交換機(jī)學(xué)習(xí)筆記.doc

交換技術(shù)一、 以太網(wǎng)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的規(guī)范。同一層次的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括令牌環(huán)網(wǎng)等等。TCP/IP協(xié)議本身是與數(shù)據(jù)鏈路層和物理層無關(guān)的，TCP/IP協(xié)議棧可以架構(gòu)在以太網(wǎng)技術(shù)上，也可以是令牌環(huán)網(wǎng)。以太網(wǎng)是廣播網(wǎng)。半雙工傳輸時(shí)采用CSMA/CD技術(shù)，全雙工模式不需要。在采用CSMA/CD傳輸介質(zhì)訪問的以太網(wǎng)中，任何一個(gè)CSMA/CDLAN工作站在任何一時(shí)刻都可以訪問網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送數(shù)據(jù)前，工作站要偵聽網(wǎng)絡(luò)是否堵塞，只有檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，工作站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)需要等待一個(gè)時(shí)間片的時(shí)間，用來檢測(cè)剛才發(fā)送出去的幀是否發(fā)生沖突。沖突發(fā)生時(shí)，采用時(shí)間指數(shù)退避算法，延后一段時(shí)間后在發(fā)送數(shù)據(jù)包。 一層設(shè)備：代表設(shè)備是HUB，作用于7層網(wǎng)絡(luò)模型的第1層，物理層，主要用于電信號(hào)的放大，以增加傳輸距離。一層設(shè)備不存在交換。以太網(wǎng)HUB工作于半雙工狀態(tài)，HUB連接的所有主機(jī)同時(shí)只能有一臺(tái)主機(jī)發(fā)送以太幀，并且所有的主機(jī)都能夠接收到這個(gè)幀，所有的端口處于同一個(gè)沖突域，一個(gè)廣播域。以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)：前導(dǎo)符幀開始符目的地址源地址類型數(shù)據(jù)CRC7字節(jié)1字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46-1500字節(jié)4字節(jié)最小以太幀為64字節(jié)，若小于64字節(jié)，則需要“填充”。二、 交換機(jī)基本結(jié)構(gòu)目前的L2/L3交換芯片一般采用分布式交換的體系結(jié)構(gòu)，主要包括：CPU（帶管理的交換機(jī)）或者EEPROM（不帶管理的交換機(jī)）、交換結(jié)構(gòu)、MAC芯片、物理層芯片幾個(gè)部分，如果是提供光口還需要光模塊。其中的核心是MAC芯片，實(shí)現(xiàn)了MAC源地址學(xué)習(xí)和L2層以太幀轉(zhuǎn)發(fā)，以及流量控制功能，如果是L3芯片，則在MAC層芯片中還有路由模塊。所有的2層地址學(xué)習(xí)、2層轉(zhuǎn)發(fā)和3層路由都是分散在各個(gè)MAC芯片中完成的。雖然地址學(xué)習(xí)是分散在各個(gè)芯片中完成的，但是系統(tǒng)中的所有MAC芯片會(huì)通過內(nèi)部通訊協(xié)議通過交換結(jié)構(gòu)互相交換地址學(xué)習(xí)信息，使得整個(gè)系統(tǒng)中的地址學(xué)習(xí)表是統(tǒng)一的。圖中所示的是一個(gè)L2/L3層交換的MAC芯片，它主要包括了L2交換模塊、L3路由模塊、流分類模塊和轉(zhuǎn)發(fā)引擎等幾個(gè)部分：1、L2交換模塊主要進(jìn)行MAC地址學(xué)習(xí)和L2層轉(zhuǎn)發(fā)判斷2、L3路由模塊主要根據(jù)路由表進(jìn)行L3層路由轉(zhuǎn)發(fā)，如果是L2芯片則沒有這個(gè)模塊3、流分類模塊主要是對(duì)進(jìn)入以太幀做QOS方面的調(diào)整或者流量限制。如果是L2層芯片，則可以根據(jù)源目的MAC地址、端口、VLAN號(hào)、以太幀中的COS位進(jìn)行流控，降低優(yōu)先級(jí)甚至丟棄，如果是L3層芯片還可以根據(jù)IP包中的TOS位、IP源目的地址、IP地址加上TCP/UDP的端口號(hào)，甚至根據(jù)應(yīng)用層的信息進(jìn)行QOS調(diào)整和流量控制。轉(zhuǎn)發(fā)引擎主要是根據(jù)前面幾個(gè)模塊的結(jié)果做轉(zhuǎn)發(fā)操作，輸出隊(duì)列的選擇依據(jù)以太幀中的COS與優(yōu)先級(jí)隊(duì)列映射表或者Diffserv表等。交換機(jī)構(gòu)：總線結(jié)構(gòu)、共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu)、CROSSBAR結(jié)構(gòu)兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式：直接轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)三、 VLAN及三層交換二層交換式網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)扁平的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)全部由二層交換機(jī)構(gòu)造起來，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)大的廣播域。