交换机概述

MAC Database Instability
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Host X sends a unicast frame to router Y. MAC address of router Y has not been learned by either switch. Switches A and B learn the MAC address of host X on port 0. The frame to router Y is flooded. Switches A and B incorrectly learn the MAC address of host X on port 1.
MAC Address Table
• Initial MAC address table is empty.
Learning Addresses
• Station A sends a frame to station C. • Switch caches the MAC address of station A to port E0 by learning the source address of data frames. • The frame from station A to station C is flooded out to all ports except port E0 (unknown unicasts are flooded).
如果目的硬件地址是已知的且已列在数据库中,帧就 如果目的硬件地址是已知的且已列在数据库中 帧就 只被发送到正确的外出接口。 只被发送到正确的外出接口。交换机不会将帧送往 除了目的地接口之外的任何其他接口,这样就保留了 除了目的地接口之外的任何其他接口 这样就保留了 在其他网段上的带宽,这种方式称为帧过滤 这种方式称为帧过滤。 在其他网段上的带宽 这种方式称为帧过滤。 如果目的硬件地址没有被列在MAC数据库中 帧就被 数据库中,帧就被 如果目的硬件地址没有被列在 数据库中 广播到除了发送帧的接口之外的所有其他活动的接 如果某台设备响应了此广播,MAC数据库就会用 口。如果某台设备响应了此广播 数据库就会用 此设备的接口地址(位置 进行更新。 位置)进行更新 此设备的接口地址 位置 进行更新。
第一章 交换机概述
局域网交换技术是作为对共享式局域网提供 有效的网段划分的解决方案而出现的， 有效的网段划分的解决方案而出现的，它可 以使每个用户尽可能地分享到最大带宽。 以使每个用户尽可能地分享到最大带宽。 讨论交换时, 一般都是第2层交换 层交换,除非另有所 讨论交换时 一般都是第 层交换 除非另有所 指。
交换机的作用
交换机在以太网中起到数据报文转发的作 用。 基于MAC地址进行数据包的转发（减少广 播的次数）。 隔离冲突域（但交换网络仍然在一个广播 域内）。 低成本、低延时（交换机使用专用集成电 路(ASIC)来创建并维护其过滤表）
冲突域 和 广播域
冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合， 冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合， 或者说同一物理端上所有节点的集合， 或者说同一物理端上所有节点的集合，或者以太 网上竞争同一带宽的节点集合。 网上竞争同一带宽的节点集合。 广播域：接受同样广播消息的节点集合， 广播域：接受同样广播消息的节点集合，即同一 广播包能到达的所有设备成为一个广播域。 广播包能到达的所有设备成为一个广播域。当这 些设备中的一个设备发出一个广播时， 些设备中的一个设备发出一个广播时，所有其他 设备都能收到这个广播帧。 设备都能收到这个广播帧。
Learning Addresses (Cont.)
• Station D sends a frame to station C. • Switch caches the MAC address of station D to port E3 by learning the source address of data frames. • The frame from station D to station C is flooded out to all ports except port E3 (unknown unicasts are flooded).
转发/过滤决定 转发 过滤决定(Forward/filter decisions)：当在 过滤决定 ： 某个接口上收到帧时,交换机就查看其目的硬件地 某个接口上收到帧时 交换机就查看其目的硬件地 并在MAC数据库中找到其外出的接口。帧只被 数据库中找到其外出的接口。 址,并在 并在 数据库中找到其外出的接口 转发到指定的目的端口。 转发到指定的目的端口。
通过交换机组建局域网的特点：
独占带宽 通过MAC地址表进行数据转发
数据链路层的3种交换功能
地址学习(Address Leaning) ：第2层交换机和网桥能够 地址学习 层交换机和网桥能够 记住在一个接口上所收到的每个帧的源设备硬件地址,而 记住在一个接口上所收到的每个帧的源设备硬件地址 而 且它们会将这个硬件地址信息输人到被称为转发/过滤表 且它们会将这个硬件地址信息输人到被称为转发 过滤表 数据库中。 的MAC数据库中。 数据库中
