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  • 交换机运行原理

    2021-05-16 21:22:52
    交换机运行原理(配置了vlan和trunk) 当交换机收到一个帧以后,先查看这个帧属于那个vlan(虚拟网域),然后到属于同一vlan(虚拟网域)的端口进行下一步,查看自己的MAC地址表如果有就发送,如果没有就在同一...

    vlan的作用:减小广播域的大小。

    交换机的运行原理(配置了vlan和trunk)
    当交换机收到一个帧以后,先查看这个帧属于那个vlan(虚拟网域),然后到属于同一vlan(虚拟网域)的端口进行下一步,查看自己的MAC地址表如果有就发送,如果没有就在同一vlan下发送ARP广播报文获取MAC地址,对方收到你的ARP广播后,回应一个ARP单播回应,然后帧中写入目标的mac地址,然后发送。

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  • ATM交换机技术原理简介 起因,背景: ATM交换技术是ATM网络技术的核心。交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模。交换机设计的方法将影响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失和交换延时等,交换结构不仅影响交换机的...

      ATM交换机技术原理简介

      起因,背景:

      ATM交换技术是ATM网络技术的核心。交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模。交换机设计的方法将影响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失和交换延时等,交换结构不仅影响交换机的性能和扩展特性,而且也影响交换机支持广播方式和点到点方式的能力。

      交换原理和方式:

      1.ATM交换原理

      ATM交换结构应该能够完成两方面基本功能,一是空间交换,即将信元从一条传输线上交换到另一条上,又叫路由选择;另一功能是时间交换,即将信元从一个时隙转移到另一时隙。ATM交换机从基本构成上可分为接口模块、交换模块、和控制模块。接口模块位于交换机的边缘,为交换机提供对外的接口;交换模块是整个交换机的核心模块,它提供了信元交换的通路,通过交换模块的两个基本功能(排队和选路),将信元从一个端口交换到另一个端口上去;控制模块是交换机的中央枢纽,它完成ATM信元处理、资源管理和流量控制中的连接接纳控制,以及设备管理、网络管理等功能、在实现时,设备管理和网管多在外接的管理维护平台上完成。

      2.ATM交换方式和结构:

      现代通信网中广泛应用的交换方式有两种:电路交换方式和分组交换方式。电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等,分组交换方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等。电路交换方式适用于话音等实时性业务,而分组交换方式适用于数据业务。在综合业务环境下,不同业务对网络的要求不同,电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境下的使用要求。ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点而形成的新型交换方式。

      ATM交换结构有总线结构和共享存储器结构两种。总线结构如图1所示,各路ATM信元经输入处理后汇集到总线上,输出处理从总线上取出信元,处理后形成输出信号。总线工作在分时状态,把不同时隙分配给不同的输入、输出。

      存储器结构如图2所示,各端口信元经过输入处理后送入存储器,输出处理器从存储器取出信元,处理后形成输出信号。

      若将存储器结构稍加变形,则其结构和总线结构是非常相似的。两种结构都存在信元的汇集点,这时就需要以时分和空分相结合的方式提高交换容量。

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      ATM交换特点:

      (1)采用统计时分复用

      传统的电路交换中用STM(Synchronous Transfer Mode)方式将来自各种信道上的数据组成帧格式,每路信号占固定比特位组,在时间上相当于固定的时隙,即属于同步时分复用。在ATM方式中保持了时隙的概念,但是采用统计时分复用的方式,取消了STM中帧的概念,在ATM时隙中存放的实际上是信元。

      (2)以固定长度(53字节)的信元为传输单位,响应时间短

      ATM的信元长度比X.25网络中的分组长度要小得多,这样可以降低交换节点内部缓冲区的容量要求,减少信息在这些缓冲区中的排队时延,从而保证了实时业务短时延的要求。

      (3)采用面向连接并预约传输资源的方式工作

      在ATM方式中采用的是虚电路形式,同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源。考虑到业务具有波动的特点和网络中同时存在连接的数量,网络预分配的通信资源小于信源传输时的峰值速率(PCR)。

