二层交换机讲解.docx
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二层交换机讲解
交换机
在了解局域网中的交换机（Switch）之前，不得不提及其上一代集线设备—集线器（Hub）。
交换机和集线器虽然都属于局域网集线设备，但两者的工作原理和性能差异很大。
集线器属于共享带宽设备。
集线器在接收到数据包以后不会检测数据类型和校验其正确性，也不具备判断数据包目标地址的功能，而只是简单地将数据包广播到所有端口。
例如一个带宽为10Mbps的8口集线器，其带宽将被8个端口共享使用。
交换机属于独享带宽设备。
交换机在接收到数据包以后首先将其进行存储，然后根据数据包头地址查找地址表，并将数据包发送到指定的端口。
例如一个带宽为100Mbps的48口交换机，其每个端口都享有独立的100Mbps带宽。
直通交换和存储转发是目前大部分交换机所采用的主流数据交换技术，采用哪种数据交换技术往往决定了交换机的性能高低。
低端交换机一般会采用直通交换方式，采用这种交换方式的交换机在接收到整个数据包之前就已经开始转发数据，从而有效减少了数据交换延时。
而存储转发方式则是在交换机接收到全部数据包之后再进行转发。
尽管交换延时较长，但这种交换方式能够检测数据包的正确性，并支持不同速率端口之间的数据交换，已经成为目前应用最为广泛的数据交换技术。
交换机与集线器的区别
技术的进步带动了交换机价格的迅速下降，普通用户也有能力去购买这样的设备，但是同早期的网络设备（主要是同集线器HUB的对比）相比较，它有什么优势呢？
这也是大多数用户所关心的问题。
下面就对两种实现结果相同、但是工作机理不同的设备：
交换机（Switch）和集线器（HUB）做一对比。
从工作现象看，它们都是通过多端口连接Ethernet的设备，可以将多个用户通过网络以星型结构连接起来，共享资源或交流数据。
但是细分它们的工作状态，却完全不同。
集线器的工作机理是广播（broadcast），无论是从哪一个端口接收到什么类型的信包，都以广播的形式将信包发送给其余的所有端口，由连接在这些端口上的网卡（NIC）判断处理这些信息，符合的留下处理，否则丢弃掉，这样很容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响。
从它的工作状态看，HUB的执行效率比较低（将信包发送到了所有端口），安全性差（所有的网卡都能接收到，只是非目的地网卡丢弃了信包）。
而且一次只能处理一个信包，在多个端口同时出现信包的时候就出现碰撞，信包按照串行进行处理，不适合用于较大的网络主干中。
交换机的工作就完全不同，现在低端的交换机都是Layer2交换机，基于MAC地址进行交换。
它通过分析Ethernet包的包头信息（其中包含了原MAC地址、目标MAC地址、信息长度等），取得目标MAC地址后，查找交换机中存储的地址对照表（MAC地址对应的端口），确认具有此MAC地址的网卡连接在哪个端口上，然后仅将信包送到对应端口，有效的抑制广播风暴的产生。
这就是Switch同HUB最大的不同点。
而Switch内部转发信包的背板带宽也远大于端口带宽，因此信包处于并行状态，效率较高，可以满足大型网络环境大量数据并行处理的要求。
局域网交换机分类
●从传输介质和传输速度上看，局域网交换机可以分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等多种，这些交换机分别适用于以太网、快速以太网、FDDI、ATM和令牌环网等环境。
●按照最广泛的普通分类方法，局域网交换机可以分为桌面型交换机（DesktopSwitch）、组型交换机（WorkgroupSwitch）和校园网交换机（CampusSwitch）三类。
1．桌面型交换机是最常见的一种交换机，使用最广泛，尤其是在一般办公室、小型机房和业务受理较为集中的业务部门、多媒体制作中心、网站管理中心等部门。
在传输速度上，现代桌面型交换机大都提供多个具有10/100Mbps自适应能力的端口。
2．组型交换机即工作组交换机，常用来作为扩充设备，在桌面型交换机不能满足需求时，大多直接考虑组型交换机。
虽然组型交换机只有较少的端口数量，但却支持较多的MAC地址，并具有良好的扩充能力，端口的传输速度基本上为100Mbps。
3．校园网交换机，这种交换机应用相对较少，仅应用于大型网络，且一般作为网络的骨干交换机，并具有快速数据交换能力和全双工能力，可提供容错等智能特性，还支持扩充选项及第三层交换中的虚拟局域网（VLAN）等多种功能。
