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  • 交换式以太网

    2012-12-13 23:28:06
    交换式以太网,冲突主要在什么时候??
  • 交换式以太网的实时通讯方法
  • 前文所述,发明以太网交换机(Switch),使得以太网进入交换时代,当前大多数园区网、企业网基本采用交换式以太网技术,人们不再担心产生冲突。它仍然遵循802.3技术标准,数据帧格式方面没有任何改变,从而兼容传统的...

          前文所述,发明以太网交换机(Switch),使得以太网进入交换时代,当前大多数园区网、企业网基本采用交换式以太网技术,人们不再担心产生冲突。它仍然遵循802.3技术标准,数据帧格式方面没有任何改变,从而兼容传统的以太网标准。发展到现在,速率为100Gbps高速以太网端口已大范围进入商用,2017年IEEE批准了802.3bs标准,包括200Gbps、400Gbps的标准,2019年7月16日紫光旗下H3C公司宣称部署了国内首个400Gbps以太网——深圳网络空间与科学技术实验室网络,以太网不断刷新着网络速率极限。下面我们就看看构成交换式以太网的交换机是如何进行工作的。

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    (一)交换机与集线器的区别

    很早以前的集线器(历史文章有专门介绍集线器)是构成以太网的基础设备,其内部只是简单将所有端口连接在一起,当一个端口发来数据时,它只是简单地向其他端口转发信号,工作在物理层,因此当计算机终端多的时候产生冲突在所难免。而交换机拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背板总线上,控制电路收到数据帧以后,处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上,内部交换矩阵将在源端口与目标端口间建立一个通路,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。(下图为集线器与交换机内部结构简单示意图)

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    左:集线器内部结构   右:交换机内部结构

    【小知识】交换矩阵(交换网板)也称为Crossbar,是一种带有多个超高速率接口的硬件芯片,一般用于数据处理芯片之间数据的高速转发或高端交换机跨线卡的数据转发。Crossbar被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵。最开始的以太网交换构建在共享总线的基础之上,共享总线结构所能提供的交换容量有限,一方面是因为共享总线不可避免内部冲突;另一方面共享总线的负载效应使得高速总线的设计难度相对比较大。随着交换机端口对“独享带宽”的渴求,这种共享总线的结构很快发展为共享内存结构,后来又演进为目前业界最为先进的Crossbar结构,Crossbar结构的交换矩阵(交换网板)完全突破了共享带宽限制,在交换网络内部没有带宽瓶颈,不会因为带宽资源不够而产生阻塞。

    (二)交换机MAC地址表的学习与建立

    MAC地址表是交换机进行数据转发的唯一依据,通过查询MAC地址表来转发数据帧。

    交换机在加电启动后,其MAC地址表为空,交换机通过动态学习来逐步建立和维护这张表。当一个数据帧交付到交换机的某一端口时,交换机可以学习到源主机的MAC地址和其对应的交换机端口号,但它并不知道目标主机在哪个端口上,于是它向整个广播域发出该数据包,如果目的主机在此网络中,那它收到此数据包后立即回应源主机,交换机自然收到回应的数据包,通过回应数据包就知道了目的主机所接的端口号是多少。通过不断学习,交换机就收集齐所有的MAC地址和端口的映射条目。交换机在其运行过程中持续地维护这张表作为转发数据帧的依据。

    以下图为例,交换机加电时其MAC地址表为空,当A主机向G主机发送数据时,交换机在1号端口收到数据帧,它得知MAC地址为A的主机对应交换机端口为1,因此在MAC地址表中加入表项(A,1),但交换机不知道MAC地址为G的主机在哪里,于是它将该数据帧采用广播的方式向所有端口复制广播帧,G主机收到该广播帧,并回应A主机,这样交换机在5号端口上收到了源地址为G的数据帧,就学习到MAC地址为G的主机在5号端口上,下一次就不用广播而直接转发数据帧了。经过不断学习,交换机就掌握了该网络中所有主机和端口的映射表,当一个数据帧到达交换机时他将目的MAC地址取出,并在MAC地址表中查找到目的MAC地址对应表项,然后将数据帧转发到对应的端口。

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    交换机的地址学习

    从下表可以看出,MAC地址表是1对多的映射关系,即一个MAC地址对应唯一一个端口号,一个端口下可以接入多个主机(MAC地址,后续文章再介绍)。

    交换机MAC地址表

    序号

    MAC地址

    端口号

    1

    A

    1

    2

    G

    5

    3

    B

    2

    4

    C

    3

    5

    D

    4

    6

    E

    5

    7

    F

    5

    8

    H

    5

    (三)交换机的数据转发方式

    交换机的数据转发方式一般有以下三种:

