以太网交换机结构和原理.ppt

http 客户技术服务部门 FL 004以太网交换机结构及原理 汇报内容 交换机原理及硬件结构 概述 1993年 局域网交换设备出现 1994年 国内掀起了交换网络技术的热潮 其实 交换技术是一个具有简化 低价 高性能和高端口密集特点的交换产品 体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作 与桥接器一样 交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发 而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息 与桥接器不同的是交换机转发延迟很小 操作接近单个局域网性能 远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能 交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整 以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题 现在已有以太网 快速以太网 FDDI和ATM技术的交换产品 类似传统的桥接器 交换机提供了许多网络互联功能 交换机能经济地将网络分成小的冲突网域 为每个工作站提供更高的带宽 协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中 交换机使用现有的电缆 中继器 集线器和工作站的网卡 不必作高层的硬件升级 交换机对工作站是透明的 这样管理开销低廉 简化了网络节点的增加 移动和网络变化的操作 利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息 提供了比传统桥接器高得多的操作性能 如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包 可提供14880bps的传输速率 这意味着一台具有12个端口 支持6道并行数据流的 线路速率 以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率 6道信息流 14880bps 道信息流 专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行 其端口造价低于传统型桥接器 交换架构的演进 随着Internet用户的增加和带宽的扩大 交换机的结构也在不断的发展 从推出的时间看 交换架构主要经历了总线型和CrossBar两个阶段 但由于以太网技术的发展日进千里 因此这两种架构的交换机目前都活跃在市场上 总线型交换架构基于总线结构的交换机一般分为共享总线和共享内存型总线两大类 共享内存结构的交换机使用大量的高速RAM来存储输入数据 同时依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接 由核心引擎检查每个输入包以决定路由 这类交换机设计上比较容易实现 但在交换容量扩展到一定程度时 内存操作会产生延迟 另外 在这种设计中 由于总线互连的问题增加冗余交换 引擎相对比较复杂 所以这种交换机如果提供双引擎的话 要做到非常稳定相对比较困难 所以我们可以看到 早期在市场上推出的核心交换机往往都是单引擎 尤其是随着交换机端口的增加 由于需要内存容量更大 速度也更快 中央内存的价格变得很高 交换引擎会成为性能实现的瓶颈 交换架构的演进 CrossBar 共享内存架构CrossBar 即CrossPoint 被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵 它能很好的弥补共享内存模式的一些不足 首先 CrossBar实现相对简单 共享交换架构中的线路卡到交换结构的物理连接简化为点到点连接 实现起来更加方便 从而更容易保证大容量交换机的稳定性 其次 CrossBar内部无阻塞 只要同时闭合多个交叉节点 crosspoint 多个不同的端口就可以同时传输数据 从这个意义上 我们认为所有的CrossBar在内部是无阻塞的 因为它可以支持所有端口同时线速交换数据 另外 由于其简单的实现原理和无阻塞的交换结构使其可以运行在非常高的速率上 半导体厂商目前已经可以用传统CMOS技术制造出10Gbit s以上速率的点对点串行收发芯片 但这种结构依然会存在业务板总线和交换网板的CrossBar互连问题 由于业务板总线上的数据都是标准的以太网帧 而一般CrossBar都采用信元交换的模式来体现CrossBar的效率和性能 因此在业务板上采用的共享总线的结构 在一定程度上影响CrossBar的效率 整机性能完全受限于交换网板CrossBar的性能 交换架构的演进 分布式CrossBar架构核心交换机的交换容量现已发展到了几百个Gbps 同时支持多个万兆接口并规模应用在城域网骨干和园区网核心 分布式的CrossBar架构很好地解决了在新的应用环境下核心交换机所面临的高性能和灵活性的挑战 也就是说 除了交换网板采用了CrossBar架构之外 在每个业务板上也采用了CrossBar 交换芯片的架构 在业务板上加交换芯片可以很好地解决了本地交换的问题 而在业务板交换芯片和交换网板之间的CrossBar芯片解决了把业务板的业务数据信元化问题 