1.2 以太网基本概念及原理(8)

BA000007 以太网技术 ISSUE1.0

第3章 以太网交换机

第3章 以太网交换机

在以太网物理层内容的介绍中，介绍了一种网络设备—集线器（HUB），该设备工作在物理层，同样，在数据链路层也有一种网络设备，就是本章介绍的以太网交换机。

在以太网的发展历史上曾经出现了一种称为网桥的设备，该设备的功能是连接两个物理拓扑不同的网络，比如以太网和令牌环网，网桥在这两个网络中完成地址翻译，通信中继等功能，使得网络层看来，物理上不同的两个网络是一个逻辑的网络。其实网桥也是工作在数据链路层上的，随着以太网技术的发展，连接两个异种网络的机会越来越少，于是，网桥正被以太网交换机逐渐代替。

下面从以太网交换机的体系结构出发，来分析一下以太网交换机的工作过程，性能特点，以及一些提高性能的应用，比如快速以太网通道等。

3.1 以太网交换机体系结构

从外观上看，以太网交换机跟HUB差不多，但端口的数目可能比HUB要多（一般情况下是24个或更多）。但在内部结构上却比HUB复杂得多，HUB内部实际上是一条共享的总线，各个端口共享该总线进行CSMA/CD方式的通信，但以太网交换机内部可能也是一条总线，但该总线带宽要比HUB内部的总线高得多，足以让全部端口互相同时通信而没有阻塞。性能更高的交换机内部可能是一个交换网络，该网络完成任意端口之间的两两交换。

高速背板总线接收缓冲区发送缓冲区……...RX TXRX TX物理接口

图3-8 以太网交换机的内部结构示意图

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第3章 以太网交换机

上图是一个以太网交换机的内部结构示意图，由图可以看出以太网交换机使用一条高速背板总线把各个端口连接起来。实际上，这个背板总线可能是一个高性能的数字交叉网络。注意的是，各个端口针对接收线路和发送线路，各有一个缓冲队列，当数据从终端设备发往交换机的时候，发出的数据暂存在交换机的接收队列中，然后进行下一步处理。如果交换机要把接收的数据发送给某一终端，这时候，交换机把要发送的数据发往该接收终端所在端口的发送队列，然后再发送到接收终端，如果终端忙，则一直存储在发送队列中。

其实，对每个接口的发送队列结构进行更改可以实现服务质量功能。比如，我们为每个接口设计不止一个发送队列，假设设置三个，则可以对这三个队列进行优先级划分，分成低，中，高三个优先级，然后根据数据帧的优先级字段（在以后介绍VLAN的时候将讲述），把数据帧放到相应的优先级队列中。在传输的时候，可以优先传输优先级高的队列，等高优先级队列内没有数据了，再传送优先级低的队列，依次类推。也可以实现一些其他的调度策略，比如WFQ（基于优先级的加权公平队列）等调度技术。

交换机跟HUB的最大区别就是能做到接口到接口的转发。比如接收到一个数据帧以后，交换机会根据数据帧头中的目的MAC地址，发送到适当的端口，而HUB则不然，它把接收到的数据帧向所有端口转发。交换机之所以能做到根据MAC地址进行选择端口，完全依赖内部的一个重要的数据结构：CAM表。交换机接收到一个数据帧，依靠该数据帧的目的MAC地址来查找CAM表，查找的结果是一个或一组端口，根据查找的结构，把数据包送到相应端口的发送队列。

CAM表包含下面几项内容：

? ? ?

MAC地址 一个或一组端口号

如果交换机上划分了VLAN，还包括VLAN ID

交换机根据接收到的数据帧的目的MAC地址，来查找该表格，根据找到的端口号，把数据帧发送出去。注意，上面一个MAC地址可能对应多个端口，这样的MAC地址一般是组播MAC地址，其中每个端口上连接一个组播组的成员，这些内容在组播部分中将详细讲述，在这里我们要有个印象。

3.2 以太网交换机工作过程

上面提到了一个重要的数据结构CAM表，该表包含了交换机用来转发数据帧所涉及到的一些信息，对于交换机怎样依据这个表格进行数据帧的交换，上面部分已经讲明白了。但这又产生一个问题：这个CAM表是怎样生成的呢？其实，这个表格可以通过两种途径生成：

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1． 手工加入：通过配置命令的形式告诉交换机MAC地址和端口的对应； 2． 交换机动态学习获得：交换机通过查看接收的每个数据帧来学习该表。 手工生成该表很简单，不过配置起来会占用大量的时间，所以通常情况下是交换机自动获得的。下面我们分析一下交换机是怎么获得这个CAM表的。首先提出交换机转发数据帧的基本规则：

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交换机查CAM表，如果查找到结果，根据查找结果进行转发； 如果交换机在CAM表中查找不到结果，则根据配置进行处理，通常情况下是向所有的端口发送该数据帧，在发送数据帧的同时，学习到一条CAM表项。

开始的时候，交换机的CAM表是空的，当交换机接收到第一个数据帧的时候，查找CAM表失败，于是向所有端口转发该数据帧，在转发数据帧的同时，交换机把接收到的数据帧的源MAC地址和接收端口进行关联，形成一项记录，填写到CAM表中，这个过程就是学习的过程。

学习过程持续一段时间之后，交换机基本上把所有端口跟相应端口下终端设备的MAC地址都学习到了，于是进入稳定的转发状态，这时候，对于接收到的数据帧，总能在CAM表中查找到一个结果，于是数据帧的发送是点对点的，达到了理想的状态。

交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器，该定时器从一个初始值开始递减，每当使用了一次该表项（接收到了一个数据帧，查找CAM表后用该项转发），定时器被重新设置。如果长时间没有使用该CAM表的转发项，则定时器递减到零，于是该CAM表项被删除。

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第4章 VLAN基本概念

第4章 VLAN基本概念

以太网交换机一般有十几个或几十个端口，默认情况下，连接到这些端口的计算机能够无阻隔的进行二层通信。但有些情况下，人们希望某些端口上的计算机不能被其他端口上的计算机访问，这时候采用这种默认的工作方式就不行了，我们需要引入这样一种功能：可以把交换机上任意数目的端口进行组合，这些组合的端口成为一个封闭的系统，连接到该封闭系统的计算机可以通信，但跟不在该端口集合内的其他端口上的计算机，则无法进行二层通信。这个概念便是VLAN（虚拟局域网）。

4.1 VLAN的划分方式

按照上面的概念，VLAN是交换机上的一个集合，该集合的元素就是端口。我们用一个整数来表示该集合，这样当在交换机上创建一个集合后，就面临一个问题：怎样为该集合确定其中的元素（端口）？下面是确定元素的最重要的几种方式：

4.1.1 基于端口的VLAN

最简单，也是最直接的方式就是手工指定，也就是说，一旦在交换机上创建一个VLAN，我们可以手工指定该VLAN包含哪些端口。在该方式下，我们只要在交换机上进行一些简单的配置就可以了。这种方式是最直接的，也是最容易理解的。

4.1.2 基于MAC地址的VLAN

在基于端口的VLAN方式下，我们在交换机上进行了设置，来决定VLAN包含那些端口。但有些情况下，我们希望把终端系统进行分类，使它们属于指定的VLAN。这时候，我们可以手工建立终端系统的标识跟VLAN之间的关系。在以太网上，MAC地址可以唯一的标识一个终端系统，于是，我们就建立MAC地址跟VLA …… 此处隐藏：1521字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……