第七讲 交换机技术与应用

MAC地址表的建立和维护过程
（2）当计算机和交换机加电、断电或迁移时（维护） 每当增加MAC地址表项时，均在该项中注明帧的到 达时间。每当目的地址已在表中的帧到达时，将以 当前时间更新该项。 交换机设定一个自动老化时间，进程定期地扫描 MAC地址表，清除时间早于当前时间若干分钟的全 部表项。若某个MAC地址在设定时间内不再出现， 交换机将自动把该MAC地址从地址表中清除。当下 一次该MAC地址出现时，将被当做新地址处理。 如果从一个物理网段上卸下一台计算机，连到另一 个物理网段上，则在几分钟内，它即可重新开始正 常工作而无需人工干预 如果机器在几分钟内无动作，那么发给它的帧将不 得不散发，一直到它自己发送出一帧为止。
三、交换机配置基础
1.交换机的管理方式 交换机为用户提供了四种管理方式（又称访问方 式）： 通过带外对交换机进行管理； 通过Telnet对交换机进行远程管理； 通过Web对交换机进行远程管理； 通过SNMP工作站对交换机进行远程管理。 第一种方式需要通过交换机的Console端口与计算 机的串口直接相连后才能实现。首次配置交换机 或者无法进行带内管理时，只能采用第一种方式 。
2）交换数据帧
当交换机接收到一个数据帧时，首先检查该帧 的源和目的MAC地址，然后与系统内部的动 态MAC地址表进行比较，若数据帧的源MAC 地址不在该表中，则将该源MAC地址及其对 MAC 应的端口号加入MAC地址表中； 如果目的MAC地址在该表中，则将数据帧发 送到相应的目的端口， 如果目的MAC地址不在表中，则将目的MAC 地址加入到MAC地址表中，并将该数据帧发 送到所有其他端口。
4）按交换机的结构划分 固定端口交换机、模块化交换机。 5）按网络互连三层模型划分 核心层交换机、汇聚层交换机、接入层交换机。 6）按外观进行划分 机箱式、机架式、桌面型。
二、交换机的接口与连接线缆
1.交换机的接口类型 交换机的接口类型
2.交换机的端口配置线缆 2.交换机的端口配置线缆
USB转串口线
转发/过滤遵循的规则
如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者 组播地址，则向交换机所有端口转发（数据帧 来的端口除外）； 如果数据帧的目的地址是单播地址，但这个地 址并不在MAC地址表中，那么也向所有的端 口转发（数据帧来的端口除外）； 如果数据帧的目的地址在MAC地址表中，那 么就根据地址表转发到相应的端口； 如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在同 一个物理网段上，它就会丢弃这个数据帧，不 会发生交换。
缺点：存储转发方式在数据处理时延时大
3）碎片隔离(Fragment free) ）碎片隔离
碎片隔离是一种介于前两者之间的解决方案。 碎片隔离是一种介于前两者之间的解决方案。 它检查数据帧的长度是否够64个字节， 64个字节 它检查数据帧的长度是否够64个字节，如果小于 64字节 说明是假帧，则丢弃该帧；如果大于64 字节， 64字节，说明是假帧，则丢弃该帧；如果大于64 字节，则发送该帧。 字节，则发送该帧。 这种方式也不提供数据校验。 这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度 比存储转发方式快，但比直通式慢。 比存储转发方式快，但比直通式慢。 采用这种方式， 采用这种方式，所有的正常帧和超常帧都可以通 而残帧将被隔离。 过，而残帧将被隔离。
在输入端口检测到一个数据帧时， 在输入端口检测到一个数据帧时，就立刻按数据帧 的目的MAC地址， MAC地址表中查找相应的输出端 MAC地址 的目的MAC地址，从MAC地址表中查找相应的输出端 并在输入与输出交叉处接通， 口，并在输入与输出交叉处接通，把数据帧直通送 到相应的端口。 到相应的端口。 优点：延迟非常小、交换非常快。 优点：延迟非常小、交换非常快。 缺点： 缺点： 无法检查所传送的数据帧是否有误， 无法检查所传送的数据帧是否有误，不能提供错 误检测能力。 误检测能力。 不能将具有不同速率的输入/ 不能将具有不同速率的输入 / 输出端口直接接通 而且容易丢帧。 ，而且容易丢帧。
1）带外管理(out-band management)
物理连接方法
操作过程 打开与交换机相连 的计算机电源，进 入Windows 98/2000/XP操作系统。 单击“开始”按钮，在“程序”菜单 的“附件”选项中单击“超级终端” ，对超级终端进行初始设置。
操作过程 在“名称”栏中 输入一个名称（ 可以任意输入） ，可以在图标栏 中选择一个图标 ，然后单击“确 定”按钮。
6.交换机的分类
1）按网络覆盖范围划分 广域网交换机和局域网交换机。 2）按传输介质和传输速度划分 以太网交换机、快速以太网交换机、千兆（G 比特）以太网交换机、10千兆(10G比特或万 兆)以太网交换机和ATM交换机等。 3）按交换机工作的协议层次划分 分为第二层交换机、第三层交换机、第四层交 换机和第七层交换机。
2）存储转发 (Store & forward)
