 转发以太网帧 二层交换机工作原理 当交换机从某个端口收到一个数据包 它先读取包头中的源MAC地址 这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的 再去读取包头中的目的MAC地址 并在地址表中查找相应的端口如表中有与这目的MAC地址对应的端口 把数据包直接复制到这端口上如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上 当目的机器对源机器回应时 交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应 在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了 二层交换机主要性能参数 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 M 那么这交换机就可以实现线速交换 学习端口连接的机器的MAC地址 写入地址表 地址表的大小 一般两种表示方式 一为BEFFERRAM 一为MAC表项数值 地址表大小影响交换机的接入容量 还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC ApplicationspecificIntegratedCircuit 芯片 因此转发速度可以做到非常快 由于各个厂家采用ASIC不同 直接影响产品性能 三层交换机工作原理 比如A要给B发送数据 已知目的IP 那么A就用子网掩码取得网络地址 判断目的IP是否与自己在同一网段 如果在同一网段 但不知道转发数据所需的MAC地址 A就发送一个ARP请求 B返回其MAC地址 A用此MAC封装数据包并发送给交换机 交换机起用二层交换模块 查找MAC地址表 将数据包转发到相应的端口 IP IP 主机A 主机B 在MAC转发表中查到对用目的地址转发的端口 同一网段 三层交换机工作原理 查找IP包头的目的地址 IP IP IP IP包进入 IP 缺省网关在路由表查找下一跳地址 并在MAC地址表建立和主机B的MAC地址的对应关系 通过一定的识