交換機(jī)工作原理

南京曉莊學(xué)院本科生學(xué)士學(xué)位論文論文名稱：交換機(jī)的構(gòu)造與工作原理院系：信息技術(shù)學(xué)院班級：05網(wǎng)絡(luò)本姓名：蘇志榮學(xué)號：05413316指導(dǎo)教師：王江平日期：11月4日內(nèi)容摘要：本文重要描述了交換機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，分析了交換機(jī)的各層工作原理。核心詞：交換機(jī)工作原理交換機(jī)工作構(gòu)造交換機(jī)特性。交換機(jī)的構(gòu)造和工作原理一、概述“交換”和“交換機(jī)”最早來源于電話通訊系統(tǒng)PSTN。我們以前經(jīng)常在電影或電視中看到某些老的影片時?？吹接腥嗽陔娫挋C(jī)旁狂搖幾下（注意不是撥號），然后就說：給我接XXX，話務(wù)員接到規(guī)定后就會把對應(yīng)端線頭插在要接的端子上，即可通話。其實(shí)這就是最原始的電話交換系統(tǒng)，只但是它是一種人工電話交換機(jī)系統(tǒng)，不是自動的，也不是我們所指的計算機(jī)交換系統(tǒng)。交換機(jī)的重要功效涉及物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造、錯誤校驗(yàn)、幀序列以及流量控制?，F(xiàn)在某些高檔交換機(jī)還含有了某些新的功效，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還含有路由和防火墻的功效。二、交換機(jī)的端口類型端口類型是指以太網(wǎng)、令牌環(huán)、FDDI還是ATM等端口類型，普通來說固定端口交換機(jī)只有單一類型的端口，適合中小公司或個人顧客使用，而模塊化交換機(jī)由于能夠有不同介質(zhì)類型的模塊可供選擇，故端口類型更為豐富，這類交換機(jī)適合部門級以上級別顧客選擇。快速以太網(wǎng)端口類型普通涉及10Base-T、100Base-TX、100Base-FX，其中10Base-T和100Base-TX普通是由10M/100M自適應(yīng)端口提供，即普通我們所講的RJ-45端口。其實(shí)這兩種RJ-45端口僅就端口本身而言是完全同樣的，但端口中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)電路構(gòu)造是不同的，因此也不能隨便接。三．交換機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造：1.共享內(nèi)存.各個端口沒有內(nèi)存,只有一種內(nèi)部的公共共享內(nèi)存2.共享總線.各個端口有自己的內(nèi)存,沒有內(nèi)部公共共享內(nèi)存,只有公共共享總線3.交叉點(diǎn)陣列.每個端口有自己的內(nèi)存,內(nèi)部有一種交叉陣列.四、交換機(jī)的工作原理傳統(tǒng)的交換機(jī)本質(zhì)上是含有流量控制能力的多端口網(wǎng)橋，即傳統(tǒng)的（二層）交換機(jī)。把路由技術(shù)引入交換機(jī)，能夠完畢網(wǎng)絡(luò)層路由選擇，故稱為三層交換，這是交換機(jī)的新進(jìn)展。1、二層交換機(jī)原理二層交換技術(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，能夠識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口統(tǒng)計在自己內(nèi)部的一種地址表中。具體的工作流程以下：（1）當(dāng)交換機(jī)從某個端口收到一種數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就懂得源MAC地址的機(jī)器是連在哪個端口上的；（2）再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找對應(yīng)的端口；（3）如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；（4）如表中找不到對應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到全部端口上，當(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時，交換機(jī)又能夠?qū)W習(xí)一目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對全部端口進(jìn)行廣播了。不停的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都能夠?qū)W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。2、三層交換機(jī)的原理從硬件的實(shí)現(xiàn)上看，現(xiàn)在，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊能夠與需要路由的其它模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機(jī)將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：(1)．?dāng)?shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實(shí)現(xiàn)；(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計算、路由的擬定等功效，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn)。假設(shè)有兩個使用IP合同的站點(diǎn)，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP地址，但尚不懂得它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址，則需要采用地址解析(ARP)來擬定B的MAC地址。A把自己的IP地址與B的IP地址比較，采用其軟件中配備的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來擬定B與否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B與A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一種ARP請求，B返回其MAC地址，A得到B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC地址表擬定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)立，這個IP地址事實(shí)上對應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。當(dāng)A對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址廣播出一種ARP請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一種ARP請求，B得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A。后來，當(dāng)再進(jìn)行A與B之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最后的目的站點(diǎn)的MAC地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換解決，信息得以高速交換五、交換機(jī)的特性1．地址學(xué)習(xí)以太網(wǎng)交換機(jī)能通過讀取傳送包的源MAC地址和統(tǒng)計幀進(jìn)入交換機(jī)的端口來學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)上每個設(shè)備的地址。然后，交換機(jī)把該信息加到它的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫（MAC地址表）中。地址是動態(tài)學(xué)習(xí)的。這意味著，當(dāng)讀取新的MAC地址時它們被學(xué)習(xí)并存儲在CAM（content-AddressableMemory,內(nèi)容可尋址存儲器）中。工作過程中，如果讀取到在CAM中沒有登記學(xué)習(xí)的源地址時，此MAC地址被學(xué)習(xí)并存儲到CAM中以備將來使用。每次存儲地址時，地址被打上一種時間標(biāo)記，如果在一段時間內(nèi)都沒有使用過的MAC地址將從MAC列表中刪除，通過這個時間標(biāo)記來確保刪除過時的地址和保持最新的地址。CAM維護(hù)了一種精確和有用的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫，即MAC地址表。2．轉(zhuǎn)發(fā)或?yàn)V除當(dāng)主機(jī)A發(fā)一種幀給主機(jī)B時，由于目的MAC地址（主機(jī)B的MAC地址）已在MAC地址表中存在對應(yīng)項(xiàng)，故交換機(jī)將此幀直接轉(zhuǎn)發(fā)到B所在交換機(jī)的端口，并且交換機(jī)不會再將幀轉(zhuǎn)發(fā)往其它端口，這樣就節(jié)省了其它端口的帶寬。這就是所謂的轉(zhuǎn)發(fā)與過濾。但是對于廣播和組播，交換機(jī)普通是把廣播幀或組播幀向全部端口轉(zhuǎn)發(fā)，不管MAC地址與否完整。而一種交換機(jī)永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)不到廣播或組播地址，由于它們不會出現(xiàn)在一種幀的源地址中。因此第二層的交換機(jī)無法控制廣播域，用交換機(jī)分割的網(wǎng)段即使處在不同的沖突域中，但仍然處在同一種廣播域中。因此，需要第三層設(shè)備（如路由器）來分割廣播域。3．避免循環(huán)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，冗余鏈路普通是必不可少的。但也因此帶來諸多的問題。A． 廣播風(fēng)暴。避免循環(huán)機(jī)制能夠通過阻塞（邏輯上）其中的某一端口（不允許接受幀和發(fā)送幀）來消除廣播風(fēng)暴問題。B． 重復(fù)幀拷貝。由于冗余途徑的存在，主機(jī)可能會從不同的途徑接受到相