20经济管理 信管局域网交换机体系结构大学毕设论文.docx

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20经济管理信管局域网交换机体系结构大学毕设论文

毕业设计（论文）

外文翻译

论文题目：

局域网交换机体系结构

系部名称：

经济管理系专业班级：

信管053班

2009年3月16日

局域网交换机体系结构

本章将介绍所有交换机生产厂商都遵守的局域网交换技术的一些基本概念。

本章首先介绍交换机如何接受数据。

随后，本章介绍保证高效数据交换的一些机制。

最后，本章介绍如何将数据转发给目标。

这些概念并非Cisco交换机所特有的，而是在查看局域网交换机功能的时候，对所有交换机产品都适用的。

1.数据接收----交换模式

在局域网交换中，根据交换机功能的不同，第一步就是从发送设备或主机接收帧或分组。

对于仅在OSI模型的第2层进行转发决策的交换机，它们将数据看作帧。

而对于在OSI模型的第3层或者更高层进行转发决策的交换机，它们将数据看作分组。

本章首先从第2层的角度来研究交换机。

根据具体型号的不同，交换机在数据交换之前所存储和检查的桢数目也存在一定差异。

Catalyst交换机攴持下述三种交换模式:

·直通模式；

·碎片隔离模式；

·存储转发模式。

上述3种交换模式的区别在于交换机在制定转发决策之前所接收和检查的帧数目。

下面将详细讨论每种交换模式。

1.1直通模式

如果交换机工作在直通模式，那么它将只接收和检查帧的的前6个字节。

这6个字节代表了帧的日标MAC地址,交换机利用这些信息足以做出转发决策。

尽管直通交换能够在数据传送的时候提供最低的延迟,但却容易传送以太网碰撞所产生的碎片、残帧（runt）或受损帧。

1.2碎片隔离模式

如呆交换机工作在碎片隔离模式,那么它将接收和检查全帧的前64个字节。

在某些CiscoCatalyst交换机的文档中,碎片隔离又称为“快速转发”模式。

为什么交换机检查帧的前64个字节呢?

因为在设计良好的以太网网络中,碰撞碎片必须在前64字节中检测出来。

1.3存储转发模式

如果交换机工作在存储转发模式,那么它将接收和检查整帧,因此它是错误率最低的交换模式。

由于采用速度更快的处理器和ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit，专用集成电路），交换机不必支持直通交换机和碎片隔离交换，因此，所有新型的CiscoCatalyst交换机都采用存储转发交换。

图2-1比较各种交换模式之间的区别。

图2-1交换模式

2.数据交换

无论交换机需要检查帧的多少字节，帧最终都将由输入或入站端口交换到单个或多个输出和出站端口。

交换矩阵（switchfabric）是交换机通信信道的一个常用术语,它可以在交换机内部传送帧、承载转发决策信虑、和转送管理信息。

Catalyst交换机中的交换矩阵可以看作汽车中的传动装置，在汽车中,传动装置负责将引擎的动力传递给汽车轮子；在Catalyst交换机中，交换矩阵负责将输入或入站端口的帧转送给单个或多个输出和出站端口。

无论具体型号如何，也无论何时产生新的交换平台,所有文档都会将“传动装置”作为交换矩阵。

尽管CiscoCatalyst平台已经采用多种技术来实现交换矩阵，但以下两种体系结构的交换矩阵最为常见：

·共享总线；

·交叉矩阵。

2.1共享总线交换

在共享总线的体系结构中，交换机的所有线路模块都共享1个数据通路。

中央仲裁器决定何时授予各线路卡访问总线的请求。

根据交换机配置的情况，仲裁器能够使用多种公平方法。

共享总线体系结构非常类似于机场票务柜台前的多个队列，但任何时候仅有1个票务代理处理客户请求。

图2-2举例说明帧进入交换机时的循环服务过程。

如果希望根据帧的接收顺序进行服务，那么循环是最简单的方法。

为了能够给特定通信流量提供优先级服务，当前的Catalyst交换平台（例如Catalyst6500）能够支持各种各样的QoS（QuanlityOfService，服务质量）特性。