      (4)在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制,而将这些工作推到了网络的边缘

      X.25运行环境是误码率很高的频分制模拟信道,所以X.25执行逐段链路的差错控制。又由于X.25无法预约网络资源,任何链路上的数据量都可能超过链路的传输能力,因此X.25需要逐段链路的流量控制。而ATM协议运行在误码率较低的光纤传输网上,同时预约资源保证网络中传输的负载小于网络的传输能力,ATM将差错控制和流量控制放到网络边缘的终端设备完成。

      (5)ATM支持综合业务

      ATM充分综合了电路交换和分组交换的优点,既具有电路交换“处理简单”的特点,支持实时业务、数据透明传输,在网络内部不对数据作复杂处理,采用端-端通信协议;又具有分组交换的特点,如支持可变比特率业务,对链路上传输的业务采用统计时分复用等。所以ATM支持话音、数据、图象等综合业务。

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  • 交换机原理

    千次阅读 2017-02-15 09:41:32
    交换机原理详解

    帧转发:

    网络及电信中的交换概念
    以太网上的帧包含源MAC地址与目的帧转发:
    网络及电信中的交换概念
    以太网上的帧包含源MAC地址与目的MAC地址。交换机从源设备接收到帧并快速发往目的地址。交换的基本概念指基于以下两条准则做出决策的设备:
    •进入(ingress)端口
    •目的地址
    术语ingress用于描述帧通过特定端口进入设备,egress用于描述设备通过特定端口离开设备。交换机做出转发决定的时候,是基于进入端口以及消息的目的地址的。
    LAN交换机维护一张表,通过这张表决定如何转发数据流。LAN交换机唯一智能部分是利用这张表基于消息的进入端口和目的地址来转发。一个LAN交换机中只有一张定义了地址和端口的主交换表;因此,无论进入端口如何,同一目的地址的消息永远从同一出口离开。
    MAC地址表的动态更新
    一个交换机要知道使用哪一个端口传送帧,首先必须学习各端口有哪些设备。随着交换机学习到端口与设备的关系,它建立起一张MAC地址表,或内容可寻址寄存表(CAM)。CAM是一种应用于高速查找应用的特定类型的memory。交换机将连接到它的端口的设备的MAC地址记录到MAC表中,然后利用表中信息将帧发送至输出端口设备,该端口已指定给该设备。
    记住交换机操作模式的一句简单的话是:交换机学习“源地址”,基于“目的地址”转发。帧进入交换机时,交换机“学习”接收帧的源MAC地址,并将此地址添加到MAC地址表中,或刷新已存在的MAC地址表项的老化寄存器;后续报文如果去往该MAC地址,则可以根据此表项转发。帧转发时,交换机检查目的MAC地址并与MAC地址表中地址进行比较。如果地址在表中,则转发至表中与MAC地址相对应的端口。如果没有在表中找到目的MAC地址,交换机会转发到除了进入端口以外的所有端口泛洪(flooding)。有多个互连交换机的网络中,MAC地址表对于一个连接至其他交换机的端口记录多个MAC地址。
    以下步骤描述了更新MAC地址表的方法:
    1.交换机在port 1接收到来自PC 1的帧。

    2.交换机检查源MAC地址并与MAC地址表相比较。
    •如果地址不在表中,则交换机在MAC地址表中将PC 1的源MAC地址关联到进入端口(port 1)。

    •如果已经存在该源地址的MAC地址表项,则交换机重置老化计时器。通常一个表项会保持5分钟。
    3.交换机记录源地址信息之后,检查目的地址
    •如果目的MAC地址不在表项中或如果它是一个广播MAC地址,则交换机把该帧泛洪(flood)至除了进入端口以外的所有端口。