从而提高了交换效率 并且使得业务板的数据类型和交换网板的信元成为两个平面 也就是说可以有非常丰富的业务板 比如可以把防火墙 IDS系统 路由器 内容交换 IPv6等等类型的业务整合到核心交换平台上 从而大大提高了核心交换机的业务扩充能力 同时 这个CrossBar有相应的高速接口 分别连接到两个主控板或者交换网板 从而大大提高了双主控主备切换的速度 交换机的内存 交换机与计算机有相似点是 它也有内存 操作系统 配置和用户界面 Cisco交换机中 操作系统叫做互连网操作系统 InternetOperatingSystem 或IOS 下面介绍交换机的存储器 ROM 只读存储器 包含路由器正在使用的IOS的一份副本 RAM 随机访问存储器 IOS将随机访问存储器分成共享和主存 主要用来存储运行中的交换机配置 FLASH 闪存 用来存储IOS软件映像文件 闪存是可以擦除内存 它能够用IOS的新版本覆写 NVRAM 非易失性随机访问存储器 用来存储系统的配置文件 交换机的IOS升级主要是闪存中的IOS映像文件进行更换 以太网连接需求 以太网连接必须保证网络的性能网络带宽网络时延以太网的性能需求主要取决于不同的应用电子邮件文件传输实时语音 视频网络性能取决于许多不同的因素 其中一个重要因素就是用来连接设备的线缆的类型 解决以太网连接带宽问题 为用户增加带宽的几种方法 增加网络的总体带宽组建交换式以太网 带宽独享增加链路速率 10M 100M 1000M 10000M减少在同一共享介质线缆段上的设备数量减少用户 标准以太网 标准以太网 10Mbit s 的网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 最终用户和接入层交换机之间的连接 核心层 通常不使用 通常不使用 快速以太网 快速以太网 100Mbit s 的网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 为高性能的PC机和工作站提供100Mbit s的接入 核心层 提供接入层和汇聚层的连接 提供汇聚层到核心层的连接 提供高速服务器的连接 提供交换设备间的连接 快速以太网传输距离 技术标准 线缆类型 100BaseTX 100BaseT4 EIA TIA5类 UTP 非屏蔽双绞线2对 100BaseFX EIA TIA3 4 5类 UTP 非屏蔽双绞线4对 多模光纤 MMF 线缆 传输距离 100m 100m 550m 2km 2km 15km 单模光纤 SMF 线缆 千兆以太网 千兆 1000Mbit s 以太网网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 一般不使用 核心层 提供接入层和汇聚层设备间的高速连接 提供汇聚层和高速服务器的高速连接 提供核心设备间的高速互联 千兆以太网传输距离 技术标准 线缆类型 1000BaseT 1000BaseCX 铜质EIA TIA5类 UTP 非屏蔽双绞线4对 1000BaseSX 铜质屏蔽双绞线 多模光纤 50 62 5um光纤 使用波长为850nm的激光 传输距离 100m 25m 550m 275m 2km 15km 单模光纤 9um光纤 使用波长为1310nm的激光 1000BaseLX 万兆以太网 万兆 10000Mbit s 以太网网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 不使用 核心层 提供核心层和汇聚层设备间的高速连接 提供核心设备间的高速互联 万兆以太网传输距离 技术标准 线缆类型 10GBaseCX4 10GBase S 4对铜轴电缆 10GBase L 单模光纤 50 62 5um光纤 使用波长为1310nm的激光 传输距离 15m 300m 10km 40km 单模光纤 9um光纤 使用波长为1550nm的激光 10GBase E 多模光纤 50 62 5um光纤 使用波长为850nm的激光 自协商 10Mb s半双工 10Mb s全双工 10Mb s自协商 100Mb s自协商 100Mb s全双工 端口1自动协商 端口2自动协商 端口3自动协商 端口4自动协商 端口5自动协商 自协商基本页信息 0 0 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 MessageTypeEthernet 00001 Reserved 10BASE T半双工 10BASE T全双工 100BASE TX半双工 100BASE TX全双工 100BASE T4 流控支持 远程故障指示 确认 下一页指示 自协商信号 约2ms 约100ns 约62 5 s 时钟 数据位0 时钟 数据位1 数据位13 时钟 数据位14 时钟 整个报文按16ms间隔重复 直到自协商完成 与没有自协商机制的设备连接 不使用自协商机制会出现以下情况 无法实现端口的10 100M速率自适应无法确定双工工作模式无法确定是否需要流量控制功能 自协商优先级 优先级顺序 工作方式 A B C D E 100BASE TX 100BASE TX全双工 100BASE T4 10BASE T全双工 10BASE T 光纤上的自协商 对光纤以太网而言 得出的结论是 缺省情况下 百兆 千兆和万兆以太网光端口均工作在全双工模式下 不需用户对其进行配置 