交換機(jī)理論教程

1、交換機(jī)工作原理一、交換機(jī)的工作原理.交換機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源地址建立該地址同交換機(jī)端口的映射，并將其寫入地址表中。.交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀中的目的地址同己建立的地址表進(jìn)行比較，以決定由哪個端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。.如數(shù)據(jù)幀中的目的地址不在地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程稱為泛洪（）。.廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。二、交換機(jī)的三個主要功能學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機(jī)了解每一端口相連設(shè)備的地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機(jī)緩存中的地 址表中。轉(zhuǎn)發(fā)過濾：當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如 該數(shù)據(jù)幀為廣播組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。消除回路：當(dāng)交換機(jī)包括一

2、個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機(jī)通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備 路徑。三、交換機(jī)的工作特性.交換機(jī)的每一個端口所連接的網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。.交換機(jī)所連接的設(shè)備仍然在同一個廣播域內(nèi)，也就是說，交換機(jī)不隔絕廣播（惟一的例外是在配有的環(huán)境中）.交換機(jī)依據(jù)幀頭的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此說交換機(jī)是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（此處所述交換機(jī)僅指傳統(tǒng)的 二層交換設(shè)備）。四、交換機(jī)的分類依照交換機(jī)處理幀時不同的操作模式，主要可分為兩類：存儲轉(zhuǎn)發(fā)：交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)之前必須接收整個幀，并進(jìn)行錯誤校檢，如無錯誤再將這一幀發(fā)往目的地址。幀通過 交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時延隨幀長度的不同而變化。直通式：交換機(jī)只要檢查到幀頭中

3、所包含的目的地址就立即轉(zhuǎn)發(fā)該幀，而無需等待幀全部的被接收，也不進(jìn)行 錯誤校驗。由于以太網(wǎng)幀頭的長度總是固定的，因此幀通過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時延也保持不變。五、二、三、四層交換機(jī)？多種理解的說法：.二層交換（也稱為橋接）是基于硬件的橋接?；诿總€末端站點的唯一地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。二層交換的高性能可以產(chǎn)生 增加各子網(wǎng)主機(jī)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。其仍然有橋接所具有的特性和限制。三層交換是基于硬件的路由選擇。路由器和第三層交換機(jī)對數(shù)據(jù)包交換操作的主要區(qū)別在于物理上的實施。四層交換的簡單定義是：不僅基于（第二層橋接）或源目的地地址（第三層路由選擇），同時也基于應(yīng)用端口來做出 轉(zhuǎn)發(fā)決定的能力。其使網(wǎng)絡(luò)在決定路由時能夠區(qū)分應(yīng)

4、用。能夠基于具體應(yīng)用對數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)先級劃分。它為基于策略 的服務(wù)質(zhì)量技術(shù)提供了更加細(xì)化的解決技術(shù)指導(dǎo)文件。提供了一種可以區(qū)分應(yīng)用類型的方法。.二層交換機(jī)基于地址三層交換機(jī)具有功能有交換和路由基于，就是網(wǎng)絡(luò)四層交換機(jī) 基于端口，就是應(yīng)用.二層交換技術(shù)從網(wǎng)橋發(fā)展到（虛擬局域網(wǎng)），在局域網(wǎng)建設(shè)和改造中得到了廣泛的應(yīng)用。第二層交換技術(shù)是工作在七 層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。它按照所接收到數(shù)據(jù)包的目的地址來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對于網(wǎng)絡(luò)層或者高層協(xié)議來 說是透明的。它不處理網(wǎng)絡(luò)層的地址，不處理高層協(xié)議的諸如、的端口地址，它只需要數(shù)據(jù)包的物理地址即地址，數(shù) 據(jù)交換是靠硬件來實現(xiàn)的，其速度相當(dāng)快，這是二層交換的

