网络工程师---第6章 交换机及其配置(第1讲)

1、交换机及其配置,主要讲解： 1.交换机的基本工作原理 2.交换机的结构与分类,一、交换机的基本工作原理,1. 局域网交换机的基本概念 局域网交换机 (Switch) 是一种工作在数据链路层的网络设备。交换机根据进入端口数据帧中的MAC地址,过滤、转发数据帧。它是基于MAC地址识别,完成转发数据帧的一种网络连接设备。 交换机作为汇聚中心,可将多台数据终端设备连接在一起,构成星形结构的网络。使用交换机组建出的是一个交换式局域网。交换机局域网具有独占传输通道、独享信道带宽,同时允许多对站点进行通信、系统带宽等于所有带宽之和等特性。,一、交换机的基本工作原理,这些特性使交换机网络的系统带宽随着用户的增

2、多、交换机端口的增多而增宽,其负载的大小不会影响网络的性能。因此交换机可以满足各种应用对带宽的需求。为此,交换机是极为重要的网络设备。,交换式局域网，各个端口独享带宽,交换机,24个10Base-T/100Base-TX RJ45端口,一、交换机的基本工作原理,S21、S35交换机前后面板图：,电源开关,风扇口,模块扩展槽,交换机配置口（DB9）,电源指示灯,模块状态指示灯,端口状态指示灯,一、交换机的基本工作原理,. 局域网交换机的功能 局域网交换机有三个基本功能 : 建立和维护一个表示 MAC 地址与交换机端口对应关系的交换表 在发送节点和接收节点之间建立一条虚连接 完成数据帧的转发或过滤

3、 功能分析：,一、交换机的基本工作原理,交换机分析每一个进来的数据帧,根据帧中的目的MAC地址,通过查询交换表,确定是丢弃帧还是转发帧,数据帧应该转发到交换机的哪一个端口。在确定目的端口之后,交换机就在源端口和目的端口之间建立一条虚连接,在这条专用的虚通道上完成数据帧的交换。除此之外,交换机还具有帧过滤、数据帧传输控制、虚拟网等其他功能,一、交换机的基本工作原理,3.工作原理：当交换机启动并开始工作后,在转发每一个数据帧时, 都会根据帧中的目的MAC地址,通过查询交换表来决定把数据帧转发到交换机的哪一个端口 , 或者直接将帧丢弃。 转发帧的具体操作是,在查询保存在交换机高速缓存中的交换表之后,

4、交换机根据表中给出的目的端口号,决定是否转发和往哪儿转发该帧。,一、 交换机的基本工作原理,MAC 地址表,学习逻辑,学习逻辑,接口,接口,Mac 地址,端口号,过滤/转发逻辑,交换机工作原理图,一、交换机的基本工作原理,4、交换表的建立与维护： 概念：通过一种自学习的方法，自动地建立和维护一个记录着目的MAC地址与设备端口映射关系的地址查询表 内容：目的MAC地址及其所对应的交换机端口号和所在的虚拟子网。其中,虚拟子网用VLAN ID号表示。 建立：在交换机刚开机时,交换表的内容是空白的,此后交换表逐渐建立起来。（具体建立步骤如下：）,一、交换机的基本工作原理, 交换机分析每个进来的帧, 根

5、据帧中目的 MAC 地址查看交换表。 查表有两种可能的结果： 第一种是在交换表中已经存在该目的 MAC 地址的表项,这时交换可按交换表中给出的路径将帧转发到目的端口。 第二种可能就是在交换表中没有此目的 MAC 地址表项,这时交换机会发出一个广播帧,把数据发送给除源端口以外的所有交换机端口 (称为Flood 技术)。拥有该 MAC 地址的站点在接收到广播帧后,会立即做出应答,从而使交换机得到目的 MAC 地址与其相关联的交换机端口信息。,一、交换机的基本工作原理,交换机就将学习到的目的 MAC 地址和该地址所对应的端口号一并保存在高速缓存中的交换表内,建立一个新的表项。 维护：交换表一般被保存

6、在交换机的一个高速缓存中,但高速缓存的空间是有限的,因此交换表必须定时刷新,将长时间不用的表项删除,将新的表项存入。 交换机刷新交换表的方法是,每次存储一个地址表项时,都被盖上一个时间戳。每当交换表中的一个地址被参考,该表项会被盖上一个新的时间戳记。以时间戳为依据,将经过一段时间没被参考的地址从交换表中移除,以便腾出空间, 保存新的表项。,一、交换机的基本工作原理, 保存：在一些高端交换机中,通常把交换表保存在可编址内容存储器(CAM)中。CAM就是保存交换表的一个高速缓存。可用通过交换机的一条命令 (show cam), 在屏幕上显示出保存在 CAM 中的交换表内容。这对于网络管理员了解交换