    4.目标设备(PC 3)返回目的地址为PC 1的单播帧。

    5.交换机地址表中输入PC 3的源MAC地址以及进入端口的端口号。在表项中找到该帧的目的地址及关联的输出端口。

    6.交换机现在可以在源和目标设备之间传送帧而无需泛洪,因为地址表中已有指定关联端口的表项。

    交换机转发方式:
    存储转发交换(Store-and-Forward)
    运行在存储转发模式下的交换机在发送信息前要把整帧数据读入内存并检查其正确性。尽管采用这种方式比采用直通方式更花时间,但采用这种方式可以存储转发数据,从而保证其准确性。由于运行在存储转发模式下的交换机不传播错误数据,因而更适合大型局域网。存储转发模式有两大主要特征区别于直通转发模式:
    差错控制:
    使用存储转发技术的交换机对进入帧进行差错控制。在进入端口接收完整一帧之后,交换机将数据报最后一个字段的帧校验序列(frame check sequence, FCS)与自己的FCS进行比较。FCS校验过程用以帮助确保帧没有物理及数据链路错误,如果该帧校验正确,则交换机转发。否则,丢弃。

    自动缓存:
    存储转发交换机通过进入端口缓存,支持不同速率以太网的混合连接。例如,接收到一个以1Gb/s速率发出的帧,转发至百兆以太网端口,就需要使用存储转发方式。当进入与输出端口速率不匹配时,交换机将整帧内容放入缓存中,计算FCS校验,转发至输出缓存之后将帧发出。
    Cisco的主要交换方式是存储转发交换。
    直通交换(Cut-Through)
    直通交换的一个优势是比存储转发技术更为快速。采用直通模式的交换机会在接收完整个数据包之前就读取帧头,并决定把数据发往哪个端口。不用缓存数据也不用检查数据的完整性。这种交换方式有两大特点:快速帧转发以及无效帧处理。
    快速帧转发:
    如下图所示,一旦交换机在MAC地址表中查找到目的MAC地址,就立刻做出转发决定。而无需等待帧的剩余部分进入端口再做出转发决定。

    使用直通方式的交换机能够快速决定是否有必要检查帧头的更多部分,以针对额外的过滤目的。例如,交换机可以检查前14个字节(源MAC地址,目的MAC,以太网类型字段),以及对之后的40字节进行检查,以实现IPv4三层和四层相关功能。
    无效帧处理:
    对于大多数无效帧,直通方式交换机并不将其丢弃。错误帧被转发至其他网段。如果网络中出现高差错率(无效帧),直通交换可能会对带宽造成不利影响,损坏以及无效帧会造成带宽拥塞。在拥塞情况下,这种交换机必须像存储转发交换机那样缓存。
    无碎片转发(Fragment Free)
    无碎片转发是直通方式的一种改进模式。交换机转发之前检查帧是否大于64字节(小于则丢弃),以保证没有碎片帧。无碎片方式比直通方式拥有更好的差错检测,而实际上没有增加延时。它比较适合于高性能计算应用,即进程到进程延时小于10毫秒的应用场景。
    交换机域:
    交换机比较容易混淆的两个术语是冲突域和广播域。这一段讲述这两个影响LAN性能的重要概念。
    冲突域
    设备间共享同一网段称为冲突域。因为该网段内两个以上设备同时尝试通讯时,可能发生冲突。使用工作在数据链路层的交换机可将各个网段的冲突域隔离,并减少竞争带宽的设备数量。交换机的每一个端口就是一个新的网段,因为插入端口的设备之间无需竞争。结果是每一个端口都代表一个新的冲突域。网段上的设备可以使用更多带宽,冲突域内的冲突不会影响到其他网段,这也成为微网段。
    如下图所示,每一个交换机端口连接到一台主机,每一个交换机端口代表一个隔离的冲突域。

    广播域
    尽管交换机按照MAC地址过滤大多数帧,它们并不能过滤广播帧。LAN上的交换机接收到广播包后,必须对所有端口泛洪。互连的交换机集合形成了一个广播域。网络层设备如路由器,可隔离二层广播域。路由器可同时隔离冲突和广播域。

