交换机基础知识教学课件

根据传输介质、传输速度以及发展历史上看， 局域网交换机有这样一些类型：
◦ 以太网交换机 ◦ 快速以太网交换机 ◦ 千兆以太网交换机 ◦ 万兆以太网交换机 ◦ FDDI交换机 ◦ ATM交换机 ◦ 令牌环交换机 ◦ ……
根据架构特点，人们还将局域网交换机分为
机架式 如CISCO 4500 6500系列 带扩展槽固定配置式 不带扩展槽固定配置式
传输数据。
总结：
交换机与集线器有着本质的不同，无论在工 作层次、通讯方式、传输速度和可管理性上，都 都存在明显的差别，交换机与集线器相比具有无 与伦比的优势。目前，交换机已经成为组网中的 普遍使用的网络连接设备，而集线器已经逐渐在 退出历史舞台。
2.2交换机工作原理
◦ 描述二层交换机和透明桥是如何转发分组 的.
交换机的端口速率：每秒通过的比特数。
10Mbps 100Mbps 1000Mbps 10000Mbps
模块化与固定配置
模块化交换机：具有很强的可扩展性，可在机箱内提供一系列扩展模 块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网 模块、令牌环模块等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构 的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机 一般作为骨干交换机来使用。
音通讯。 数据交换机（Switch）： 应用于计算机网络。
注意：我们重点学习的是数据交换机。
背板带宽与端口速率 模块化与固定配置 专用芯片与通用芯片 单/多MAC地址类型
背板带宽与端口速率
背板带宽和端口速率是衡量交换机的交换能力 的主要参数。
背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。
◦ 描述LAN交换机如何学习和使用MAC地址 的.
Mac地址有4 8位，但它通常被表示为12位的点分 十六进制数。
Mac地址全球唯一，由 I E E E对这些地址进行管理 和分配。每个地址由两部分组成，分别是供应商代 码和序列号。其中前2 4位二进制代表该供应商代 码。剩下的24位由厂商自己分配。
概念： 交换机将数据从一个端口转发至到另一个端口
的处理方式称为交换模式。
类型： •存储转发（Store and Forward ） •直通交换（Cut—Through ） •碎片丢弃（Fragmentfree）
存储转发(Store and Forward)
特点：交换机接收到数据包后，首先将数据包存储 到缓冲器中，进行CRC循环冗余校验,如果这 个数据包有CRC错误，则该包将被丢弃；如 果数据包完整，交换机查询地址映射表将其 转发至相应的端口。
和端口的映射则直接转发,无须扩散.
2.3 交换机的分类与性能指标
从应用区域划分：广域网交换机和局域网交换机 广域网交换机: 主要应用于电信领域，提供通信基础
平台。 局域网交换机则: 应用于局域网络，用于连接终端
设备，如PC机及网络打印机等。
注意：我们重点学习的是局域网交换机。
按组建园区网的网络拓扑结构层次，可划分为：接入 层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。
2.4 交换机的接口与连接方式
交换机的接口是随着网络类型的变化和传输 介质的发展而产生的不同的接口规格，主要有：
◦ 双绞线RJ-45接口 ◦ 光纤接口 ◦ AUI接口与BNC ◦ Console接口
双绞线RJ-45接口 数量最多、应用最广
的一种接口类型，它属于 以太网接口类型。它不仅 在最基本的10Base-T以太 网网络中使用，还在目前 主流的100Base-TX快速以 太网和1000Base-TX千兆以 太网中使用。
单/多MAC地址类型
单MAC交换机：每个端口只有一个MAC地址 多MAC交换机：每个端口捆绑有多个MAC硬件地址
单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共 享资源或非桥接路由器，它们不能用于连接集线器 或含有多个网络设备的网段；多MAC交换机的每个端 口可以看作是一个集线器，而多MAC交换机可以看作 是集线器的集线器。
• 交换机将向除了E3之外的所有接口扩散这个数据帧,因为在MAC地址表中
没有工作站C的MAC地址. • 如果工作站C有回应,则交换机将缓存工作站C的MAC地址到MAC地址表中.
• 工作站A向工作站C发送数据帧.
• 由于目的MAC地址已经获得;因此,将按照MAC表中所指示的 接口转发数据帧,不会扩散帧.
• 交换机缓存工作站A的MAC地址到MAC地址表中.
• 由于在MAC地址表中没有C的MAC地址,交换机向除了E0接口之外的
所有其他接口扩散(flooding)这个数据帧. • 在MAC地址表中的MAC地址缺省存留5分钟.
• 工作站D向工作站C发送数据帧.
