以太網交換機基礎知識

以太網交換機基礎知識——基本架構和原理2021/6/271大綱一、以太網交換機硬件架構(P3)二、802.3分層結構(P10)三、交換機幀處理流程(P16)四、SMI串行管理接口(P22)五、衡量交換性能的指標(P28)六、一些技術點（自協(xié)商、流控、VLAN）(P34)七、產品開發(fā)借鑒(P54)2021/6/272一、以太網交換機硬件架構2021/6/273以太網交換機硬件架構基本網絡拓撲2021/6/274接入層交換機以太網交換機硬件架構2021/6/275匯聚層交換機以太網交換機硬件架構2021/6/276核心層交換機以太網交換機硬件架構2021/6/277以太網交換機硬件架構產品內部架構-單機產品2021/6/278產品內部架構-機架式產品背板示意圖以太網交換機硬件架構2021/6/279二、802.3分層結構2021/6/2710802.3分層結構802.3以太網標準位于ISO/OSI7層參考模型的第1層（物理層）和第2層（數(shù)據(jù)鏈路層），全稱是“帶沖突檢測的載波偵聽多重訪問機制CSMA/CD和物理層規(guī)范”。802.3標準僅僅是由IEEE802標準制定的第1和第2層標準之一。其他標準還包括802.4（令牌總線）、802.5（令牌環(huán)）、802.11（無線網）、802.12（需求優(yōu)先級）等。2021/6/2711802.3分層結構以太網接口分層2021/6/2712各子層功能介紹-以100BASE為例PCSThe100BASE-XPCSrealizesallservicesrequiredbytheMII,including:a)Encoding(decoding)ofMIIdatanibblesto(from)five-bitcode-groups(4B/5B);b)GeneratingCarrierSenseandCollisionDetectindications;c)Serialization(deserialization)ofcode-groupsfortransmission(reception)ontheunderlyingserialPMA,andd)MappingofTransmit,Receive,CarrierSenseandCollisionDetectionbetweentheMIIandtheunderlyingPMA.802.3分層結構2021/6/2713PMAThePMAprovidesamedium-independentmeansforthePCSandotherbit-orientedclients(e.g.,repeaters)tosupporttheuseofarangeofphysicalmedia.The100BASE-XPMAperformsthefollowingfunctions:a)Mappingoftransmitandreceivecode-bitsbetweenthePMA’sclientandtheunderlyingPMD;b)GeneratingacontrolsignalindicatingtheavailabilityofthePMDtoaPCSorotherclient,alsosynchronizingwithAuto-Negotiationwhenimplemented;c)Optionally,generatingindicationsofactivity(carrier)andcarriererrorsfromtheunderlyingPMD;d)Optionally,sensingreceivechannelfailuresandtransmittingtheFar-EndFaultIndication;anddetectingtheFar-EndFaultIndication;ande)RecoveryofclockfromtheNRZIdatasuppliedbythePMD.802.3分層結構2021/6/2714PMDPMD子層的功能是支持在PMA子層和介質之間交換串行化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉換成適合在某種特定介質上傳輸?shù)男问健１热?0BASE-T的曼徹斯特編碼，100BASE-TX的MLT-3和1000BASE-X上的1.2GSERDES信號。802.3分層結構2021/6/2715三、交換機幀處理流程2021/6/2716BCM數(shù)據(jù)幀流程的大致介紹1、交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道具有該源MAC地址的機器是連接在哪個端口上的，這樣一組對應信息將被存放在地址表（L2Table）中；2、隨后將讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找與該MAC地址對應的端口；3、如果在地址表中查到有與這個目的MAC地址對應的端口號，則將數(shù)據(jù)包直接復制到這個端口上；4、如果在地址表中找不到相應的MAC地址以及對應的端口號，則將數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上；當目的機器收到這個數(shù)據(jù)包以后，如果對源主機進行回應時，交換機又可以按照1中所描述的方式，又學習到這個MAC地址與端口的對應關系，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。5、依此類推，對于與該交換機有直接或間接聯(lián)系的所有MAC地址信息都可以實時的學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表的。交換機幀處理流程2021/6/2717大部分BCM交換芯片采取下面這種結構方式來做，并且提供了更多的靈活性：下圖示意性的表示了以太網幀在進入交換芯片以后，一個基本的物理處理流程是從“Ingress”單元到“MMU”單元再到“Egress”單元，該過程描述了以太網交換芯片對幀從進入到送出的處理流程。