百兆 千兆和万兆以太网光端口的速率不需用户进行设置 智能MDI MDIX 不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆 普通 交叉 都可连接交换机 集线器或NIC设备消除由于电缆配错引起的连接错误简化10 100M网络安装维护 降低开销 ReceivePair TransmitPair TransmitPair ReceivePair TransmitPair ReceivePair 交叉网线 直连网线 ReceivePair TransmitPair 流量控制 当通过交换机一个端口的流量过大 超过了它的处理能力时 就会发生端口阻塞 流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧 在半双工方式下 流量控制是通过背压式流控 backpressure 技术实现的 模拟产生碰撞 使得信息源降低发送速度 在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE802 3x标准 半双工流量控制 backpressure 假装有冲突了 这样你就不会发个不停了 全双工流量控制 IEEE802 3x标准定义了一种新方法 在全双工环境中去实现流量控制 交换机产生一个PAUSE帧 PAUSE帧使用一个保留的组播地址 01 80 C2 00 00 01 将它发送给正在发送的站 发送站接收到该帧后 就会暂停或停止发送 PAUSE帧利用了一个保留的组播地址 它不会被网桥和交换机所转发 这样 PAUSE帧不会产生附加信息量 全双工流量控制 PAUSE功能的应用场合 一对终端 简单的两点网络 一个交换机和一个终端交换机和交换机之间的链路PAUSE功能不解决下列问题 稳定状态的网络拥塞端到端流量控制比简单 停 启 更复杂的机制 端口汇聚定义 端口汇聚 LinkAggregation 也称为端口捆绑 端口聚集或链路聚集 为交换机提供了端口捆绑的技术 允许两个交换机之间通过两个或多个端口并行连接同时传输数据以提供更高的带宽 端口汇聚是目前许多交换机支持的一个基本特性 端口汇聚模型 聚合链路 AggregatedLinks Port1 Port2 Port3 Portn 帧分发器 发送队列 发送部分 Higher layerProtocols Port1 Port2 Port3 Portn 帧接收器 接受队列 接受部分 Higher layerProtocols 端口发送队列 端口接收队列 SystemA SystemB 2 100Mb s 2 1000Mb s 端口汇聚应用 100Mb s 100Mb s 100Mb s 100Mb s 10Mb s 10Mb s 10Mb s 10Mb s 1000Mb s ServerB ServerC ServerA ServerD 2 1000Mb s 2 100Mb s 2 100Mb s 4 100Mb s 局域网交换技术 Hub 冲突域 Switch 冲突域1 冲突域2 LANSwitch逻辑模型 LANSwitch转发逻辑 MAC地址表 MAC地址 端口号 学习逻辑 学习逻辑 过滤 转发逻辑 接口 接口 LANSwitch输入输出接口 上行接口 LANSwitch LANSwitch 10Base T链路 100Base Fx全双工链路 接入接口 现代局域网模型 外部网络 三层交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 交换机 上述原则中存在三处严重的错误 你知道是什么吗 二层交换机原理 接收网段上的所有数据帧 利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表 源地址自学习 使用地址老化机制进行地址表维护 在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址 如果找到就将该数据帧发送到相应的端口 如果找不到 就向所有的端口发送 除接收帧的端口 向所有端口转发广播帧和多播帧 1 接收网段上的所有数据帧 2 利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表 源地址自学习 使用地址老化机制进行地址表维护 3 在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址 如果找到就将该数据帧发送到相应的端口 不包括源端口 如果找不到 就向所有的端口发送 不包括源端口 4 向所有端口转发广播帧和多播帧 不包括源端口 正确答案 你知道为什么有这样的限制吗 不仅仅是没有必要的问题 而是一定不能再发送 因为这样一个报文会在网段中出现两次 造成严重错误 从这个端口接收的报文 肯定被这个端口所在的网段已知 所以没有必要从这个端口再发送一遍 正确答案 三种交换模式 Cut Through 交换机接收到目的地址即开始转发过程延迟小交换机不检测错误Store and Forward 交换机将全部内容接收才开始转发过程延迟大交换机检测错误 不会有错包Frag free 交换机接收完数据包的前64字节 一个最短帧长度 然后根据头信息查表转发 结合了直通方式和存储转发方式的优点 三层交换机中的路由和二层交换 二层交换引擎 实现同一网段内的快速二层