以太网交换原理-以太网交换原理

需积分: 10 59 浏览量更新于2023-03-03 评论收藏 106KB DOC 举报

身份认证购VIP最低享 7 折!

领优惠券(最高得80元）

资源详情

资源评论

资源推荐

以太网交换原理

本文力求阐明以太网交换原理，并对相关知识作以介绍。

1以太网交换机相关概念

1.1传统的电话交换技术

交换概念始于电话交换。传统电话网由传输电路与电话交换机组成，处于网络节点的交换机完

成对传输链路的选路与连接。一次长途通话往往要经过发端局、转接局（汇接局）和收端局才

能完成。在通话前，电话交换机根据信令将分段的传输链路连接起来，从而形成一条从主叫到

被叫的通话电路，通话结束后根据信令拆除这条通路，这种交换方式称为电路交换方式。电路

交换的优点是延时小，实时性好；缺点是通话期间主、被叫间的物理电路被该次呼叫所独占，

电路利用率低。

1.2传统的数据交换技术

数据通信对实时性要求不高，故数据通信存在多种交换方式，最早的数据通信是利用已有的电

话网加调制解调器完成，这种数据交换方式仍是电路交换方式。现在常见的数据交换方式有数

据报方式和分组方式。

数据报（报文）交换采用存储／转发方式。网络节点设备先将途经的数据报完全接收并储存，

然后根据数据报所附的目的地址，选择一条合适的传输链路将该数据报发送出去。报文交换不

像电路交换，无需预先为通信双方建立一条专用的电路，因此就不存在建立和拆除电路的过

程。由于数据报的传送采用接力方式，任何时刻数据报只占用节点间的一条链路，因而提高了

传输效率，但这也造成了报文交换的延时非常大，故主要用在电报交换中。

分组交换和数据报交换一样。也采用存储／转发方式，但不像数据报交换是以整个数据报为单

位进行传输，而是将用户要发送的数据报分割为定长的一个个数据分组（包），并附上目的地

址（或标记），按顺序送分组交换网发送，分组交换可以采用两种不同方式来处理这些分组。

（1）报文传输分组交换

报文传输分组交换与报文交换相似，只是将每一分组都当成一个小报文来独立处理，故报文传

输分组交换中每个分组均带有目的地址。网络节点设备对每个分组都要根据网络拓扑和链路负

荷情况进行路由选择，因链路负荷是动态的，故一个数据报所包含的各分组，可能通过不同途

径到达目的地，分组到达终端的顺序也有可能被打乱，这时要求目的节点或终端负责将分组重

新排序、组装为报文。

（2）虚（逻辑）电路传输分组交换

虚电路传输分组交换要求在发送某一群分组前，建立一条双方终端间的虚电路。一旦虚电路建

立后，属同一数据报的所有分组均沿这条虚电路传输，通信结束后拆除该虚电路。通过拨号建

立的虚电路称为交换型虚电路（SVC）；固定连接的虚电路则称为永久型虚电路（PVC）。

虚电路传输分组交换类似电路交换，虚电路传输分组交换通过节点交换机将一段段虚链路连接

起来形成一条收发终端间的虚电路。虚电路的“虚”字意味着只有传送分组时才占有物理电路，

不传时则让给别的用户使用。这样在一条物理电路上用统计复用方式可同时建立若干条虚电

路，提高了线路的利用率。

电路交换与虚电路交换十分相似，都需要在通信前建立一条端到端的物理电路或虚电路，结束

通信后拆除这条电路，这种交换方式称为面向连接的交换方式。面向连接的交换方式往往需要

在相关连的一群分组头上附加一个标记，节点设备根据该标记进行交换接续。

在报文交换与报文传输分组交换中，交换途经的每个节点需要根据数据报或分组的目的地址重

新寻找最佳路由，通信双方在端对端之间并不存在物理或逻辑上的连接。因此也常将报文交换

和报文传输分组交换称为面向非连接的交换方式。为了与面向连接的节点交换设备相区别，一

般将面向无连接的节点设备称为路由器。

1.3基于 OSI 参考模型的分层交换机

根据国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互联参考模型（OSI-RM）。OSI 的下四层（物理