●根据架构特点，人们还将局域网交换机分为机架式、带扩展槽固定配置式、不带扩展槽固定配置式3种产品。
1．机架式交换机这是一种插槽式的交换机，这种交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型，如以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等，但价格较贵，高端交换机有不少采用机架式结构。
2．带扩展槽固定配置式交换机它是一种有固定端口数并带少量扩展槽的交换机，这种交换机在支持固定端口类型网络的基础上，还可以通过扩展其他网络类型模块来支持其他类型网络。
这类交换机的价格居中。
3．不带扩展槽固定配置式交换机这类交换机仅支持一种类型的网络（一般是以太网），可应用于小型企业或办公室环境下的局域网，价格最便宜，应用也最广泛。
局域网交换机常见技术指标
局域网交换机基本技术指标较多，这些技术指标全面反映了交换机的技术性能和功能，是用户选购产品时参考的重要数据来源。
其中比较重要的技术指标如下。
1．机架插槽数：
指机架式交换机所能安插的最大模块数。
2．扩展槽数：
指固定配置式带扩展槽交换机所能安插的最大模块数。
3．最大可堆叠数：
指可堆叠交换机的堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数目。
显然，此参数也说明了一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度与信息点连接能力。
4．支持的网络类型：
一般情况下，固定配置式不带扩展槽交换机仅支持一种类型的网络，机架式交换机和固定配置式带扩展槽交换机可支持一种以上类型的网络，如支持以太网、快速以太网、千兆以太网、ATM、令牌环及FDDI等。
一台交换机所支持的网络类型越多，其可用性和可扩展性将越强。
5．最大SONET端口数：
SONET（SynchronousOpticalNetwork，同步光传输网络）是一种高速同步传输网络规范，最大速率可达2.5Gbps。
一台交换机的最大SONET端口数是指这台交换机的最大下联的SONET接口数。
6．背板吞吐量：
背板吞吐最也称背板带宽，单位是每秒通过的数据包个数（pps），表示交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。
一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时成本也将会越高。
7．MAC地址表大小：
连接到局域网上的每个端口或设备都需要一个MAC地址，其他设备要用到此地址来定位特定的端口及更新路由表和数据结构。
一个设备的MAC地址表的大小反映了连接到该设备能支持的最大节点数。
8．支持的协议和标准：
局域网交换机所支持的协议和标准内容，直接决定了交换机的网络适应能力。
这些协议和标准一般是指由国际标准化组织所制定的联网规范和设备标准。
由于交换机工作在第二层或第三层上，工作中要涉及到第三层以下的各类协议，一般来讲，根据开放互联网络模型可进行如下分类。
（1）第一层（物理层）协议包括EIA/TIA-232、EIA/TIA-449、X.21和EIA530/EIA530A接口定义等，这些定义基本上决定了交换机上各物理接口的类型与作用。
（2）第二层（链路层）协议包括802.1d/SPT、802.1Q、802.1p及802.3x等。
（3）第三层（网络层）协议包括IP、IPX、RIP1/2、OSPF、BGP4、VRRP，以及组播协议等等。
局域网交换机选购要素
用户在选购局域网交换机时，应该主要考虑以下因素。
1、外型尺寸的选择
如果网络较大，或已完成楼宇级的综合布线，工程要求网络设备上机架集中管理，应选机架式组型交换机或者校园网交换机。
如果没有上述需求，桌面型的交换机具有更高的性能价格比。
2、可伸缩性
局域网交换机的可伸缩性是选择局域网交换机的一个重要问题。
可伸缩性好并非仅仅是产品拥有很多端口数量。
因为交换机应用最重要的事情之一，是确定其端口在什么情况下会出现拥塞。
所以用户需要考虑下面两个方面的问题。
（1）内部可伸缩性在2个堆叠的交换机之间，最大的可伸缩性是多少？
带宽的增长在交换机没有过载时，有多少个端口的传输速率可以从10Mbps提高到100Mbps.
