第02章 交换机原理

1、第2章 交换机原理本章主要通过讲解交换机原理来帮助大家对后面各章介绍的理解。本章主要内容：l 交换式技术发展过程l 交换机基本工作原理l 多层交换技术l 交换机和其它网络通信产品的比较2.1 交换式技术发展过程以太网交换机，英文为SWITCH，也有人翻译为开关，交换器或称交换式集线器。我们首先回顾一下局域网的发展过程。计算机技术与通信技术的结合促进了计算机局域网络的飞速发展，从六十年代末ALOHA的出现到九十年代中期1000MBPS交换式以太网的登台亮相，短短的三十年间经过了从单工到双工，从共享到交换，从低速到高速， 从简单到复杂，从昂贵到普及的飞跃。 八十年代中后期，由于通信量的急剧增加，促

2、使技术的发展，使局域网的性能越来越高，最早的1MBPS的速率已广泛地被今天的100BASET和100CGANYLAN替代，但是，传统的媒体访问方法都局限于使大量的站点共享对一个公共传输媒体的访问，即CSMA/CD。九十年代初，随着计算机性能的提高及通信量的聚增，传统局域网已经愈来愈超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。与现在基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，网络交换机能显著的增加带宽。交换技术的加入，就可以建立地理位置相对分散的网络，使局域网交换机的每个端口可平行、安全、同时的互相传输信息，而且使局域网可以高度扩充。局域网交换技术的发展要追溯到两端口

3、网桥。桥是一种存储转发设备，用来连接相似的局域网。从互联网络的结构看，桥是属于DCE级的端到端的连接；从协议层次看，桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发；与中继器在第一层、路由器在第三层的功能相似。两端口网桥几乎是和以太网同时发展的。以太网交换技术（SWITCH）是在多端口网桥的基础上与九十年代初发展起来的，实现OSI模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系，甚至被业界人士称为“许多联系在一起的网桥”，因此现在的交换式技术并不是什么新的标准，而是现有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥，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。2.2 交换机基本工

4、作原理局域网交换技术是OSI参考模型中的第二层数据链路层（Data-Link Layer）上的技术，所谓“交换”实际上就是指转发数据帧（frame）。在数据通信中，所有的交换设备（即交换机）执行两个基本的操作：l 数据帧转发：将从输入介质上收到的数据帧转发至相应的输出介质；l 地址学习过程：用以构造和维护交换地址表，以便维护交换操作。下面，我们探讨一下这两个基本操作的具体细节。2.2.1 数据帧转发交换机根据数据帧的MAC（Media Access Control）地址（即物理地址）进行数据帧的转发操作。交换机转发数据帧时，遵循以下规则：l 如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则

5、向交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）；l 如果数据帧的目的地址是单播地址，但是这个地址并不在交换机的地址表中，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）；l 如果数据帧的目的地址在交换机的地址表中，那么就根据地址表转发到相应的端口；l 如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。下面，我们以下图为例来看看具体的数据帧交换过程。图21 数据帧转发过程当主机D发送广播帧时，交换机从E3端口接收到目的地址为ffff.ffff.ffff的数据帧，则向E0、E1、E2和E4端口转发该数据帧。当主机D与E主机通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为026

6、0.8c01.5555的数据帧，查找地址表后发现0260.8c01.5555并不在表中，因此交换机仍然向E0、E1、E2和E4端口转发该数据帧。当主机D与主机F通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为0260.8c01.6666的数据帧，查找地址表后发现0260.8c01.6666也位于E3端口，即与源地址处于同一个网段，所以交换机不会转发该数据帧，而是直接丢弃。当主机D与主机A通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为0260.8c01.1111的数据帧，查找地址表后发现0260.8c01.1111位于E0端口，所以交换机将数据帧转发至E0端口，这样主机A即可收到该数据帧。如果在主机D与主机A

7、通信的同时，主机B也正在向主机C发送数据，交换机同样会把主机B发送的数据帧转发到连接主机C的E2端口。这时E1和E2之间，以及E3和E0之间，通过交换机内部的硬件交换电路，建立了两条链路，这两条链路上的数据通信互不影响，因此网络亦不会产生冲突。所以，主机D和主机A之间的通信独享一条链路，主机C和主机B之间也独享一条链路。而这样的链路仅在通信双方有需求时才会建立，一旦数据传输完毕，相应的链路也随之拆除。这就是交换机主要的特点。从以上的交换操作过程中，我们可以看到数据帧的转发都是基于交换机内的MAC地址表，但是这个地址表是如何建立和维护的呢？下面我们就来介绍这个问题。2.2.2 地址学习过程交换机