交換機幀處理流程2021/6/2718由于數(shù)據(jù)幀在芯片內部的流程很復雜并且不同的廠家處理方式不盡相同，這邊只對BCM各模塊的基本功能概括如下，有興趣的請詳細參考芯片廠商的PG文檔。Ingress包含下面一些主要處理功能：1、數(shù)據(jù)包檢查、拆分；2、VLAN處理；3、地址學習；4、L2交換；5、L3路由交換；6、快速過濾處理（FFP）；7、其他附加功能，如CPU包處理、Mirror、Trunk功能等；

交換機幀處理流程2021/6/2719MMU負責對幀進行緩存排隊（buffering）處理和調度處理（scheduling），它從Ingress邏輯中接收幀，并調度、暫存這些幀，隨后傳送到Egress邏輯。所有的幀存儲和對幀緩存的維護管理都是通過MMU完成的，MMU表現(xiàn)為調度的核心所在。交換機幀處理流程2021/6/2720Egress執(zhí)行如下步驟：1、從MMU請求幀傳送；2、若幀輸出不需要帶Tag則它將VLANTag移除；3、如果端口是uplink端口并且HTLS模式使能，則添加HTLS包頭；4、對L3IPMC報文進行修正；5、將IPMC報文復制到VLAN中每個正確的端口；6、可能的話重新計算CRC（看Tag是否有變化）；7、Egress對包的老化做處理；8、Egress速率控制；9、將幀傳送給發(fā)送MAC；若是往CPU方向傳送的幀，則CMICEgress將把幀通過DMA通道直接傳送給CPU。交換機幀處理流程2021/6/2721四、SMI-串行管理接口2021/6/2722SMI-串行管理接口串行管理接口SMI是連接MAC和PHY之間的管理通道，區(qū)別于兩者之間的數(shù)據(jù)通道如MII，在上電初始化及交換機正常運行過程中通過其對PHY進行設置來改變PHY的工作狀態(tài)，通過其對PHY中的寄存器進行讀取來判斷當前的工作模式和狀態(tài)。SMI管理幀格式：2021/6/2723802.3定義的SMI寄存器集SMI-串行管理接口2021/6/2724SMI-串行管理接口一些寄存器舉例2021/6/2725SMI-串行管理接口一些寄存器舉例2021/6/2726一些寄存器舉例SMI-串行管理接口2021/6/2727五、衡量交換性能的指標2021/6/2728衡量交換性能的指標ThroughputLatencyBacktobackHeadoflineAddresshandlingManytoone(Onetomany)X-streamFilterillegalframesForwardpressureBroardcastproportion2021/6/2729ThroughputThroughput是指被測設備在所提供的幀不丟失情況下的最大速率(RFC1242)，該項測試用來確定設備在不出錯的情況下轉發(fā)幀所能達到的最大速率。

Latency對于storeandforward設備:從輸入幀的最后一位(bit)到達輸入端口開始到輸出幀的第一位出現(xiàn)在輸出端口為止的時間間隔;

Back-to-backBack-to-back用于測試被測設備處理back-to-back幀(指以最小幀間距存在的固定長度的一連串的幀)的能力，可用來衡量被測設備的緩沖能力。

衡量交換性能的指標2021/6/2730HeadoflineHead-of-lineBlocking是指一個輸入接口同時向一個擁塞端口和一個非擁塞端口轉發(fā)幀時,在非擁塞端口的幀丟失或延遲的增加(RFC2285),用來決定被測設備怎么處理擁塞(設備是否執(zhí)行擁塞控制，在一個端口的擁塞是否影響非擁塞端口)。

該項測試的模型(10M)為:

若在非擁塞端口檢測到幀丟失，則表示存在”Head-of-line”blocking.

衡量交換性能的指標2021/6/2731AddressHandling該項測試用于決定設備的地址處理能力(RFC2285),包括兩重的測試：一是測試被測設備在其地址表未溢出的情況下每個端口可處理的MAC地址數(shù)，二是被測設備學習新地址的速率(frames/sec).

AST所進行的測試操作是：Port1向Port2發(fā)以Port2為目的地址帶若干個不同源地址的學習幀，Port2收到后發(fā)出相應的控制幀(以Port2為源地址，學習到的源地址為目的地址)，而Port3作為監(jiān)控端口用來偵聽溢出的幀(若有則表示地址表已滿)

衡量交換性能的指標2021/6/2732其他的一些指標還有：Manytoone(Onetomany)測試用來決定多對一或一對多發(fā)時的throughput，用于衡量被測設備在此種情況下無幀丟失的交換能力。

X-streamX-Stream測試用于決定被測設備在所有參與測試的端口都以某個確定的

throughput同時收發(fā)幀時，設備收到多路數(shù)據(jù)流時的幀丟失率。

FilterIllegalFrames

該項測試決定被測設備在錯誤幀和異常幀情況下的行為(RFC2285)，其結果表示設備在此情況下是過濾錯誤，還是簡單地按照目的地址傳送幀.