图2-2循环服务顺序

图2-3说明了共享总线体系结构中将接收端口或入口处的帧移动到发送端口或出口的基本原理,其中各步骤说明如下。

1.接收源自主机1的帧----交换机的入站端口接受源自主机1的整帧，并且将其存储到接受缓冲区中。

端口根据帧的FCS（FrameCheckSequence，帧检验序列）进行错误检测。

如果帧存在缺陷（例如残帧、碎片、无效CRC或者巨型帧），那么端口将丢弃该帧，并且将增加相关计数器的数值。

2.请求访问数据总线----包含转发决策所需要的信息报头将被添加到帧中，然后线路卡请求在数据总线上发送帧的访问权限或者许可权限。

图2-3共享总线中的帧流

3.将帧发送到数据总线----在中央仲裁器授予访问权限之后,帧将被发送到数据总线上。

4.所有端口接收到帧----在共享总线体系结构中，所有端口都将同时接收每个发送帧。

此外，负责转发决策的硬件也将接收到帧。

5.交换机决定哪个端口应当发送帧----第2步骤中添加到帧中的信息可用于确定哪些端口应当发送帧。

在某些情况下，对于具有未知目标MAC地址的帧或者广播帧，交换机将向除帧接收端口之外的所有端口发送帧。

6.端口发送帧,其余端口丢弃该帧----根据第5步骤中的决策，某个特定端口或者某些端口被告知发送帧，而其余端口则被告知丢弃或者清空帧。

7.出站端口将帧发送到主机2----在这个示例中，假定交换机知道主机2的位置，并且仅在连接到主机2的端口发送帧。

共享总线体系结构的优势之一在于每个端口（入站端口除外）都将自动接收帧的副本，也就易于实现组播和广播流量，而无需复制各个端口的帧。

2.2交叉矩阵交换

在共享总线体系结构示例中，共享数据总线的速度决定了交换机的流量处理总容量。

因为总线采用共享访问的方式，所以线路卡必须等待时机才能进行通信，这严重限制了总带宽。

为了克服共享数据总线体系结构所产生的限制，解决方案是采用交叉交换矩阵，如图2-4所示。

对于不同的交换机平台，术语交叉矩阵意味着不同的内容，但基本都指线路卡之间能够同时使用多个数据信道或者通路。

图2-4交叉交换矩阵

在CiscoCatalyst5500系列（Cisco公司最早采用交叉矩阵体系结构的产品之一）交换机产品中，总共实现3条独立的1.2Gbit/s数据总线，新型的Catalyst5500系列线路卡具有必要的连接器针脚，她们能够同时连接到这3条数据总线，进而能够充分利用3.6Gbit/s的总带宽。

通过仅连接到3条数据总线中的1条数据总线，老式的CiscoCatalyst5500系列线路卡仍然能够兼容CiscoCatalyst5500系列。

在CiscoCatalyst5500平台中，吉比特以太网线路卡要求访问所有3条数据总线。

在CiscoCatalyst6500系列交换机中，SFM（SwitchFabricModule，交换矩阵模块）和SFM2（SwitchFabricModule2，交换矩阵模块2）能够支持交叉矩阵。

