交换机基础知识

交换机基础知识本章内容●交换机概述●交换机的分类与性能指标●交换机的接口与连接方式●虚拟局域网与多层交换●交换机产品简介2.1交换机概述1.交换机的基本概念交换机英文名称为Switch，也称为交换式集线器,是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。2.1.1交换机简介交换机的工作特点：•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•目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。2.交换机的特性与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能：（1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。（2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。（3）虚拟网（VirtualLAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性。（4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。客户机都需要访问服务器，这样就导致服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。3.交换机的三个主要功能（1）学习以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。（2）转发/过滤当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。（3）消除回路当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。2.1.2交换机的交换模式概念：交换机将数据从一个端口转发至到另一个端口的处理方式称为交换模式。类型：•存储转发（StoreandForward）•直通交换（Cut—Through）•碎片丢弃（Fragmentfree）2.1交换机概述存储转发(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。2.1.2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。2.1.2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2.1.2交换机的交换模式2.1.3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；交换机采用全双工方式来传输数据。2.1.3交换机与集线器的主要区别2.1.3交换机与集线器（HUB）的主要区别总结：交换机与集线器有着本质的不同，无论在工作层次、通讯方式、传输速度和可管理性上，都都存在明显的差别，交换机与集线器相比具有无与伦比的优势。目前，交换机已经成为组网中的普遍使用的网络连接设备，而集线器已经逐渐在退出历史舞台。2.2交换机的分类与性能指标2.2.1交换机的分类从应用区域划分：广域网交换机和局域网交换机•广域网交换机:主要应用于电信领域，提供通信基础平台。•局域网交换机:应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。注意：我们重点学习的是局域网交换机。2.2.1交换机的分类按组建园区网的网络拓扑结构层次，可划分为：接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。•核心层交换机:一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；•汇聚层交换机:可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；•接入层交换机:一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。核心层（corelayer）核心层交换机是整个网络的中心交换机，具有最高的交换性能，用于连接和汇聚各汇聚层交换机的流量。核心层交换机一般采用高档的3层交换机，这类交换机具有很高的交换背板带宽和较多的高速以太网端口或光纤端口。比如Cisco4000、4500、5000和6500系列等。汇聚层（distributionlayer）汇聚层交换机用于汇聚接入层交换机的流量，并上连至核心层交换机。一般采用3层交换机，比如Cisco3550系列、华为的QuidwayS3526E等。这类交换机一般具有一定数量的高速端口，以提供较高的数据吞吐能力。3层式交换网络拓扑结构双冗余热备份网络拓扑结构根据传输介质、传输速度以及发展历史上看，局域网交换机有这样一些类型：•以太网交换机•快速以太网交换机•千兆以太网交换机•万兆以太网交换机•FDDI交换机•ATM交换机•令牌环交换机•……2.2.1交换机的分类2.2.1交换机的分类从规模与应用上分为企业级交换机部门级交换机工作组交换机根据架构特点，人们还将局域网交换机分为–机架式–带扩展槽固定配置式–不带扩展槽固定配置式2.2.1交换机的分类按照OSI的七层网络模型，交换机又可以分为：–第二层交换机–第三层交换机–第四层交换机–第七层交换机基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。基于IP地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要用于互联网数据中心。2.2.1交换机的分类按照交换机的可管理性，可分为：•可管理型交换机•不可管理型交换机两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换机。2.2.1交换机的分类2.2.1交换机的分类按照交换机可否堆叠分为可堆叠交换机不可堆叠交换机2.2.1交换机的分类从应用的角度划分，交换机又可分为：•电话交换机（PBX）：主要应用于电信领域，提供语音通讯。•数据交换机（Switch）：应用于计算机网络。注意：我们重点学习的是数据交换机。•背板带宽与端口速率•模块化与固定配置•专用芯片与通用芯片•单/多MAC地址类型2.2.2交换机的主要性能指标背板带宽与端口速率背板带宽和端口速率是衡量交换机的交换能力的主要参数。背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。交换机的端口速率：每秒通过的比特数。–10Mbps–100Mbps–1000Mbps–10000Mbps2.2.2交换机的主要性能指标模块化与固定配置模块化交换机：具有很强的可扩展性，可在机箱内提供一系列扩展模块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机一般作为骨干交换机来使用。固定配置交换机：一般具有固定端口配置，比如Cisco公司的Catalystl900/2900交换机，Bay公司的BayStack350/450交换机等。固定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机，但是价格要低得多。2.2.2交换机的主要性能指标专用芯片与通用芯片•X86：通用计算机芯片•ASIC：（Application-Specific-IntegratedCircuit）•NP：专用网络处理器2.2.2交换机的主要性能指标单/多MAC地址类型•单MAC交换机：每个端口只有一个MAC地址•多MAC交换机：每个端口捆绑有多个MAC硬件地址单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共享资源或非桥接路由器，它们不能用于连接集线器或含有多个网络设备的网段；多MAC交换机的每个端口可以看作是一个集线器，而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。2.2.2交换机的主要性能指标2.3交换机的接口与连接方式2.3.1交换机的接口类型交换机的接口是随着网络类型的变化和传输介质的发展而产生的不同的接口规格，主要有：•双绞线RJ-45接口•光纤接口•AUI接口与BNC•Console接口•FDDI接口双绞线RJ-45接口数量最多、应用最广的一种接口类型，它属于以太网接口类型。它不仅在最基本的10Base-T以太网网络中使用，还在目前主流的100Base-TX快速以太网和1000Base-TX千兆以太网中使用。2.3.1交换机的接口类型光纤接口目前光纤传输介质发展相当迅速，各种光纤接口也是层出不穷，分别应用于100Base-FX、1000Base-FX等网络中。在局域网交换机中，SC类型是一种常见的光纤接口，SC接口的芯在接头里面，右图所示的是一款100Base-FX网络的SC光纤接口模块。2.3.1交换机的接口类型AUI接口这是专门用于连接粗同轴电缆的，目前这种网络在局域网中已不多见。现在部分交换机保留了AUI接口。AUI接口是一个15针“D”形接口，类似于显示器接口。这种接口在其他网络设备中也可以见到，如路由器，甚至服务器中。右图中所示的是交换机上的AUI接口示意图。2.3.1交换机的接口类型BNC接口这是专门用于连接细同轴电缆的接口，目前提供这种接口的交换机比较少见。个别交换机保留BNC接口，主要是用于与细同轴电缆作为传输介质的令牌网络连接。右图是BNC接口的网卡。2.3.1交换机的接口类型Console接口用于配置交换机而使用的接口。不同交换机的Console接受有所不同，有些与Cisco路由器一样采用RJ-45类型Console接口，而有的则采用串口作为Console接口。2.3.1交换机的接口类型FDDI接口在早期的100Mbps时代，还有一种FDDI网络类型，即“光纤分布式数