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標題: 基礎知識：理解網(wǎng)絡(luò )交換機的原理 [打印本頁(yè)]
作者: 極目楚天    時(shí)間: 2008-12-15 20:55
標題: 基礎知識：理解網(wǎng)絡(luò )交換機的原理
二層交換機概述
　
　　一、交換機的工作原理
1.交換機根據收到數據幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫(xiě)入MAC地址表中。
　
　　2.交換機將數據幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進(jìn)行比較，以決定由哪個(gè)端口進(jìn)行轉發(fā)。
　
　　3.如數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉發(fā)。這一過(guò)程稱(chēng)為泛洪（flood）。
　
　　4.廣播幀和組播幀向所有的端口轉發(fā)。
　
二、交換機的三個(gè)主要功能
　　
學(xué)習：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設備的MAC地址，并將地址同相應的端口映射起來(lái)存放在交換機緩存中的MAC地址表中。
　　
轉發(fā)/過(guò)濾：當一個(gè)數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時(shí)，它被轉發(fā)到連接目的節點(diǎn)的端口而不是所有端口（如該數據幀為廣播/組播幀則轉發(fā)至所有端口）。
　　消除回路：當交換機包括一個(gè)冗余回路時(shí)，以太網(wǎng)交換機通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時(shí)允許存在后備路徑。
三、交換機的工作特性
　　1.交換機的每一個(gè)端口所連接的網(wǎng)段都是一個(gè)獨立的沖突域。
　　2.交換機所連接的設備仍然在同一個(gè)廣播域內，也就是說(shuō)，交換機不隔絕廣播（惟一的例外是在配有VLAN的環(huán)境中）。
　　3.交換機依據幀頭的信息進(jìn)行轉發(fā)，因此說(shuō)交換機是工作在數據鏈路層的網(wǎng)絡(luò )設備（此處所述交換機僅指傳統的二層交換設備）。
四、交換機的分類(lèi)
　　依照交換機處理幀時(shí)不同的操作模式，主要可分為兩類(lèi)：
　　存儲轉發(fā)：交換機在轉發(fā)之前必須接收整個(gè)幀，并進(jìn)行錯誤校檢，如無(wú)錯誤再將這一幀發(fā)往目的地址。幀通過(guò)交換機的轉發(fā)時(shí)延隨幀長(cháng)度的不同而變化。
　　直通式：交換機只要檢查到幀頭中所包含的目的地址就立即轉發(fā)該幀，而無(wú)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(cháng)度總是固定的，因此幀通過(guò)交換機的轉發(fā)時(shí)延也保持不變。
五、二、三、四層交換機？
多種理解的說(shuō)法：
1.
二層交換（也稱(chēng)為橋接）是基于硬件的橋接�；诿總�(gè)末端站點(diǎn)的唯一MAC地址轉發(fā)數據包。二層交換的高性能可以產(chǎn)生增加各子網(wǎng)主機數量的網(wǎng)絡(luò )設計。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對數據包交換操作的主要區別在于物理上的實(shí)施。
四層交換的簡(jiǎn)單定義是：不僅基于MAC（第二層橋接）或源/目的地IP地址（第三層路由選擇），同時(shí)也基于TCP/UDP應用端口來(lái)做出轉發(fā)決定的能力。其使網(wǎng)絡(luò )在決定路由時(shí)能夠區分應用。能夠基于具體應用對數據流進(jìn)行優(yōu)先級劃分。它為基于策略的服務(wù)質(zhì)量技術(shù)提供了更加細化的解決方案。提供了一種可以區分應用類(lèi)型的方法。
2.
二層交換機 基于MAC地址
三層交換機 具有VLAN功能 有交換和路由 ///基于IP，就是網(wǎng)絡(luò )
四層交換機 基于端口，就是應用
3.
二層交換技術(shù)從網(wǎng)橋發(fā)展到VLAN（虛擬局域網(wǎng)），在局域網(wǎng)建設和改造中得到了廣泛的應用。第二層交換技術(shù)是工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò )模型中的第二層，即數據鏈路層。它按照所接收到數據包的目的MAC地址來(lái)進(jìn)行轉發(fā)，對于網(wǎng)絡(luò )層或者高層協(xié)議來(lái)說(shuō)是透明的。它不處理網(wǎng)絡(luò )層的IP地址，不處理高層協(xié)議的諸如TCP、UDP的端口地址，它只需要數據包的物理地址即MAC地址，數據交換是靠硬件來(lái)實(shí)現的，其速度相當快，這是二層交換的一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。但是，它不能處理不同IP子網(wǎng)之間的數據交換。傳統的路由器可以處理大量的跨越IP子網(wǎng)的數據包，但是它的轉發(fā)效率比二層低，因此要想利用二層轉發(fā)效率高這一優(yōu)點(diǎn)，又要處理三層IP數據包，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OSI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IP包的包頭信息來(lái)對后續數據業(yè)務(wù)流進(jìn)行標記，具有同一標記的業(yè)務(wù)流的后續報文被交換到第二層數據鏈路層，從而打通源IP地址和目的IP地址之間的一條通路。這條通路經(jīng)過(guò)第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機就沒(méi)有必要每次將接收到的數據包進(jìn)行拆包來(lái)判斷路由，而是直接將數據包進(jìn)行轉發(fā)，將數據流進(jìn)行交換
4.