通过到交叉交换矩阵的16个独立的8Gbit/s连接，SFM能够向线路卡提供128Gbit/s的带宽（256Gbit/s全双工）。

新型SFM2用于支持Catalyst6513（13插槽的机箱），并且对SFM进行了体系结构方面的优化。

3.数据缓冲

在共享数据体系结构传送帧之前，帧必须等待中央仲裁器的处理安排。

此外，交叉交换矩阵发生拥塞，也可能会延迟帧的处理。

基于上述原因，在传送帧之前，必须对其进行缓冲处理。

如果没有有效的缓冲机制，那么当出现流景过量或发牛拥塞的时候,帧被丢弃的可能性就非常高。

如果发往端口的流量超过了它所能发送的流量,那么就需要使用缓冲。

出现下述情况的时候，就需要使用缓冲：

·入口和出站端口的速度不匹配；

·多个输入端口共同向单个输出端口提供流景；

·输出端口发生半双工碰撞；

·上述几种情况的组合。

为了防止丢弃帧,Catalyst交换机通常采用下述两种内存管理方式：

·端口缓冲内存；

·共享内存。

3.1端口缓冲内存

通过采用端口缓冲内存，交换机（例如Catalyst5500）能够为每个以太网端口提供一定数量的高速内存，这些内存可用于帧发送之前的帧缓冲。

端口缓冲内存的不足之处，在于如果端口的缓冲已经用尽，那么就会发生丢弃帧的情况。

为了最大限度利用缓冲的优势，方法之一是采用灵活的缓冲区尺寸。

Catalyst5500以太网线路卡端口的缓冲内存就是非常灵活的，并且能够创建各种尺寸的帧缓冲区，进而充分利用可用的缓冲区内存。

对于采用SAINTASIC的Catalyst5000以太网卡，每个端口包含192KB的缓冲区内存，其中24KB用于接收或者输入缓冲区，而168KB用于发送或者输出缓冲区。

通过使用168KB的发送缓冲区，每个端口最多能够创建2500个64字节的缓冲区。

因为大多数缓冲区都用语输出队列，所以Catalyst5000家族交换机已经减轻线端阻塞的问题。

图2-5举例说明端口缓冲内存的情况。

3.2共享内存

在最早的Cisco交换机产品中，某些产品使用共享内存设计进行端口缓冲。

对于采用共享内存体系结构的交换机，所有端口能够同时以共享帧或者分组缓冲区的形式访问内存。

所有的入口帧都被存储到共享内存“池”中，并且一直保存到出站端口准备发送帧为止。

交换机以缓冲区的形式动态地分配共享内存，为接收大量入口流量的端口分配足够的缓冲区，并且不会为空闲端口分配不必要的缓冲区。

图2-5端口缓冲内存

Catalyst1200系列交换机是一款早期的共享内存交换机产品。

Catalyst1200能够支持以太网和FDDI，并且具有4MB的共享分组DRAM（DynamicRandom-AccessMemory，动态随机访问内存）。

分组采用FIFO（firstin，firstout，先入先出）的处理方式。

在采用共享内存体系结构的交换机中，Catalyst4000和Catalyst4500系列交换机是比较新的一些产品。

对于采用Supervisor1的Catalyst4000系列，它采用8MB的SRAM（StaticRandom-AccessMemory，静态随机访问内存）作为动态帧缓冲区。