层、链路层、网络层和传输层）为通信层。通信层可根据层间通信协议进行计算机子网间的连

接。从交换就是选路与连接的概念引出了 1～4 层交换的新概念。

（1）一层、二层交换机

OSI 参考模型的第一层为物理层。该层建立在通信物理媒体上，故能够提供物理连接的交换机

应为一层交换机，传统的电路交换属一层交换范畴。

OSI 参考模型的第二层为链路层。第二层的链路是建立在第一层物理电路基础上的逻辑链路，

故按照链路层通信协议提供逻辑（虚）电路连接的交换机为二层交换机。建立在物理（MAC）

地址基础上面向连接的分组交换属第二层交换范畴。二层交换机包括 X.25、帧中继、以太

网、ATM 等节点交换机。

局域网交换机是一种第二层网络设备，它可理解网络协议的第二层如 MAC 地址等。交换机在

操作过程中不断的收集资料去建立它本身的地址表，这个表相当简单，主要标明某个 MAC 地

址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机接收到一个数据封包时，它会检查该封包的目的

MAC 地址，核对一下自己的地址表以决定从哪个端口发送出去。而不是象 HUB 那样，任何一

个发方数据都会出现在 HUB 的所有端口上(不管是否为你所需)。

局域网交换机的引入，使得网络站点间可独享带宽，消除了无谓的碰撞检测和出错重发，提高

了传输效率，在交换机中可并行的维护几个独立的、互不影响的通信进程。在交换网络环境

下，用户信息只在源节点与目的节点之间进行传送，其他节点是不可见的。但有一点例外，当

某一节点在网上发送广播或多目广播时，或某一节点发送了一个交换机不认识的 MAC 地址封

包时，交换机上的所有节点都将收到这一广播信息。不过，一般情况下，交换机提供基于端口

的源地址锁定功能，交换机不认识的 MAC 地址封包不会发送到一个源地址锁定的端口。

多个交换机互连(堆叠)形成了一个大的局域网，但不能有效的划分子网。广播风暴会使网络的

效率大打折扣。交换机的速度实在快，比路由器快的多，而且价格便宜的多。但第二层交换也

暴露出弱点：对广播风暴，异种网络互连，安全性控制等不能有效的解决。因此产生了交换机

上的虚拟网技术。

事实上一个虚拟网就是一个广播域。为了避免在大型交换机上进行的广播所引起的广播风暴，

可将其进一步划分为多个虚拟网。在一个虚拟网内，由一个工作站发出的信息只能发送到具有

相同虚拟网号的其他站点。其它虚拟网的成员收不到这些信息或广播帧。

随着应用的升级，网络规划/实施者可根据情况在交换式局域网环境下将用户划分在不同虚拟网

上。但是虚拟网之间通信是不允许的，这也包括地址解析(ARP)封包。要想通信就需要用路由

器桥接这些虚拟网。这就是虚拟网的问题：不用路由器是嫌它慢，用交换器速度快但不能解决

广播风暴问题，在交换器中采用虚拟网技术可以解决广播风暴问题，但又必须放置路由器来实

现虚拟网之间的互通。

（2）三层路由器

在计算机异构子网间，需要有工作在第三层的路由器进行第二层协议的转换与第三层协议的处

理。计算机同构子网的范围受到广播风暴的限制，需将广播域分割成若干部分，并采用路由器

将多个同构子网连成一个大网。目前，国际上最大的互联网为 Internet 网（IP 网），该网的

一、二层可以是任何物理媒质与计算机网络，而第三层统一采用 IP 协议。IP 面向无连接，每

个 IP 包都附有目的地址（IP 地址），路由器需要对每个 IP 包独立选路。节点路由器并不对节

点间提供物理上或逻辑上的连接，故工作在第三层的传统节点设备称为路由器而不称为第三层

交换机。

路由器的主要功能是实现路由选择与网络互连，即通过一定途径获知子网的拓扑信息与各物理

线路的网络特性，并通过一定的路由算法获得达到各子网的最佳路径，建立相应路由表，从而

将每个 IP 包跳到跳（hop to hop）传到目的地，其次它必须处理不同的链路协议。IP 包途经

每个路由器时，需经过排队、协议处理、寻址选路等软件处理环节，造成延时加大。同时路由

器采用共享总线方式，总的吞吐量受限，当用户数量增加时，每个用户的接人速率降低。

（3）三层交换机（多层交换机）

在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术方面已得到令人满意

的答案。但是，作为网络核心、起到网间互连作用的路由器技术却没有质的突破。传统的路由

器基于软件，协议复杂，与局域网速度相比，其数据传输的效率较低。但同时它又作为网段

(子网，虚拟网)互连的枢纽，这就使传统的路由器技术面临严峻的挑战。随着 Internet/

Intranet 的迅猛发展和 B/S(浏览器/服务器)计算模式的广泛应用，跨地域、跨网络的业务急剧

增长，业界和用户深感传统的路由器在网络中的瓶颈效应。改进传统的路由技术迫在眉睫。在

这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是第三层交换技术：说它是路由器，因为它可

操作在网络协议的第三层，是一种路由理解设备并可起到路由决定的作用；说它是交换器，是

因为它的速度极快，几乎达到第二层交换的速度。

一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有

机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。

如果利用三层交换机连接不同的以太网子网，实际的操作比较简单。

假设两个使用 IP 协议的站点通过第三层交换机进行通信的过程，发送站点 A 在开始发送时，

已知目的站的 IP 地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的 MAC 地址。要采用地址解析

(ARP)来确定目的站的 MAC 地址。发送站把自己的 IP 地址与目的站的 IP 地址比较，采用其软

件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的站是否与自己在同一子网内。若目的站 B 与发

送站 A 在同一子网内，A 广播一个 ARP 请求，B 返回其 MAC 地址，A 得到目的站点 B 的 MAC

地址后将这一地址缓存起来，并用此 MAC 地址封包转发数据，第二层交换模块查找 MAC 地址

表确定将数据包发向目的端口。若两个站点不在同一子网内，如发送站 A 要与目的站 C 通信，

发送站 A 要向"缺省网关"发出 ARP(地址解析)封包，而"缺省网关"的 IP 地址已经在系统软件中

设置。这个 IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。所以当发送站 A 对"缺省网

关"的 IP 地址广播出一个 ARP 请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站 B

的 MAC 地址，则向发送站 A 回复 B 的 MAC 地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的