7、机的工作状况,分析一些网络故障 , 是非常重要的。 显示交换表命令的使用方法（见书P117) 大中型交换机:在交换机的超级用户模式下,输入 show cam dynamic 命令; 小型交换机:在交换机的超级用户模式下,输入 show mac-address-table 命令。,二、交换机的结构及其分类,（一）交换机的结构 随着交换技术的发展也在不断地改进,但总体来讲,主要存在四种交换结构,即软件执行交换结构、矩阵交换结构、总线交换结构和共享存储器交换结构。 1. 软件执行的交换结构 概念：软件执行交换结构是借助CPU和RAM硬件环境,由特定的软件来完成数据帧交换的一种交换结构。 原理: 交换

8、机先将数据帧由串行代码转换成并行代码 , 并将代码暂存在交换机的快速缓存RAM中；而由CPU依据目的MAC地址进行查表 ,确定目的端口号,建立虚连接；然后将保存在RAM中数据帧的并行代码转换为串行代码,传送到目的端口,完成数据帧的交换。以上所有全部功能由软件控制执行。（原理如下图所示）,二、交换机的结构及其分类,特点：具有结构灵活、交换速度慢、交换机堆叠困难、交换机端口较多导致交换机性能下降的特点。,并/串转换,软件执行交换结构图,二、交换机的结构及其分类,2.矩阵交换结构 组成: 在矩阵交换结构的交换机中,交换功能完全由硬件完成它由输入、输出、交换矩阵和控制处理四部分组成。 原理：交换机在确

9、定目的端口号以后,就会根据源端口号和目的端口号打开相应的交换矩阵开关,在源端口和目的端口之间,形成一条传输通道,通过这条通道完成数据帧的交换。为了避免端口拥塞,这种结构的交换机还增加了缓冲区和排队系统。（原理如下图所示） 特点：具有交换速度快、延时小、结构紧凑、矩阵交换的实现相对比较简单、不易扩展、不利于交换机性能的监控和运行管理等特点。,二、交换机的结构及其分类,控制处理,输入,输出,矩阵交换结构图,二、交换机的结构及其分类,3.总线交换结构 原理：在总线交换结构的交换机被板上有一条公用总线 , 数据帧的交换都在总线上完成。通过时分多路复用(TDM) 技术,将总线按时隙分为多条逻辑通道,可同

10、时在总线上建立多对端口的连接,各个端口都可以在总线上发送数据帧, 每个端口发送的数据帧均按时隙在总线上传输,并从确定的目的端口输出数据帧,完成数据帧的交换。 （原理如下图所示） 特点：性能好,便于堆叠扩展、易实现帧的广播、易监控管理、易于实现多个输入对一个输出的帧传送,但它对总线的带宽要求比较高,一般总线带宽应为端口带宽的总和。目前许多交换机产品都采用总线交换结构,其应用比较广泛。,二、交换机的结构及其分类,交换总线,输入,输出,总线交换结构图,二、交换机的结构及其分类,4.共享存储交换结构 原理：共享存储器交换结构是总线交换结构的一种变形 , 它用共享存储器替代了公用总线。在这种结构的交换机

11、中, 数据帧的交换功能是通过共享存储器 RAM 直接将数据帧从输入端口传送到输出端口的方式直接完成的。 （原理如下图所示） 特点：具有交换机的结构简单,易于实现的特点。共享存储器交换结构的缺点:在交换机端口数量与存储容量扩展到一定程度时,会产生延时；冗余结构比较复杂,冗余交换引擎技术的实现比较困难、成本高。共享存储器交换结构比较适合小型交换机采用。,二、交换机的结构及其分类,.,共享存储器,输入/输出,输入/输出,共享存储器交换结构图,二、交换机的结构及其分类,（二）交换机的交换模式 1. 交换机交换模式的分类 交换机有静态交换和动态交换两种方式。在采用静态交换方式的交换机中,端口之间传输通道

12、的建立是由人工预先设定的,这些通道是固定不变的。而在动态交换方式中,传输通道的建立是依据目的 MAC 地址查询交换表 , 根据交换表中给出的输出端口临时建立的,在一个数据帧传送完成后,连接会自动断开,动态交换是绝大多数交换机采用的交换方式。 动态交换模式有存储转发和直通两种模式。而直通交换模式又有快速转发交换和碎片丢弃交换两种方式。所以交换机共有存储转发、快速转发和碎片丢弃三种交换模式。,二、交换机的结构及其分类,2. 快速转发交换模式(fast forward) 原理：快速转发交换模式,通常也称作直通交换模式,它是在交换机接收到帧中6个宇节的目的地址后便立即转发数据帧。它仅将帧中的目的MAC

