赫斯曼交换机内部培训资料
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数据链路层可以进一步分为 MAC 和 LLC: 2b: 逻辑链路控制子层 (LLC)
链路生成和中断、数据包流量控制、数据包排序、数据包确认 LLC提供了与传输介质无关的链路控制策略
2a: 媒介访问控制子层 (MAC)
发送方向功能:
从 LLC层接收数据 生成以太网帧 媒介访问控制 (CSMA/CD)
特点
TX
TX
- 设备之间点对点连接 - 每个连接本身采用CSMA/CD (大量的“冲突域”) 半双工 一条链路上两台设备同时发送数 据产生冲突
< <
9
6
3
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1
>
对于用户来讲，冲突是独立的，相互不影响。 冲突可以限制到单一的连接。
0
CB1e_3_L2.911
3-17
3-4
地址类型
Unicast
A Data From A To B C B
Broadcast
A
Data From A To all
B
C
Multicast
A Data From A To group
B
C
CB1e_3_L2.911
3-5
MAC地址
Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6
From PC 1
To PLC 2
P3 P1 P2
PC 1
From PLC 1 To RC 11
P5 P4
From PLC 1 From PC 1
To PLC 2
To RC 11
PLC 1
MC 20 RC 11 RC 12 RC 13
PLC 2
CB1e_3_L2.911
3-16
以太网交换机网络和半双工方式
网络设备制造商从IEEE购买地址范围， 网络地址的前3个字节作为制造 商的标识符。 剩下的3个字节由制造商自由分配。 MAC地址的48位全部为1时，被用作局域网广播地址 。
CB1e_3_L2.911
3-7
Exercise: MAC Address
查看你们本机的MAC地址
CB1e_3_L2.911
Layer 2: 数据链路层
CB1e_3_L2.911
3-1
MAC & LLC 子层
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3 2b LLC 2 2a MAC 1
Network
Data Link
Physical
CB1e_3_L2.911
3-2
MAC & LLC 层
交换机在接收数据帧时，在收 可 以 避 不能检测 到第64字节后才开始转发。 免 碎 片 其它错误 此方式下，转发延迟介于前两 冲突 帧 者之间。
3-22
无碎片转发(fragment free)
CB1e_3_L2.911
存储-转发 / 直通
以太网数据包
存储-转发
PA
读取所有的数据包并检查
72-1526 byte
Data packet
CB1e_3_L2.911
3-19
交换机的基本功能——小结
否
广播帧或者 多播帧
转发到其他 所有端口
没有找到 匹配
目的端口是否等 于收到数据的端 口？
是
单播帧
查询目 的地址
找到匹配
丢弃该帧
MAC地址表
发送到目的 端口
CB1e_3_L2.911
3-20
交换机的关键指标
交换模式
端口密度
端口密度是对端口数量的一种衡量标准，它是表示一台交换机最多能 包含的端口数量。端口密度越大的交换机，其单端口成本可能越小。
CB1e_3_L2.911
3-27
优点: 访问列表较少，增强了交换机的性能；
如果不采用地址老化，输入的地址作为“静态地址” 状态从“young”到“middle”和“old”, 随着老化时间到了以后改变，最 终删除； 缺省老化时间设置: 300 s = 5 min 设置范围: 10 s ( tAging ( 1 million s））
young
middle
old
tAgi ng
tAgi ng
tAgi ng
CB1e_3_L2.911
3-14
以太网交换机的工作原理 1/2
访问列表 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Port 5
From PC 1 To PLC 2
P3 P1 PC 1 P2
PC 1 RC 11 PLC 2 MC 20 PLC 1 RC 12 RC 13
Port: 1
MAC address 00:08:74:E9:C8:4E
2
3 4 00:08:74:D3:04:5D
old
tAging
CB1e_3_L2.911
3-12
地址管理: 转发地址库
交换机内部有一个访问地址列表，其中列出了每个端口检测到的源地址。 PORT 1 1 1 2 2 ADDRESS 008063010203 008063010204 0080632A1C23 008063010205 0080634B7D1A
3-8
交换机
A
B
C
CB1e_3_L2.911
3-9
Switch I
同义词: 网桥, Mac 层网桥
功能:
将数据发送到目的地址所在的端口。对于未知目的地址，将数据发送到所 有其他端口(flooding) 具有MAC 地址的学习功能(hardware) 不转发冲突和破损数据包（减少网络总体负载）
