以太网交换机工作原理

以太网交换机原理中兴通讯建筑信息学院刘虎
课程目标
•通过本章的学习,你可以有以下收获:–掌握以太网交换机的工作原理和过程
–了解环路的危害
–了解以太网交换机避免环路的方式
目录
•以太网交换机工作原理•环路带来的问题
•解决环路问题的方法
透明桥的工作原理
Station A
Station B
1/1
1/2
Segment A
Segment B •交换机有着透明桥相同的特点
以太网交换机的三个功能
–地址学习
–转发/过滤
–避免环路
•最开始的MAC 地址表是空的
MAC 地址表
A
：
00d0.d001.1111
C ：00d0.d001.2222
B ：00d0.d001.3333
D ：00d0.d001.4444
E0E1E2
E3
•Station A 发送一个帧（frame ）给Station C •交换机从端口E0 学习到station A 的MAC 地址•将该帧做“洪泛（flooding ）”转发
MAC 地址表
C ：
00d0.d001.2222
B ：00d0.d001.3333
D ：00d0.d001.4444
E0: 00d0.d001.1111
E0E1
E2
E3
A ：00d0.d001.1111
•Station C 回应一个帧（frame ）给Station A •交换机从端口E2 学习到station C 的MAC 地址
MAC 地址表A ：00d0.d001.1111
C ：00d0.d001.2222B ：00d0.d001.3333
D ：00d0.d001.4444
E0: 00d0.d001.1111E2: 00d0.d001.2222
E0E1E2
E3
过滤
⏹
Station A 发送一个帧（frame ）给station C
⏹目标地址已经知道, 不再“洪泛”发送，直接从E2 端口发送出去
E0: 00d0.d001.1111E2: 00d0.d001.2222E1: 00d0.d001.3333E3: 00d0.d001.4444
A ：00d0.d001.1111
C ：00d0.d001.2222
B ：00d0.d001.3333
D ：00d0.d001.4444
E0
E1
E2
E3
X X
MAC 地址表
广播和多播帧
•Station D 发送一个广播或多播帧（frame ）给C
•
交换机将广播（broadcast ）或多播（multicast ）帧“泛洪”转发给其他所有端口（不包括进来的那个端口)
A ：00d0.d001.1111
C ：00d0. d001.2222
B ：00d0.d001.3333
D ：00d0.d001.4444
E0E1
E2
E3
E0: 00d0.d001.1111E2: 00d0.d001.2222E1: 00d0.d001.3333E3: 00d0.d001.4444
MAC address table
课程大纲
•以太网交换机工作原理•环路带来的问题
•解决环路问题的方法
Access Layer
Distribution Layer
SW 1
Link A
Link B
SW 2
保证网络的可靠性
Segment 1
Segment 2
Server/host X
Router Y
•在冗余拓扑中，出现了环路（loop ）
冗余拓扑
环路（loop ）带来的问题： 广播风暴 帧的重复复制
交换机MAC 地址表的不稳定
Segment 1
Segment 2 Server/host X Router Y
Broadcast
Switch A Switch B
Host X 发送一个广播帧
Segment 1
Segment 2 Server/host X Router Y
Broadcast
Switch A Switch B
Host X 发送一个广播帧
Segment 1
Segment 2 Server/host X Router Y
Broadcast
交换机不断的转发该广播帧
Switch A Switch B
Segment 1
Segment 2
Server/host X
Router Y
Unicast
Switch A
Switch B
•Host X 发送一个单播帧到Router Y
•
任何一台交换机都没有学到过Router Y 的MAC 地址
Segment 1
Segment 2
Server/host X
Router Y
Unicast Switch A
Switch B
Unicast
Unicast
•Host X 发送一个单播帧到Router Y
•任何一台交换机都没有学到过Router Y 的MAC 地址•Router Y 将收到两个完全一样的重复帧
Segment 1Segment 2
Server/host X
Router Y
Unicast
Unicast Switch A
Switch B Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
•Host X 发送一个单播帧到Router Y
•任何一台交换机都没有学到过Host X 的MAC 地址•Switch A 和B 从各自的port 0学到Host X 的MAC 地址
Segment 1Segment 2
Server/host X
Router Y
Unicast
Unicast Switch A
Switch B Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
•任何一台交换机都没有学到过Router Y 的MAC 地址•该帧被洪泛（flooding ）转发
环路问题
•
面对这么多的环路，怎么办？
Server/host
Workstations
Loop
Loop
Loop
Broadcast
课程大纲
•以太网交换机工作原理•环路带来的问题
•解决环路问题的方法
环路解决办法1：网络结构
BRA
S
汇聚交换机：
T160G/T64G/T40G
园区交换机：
T40G/3228/3252/320
6/ 3928/3952/3906等
GE
GE
FE/GE
IP城域网
以太汇
聚层
用户接
入层
驻地网
DSLAM：
8220/9210等
FE/G
E
SR PE采用星型结构组建交换
网络，从根本上防范
物理环路的产生
生成树协议能够发现并自动消除冗余网络拓扑中的环路。

