1、第2章 交換機原理本章主要通過講解交換機原理來幫助大家對后面各章介紹的理解。本章主要內容：l 交換式技術發展過程l 交換機基本工作原理l 多層交換技術l 交換機和其它網絡通信產品的比較2.1 交換式技術發展過程以太網交換機，英文為SWITCH，也有人翻譯為開關，交換器或稱交換式集線器。我們首先回顧一下局域網的發展過程。計算機技術與通信技術的結合促進了計算機局域網絡的飛速發展，從六十年代末ALOHA的出現到九十年代中期1000MBPS交換式以太網的登臺亮相，短短的三十年間經過了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速， 從簡單到復雜，從昂貴到普及的飛躍。 八十年代中后期，由于通信量的急劇增加，促

2、使技術的發展，使局域網的性能越來越高，最早的1MBPS的速率已廣泛地被今天的100BASET和100CGANYLAN替代，但是，傳統的媒體訪問方法都局限于使大量的站點共享對一個公共傳輸媒體的訪問，即CSMA/CD。九十年代初，隨著計算機性能的提高及通信量的聚增，傳統局域網已經愈來愈超出了自身的負荷，交換式以太網技術應運而生，大大提高了局域網的性能。與現在基于網橋和路由器的共享媒體的局域網拓撲結構相比，網絡交換機能顯著的增加帶寬。交換技術的加入，就可以建立地理位置相對分散的網絡，使局域網交換機的每個端口可平行、安全、同時的互相傳輸信息，而且使局域網可以高度擴充。局域網交換技術的發展要追溯到兩端口

3、網橋。橋是一種存儲轉發設備，用來連接相似的局域網。從互聯網絡的結構看，橋是屬于DCE級的端到端的連接；從協議層次看，橋是在邏輯鏈路層對數據幀進行存儲轉發；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網橋幾乎是和以太網同時發展的。以太網交換技術（SWITCH）是在多端口網橋的基礎上與九十年代初發展起來的，實現OSI模型的下兩層協議，與網橋有著千絲萬縷的關系，甚至被業界人士稱為“許多聯系在一起的網橋”，因此現在的交換式技術并不是什么新的標準，而是現有技術的新應用而已，是一種改進了的局域網橋，與傳統的網橋相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更強的管理功能以及更便宜的價格。2.2 交換機基本工

4、作原理局域網交換技術是OSI參考模型中的第二層數據鏈路層（Data-Link Layer）上的技術，所謂“交換”實際上就是指轉發數據幀（frame）。在數據通信中，所有的交換設備（即交換機）執行兩個基本的操作：l 數據幀轉發：將從輸入介質上收到的數據幀轉發至相應的輸出介質；l 地址學習過程：用以構造和維護交換地址表，以便維護交換操作。下面，我們探討一下這兩個基本操作的具體細節。2.2.1 數據幀轉發交換機根據數據幀的MAC（Media Access Control）地址（即物理地址）進行數據幀的轉發操作。交換機轉發數據幀時，遵循以下規則：l 如果數據幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則

5、向交換機所有端口轉發（除數據幀來的端口）；l 如果數據幀的目的地址是單播地址，但是這個地址并不在交換機的地址表中，那么也會向所有的端口轉發（除數據幀來的端口）；l 如果數據幀的目的地址在交換機的地址表中，那么就根據地址表轉發到相應的端口；l 如果數據幀的目的地址與數據幀的源地址在一個網段上，它就會丟棄這個數據幀，交換也就不會發生。下面，我們以下圖為例來看看具體的數據幀交換過程。圖21 數據幀轉發過程當主機D發送廣播幀時，交換機從E3端口接收到目的地址為ffff.ffff.ffff的數據幀，則向E0、E1、E2和E4端口轉發該數據幀。當主機D與E主機通信時，交換機從E3端口接收到目的地址為026

6、0.8c01.5555的數據幀，查找地址表后發現0260.8c01.5555并不在表中，因此交換機仍然向E0、E1、E2和E4端口轉發該數據幀。當主機D與主機F通信時，交換機從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.6666的數據幀，查找地址表后發現0260.8c01.6666也位于E3端口，即與源地址處于同一個網段，所以交換機不會轉發該數據幀，而是直接丟棄。當主機D與主機A通信時，交換機從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.1111的數據幀，查找地址表后發現0260.8c01.1111位于E0端口，所以交換機將數據幀轉發至E0端口，這樣主機A即可收到該數據幀。如果在主機D與主機A

7、通信的同時，主機B也正在向主機C發送數據，交換機同樣會把主機B發送的數據幀轉發到連接主機C的E2端口。這時E1和E2之間，以及E3和E0之間，通過交換機內部的硬件交換電路，建立了兩條鏈路，這兩條鏈路上的數據通信互不影響，因此網絡亦不會產生沖突。所以，主機D和主機A之間的通信獨享一條鏈路，主機C和主機B之間也獨享一條鏈路。而這樣的鏈路僅在通信雙方有需求時才會建立，一旦數據傳輸完畢，相應的鏈路也隨之拆除。這就是交換機主要的特點。從以上的交換操作過程中，我們可以看到數據幀的轉發都是基于交換機內的MAC地址表，但是這個地址表是如何建立和維護的呢？下面我們就來介紹這個問題。2.2.2 地址學習過程交換機