以太网交换机网络和全双工方式
特点
- 设备之间点对点连接 - 收发同时进行(没有冲突域)
9
6
3
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1
全双工 一条链接两端的设备同时发送而不 会产生冲突
< < > 0
用户之间独立通信，没有冲突产生。
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3-18
包过滤
Data packet
Data packet
FCS
交换模式
描述
优点
缺点 错误率高
直通转发(cut through)
存储转发(store and forward)
交换机在接收数据帧时，一旦 检测到目的地址就转发此帧。
转发延 迟小
交换机收完整个数据帧，并在 CRC 校验通过后，才转发此帧 错 误 率 转发延迟 。若 CRC 校验失败，即数据帧 低 大 有错，则丢弃此帧。
Type field: Value > 1.536
Type
PDU
FCS
IFG
Preamble
IEEE-802.3 frame
Preamble SFD Destination Source address address
Length field: Value < 1.536
Length
LLC
PDU
FCS
2、过小的缓存空间在发生拥塞时又容易丢包出错。
适当的缓存空间加上先进的队列调度算法是解决拥塞问题的合理方式。
CB1e_3_L2.911
3-25
MAC表项
最大MAC地址数 最大MAC地址数是指MAC地址表的最大容量，也就是交换机可以学习到的 最大的MAC地址数，该指标反映了交换机可同时连接的最大设备数。
00 : 80 : 63 : 01 : 00 : 5e : FF : FF : FF :
xx : xx : xx xx : xx : xx FF : FF : FF
Multicast:
Broadcast:
CB1e_3_L2.911
3-6
MAC地址是网络设备的硬件标识符，也是全球唯一的。
MAC地址由6个字节/48位组成, 16进制格式编写。
符号:
所属网络层: OSI网络参考模型的第二层
CB1e_3_L2.911
3-10
Switch II
网络访问: 对于同一个冲突域，采用CSMA/CD 介质访问机制 在交换机之间，交换机和支持全双工的工作站之间，不采用 CSMA/CD，而采用同时收发方式。 交换机网络: 每个端口均可使用全部带宽
最大老化时间 动态MAC地址表是动态更新的，表中的每一条表项都是有寿命限制的，如 果在一定时间（即最大老化时间）内一直都没有使用某条表项，那么，它将 超时并被自动删除。
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3-26
端口密度
端口速率
目前，普通交换机的端口速率还是以百兆和千兆为主，但也有不少骨 干交换机的端口提供万兆速率。
优点:
对于双绞线端口，具有10 /100 Mbit/s 自适应功能 直接安装，即插即用 通过包过滤支持安全功能 通过STP 和RSTP支持网状网络结构(15 ... 60 秒恢复时间)
缺点: 使用某些功能需要进行复杂的配置。
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3-11
地址转发表和老化时间
P5 P4
From PC 1
To PLC 2
PLC 2 PLC 12
MC 20
RC 11
RC 12
RC 13
CB1e_3_L2.911
3-15
以太网交换机的工作原理 2/2
访问列表 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Port 5 PLC 1 RC 11 PLC 2 MC 20 PLC 1 RC 12 RC 13
接收方向功能
从层1接收比特数据流 检查长度 拒绝无效数据包 检查数据帧中的比特位错误 将数据发送给LLC子层
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3-3
以太网帧
Ethernet-V2.0 Frame
Preamble SFD Destination Source address address
CB1e_3_L2.911
3-24
包缓存
包缓存
包缓存也就是包缓存区大小。当交换机端口发生拥塞时，为了避免 丢帧，交换机会将来不及处理的数据帧暂存起来，这个暂存的空间就是 包缓存区。 包缓存区大小要适度，原因如下： 1、过大的缓存区间会影响正常通信状态下数据包的转发速度（因为过 大的缓存空间需要相对多一点的寻址空间），并增加设备的成本；
背板带宽
包缓存 MAC表项 端口密度
CB1e_3_L2.911
3-21
交换模式
6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes
DA
Cut through Fragment free Store&forward
SA
Type
Data Payload
在第一次检测到源地址时，该地址被输入到访问地址列表中，这就叫“地 址学习”。如果交换机发现该地址已经在访问列表中，则aging timer将被 复位.
