第五章 网络交换技术

交换机的重要技术参数
1. 转发技术： 交换机可采用直通转发和存储转发技术。
2. 延时： 交换机数据交换的延时为多少。
3. 管理功能： 交换机提供给用户多少可管理功能。
4. 单/多MAC地址类型： 每个端口是单MAC地址还是多MAC地址。
交换机的重要技术参数
5. 外接监视支持：
交换机是否允许外接监视工具管理端口、电路或交换机所有 流量。
支持的MAC地址数量 交换机能够识别连接在端口的计算机网卡的MAC地
址，但是有一定的数量限制。取决于交换机的MAC地址 表的大小。
以太网交换机的结构
可堆叠 “可堆叠”是指交换机可以通过堆叠模块，
将两台或更多的交换机逻辑上合并成一台交换 机，相当于扩展了端口数量。但堆叠与级联不 同，堆叠相当于并联电路，级联相当于串联电 路，并联的效率比串联的效率高得多。
网络拓扑结构 包括数据链路层的说明，定义了设备 的物理连接方式，如星状拓扑结构或总线状拓扑结构等。
错误校验 向发生传输错误的上层协议提出警告。
帧序列同步 重新整理并传输除序列以外的帧。
流控 可以延缓数据的传输能力，以使接收设备不会 因为在某一时刻收到了超过其处理能力的信息流而崩溃。
5.2.2 交换机的分类
交换机的性能
3. 包转发率： 即交换机每秒转发数据包的数量。
4. 延时： 交换机延时是指从交换机接收数据包到开始向目的端 口复制数据包之间的时间间隔。有许多原因影响延时 长短，比如转发技术等。采用直通转发的交换机有固 定的延时；而采用存储转发的交换机的延时则与数据 包大小有关。数据包大，则延时长；数据包小，则延 时短。
安全，支持TACACS＋、RADIUS等认 证机制
交换机的选择
2、分布层、接入层交换机的选型策略 1）灵活性 2）高性能 3）在满足技术性能要求的基础上，最好价
格便宜、使用方便、配置简单、即插即 用
5.5 交换机的连接
在交换机之间建立连接时,要考虑以下几方面: 1、冗余连接突破瓶颈
在以太网环境下是不允许出现环路的，扩展树则 可以在交换机之间实现冗余连接又避免出现环路。当 然，这要求交换机支持扩展树。 2、堆叠
存储转发的优点是可靠性高，容易支持不同速率的线路。缺 点是延迟较大。
存储转发的原理图
碎片隔离式
这是介于直通式和存储转发式之间的一种 解决方案，又称改进直通交换机。它把 进来的以太网帧的头64字节保存在缓冲 区里在转发前先检查数据包的长度是否 够64字节（512位），如果小于64字节， 说明是假包，则丢弃该包；如果大于64 字节，交换机再把正确的帧根据从映射 表中查得的端口发往目的地。
交换机、中型交换机、高端交换机
5.3 以太网交换机
5.3.1 以太网交换机的结构 5.3.2 以太网交换机的工作原理 5.3.3 以太网交换机的交换方式 5.3.4 交换机的性能
5.3.1 以太网交换机的结构
交换机的端口 端口是交换机连接网络传输介质的接口部分。目前
以太网交换机的端口多为RJ-45端口。如下图所示。一 般交换机的RJ-45端口数量为8的倍数，如8口、16口、 24口、32口等等。
直通交换的优点是延迟较小；缺点是坏帧也会转发出去。改 进型直通法是把近来的以太网帧的头64个字节保存在缓冲区里。 如果是坏帧，则几乎能在帧的头64个字节中就被检测出来。
直通交换原理图
存储转发方式
与直通方式不同的是增加了一个高速缓冲存储器。交换机把 接收到的完整的帧先放到高速缓冲器中缓存，检查错误，读取帧 的目的地址，查询断口的地址映射表，确定转发断口，再将该帧 转发到这个端口。
虚拟局域网
与堆叠方式恰恰相反，其原理与硬盘的逻辑分区类 似，把一台交换机的端口分成几组，一组称为一个虚拟 局域网。虚拟局域网之间的广播数据不能扩散到其他子 网中，以保障网络上资源的私有性和安全性。
可网管
可网管是指能够通过软件手段对交换机进行诸如查 看交换机的工作状态，开通或封闭某些端口等操作。对 于一个大中型网络来说，能够远程监视和控制交换机， 尤其是中心交换机，对于保障网络安全具有重要的实用 价值。
3. 循环步骤2，MAC地址表不断加入新的记录，直到MAC 地址表记录完整为止。如此时主机PC1再次发送数据帧 给PC3时，则直接将数据转发到E0/7端口，不再向其它 端口转发数据帧。