在以太網(wǎng)中，所謂廣播域就是指在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，廣播幀（目的MAC地址為ff-ff-ff-ff-ff-ff的幀）將要被轉(zhuǎn)發(fā)的最大范圍。在二層交換機(jī)中，交換機(jī)僅根據(jù)MAC地址進(jìn)行幀的選路和轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)一個(gè)完整正確的以太網(wǎng)幀從一個(gè)交換機(jī)端口上被接收上來以后，交換機(jī)將在自己維護(hù)的MAC地址表中去查找地址，根據(jù)地址類型的不同和查找結(jié)果的不同情況，交換機(jī)對(duì)幀采取不同的處理。單播幀（Unicast），目的地址在MAC地址表中存在：按照目的地址在地址表中的表項(xiàng)所指的輸出端口，將幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口上。（單播MAC地址在地址表中只能指向一個(gè)輸出端口）單播幀（Unicast），目的地址在MAC地址表中不存在：在廣播域的所有端口上廣播該幀多播幀（Multicast），目的地址在MAC地址表中存在：按照目的地址在地址表中的表項(xiàng)所指的輸出端口，將幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口上。（多播MAC地址在地址表中可以指向一個(gè)或一組輸出端口）多播幀（Multicast），目的地址在MAC地址表中不存在：在廣播域的所有端口上廣播該幀廣播幀（Broadcast）：在廣播域的所有端口上廣播該幀為了解決網(wǎng)絡(luò)由廣播導(dǎo)致的效率下降和安全性等問題，VLAN的概念被引入，在支持VLAN功能的交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)VLAN被設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的廣播域。VLAN之間被嚴(yán)格地隔離開來，任何一個(gè)幀都不能從自己所屬的VLAN被轉(zhuǎn)發(fā)到其他的VLAN中。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干個(gè)規(guī)模更小的廣播域，網(wǎng)絡(luò)的廣播被控制在相對(duì)比較小的范圍內(nèi)，提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，改善網(wǎng)絡(luò)效率和性能。每一個(gè)人都不能隨意地從網(wǎng)絡(luò)上的一點(diǎn)，毫無控制地直接訪問另一點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)或監(jiān)聽整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的幀，隔離的廣播域改善了網(wǎng)絡(luò)的安全性。對(duì)于VLAN概念的理解，有幾點(diǎn)要注意：1.VLAN分離了廣播域；2.單獨(dú)的一個(gè)VLAN模擬了一個(gè)常規(guī)的交換以太網(wǎng)，因此VLAN將一個(gè)物理交換機(jī)分割成了一個(gè)或多個(gè)邏輯交換機(jī)；3.不同VLAN之間通信需要三層參與；4.當(dāng)多臺(tái)交換機(jī)級(jí)聯(lián)時(shí)，VLAN通過VID來識(shí)別，該ID插入到標(biāo)準(zhǔn)的以太幀中，被稱作tag；5.大多數(shù)的tag都不是端到端的，一般在上行路上第一個(gè)VLAN交換機(jī)打tag，下行鏈路的最后一個(gè)VLAN交換機(jī)去除tag；6.只有在一個(gè)數(shù)據(jù)幀不打tag就不能區(qū)分屬于哪個(gè)VLAN時(shí)才會(huì)打上tag，能去掉時(shí)盡早要去掉tag；7.最終，IEEE 802.1q解決了VLAN的tag問題。VLAN間通信用傳統(tǒng)的路由器進(jìn)行VLAN之間的路由在性能上還有一定的不足：由于路由器利用通用的CPU，轉(zhuǎn)發(fā)完全依靠軟件進(jìn)行，同時(shí)支持各種通信接口，給軟件帶來的負(fù)擔(dān)也比較大。軟件要處理包括報(bào)文接收、校驗(yàn)、查找路由、選項(xiàng)處理、報(bào)文分片，導(dǎo)致性能不能做到很高，要實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)發(fā)率就會(huì)帶來高昂的成本。由此就誕生了三層交換機(jī)，利用三層交換技術(shù)來進(jìn)一步改善性能。三層交換機(jī)的設(shè)計(jì)基于對(duì)IP路由的仔細(xì)分析，把IP路由中每一個(gè)報(bào)文都必須經(jīng)過的過程提取出來，這個(gè)過程是個(gè)十分簡(jiǎn)化的過程： IP路由中絕大多數(shù)報(bào)文是不包含IP選項(xiàng)的報(bào)文，因此處理報(bào)文IP選項(xiàng)的工作在多數(shù)情況下是多余的； 不同的網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文長(zhǎng)度都是不同的，為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)，IP實(shí)現(xiàn)了報(bào)文分片的功能，但是在全以太網(wǎng)的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)的幀（報(bào)文）長(zhǎng)度是固定的，因此報(bào)文分片的功能也是一個(gè)可以裁減的工作； 三層交換機(jī)采用了和路由器的最長(zhǎng)地址掩碼匹配不同的方法，使用精確地址匹配的方式處理，有利于硬件實(shí)現(xiàn)快速查找； 三層交換機(jī)采用了Cache的方法，把最近經(jīng)常使用的主機(jī)路由放到了硬件的查找表中，只有在這個(gè)Cache中無法匹配到的項(xiàng)目才會(huì)通過軟件去轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，只有每個(gè)流的第一個(gè)報(bào)文會(huì)通過軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其后的大量數(shù)據(jù)流則可以在硬件中得以完成。