Biblioteka Baidu
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3-13
地址老化算法
如果某个地址已经在访问列表中，但在所谓“地址老化时间”内未能 再次检测到，则将它从访问列表中删除。
x
x
x
x
x
x U/L I/G
"0" Individual address "1" Multicast address
“0” Globally administered address “1” Locally administered address
Start of Frame Delimiter
Manufacturer ID:
直通
仅读取到目的地地址位为止
14 byte
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3-23
背板带宽
背板带宽
背板带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的 最大数据量。背板带宽越高，交换机所能处理数据的能力就越强，但 同时设计成本也会上去。 如果一台交换机能实现全双工无阻塞交换，那么它的背板带宽值 应该大于端口总数×最大端口带宽×2。如果大于，证明这台交换机 具有发挥最大数据交换的条件。
IFG
Preamble
LLC field: Value = FF FF FFh
Length: 64 bytes - 1518 bytes
7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes min. 46 bytes / max. 1500 bytes 4 bytes
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链路生成和中断、数据包流量控制、数据包排序、数据包确认 LLC提供了与传输介质无关的链路控制策略
2a: 媒介访问控制子层 (MAC)
发送方向功能:
从 LLC层接收数据 生成以太网帧 媒介访问控制 (CSMA/CD)
特点
TX
TX
- 设备之间点对点连接 - 每个连接本身采用CSMA/CD (大量的“冲突域”) 半双工 一条链路上两台设备同时发送数 据产生冲突
< <
9
6
3
F1
F2
F3
F4
F5
F6
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F1
>
对于用户来讲，冲突是独立的，相互不影响。 冲突可以限制到单一的连接。
0
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3-4
地址类型
Unicast
A Data From A To B C B
Broadcast
A
Data From A To all
B
C
Multicast
A Data From A To group
B
C
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3-5
MAC地址
Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6
From PC 1
To PLC 2
P3 P1 P2
PC 1
From PLC 1 To RC 11
P5 P4
From PLC 1 From PC 1
To PLC 2
To RC 11
PLC 1
MC 20 RC 11 RC 12 RC 13
PLC 2
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3-16
以太网交换机网络和半双工方式
网络设备制造商从IEEE购买地址范围， 网络地址的前3个字节作为制造 商的标识符。 剩下的3个字节由制造商自由分配。 MAC地址的48位全部为1时，被用作局域网广播地址 。
CB1e_3_L2.911
3-7
Exercise: MAC Address
查看你们本机的MAC地址
CB1e_3_L2.911
Layer 2: 数据链路层
CB1e_3_L2.911
3-1
MAC & LLC 子层
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3 2b LLC 2 2a MAC 1
Network
Data Link
Physical
CB1e_3_L2.911
3-2
MAC & LLC 层
交换机在接收数据帧时，在收 可 以 避 不能检测 到第64字节后才开始转发。 免 碎 片 其它错误 此方式下，转发延迟介于前两 冲突 帧 者之间。
3-22
无碎片转发(fragment free)
CB1e_3_L2.911
存储-转发 / 直通
以太网数据包
存储-转发
PA
读取所有的数据包并检查
72-1526 byte
Data packet
CB1e_3_L2.911
3-19
交换机的基本功能——小结
否
广播帧或者 多播帧
转发到其他 所有端口
没有找到 匹配
目的端口是否等 于收到数据的端 口？
是
单播帧
查询目 的地址
找到匹配
丢弃该帧
MAC地址表
发送到目的 端口
CB1e_3_L2.911
3-20
交换机的关键指标
交换模式
端口密度
端口密度是对端口数量的一种衡量标准，它是表示一台交换机最多能 包含的端口数量。端口密度越大的交换机，其单端口成本可能越小。
CB1e_3_L2.911
3-27
优点: 访问列表较少，增强了交换机的性能；
如果不采用地址老化，输入的地址作为“静态地址” 状态从“young”到“middle”和“old”, 随着老化时间到了以后改变，最 终删除； 缺省老化时间设置: 300 s = 5 min 设置范围: 10 s ( tAging ( 1 million s））
young
middle
old
tAgi ng
tAgi ng
tAgi ng
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3-14
以太网交换机的工作原理 1/2
访问列表 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Port 5
From PC 1 To PLC 2
P3 P1 PC 1 P2
PC 1 RC 11 PLC 2 MC 20 PLC 1 RC 12 RC 13
Port: 1
MAC address 00:08:74:E9:C8:4E
2
3 4 00:08:74:D3:04:5D
old
tAging
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3-12
地址管理: 转发地址库
交换机内部有一个访问地址列表，其中列出了每个端口检测到的源地址。 PORT 1 1 1 2 2 ADDRESS 008063010203 008063010204 0080632A1C23 008063010205 0080634B7D1A
3-8
交换机
A
B
C
CB1e_3_L2.911
3-9
Switch I
同义词: 网桥, Mac 层网桥
功能:
将数据发送到目的地址所在的端口。对于未知目的地址，将数据发送到所 有其他端口(flooding) 具有MAC 地址的学习功能(hardware) 不转发冲突和破损数据包（减少网络总体负载）
以太网交换机网络和全双工方式
特点
- 设备之间点对点连接 - 收发同时进行(没有冲突域)
9
6
3
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F1
全双工 一条链接两端的设备同时发送而不 会产生冲突
< < > 0
用户之间独立通信，没有冲突产生。
CB1e_3_L2.911
3-18
包过滤
Data packet
Data packet
FCS
交换模式
描述
优点
缺点 错误率高
直通转发(cut through)
存储转发(store and forward)
交换机在接收数据帧时，一旦 检测到目的地址就转发此帧。
转发延 迟小
交换机收完整个数据帧，并在 CRC 校验通过后，才转发此帧 错 误 率 转发延迟 。若 CRC 校验失败，即数据帧 低 大 有错，则丢弃此帧。
Type field: Value > 1.536
Type
PDU
FCS
IFG
Preamble
IEEE-802.3 frame
Preamble SFD Destination Source address address
Length field: Value < 1.536
Length
LLC
PDU
FCS
2、过小的缓存空间在发生拥塞时又容易丢包出错。
适当的缓存空间加上先进的队列调度算法是解决拥塞问题的合理方式。
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3-25
MAC表项
最大MAC地址数 最大MAC地址数是指MAC地址表的最大容量，也就是交换机可以学习到的 最大的MAC地址数，该指标反映了交换机可同时连接的最大设备数。
00 : 80 : 63 : 01 : 00 : 5e : FF : FF : FF :
xx : xx : xx xx : xx : xx FF : FF : FF
Multicast:
Broadcast:
CB1e_3_L2.911
3-6
MAC地址是网络设备的硬件标识符，也是全球唯一的。
MAC地址由6个字节/48位组成, 16进制格式编写。
符号:
所属网络层: OSI网络参考模型的第二层
CB1e_3_L2.911
3-10
Switch II
网络访问: 对于同一个冲突域，采用CSMA/CD 介质访问机制 在交换机之间，交换机和支持全双工的工作站之间，不采用 CSMA/CD，而采用同时收发方式。 交换机网络: 每个端口均可使用全部带宽
最大老化时间 动态MAC地址表是动态更新的，表中的每一条表项都是有寿命限制的，如 果在一定时间（即最大老化时间）内一直都没有使用某条表项，那么，它将 超时并被自动删除。
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3-26
端口密度
端口速率
目前，普通交换机的端口速率还是以百兆和千兆为主，但也有不少骨 干交换机的端口提供万兆速率。
优点:
对于双绞线端口，具有10 /100 Mbit/s 自适应功能 直接安装，即插即用 通过包过滤支持安全功能 通过STP 和RSTP支持网状网络结构(15 ... 60 秒恢复时间)
缺点: 使用某些功能需要进行复杂的配置。
CB1e_3_L2.911
3-11
地址转发表和老化时间
P5 P4
From PC 1
To PLC 2
PLC 2 PLC 12
MC 20
RC 11
RC 12
RC 13
CB1e_3_L2.911
3-15
以太网交换机的工作原理 2/2
访问列表 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Port 5 PLC 1 RC 11 PLC 2 MC 20 PLC 1 RC 12 RC 13
接收方向功能
从层1接收比特数据流 检查长度 拒绝无效数据包 检查数据帧中的比特位错误 将数据发送给LLC子层
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3-3
以太网帧
Ethernet-V2.0 Frame
Preamble SFD Destination Source address address
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3-24
包缓存
包缓存
包缓存也就是包缓存区大小。当交换机端口发生拥塞时，为了避免 丢帧，交换机会将来不及处理的数据帧暂存起来，这个暂存的空间就是 包缓存区。 包缓存区大小要适度，原因如下： 1、过大的缓存区间会影响正常通信状态下数据包的转发速度（因为过 大的缓存空间需要相对多一点的寻址空间），并增加设备的成本；
背板带宽
包缓存 MAC表项 端口密度
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3-21
交换模式
6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes
DA
Cut through Fragment free Store&forward
SA
Type
Data Payload
在第一次检测到源地址时，该地址被输入到访问地址列表中，这就叫“地 址学习”。如果交换机发现该地址已经在访问列表中，则aging timer将被 复位.
Biblioteka Baidu
CB1e_3_L2.911
3-13
地址老化算法
如果某个地址已经在访问列表中，但在所谓“地址老化时间”内未能 再次检测到，则将它从访问列表中删除。
x
x
x
x
x
x U/L I/G
"0" Individual address "1" Multicast address
“0” Globally administered address “1” Locally administered address
Start of Frame Delimiter
Manufacturer ID:
直通
仅读取到目的地地址位为止
14 byte
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3-23
背板带宽
背板带宽
背板带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的 最大数据量。背板带宽越高，交换机所能处理数据的能力就越强，但 同时设计成本也会上去。 如果一台交换机能实现全双工无阻塞交换，那么它的背板带宽值 应该大于端口总数×最大端口带宽×2。如果大于，证明这台交换机 具有发挥最大数据交换的条件。
IFG
Preamble
LLC field: Value = FF FF FFh
Length: 64 bytes - 1518 bytes
7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes min. 46 bytes / max. 1500 bytes 4 bytes
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