以太网交换详细原理Word下载.docx

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数据通信对实时性要求不高，故数据通信存在多种交换方式，最早的数据通信是利用已有的电话网加调制解调器完成，这种数据交换方式仍是电路交换方式。

现在常见的数据交换方式有数据报方式和分组方式。

数据报（报文）交换采用存储／转发方式。

网络节点设备先将途经的数据报完全接收并储存，然后根据数据报所附的目的地址，选择一条合适的传输链路将该数据报发送出去。

报文交换不像电路交换，无需预先为通信双方建立一条专用的电路，因此就不存在建立和拆除电路的过程。

由于数据报的传送采用接力方式，任何时刻数据报只占用节点间的一条链路，因而提高了传输效率，但这也造成了报文交换的延时非常大，故主要用在电报交换中。

分组交换和数据报交换一样。

也采用存储／转发方式，但不像数据报交换是以整个数据报为单位进行传输，而是将用户要发送的数据报分割为定长的一个个数据分组（包），并附上目的地址（或标记），按顺序送分组交换网发送，分组交换可以采用两种不同方式来处理这些分组。

（1）报文传输分组交换

报文传输分组交换与报文交换相似，只是将每一分组都当成一个小报文来独立处理，故报文传输分组交换中每个分组均带有目的地址。

网络节点设备对每个分组都要根据网络拓扑和链路负荷情况进行路由选择，因链路负荷是动态的，故一个数据报所包含的各分组，可能通过不同途径到达目的地，分组到达终端的顺序也有可能被打乱，这时要求目的节点或终端负责将分组重新排序、组装为报文。

（2）虚（逻辑）电路传输分组交换

虚电路传输分组交换要求在发送某一群分组前，建立一条双方终端间的虚电路。

一旦虚电路建立后，属同一数据报的所有分组均沿这条虚电路传输，通信结束后拆除该虚电路。

通过拨号建立的虚电路称为交换型虚电路（SVC）；

固定连接的虚电路则称为永久型虚电路（PVC）。

虚电路传输分组交换类似电路交换，虚电路传输分组交换通过节点交换机将一段段虚链路连接起来形成一条收发终端间的虚电路。

虚电路的“虚”字意味着只有传送分组时才占有物理电路，不传时则让给别的用户使用。

这样在一条物理电路上用统计复用方式可同时建立若干条虚电路，提高了线路的利用率。

电路交换与虚电路交换十分相似，都需要在通信前建立一条端到端的物理电路或虚电路，结束通信后拆除这条电路，这种交换方式称为面向连接的交换方式。

面向连接的交换方式往往需要在相关连的一群分组头上附加一个标记，节点设备根据该标记进行交换接续。

在报文交换与报文传输分组交换中，交换途经的每个节点需要根据数据报或分组的目的地址重新寻找最佳路由，通信双方在端对端之间并不存在物理或逻辑上的连接。

因此也常将报文交换和报文传输分组交换称为面向非连接的交换方式。

为了与面向连接的节点交换设备相区别，一般将面向无连接的节点设备称为路由器。

1.3基于OSI参考模型的分层交换机

根据国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互联参考模型（OSI-RM）。

OSI的下四层（物理层、链路层、网络层和传输层）为通信层。

通信层可根据层间通信协议进行计算机子网间的连接。

从交换就是选路与连接的概念引出了1～4层交换的新概念。

（1）一层、二层交换机

OSI参考模型的第一层为物理层。

该层建立在通信物理媒体上，故能够提供物理连接的交换机应为一层交换机，传统的电路交换属一层交换范畴。

OSI参考模型的第二层为链路层。

第二层的链路是建立在第一层物理电路基础上的逻辑链路，故按照链路层通信协议提供逻辑（虚）电路连接的交换机为二层交换机。

建立在物理（MAC）地址基础上面向连接的分组交换属第二层交换范畴。

二层交换机包括X.25、帧中继、以太网、ATM等节点交换机。

局域网交换机是一种第二层网络设备，它可理解网络协议的第二层如MAC地址等。

交换机在操作过程中不断的收集资料去建立它本身的地址表，这个表相当简单，主要标明某个MAC地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机接收到一个数据封包时，它会检查该封包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以决定从哪个端口发送出去。