    (1)存储转发模式(store-and-forward),这种模式是比较常见的(历史文章里有专门介绍数据交换方式的文章)。当数据帧进入交换机端口后,交换机会把数据帧放到缓存中,主要是检查数据的完整性以及目的MAC地址,只有数据帧的大小在64字节到1518字节之间,而且CRC校验和正确的情况下,交换机才转发这个数据帧,小于64字节的帧会被丢弃。存储转发方式转发的数据都是可靠的,但速度会相对慢一些,是交换机默认的、最常用的一种方式。

    (2)直通式(cut-through),直通式转发模式对进入交换机的数据帧,只检查目的MAC地址,然后根据MAC表直接转发数据。这种转发方式比较快,但如果网络上的碎片或者垃圾数据较多的话,这种转发方式带来的后果就是垃圾数据会在网络中占用大量的资源。这种转发模式有一个有趣而形象的名称:热土豆方式,就像拿到一个烫手的山芋,立即就扔出去

    (3)无碎片转发(fragment-free),这种方式综合了以上两种方式的特点,既不检查完整的帧,又不是直接转发。它检查帧的前64字节,帧长度大于等于64字节后就根据目的地址进行转发,这样可以避免碎片帧被转发出去。

    (四)交换机的端口协商

    交换机的端口一般可以设置全双工、半双工模式,端口速率可设置为100Mbps或10Mbps。交换机端口与所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性,即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而,如果自动协商被禁用或者设备不支持,则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因(设备被设置为半双工会报告迟发冲突,而设备被设为全双工则会报告runt)。许多低端交换机没有手工进行速率和双工设置的能力,因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时(例如其他设备不支持),自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的,因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时(反之亦然)则会导致双工错配。

    即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商,错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此,如果性能差于预期,应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了,如果已知另一端配置为100Mbps,则可以手动强制设置成正确模式。这里举的例子为100M端口,1G或10G端口同样有协商问题,有的设备之间端口对接还需设置主从关系(即master、slave模式)。

    当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率(例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps)通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率,以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路。因此如果过高的速率导致电缆不可靠就会导致链路失效。解决方案只有强制通讯端降低到电缆支持的速率。

    今天的篇幅有点长,希望耐心看完。如有不当之处请指正。

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    原版本涉及培训后发现可能涉及到 信息安全违规,检查完毕后重新发布

     

    以太网根据传输方式可分为 共享式以太网和交换式以太网

     

    共享式以太网

    共享式以太网顾名思义就是所有设备共享同一带宽。

    共享带来的问题就是冲突严重,所以以太网中采用CSMA/CD来解决这个问题

    CS(Carrier Sense)载波监听

    在发送数据前进行监听,以确保线路空闲,减少冲突的机会

    MA(Multiple Access)多址访问

    每个站点发送给您额数据,可以同时被多个站点接收

    CD(Collision Detection)冲突检测

    边发送边检测,发送冲突就停止发送,然后延迟一个随机时间之后继续发送

     

    共享式以太网常使用Hub集线器来进行构建,但Hub的作用就是将分散的网线集起来,用来放大信号,它仅仅是工作在物理层的设备,上述的CSMA/CD过程集线器是不知道的。

    Hub是个半双工设备,这也和其应用在共享式网络中是对应的。

    任何一个时刻只有一个用户进行传递,Hub收到数据后以广播的方式对其他所有的接口进行广播。

    共享式以太网的缺陷如下:

    1、冲突严重,共享的固有缺点

    2、广播泛滥,没有进行隔离。如上图,1是以广播的方式发送的数据

    3、安全性差。和2同样,1想发给2的数据可以被2、3、4、5收到。此外,还会遭受到广播攻击等。

    交换式以太网

    交换式以太网使用交换机进行构建,每个端口之间有独立专用的通道,除非2个端口同时对1个端口进行通信,不然不会发生冲突问题。

     

    L2交换机的工作原理(本节所指导都是L2交换机)

    L2交换机通过Mac地址表确定每个端口连接设备对应的Mac地址。

    交换机获取地址采用源Mac地址学习法,转发采用目的Mac地址传递。

    源Mac地址学习法

     

    最初接入网时,交换机内部是没有Mac地址信息的。

    当A想发送消息给C时,A会封装数据报文+IP + 源MAC地址 + 目的MAC地址。

    此时C的目的MAC地址是不知道的,通过ARP地址解析协议发送ARP消息(进行广播),交换机收到该消息后对所有进行广播。

    此时交换机收到的A的ARP消息里就有A自身的源Mac地址与其发送出的端口了,就将端口与对应的Mac地址i信息写入到Mac地址表中。

     