    当设备发出二层广播包,帧中的目的MAC地址被设置为全二进制数,广播域中的所有设备都会接收到该帧。二层广播域也称为MAC广播域。MAC广播域包含LAN上所有接收到广播帧的设备。广播通信比较多时,可能会带来广播风暴。特别是在包含不同速率的网段,高速网段产生的广播流量可能导致低速网段严重拥挤,乃至崩溃。


    来自易安信论坛

    地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_987e00020102x6ft.html

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  • 交换机工作原理

    2019-08-07 17:52:37
    交换机工作原理  一、概述  1993年,局域网交换设备出现,1994年,国内掀起了交换网络技术的热潮。其实,交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品,体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI...

    交换机工作原理

      一、概述

      1993年,局域网交换设备出现,1994年,国内掀起了交换网络技术的热潮。其实,交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品,体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与桥接器一样,交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小,操作接近单个局域网性能,远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。

      交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整,以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。

      类似传统的桥接器,交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域,为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中;交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡,不必作高层的硬件升级;交换机对工作站是透明的,这样管理开销低廉,简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。

      利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息,提供了比传统桥接器高得多的操作性能。如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包,可提供14880bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率(6道信息流X14880bps/道信息流)。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行,其端口造价低于传统型桥接器。

      二、三种交换技术

      1.端口交换

      端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中,这类集线器的背板通常划分有多条以太网段(每条网段为一个广播域),不用网桥或路由连接,网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上,端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度,端口交换还可细分为:

      ·模块交换:将整个模块进行网段迁移。

      ·端口组交换:通常模块上的端口被划分为若干组,每组端口允许进行网段迁移。

      ·端口级交换:支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI第一层上完成的,具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当,那么还可以在一定程度进行客错,但没有改变共享传输介质的特点,自而未能称之为真正的交换。

      2.帧交换

      帧交换是目前应用最广的局域网交换技术,它通过对传统传输媒介进行微分段,提供并行传送的机制,以减小冲突域,获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异,但对网络帧的处理方式一般有以下几种:

      ·直通交换:提供线速处理能力,交换机只读出网络帧的前14个字节,便将网络帧传送到相应的端口上。

      ·存储转发:通过对网络帧的读取进行验错和控制。

      前一种方法的交换速度非常快,但缺乏对网络帧进行更高级的控制,缺乏智能性和安全性,同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此,各厂商把后一种技术作为重点。

      有的厂商甚至对网络帧进行分解,将帧分解成固定大小的信元,该信元处理极易用硬件实现,处理速度快,同时能够完成高级控制功能(如美国MADGE公司的LET集线器)如优先级控制。

      3.信元交换

      ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向,也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”,ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定,因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接,并行运行,可以通过一个交换机同时建立多个节点,但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接,以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用,因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。

      三、局域网交换机的种类和选择

      局域网交换机根据使用的网络技术可以分为:

      ·以大网交换机;

      ·令牌环交换机;

      ·FDDI交换机;

      ·ATM交换机;

      ·快速以太网交换机等。

      如果按交换机应用领域来划分,可分为:

      ·台式交换机;

      ·工作组交换机;

      ·主干交换机;

      ·企业交换机;

      ·分段交换机;

      ·端口交换机;

      ·网络交换机等。

      局域网交换机是组成网络系统的核心设备。对用户而言,局域网交换机最主要的指标是端口的配置、数据交换能力、包交换速度等因素。因此,在选择交换机时要注意以下事项:

      (1)交换端口的数量;

      (2)交换端口的类型;

      (3)系统的扩充能力;

      (4)主干线连接手段;

      (5)交换机总交换能力;

      (6)是否需要路由选择能力;

      (7)是否需要热切换能力;

      (8)是否需要容错能力;

      (9)能否与现有设备兼容,顺利衔接;