8、的交换地址表中，一条表项主要由一个主机MAC地址和该地址所位于的交换机端口号组成。整张地址表的生成采用动态自学习的方法，即当交换机收到一个数据帧以后，将数据帧的源地址和输入端口记录在交换地址表中。图2-2为交换机收到帧时的转发及学习过程。当一个帧从交换机某个特定端口X到达，交换机根据这两个信息可以得出：从端口X可以到达帧源地址域所指定的工作站，因此，交换机能够为该MAC地址更新转发数据库。为允许网络拓扑结构发生变化，数据库的每一项都配有寿命定时器，当一个新项加到数据库时，就启动定时器，定时器的缺省值是30秒，如果定时器时间到，该项就从数据库搜索是否存在地址字段值和该帧源地址相同的项，如果数据库

9、已存在这样的项，项的内容被更新，重新设置定时器值。如果数据库中不存在这样的项，将在数据库中添一新项，该新项中的地址为收到数据帧的源MAC地址，端口号为收到数据帧的端口，定时器值被设置成初值。图22 网桥的转发及地址学习流程2.3 多层交换技术局域网交换技术的实现通常采用硬件方式。在局域网的数据帧格式中，目的MAC地址的位置是固定的，而且帧头信息的检查和校验非常简单，便于硬件交换的实现。因此传统的局域网交换都是指第二层交换，即根据第二层的信息目的MAC地址进行。在交换模式的介绍中，我们可以看到交换机在进行交换操作前需要接收一定长度的数据进行相应的转发检测，如果将检测数据的长度适当增加，即可将二层

10、交换技术扩展为三层交换技术，乃至四层交换技术。三层交换技术就是将检测数据扩展到IP分组头标部分，通过检测其中的IP地址进行交换，实际上是基于硬件的路由。四层交换技术则是进一步检查IP分组头标中的通信协议类型和端口号，可以看作是基于应用的交换。现在广泛应用的多层交换技术就是将二层、三层和四层交换技术结合起来，实现“一次路由、多次交换”的功能。2.4 交换机与其它网络通信产品的比较2.4.1 交换机和交换式集线器交换式集线器都能给终端提供独占带宽，自动建立、维护站表，并且根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。交换机由交换式集线器发展而来，不仅提供了上述功能，并且提供了很多的现在网络所要求的功

11、能：信息流优先级、服务分类、虚拟网、远程监测（RMON）、自动流控制、内嵌网络管理代理等。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领域。2.4.2 交换机和路由器传统交换机从网桥发展而来，属于OSI第二层链路层设备。它根据MAC地址寻址，通过站表选择路由，站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器属于OSI第三层即网络层设备，它根据IP地址进行寻址，通过路由表选择路由，路由表由路由协议产生。交换机最大的好处是快速，由于交换机只须识别帧中MAC地址，直接根据MAC地址选

12、择转发端口，算法简单，便于ASIC实现，因此转发速度极高，在100Mbit/s和Gbit/s通信链路上能做到线速转发。但交换机的工作机制也带来回路、负载集中、广播等问题。随着技术的发展，这些问题现在也都得到了比较好的解决。随着三层交换机的出现，交换机的作用显得越来越重要。三层交换机与传统路由器相比有如下优点：l 每个接口连接一个子网，子网通过路由器进行传输的速率被接口的带宽所限制。而三层交换机则不同，它可以把多个端口定义成一个虚拟网，把多个端口组成的虚拟网作为虚拟网接口，该虚拟网内信息可通过组成虚拟网的端口送给三层交换机，由于端口数可任意指定，子网间传输带宽没有限制；l 合理配置信息资源：由于访问子网内资源速率和访问全局网中资源速率没有区别，子网设置单独服务器的意义不大，通过在全局网中设置服务器群不仅节省费用，更可以合理配置信息资源；l 降低成本：通常的网络设计用交换机构成子网，用路由器进行子网间互连。目前采用三层交换机进行网络设计，既可以进行任意虚拟子网划分，又可以通过交换机三层路由功能完成子网间通信