站广播一个 ARP 请求，目的站 C 得到此 ARP 请求后向第三层交换模块回复其 MAC 地址，第

三层交换模块保存此地址并回复给发送站 A。以后，当再进行 A 与 C 之间数据包转发时，将用

最终的目的站点的 MAC 地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交

换。其指导思想为：一次路由，随后交换。而传统的路由器对每一个数据包都进行拆包、打包

的操作，限制了系统的带宽。

在此，第三层交换具有以下突出特点：有机的硬件结合使得数据交换加速；优化的路由软件使

得路由过程效率提高；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理；

多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，

保护了用户的投资。

当第三层交换用于异构子网之间的连接时，操作就要复杂得多，主要是涉及到不同链路层协议

的转换。在此，第三层均使用 IP 协议，交换机对于接收到的任何一个数据包(包括广播包在

内)，都要将该数据包第二层(数据链路层)的信息去掉，得到一个 IP 的数据包，再根据 IP 地址

进行从源端到目的端的交换，到达目的端后，再根据目的端的链路层协议打包。比较耗费资源

的链路层拆包、打包工作可以由 ASIC 电路完成。

标记交换（tag switching）是 Cisco 公司提出的一种多层交换技术。标记交换将二层交换与

三层路由相结合，是一种 IP 包的高速转发技术。标记交换包含控制部分和转发部分。其控制功

能由工作在三层的网络边缘路由器完成；转发功能则由一种简单的标记交换机完成。边缘路由

器在 IP 流到达时完成对一组 IP 包最佳路由路径的选择和标记的捆绑。

标记交换工作过程是：系统边缘路由器将输入链路帧的 IP 地址映射为简单的标记，然后将帧转

化为捆绑了标记的 ATM 信元并送入核心网络，在网络核心由支持标记交换的 ATM 交换机进行

标记交换，当消息传到目的地边缘路由器后，去掉信息中的标记，将 ATM 信元转换为帧，继

续送接收者。

标记交换采用定长、短小的标记作为索引，简化了转发过程，使转发过程可以直接由硬件实

现，其转发速率和吞吐量远高于传统的路由器。

IP 交换（IP Switch）是 Ipsilon 公司提出的另一种多层交换技术。IP 交换根据 IP 流的业务特

征（即端口号），对不同业务的 IP 流采用不同的路由方式。对持续时间长的 IP 流，如

HTTP（超文本传输协议）、 FTP（文件传输协议）等在 ATM 交换机中直接交换；而对业务量

小、持续时间短的 IP 流，如 DNS（域名业务）等则采用跳到跳的路由器传递方式，省去了

ATM 连接的附加开销，提高了短 IP 流的传输效率。IP 交换机同时具有交换和路由两种功能，

亦称为交换路由器。

（4）四层交换机

最近，某些网络公司宣称其交换机产品具有四层交换功能。对四层交换的说法目前颇有争

议。OSI 参考模型第四层为传输层，Internet 网上的传输层协议为 TCP 协议。TCP 协议运行

在 IP 协议之上，是面向连接的协议。而 IP 协议是面向无连接，不提供重发、顺序控制、确认

等功能，因此 Internet 网的可靠性管理、流量控制、顺序控制等任务都需要 TCP 完

成。Internet 网中的二层交换机和传统路由器将 TCP 报作为透明传输的协议数据单元

