4集线器交换机基本工作原理及配置

网络互连设备的基本工作原理及配置网络互连要求掌握各个层次的网络互连设备，熟悉他们的功能与特性，以及它们之间的区别，能够按实际需求使用这些设备，特别重点掌握交换机设备•网络互连设备物理层HUB数据链路层网桥、交换机、网卡集线器内部是总线共享连接1.所有工作站接在同一物理总线上2.同一时刻只能有一台工作站发送数据,否则将会产生冲突怎么协调不同工作站顺利发送数据呢?CSMA/CD工作原理CSMA/CDCarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection载波监听多点接入/碰撞检测多点接入许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，是总线型网络。载波监听是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据；如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。碰撞检测就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞。正常发送时，计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号；发生碰撞时，信号会产生严重的失真。一旦发生碰撞，就立即停止发送。CSMA/CD的广播方式发送总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。B向D发送数据CDAE不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据工作原理:广播共享从一个端口接收到一个数据幀后，便把从端口接收到的所有二进制位信号，无选择的进行放大再生，并把放大后的信号，通过广播的方式向其他所有端口分发出去。网络互连HUBABCDHUBABCD集线器的特性集线器工作在OSI参考模型的第1层，即物理层。集线器是一种共享型设备，所有连在集线器上的站点共享一条传输通道，共享带宽。集线器采用半双工（HalfDuplex）通信方式存在争用信道的问题。以太网集线器使用CSMA/CD介质访问控制方法来控制信道的分配网络互连思考1.集线器能不能够无限制的级连?将会出现什么问题?在共享式网络中，随着用户数量的增加，每用户所使用的平均带宽减小，网络冲突加剧，网络带宽利用率下降。10base-T网络中的5-4-3原则:指的是“5-4-3规则”，是指在10M以太网中中，网络总长度不得超过5个区段，4台网络延长设备，且5个区段中只有3个区段可接网络设备网络互连网桥(Bridge)网桥能将两个以上独立的物理网络连接在一起，构成一个单个的逻辑LAN网桥•2.网桥的特性工作在数据链路层是一种存储转发设备支持任何网络层及高层协议根据MAC地址过滤数据不能隔离广播信息能互连不同的网络用网桥互连起来的网络是一个单个的逻辑网网桥的主要作用将两个以上局域网（物理网络）互连为一个逻辑网络扩大网络覆盖的地理范围，实现更大范围的局域网互连。隔离一个物理网段的故障，提高了网络的可靠性。根据MAC地址对数据帧进行过滤局域网交换机（LANSwitch）1.交换机工作的逻辑机理摆脱了CSMA/CD的约束同时存在多个数据通道是一个受控制的多端口开关矩阵控制逻辑5432112345XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX局域网交换机（LANSwitch）交换机的结构与工作过程图交换机的结构与工作过程•交换机进行数据交换解决了集线器那种共享单车道容易出现塞车现象.在交换机技术上把这种独享道宽(网络上称之为带宽)情况称之为交换,这种网络环境称为交换式网络,交换式网络必须采用交换机(Switch)来实现.交换技术交换机工作方式从一个端口发过来的数据,其中会含有目的地的MAC地址,交换机在保存在自己缓存中的MAC地址表里寻找与这个数据包中包含的目的MAC地址对应的节点,找到以后,便在这两个节点间架起了一条临时性的专用数据传输通道。•建立虚连接通道这两个节点便可以不受干扰地进行通信了.在源端口和目的端口直接建立虚连接通道•全双工“(FullDuplex)状态:即可以同时接收和发送数据,数据流是双向的。•半双工:在任一时刻只能有一个方向的数据流,即处于半双工(HalfDuplex)模式,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•交换机的主要功能–在发送节点和接收节点之间建立一条虚连接–转发数据帧–建立并维护交换表•交换机的主要特性–局域网交换技术操作在OSI的第二层–根据MAC地址进行帧转发、帧过滤–每个交换机端口独占带宽系统带宽为端口带宽×n(端口个数）–内部可同时存在多个通信通道交换机的地址学习能力•计算机打开电源后,安装在该系统中的网卡会定期发出空闲包或信号,交换机即可据此得知它的存在以及其MAC地址,这就是所谓自动地址学习.•要注意交换机档次越低,交换机的缓存就越小,也就是说为保存MAC地址所准备的空间也就越小,对应的就是它能记住的MAC地址数也就越少.•通常一台交换机都具有1024个MAC地址记忆空间,都能满足实际需求.MAC地址表◆MAC地址表•表的结构是MAC地址和端口对。这个MAC地址表存放于交换机的缓存（RAM）中。•目的MAC地址类型VLANID目的端口•0050.ba40.8c5cDynamic148FastEthernet0/8•0050.babc.3077Dynamic148FastEthernet0/2•地址学习：学习地址时，交换机要记录两件事：①记录地址本身和入站端口号码②将MAC地址的寿命清0；表中的地址寿命每秒加1，所寿命达到一个特定值，对应的MAC地址表项就会被删除掉。