二層交換技術(shù)
二層交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進(jìn)行轉發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個(gè)地址表中。具體的工作流程如下：
（1） 當交換機從某個(gè)端口收到一個(gè)數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個(gè)端口上的；
（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口；
（3） 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接復制到這端口上；
（4） 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時(shí)，交換機又可以學(xué)習一目的MAC地址與哪個(gè)端口對應，在下次傳送數據時(shí)就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了。
不斷的循環(huán)這個(gè)過(guò)程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。
從二層交換機的工作原理可以推知以下三點(diǎn)：
（1） 由于交換機對多數端口的數據進(jìn)行同時(shí)交換，這就要求具有很寬的交換總線(xiàn)帶寬，如果二層交換機有N個(gè)端口，每個(gè)端口的帶寬是M，交換機總線(xiàn)帶寬超過(guò)N×M，那么這交換機就可以實(shí)現線(xiàn)速交換；
（2） 學(xué)習端口連接的機器的MAC地址，寫(xiě)入地址表，地址表的大�。ㄒ话銉煞N表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；
（3） 還有一個(gè)就是二層交換機一般都含有專(zhuān)門(mén)用于處理數據包轉發(fā)的ASIC （Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉發(fā)速度可以做到非�？�。由于各個(gè)廠(chǎng)家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。
以上三點(diǎn)也是評判二三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數，這一點(diǎn)請大家在考慮設備選型時(shí)注意比較。
（二）路由技術(shù)
路由器工作在OSI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(gè)區別決定了路由和交換在傳遞包時(shí)使用不同的控制信息，實(shí)現功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內部也有一個(gè)表，這個(gè)表所標示的是如果要去某一個(gè)地方，下一步應該向那里走，如果能從路由表中找到數據包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉發(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(gè)信息交給源地址。
路由技術(shù)實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)不過(guò)兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉發(fā)數據包。路由表中寫(xiě)入各種信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然后由相對簡(jiǎn)單直接的轉發(fā)機制發(fā)送數據包。接受數據的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續轉發(fā)，依次類(lèi)推，直到數據包到達目的路由器。
而路由表的維護，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(guò)互相學(xué)習路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓撲結構，這一類(lèi)的路由協(xié)議稱(chēng)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(guò)互相學(xué)習掌握全網(wǎng)的路由信息，進(jìn)而計算出最佳的轉發(fā)路徑，這類(lèi)路由協(xié)議稱(chēng)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，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當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體系設計。
（三）三層交換技術(shù)
近年來(lái)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(shuō)這是個(gè)非常新的技術(shù)，也有人說(shuō)，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒(méi)有什么新的玩意，事實(shí)果真如此嗎？下面先來(lái)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )來(lái)看看三層交換機的工作過(guò)程。
組網(wǎng)比較簡(jiǎn)單
作者: 極目楚天    時(shí)間: 2008-12-15 20:56
使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B
比如A要給B發(fā)送數據，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò )地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。
如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉發(fā)數據所需的MAC地址，A就發(fā)送一個(gè)ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發(fā)到相應的端口。
如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實(shí)現和B的通訊，在流緩存條目中沒(méi)有對應MAC地址條目，就將第一個(gè)正常數據包發(fā)送向一個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)，這個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統中已經(jīng)設好，對應第三層路由模塊，所以可見(jiàn)對于不是同一子網(wǎng)的數據，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數據包，查詢(xún)路由表以確定到達B的路由，將構造一個(gè)新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過(guò)一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發(fā)端口的對應關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說(shuō)的一次路由多次轉發(fā)。
以上就是三層交換機工作過(guò)程的簡(jiǎn)單概括，可以看出三層交換的特點(diǎn)：
由硬件結合實(shí)現數據的高速轉發(fā)。
這就不是簡(jiǎn)單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線(xiàn)上，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個(gè)重要參數。
簡(jiǎn)潔的路由軟件使路由過(guò)程簡(jiǎn)化。
大部分的數據轉發(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發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過(guò)處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡(jiǎn)單照搬路由器中的軟件。
結論
二層交換機用于小型的局域網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)就不用多言了，在小型局域網(wǎng)中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個(gè)接入端口和低謙價(jià)格為小型網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)提供了很完善的解決方案。
路由器的優(yōu)點(diǎn)在于接口類(lèi)型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用于大型的網(wǎng)絡(luò )間的路由，它的優(yōu)勢在于選擇最佳路由，負荷分擔，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。
三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò )內部的數據的快速轉發(fā)，加入路由功能也是為這個(gè)目的服務(wù)的。如果把大型網(wǎng)絡(luò )按照部門(mén)，地域等等因素劃分成一個(gè)個(gè)小局域網(wǎng)，這將導致大量的網(wǎng)際互訪(fǎng)，單純的使用二層交換機不能實(shí)現網(wǎng)際互訪(fǎng)；如單純的使用路由器，由于接口數量有限和路由轉發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡(luò )的速度和網(wǎng)絡(luò )規模，采用具有路由功能的快速轉發(fā)的三層交換機就成為首選。
一般來(lái)說(shuō)，在內網(wǎng)數據流量大，要求快速轉發(fā)響應的網(wǎng)絡(luò )中，如全部由三層交換機來(lái)做這個(gè)工作，會(huì )造成三層交換機負擔過(guò)重，響應速度受影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設備的優(yōu)點(diǎn)，不失為一種好的組網(wǎng)策略，當然，前提是客戶(hù)的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網(wǎng)際互連。
5.