5.3.3 以太网交换机的交换方式
以太网交换机的交换方式主要有两种 ❖ 直通交换 ❖ 存储转发
直通交换方式
交换控制器接收到以太网端口送来的帧，检查和读出帧中的 目的地址信息，查询端口的地址映射表，如果与某站点地址相符， 就把该帧转发到相应端口，交换控制器不作任何处理。
第五章 网络交换技术
5.1 网络交换技术概述 5.2 交换机的功能及分类 5.3 以太网交换机 5.4 交换机的选择 5.5 交换机的连接 5.6 交换机技术发展展望 5.7 虚拟局域网
5.1 网络交换技术概述
交换机与集线器的区别体现在如下几个方 面：
（1）在OSI参考模型中的工作层次不同 （2）数据传输方式不同 （3）带宽占有方式不同 （4）传输模式不同
交换机是一种由多个在端到端基础上连接LAN段 或各种独立设备的高速端口组成的设备，为每一个独 立的端口提供全部的LAN介质带宽。
交换机主要完成OSI参考模型中物理层和数据链路 层的功能，主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、 错误校验、帧序列同步以及流量控制。
交换机的功能
物理编址 定义了设备在数据链路层的编址方式。
5.7.4 VLAN的类型
根据交换方式，VLAN可以分成3种类型：
1. 第二层VLAN 2. 第三层VLAN 3. ATM VLAN
另外，根据VLAN的划分方式，还可将其分为 更多的类型。接下来介绍VLAN的划分方式。
5.7.5 VLAN的划分方式
1. 按端口划分VLAN 将交换机中的某些端口定义为一个单独的区域，
5.3.2 以太网交换机的工作原理
它检测从以太网端口采集的数据帧的目的MAC地址， 然后与系统内部的MAC地址表对比，MAC地址表中记 录着网络中所有MAC地址与端口的对应信息，某一数据 帧需要转发时，交换机根据该数据帧的目的MAC地址查 找MAC地址表，得到该地址对应的端口，也即获知该 MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上，然后从 该端口转发数据。如果找不到对应的记录，此时就要发 送广播了。
交换机与网桥的比较
交换机和网桥的功能类似，都是将大型的网络划 分成较小的网段，从而将工作小组同其他工作小组在 本地的流量隔离开来，提高总体带宽。当然，交换机 和网桥也有着本质的区别，那就是交换机通常具有两 个以上的端口，支持多个独立的数据流，具有较高的 吞吐量。另外，将基于硬件的传输设备集为一体的交 换机，其包处理速度比网桥利用软件实现该功能的速 度快很多。
5.7.1 VLAN概述
▪
VLAN是指在交换局域网的基础上，采用网络管理
软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻
辑网络。
▪
VLAN允许处于不同地理位置的网络用户加入到一
个逻辑子网中。
▪
VLAN涉及到多种网络技术，如虚拟网络技术、分
布式路由技术、高速交换技术及网络管理技术。
5.7.2 VLAN的优点
提供堆叠接口的交换机之间可以通过专用的堆叠 线连接起来。 3、上联
交换机可以通过上联端口实现与骨干交换机的连 接。
5.6 交换机技术发展展望
1. 多层交换 2. 光交换 3. ATM与IP结合 4. MPLS交换机 5. 快速以太网交换机
5.7 虚拟局域网
虚拟局域网（VLAN）是一种发展很快的 局域网技术，其核心是通过路由和交换设备， 在网络物理结构的基础上建立逻辑网络，使得 网络中的任意节点能根据需要组成一个逻辑的 局域网。VALN具有高速、灵活、wk.baidu.com理简便和扩 展容易的特点，被广泛应用于局域网建设。
MAC地址学习
我们通过下面这个例子来看一下MAC地址表的学习过程。 1. 最初交换机MAC地址表为空，如下图。
2. 如果主机PC1发送数据帧给主机PC3，而此时，MAC地址表中没有记 录，交换机将向除E0/3以外所有的端口转发，在转发帧之前，它先 检查这个帧的源MAC地址（M1），并记录与只对应的端口（E0/3）， 于是交换机生成了（M1，E0/3）这样一条记录，并加入到MAC地址 表内。如下图。所以交换机是通过识别数据帧的源MAC地址学习 MAC地址到端口的映射的。