使用專業(yè)的設備進行交換性能的測試(SMB6000)衡量交換性能的指標2021/6/2733六、一些技術點（自協(xié)商、流控、VLAN）2021/6/2734一些技術點-自協(xié)商自協(xié)商是指位于鏈路兩端的設備之間自動協(xié)商確定公共功能子集的一種算法。最早出現(xiàn)10BASE-T以太網的時候并沒有引入自協(xié)商這個概念，因為那時候鏈路兩端的設備情形都很單一。但隨著技術的不斷發(fā)展，局域網中的物理接口標準不斷增多，技術工程師和客戶手動配置網絡過程中遇到越來越多的問題：鏈路兩端速率不匹配，10Mbit,100Mbit鏈路兩端雙工模式不匹配，fullduplex,halfduplex鏈路兩端流控設置不匹配今后可能的升級準備2021/6/2735一些技術點-自協(xié)商2021/6/2736NLP一些技術點-自協(xié)商2021/6/2737FLP一些技術點-自協(xié)商2021/6/2738一些技術點-自協(xié)商2021/6/27392021/6/2740一些技術點-自協(xié)商2021/6/2741一些技術點-自協(xié)商2021/6/2742目的：防止因為網絡擁塞導致的大量丟幀。幀丟失會導致高層協(xié)議的確認定時器超時，超時引發(fā)對丟失幀的重傳。確認定時器設定的值必須(至少)考慮到整個網絡上端到端的傳輸延遲，加上處理與延遲間隔時間。一般的協(xié)議以秒為量級設置定時器以保證在大的互連網上運行，因此一個丟幀引起數(shù)據(jù)傳輸間斷幾秒鐘。由此帶來的后果是整個網絡吞吐量隨著幀丟失率(FLR)迅速下降。對于一個5秒鐘的NFS確認定時器，1%FLR將導致操作性能降低98%[3]。一些技術點-流控2021/6/2743半雙工流控：背壓(backpressure)1、強行與將要到達的幀發(fā)生沖突；2、使信道看起來處于忙狀態(tài)；全雙工流控：流控幀(pause)MAC控制幀是正規(guī)、合法的以太網幀所有MAC控制幀的長度都恰好是以太網幀的最小長度—64字節(jié)，不包括前導碼和幀起始定界符。MAC幀格式如圖6-4所示。MAC控制幀是通過唯一的類型域標識符(0x8808)標識出的。這個類型域專門保留用于以太網MAC控制。一些技術點-流控2021/6/27441.目的地址目的地址是PAUSE幀要到達的目的地。它總是包含一個為PAUSE保留的唯一的組播地址：01-80-C2-00-00-01。2.源地址源地址域包含了發(fā)送PAUSE幀的站單播地址。3.類型域類型域包含了所有MAC控制幀使用的保留值：0x8808。4.MAC控制操作碼和參數(shù)PAUSE幀的控制操作碼是0x0001。PAUSE幀只帶一個稱為暫停時間(pause__time)的參數(shù)。這個參數(shù)是2個字節(jié)的無符號整型值。它是發(fā)送方請求接收方停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間長度。時間度量以512比特時間為增量。2021/6/2745VLAN基本概念劃分VLAN的目的：1.抑制廣播2.安全性考慮3.管理方便VLAN劃分方式：1.基于端口2.基于MAC地址3.基于第三層協(xié)議4.基于組播組5.基于IP地址影射6.基于策略一些技術點-VLAN2021/6/2746劃分方式——基于端口可以通過配置的形式明確指定端口所屬的VLAN。特點：1.配置簡單2.含義明確3.與實際聯(lián)系緊密4.應用廣泛一些技術點-VLAN2021/6/2747劃分方式——基于MAC地址通過MAC地址指定端口的VLAN，需要TFTP服務器和TFTP客戶端的支持。特點：1.安全性高2.配置比較煩瑣1234.ABCD.00011001234.ABCD.00022001234.ABCD.00031001234.ABCD.0004200..TFTP1234.ABCD.00011234.ABCD.0003一些技術點-VLAN2021/6/2748跨越交換機的VLAN兩個交換機間用來傳遞VLAN通信的鏈路稱為TAG鏈路。在TAG鏈路上傳輸?shù)膸瑪y帶VLANID，用來正確的區(qū)分幀所屬的VLAN。1234.ABCD.00011234.ABCD.0003TAG鏈路2021/6/2749802.1q幀格式在TAG鏈路上傳輸這種類型的幀，