三層交換機(jī)在IP路由的處理上做了以上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的IP轉(zhuǎn)發(fā)流程，利用專用的芯片實(shí)現(xiàn)了硬件的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣絕大多數(shù)的報(bào)文處理都在硬件中實(shí)現(xiàn)了，只有極少數(shù)報(bào)文才需要使用軟件轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能能夠得以成百上千倍地增加。相同性能的設(shè)備在成本上得以大幅度下降。四、 交換機(jī)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)L2交換機(jī)中的3張表：1、 地址轉(zhuǎn)發(fā)表地址學(xué)習(xí)表是L2交換的轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)。它主要記錄某個(gè)MAC地址是從哪個(gè)端口收到的，以及這個(gè)被學(xué)習(xí)的幀屬于哪個(gè)VLAN的信息，另外還有一個(gè)比較重要的欄是標(biāo)志，在標(biāo)志欄中可以設(shè)置標(biāo)志，使匹配到這個(gè)條目的以太幀被送到CPU進(jìn)行處理，或者送到L3路由模塊進(jìn)行處理。也可以設(shè)置標(biāo)志表示該表項(xiàng)是屬于靜態(tài)表項(xiàng)，不進(jìn)行老化處理。2、 VLAN表VLAN表主要記錄哪些端口屬于某個(gè)VLAN。一個(gè)端口可以屬于多個(gè)VLAN，比如端口1既屬于VLAN1，又屬于VLAN3，此時(shí)這個(gè)端口輸出時(shí)采用802.1Q的幀格式。3、端口寄存器表端口寄存器表項(xiàng)主要記錄了該端口的缺省VLAN。交換機(jī)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制分兩種：SVL和IVL。SVL：Shared vlan learning，共享式vlan學(xué)習(xí)。在這種方式下，MAC地址在整張表中是唯一的，一個(gè)MAC地址在地址表中只能有一條記錄，一個(gè)MAC只能被學(xué)習(xí)到一個(gè)端口上。 IVL：Independent vlan learning，獨(dú)立式vlan學(xué)習(xí)。在這種方式下，MAC地址表在邏輯上可以被看成根據(jù)VLAN信息分成了很多張表，一個(gè)MAC地址可學(xué)習(xí)到不同VLAN對(duì)應(yīng)的“地址表”上。MAC地址在不同方式的地址表中的存在可以形象的表示為： 在IVL 方式下，MAC2可以學(xué)習(xí)在VLAN1的“地址表”上，也可以學(xué)習(xí)在VLAN2的“地址表”上。兩種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的流程而在SVL方式下，MAC2只能有一條記錄，只能對(duì)應(yīng)某個(gè)VLAN和端口。對(duì)于SVL方式而言：交換機(jī)先根據(jù)目的MAC地址查MAC地址表，找到端口之后，然后判斷這個(gè)端口所屬的VLAN是否和報(bào)文攜帶的VLAN信息對(duì)應(yīng)的VLAN相等，如果相等就轉(zhuǎn)發(fā)，否則就丟棄。如果根據(jù)目的MAC沒有找到對(duì)應(yīng)的端口，則在報(bào)文所屬的VLAN內(nèi)進(jìn)行廣播。而對(duì)于IVL而言：交換機(jī)根據(jù)MAC地址和VLAN信息一起查MAC地址表，如果找到對(duì)應(yīng)的端口則轉(zhuǎn)發(fā)，否則在報(bào)文所屬的VLAN內(nèi)進(jìn)行廣播。三層交換機(jī)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程假設(shè)兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)（源站點(diǎn)A、目的站點(diǎn)B）通過第三層交換機(jī)，通信的過程如下：- 源站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址。首先需要采用地址解析（ARP）來確定目的站的MAC地址。源站點(diǎn)把自己的IP地址與目的的站的IP地址比較。- 若目的站B與源站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，源站A廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，目的B站返回其MAC地址，A站得到目的站點(diǎn)B的MAC地址后將這一地址緩存起來存放在ARP表中，并用此MAC地址封裝包后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。