交换技术基础【DOC精选】.docVIP

第3章 交换技术基础 交换（switching）是根据通信双方的需要，用人工或者自动的方法，把待传输的信息发送到符合要求的线路上的技术统称。一般意义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。 在计算机网络中，交换概念的提出是对传统共享工作模式的改进。如前所述，集线器是物理层共享设备，其本身不能识别数据包的目的地址，当同一局域网内的主机A向主机B传送数据时，数据在集线器架构的网络上是以广播的方式传输的，由每一台主机通过验证数据包报头的地址信息来决定是否接收。这样就意味着在这种工作模式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧，如果发生冲突（碰撞，由主机检测）还要重试，这种方式就是共享网络带宽。 交换机拥有一条很高带宽的内部总线和内部交换机构。交换机的所有端口都挂接在这条内部总线上。二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的MAC地址表中。当目的MAC地址不存在时，将数据广播到除源端口以外的其它所有端口。 交换技术通过减少通信、增加带宽，降低了以太局域网网、令牌环局域网、FDDI中的拥塞现象。交换机为所连接的两台连网设备提供一条独享的点到点的虚线路，因此避免了冲突。交换机工作在全双工模式之下，这意味着可以同时发送和接收数据。 3.1 交换机原理 3.1.1 交换机的地址学习 第二层交换主要是依靠网络主机NIC上的物理硬件地址（MAC地址）完成的。第二层交换过程通过使用MAC地址在底层实现了信息交换。交换机通过使用大规模集成电路的ASIC来进行全线速的数据建立与维护。 在二层交换中，交换机在数据传递过程中不检查第三层网络层的报头信息，而是直接由第二层数据链路帧结构中的MAC地址来决定数据的传递方向。这样所有交换过程几乎都没有软件的参与，效率提高。 交换机通过读取所传输的数据帧的原地址和记录帧进入的交换机的端口来学习网络上每台设备的地址。然后，交换机将这些信息添加到它的转发数据库或MAC地址表中。地址是动态学习到的。也就是说，当交换机读取到新的源地址是，它就学习到了新地址，交换机就会把该地址存储在内容可寻址存储器（CAM）中。当在CAM中没有传送包的源地址时，它被学习并存储以备将来使用。每次存储时，地址都被打上时间标记。每次地址被引用或在CAM中找到，它都将收到一个新的时间标记。那些一段时间内还没有被引用的地址将从列表中移走。通过移走过时的或老的地址，CAM维护了一个精确和有用的转发地址数据库。当更换一台设备的网络接口卡时，这一点就显得尤为重要。 我们以具体事例来说明交换机的地址学习过程。交换机重新启动后，其MAC地址表会被自动清空，即交换机初始化时MAC地址表是空的。已知交换机上连接四台主机，交换机处于刚开机的促使化状态，MAC地址表为空，如图3-1所示。 这时，主机A准备好了数据帧要发送给主机C，A发送的帧要将穿过交换机。当这个帧穿过交换机的时候，交换机会查看它的MAC地址，以发现源MAC地址并将其和对应端口存储到交换机的MAC地址表中。当交换机要转发帧时，它会检查该帧的目的MAC地址，然后查找自己的CAM，查找和目的MAC地址相匹配的表项，以确定哪一个端口能够到达目的地。由于这时MAC地址表为空，没有该地址的相应条目，交换机不知道应该将数据帧发给哪个端口，于是交换机就向除了F0/1号端口之外的其他所有端口广播该数据帧，执行广播操作flooding，如图3-2所示。当主机C响应主机A的时候，交换机就会把主机B的MAC地址当作源地址，并在CAM中未主机B添加了响应条目，经过一定的时延，交换机会学习到所有的主机及其所在端口号的映射关系，MAC地址表的构建完成。 图3-1 交换机初始化时的MAC地址表 图3-2 未知目的MAC广播 在MAC地址表构建完成之后，主机A又要向主机C发送数据帧，交换机在收到该数据帧后，检查自己的MAC地址表，查找和目的MAC地址相匹配的表项，查找出该目的MAC在端口F0/3上，于是交换机就将该数据帧发送到端口F0/3上，执行过滤操作Filtering，如图3-3所示。因此在后续的传输中，交换机就能够在网络中更有效率地传输流量。 图3-3 已知目的MAC单播（Filtering） 3.1.2 交换机的数据转发方式 通过交换机的数据转发数据帧有三种交换方式：直通式、存储转发式和无碎片交换。 1．直通式（Cut Through Switching） 直通方式可以理解为在各端口之间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该数据包的报头，获取目的地址，查找内部的MAC地址表将目的地址转换为相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，时延非