　 第四層交換的一個(gè)簡(jiǎn)單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據TCP/UDP(第四層) 應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務(wù)器。它傳輸的業(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎上，需要復雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類(lèi)型由終端TCP或UDP端口地址來(lái)決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。
　
在第四層交換中為每個(gè)供搜尋使用的服務(wù)器組設立虛IP地址（VIP），每組服務(wù)器支持某種應用。在域名服務(wù)器（DNS）中存儲的每個(gè)應用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實(shí)的服務(wù)器地址。
　 當某用戶(hù)申請應用時(shí)，一個(gè)帶有目標服務(wù)器組的VIP連接請求（例如一個(gè)TCP SYN包）發(fā)給服務(wù)器交換機。服務(wù)器交換機在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實(shí)際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區間所有的包由服務(wù)器交換機進(jìn)行映射，在用戶(hù)和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。
第四層交換的原理
　 OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò )源和目標系統之間協(xié)調通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP（一種傳輸協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數據包協(xié)議）所在的協(xié)議層。
　 在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（portnumber），它們可以唯一區分每個(gè)數據包包含哪些應用協(xié)議（例如HTTP、FTP等）。端點(diǎn)系統利用這種信息來(lái)區分包中的數據，尤其是端口號使一個(gè)接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包類(lèi)型，并把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合通常稱(chēng)作“插口（socket）”。
　 1和255之間的端口號被保留，他們稱(chēng)為“熟知”端口，也就是說(shuō)，在所有主機TCP/I
P協(xié)議棧實(shí)現中，這些端口號是相同的。除了“熟知”端口外，標準UNIX服務(wù)分配在256到1024端口范圍，定制的應用一般在1024以上分配端口號.
　分配端口號的最近清單可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP／UDP端
口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò )交換機所利用，這是第4層交換的基礎。
　"熟知"端口號舉例:
　　
　　　　　　應用協(xié)議　　　　 端口號
　　　　　　 FTP　　　　　　　 20（數據）
　　　　　　　　　　　　　　　　　 21（控制）
　　　　　　 TELNET　　　　23
　　　　　　 SMTP　　　　　 25
　　　　　　 HTTP　　　　　　 80
　　　　　　 NNTP　　　　　 119
　　　　　　 NNMP　　　　　 16
　　　　　　　　　　　　　　　　　 162（SNMP traps）
　 TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò )交換機所利用，這是第四層交換的基礎。
　 具有第四層功能的交換機能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。
每臺服務(wù)器和支持單一或通用應用的服務(wù)器組都配置一個(gè)VIP地址。這個(gè)VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統上注冊。
　 在發(fā)出一個(gè)服務(wù)請求時(shí)，第四層交換機通過(guò)判定TCP開(kāi)始，來(lái)識別一次會(huì )話(huà)的開(kāi)始。然后它利用復雜的算法來(lái)確定處理這個(gè)請求的最佳服務(wù)器。一旦做出這種決定，交換機就將會(huì )話(huà)與一個(gè)具體的IP地址聯(lián)系在一起，并用該服務(wù)器真正的IP地址來(lái)代替服務(wù)器上的VIP地址。
　 每臺第四層交換機都保存一個(gè)與被選擇的服務(wù)器相配的源IP地址以及源TCP 端口相
關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機向這臺服務(wù)器轉發(fā)連接請求。所有后續包在客戶(hù)機與服務(wù)器之間重新影射和轉發(fā)，直到交換機發(fā)現會(huì )話(huà)為止。
　
在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的服務(wù)器連接在一起來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)制定的規則，諸如使每臺服務(wù)器上有相等數量的接入或根據不同服務(wù)器的容量來(lái)分配傳輸流。



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