中央处理器或者ASIC负责帧交换，并且在交换之前将把帧存储到分组缓冲区内。

Catalyst4500SupervisorIV采用16MB的SRAM用于分组缓冲区。

共享内存缓冲区尺寸可能取决于平台，但大多数情况下在64字节到256字节的范围内进行分配。

图2-6举例说明输入帧在被交换引擎交换之前如何存储到共享内存（以64字节为单位）中。

4.过度预定交换矩阵

交换机制造商喜欢使用术语无阻塞米表明连接到交换矩阵的交换端口能够达到线速。

例如，对于8端口吉比特以太网模块，为了似的端口能够达到无阻塞的状态，那么就要求交换矩阵必须支持8Gbit/s的带宽。

除最高端交换平台和配置之外，所有交换产品都可能发生过度预定交换矩阵的情况。

根据应用情况的不同，过度预定的端口可能存在问题，也可能不存在问题。

例如，对于48端口的10/100/1000吉比特以太网模块，如果所有端口都工作在1Gbit/s，那么就需要交换矩阵支持48Gbit/s的带宽。

如果大部分或者全部端口都连接到高速文件服务器，而这些文件服务器会产生稳定的通信流，那么单个线路模块就会超过整个交换矩阵的带宽。

如果所有模块都连接到带宽要求不高的终端用户工作站，即使某个线路卡过度预定交换矩阵，那么也不会显著影响性能。

图2-6共享内存体系结构

根据具体的带宽需求情况，Cisco在各种平台上提供了无阻塞和阻塞等两种配置。

为了确定交换矩阵的总连接带宽，请查看各种平台和线路卡的技术指标。

5.拥塞和线端阻塞

对于等待传送的流量，如呆它们阻碍或者阻塞了去往其他目标的流量被传送，那么就发生线端阻寨。

线端阻塞大多发生在多个高速数据源向相同目标发送流量灼的情况。

在早期的共享总线环境中，中央仲裁器采用循环服务的方法在不同的线路卡之间移动流量。

每个线路卡上的端口通过本地仲裁器来请求发送流量。

为了获得交换总线的访问，每个线路卡的本地仲裁器都必须等待中央仲裁器的分配次序。

一旦发送线路卡获得访问权限,在能够为线路中的下一个请求提供服务之前，中央仲裁器不得不等待接收线路卡完整地接收帧。

这种情况与在银行中进行巾进行存款的情形存在一定的相似性：

l名出纳员向多个客户提供服务，但接收服务的客户正在办理复杂的业务，那么其他客户就必须等待。

如图2-7所示，流量发生器能够产生拥塞现象。

流量发生器的端口1连接到交换机的端口1，并且向交换机的端口3和端口4发送50%速率的流量。

流量发生器的端口2连接到交换机的端口2，并且向交换机的端口4发送100%速率的流量。

因为交换机需要发送流量为端口转发能力的150%，所以交换端口4所转发的流量就会产生拥塞。

如果没有适当的缓冲和转发算法，那么交换端口3所转发的流量就将等待，并且一直等到端口4的拥塞消除为止。

图2-7线端阻塞

在使用交叉交换矩阵的情况下，因为很多线路卡都和交换矩阵之间具有高速连接，所以也可能发生线端阻塞。

对于已经处于繁忙状态的线路卡，如果多个线路卡试图与其建立连接，那么它们就必须等待接收线路卡处于空闲状态。

在这种情况下，发往其他非忙状态线路卡的数据将会被线端的帧所阻塞。

Catalyst交换机采用多种技术来避免线端阻塞，例如采用每端口缓冲。

每个端口都维护1个小的入口缓冲区和1个大的出口缓冲区。

在发生拥塞期间，大的输出缓冲区（64KB到512KB共享内存）允许对准备发送的帧进行排队。

在正常工作的情况下，因为交换总线能够以非常高的速度为帧提供服务，所以只需要小的输入队列。

除了能够在拥塞期间进行排队，很多型号的Catalyst交换机都能够将帧分隔到不同的输入和输出队列中，进而可以为某些敏感流量（例如语音）提供更高优先级的待遇或者优先级排队。

6.数据转发

无论交换矩阵类型如何，交换机都必须决定哪些端口转发帧和哪些端口应当清空或者丢弃帧。

决策的参考依据可以是第2层信息（源/目标MAC地址）或其他一些信息（例如第3层IP信息和第4层端口信息）。

每种交换平台都支持各种类型负责智能交换决策的ASIC。

每台Catalyst交换机都会为每个分组创建报头或者标签，并且以该报头或者标签作为转发决策的基础。

7．总结

在优化数据交换方面，尽管存在多种不同的方法，但它们的核心概念却是紧密相关的。

为了获得高速交换的解决方案，根据具体平台的不同，CiscoCatalyst交换机产品线注重使用共享总线、交叉交换矩阵和两种技术的结合。

为了降低阻塞和避免线端阻塞，高速交换ASIC使用了共享和每端口缓冲区技术。

本文摘自CiscoLANSwitchingFundamentals，DavidBarns,BasirSakandar[著]

LANSwitchArchitecture

ThischapterintroducesmanyoftheconceptsbehindLANswitchingcommontoallswitchvendors.Thechapterbeginsbylookingathowdataarereceivedbyaswitch,followedbymechanismsusedtoswitchdataasefficientlyaspossible,andconcludeswithforwardingdatatowardtheirdestinations.TheseconceptsarenotspecifictoCiscoandarevalidwhenexaminingthecapabilitiesofanyLANswitch.