5、一個顯著的優(yōu)點。但是，它不能處理不同子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù) 交換。傳統(tǒng)的路由器可以處理大量的跨越子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，但是它的轉(zhuǎn)發(fā)效率比二層低，因此要想利用二層轉(zhuǎn)發(fā)效率高 這一優(yōu)點，又要處理三層數(shù)據(jù)包，三層交換技術(shù)就誕生了。三層交換技術(shù)的工作原理第三層交換工作在七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層即網(wǎng)絡(luò)層，是利用第三層協(xié)議中的包的包頭信息來對后續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進(jìn)行 標(biāo)記，具有同一標(biāo)記的業(yè)務(wù)流的后續(xù)報文被交換到第二層數(shù)據(jù)鏈路層，從而打通源地址和目的地址之間的一條通路。 這條通路經(jīng)過第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機(jī)就沒有必要每次將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包來判斷路由，而 是直接將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行交換.二層交換技術(shù)二層

6、交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的地址信息，根據(jù)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)， 并將這些地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：（）當(dāng)交換機(jī)從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源地址，這樣它就知道源地址的機(jī)器是連在哪個端口 上的。（）再去讀取包頭中的目的地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口。（）如表中有與這目的地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上。（）如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目 的地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了。不斷的循環(huán)這個過程，對于

7、全網(wǎng)的地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。從二層交換機(jī)的工作原理可以推知以下三點：（）由于交換機(jī)對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機(jī)有個端口， 每個端口的帶寬是，交換機(jī)總線帶寬超過X，那么這交換機(jī)就可以實現(xiàn)線速交換。（）學(xué)習(xí)端口連接的機(jī)器的地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為，一為表項數(shù)值），地址 表大小影響交換機(jī)的接入容量。（）還有一個就是二層交換機(jī)一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的（）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非?？?。 由于各個廠家采用不同，直接影響產(chǎn)品性能。以上三點也是評判二三層交換機(jī)性能優(yōu)劣的主要技

8、術(shù)參數(shù)，這一點請大家在考慮設(shè)備選型時注意比較。（二）路由技術(shù)路由器工作在模型的第三層網(wǎng)絡(luò)層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個區(qū)別決定了路由 和交換在傳遞包時使用不同的控制信息，實現(xiàn)功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內(nèi)部也有一個表，這個表所 標(biāo)示的是如果要去某一個地方，下一步應(yīng)該向那里走，如果能從路由表中找到數(shù)據(jù)包下一步往那里走，把鏈路層信息 加上轉(zhuǎn)發(fā)出去。如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，然后返回一個信息交給源地址。路由技術(shù)實質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由表中寫入各種信息，由路由算法計算出到達(dá)目 的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉(zhuǎn)

9、發(fā)機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)包。接受數(shù)據(jù)的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續(xù) 轉(zhuǎn)發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的路由器。而路由表的維護(hù)，也有兩種不同的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通過 互相學(xué)習(xí)路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一類的路由協(xié)議稱為距離矢量路由協(xié)議。另一種是路由器將自己的 鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行廣播，通過互相學(xué)習(xí)掌握全網(wǎng)的路由信息，進(jìn)而計算出最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這類路由協(xié)議稱為鏈路狀 態(tài)路由協(xié)議。由于路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的業(yè)務(wù)水平直接決定其性能的優(yōu)劣。當(dāng)然這一判斷還是對中低端 路由器而言，因為高端路由器往往采用分布式處理系統(tǒng)體系設(shè)計。（三）三

10、層交換技術(shù)近年來的對三層技術(shù)的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術(shù)，有人說這是個非常新的技術(shù)，也有人說，三層 交換嘛，不就是路由器和二層交換機(jī)的堆疊，也沒有什么新的玩意，事實果真如此嗎？下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò) 來看看三層交換機(jī)的工作過程。組網(wǎng)比較簡單使用的設(shè)備三層交換機(jī)使用的設(shè)備比如要給發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的，那么就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷目的是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的地址，就發(fā)送一個請求，返回其地址，用此封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機(jī)， 交換機(jī)起用二層交換模塊，查找地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。如果目的地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么要實現(xiàn)和的通訊，在流緩

