交换与虚拟局域网Word下载.docx

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按照CSMA/CD勺有关规定，以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小。

只要两个

节点处于同一个以太网中，它们之间的最大距离就不能超过这一固定值，不管他们之间的连接跨越一个集线器还是多个集线器。

如果超过这个值，网络通信就会岀现问题。

（2）网络总带宽容量固定。

传统的以太网是共享式的以太局域网。

网络上的所有节点共享同一传输介质。

在一个节点使用传输介质的过程中，另一节点必须等待。

共享式以太网的固定带宽容量被网络上的所有节点共同拥有，随机占用。

网络中的节点

越多，每个节点平均可以使用的带宽越窄，网络的响应速度也会越慢。

举例：

对于一个使用100BASE-TX技术的100Mb/s以太网，如果连接10个节点，则每个节点平均带宽发送节点竞争共享介质的过程中，冲突和碰撞是不可避免的。

冲突和碰撞会造成发送节点随机延迟和重发，进而浪费网络带宽。

随着网络中节点数的增加，冲突和碰撞必然加大，相应的带宽浪费也会越大。

（3）不能支持多种速率。

网络应用是多种多样的，不同速率的混合型组网不但有其存在的客观要求，而且也可以

提高组网的传输速率，否则一个设备发送的信息，另一个设备不可能收到。

单一的共享式以太网不可能提供多种速率的设备支持。

4.1.2交换的提岀

一、"

分段"

的概念的提岀

通常，人们利用的方法解决共享以太网存在的问题。

分段----就是将一个大型的以太网分割成两个或多个小型的以太网，每个段（分割后的

每个小以太网）使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信。

段与段之间通过一种“交

换"

设备进行沟通。

这种交换设备可以将在一段接收到的信息，经过简单的处理转发给另一段。

二、举例：

对一个较大的以太网进行了分段。

（见图4.1）

1使用交换设备对共享式以太网分段

其中图4.1（a）给岀了一个通过集线器级联组成的大型以太网。

尽管部门1、部门2和部门3

都通过各自的集线器组网，但是，由于使用共享式集线器连接各个部门的集线器，因此，所构成的网络仍然属于一个大的以太网。

这样，每台计算机发送的信息，将在全网流动，即使它访问的

是本部门的服务器也是如此。

为了限制部门内部信息在全网流动，图4.1（b）将整个大以太网分段，每个部门组成一

个小的以太网，部门之间通过交换设备相互连接。

分段的功能：

1、可以保证部门内部信息不会流至其他部门。

2、可以保证部门之间的信息交互。

以太网节点的减少使冲突和碰撞的几率更小，网络的效率更高。

3、各段可按需要选择自己的网络速率，组成性能价格比更高的网络。

交换设备的类型：

局域网交换机、路由器等都可以作为交换设备。

各种交换设备工作的层：

交换机工作于数据链路层，用于连接较为相似的网络（例如以

太网一以太网）；

而路由器工作于互联层，可以实现异型网络的互联（例如以太网一帧中继）。

4.2交换式以太网的工作原理

典型的局域网交换机是以太网交换机。

（见图4.2）

图4.2利用交换机连接计算机和以太两

一、以太网交换机的特点：

可以通过交换机端口之间的多个并发连接，实现多节点之间数据的并发传输。

这种并发数据传输方式与共享式以太网在某一时刻只允许一个节点占用共享信道的方式完全不同。

交换式以太网建立在以太网基础之上。

利用以太网交换机组网，既可以将计算机直接连

接到交换机的端口上，也可以将他们连入一个网段，然后将这个网段连到交换机的端口。

（见图4.2）

利用以太网交换机将两台服务器和两个以太网连成了一个交换式的局域网。

如果将计算

机直接连到交换机的端口，那么它将独享该端口提供的带宽；

如果计算机通过以太网连入交换机，

那么该以太网上的所有计算机共享交换机端口提供的带宽。

421以太网交换机的工作过程（见图4.3）

典型的交换机结构与工作过程如下:

图中的交换机有6个端口，其中端口1、5、6分别连接了节点A、节点D和节点E。

节点B和节点C通过共享式以太网连入交换机的端口4。

于是，交换机“端口/MAC地址映射表“就可以根据以上端口与节点MAC地址的对应关系建立连接。

2、与此同时，节点E需要节点B发送信息。

于是，交换机的端口6与端口4也建立一

条连接，并将端口6接收到的信息转发至端口4。

3、这样，交换机在端口1至端口5和端口6至端口4之间建立了两条并发的连接。

节

点A和节点E可以同时发送信息，节点D和接入交换机端口4的以太网可以同时接收信息。

根据

需要，交换机的各端口之间可以建立多条并发连接。

交换机利用这些并发连接，对通过交换机的

数据信息进行转发和交换。

4.2.2数据转发方式

以太网交换机的数据交换与转发方式有三种：

直接交换、存储转发交换和改进的直接交换。

1.直接交换

在直接交换方式中，交换机边接收边检测。

一旦检测到目的地址字段，就立即将该数据转发出去，而不管这一数据是否出错，出错检测任务由节点主机完成。

优点：

交换延迟时间短。

缺点：

缺乏差错检测能力，不支持不同输入/输出速率的端口之间的数据转发。

2.存储转发交换

在存储转发方式中，交换机首先要完整地接收站点发送的数据，并对数据进行差错检测。

如接收数据是正确的，再根据目的地址确定输出端口号，将数据转发出去。

具有差错检测能力，并能支持不同输入/输出速率端口之间的数据转发。

交换延迟时间相对较长。

3.改进的直接交换

改进的直接交换方式将直接交换与存储转发交换结合起来，在接收到数据的前64字节之后，判断数据的头部字段是否正确，如果正确则转发出去。

这种方法对于短数据来说，交换延迟与直接交换方式比较接近；

而对于长数据来说，由于它只对数据前部的主要字段进行差错检测，因此交换延迟将会明显减少。

4.2.3地址学习

问题提岀：

以太网交换机利用“端口/MAC地址映射表“进行信息的交换，因此，端口/MAC地址映射表的建立和维护显得相当重要。

一旦地址映射表出现问题，就可能造成信息转发错误。

那么，交换机中的地址映射表是怎样建立和维护的呢？

有两个问题需要解决：

1、是交换机如何知道哪台计算机连接到哪个端口；

2、是当计算机在交换机的端口之间移动时，交换机如何维护地址映射表。

显然，通过人工建立交换机的地址映射表是不切实际的，交换机应该自动建立地址映射表。

但是，如果站点A需要向站点G发送信息，交换机在端口1读取信息后检索地址映射表，结果发现站点G在地址映射表中并不存在。

在这种情况下，为了保证信息能够到达正确的目的地，交换将向除端口1之外的所有端口转发信息。

当然，一旦站点G发送信息，交换机就会捕获到它

与端口的连接关系，并将得到的结果存储到地址映射表中。

424通信过滤（如图4.4）

交换机的通信过滤

疋。

图4.4显示了两个以太网和两台计算机通过以太网交换机相互连接的示意图。

通过一段时间的地址学习，交换机形成了图4.4所示的端口/MAC地址映射表。

假设站点A需要向站点F发送数据，因为站点A通过集线器连接到交换机的端口1,所以，交换机从端口1读入数据，并通过地址映射表决定将该数据转发到哪个端口。

图4.4所示的

地址映射表中，站点F与端口4相连。

于是，交换机将信息转发到端口4，不再向端口1、端口2和端口3转发。

假设站点A需要向站点C发送数据，交换机同样在端口1接收数据。

通过搜索地址映射表，交换机发现站点C与端口1相连，与发送的源站点处于同一端口。

遇到这种情况，交换机不

再转发，简单地将数据抛弃，数据信息被限制在本地流动。

以太网交换机隔离了本地信息，从而避免了网络上不必要的数据流动。

这是交换机通信

过滤的主要优点，也是它与集线器截然不同的地方。

集线器需要在所有端口上重复所有的信号，每个与集线器相连的网段都将听到局域网上的所有信息流。

而交换机所连的网段只听到发给他们

的信息流，减少了局域网上总的通信负载，因此提供了更多的带宽。

425生成树协议

集线器可以按照水平或树型结构进行级联。

但是，集线器的级联决不能岀现环路，否则发

送的数据将在网中无休止地循环，造成整个网络的瘫痪。

那么，图4.5所示的具有环路的交换机

级联网络是否可以正常工作呢？

答案是肯定的。

:

图4.5具有环路的交换机级联

实际上，以太网交换机除了按照上面所描述的转发机制对信息进行转发外，还执行生成树协议（spanningtreeprotocol）。

交换机通过实现生成树协议，可以相互交换信息，并利用这些信息将网络中的某些环路断开，从而在逻辑上形成一种树结构。

交换机按照这种逻辑结构

转发信息，保证网络上发送的信息不会绕环旋转。

图4.5中的具有环路的网络形成的树型无环路

逻辑结构如图4.6所示。

最终，交换机的信息转发是沿着这棵树进行的。

/MAC地址映射表。

以太

当得到MAC地址如果不存在，交换因此，在以太网交MAC地址与其所在

WH

團4-6数据转发铠用的逻辑树塑结构

通常，以太网交换机利用"

地址学习“法来动态建立和维护端口网交换机的地址学习是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口进行的。

与端口的对应关系后，交换机将检查地址映射表中是否已经存在该对应关系＜机就将该对应关系添加到地址映射表；

如果已经存在，交换机将更新该表项。

换机中，地址是动态学习的。

只要这个节点发送信息，交换机就能捕获到它的

端口的对应关系。

在每次添加或更新地址映射表的表项时，该端口与MAC地址的对应关系能够存储一段时间。

与MAC地址的对应关系，该表项将被交换机删除。

个精确且有用的地址映射表。

添加或更改的表项被赋予一个计时器。

这使得

如果在计时器溢岀之前没有再次捕获到该端口通过移走过时的或老的表项，交换机维护了一

4.3虚拟局域网VLAN

所谓的虚拟局域网（VLAN,virtualLAN）就是将局域网上的用户或节点划分成

若干个“逻辑工作组“，逻辑组的用户或节点可以根据功能、部门、应用等因素划分而无须考虑所

处的物理位置。

通常，通过以太网交换机就可以配置VLAM但是，VLAN没有形成一个标准，需

要特定交换机厂商的相应软件一支持。

4.3.1共享式以太网与VLAN（如图4.7）

（PVU晞丹更3D灵活

0B47扶宰式以龙网月*LAW的比狡

在传统的局域网中，通常一个工作组是在同一个网段上，每个网段可以是一个逻辑工作组。

多个

逻辑工作组之间通过交换机（或路由器）等互联设备交换数据，如图4.7（a）所示。

如果一个

逻辑工作组的站点仅仅需要转移到另一个逻辑工作组（如从LAN1移动到LAN3）,就需要将该计

算机从一个集线器（如1楼的集线器）撤出，连接到另一个集线器（如3楼的集