（2）外部可伸缩性和交换机上联的最高速率有关。
例如，有1台24用户端口的可堆叠局域网交换机，假设这24个端口能传输的流量全都是10Mbps，并且该交换机上联的速率为1Gbps，因此，如果其中有8个端口的速率提高到100Mbps，就会导致上联的饱和。
因为8个端口的传输速率达到100Mbps时，总流量就是800Mbps。
而剩下的16个端口，每个端口速率为10Mbps，总共才160Mbps。
这样，24个端口流量总和为960Mbps。
说明这台交换机再也无法处理快速以太网的连接了，否则就会出现拥塞。
如果交换机上联的速率为2Gbps，则它最多只能处理19个快速以太网端口，否则就会发生拥塞。
所以，交换机的可伸缩性，直接决定了局域网各信息点传输速率的升级能力。
3、可管理性
对局域网交换机来说，在运行和管理方面所付出的代价，同样远远超过购买成本。
基于这方面考虑，可管理性已开始成为评定交换机的另一个关键因素。
一般来讲，交换机本身就具有一定的可管理性能，至于可堆叠式交换机还具有可以把几个所堆叠的交换机作为1台交换机来管理的优点，而不需要对每一台局域网交换机分别进行管理和监视。
需要注意的是，在可管理内容中包括了处理具有优先权流量的服务质量（QoS）、增强策略管理的能力、管理虚拟局域网流量的能力，以及配置和操作的难易程度。
其中QoS性能主要表现在保留所需要的带宽，从而支持不同服务级别的需求。
可管理性还涉及到交换机对策略的支持，策略是一组规则，它控制交换机工作。
网络管理员采用策略分配带宽，并对每个应用流量和控制网络访问指定优先级。
其重点是带宽管理策略，且必须满足服务级别协议SLA。
分布式策略是堆成组叠交换机的重要内容，应该检查可堆叠交换机是否支持目录管理功能，如轻型目录访问协议（LDAP），以提高交换机的可管理性。
4、端口带宽及类型
选择什么类型的局域网交换机，用户应首先应根据自己组网带宽需要决定，再从交换机端口带宽设计方面来考虑。
从端口带宽的配置看，目前市场上主要有以下三类。
第一种配置：
n×10M＋m×100M低快速端口专用型
一般骨干网的传输速率为100Mbps全双工，分支速率为10Mbps。
从技术角度看，这类配置的局域网交换机严格限制了网络的升级，用户无法实现高速多媒体网络，因此国内外厂商已基本停止生产这种产品。
第二种配置：
n×10/100Mbps端口自适应型
目前这种交换机是市场上的主流产品，因为它们有自动协商功能（AutoNegotiation），能够检测出其下联设备的带宽是100M还是10M，是全双工还是半双工。
当网卡与交换机相联时，如果网卡支持全双工，这条链路可以收发各占100M，实现200M的带宽，同样的情况可能出现在交换机到交换机的连接中，应用环境非常宽松。
第三种配置：
n×1000M＋m×100M高速端口专用型
与第一类交换机配置方式相似，所不同的是不仅带宽要多几个数量级，而且端口类型也完全不同。
采用这种配置方案的交换机，是当前高速网络和光纤网络接入方案中的重要设备，可彻底解决网络服务器之间的瓶颈问题。
如3Com公司的3C39024（1×1000SX＋24×10/100BaseTX）、3C39036（1×1000SX＋36×10/100BaseTX）千兆上联至服务器，解决了服务器到服务器的瓶颈问题。
但成本要远远高于前两类产品。
二层交换机
二层交换技术是发展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。
具体的工作流程如下：
（1）当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；
（2）再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；
（3）如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；
（4）如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。
不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。
从二层交换机的工作原理可以推知以下三点：
（1）由于交换机对多数端口的数据进行同时交换，这就要求具有很宽的交换总线带宽，如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是M，交换机总线带宽超过N×M，那么这交换机就可以实现线速交换；
（2）学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小（一般两种表示方式：
一为BEFFERRAM，一为MAC表项数值），地址表大小影响交换机的接入容量；
（3）还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC（ApplicationspecificIntegratedCircuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。
