交换机技术与应用

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1、1、交换机的定义交换机的英文名称为Switch，在网络拓扑结构中用图标表示为在计算机网络系统中，交换机是一种基于MAC地址识别，能够完成数据帧封装、转发功能的网络设备。以太网交换机类似于一台专用的计算机，它由中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）和接口组成工作在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。2、交换机的体系结构以太网交换体系结构基本可以分为三类，总线结构、共享存储器结构以及交换矩阵结构。2.1交换机概述1.总线结构总线交换结构的特点是：各个模块共享同一背板总线结构，每个输入

2、端通过输入处理部件（输入逻辑）连接到总线上，每个输出端通过输出处理部件（输出逻辑）连接到总线上。如下图所示，数据利用时分多工传输（TDM）方式在总线上传输。各路输入交换数据经过输入处理部件，再经过总线由输出处理部件取出，形成各路输出信号。总线采用时分方式划分时隙分配给每个输入部件。2.交换机的体系结构2.共享存储器结构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。如下图所示。2.交换机的体系结构3.矩阵结构矩阵结构交换机又称为纵横

3、制交换机。目前绝大多数高端交换机都使用这种交换方式。交换机的矩阵结构如下图，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。2.交换机的体系结构在网络通信中，交换机执行两个基本操作：一是交换数据帧，将从某一端口收到的数据帧转发到该帧的目的地端口；二是维护交换操作，构造和维护动态MAC地址表。1.交换数据帧当交换机接收到从端口来的一个数据帧时，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

4、址不在该表中，则将该源MAC地址及其对应的端口号加入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，反之，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。3.交换机的工作原理交换数据帧的例子设备端口MACAE002-60-8c-01-11-11CE102-60-8c-01-22-22BE202-60-8c-01-33-33DE302-60-8c-01-44-44FE302-60-8c-01-66-66E0E2E4E1E3从交换操作过程中，可以看到数据帧的转发都是基于交换机内的MAC地址表。由此表明建立和维护MAC

5、地址表是交换机隔离冲突域的重要功能，也是交换机进行数据帧通信的基础。构造维护MAC地址表交换机内有一张MAC地址表，表的每一条表项存放着一个连接在交换机端口上的设备的MAC地址及其相应端口号。MAC地址表的建立和维护过程如下：在交换机加电启动进行初始化时，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

6、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。构造维护MAC地址表当计算机和交换机加电、断电或迁移时，网络的拓扑结构会随之改变。为了处理动态拓扑问题，每当增加MAC地址表项时，均在该项中注明帧的到达时间。每当目的地已在表中的帧到达时，将以当前时间更新该项。这样，从表中每项的时间即可知道该机器最后帧到来的时间。交换机中有一个进程定期地扫描MAC地址表，清除时间早于当前时间若干分钟的全部表项。于是，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。这

7、个算法同时也意味着，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。交换机中的内存有限，能够记忆的MAC地址数也有限，交换机设定一个自动老化时间，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。交换机可以进行全双工传输，可以同时在多对节点之间建立临时专用通道，形成立体交叉的数据传输通道结构。1.地址学习（AddressLearning）2.转发/过滤决定(forward/filterdecisions)交换机在进行转发/过滤操作时，遵循以下规则：①如果

8、数据帧的目