现代通信技术课程5

1、3、 MAC与交换机原理与交换机原理 2.1 交换机原理基础交换机原理基础 2.2 交换机性能分析交换机性能分析 2.3 CSMA技术及分析技术及分析现代通信技术课程现代通信技术课程主讲：宋梁，主讲：宋梁，LSONGIEEE.ORGLSONGIEEE.ORGQQQQ群：群：3149458742015-20162015-2016本堂内容本堂内容交换机概述交换机概述交换机功能交换机功能交换机概述交换机概述交换机是工作于 OSI 的第 2 层，即数据链路层的设备，能识别MAC 地址，通过解析数据帧中的目的主机的 MAC 地址，能将数据帧快速地从源端口转发至目的端口，从而避免与其他端口发生碰撞，提高了

2、网络的交换和传输速度。 3 层交换机是带路由功能的交换机，可工作在 OSI 的第 3 层，即网络层，也可工作在第 2 层。3 层交换机作为 3 层设备使用时相当于一个多端口的路由器。3 层交换机能根据 IP 地址转发数据包。交换机工作原理交换机工作原理交换机的性能指标交换机的性能指标Mpps Million Packet Per Second的缩写，即每秒可转发多少个百万数据包。其值越大，交换机的交换处理速度也就越快。背板带宽 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。它直接影响交换机包转发和数据流处理能力。交换机的功能指标交换机的功能指标组播不同于单播（点对点通信）和广播，它

3、可以跨网段将数据发给网络中的一组节点，在视频点播、视频会议、多媒体通讯中应用较多。1. 1. 支持组播支持组播 交换机的功能指标交换机的功能指标 QoS 是Quality of Service（服务质量）的缩写。QoS 机制能够识别通过交换机的数据包的特征，并根据这些特征采取不同的传输策略，对于多媒体传输意义很重大。利用 QoS 可以给不同的应用程序分配不同的带宽。 2.2.支持支持 QoS QoS 交换机的功能指标交换机的功能指标 在某些情况下，3 层交换机需要转发广播包，比如DHCP 客户机发送的 BootP 广播包，但是不能任由广播包任意广播，而是在广播包超过一定数量的时候能加以限制。

4、因此，交换机应具备广播抑制功能。 3.3.广播广播抑制功能抑制功能 DHCP 客户机交换机的功能指标交换机的功能指标端口聚合是指将若干个端口聚合捆绑在一起，形成一个逻辑端口。通过端口聚合，可成倍提高端口的通信速度。 4.4.支持支持端口聚合功能端口聚合功能 交换机的功能指标交换机的功能指标 IEEE 802.1q协议和ISL 协议是trunk 链路打包封装协议， 以实现跨交换机的VLAN。目前的交换机一般均支持 802.1q 协议。ISL 协议是Cisco 交换机特有的类似功能的协议。 5.5.支持支持802.1q 802.1q 协议或协议或ISL ISL 协议协议 交换机的功能指标交换机的功

5、能指标 IEEE 802.1d协议也即生成树协议。在大型网络中，为提高网络的可靠性，往往采用冗余链路的方式保证网络的连通，为防止网络出现环路，必须运行生成树协议。此时交换机就必须支持该协议。 6.6.支持支持802.1d 802.1d 协议协议 交换机的功能指标交换机的功能指标IPIPIPXIPX7.7.支持支持的协议的协议 交换机的性能指标交换机的性能指标8.8.支持支持流量控制流量控制 能够控制交换机的数据流量能够控制交换机的数据流量HDXFDX交换机的性能指标交换机的性能指标 对于核心层交换机，应注意其扩展性，通常应是模块化的交换机，能在未来根据应用的需要，通过添加功能模块，来增强交换机

6、的功能和增加接口。 9.9.易于易于扩展扩展 交换机功能交换机功能ARPMAC地址转发表VLANSTP端口镜像端口汇聚组播ACLQoS交换机功能交换机功能-ARP-ARPARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的物理地址。 地址解析过程地址解析过程 1 主机A首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有与主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机B。 主机A主机BIP数据包地址解析过程地址解析过程 2 如果主机A在ARP表中找不

7、到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为主机A的IP地址和MAC地址，目标IP地址和目标MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。地址解析过程地址解析过程3 主机B比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，当两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。之后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MA

8、C地址。 IP地址/ ARP请求ARP主机B主机A单播地址解析过程地址解析过程 4 主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中用于后续报文的转发， 同时将IP数据包进行封装后发送出去。 主机AMAC MAC 地址转发表地址转发表MAC地址转发表是一张包含了MAC地址与转发端口对应关系的二层转发表，是以太网交换机实现二层报文快速转发的基础。MAC地址转发表的表项中包含如下信息:目的MAC地址 端口所属的VLAN ID 本设备上的转发出端口编号 两种转发方式两种转发方式单播方式单播方式 当MAC地址转发表中包含与报文目的MAC地址对应的表项时，交换机直接将报文从该表项中

9、的转发出端口发送。广播方式广播方式 当交换机收到目的地址为全F的报文，或MAC地址转发表中没有包含对应报文目的MAC地址的表项时，交换机将采取广播方式将报文向除接收端口外的所有端口转发。MACMAC地址学习地址学习MAC地址转发表中的表项可以通过两种方式进行更新和维护： 通常情况下， 多数MAC地址表项都是通过MAC地址学习功能创建和维护的。手工手工配置配置方式方式 MACMAC地址地址学习学习方式方式 MACMAC地址转发表管理地址转发表管理MAC地址转发表有老化机制系统在动态创建某条表项的同时，开启老化定时器，如果在老化时间内没有再次收到来自该表项中的MAC地址的报文，交换机就会把该MAC