由于各个厂家采用ASIC不同，直接影响产品性能。
以上三点也是评判二三层交换机性能优劣的主要技术参数，这一点请大家在考虑设备选型时注意比较。
（二）路由技术
路由器工作在OSI模型的第三层---网络层操作，其工作模式与二层交换相似，但路由器工作在第三层，这个区别决定了路由和交换在传递包时使用不同的控制信息，实现功能的方式就不同。
工作原理是在路由器的内部也有一个表，这个表所标示的是如果要去某一个地方，下一步应该向那里走，如果能从路由表中找到数据包下一步往那里走，把链路层信息加上转发出去；如果不能知道下一步走向那里，则将此包丢弃，然后返回一个信息交给源地址。
路由技术实质上来说不过两种功能：
决定最优路由和转发数据包。
路由表中写入各种信息，由路由算法计算出到达目的地址的最佳路径，然后由相对简单直接的转发机制发送数据包。
接受数据的下一台路由器依照相同的工作方式继续转发，依次类推，直到数据包到达目的路由器。
有两种方法来实现路由更新:
1.距离矢量路由协议
在所有的动态路由协议中，最简单的就是距离矢量路由协议（D-V）。
它使用的是最简单的距离矢量（Distance-Vector，简称D-V）路由算法。
算法模型如图1所示。
距离矢量算法通过上述方法累加网络距离，并维护网络拓扑信息数据库。
距离矢量协议定期直接传送各自路由表的所有信息给邻居（RIP协议默认是30秒）。
网络中的路由器从自己的邻居路由器得到路由信息，并将这些路由信息连同自己的本地路由信息发送给其他邻居，这样一级一级地传递下去以达到全网同步。
每个路由器都不了解整个网络拓扑，它们只知道与自己直接相连的网络情况，并根据从邻居得到的路由信息更新自己的路由表。
它所有的信息都靠道听途说，它相信所有邻居告诉它的所有信息，只在这些邻居中选择最优的来采用，类似于“传话”这个游戏。
环路的补救与避免
1．定义最大值
如上所述，发生路由环路时，路由器去往网络11.4.0.0的跳数会不断增大，网络无法收敛。
为解决这个问题，我们给跳数定义一个最大值，在RIP路由协议中，允许跳数最大值为16，当跳数到达最大值时，网络11.4.0.0被认为是不可达的，路由器会在路由表中显示网络不可达信息，并不再更新到达网络11.4.0.0的路由。
通过定义最大值，距离矢量路由协议可以解决发生环路时路由权值无限增大的问题，同时也校正了错误的路由信息。
但是，在最大权值到达之前，路由环路还是会存在。
也就是说，这个方案只是补救措施，不能避免环路产生，只能减轻路由环路产生的危害。
2．水平分割
水平分割是在距离矢量路由协议中最常用的避免环路发生的解决方案之一。
分析产生路由环路的原因，其中一条就是因为路由器将从某个邻居学到的路由信息又告诉了这个邻居。
水平分割的思想就是在路由信息传送过程中，不再把路由信息发送给接收此路由信息的接口上。
3．路由中毒和抑制时间
路由中毒和抑制时间结合起来，也可以在一定程度上避免路由环路产生，同时也可以抑制因复位接口等原因引起的网络动荡。
这种方法在网络故障或接口复位时，使相应路由中毒，同时启动抑制时间，控制路由器在抑制时间内不要轻易更新自己的路由表，从而避免环路产生、抑制网络动荡。
4．触发更新
触发更新机制是在路由信息产生某些改变时，立即发送给相邻路由器一种称为触发更新的信息。
路由器检测到网络拓扑变化，立即依次发送触发更新信息给相邻路由器，如果每个路由器都这样做，这个更新会很快传播到整个网络。
在图5中，当网络11.4.0.0不可达了，路由器C立即通告网络11.4.0.0不可达信息，路由器B接收到这个信息，就从S0口发出网络11.4.0.0不可达信息，依次路由器A从E0口通告此信息。
从以上叙述可以看出，使用触发更新方法能够在一定程度上避免路由环路发生。
但是，仍然存在两个问题：
（1）包含有更新信息的数据包可能会被丢掉或损坏。
（2）如果触发更新信息还没有来得及发送，路由器就接收到相邻路由器的周期性路由更新信息，使路由器更新了错误的路由信息。
为解决以上的问题，我们可以将抑制时间和触发更新相结合。
抑制时间方法有一个规则就是当到某一目的网络的路径出现故障，在一定时间内，路由器不会轻易接收到这一目的网络的路径信息。
因此，将抑制时间和触发更新相结合，就可以确保触发信息有足够的时间在网络中传播。
在多路径的情况下，要综合使用这几种方案才能在一定程度上解决环路问题。
距离矢量协议无论是实现还是管理都比较简单，但是它的收敛速度慢，报文量大，占用较多网络开销，并且为避免路由环路需要做各种特殊处理
2.链路状态路由协议
是目前使用最广的一类域内路由协议。
它采用一种“拼图”的设计策略，即每个路由器将它到其周围邻居的链路状态向全网的其他路由器进行广播。
这样，一个路由器收到从网络中其他路由器发送过来的路由信息后，它对这些链路状态进行拼装，最终生成一个全网的拓扑视图，近而可以通过最短路径算法来计算它到别的路由器的最短路径。
链路状态路由选择协议的目的是映射互连网络的拓扑结构。
每个链路状态路由器提供关