当某台设各发送帧而某个接口收到帧时,交换机就将帧的源地 当某台设各发送帧而某个接口收到帧时 交换机就将帧的源地 址放入MAC转发 过滤表中 这使得它能够记住发送帧的源设各 转发/过滤表中 址放入 转发 过滤表中,这使得它能够记住发送帧的源设各 位于哪个接口上。然后,交换机只能将这个帧扩散到网络中 交换机只能将这个帧扩散到网络中,因 位于哪个接口上。然后 交换机只能将这个帧扩散到网络中 因 为它并不知道目的设各实际上在哪里。 为它并不知道目的设各实际上在哪里。 如果某台设备响应了此广播帧,交换机就会从那个帧中取出源 如果某台设备响应了此广播帧 交换机就会从那个帧中取出源 地址,将此 将此MAC地址放人其数据库中 并将此地址与收到帧的接 地址放人其数据库中,并将此地址与收到帧的接 地址 将此 地址放人其数据库中 口联系起来。 口联系起来。由于交换机现在在其过滤表中有了两个相关的 MAC地址 所以这两台设各现在就可以实现点到点的连接了。 地址,所以这两台设各现在就可以实现点到点的连接了 地址 所以这两台设各现在就可以实现点到点的连接了。 现在,交换机不需要像第一次转发帧时那样进行广播了 交换机不需要像第一次转发帧时那样进行广播了,因为帧 现在 交换机不需要像第一次转发帧时那样进行广播了 因为帧 现在能够只在这两台设备之间进行转发。正是由于这一点,使 现在能够只在这两台设备之间进行转发。正是由于这一点 使 得第2层交换机比集线器的性能要好得多 层交换机比集线器的性能要好得多。 得第 层交换机比集线器的性能要好得多。
局域网3种帧交换方式
存储转发：
交换机地将帧向目的端口转发之前要先收到并处理完整 的帧。使用这种方法，交换机要收到完整的帧并进行循 环冗余( C R C)校验，还要确定目的地址。交换机要将整 个帧存储在内存里的缓冲区中，直到它获得有效资源并 将其发往目的地为止。 存储转发法的好处是能够抛弃小于6 4字节的帧(r u n t帧)， 以及其他任何受损的帧，这样，这些帧就不会再回到网 络中。 这种方法的缺点是延迟较大，因为它在转发之前要收到 并处理完整的帧。
自由分段：
自由分段技术是在直接转发技术的基础上改进的。 自由分片法在转发一个帧之前要先看它是不是冲 突碎片。冲突碎片通常小于6 4字节，如果帧超过 6 4字节，自由分片法就认为它是合法的。
交换机的组成
硬件组成 MPU(MAC处理器） 背板交换矩阵（总线） RAM(存储正在运行的配置文件,缓存) FLASH（负责保存OS的映像和路由器的微码） NVRAM（保存配置件） ROM（加载OS） 接口（完成路由器与其它设备的数据交换） 软件结构 BOOT ROM：主要功能是路由器加电后完成有关初始 化工作，并向内存中加入操作系统代码 交换机操作系统：交换机上运行的软件平台
Broadcast Storms
• Host X sends a broadcast. • Switches continue to propagate(传播 broadcast 传播) 传播 traffic over and over.
Multiple Frame Copies
• Host X sends a unicast frame to router Y. • MAC address of router Y has not been learned by either switch yet. • Router Y will receive two copies of the same frame.
Filtering Frames
• Station A sends a frame to station C. • Destination is known; frame is not flooded.
Filtering Frames (Cont.)
• Station A sends a frame to station B. • The switch has the address for station B in the MAC address table.
避免环路(Loop avoidance) 如果为了提供 避免环路 冗余而在交换机之间创建了多个连接,网络 冗余而在交换机之间创建了多个连接 网络 中就可能产生环路。在提供冗余的同时,可 中就可能产生环路。在提供冗余的同时 可 使用生成树协议(Spanning Tree 使用生成树协议 Protocol,STP)来防止产生网络环路。 来防止产生网络环路。 来防止产生网络环路
直通转发：
交换机一确定目的M A C地址和正确的端口号，就立即将帧转发 出去。通常情况下，大约在收到帧头1 4个字节左右就开始转发。 这使得直通法比存储转发法具有更小的延迟时间，因为直通法总 是尽可能快地转发数据帧。 直通法有几个问题，一是它连小于6 4字节的帧以及一些坏帧也 一块儿转发；第二个问题是该方法要求交换机的所有端口要以同 样的速率工作，换句话说，如果你正用一个1 0 M b p s以太网交 换机，那么你不能有快速以太网上行链路，原因在于直通法在转 发帧的过程中不能有任何间隙，而任何时候从低速率转换到高速 率时都会有一个间隙，除非使用某种类型的缓冲。
交换机的简单分类
按照端口速率划分：10M以太网交换机， 100M快速以太网交换机、千兆以及万兆以太 网交换机。 按照端口处理信号的不同：电信号交换机， 光信号交换机 按照交换机工作的OSI模型层次划分：二层 交换机，三层交换机，高层交换机
共享式与交换式网络
通过集线器（HUB）组建局域网的特点：
从逻辑结构上来说，集线器所构建的网络是总线 型网络。 共享信道带宽。 广播方式。
交换机之间存在冗余链路是一件好事,这是因为 交换机之间存在冗余链路是一件好事 这是因为, 这是因为 万一某条链路出了故障的话,它们就可以用来防 万一某条链路出了故障的话 它们就可以用来防 止整个网络失效。 止整个网络失效。 如果网络中没有采取避免环路的措施,交换机将 如果网络中没有采取避免环路的措施 交换机将 通过互联网络无止境地扩散广播帧。这有时被 通过互联网络无止境地扩散广播帧。 称为广播风暴。 称为广播风暴。
Redundant Topology
Redundant topology eliminates(除去) single points of failure. Redundant topology causes broadcast storms, multiple frame copies, and MAC address table instability(不稳定) problems.