三層以太網(wǎng)交換機(jī)的第二層交換模塊根據(jù)源站A發(fā)送的以太網(wǎng)幀中的目的MAC地址查找MAC地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。- 若目的站B與源站A不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如源站A要與目的站B通信，源站A要向“缺省路徑（其軟件中配置的網(wǎng)關(guān)地址）”發(fā)出ARP封裝包，“缺省路徑”的IP地址實(shí)際上對(duì)應(yīng)所連接第三層交換機(jī)的一個(gè)路由接口，即連接源站A的物理端口所屬VLAN接口。當(dāng)發(fā)源站A對(duì)“缺省路徑”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請(qǐng)求時(shí)，交換機(jī)回相應(yīng)路由接口（即發(fā)源站A的“缺省路徑”）的MAC地址給源站。第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的站B的MAC地址，則直接將數(shù)據(jù)包以此MAC地址封裝并發(fā)向目的站B；否則則提取出輸入幀的IP包去查路由表，根據(jù)路由表中的路由信息向目的站網(wǎng)段廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，目的站B得到此ARP請(qǐng)求后，向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，以后，當(dāng)再進(jìn)行站點(diǎn)A與站點(diǎn)B之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將用最終的目的站點(diǎn)B的IP地址為索引查找底層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表，得到出端口與對(duì)應(yīng)的MAC地址，并用查到MAC地址封裝包，從查到的出端口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，因此信息得到高速交換。報(bào)文到報(bào)文的交換方式與流交換方式的區(qū)別：如果每一個(gè)報(bào)文都要經(jīng)歷第三層處理，并且業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)是基于第三層地址的，這種交換方式就是報(bào)文到報(bào)文交換方式；如果只是第一個(gè)報(bào)文經(jīng)過第三層處理，其他后續(xù)報(bào)文只進(jìn)行第二層轉(zhuǎn)發(fā)，這種交換方式就是流交換方式。在上圖報(bào)文到報(bào)文的流活動(dòng)中，報(bào)文進(jìn)入系統(tǒng)中OSI參考模型的第一層物理接口，然后到達(dá)第二層接口進(jìn)行目的MAC地址檢查，如果查表檢查的結(jié)果是不能交換則進(jìn)入到第三層。在第三層，報(bào)文經(jīng)過路由計(jì)算、地址解析等處理，經(jīng)過三層處理后，報(bào)文頭被修改并被傳回第二層，二層確定合適的輸出端口后，報(bào)文通過第一層傳送到物理介質(zhì)上。對(duì)于后續(xù)的每一個(gè)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，都要經(jīng)過這樣的一個(gè)過程。在流交換中，第一個(gè)報(bào)文被分析以確 定其是否表示了一個(gè)“流”或者一組具有相同源地址和目的地址的報(bào)文，如果第一個(gè)報(bào)文具有了正確的特征，則該標(biāo)識(shí)流中的后續(xù)報(bào)文將擁有相同的優(yōu)先權(quán)，同一流中的后續(xù)報(bào)文被交換到基于第二層的目的地址，流交換節(jié)省了檢查每一個(gè)報(bào)文要花費(fèi)的處理時(shí)間。 現(xiàn)在三層交換機(jī)為了實(shí)現(xiàn)高速交換，都采用流交換的方式。五、 關(guān)于access、trunk、hybrid先介紹PVID：“PVID”是“Port VLAN ID”的縮寫，是“端口缺省VLAN ID”的意思，即一個(gè)端口缺省屬于的VLAN。 PVID的作用是：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)入交換機(jī)端口時(shí)，如果沒有帶VLAN標(biāo)簽，則該數(shù)據(jù)幀就會(huì)被打上端口的PVID。當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)1. Access端口 （1）收到一個(gè)二層幀 （2）判斷是否有VLAN標(biāo)簽：沒有則轉(zhuǎn)到第3步，有則轉(zhuǎn)到第4步 （3）打上端口的PVID，并進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā) （4）若VLAN標(biāo)簽和PVID一致，轉(zhuǎn)發(fā)VLAN幀；否則丟棄2. trunk端口 （1）收到一個(gè)二層幀 （2）判斷是否有VLAN標(biāo)簽：沒有則轉(zhuǎn)到第3步，有則轉(zhuǎn)到第4步 （3）打上端口的PVID，并進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā) （4）判斷該trunk端口是否允許該VLAN幀進(jìn)入：允許則轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄 （注意：trunk口允許或不允許VLAN幀，是對(duì)進(jìn)入的幀而言的，對(duì)出去的幀沒有限制。）