于它邻居的拓扑结构的信息。
这包括：
•路由器所连接的网段（链路）。
•那些链路的情况（状态）。
这个信息在网络上泛洪，目的是所有的路由器可以接收到第1手信息。
链路状态路由器并不会广播包含在它们的路由表内的所有信息。
相反，链路状态路由器将发送关于已经改动的路由的信息。
链路状态路由器将向它们的邻居发送呼叫消息，这称为链路状态数据包（LSP）或者链路状态通告（LSA）。
然后，邻居将LSP复制到它们的路由选择表中，并传递那个信息到网络的剩余部分。
这个过程称为泛洪（flooding）。
它的结果是向网络发送第1手信息，为网络建立更新路由的准确映射。
链路状态路由选择协议使用称为代价的方法，而不是使用跳。
代价是自动或人工赋值的。
根据链路状态协议的算法，代价可以计算数据包必须穿越的跳数目、链路带宽、链路上的当前负载，或者甚至其他由管理员加入的权重来评价。
1）当一个链路状态路由器进入链路状态互连网络时，它发送一个呼叫数据包，以了解其邻居。
2）邻居用关于它们所连接的链路以及相关的代价度的信息进行应答。
3）起始的路由器用这个信息来建立它的路由选择表。
4）然后，作为定期更新的一部分。
路由器向它的邻居发送链路状态数据包。
这个LSP包括了那个路由器的链路及相关代价。
5）每个邻居赋值数据包，并且将LSP传递到下一个邻居。
这个过程称为泛洪。
6）因为路由器并没有在向前泛洪LSP之前重新计算路由选择数据库，聚合时间减少了。
链路状态路由选择协议的一个主要优点就是这样的一个事实，即路由选择循环不可能形成，原因是链路状态协议建立它们自己的路由选择信息表的方式。
第2个优点是，在链路状态互连网络中聚合是非常快的，原因是一旦路由选择拓扑出现变动，则更新在互连网络上迅速泛洪。
这些优点又释放了路由器的资源，因为对不好的路由信息所花费的处理能力和带宽消耗都很少。
维护路由器区域的链路状态数据库将在路由器上加入RAM负担。
类似的是，
Dijkstra算法不得不在每次路由改变的时候运行；这在所有的路由器上加重了CPU的负担。
Dijkstra算法首先是最短的路径，在这里对路径长度的迭代确定了最短的路径生成树。
由于路由器需要做大量的路径计算工作，一般处理器的工作能力直接决定其性能的优劣。
当然这一判断还是对中低端路由器而言，因为高端路由器往往采用分布式处理系统体系设计。
三层交换机
三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。
对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而象路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。
应用背景
出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。
单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。
基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，且价格相对便宜些。
在企业网和教学网中，一般会将三层交换机用在网络的核心层，用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。
不过应清醒认识到三层交换机出现最重要的目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具备的路由功能也多是围绕这一目的而展开的，所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。
毕竟在安全、协议支持等方面还有许多欠缺，并不能完全取代路由器工作。
在实际应用过程中，典型的做法是：
处于同一个局域网中的各个子网的互联以及局域网中VLAN间的路由，用三层交换机来代替路由器，而只有局域网与公网互联之间要实现跨地域的网络访问时，才通过专业路由器。
三层交换机工作原理
三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。
传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。
三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。
众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行*作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
简单地说，三层交换技术就是：
二层交换技术＋三层转发技术。
三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面
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