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1、本章提要：交换机用做网络集中设备，其端口连接网络中的主机。在转发数据帧时，端口带宽能够独享。交换机按其工作在 OSI 参考模型的对应层次，有第二层、第三层和第四层交换机。可管理的交换机内置了操作系统软件。第二层交换机采用帧交换转发数据，帧交换方式有三种，分别为存储转发、伺机通过和自由分段。使用备份连接是提高网络可靠性的常用方法，但所形成的环路可能会导致广播风暴和引起多帧副本问题。STP 协议的应用则可消除环路问题，使冗余备份得以实现。1.1 交换机的作用与组成在以太网络中，交换机起的是信息中转站的作用。它把从某个端口接收到的数据从其他端口转发出去。以下介绍交换机的外观与内部组成。不同厂家、不同
2、型号的以太网交换机，其外观和内部组成都有一定的个性差异，但其共性是主要的。1. 交换机的外观前面板上的多个 RJ45 接口是以太网口，用来连接计算机或其他交换机。后面板或前面板上的串口是交换机的配置口，用串口线缆将其与计算机的串口连接起来，可实现对交换机的配置操作。也有的交换机的配置口位于前面板上。面板上有若干指示灯，其亮、灭或闪烁可以反映交换机的工作状态是否正常。此外还有电源插口、电源开关等。可上机架（柜）式交换机的标准长度为 48.26cm(19in)。如图 1.1 所示的是 Cisco Catalyst3550 和 Cisco Catalyst 2900 交换机的外观图。2. 交换机的内
3、部组成交换机的内部组成为：CPU (中央处理器)：交换机使用特殊用途集成电路芯片 ASIC，以实现高速的数据传输。RAM/DRAM：主存储器，存储运行配置。NVRAM（非易失性 RAM）：存储备份配置文件等。FlashROM（快闪存储器）：存储系统软件映像文件等。是可擦可编程的 ROM。ROM：存储开机诊断程序、引导程序和操作系统软件。接口电路：交换机各端口的内部电路。图 1.1 交换机的外观1.2 交换机的分类可按多种方式对交换机进行分类。若参照开放系统互连参考模型 OSI，则交换机属于第二四层的设备。1.2.1 OSI 参考模型与数据通信设备开放系统互连参考模型 OSI 分为七层，每层的名
4、称、对应的协议数据单元的名称以及每层所用的设备见表 1.1。表 1.1OSI 参考模型的层次及其相应设备层数 名称 协议数据单元名称 相应设备第七层 应用层 Data 第六层 表示层 Data 第五层 会话层 Data 第四层 传输层 Segment 四层交换机第三层 网络层 Paket 路由器、三层交换机第二层 数据链路层 Frame 交换机、网桥第一层 物理层 Bit 网卡、网线等根据 OSI 参考模型，每一层都使用相应的协议实现特定的功能，完成数据交换。高层数据逻辑地在源主机与目标主机对应层之间进行传输，屏蔽下层的细节。而数据实际的传输过程则是：发送端，高层数据经过下面各层，依次被各层进
5、行封装，最后通过物理层完成到达接收端的比特流的传输。交换机可以工作在第二、第三、第四层，对应的技术称为第二层、第三层和第四层交换技术，第二层交换机是目前使用最多的交换机。本书主要介绍第二层交换技术和第二层交换机。如无特别说明，以下提到的交换机均指第二层交换机。1.2.2 交换机的简单分类这里只对以太网交换机按配置是否可以改变或者按在 OSI 参考模型中的对应层次来进行简单的分类。1. 模块式与固定配置式按交换机的配置可否改变，可把交换机分为模块式和固定配置式。模块式模块式交换机的模块可以拔插，模块通常是 100Mb/s 或 1000Mb/s 光纤接口模块，或1000Mb/s RJ45 接口模块