Block
x
环路解决办法2: 生成树协议(Spanning-Tree Protocol)
x
Designated port (F)
Root port (F)
Designated port (F)
Nondesignated port (B)
Root bridge
Nonroot bridge
100baseT
10baseT
Spanning-Tree 的运作
• 1.选出一个根桥Root （root bridge ）
• 2.在一个链路上选出指定端口DP （designated port ）• 3.在非根网桥上选出根端口RP （root port)
•
4.未成为指定端口或根端口的端口被阻塞，即阻隔端口(blocked port ）。

A
B
STP的问题
•收敛速度慢RSTP
•大型网络中的分组问题MSTP
•需要大量的计算，严重耗费内存、CPU资源
环路解决办法3：单端口环路检测
•作用：
–此功能能检测到交换机下接的用户或者交换机上的环回，从而对此端口进行处理，避免因下面用户或者设备的环回导致交换机广播风暴等异常，将影响限制到某个端口。

⏹原理：
●交换机从某个端口发送一个检测报文，如果这个检测报
文原封不动（或者仅打了一个tag头）地从这个端口接
收回来，说明这个端口存在环路，交换机将自动关闭该
端口。

单端口环路检测的配置实例switchA
switchB Fei_1/1
ZXR10(config)#interface fei_1/1
ZXR10(config-if)#switchport mode trunk
ZXR10(config-if)#switchport trunk vlan 1-2
ZXR10(config-if)#exit
ZXR10(config)#loop-detect interface fei_1/1 enable
ZXR10(config)#loop-detect interface fei_1/1 vlan 1-2 enable
ZXR10(config)#show loop-detect interface-detail fei_1/1
isUp isMonitor isLoop isProtected
enable enable no disable
npNum portNum reopenTime counter
1 24 600 158
loopVlan vlanRange
0 1 2
环路解决方法4：ZESR
•以太环型交换网技术ZESR （ZTE Ethernet Switch Ring ）
–属城域以太网技术，解决了星型以太网保护能力弱、故障恢复时间长等问题；
–理论上可以提供50ms的快速保护特性；
–采用环形拓扑结构，天然具有支持组播应用的优势；
传统网络在组播分支节点的每一个下联端口上均需要进行组播流的复制，而以太环网则只需在整个环网上复制一次组播流–是城域宽带接入网优化改造的一种重要的技术选择和解决方案
ZESR
的工作方式
A
B
C
D
E
F
Master
Transit
Transit
Transit
Transit
Transit
primary
secondar y To F
LINK DOWN
LINK DOWN
Forwading
ZESR的应用实例
几种环路解决方法的选择
•星型网络拓扑
－传统的数据网接入方式
•生成树STP
－用于接入层的交换链路冗余备份，一般采用MSTP
•单端口环路检测
－怀疑交换机某端口下出现环路时使用
•以太环网ZESR
－城域以太网技术，尤其适用于组播业务，城域宽带接入网优化改造的解决方案
内容回顾
•以太网交换机的工作原理
源地址学习
目的地址查找转发•环路引入的问题
广播风暴
地址表漂移
帧的重复复制•解决环路的几种方法生成树STP
单端口环路检测
星型网络拓扑
以太环网ZESR
思考题
•交换机如何处理广播包?如何处理单播包?•传统生成树有哪些问题？如何解决？
•解决环路的方式有哪些？各自的特点是什么？
THANKS!。