11、存條目中沒有對應(yīng)地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù) 包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關(guān)，這個缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)好，對應(yīng)第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子 網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的地址。然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達(dá)的路由， 將構(gòu)造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的地址為源地址，以主機(jī)的地址為目的地址。通過一定的識別觸發(fā)機(jī)制，確立 主機(jī)與的地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應(yīng)關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的到的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這 就通常所說的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。以上就是三層交換機(jī)工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：由硬件結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。這就不是簡單的二

12、層交換機(jī)和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由 器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十。算上背板帶寬，這些是三層交換機(jī)性能的兩個重要參數(shù)。簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理 的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。結(jié)論二層交換機(jī)用于小型的局域網(wǎng)絡(luò)。這個就不用多言了，在小型局域網(wǎng)中，廣播包影響不大，二層交換機(jī)的快速交換功 能、多個接入端口和低謙價格為小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了很完善的解決技術(shù)指導(dǎo)文件。路由器的優(yōu)點在于接口類型豐富，支持的三層功能強(qiáng)大，路由能力強(qiáng)大，適合用

13、于大型的網(wǎng)絡(luò)間的路由，它的優(yōu)勢在 于選擇最佳路由，負(fù)荷分擔(dān)，鏈路備份及和其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由信息的交換等等路由器所具有功能。三層交換機(jī)的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，加入路由功能也是為這個目的服務(wù)的。如果 把大型網(wǎng)絡(luò)按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網(wǎng)，這將導(dǎo)致大量的網(wǎng)際互訪，單純的使用二層交換機(jī)不能 實現(xiàn)網(wǎng)際互訪。如單純的使用路由器，由于接口數(shù)量有限和路由轉(zhuǎn)發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡(luò)的速度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，采用具 有路由功能的快速轉(zhuǎn)發(fā)的三層交換機(jī)就成為首選。一般來說，在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量大，要求快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，如全部由三層交換機(jī)來做這個工作，會造成三層交換機(jī) 負(fù)擔(dān)過重，響應(yīng)速度受

14、影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)點，不失為一種好的組網(wǎng)策略， 當(dāng)然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機(jī)也兼為網(wǎng)際互連。.第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)地址（第二層網(wǎng)橋）或源目標(biāo)地址（第三層路 由），而且依據(jù)（第四層）應(yīng)用端口號。第四層交換功能就象是虛，指向物理服務(wù)器。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣， 有、或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在世界，業(yè)務(wù)類型由終端或端口地址 來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端地址、和端口共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務(wù)器組設(shè)立虛地址（）

15、，每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器（）中存 儲的每個應(yīng)用服務(wù)器地址是，而不是真實的服務(wù)器地址。當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)服務(wù)器組的連接請求（例如一個包）發(fā)給服務(wù)器交換機(jī)。服務(wù)器交換機(jī)在組 中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的用實際服務(wù)器的取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由 服務(wù)器交換機(jī)進(jìn)行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。第四層交換的原理模型的第四層是傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標(biāo)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在協(xié)議棧中這是（一種 傳輸協(xié)議）和（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）所在的協(xié)議層。在第四層中，和標(biāo)題包含端口號（），它們可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應(yīng)用協(xié)議（例如、等

16、）。端點系統(tǒng)利 用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，尤其是端口號使一個接收端計算機(jī)系統(tǒng)能夠確定它所收到的包類型，并把它交給合適 的高層軟件。端口號和設(shè)備地址的組合通常稱作“插口（）”。和之間的端口號被保留，他們稱為熟知”端口，也就是說，在所有主機(jī)協(xié)議棧實現(xiàn)中，這些端口號是相同的。除了熟知”端口外，標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)分配在到端口范圍，定制的應(yīng)用一般在以上分配 端口號.分配端口號的最近清單可以在”上找到。/端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第層交換的 基礎(chǔ)。”熟知”端口號舉例：應(yīng)用協(xié)議端口號(數(shù)據(jù))(控制)()端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。具有第四層功能的交換機(jī)能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬”()前端的作用。每臺服務(wù)器和支持單一或通用應(yīng)用的服務(wù)器組都配置一個地址。這個地址被發(fā)送出去并在域名系統(tǒng)上注冊。在發(fā)出一個服務(wù)請求時，第四層交換機(jī)通過判定開始，來識別一次會話