6、，或者是堆叠模块。交换机上则有相应的插槽。使用时，模块插入插槽之中。模块式交换机配置灵活，模块可按需要购买。一般说来，模块式交换机的档次较高，模块插槽结构可最大程度地保护用户的投资。固定配置式固定配置式交换机的接口固定，硬件不可升级。2. 第二层、第三层与第四层交换机前面已提过，按交换机工作在 OSI 参考模型的相应层次，交换机可分为三个层次的交换机，其中大量商品化的是第二层和第三层交换机。第二层交换机第二层交换机工作在 OSI 参考模型的第二层，它的每个端口拥有自己的冲突域。如果该二层交换机具有虚拟局域网(VLAN）功能，则每一个 VLAN 成为一个广播域。第二层交换机采用三种方式转发数据帧
7、：直通（Cut Through）、存储转发（StoreandForward)和自由分段（Fragment Free）。第三层交换机第三层交换机根据目的 IP 地址转发数据报，与后面要讨论的路由器一样，它也必须创建和动态维护路由表。但是，第三层交换机能做到“一次路由，多次交换”。即是说，第三层交换机能够把报文转发到不同的子网，并在后续的通信中实现比路由更快的交换。第四层交换机第四层交换机可以解释第四层的传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）信息，允许设备为不同的应用（使用端口号区分）分配各自的优先级。这样，第四层交换机可以“智能化”地处理网络中的数据，最大限度地避免拥塞，提高带宽利用率
8、。1.3 交换机在网络中的连接及作用 1.3.1 交换机的端口以太网交换机的端口或称接口，是 8 个引脚的 RJ45 接口，其种类通常有 10Base-T，10Base-F，100Base-TX，100Base-T4，100Base-FX，1000Base-T，1000Base-FX 及 1000Base-CX 等。其中 Base 指的是采用基带传输技术，10、100 和 1 000 分别代表传输速率为10Mbs、100Mbs 和 1 000Mbs，通常把对应的技术分别称为以太网、快速以太网和千兆位以太网。各参数的含义见表 1.2。表 1.2 交换机的各种端口标准类型传输速率(Mbs)接口标准
9、 传输介质 传输距离(m) 备注10Base-T 10 RJ45 UTP（非屏蔽双绞线） 100 10Base-F 10 光纤接口 62.5/125MMF（多模光纤） 2 000 100Base-TX 100 RJ45 UTP 100 100Base-T4 100 RJ45 UTP（4 对芯线） 62.5/125MMF 412 半双工62.5/125MMF 2 000100Base-FX 100 光纤接口9/125SMF（单模光纤） 10 000 全双工1000Base-CX 1000 RJ45 STP（屏蔽双绞线） 25 1000Base-T 1000 RJ45 UTP（4 对芯线） 100
10、 62.5/125MMF 260SX（780nm短波） 50/125MMF 52562.5/125MMF 55050/125MMF 5501000Base-FX LX(1 300nm长波)1000 光纤接口9/125SMF 3 00010 000不同公司的产品实际支持的距离可能不同1.3.2 共享式与交换式网络采用双绞线或光纤作传输介质的网络，使用集线器或交换机作为网络的中心。计算机之间的通信，通过集线器或交换机进行数据的转发。1.集线器与共享式局域网集线器通常称为 Hub，按其使用的技术可分为被动式与主动式集线器。前者只提供简单的集中网线转发数据的工作，后者可对数据作一定的处理。集线器按端口
11、的传输速率或俗称带宽来分，有 10Mbs 和 100Mbs 的。通常所说的集线器是指的共享式集线器，其带宽是所有端口共享的。例如一台 16 端口的 100Mbs 的集线器，当全部端口都使用时，每一端口的带宽就只有 100Mbs 的 1/16。由集线器作中心设备的局域网（以及总线型拓扑的局域网）称为共享式局域网。集线器的全部端口属于同一个冲突域，集线器在端口之间转发数据帧时采用向所用端口广播的方式进行，因此其全部端口又属于同一个广播域。单一的冲突域和广播域使网络在通信繁忙时容易产生阻塞和广播风暴。可以使用多台集线器级联或堆叠起来以增加总的端口数，但不能用此方法来延伸网络的距离。随着交换机价位的降