交换机将收到的一个完整的数据帧先放入缓存， 然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错 误帧处理后才取出数据帧的目的MAC地址，通过 MAC地址表转换成输出端口送出帧。 优点：
所有的正常帧都可以通过，而残帧和超常帧都被交换 机隔离。 可以对进入交换机的数据帧进行错误检测，有效地改 善网络性能。 它支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低 速端口间的协同工作。
3）避免环路(loop Avoidance) 交换机通过使用生成树协议（Spanning –tree protocol），来管理局域网内的环 境，避免数据帧在网络中不断绕圈子的 现象产生，即避免环路。 网络出现环路后，很容易产生广播风暴 和MAC地址系统失效，致使网络瘫痪。
5.交换机的交换方式
1）直通方式(Cut Through) ）直通方式
交换机技术与应用
交换机技术与应用
内容提要
交换机概述 交换机的接口与连接线缆 交换机配置基础 交换机的互连技术 交换机的VLAN技术 交换机的生成树技术
一、交换机概述
1.交换机的定义
交换机(Switch)，是一种基于MAC地址识 别、能够完成数据帧封装与转发功能的网 络设备。 交换机工作在OSI模型中的第二层，用于 连接工作站、服务器、路由器、集线器和 其他交换机。其主要作用是快速高效、准 确无误地转发数据帧。 在网络拓扑结构中用图标表示为：
操作过程 在“连接时使 用”下拉列表 框中根据具体 情况选择恰当 的方式，如选 择与交换机相 连的计算机的 串口COM1。 单击 “确定 ”按钮。
操作过程 设置波特率（每 秒位数）为9600 ，数据位为8， 奇偶校验为“无 ”，停止位为1 ，数据流控制为 “无”。单击“ 确定”按钮，如 果正常的话，就 可以开始配置交 换机了。
数据帧在交换机内的交换过程
数据帧在交换机内的交换过程
①当主机D发送广播帧时，交换机从E3端口 接收到目的地址为ffff.ffff.ffff （广播地址) 的数据帧，则向E0、E1、E2和E4端口转 发该数据帧 ②当主机D与主机E通信时，交换机从E3端 口接收到目的地址为0260.8c01.5555的数 据帧，查找MAC地址表后发现 0260.8c01.5555并不在表中，则交换机把 地址0260.8c01.5555加入MAC地址表， 并向E0、E1、E2和E4端口转发该数据帧
2）带内管理(in-band management 物理连接
端口必须位于管理 VLAN中 中
采用带内管理方式应具备的条件 管理主机与交换机具有网络可连通性； 交换机配置了管理VLAN的IP地址； 交换机内开启了相应的管理服务； 交换机内设置了授权用户或没有限制用 户访问
注意：如果管理机与交换机用双绞线直接相连， 注意：如果管理机与交换机用双绞线直接相连， 则管理主机的IP地址与交换机的管理VLAN IP地址与交换机的管理 则管理主机的IP地址与交换机的管理VLAN IP地址必须在相同网段 地址必须在相同网段。 的IP地址必须在相同网段。
（1）在交换机加电启动进行初始化时(建立) 其MAC地址表为空的。当自检成功后，交换机 开始侦测各端口连接的设备； 如图所示，一旦A、B、C互相访问，以及A、B 、C访问F，期间的数据流必然会以广播的形式 被交换机接收到，当交换机接收到数据后，首先 把数据帧的源MAC地址给拆下来，如果在交换 机内部的存储器中没有A、B、C、F的MAC地址 ，交换机会自动把这些地址记录并存储下来，同 时，把这些MAC地址所表示的设备和交换机的 端口对照起来。 保存下来的这些信息被称为MAC地址表。
数据帧在交换机内的交换过程
⑤如果在主机D与主机A通信的同时，主机B也 正在向主机C发送数据，交换机同样会把主 机B发送的数据帧转发到连接主机C的E2端 口。这时E1和E2之间，以及E3和E0之间， 通过交换机内部的硬件交换电路，建立了两 条链路，这两条链路上的数据通信互不影响 ，因此网络也不会产生冲突。所以，主机D 和主机A之间的通信独享一条链路，主机C与 主机B之间也独享一条链路。而这样的链路 仅在通信双方有需求时才会建立，一旦数据 传输完毕，相应的链路也随之拆除。
2）共享存储器结构
共享存储器结构的特点 共享存储器结构是总线结构的变形，使 用大量的高速RAM来存储输入数据。 各路输入数据经过输入处理部件进入存 储器，输出处理部件从存储器中取出数 据，形成各路输出信号。 存储器相当于数据缓冲池。
3）矩阵结构
N×N交换矩阵
矩阵结构的特点
矩阵结构交换机又称为纵横制交换机。 目前绝大多数高端交换机都使用这种交 换方式。 由于高速集成电路的发展，这种结构易 于构建高速的交换模块； 结构的可扩展性与其实现方法有关，己 知背板交换容量可以扩展到100Gbps； 成本和复杂性高是这种交换机容量增加 的主要限制因素。
4.交换机的基本功能
1）地址学习(Address Learning) 交换机通过监听所有流入的数据帧，对其 源MAC地址进行检验，形成一个MAC地址 到其相应端口号的映射，并且将这一映射 关系存储到其MAC地址表中。 2）转发/过滤决定( forward/filter decisions) 交换机根据数据帧的MAC地址进行数据帧 的转发操作，同时能够过滤（即丢弃）非 法侵入的数据帧。