• 交换机缓存工作站D的MAC地址到端口E3中;
优点：转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率 缺点：会给整个交换网络带来许多垃圾通信包 适用环境：网络链路质量较好、错误数据包较少的
网络环境，延迟时间跟帧的大小无关。
碎片丢弃（Fragmentfree）
特点：这是介于前两者之间的一种解决方案。它检 查数据包的长度是否够64个字节，如果小于 64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大 于等于64字节，则发送该包。
(2)端口多。交换机得端口密度远大于网桥。
(3)功能强大。交换机除了转发/过滤的功能，还有诸 多管理功能，如网络管理协议的支持、虚拟局域网的 划分等。
（1）在OSI/RM网络体系结构中的工作层次不同 集线器工作在物理层，而交换机工作在数据链路层。更高级的交
换机可以工作在第三层（网络层）、第四层（传输层）或更高层。
级联 冗余 堆叠
级联
是最常见的连接方式，即使用网线将两个交换机连接起来。有 使用光纤介质连接和双绞线介质连接两种情况。
光纤介质连接：
直接连接的两个交换机端口要保证一致的光纤规格、端口速率， 发送信号光纤端口与接收信号光纤端口相连。
交换机的工作特点：
拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵 所有的端口都挂接在这条背板总线上 控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中
的地址对照表以确定目的MAC地址的网卡（NIC） 挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据 包传送到目的端口 目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口 回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入 内部MAC地址表中。
（2）数据传输方式不同 集线器的数据传输方式是广播（broadcast）方式，即所有端口
处在一个冲突域中；而交换机的数据传输一般只发生在源端口和目的 端口之间，即交换机的每个端口处在不同的冲突域。
（3）带宽占用方式不同 集线器所有端口共享集线器的总带宽，而交换机的每个端口都具
有自己独立的带宽。
（4）传输模式不同 集线器采用半双工方式进行数据传输；交换机采用全双工方式来
固定配置交换机：一般具有固定端口配置，比如Cisco公司的Catalyst l900/2900交换机，Bay公司的BayStack350/450交换机等。 固定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机，但是价格要 低得多。
专用芯片与通用芯片
X86： 通用计算机芯片 ASIC： （Application-Specific-Integrated Circuit ） NP： 专用网络处理器
第二章交换机基础
第2章 交换机基础知识
● 交换机概述 ● 交换机的分类与性能指标 ● 交换机的接口与连接方式 ● 虚拟局域网与多层交换 ● 交换机产品简介
交换机，英文名称 为Switch，也称为交换 式集线器，它是一种基 于MAC地址(网卡的硬 件地址)识别，能够在 通信系统中完成信息交 换功能的设备。
如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。 如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。
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◦ 能学习终端设备的MAC地址 ◦ 能根据MAC地址表做分组转发过滤 ◦ 能通过STP(生成树协议)实施环路避免
• 交换机初始时的 MAC地址表是空的.
• 工作站A向工作站C发送帧.
• 重新刷新工作站C的MAC地址超时时间.
• 工作站A向工作站B发送数据帧.
• 由于工作站B的MAC地址和接收的数据帧处于相同的接口,交换
机将丢弃这个帧.
LAN
冲突域
LAN
冲突域Biblioteka Baidu
SWITCH
广播域
LAN
冲突域
LAN
LAN
冲突域
冲突域
二层交换机对所接收到的数据帧根据MAC地址进行二层转发，冲 突域被限制到了一个端口上。但是无法限制广播域的大小。
• 工作站D发送广播或多播帧.
• 二层交换机的接口处于不同的冲突域,但却处于相同的广播域 中,交换机对于多播或广播没有抑制的能力;因此,将向除了接收 端口之外的所有其他端口扩散这个帧.
• 交换机从来也不学习多播或广播地址.
◦ 冗余消除了单点失效,实现了网络的弹性和高可用性.
◦ 冗余带来了广播风暴、相同帧的复制 、MAC地址表不稳定 等诸多问题,下面带领大家进行相应的分析.
优点：没有残缺数据包转发，可减少潜在的不必要 的数据转发
缺点：转发速率比直接转发方式慢。 适用环境：存储转发技术适用于普通链路质量或质
量较为恶劣的网络环境，这种方式要对数据 包进行处理，所以，延迟和帧的大小有关。
直通交换(Cut—Through)
特点：交换机只读出数据帧的前6个字节，即通过 地址映射表中查找目标地址，将数据帧传送 到相应的端口上。直通交换能够实现较少的 延迟，因为在数据帧的目的地址被读出，确 定了转发端口后马上开始转发这个数据帧。
按照交换机的可管理性，可分为：
可管理型交换机 不可管理型交换机
两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。 可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也 相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交 换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全 部是可管理型交换机。
从应用的角度划分，交换机又可分为： 电话交换机（PBX）：主要应用于电信领域，提供语
光纤接口
目前光纤传输介质发展 相当迅速，各种光纤接口也 是层出不穷，分别应用于 100Base-FX、1000Base-FX 等网络中。在局域网交换机 中， SC类型是一种常见的 光纤接口，SC接口的芯在接 头里面，右图所示的是一款 100Base-FX网络的SC光纤接 口模块。
我们常见的网络都是多台网络设备连接在一起， 我们来看交换机之间有哪些连接方式：
◦ 以太网交换机的每个端口处于不同的冲突域中;因此消除 了冲突,每个端口处于全带宽方式,极大的提升了网络性能.
◦ 交换机使用下列三种方式中的一种转发数据帧:存储转发, 直通,无碎片转发；目前以存储转发方式居多。
◦ 交换机通过维护MAC地址表来确定地址-端口的映射关 系.
◦ 当一个帧到达交换机时,如果在 MAC地址表中存在目的MAC
优点：数据处理速度比存储转发方式快 缺点：比直通式慢 适用环境：一般的通讯链路
(1)延迟小。交换机通过硬件实现，而网桥通过软件实 现。网桥是通过运行于计算机系统上的桥接协议实现； 交换机使用了专用集成电路（Application-SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，大大提高了网络转发速 度。
按照OSI的七层网络模型，交换机又可以分为：
第二层交换机 第三层交换机 第四层交换机 第七层交换机
基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用 于网络接入层和汇聚层。基于IP地址和协议进行交换 的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于 汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功 能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判 断。第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要 用于互联网数据中心。
核心层交换机: 一般采用机箱式模块化设计，机箱中 可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等， 具有很高的背板容量； 汇聚层交换机: 可以是机箱式模块化交换机，也可以 是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一 般会包含光端口、高速电口等端口； 接入层交换机: 一般是固定配置的交换机，端口密度 较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固 定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。