13、地址部分拷贝到缓冲区中,而不缓存整个数据帧。这种交换模式会在整个数据帧收到之前就开始转发。 特点：快速转发交换模式的优点是端口交换时间短、延时小、交换速度快,但由于它不缓存整个数据帧,因此,不能提供检错纠错、速度匹配和流量控制等功能, 交换机可靠性差 ,适合小型交换机采用。,二、交换机的结构及其分类,3.碎片丢弃交换模式 (Fragment-Free) 原理：碎片丢弃交换模式又称为无分段交换模式。这种交换模式是在开始转发数据帧前,先过滤掉造成大部分数据报错误的冲突片段。采用这种模式的交换机在转发数据时,先检查数据报的长度是否够64字节(215bit),如果帧的长度小于64字节,则被视为碎片,交

14、换机直接将该帧丢弃。而任何大于64字节的数据帧,都被视为有效帧,进行转发。在转发数据帧时,交换机不保存整个数据帧,只要接收了64字节,就开始转发数据帧。 特点：在开始转发数据帧前就过滤掉了冲突碎片,确保碎片不会通过网络传播,提高了网络的传输效率和带宽利用率。,二、交换机的结构及其分类,4.存储转发交换模式 (Store and Forward) 原理：采用存储转发交换模式的交换机,在开始转发数据帧之前先接收整个数据帧,并把整个数据帧保存在缓冲区中。 特点：交换延时比较大、交换速度相对比较慢。 优点: 接收并保存整个数据帧,具有链路差错校验功能、可靠性高、支持不同速率的端口 , 应用最为广泛。,

15、二、交换机的结构及其分类,（三）交换机的分类 1.按交换机所支持的局域网标准分类 目前有以太网交换机、 FDDI 交换机、 ATM 交换机和令牌环交换机。 其中以太网交换机的应用最为流行。根据交换机支持的传输速率和介质标准,以太网交换机又可分为快速以太网交换机(100Mbps)、千兆以太网交换(lGbps) 和万兆以太网交换机(10Gbps)等。实际上,有时在同一台交换机中可能提供各种类型的端口。,二、交换机的结构及其分类,S6506,S8016,S5516,S3016/3026,S3526/3516,S3526F,S2403H,S2026,Core Routing Muluti-layer

16、Switch,Enterprise Gigabit Routing Switch,Workgroup Switch,Desktop Switch,DSL Switch,S3026V,MA 5300 V,三、交换机的结构及其分类,2.按交换机的架构分类 按交换机的架构分类,有单台交换机、堆叠交换机和箱体模块化交换机三种类型。 单台交换机 : 一台独立工作、不可堆叠的交换机,它可以单独使用; 堆叠交换机:用堆叠电缆,通过每台交换机上一个专用的堆叠端口,将多个单台可堆叠交换机连接在一起 , 构成一个整体。堆叠交换机可以作为一个独立单元 , 并可以统一进行配直和管理。堆叠交换机在要求交换机端口密度很高

17、的接入层网络中得到广泛的应用;,二、交换机的结构及其分类, 箱体模块化交换机: 箱体模块化交换机都有一个带多个扩展槽的机箱。在扩展槽中,可以插入各种局域网标准、各种介质接口的交换模块。不同产品的交换机,其扩展槽的数量、可支持的交换模块类型,以及每个交换模块土所支持的介质标准和端口密度均不相同。这种交换机一般提供的扩展槽的数量在 2- 20个左右,其优点是:具有最好的性能、最好的灵活性和很好的安全性及可扩展性。它是组建园区主干网最常用的一种交换设备。,二、交换机的结构及其分类,3.按交换机工作在OSI参考模型的层次分类 按交换机工作在 OSI 参考模型的层次分类,交换机可以分为工作在数据链路层的第二层交换机、工作在网络层的第三层交换机和工作在传输层的第四层交换机和多层交换机。 目前第二层和第三层交换机的应用最为广泛。 第二层交换机: 工作在 OSI 参考模型的第二层 , 即数据链路层。它依据数据帧中的目的 MAC 地址进行数据帧的线速交换。第二层交换机是没有路由功能的交换机 ,仅能依据 MAC 地址完成数据帧的交换。,