1.ReceivingData—SwitchingModes

ThefirststepinLANswitchingisreceivingtheframeorpacket,dependingonthecapabilitiesoftheswitch,fromthetransmittingdeviceorhost.SwitchesmakingforwardingdecisionsonlyatLayer2oftheOSImodelrefertodataasframes,whileswitchesmakingforwardingdecisionsatLayer3andaboverefertodataaspackets.Thischapter'sexaminationofswitchingbeginsfromaLayer2pointofview.Dependingonthemodel,varyingamountsofeachframearestoredandexaminedbeforebeingswitched.

ThreetypesofswitchingmodeshavebeensupportedonCatalystswitches:

·Cutthrough

·Fragmentfree

·Storeandforward

Thesethreeswitchingmodesdifferinhowmuchoftheframeisreceivedandexaminedbytheswitchbeforeaforwardingdecisionismade.Thenextsectionsdescribeeachmodeindetail.

1.1Cut-ThroughMode

Switchesoperatingincut-throughmodereceiveandexamineonlythefirst6bytesofaframe.Thesefirst6bytesrepresentthedestinationMACaddressoftheframe,whichissufficientinformationtomakeaforwardingdecision.Althoughcut-throughswitchingofferstheleastlatencywhentransmittingframes,itissusceptibletotransmittingfragmentscreatedviaEthernetcollisions,runts（frameslessthan64bytes）,ordamagedframes.

1.2Fragment-FreeMode

Switchesoperatinginfragment-freemodereceiveandexaminethefirst64bytesofframe.Fragmentfreeisreferredtoas"fastforward"modeinsomeCiscoCatalystdocumentation.Whyexamine64bytes?

InaproperlydesignedEthernetnetwork,collisionfragmentsmustbedetectedinthefirst64bytes.

1.3Store-and-ForwardMode

Switchesoperatinginstore-and-forwardmodereceiveandexaminetheentireframe,resultinginthemosterror-freetypeofswitching.

Asswitchesutilizingfasterprocessorandapplication-specificintegratedcircuits（ASICs）wereintroduced,theneedtosupportcut-throughandfragment-freeswitchingwasnolongernecessary.Asaresult,allnewCiscoCatalystswitchesutilizestore-and-forwardswitching.

Figure2-1compareseachoftheswitchingmodes.

Figure2-1.SwitchingModes

2.SwitchingData

Regardlessofhowmanybytesofeachframeareexaminedbytheswitch,theframemusteventuallybeswitchedfromtheinputoringressporttooneormoreoutputoregressports.Aswitchfabricisageneraltermforthecommunicationchannelsusedbytheswitchtotransportframes,carryforwardingdecisioninformation,andrelaymanagementinformationthroughouttheswitch.AcomparisoncouldbemadebetweentheswitchingfabricinaCatalystswitchandatransmissiononanautomobile.Inanautomobile,thetransmissionisresponsibleforrelayingpowerfromtheenginetothewheelsofthecar.InaCatalystswitch,theswitchfabricisresponsibleforrelayingframesfromaninputoringressporttooneormoreoutputoregressports.Regardlessofmodel,wheneveranewswitchingplatformisintroduced,thedocumentationwillgenerallyrefertothe"transmission"astheswitchingfabric.

AlthoughavarietyoftechniqueshavebeenusedtoimplementswitchingfabricsonCiscoCatalystplatforms,twomajorarchitecturesofswitchfabricsarecommon:

·Sharedbus

·Crossbar

2.1SharedBusSwitching