交换机原理与试验

机。
(2) 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端口发送查询信息。
(3) 目标主机接收到该信息后，会通过交换机直接 对源地址主机进行响应。此时，交换机将工作站 3 的
MAC地址也记录在MAC地址表里。
(4) 两台主机(工作站1和工作站3) 进行点对点的连 接通信。
计算机网络工程
王晓燕
第2章交换机原理与实验
1 交换机的基本工作原理 2 所支持的网络协议 3基本使用与配置方法 4 举例配置VLAN
2.1交换机概述
交换机是目前局域网中使用最广的网络设备，它 工作在数据链路层。由于其能够根据局域网的拓扑结 构自动形成端口地址表，并依此表线速的转发数据包， 减少了网络冲突，增加了网络带宽。
(5) 如果两台主机在一定时间内未进行通信，交换
机将会定时刷新地址表里的地址记录。
HS1 HS2 OK 1 OK 2 PS
COLA CTSTA -
1 2 3 4 5 6 7 8 910 1112
CONSOLE
交换机
端口 2
端 口 11
查询
响应
工作Hale Waihona Puke Baidu1
工作站2
工作站3
图2.1 MAC地址表的建立
返回
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。交换 机在工作过程中，会向MAC地址表不断写入新获得的 MAC地址。一旦交换机重新启动后，其内部的MAC地 址表会自动重新建立。
1) MAC地址表的建立 如图2.1所示，MAC地址表的建立过程如下： (1) 工作站 1 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
有些交换机可以把存储转发与直通式两种技术结 合在一起使用。它们首先在交换机里设置一个错误检
测的门限值。当错误发生率低于该值时，使用直通式
的交换方法以减少数据的传输延迟；当错误发生率大 于该门限值时，交换机将自动改为存储转发交换方式，
从而保证了数据的正确性与准确性；在链路恢复正常
后，当错误发生率低于该门限值时，系统将再次回到 直通式工作。
由于交换机在数据传递工程中不用检查第三层的包头信息， 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。
交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传 输。每一个端口都可视为独立的网络，连接在其上的
网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争
2.1.1交换技术基础
交换是根据通信双方需要，用人工或自动的方法，把待传输的 信息发送到符合要求的线路上的技术统称。
在计算机网络，交换概念的提出是对传统共享工作模式（Hub）
的改进。 第二层交换过程通过使用MAC地址在低层实现通信寻址，即
网络中的数据包最终是通过MAC地址找到目标的。采用ARP协议。
2) MAC地址表的路由过滤
当交换机接收到一个数据帧时，它会首先检查数 据帧里的MAC地址，如果该地址未缓存在MAC地址表 里，交换机就向所有的其他端口发送查询信息；如果 该地址已缓存在MAC地址表里，交换机就会按照表中 的信息进行转发，而不会广播到其他端口，这样就可 以减少对资源的占用，显著提高信息的交换速率。 以上过程称为交换机MAC地址表的缓存过滤或路由过滤。
2) 直通式 直通式的以太网交换机可以理解为在各个端口间是纵
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，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内 部的动态查找表转换成相应的数据端口，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。
采用这种转发方式，数据帧在完全接收之前就已经转 发了。这种方法减少了传输的延迟，同时也削减了对数据 帧的错误检测能力。
2.1.2. 局域网的三种帧交换方式
局域网交换机在传送数据时，采用帧交换 (Frame Switching)技术，该技术包括三种主要的交换方式，即 存储转发(Store and Forward)、直通式(Cut Through)和 碎片隔离(Fragment Free)。
1) 存储转发 存储转发技术是最基本的交换技术之一。在转发 数据帧前，该数据帧将被完全接收并存储在缓冲器中， 数据帧从头到尾全部接收完毕才进行转发。其间，交 换机需要解读数据帧的目的地址与源地址，并在MAC 地址表中进行适当的过滤。 在存储转发过程中还要进行高级别的冗余错误检 测(CRC，Cyclical Redundancy Check)工作，如果所接 收到的数据帧存在错误、太短(小于64 B)或太长( 大于 1518 B)，最终都会被抛弃。 采用这种转发方式的交换机在接收数据帧时延迟 较大，且越大的数据帧延迟时间越长。
使用。 当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节 点C发送数据，而且这两条传输线路都有着自己的虚拟 连接，都享有网络的全部带宽。假使这里使用的是 10Mb/s的以太网交换机，那么该交换机这是的总流通 量就为20Mb/s，而使用10Mb/s的Hub，一个Hub的总流 通量不会超出10Mb/s
1. MAC地址表的建立与路由过滤
2.1.3 交换机的简单分类 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。 (1) 模块式：模块式交换机的模块可以插拔，模块 通常是 100 Mb/s 或 1000 Mb/s 光纤接口模块，或 1000 Mb/s的RJ-45接口模块，或堆叠模块。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。 (2) 固定配置式：固定配置式交换机的接口固定， 硬件不可升级。
3) 碎片隔离 碎片隔离技术是在直通式的基础上改进而成的。
碎片隔离技术是指当交换机接收数据帧时，一旦检测
到该数据帧不是冲突碎片(Collision Fragment)，则进行 转发操作。冲突碎片是因网络冲突而受损的数据帧碎
片，其特征是长度小于64 字节。冲突碎片不是有效的
数据帧，应被丢弃。 碎片隔离交换方式的错误检测级别要高于直通式 交换方式。