交换机工作原理与配置

交换机工作原理与配置

一、交换机工作在数据链路层

1、回顾数据链路层功能

• 数据链路的建立、维护与拆除
• 帧包装、帧传输、帧同步：为了使传输中发生差错后只 将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成 以太帧为单位传送
• 帧的差错恢复：对差错编码（如奇偶校验码，检查和或 CRC）的检查，可以判定一帧在传输过程中是否发生了错 误。一旦发现错误，一般可以采用反馈重发的方法来纠正
• 流量控制：控制的是相邻两节点之间数据链路上的流量

二、以太网工作在数据链路层

1、以太网

• 以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技 术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲 突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。
• 以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以 太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲 突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机 来进行网络连接和组织
• 以太网工作在数据链路层

2、以太网发展

• 1973年， Xerox公司提出以太网技术并实现之，最初 以太网数率只有2.94Mbps
• 1980年， Digital Equipment Corporation ，Intel， Xerox，三家联合推出10Mbps DIX以太网标准
• 1995年，IEEE正式通过了802.3u快速以太网标准
• 1998年，IEEE802.3z千兆以太网标准正式发布
• 1999年，发布IEEE802.3ab标准，即1000BASE-T标 准
• 2002年7月18日，IEEE通过了802.3ae，即10Gbit/s以 太网，又称为万兆以太网，它包括了10GBASER,10GBASE-W,10GBASE-LX4三种物理接口标准
• 2004年3月，IEEE批准铜缆10G以太网标准802.3ak， 新标准将作为10GBASE-CX4实施，提供双轴电缆上的 10Gbps的速率

3、以太网地址（MAC地址）

• 用来识别一个以太网上的某个单独的设备或一组设备
• MAC地址有48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 IEEE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24位二进制代表该供应商代码。剩下的24位由 厂商自己分配。
• 如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。（FF:FF:FF:FF:FF:FF）
• 如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。
• 如果第8位是0，则表示该地址是单播地址。

4、以太网帧

• Ethernet II帧格式

• Preamble(前导码): 用于接收方与发送方的同步， 7个字节，每个字节的值固定为0xAA.
• SFD(start frame delimiter)： 帧起始定界符，用 于标识一个以太网帧的开始，值固定为0xAB.
• DST && SRC： 分别表示标识目标地址和源地 址。它们均为6个字节长。如果传输出去的目标地址第 一位是0，则表示这是一个普通地址；如果是1， 则表 示这是一个组地址。
• Length/Type ：通常这个字段用于指定报文头后所 接的数据类型。通常使用的值包括：IPv4 （0x0800）, IPv6(0x86DD), ARP(0x0806）。 而值 0x8100代表一个Q-tagged 帧(802.1q）。通常一个 基础的以太网帧长为1518字节，但是更多的新标准把 这个值扩展为2000字节。
• MAC Client Data: 数据主体，最小长度为48字节 (加上帧头12字节，CRC4字节，加上type的2字节刚 好64字节), 当数据主体小于48字节时，会添加pad字 段。选取最小长度是出于冲突检测的考虑 (CSMA/CD）。而数据字段最大长度为1502字节。 (一个数据帧的范围 64~1518字节）
• FCS（Frame Check Sequence）：也叫CRC （Cyclic Redundancy Check），CRC是差错检测 码，用来确定接收到的帧比特是否正确。

• IEEE802.3帧格式

• IEEE802.3帧格式类似于Ethernet_II帧，只是 Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代， 并且占用了Data字段的8个字节作为LLC和SNAP字 段。
• Length字段定义了Data字段包含的字节数。
• 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）由目的 服务访问点DSAP（Destination Service Access Point）、源服务访问点SSAP（Source Service Access Point）和Control字段组成。
• SNAP（Sub-network Access Protocol）由机构 代码（Org Code）和类型（Type）字段组成。Org Code三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet_II 帧中的Type字段相同。IEEE802.3帧根据DSAP和 SSAP字段的取值又可分为以下几类：
  • 当DSAP和SSAP都取特定值0xff时，802.3帧 就变成了Netware-ETHERNET帧，用来承载 NetWare类型的数据。
  • 当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时，802.3 帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。 ETHERNET_SNAP帧可以用于传输多种协议。
  • DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3 帧。

三、交换机工作原理

1、以太网交换机

• 交换机是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可 以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通 路。最常见的交换机是以太网交换机。交换机工作于OSI 参考模型的第二层，即数据链路层。交换机拥有一条高带 宽的背部总线和内部交换矩阵，在同一时刻可进行多个端 口对之间的数据传输。
• 在交换机内部维护了一张表，称为MAC地址表（端口 地址表），端口地址表记录了端口下包含主机的MAC地 址。端口地址表是交换机上电后自动建立的， 保存在RAM中，并且自动维护。交换机隔离冲突域的原理 是根据其端口地址表和转发决策决定的。（RAM随机访问 存储器，相当于电脑的内存条，运行内存，具有易失性， 断电后，数据就会清空）

2、工作原理（需要画图）

• 初始状态下，交换机对外界一无所知，MAC地址表中 也是空的
• 当交换机收到一个来自主机的数据帧是，拆除数据帧后 会根据数据中的源MAC地址和目标MAC地址来进行接下 来工作，如果源MAC地址没有在自己MAC表中，会进行 自动学习，将源MAC地址及接到到数据的接口对应记录在 MAC表中
• 接着根据目标MAC，查看MAC地址表中是否有记录， 如没有记录，那就直接将数据帧除接收端口外的其他所有 端口广播出去，如果有记录，那么找到对应端口，直接从 对应端口单播转发出去
• 交换机的工作原理：学习（源mac地址）、广播、回 应、单播

3、交换机以太网接口工作模式

• 单工：两个数据站之间只能沿单一方向传输数据
• 半双工：两个数据站之间可以双向数据传输，但不能同 时进行
• 全双工：两个数据站之间可双向且同时进行数据传输

4、交换机以太网接口速率

• 每个接口都有对应的带宽，10Mbps、100Mbps、 1000Mbps
• 接口连接时进行协商，协商失败则无法正常通信，目前常 见的交换机基本都支持自适应

四、多端口转发器（HUB）

冲突域由HUB组成的网络，工作在物理层

广播域是交换机组成的网络，工作在数据链路层

1、冲突域

• 在以太网中，如果某个CSMA/CD网络上的两台计算机在 同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一 个冲突域（collision domain)。
• 如果以太网中各个网段以集线器连接，因为不能避免冲 突，所以它们仍然是一个冲突域

• 产生过程
  • 网络中，不同的主机同时发送数据时，就会产生信号 冲突的问题（共享网络，总线型网络）

  

  • 主机A想要发送一个单播数据包给主机B。但由于传统 共享式以太网的广播性质，接入到总线上的所有主机 都将收到此单播数据包。同时，此时如果任何另一 方，包括主机B也要发送数据到总线上都将冲突，导 致双方数据发送失败。我们称连接在总线上的所有主 机共同构成了一个冲突域

2、广播域

• 广播是一种信息的传播方式，指网络中的某一设备同时向 网络中所有的其它设备发送数据，这个数据所能广播到的 范围即为广播域(Broadcast Domain)
• 简单点说，广播域就是指网络中所有能接收到同样广播消 息的设备的集合