这个过程叫老化。地址学习过程•由于交换机能够自动根据收到的以太网帧中的源MAC地址更新地址表的内容,所以交换机使用的时间越长学到的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少,因而广播的包就越少,速度就越快.•交换机中的内存毕竟有限,因此,能够记忆的MAC地址数量也是有限•地址转发表设定了一个自动老化时间(Auto-aging),若某MAC地址在一定时间内(默认为300秒)不再出现,那么,交换机将自动把该MAC地址从地址表中清除.当下一次该MAC地址重新出现时,将会被当作新地址处理.交换机MAC地址表学习（一）MAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444F0/1F0/3F0/2F0/4C交换机初始化时MAC地址表是空的。ABD交换机MAC地址表学习（二）MAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444F0/1:0260.8c01.1111F0/1F0/3F0/2F0/4主机之间互相发送数据，交换机会学习数据帧的源MAC地址。ACBD交换机帧转发原理•局域网交换机根据数据帧的MAC（MediaAccessControl）地址（即物理地址）进行数据帧的转发操作。•交换机转发数据帧时，遵循以下规则：如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向局域网交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）；如果数据帧的目的地址是单播地址，但是这个地址并不在交换机的地址表中，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）；交换机帧转发原理（一）•未知单播帧，广播帧：–执行广播操作Flooding(泛洪)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444F0/1F0/3F0/2F0/4F0/1:0260.8c01.1111F0/2:0260.8c01.2222F0/3:0260.8c01.3333F0/4:0260.8c01.4444MAC地址表ACBD交换机帧转发原理•如果数据帧的目的地址在交换机的地址表中，那么就根据地址表转发到相应的端口；•如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。交换机帧转发原理（二）•已知单播帧–过滤操作FilteringF0/1:0260.8c01.1111F0/2:0260.8c01.2222F0/3:0260.8c01.3333F0/4:0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444XXMAC地址表F0/1F0/3F0/2F0/4ACBDARP协议及工作原理•ARP协议:地址解析协议，实现通过IP地址得知其物理地址。•在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。•而在TCP/IP协议栈中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。•所谓地址解析（addressresolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP缓存表老化机制•ARP缓存表采用了老化机制（即设置了生存时间TTL），在一段时间内（一般15到20分钟）如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可以大大减少ARP缓存表的长度，加快查询速度。查看ARP缓存表•在主机上进入DOS命令方式：arp–a•二层交换机上很可能没有ARP缓存表。•请思考：•如果不给交换机配置IP地址，交换机能否正常传递数据包？存储转发(StoreandForward)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。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。交换机的交换模式直通交换(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。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。交换机的交换模式碎片丢弃（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。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：一般的通讯链路交换机的交换模式交换机与网桥的主要区别(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-Specific-IntegratedCircuit，ASIC)，大大提高了网络转发速度。(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。（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