（PDU）而不作任何处理，故 TCP 面向端对端的连接。在出现四层交换之前，TCP 的处理一

般由主机完成。TCP 的作用是在终端中完成对 IP 流的重发、排序等处理，以便形成一份份完

整的 IP 报文上交应用层。

随着一些大型计算机网络的出现，联网设备逐步增多，例如有可能在同一 IP 地址下使用多台服

务器代替一台服务器，这就要求交换机具有向多个联网设备分配负荷的智能交换的能力。二、

三层交换机是无能为力的。从均匀负荷出发，某些文章提出了四层交换的概念，实际上，四层

即 TCP 层，交换即选路与连接。从层间交换的基本概念出发，四层交换机可以理解为利用

TCP 协议对相同 IP 地址的多个网络终端进行选路与连接的智能交换设备。

在 TCP 报头中为应用层协议如 FTP、Telnet、HTTP 等规定了整数标识符的端口号，并具有识

别应用数据流会话始与终的“SYN／FIN”标志位。利用端口号与应用会话标志位，四层交换完

全有能力从 IP 流中区分出各种业务类型的每一次会话。这样四层交换就可做到根据用户制定的

接入规则，将各类业务的 IP 报文均匀分配到各联网设备上。

基于端口地址完成端对端连接的四层交换除了可以做到均匀负荷外，还可对各种应用数据流提

供流量控制、带宽分配、优先级处理、安全授权等，以保证端到端数据通信的服务质量

（QoS）。

1.4虚拟局域网

所谓虚拟就是物理上不存在，而被认为或设定成存在。在计算机的各个领域中，无论是科学、

工业和商业，近年来“虚拟”这一词已经越来越广泛地被应用了，如“虚拟存储”、“虚拟功能”、“虚

拟网络”、“虚拟计算机”等等。“虚拟”这一词是从英语“virtual”翻译过来的，在计算机领域内，

所谓的虚拟系统除了必要的硬件外，更重要的是往往通过软件或固化了的软件即固件来实现

的。

1.4.1什么是虚拟网络

由于计算机网络的普遍存在，网上用户数逐年增加，网络规模不断扩大；微电子技术的发展，

计算机、工作站与服务器的性能提高，大量的应用程序需要越来越多的带宽；CAD／CAM 群

件的使用，使许多人员可同时在不同地点共同完成一个项目，新的应用不断涌现出来，消除瓶

颈、增加带宽、降低时延的要求逐渐突出。

一个机构的调整、人事的调动、必然引起设备和人员的移动，这会迫使网络改变物理连接。同

时网络管理人员还要重新对网络进行配置，增加了网络管理的复杂性。经常有某些特别工作组

为了特别的项目建立，完成任务后就解散，工作组的成员可以相距甚远，可是需要共享数据库

并协作作业，如同在一个局域网上一样。据统计，在一大型企业中，由于人员调动和调整，每

年有大约 40％的终端用户需要改变一次网络配置，因此需要寻找一种方法，既能满足用户对

带宽的要求，又能提供灵活的连接，虚拟网络技术应运而生。

虚拟局域网（VLAN）与传统的网络一样，也是由一个物理网络组成，它之所以“虚”，是因为同

一虚网内的用户不一定都连接在同一物理网段上，就是说同一虚网内的用户可以在同一大楼不

同的办公室内，也可以在不同的大楼内甚至可以在不同城市工作。是通过软件依照一定的规则

动态地建立的，不依赖于物理位置的逻辑工作组的互连体系。

1.4.2VLAN 的模型、特点与基础

1.4.2.1VLAN 的模型

一个 VLAN 就是一个逻辑工作组，是一个独立的广播域，不管它是定义在一个局域网交换机上

还是分布在不同局域网交换机上。信息在同一虚网内像在一个独立网段内交换。交换机支持按