而不是象HUB那样，任何一个发方数据都会出现在HUB的所有端口上（不管是否为你所需）。

局域网交换机的引入，使得网络站点间可独享带宽，消除了无谓的碰撞检测和出错重发，提高了传输效率，在交换机中可并行的维护几个独立的、互不影响的通信进程。

在交换网络环境下，用户信息只在源节点与目的节点之间进行传送，其他节点是不可见的。

但有一点例外，当某一节点在网上发送广播或多目广播时，或某一节点发送了一个交换机不认识的MAC地址封包时，交换机上的所有节点都将收到这一广播信息。

不过，一般情况下，交换机提供基于端口的源地址锁定功能，交换机不认识的MAC地址封包不会发送到一个源地址锁定的端口。

多个交换机互连（堆叠）形成了一个大的局域网，但不能有效的划分子网。

广播风暴会使网络的效率大打折扣。

交换机的速度实在快，比路由器快的多，而且价格便宜的多。

但第二层交换也暴露出弱点：

对广播风暴，异种网络互连，安全性控制等不能有效的解决。

因此产生了交换机上的虚拟网技术。

事实上一个虚拟网就是一个广播域。

为了避免在大型交换机上进行的广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网。

在一个虚拟网内，由一个工作站发出的信息只能发送到具有相同虚拟网号的其他站点。

其它虚拟网的成员收不到这些信息或广播帧。

随着应用的升级，网络规划/实施者可根据情况在交换式局域网环境下将用户划分在不同虚拟网上。

但是虚拟网之间通信是不允许的，这也包括地址解析（ARP）封包。

要想通信就需要用路由器桥接这些虚拟网。

这就是虚拟网的问题：

不用路由器是嫌它慢，用交换器速度快但不能解决广播风暴问题，在交换器中采用虚拟网技术可以解决广播风暴问题，但又必须放置路由器来实现虚拟网之间的互通。

（2）三层路由器

在计算机异构子网间，需要有工作在第三层的路由器进行第二层协议的转换与第三层协议的处理。

计算机同构子网的范围受到广播风暴的限制，需将广播域分割成若干部分，并采用路由器将多个同构子网连成一个大网。

目前，国际上最大的互联网为Internet网（IP网），该网的一、二层可以是任何物理媒质与计算机网络，而第三层统一采用IP协议。

IP面向无连接，每个IP包都附有目的地址（IP地址），路由器需要对每个IP包独立选路。

节点路由器并不对节点间提供物理上或逻辑上的连接，故工作在第三层的传统节点设备称为路由器而不称为第三层交换机。

路由器的主要功能是实现路由选择与网络互连，即通过一定途径获知子网的拓扑信息与各物理线路的网络特性，并通过一定的路由算法获得达到各子网的最佳路径，建立相应路由表，从而将每个IP包跳到跳（hoptohop）传到目的地，其次它必须处理不同的链路协议。

IP包途经每个路由器时，需经过排队、协议处理、寻址选路等软件处理环节，造成延时加大。

同时路由器采用共享总线方式，总的吞吐量受限，当用户数量增加时，每个用户的接人速率降低。

（3）三层交换机（多层交换机）

在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术方面已得到令人满意的答案。

但是，作为网络核心、起到网间互连作用的路由器技术却没有质的突破。

传统的路由器基于软件，协议复杂，与局域网速度相比，其数据传输的效率较低。

但同时它又作为网段（子网，虚拟网）互连的枢纽，这就使传统的路由器技术面临严峻的挑战。

随着Internet/Intranet的迅猛发展和B/S（浏览器/服务器）计算模式的广泛应用，跨地域、跨网络的业务急剧增长，业界和用户深感传统的路由器在网络中的瓶颈效应。

改进传统的路由技术迫在眉睫。

在这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是第三层交换技术：

说它是路由器，因为它可操作在网络协议的第三层，是一种路由理解设备并可起到路由决定的作用；

说它是交换器，是因为它的速度极快，几乎达到第二层交换的速度。

一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。

如果利用三层交换机连接不同的以太网子网，实际的操作比较简单。

假设两个使用IP协议的站点通过第三层交换机进行通信的过程，发送站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。

要采用地址解析（ARP）来确定目的站的MAC地址。

发送站把自己的IP地址与目的站的IP地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的站是否与自己在同一子网内。

若目的站B与发送站A在同一子网内，A广播一个ARP请求，B返回其MAC地址，A得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。

若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信，发送站A要向"

缺省网关"

发出ARP（地址解析）封包，而"

的IP地址已经在系统软件中设置。

这个IP地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。

所以当发送站A对"

的IP地址广播出一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；

否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP请求，目的站C得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A。

以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。

其指导思想为：

一次路由，随后交换。

而传统的路由器对每一个数据包都进行拆包、打包的操作，限制了系统的带宽。

在此，第三层交换具有以下突出特点：

有机的硬件结合使得数据交换加速；

优化的路由软件使得路由过程效率提高；

除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理；

多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，保护了用户的投资。

当第三层交换用于异构子网之间的连接时，操作就要复杂得多，主要是涉及到不同链路层协议的转换。

在此，第三层均使用IP协议，交换机对于接收到的任何一个数据包（包括广播包在内），都要将该数据包第二层（数据链路层）的信息去掉，得到一个IP的数据包，再根据IP地址进行从源端到目的端的交换，到达目的端后，再根据目的端的链路层协议打包。

比较耗费资源的链路层拆包、打包工作可以由ASIC电路完成。

标记交换（tagswitching）是Cisco公司提出的一种多层交换技术。

标记交换将二层交换与三层路由相结合，是一种IP包的高速转发技术。

标记交换包含控制部分和转发部分。

其控制功能由工作在三层的网络边缘路由器完成；

转发功能则由一种简单的标记交换机完成。

边缘路由器在IP流到达时完成对一组IP包最佳路由路径的选择和标记的捆绑。

标记交换工作过程是：

系统边缘路由器将输入链路帧的IP地址映射为简单的标记，然后将帧转化为捆绑了标记的ATM信元并送入核心网络，在网络核心由支持标记交换的ATM交换机进行标记交换，当消息传到目的地边缘路由器后，去掉信息中的标记，将ATM信元转换为帧，继续送接收者。

标记交换采用定长、短小的标记作为索引，简化了转发过程，使转发过程可以直接由硬件实现，其转发速率和吞吐量远高于传统的路由器。

IP交换（IPSwitch）是Ip