8、的交換地址表中，一條表項主要由一個主機MAC地址和該地址所位于的交換機端口號組成。整張地址表的生成采用動態自學習的方法，即當交換機收到一個數據幀以后，將數據幀的源地址和輸入端口記錄在交換地址表中。圖2-2為交換機收到幀時的轉發及學習過程。當一個幀從交換機某個特定端口X到達，交換機根據這兩個信息可以得出：從端口X可以到達幀源地址域所指定的工作站，因此，交換機能夠為該MAC地址更新轉發數據庫。為允許網絡拓撲結構發生變化，數據庫的每一項都配有壽命定時器，當一個新項加到數據庫時，就啟動定時器，定時器的缺省值是30秒，如果定時器時間到，該項就從數據庫搜索是否存在地址字段值和該幀源地址相同的項，如果數據庫

9、已存在這樣的項，項的內容被更新，重新設置定時器值。如果數據庫中不存在這樣的項，將在數據庫中添一新項，該新項中的地址為收到數據幀的源MAC地址，端口號為收到數據幀的端口，定時器值被設置成初值。圖22 網橋的轉發及地址學習流程2.3 多層交換技術局域網交換技術的實現通常采用硬件方式。在局域網的數據幀格式中，目的MAC地址的位置是固定的，而且幀頭信息的檢查和校驗非常簡單，便于硬件交換的實現。因此傳統的局域網交換都是指第二層交換，即根據第二層的信息目的MAC地址進行。在交換模式的介紹中，我們可以看到交換機在進行交換操作前需要接收一定長度的數據進行相應的轉發檢測，如果將檢測數據的長度適當增加，即可將二層

10、交換技術擴展為三層交換技術，乃至四層交換技術。三層交換技術就是將檢測數據擴展到IP分組頭標部分，通過檢測其中的IP地址進行交換，實際上是基于硬件的路由。四層交換技術則是進一步檢查IP分組頭標中的通信協議類型和端口號，可以看作是基于應用的交換?，F在廣泛應用的多層交換技術就是將二層、三層和四層交換技術結合起來，實現“一次路由、多次交換”的功能。2.4 交換機與其它網絡通信產品的比較2.4.1 交換機和交換式集線器交換式集線器都能給終端提供獨占帶寬，自動建立、維護站表，并且根據站表內容在輸入和輸出端口間建立交換通路。交換機由交換式集線器發展而來，不僅提供了上述功能，并且提供了很多的現在網絡所要求的功

11、能：信息流優先級、服務分類、虛擬網、遠程監測（RMON）、自動流控制、內嵌網絡管理代理等。這些功能構成了高速、靈活、智能、可靠、擴充性好的現代網絡，不僅能提供高速的數據傳輸能力，而且提供良好的服務質量，把純粹的數據傳輸網延伸到適合多媒體應用、實時數據傳輸等新的領域。2.4.2 交換機和路由器傳統交換機從網橋發展而來，屬于OSI第二層鏈路層設備。它根據MAC地址尋址，通過站表選擇路由，站表的建立和維護由交換機自動進行。路由器屬于OSI第三層即網絡層設備，它根據IP地址進行尋址，通過路由表選擇路由，路由表由路由協議產生。交換機最大的好處是快速，由于交換機只須識別幀中MAC地址，直接根據MAC地址選

12、擇轉發端口，算法簡單，便于ASIC實現，因此轉發速度極高，在100Mbit/s和Gbit/s通信鏈路上能做到線速轉發。但交換機的工作機制也帶來回路、負載集中、廣播等問題。隨著技術的發展，這些問題現在也都得到了比較好的解決。隨著三層交換機的出現，交換機的作用顯得越來越重要。三層交換機與傳統路由器相比有如下優點：l 每個接口連接一個子網，子網通過路由器進行傳輸的速率被接口的帶寬所限制。而三層交換機則不同，它可以把多個端口定義成一個虛擬網，把多個端口組成的虛擬網作為虛擬網接口，該虛擬網內信息可通過組成虛擬網的端口送給三層交換機，由于端口數可任意指定，子網間傳輸帶寬沒有限制；l 合理配置信息資源：由于訪問子網內資源速率和訪問全局網中資源速率沒有區別，子網設置單獨服務器的意義不大，通過在全局網中設置服務器群不僅節省費用，更可以合理配置信息資源；l 降低成本：通常的網絡設計用交換機構成子網，用路由器進行子網間互連。目前采用三層交換機進行網絡設計，既可以進行任意虛擬子網劃分，又可以通過交換機三層路由功能完成子網間通信，為此節省了價格昂貴的路由器；l 交換機之間連接靈活：作為交換機，它們之