端口，IP 地址和协议定义 VLAN 的功能，因此，虚拟网络按基于应用和管理策略定义，VLAN

之间的信息路由采用分布式路由方案，由交换机提供的路由功能实现。

1.4.2.2VLAN 技术特点

（1）VLAN 的覆盖范围不受距离限制。例如 10Base-T 以太网集线器与站点之间的传输距离

为 100m，而 VLAN 的站点可位于城市的不同区域，或不同省份。

（2）VLAN 建立在交换网络的基础之上，交换设备包括以太网交换机、ATM 交换机、宽带路

由器等。

（3）VLAN 属于 OSI 参考模型中的第 2 层（数据链路层）技术，能充分发挥网络的优势，体

现交换网络高速、灵活、易管理等特性，VLAN 是交换网络的灵魂。

（4）VLAN 较普通网络有更好的网络安全性。在普通共享式网络中，安全性很难保证，因为

用户只要插入到一个活动端口就能访问网段，产生广播风暴。而 VLAN 能有效地防止网络的广

播风暴。

（5）借助于网络管理软件，网络管理者能轻松地配置和构建逻辑 VLAN，避免了构建复杂而

昂贵的物理网络，降低网络建设成本。

1.4.2.3交换是实现 VLAN 的基础

为扩展网络达到网间互连的目的，产生了交换机。交换机主要用于 ISO 开放系统互连模型的第

2 层，即数据链路层，通过交换将整个网络连接成一个平面图，而且这个平台可以扩展。不论

这个逻辑子网有多大，交换机都能提供子网内部终端之间的连接和通信。交换器的每个端口各

连一个共享式的网段，网段之间的通信通过交换机实现。在交换机内具有一个由单播地址

（MAC 地址）、网络设备接口以及交换机端口组成的 1-1-1 映射列表。进一步而言，通过对

交换机适当配置后，就有可能把某些网点限制在某些特定的端口上，也可将 HUB 上任何一个

端口分配到某个网段上，在物理上不需要作任何实际的改动工作，就可容易地将某个工作组的

某个工作站，从逻辑上划分到另外一个部门的工作组中。于是，一个实际意义的虚网就此在交

换机体系架构内产生。

通过 802.ID 生成树协议的计算和正常交换操作，交换机自动隔离单播数据流设置完交换机内

特定的多播过滤表后，真正的标准 VLAN 得以创建。国际标准的 VLAN 协议 IEEE802.1Q 经

过几年的修改已经成熟起来，各厂商在新一代的交换机中增加了对它的支持，使得 VLAN 技术

剩余21页未读，继续阅读

iiceman23

粉丝: 0
资源: 6

会员权益专享

以太网交换原理-以太网交换原理

评论0

会员权益专享

最新资源

以太网交换原理-以太网交换原理

评论0

以太网交换原理-简要介绍

以太网交换原理(比较详细,适合初学者)

以太网交换原理

以太网交换芯片工作原理

broadcom 以太网交换芯片培训

broadcom以太网交换芯片培训

以太网交换机二层交换原理

什么是交换式以太网？交换式以太网的工作原理是什么？

以太网如何连接s7-300

以太网交换基础 TCP/IP

rtl8316e以太网交换机原理图设计

ensp 以太网交换安全技术实验

瑞昱车载以太网交换器 (RTL9075AAD/RTL9072AAD)

试从多个方面比较共享式以太网和交换式以太网。

超低照度摄像机和计算机之间的以太网连接原理及优点

以太网交换机工作原理

共享式以太网和交换式以太网的区别是什么

交换以太网和共享以太网的区别与联系

phy以太网自动协商原理

交换式以太网和共享式以太网的区别

会员权益专享

最新资源