12、低，共享式集线器正逐渐淡出局域网领域。2.交换机与交换式局域网交换机可以看做是高档的集线器，它有时也被称之为交换式集线器。它采用了许多新的技术，如其端口之间的通信可全双工进行，能实现数据的线速转发等。它的最显著的特点在于端口带宽的独享。例如一台 100Mb/s 的交换机，在使用时每一对端口之间的数据传输速率都是 100Mb/s，不会随着使用的端口数的增加而减少。即是说，其端口带宽是独享的。应当注意的是，只有网卡和交换机两者的带宽都为同一值时，才能实现以该速率传输数据。否则，只能按二者中较小的一个速率传输。例如，只有网卡和交换机都是 1 000Mb/s 的，才能实现 1 000Mb/s 的传输速
13、率。而且，使用的传输介质还必须支持该传输速率。这一特性称为带宽的自动协商或者带宽的自适应。光纤能支持 1 000Mb/s 以上的传输速率，但使用光纤的网络未必都是千兆位以太网，最初的光纤以太网就是 10Mb/s 的。通常把由交换机作为中心设备的局域网称为交换式局域网。交换机的端口按其带宽可分为 10Mb/s，100Mb/s，10/100Mb/s 自适应和 1 000Mb/s 的，有的交换机上只有上列端口之一；更多的则是兼有两种或多种端口。交换机的每一个端口都是一个冲突域，故不会因端口的使用数增加而降低端口的传输带宽。不过，交换机的所有端口仍属于同一个广播域，当网络中的广播信息增多时，也会导致网
14、络传输效率的降低。如果采用虚拟局域网（Virtual Local Network，VLAN）技术，则每一个 VLAN 具有各自的广播域，这样交换机就有了多个广播域。广播数据帧被局限在各自的域内，可有效防止广播风暴的发生。与集线器一样，也可使用多台交换机级联或堆叠起来增加总的端口数。然而，交换机的级联却可以用来延伸网络的距离，如图 1.2 所示的级联可使网络范围扩展 400m。图 1.2 级联交换机以扩展网络距离最廉价的交换机可能不支持网络管理功能，用于简单的网络环境。支持网络管理功能的交换机称为可管理或可配置的交换机。若用在小型、简单的网络中，可管理的交换机也不需配置（实际是使用了默认配置）即
15、可工作；而网络规模较大或者较为复杂时，就需要对其进行配置和管理了。1.4 交换技术基础连接在交换机端口上的主机通过地址解析协议 ARP 相互查询对方网卡的物理地址（又称 MAC 地址，即 Media Access Control 地址），以便进行相互间的数据帧的传输。MAC 地址是固化在网卡内部用于惟一确定网卡身份的标识，是网卡在生产时被永久写入芯片的固定值。全球的网卡生产厂商按照买得的 MAC 地址范围制造网卡，因此不会有两块相同 MAC 地址的网卡。这样，MAC 地址就可用做惟一标识设备的地址。第二层交换过程通过使用 MAC 地址在低层实现通信寻的，即是说，网络中的数据包最终是通过 MAC
16、 地址找到目标的。由于交换机在数据传递过程中不用检查第三层（网络层）的包头信息，而是直接由第二层帧结构中的 MAC 地址来决定数据的转发目标，因此，数据的交换过程几乎没有软件的参与，从而大大提高了交换进程的速率。1.4.1 MAC 地址表的建立在交换式网络中，各主机的 MAC 地址是存储在交换机的 MAC 地址表（也称 MAC 地址数据库）中的。MAC 地址表记录的是各主机 MAC 和对应的交换机的端口编号，故有时也称为 MAC 地址-端口表。交换机在工作过程中，会向 MAC 地址表不断写入新学到的 MAC 地址。一旦交换机掉电或重新上电后，其内部的 MA地址表会被自动清空或清空后又重新建立。图 1.3 所示，MAC 地址表的建立过程如下：a.工作站向目标主机（工作站 3）发送查询（目标 MAC）地址信息，此时，该信息会首先发送到本地交换机 Switch。b.本地交换机在收到查询信息后，会先将信息帧内的源 MAC 地址记录在自己的 MAC 地址表中。然后，交换机再向其他所有