      (10)网络管理能力。

      四、交换机应用中几个值得注意的问题

      1.交换机网络中的瓶颈问题

      交换机本身的处理速度可以达到很高,用户往往迷信厂商宣传的Gbps级的高速背板。其实这是一种误解,连接入网的工作站或服务器使用的网络是以大网,它遵循CSMA/CD介质访问规则。在当前的客户/服务器模式的网络中多台工作站会同时访问服务器,因此非常容易形成服务器瓶颈。有的厂商已经考虑到这一点,在交换机中设计了一个或多个高速端口(如3COM的Linkswitch1000可以配置一个或两个100Mbps端口),方便用户连接服务器或高速主干网。用户也可以通过设计多台服务器(进行业务划分)或追加多个网卡来消除瓶颈。交换机还可支持生成树算法,方便用户架构容错的冗余连接。

      2.网络中的广播帧

      目前广泛使用的网络操作系统有Netware、Windows NT等,而Lan Server的服务器是通过发送网络广播帧来向客户机提供服务的。这类局域网中广播包的存在会大大降低交换机的效率,这时可以利用交换机的虚拟网功能(并非每种交换机都支持虚拟网)将广播包限制在一定范围内。

      每台文交换机的端口都支持一定数目的MAC地址,这样交换机能够“记忆”住该端口一组连接站点的情况,厂商提供的定位不同的交换机端口支持MAC数也不一样,用户使用时一定要注意交换机端口的连接端点数。如果超过厂商给定的MAC数,交换机接收到一个网络帧时,只有其目的站的MAC地址不存在于该交换机端口的MAC地址表中,那么该帧会以广播方式发向交换机的每个端口。

      3.虚拟网的划分

      虚拟网是交换机的重要功能,通常虚拟网的实现形式有三种:

      (1)静态端口分配

      静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口,使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性,除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦,但比较安全,容易配置和维护。

      (2)动态虚拟网

      支持动态虚拟网的端口,可以借助智能管理软件自动确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚连接入网时,交换机端口还未分配,于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后,用户的计算机可以灵活地改变交换机端口,而不会改变该用户的虚拟网的从属性,而且如果网络中出现未定义的MAC地址,则可以向网管人员报警。

      (3)多虚拟网端口配置

      该配置支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门(每种业务设置成一个虚拟网)都可同时访问,也可以同时访问多个虚拟网的资源,还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。但这样会带来安全上的隐患。虚拟网的业界规范正在制定当中,因而各个公司的产品还谈不上互操作性。Cisco公司开发了Inter-Switch Link(ISL)虚拟网络协议,该协议支持跨骨干网(ATM、FDDI、Fast Ethernet)的虚拟网。但该协议被指责为缺乏安全性上的考虑。传统的计算机网络中使用了大量的共享式Hub,通过灵活接入计算机端口也可以获得好的效果。

      4.高速局域网技术的应用

      快速以太网技术虽然在某些方面与传统以大网保持了很好的兼容性,但100BASE-TX、100BASAE-T4及100BASE-FX对传输距离和级连都有了比较大的限制。通过100Mbps的交换机可以打破这些局限。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。

      目前也出现了CDDI/FDDI的交换技术,另外该CDDI/FDDI的端口价格也呈下降趋势,同时在传输距离和安全性方面也有比较大的优势,因此它是大型网络骨干的一种比较好的选择。

      3COM的主要交换产品有Linkswitch系列和LANplex系列;BAY的主要交换产品有LattisSwitch2800,BAY stack workgroup、System3O00/5000(提供某些可选交换模块);Cisco的主要交换产品有Catalyst 1000/2000/3000/5000系列。

      三家公司的产品形态看来都有相似之处,产品的价格也比较接近,除了设计中要考虑网络环境的具体需要(强调端口的搭配合理)外,还需从整体上考虑,例如网管、网络应用等。随着ATM技术的发展和成熟以及市场竞争的加剧,帧交换机的价格将会进一步下跌,它将成为工作组网的重要解决方案。

    转载于:https://www.cnblogs.com/F4ncy/archive/2005/02/12/103961.html

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交换机运行原理图