局域網(wǎng)交換技術(shù)

2019-11-05 03:06:44

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供稿：網(wǎng)友

　　局域網(wǎng)交換技術(shù)（LAN Switching）解決了共享式網(wǎng)絡(luò)的性能局限，每個(gè)用戶都能夠獨(dú)享帶寬，從而緩解了帶寬不足和網(wǎng)絡(luò)瓶頸的問(wèn)題。本文主要探討交換技術(shù)的基本原理和交換模式，并由交換模式引出多層交換技術(shù)的概念。
　　
　　一、交換技術(shù)的基本原理
　　
　　　　局域網(wǎng)交換技術(shù)是OSI參考模型中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層（Data-Link Layer）上的技術(shù)，所謂“交換”實(shí)際上就是指轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（frame）。在數(shù)據(jù)通信中，所有的交換設(shè)備（即交換機(jī)）執(zhí)行兩個(gè)基本的操作：
　　
　　　　交換數(shù)據(jù)幀，將從輸入介質(zhì)上收到的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的輸出介質(zhì)；
　　
　　　　維護(hù)交換操作，構(gòu)造和維護(hù)交換地址表。
　　
　　下面，我們探討一下這兩個(gè)基本操作的具體細(xì)節(jié)。
　　
　　1．交換數(shù)據(jù)幀
　　
　　　　交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的MAC（Media access Control）地址（即物理地址）進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)操作。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，遵循以下規(guī)則：
　　
　　　　假如數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址或者組播地址，則向交換機(jī)所有端口轉(zhuǎn)發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來(lái)的端口）；
　　
　　　　假如數(shù)據(jù)幀的目的地址是單播地址，但是這個(gè)地址并不在交換機(jī)的地址表中，那么也會(huì)向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)（除數(shù)據(jù)幀來(lái)的端口）；
　　
　　　　假如數(shù)據(jù)幀的目的地址在交換機(jī)的地址表中，那么就根據(jù)地址表轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口；
　　
　　　　假如數(shù)據(jù)幀的目的地址與數(shù)據(jù)幀的源地址在一個(gè)網(wǎng)段上，它就會(huì)丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀，交換也就不會(huì)發(fā)生。　　下面，我們以圖1為例來(lái)看看具體的數(shù)據(jù)幀交換過(guò)程。
　　　