    当在Mac地址表中存有相应的信息后,查询对应的表的映射就完成转发,此就称为基于目的地址转发。

     

    当发送来的目的Mac地址在Mac地址表中匹配不到时,就进行广播

     

    交换机的交换方式

    有3种交换转发方式

    1、直通转发(Cut-Through)

    当交换机接收到第一个字节时(接收到目的地址)就开始转发

    此方法延迟小,但交换机不检测错误

     

    2、存储转发(Store-and-Forward)

    交换机接收到完整的数据帧并校验正确后才开始转发

    此方法延迟取决于数据帧长度,当交换机检测错误,就将错误的包丢弃

    3、片段转发(Fragment-Free)

    对1、2的折中。

    交换机接收到数据包的前64字节(一个最短帧的长度),然后根据头信息表进行转发

    此方法检查前64字节的错误,一旦发现错误就丢弃。

     

    L2交换机的缺陷如下

    1、广播泛滥

    当找不到目的Mac地址时就会进行广播,L2交换机主要缺点。

    2、安全性仍旧无法保障

    如1所述,若有恶意人反复故意发送不存在的Mac地址就会造成不停进行广播,瞬间爆炸。此问题可有L3交换机解决。

     

    L3交换机的工作原理(本节所指导都是L3交换机)

    在逻辑上,三层交换和路由是等同的,三层交换的过程就是IP报文选路的过程

    具有二层功能的同时提供三层功能

    许多三层交换机用三层精确查找实现三层转发

    针对局域网,对以太网进行了优化,大部分三层交换机只提供以太网接口和ATM局域网仿真接口。

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    交换式以太网和共享式以太网区别   集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下,易产生广播风暴。所以我们在中、大型的网络中看不到集线...

    http://blog.csdn.net/sailor_8318/article/details/3907345


    交换式以太网和共享式以太网区别

     

    集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下,易产生广播风暴。所以我们在中、大型的网络中看不到集线器的身影。

     

    交换机是一种基于MAC(网卡的硬件地址)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。

     

    在局域网中大量地了集线器(HUB)或交换机(Switch)这种连接设备。利用集线器连接的局域网叫共享式局域网,利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。那它们二者有何区别呢?

     

    大家知道,以太网中采用的工作方式是CSMACD(载波监听多路访问/冲突检测),对于发送端来说,它每发送一个数据信息时,首先对网络进行监听,当它检测到线路正好有空,便立即发送数据,否则继续检测,直到线路空闲时再发送。对于接收端来说,对接收到的信号首先进行确认,如果是发给自己的就接收,否则不予理睬。

     

    在介绍集线器与交换机二者区别的时候,我们先来谈谈网络中的共享和交换这两个概念。在此,我们打个比方,同样是10个车道的马路,如果没有给道路标清行车路线,那么车辆就只能在无序的状态下抢道或占道通行,容易发生交通堵塞和反向行驶的车辆对撞,使通行能力降低。为了避免上述情况的发生,就需要在道路上标清行车线,保证每一辆车各行其道、互不干扰。共享式网络就相当于前面所讲的无序状态,当数据和用户数量超出一定的限量时,就会造成碰撞冲突,使网络性能衰退。而交换式网络则避免了共享式网络的不足,交换技术的作用便是根据所传递信息包的目的地址,将每一信息包独立地从端口送至目的端口,避免了与其它端口发生碰撞,提高了网络的实际吞吐量。

     

    共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽,每个用户的实际可用带宽随网络用户数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时,多个用户都可能同进“争用”一个信道,而一个通道在某一时刻只充许一个用户占用,所以大量的经常处于监测等待状态,致使信号在传送时产生抖动、停滞或失真,严重影响了网络的性能。

     

    交换式以太网中,交换机供给每个用户专用的信息通道,除非两个源端口企图将信息同时发往同一目的端口,否则各个源端口与各自的目的端口之间可同时进行通信而不发生冲突。

    交换机只是在工作方式上与集线器不同,其它的连接方式、速度选择等则与集线器基本相同。


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    目录

    1 集线器和交换机工作原理验证实验

    1.1 实验内容

    1.2 关键命令

    1.3 结论 

    2 交换式以太网实验

    2.1 实验内容

    2.2 总结

    3 交换机远程配置实验

    3.1 实验内容

    3.2 关键命令

     3.3 实验步骤


    1 集线器和交换机工作原理验证实验

    1.1 实验内容

    网络拓扑结构如下图,查看交换机连接集线器端口和连接终端端口的通信方式。假定初始交换机MAC表为空的前提下,进行一下1-5的帧传输过程,观察每一次MAC帧传输过程中,该MAC帧到达的终端

