以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)——基本架構(gòu)和原理2021/6/271大綱一、以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)(P3)二、802.3分層結(jié)構(gòu)(P10)三、交換機(jī)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(biāo)(P28)六、一些技術(shù)點(diǎn)（自協(xié)商、流控、VLAN）(P34)七、產(chǎn)品開發(fā)借鑒(P54)2021/6/272一、以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)2021/6/273以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?021/6/274接入層交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)2021/6/275匯聚層交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)2021/6/276核心層交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)2021/6/277以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)產(chǎn)品內(nèi)部架構(gòu)-單機(jī)產(chǎn)品2021/6/278產(chǎn)品內(nèi)部架構(gòu)-機(jī)架式產(chǎn)品背板示意圖以太網(wǎng)交換機(jī)硬件架構(gòu)2021/6/279二、802.3分層結(jié)構(gòu)2021/6/2710802.3分層結(jié)構(gòu)802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)的載波偵聽多重訪問機(jī)制CSMA/CD和物理層規(guī)范”。802.3標(biāo)準(zhǔn)僅僅是由IEEE802標(biāo)準(zhǔn)制定的第1和第2層標(biāo)準(zhǔn)之一。其他標(biāo)準(zhǔn)還包括802.4（令牌總線）、802.5（令牌環(huán)）、802.11（無線網(wǎng)）、802.12（需求優(yōu)先級(jí)）等。2021/6/2711802.3分層結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2021/6/2714PMDPMD子層的功能是支持在PMA子層和介質(zhì)之間交換串行化的符號(hào)代碼位。PMD子層將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在某種特定介質(zhì)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(hào)。802.3分層結(jié)構(gòu)2021/6/2715三、交換機(jī)幀處理流程2021/6/2716BCM數(shù)據(jù)幀流程的大致介紹1、交換機(jī)從某個(gè)端口收到一個(gè)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(jī)器是連接在哪個(gè)端口上的，這樣一組對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的端口；3、如果在地址表中查到有與這個(gè)目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，則將數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這個(gè)端口上；4、如果在地址表中找不到相應(yīng)的MAC地址以及對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，則將數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上；當(dāng)目的機(jī)器收到這個(gè)數(shù)據(jù)包以后，如果對(duì)源主機(jī)進(jìn)行回應(yīng)時(shí)，交換機(jī)又可以按照1中所描述的方式，又學(xué)習(xí)到這個(gè)MAC地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對(duì)所有端口進(jìn)行廣播了。5、依此類推，對(duì)于與該交換機(jī)有直接或間接聯(lián)系的所有MAC地址信息都可以實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表的。交換機(jī)幀處理流程2021/6/2717大部分BCM交換芯片采取下面這種結(jié)構(gòu)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(wǎng)幀在進(jìn)入交換芯片以后，一個(gè)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(wǎng)交換芯片對(duì)幀從進(jìn)入到送出的處理流程。

交換機(jī)幀處理流程2021/6/2718由于數(shù)據(jù)幀在芯片內(nèi)部的流程很復(fù)雜并且不同的廠家處理方式不盡相同，這邊只對(duì)BCM各模塊的基本功能概括如下，有興趣的請(qǐng)?jiān)敿?xì)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(xué)習(xí)；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(jī)幀處理流程2021/6/2719MMU負(fù)責(zé)對(duì)幀進(jìn)行緩存排隊(duì)（buffering）處理和調(diào)度處理（scheduling），它從Ingress邏輯中接收幀，并調(diào)度、暫存這些幀，隨后傳送到Egress邏輯。所有的幀存儲(chǔ)和對(duì)幀緩存的維護(hù)管理都是通過MMU完成的，MMU表現(xiàn)為調(diào)度的核心所在。交換機(jī)幀處理流程2021/6/2720Egress執(zhí)行如下步驟：1、從MMU請(qǐng)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(duì)L3IPMC報(bào)文進(jìn)行修正；5、將IPMC報(bào)文復(fù)制到VLAN中每個(gè)正確的端口；6、可能的話重新計(jì)算CRC（看Tag是否有變化）；7、Egress對(duì)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(jī)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(jī)正常運(yùn)行過程中通過其對(duì)PHY進(jìn)行設(shè)置來改變PHY的工作狀態(tài)，通過其對(duì)PHY中的寄存器進(jìn)行讀取來判斷當(dāng)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(biāo)2021/6/2728衡量交換性能的指標(biāo)ThroughputLatencyBacktobackHeadoflineAddresshandlingManytoone(Onetomany)X-streamFilterillegalframesForwardpressureBroardcastproportion2021/6/2729ThroughputThroughput是指被測(cè)設(shè)備在所提供的幀不丟失情況下的最大速率(RFC1242)，該項(xiàng)測(cè)試用來確定設(shè)備在不出錯(cuò)的情況下轉(zhuǎn)發(fā)幀所能達(dá)到的最大速率。

Latency對(duì)于storeandforward設(shè)備:從輸入幀的最后一位(bit)到達(dá)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(shí)間間隔;