　　　　當(dāng)主機(jī)D發(fā)送廣播幀時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為ffff.ffff.ffff的數(shù)據(jù)幀，則向E0、E1、E2和E4端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。
　　
　　　　當(dāng)主機(jī)D與E主機(jī)通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.5555的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.5555并不在表中，因此交換機(jī)仍然向E0、E1、E2和E4端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。
　　
　　　　當(dāng)主機(jī)D與主機(jī)F通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.6666的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.6666也位于E3端口，即與源地址處于同一個(gè)網(wǎng)段，所以交換機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀，而是直接丟棄。
　　
　　　　當(dāng)主機(jī)D與主機(jī)A通信時(shí)，交換機(jī)從E3端口接收到目的地址為0260.8c01.1111的數(shù)據(jù)幀，查找地址表后發(fā)現(xiàn)0260.8c01.1111位于E0端口，所以交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至E0端口，這樣主機(jī)A即可收到該數(shù)據(jù)幀。
　　
　　　　假如在主機(jī)D與主機(jī)A通信的同時(shí)，主機(jī)B也正在向主機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機(jī)同樣會(huì)把主機(jī)B發(fā)送的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到連接主機(jī)C的E2端口。這時(shí)E1和E2之間，以及E3和E0之間，通過(guò)交換機(jī)內(nèi)部的硬件交換電路，建立了兩條鏈路，這兩條鏈路上的數(shù)據(jù)通信互不影響，因此網(wǎng)絡(luò)亦不會(huì)產(chǎn)生沖突。所以，主機(jī)D和主機(jī)A之間的通信獨(dú)享一條鏈路，主機(jī)C和主機(jī)B之間也獨(dú)享一條鏈路。而這樣的鏈路僅在通信雙方有需求時(shí)才會(huì)建立，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，相應(yīng)的鏈路也隨之拆除。這就是交換機(jī)主要的特點(diǎn)。
　　
　　　　從以上的交換操作過(guò)程中，我們可以看到數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)都是基于交換機(jī)內(nèi)的MAC地址表，但是這個(gè)地址表是如何建立和維護(hù)的呢？下面我們就來(lái)介紹這個(gè)問(wèn)題。
　　
　　2．構(gòu)造維護(hù)交換地址表
　　
　　　　交換機(jī)的交換地址表中，一條表項(xiàng)主要由一個(gè)主機(jī)MAC地址和該地址所位于的交換機(jī)端口號(hào)組成。整張地址表的生成采用動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)的方法，即當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀以后，將數(shù)據(jù)幀的源地址和輸入端口記錄在交換地址表中。思科的交換機(jī)中，交換地址表放置在內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器（Content-Addressable Memory, CAM）中，因此也被稱為CAM表。
　　
　　　　當(dāng)然，在存放交換地址表項(xiàng)之前，交換機(jī)首先應(yīng)該查找地址表中是否已經(jīng)存在該源地址的匹配表項(xiàng)，僅當(dāng)匹配表項(xiàng)不存在時(shí)才能存儲(chǔ)該表項(xiàng)。每一條地址表項(xiàng)都有一個(gè)時(shí)間標(biāo)記，用來(lái)指示該表項(xiàng)存儲(chǔ)的時(shí)間周期。地址表項(xiàng)每次被使用或者被查找時(shí)，表項(xiàng)的時(shí)間標(biāo)記就會(huì)被更新。假如在一定的時(shí)間范圍內(nèi)地址表項(xiàng)仍然沒(méi)有被引用，它就會(huì)從地址表中被移走。因此，交換地址表中所維護(hù)的一直是最有效和最精確的地址—端口信息。
　　
　　二、交換的模式
　　
　　　　交換機(jī)在交換數(shù)據(jù)幀時(shí)可以選擇不同的模式來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)和用戶的需要，思科的交換機(jī)提供三種交換模式：
　　
　　1．存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式
　　
　　　　存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（Store-and-forward）模式是指交換機(jī)收完整個(gè)數(shù)據(jù)幀，并在CRC校驗(yàn)通過(guò)之后，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。假如CRC校驗(yàn)失敗，即數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)，交換機(jī)則丟棄此幀。這種模式保證了數(shù)據(jù)幀的無(wú)差錯(cuò)傳輸，當(dāng)然其代價(jià)是增加了傳輸延遲，而且傳輸延遲隨數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度增加而增加。
　　
　　2．快速轉(zhuǎn)發(fā)模式
　　
　　　　快速轉(zhuǎn)發(fā)（Fast-forward）模式是指交換機(jī)在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，一旦檢測(cè)到目的地址就立即進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。但是，由于數(shù)據(jù)幀在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)并不是一個(gè)完整的幀，因此數(shù)據(jù)幀將不經(jīng)過(guò)校驗(yàn)、糾錯(cuò)而直接轉(zhuǎn)發(fā)，造成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀仍然被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，從而浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。這種模式的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t，但其代價(jià)是無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)和糾錯(cuò)。
　　
　　3．自由分段模式
　　
　　　　自由分段（Fragment-free）模式是交換機(jī)接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，一旦檢測(cè)到該數(shù)據(jù)幀不是沖突碎片（collision fragment）就進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。沖突碎片是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)沖突而受損的數(shù)據(jù)幀碎片，其特征是長(zhǎng)度小于64字節(jié)。沖突碎片并不是有效的數(shù)據(jù)幀，應(yīng)該被丟棄。因此，交換機(jī)的自由分段模式實(shí)際上就是一旦數(shù)據(jù)幀已接收的部分超過(guò)64字節(jié)，就開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。這種模式的性能介于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式和快速轉(zhuǎn)發(fā)模式之間。
　　
　　　　圖2是以上三種交換模式的一個(gè)示意圖。從中我們可以看到：在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作之前，不同的交換模式所接收數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度不同，這也決定了相應(yīng)的延遲大小。接收數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度越短，交換機(jī)的交換延遲就越小，交換效率也就越高，但相應(yīng)的錯(cuò)誤檢測(cè)也就越少。
　　

　　三、多層交換技術(shù)
　　
　　　　局域網(wǎng)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通常采用硬件方式。在局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式中，目的MAC地址的位置是固定的，而且?guī)^信息的檢查和校驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，便于硬件交換的實(shí)現(xiàn)。因此傳統(tǒng)的局域網(wǎng)交換都是指第二層交換，即根據(jù)第二層的信息——目的MAC地址進(jìn)行。
　　
　　　　在交換模式的介紹中，我們可以看到交換機(jī)在進(jìn)行交換操作前需要接收一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)，假如將檢測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度適當(dāng)增加，即可將二層交換技術(shù)擴(kuò)展為三層交換技術(shù)，乃至四層交換技術(shù)。
　　
　　　　三層交換技術(shù)就是將檢測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到ip分組頭標(biāo)部分，通過(guò)檢測(cè)其中的IP地址進(jìn)行交換，實(shí)際上是基于硬件的路由。四層交換技術(shù)則是進(jìn)一步檢查IP分組頭標(biāo)中的通信協(xié)議類型和端口號(hào)，可以看作是基于應(yīng)用的交換。
　　
　　　　現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的多層交換技術(shù)就是將二層、三層和四層交換技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“一次路由、多次交換”的功能。

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