    1 终端A-->终端B

    2 终端B-->终端A

    3 终端D-->终端E

    4 终端G-->终端A

    1.2 关键命令

    1. 思科交换机默认情况下启动Cisco发现协议(Cisco Discovery Protocol),CDP能够直接检测与交换机直连的设备,创建对应的转发项。因此为了防止CDP干扰实验,需要关闭CDP

    全局模式下使用 no cdp run

     2. 清空交换机中的转发表

    特权模式下 clear mac -address-table

    1.3 结论 

    集线器是早期的以太网连接设备,工作在OSI体系中的物理层,现在已经被淘汰。 最主要的功能是对接受到的信号进行放大和转发,使用集线器作为连接设备的以太网任然属于共享总线式以太网,集线器连接起来的所有主机共享带宽,属于同一个碰撞域和广播域

    交换机是目前以太网中使用最广泛的连接设备,工作在OSI体系中的数据链路层,根据MAC地址对帧进行转发。使用交换机作为连接设备的以太网,称为交换式以太网, 交换机可以根据MAC地址过滤帧,隔离碰撞域。交换机的每个端口是一个独立的碰撞域,交换机不能隔离广播域

    2 交换式以太网实验

    2.1 实验内容

    构建如下图所示的交换式以太网结构,在三个交换机的初始转发表为空的前提下,分别完成终端A与终端B C D之间的MAC帧传输过程,查看交换机MAC表,清空交换机S1的MAC表,查看终端A与B之间的MAC帧传输过程。将终端A转接到交换机S3,查看终端B到终端A,终端C至A的MAC转发过程

    2.2 总结

    交换机收到数据帧后,根据帧的目的MAC地址交换机内部的帧交换表进行处理(登记 转发

    1.盲目转发:交换机不知道应当从哪个端口转发帧,只能将其通过除进入交换机接口外的其他所有接口转发(泛洪)

    2.明确转发:交换机知道从哪个接口转发该帧(单播 多播 广播)

    3. 明确丢弃:交换机知道不该转发该帧,将其丢弃 (查表得到目的MAC地址的出口和入口是一个端口)

    3 交换机远程配置实验

    3.1 实验内容

    构建如下图所示的网络结构,实现PC远程登录配置交换机S1和S2的功能。 实际网络环境下,一般首先通过控制台端口完成网络设备基本信息的配置过程,如果交换机管理接口地址及建立PC与交换机管理接口之间传输通路相关的信息。然后由PC同一对网络设备实施远程配置。

    3.2 关键命令

    1.配置路由接口

    全局模式下 

    interface FastEthernet 0/0   //从全局模式进入到接口配置模式

    no shutdown         //路由接口默认关闭,开启这个接口

    ip address 192.168.1.254  255.255.255.0   //为路由接口指定IP和子网掩码

    exit    //退出当前模式,返回到全局模式

    2.配置管理地址

    交换机的管理地址是IP接口地址,为了定义IP接口需要先创建VLAN ,所有交换机存在默认的VLAN 1,可以为Vlan 1定义IP接口,并且配置IP地址和子网掩码

    全局模式下

    interface vlan 1

    ip address 192.68.1.2 255.255.255.0

    no shutdown   //开启Vlan1对应的IP接口,默认状态下该接口关闭

    exit 

    3. 配置网关地址

    全局模式下

    ip defaule-gateway 192.168.1.254    //为交换机配置默认的网关地址

    4.配置用户鉴别信息

     配置用户名和口令  :用用户名和口令标识授权用户,在对该交换机进行远程配置前,必须提供 用户名和口令,以证明授权用户的身份

    全局模式下

    username aaa1 password bbb1

    配置鉴别授权用户的方式   : 由于telnet是终端仿真协议,用于模拟终端输入方式,因此需要在交换机仿真终端配置模式下配置鉴别授权用户的方式

    全局模式下

    line vty 0 4  //1.允许同时建立的Telnet的会话数量,0和4是编号范围

    login local  //仿真终端配置模式下使用的命令,指定用本地创建的用户名和口令来鉴别登陆用户身份

    exit

    enable password ccc  //设置进入特权模式时使用的口令ccc

     3.3 实验步骤

    交换机0的配置

    交换机1的配置

    路由器的配置

    远程登录

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交换式以太网