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

衡量交換性能的指標(biāo)2021/6/2730HeadoflineHead-of-lineBlocking是指一個(gè)輸入接口同時(shí)向一個(gè)擁塞端口和一個(gè)非擁塞端口轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí),在非擁塞端口的幀丟失或延遲的增加(RFC2285),用來決定被測(cè)設(shè)備怎么處理?yè)砣?設(shè)備是否執(zhí)行擁塞控制，在一個(gè)端口的擁塞是否影響非擁塞端口)。

該項(xiàng)測(cè)試的模型(10M)為:

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

衡量交換性能的指標(biāo)2021/6/2731AddressHandling該項(xiàng)測(cè)試用于決定設(shè)備的地址處理能力(RFC2285),包括兩重的測(cè)試：一是測(cè)試被測(cè)設(shè)備在其地址表未溢出的情況下每個(gè)端口可處理的MAC地址數(shù)，二是被測(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)新地址的速率(frames/sec).

AST所進(jìn)行的測(cè)試操作是：Port1向Port2發(fā)以Port2為目的地址帶若干個(gè)不同源地址的學(xué)習(xí)幀，Port2收到后發(fā)出相應(yīng)的控制幀(以Port2為源地址，學(xué)習(xí)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(biāo)2021/6/2732其他的一些指標(biāo)還有：Manytoone(Onetomany)測(cè)試用來決定多對(duì)一或一對(duì)多發(fā)時(shí)的throughput，用于衡量被測(cè)設(shè)備在此種情況下無幀丟失的交換能力。

X-streamX-Stream測(cè)試用于決定被測(cè)設(shè)備在所有參與測(cè)試的端口都以某個(gè)確定的

throughput同時(shí)收發(fā)幀時(shí)，設(shè)備收到多路數(shù)據(jù)流時(shí)的幀丟失率。

FilterIllegalFrames

該項(xiàng)測(cè)試決定被測(cè)設(shè)備在錯(cuò)誤幀和異常幀情況下的行為(RFC2285)，其結(jié)果表示設(shè)備在此情況下是過濾錯(cuò)誤，還是簡(jiǎn)單地按照目的地址傳送幀.

使用專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行交換性能的測(cè)試(SMB6000)衡量交換性能的指標(biāo)2021/6/2733六、一些技術(shù)點(diǎn)（自協(xié)商、流控、VLAN）2021/6/2734一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商自協(xié)商是指位于鏈路兩端的設(shè)備之間自動(dòng)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(wǎng)的時(shí)候并沒有引入自協(xié)商這個(gè)概念，因?yàn)槟菚r(shí)候鏈路兩端的設(shè)備情形都很單一。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，局域網(wǎng)中的物理接口標(biāo)準(zhǔn)不斷增多，技術(shù)工程師和客戶手動(dòng)配置網(wǎng)絡(luò)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(shè)置不匹配今后可能的升級(jí)準(zhǔn)備2021/6/2735一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/2736NLP一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/2737FLP一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/2738一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/27392021/6/2740一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/2741一些技術(shù)點(diǎn)-自協(xié)商2021/6/2742目的：防止因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的大量丟幀。幀丟失會(huì)導(dǎo)致高層協(xié)議的確認(rèn)定時(shí)器超時(shí)，超時(shí)引發(fā)對(duì)丟失幀的重傳。確認(rèn)定時(shí)器設(shè)定的值必須(至少)考慮到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上端到端的傳輸延遲，加上處理與延遲間隔時(shí)間。一般的協(xié)議以秒為量級(jí)設(shè)置定時(shí)器以保證在大的互連網(wǎng)上運(yùn)行，因此一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著幀丟失率(FLR)迅速下降。對(duì)于一個(gè)5秒鐘的NFS確認(rèn)定時(shí)器，1%FLR將導(dǎo)致操作性能降低98%[3]。一些技術(shù)點(diǎn)-流控2021/6/2743半雙工流控：背壓(backpressure)1、強(qiáng)行與將要到達(dá)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(wǎng)幀所有MAC控制幀的長(zhǎng)度都恰好是以太網(wǎng)幀的最小長(zhǎng)度—64字節(jié)，不包括前導(dǎo)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(biāo)識(shí)符(0x8808)標(biāo)識(shí)出的。這個(gè)類型域?qū)ｉT保留用于以太網(wǎng)MAC控制。一些技術(shù)點(diǎn)-流控2021/6/27441.目的地址目的地址是PAUSE幀要到達(dá)的目的地。它總是包含一個(gè)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(gè)稱為暫停時(shí)間(pause__time)的參數(shù)。這個(gè)參數(shù)是2個(gè)字節(jié)的無符號(hào)整型值。它是發(fā)送方請(qǐng)求接收方停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間度量以512比特時(shí)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(shù)點(diǎn)-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(diǎn)：1.配置簡(jiǎn)單2.含義明確3.與實(shí)際聯(lián)系緊密4.應(yīng)用廣泛一些技術(shù)點(diǎn)-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(wù)器和TFTP客戶端的支持。特點(diǎn)：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(shù)點(diǎn)-VLAN2021/6/2748跨越交換機(jī)的VLAN兩個(gè)交換機(jī)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，