VLAN的IEEE专业标准有两个，一个是IEEE 802.10， 另外一个是IEEE 802.1Q，主要规定在现有的局域网物理 帧的基础上添加用于VLAN信息传输的标志位。
另外有些厂家，如Cisco、3Com等公司，还在自己的 产品中保留了他们开发的技术协议。影响较大的有Cisco 的ISL协议和VTP协议。
一个重要的比值
这里有一个重要的比值：
背板带宽/全双工端口总带宽（端口数*端口数率*2）
一般而言，这个比值越大，交换机就越趋近高性能线速无阻塞交换。
例如，Cisco Catalyst 2948交换机拥有48个10/100Base-TX端口， 可扩展2个1000Base-SX/LX端口，因此在满配置下，其全双工端口 总带宽为（48*100*2）+（2*1000*2）=13.6Gbps，那么它的背板带 宽有多高呢？——24Gbps，性能真不错。
目前以太网交换机的端口带宽有10M、10M/100M 自适应、10M/100M/1000M自适应等等。自适应是指端 口能够自动检测连接网络的设备的带宽，并适应该设备。
以太网交换机的结构
背板带宽 背板带宽也称背板吞吐量，类似于计算机主板上的
总线，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。一台交换机的背板带宽越高，处理 数据的能力就越强，同时价格也就越高。
从而形成一个VLAN。 这种方法的优点是配置起来非常方便，只要在交
6. 扩展树：
交换机是否提供扩展树算法或其他算法以检测并限制拓扑环。
7. 全双工：
交换机是否允许端口同时收/发，全双工通信。
8. 高速端口集成：
交换机是否提供高速端口连接。
5.4交换机的选择
1、核心交换机的选型策略 1） 高性能、高速率 2） 定位准确、便于升级和扩展 3） 高可靠性 4） 强大的网络控制能力，提供QoS和网络
控制广播风暴 VLAN作为一种网络分段技术，可将广播风暴限制
在一个VLAN内部，避免影响其他网段。
增强网络的安全性 采用VLAN提供的安全机制，可以限制特定用户的
访问，控制广播组的大小和位置，甚至锁定网络成员 的MAC地址，这样，就限制了未经安全许可的用户和 网络成员对网络的使用。
优化网络管理 采用VLAN技术，使用VLAN管理程序可对整个网
络进行集中管理，能够更容易地实现网络的管理性。
VLAN的应用
▪ VLAN的应用领域
1. 企业网和校园网 2. 宽带网建设中社区的中心和多个社区的汇聚层
▪ VLAN的典型应用
1. 利用VLAN组建部门局域网 2. 利用VLAN组建校园网 3. 利用VLAN设置共享资源
5.7.3 VLAN的技术标准
1. 从广义上分：广域网交换机、局域网交换机。 2. 从支持的网络技术上分：以太网交换机、令牌环交换
机、快速以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机等。 3. 从外观形态和功能上分：模块式交换机、固定端口交
换机。 4. 从应用规模上分：企业级交换机、部门级交换机、工
作组级交换机等。 5. 实用的交换机分类：低端固定交换机、低端可变端口
5.3.4交换机的性能
交换机的性能主要从以下几个方面来看：
1. 端口速率： 端口速率即交换机端口提供给数据资源设备独享
的带宽，它体现了交换机端口每秒吞吐多少数据包的 能力。
2. 背板带宽： 也称背板吞吐量，是交换机接口处理器或交换模
块和数据背板总线间所能吞吐的最大数据量。一台交 换机的背板带宽越高，处理数据的能力就越强，使得 交换机能够在高负荷下提供高速交换，但同时设计成 本也会上升。
几种典型的交换技术
1. 端口交换：用于将以太模块的端口在背板的多个网段 之间进行分配、平衡。可细分为模块交换、端口组交 换和端口级交换。
2. 帧交换：目前应用最广的局域网交换技术。可分为直 通交换和存储转发。
3. 信元交换：ATM使用的交换技术。
5.2 交换机的功能及分类
5.2.1 交换机的功能