10、地址表项删除。 设置合适的老化时间可以有效利用MAC地址的老化功能。用户设置的老化时间过长或者过短，都可能影响交换机的运行性能。交换机功能交换机功能-VLAN-VLAN为了解决以太网交换机在局域网中无法限制广播的问题，VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）技术应运而生。VLAN的组成不受物理位置的限制，因此同一VLAN内的主机也无须放置在同一物理空间里。VLAN VLAN 的优点的优点节省了带宽，提高了网络处理能力需要通过路由器或三层交换机等网络层设备对报文进行三层转发使用VLAN可以创建跨物理网络范围的虚拟工作组。由于报文在数据链路层被VLAN划分的广播

11、域所隔离，因此各VLAN内的主机间不能直接通信局域网内的广播报文被限制在一个VLAN内控制广播域的范围控制广播域的范围增强了增强了LANLAN的安全性的安全性灵活创建虚拟工作组灵活创建虚拟工作组VLAN VLAN 原理原理DA&SA传统的以太网帧TypeDataDA&SATypeTPIDCFI VLAN IDPriorityVLAN Tag的组成字段VLAN VLAN 原理原理(Canonical Format Indicator标准格式指示位)用来标识MAC地址是否以标准格式进行封装。该字段长度为1bit，取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装，为1表示以非标准格式封装。用来标识该报文所属

12、VLAN的编号。该字段长度为12bit，取值范围为04095。由于0和4095通常不使用，所以VLAN ID的取值范围一般为14094。（Tag Protocol Identifier，标签协议标识符）用来标识本数据帧是带有VLAN Tag的数据。该字段长度为16bit用来表示802.1P的优先级。 该字段长度为3bit。交换机功能交换机功能-STP-STPSTP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）是根据IEEE协会制定的802.1D标准建立的，用于在局域网中消除数据链路层物理环路的协议。STPSTP的基本概念的基本概念1 . 根桥 树形的网络结构，必须要有树根，于是S

13、TP引入了根桥（Root Bridge）的概念。 根桥在全网中只有一个，而且根桥会根据网络拓扑的变化而改变，因此根桥并不是固定的。 网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他的设备对该配置BPDU进行转发，从而保证拓扑的稳定。STPSTP的基本概念的基本概念2. 根端口 所谓根端口，是指一个非根桥的设备上离根桥最近的端口。根端口负责与根桥进行通信。非根桥设备上有且只有一个根端口，根桥上没有根端口。STPSTP的基本概念的基本概念3. 指定桥与指定端口交换机功能交换机功能- -端口镜像端口镜像镜像是将指定端口的报文复制到镜像目的端口，镜像目的端口会接入数据检测设备，用户

14、利用这些设备分析目的端口接收到的报文，进行网络监控和故障排除。 端口镜像端口镜像1.镜像端口只能用作镜像，不能用于通讯。 2.目的端口不能是汇聚组成员端口、开启了STP功能的端口。 3.本地镜像组需要配置源端口、目的端口才能生效。 交换机功能交换机功能- -端口汇聚端口汇聚端口汇聚是将多个以太网端口汇聚在一起形成一个逻辑上的汇聚组， 使用汇聚服务的上层实体把同一汇聚组内的多条物理链路视为一条逻辑链路。 端口汇聚可以实现出/入负荷在汇聚组中各个成员端口之间分担，以增加带宽。同时，同一汇聚组的各个成员端口之间彼此动态备份，提高了连接可靠性。 端口汇聚对端口配置的要求端口汇聚对端口配置的要求端口的端

15、口的STPSTP开开启启/ /关闭、与关闭、与端口相连的链端口相连的链路属性（如点路属性（如点对点或非点对对点或非点对点）、点）、STPSTP优优先级、先级、STPSTP开开销、销、STPSTP报文报文格式、是否开格式、是否开启环路保护和启环路保护和根保护、是否根保护、是否为边缘端口等。为边缘端口等。 STPSTP配置配置一致一致流量限速、流量限速、优先级标记优先级标记、802.1p802.1p优优先级、流重先级、流重定向、流量定向、流量统计等。统计等。 QoSQoS配置配置一一致致端口的速率端口的速率、双工模式、双工模式、链路类型、链路类型（即（即TrunkTrunk、HybridHybri

16、d、AccessAccess类型类型）端口属性配端口属性配置置一致一致端口上允许通端口上允许通过的过的VLANVLAN、端口缺省端口缺省VLAN IDVLAN ID。 VLANVLAN配置配置一一致致端口的端口的GVRPGVRP开启开启/ /关闭状态、关闭状态、GVRPGVRP注册注册类型、类型、GARPGARP定时定时器的值。器的值。 GVRPGVRP配置配置一致一致交换机功能交换机功能- -组播组播在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需复制一份的相同数据包 。借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树， 被传递的信息在距离用户端

17、尽可能近的节点才开始复制和分发组播的优势组播的优势减少冗余流量。 降低网络流量，减轻服务器和CPU负荷。 使多点应用成为可能。组播的应用组播的应用多媒体、流媒体的应用 网络电视 网络电台 实时视/音频会议 培训、联合作业场合的通信 远程教育 数据仓库 金融应用（股票）其他 任何点到多点的数据发布应用交换机功能交换机功能-ACL-ACLACL（Access Control List，访问控制列表）即是通过配置对报文的匹配规则和处理操作来实现包过滤的功能。作用：通过对数据包进行过滤，可以有效防止非法用户对网络的访问，同时也可以控制流量，节约网络资源。 ACL通过一系列的匹配条件对数据包进行分类，这

18、些条件可以是数据包的源地址、目的地址、端口号等。 QoS（Quality of Service）即服务质量。对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。因此在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量 交换机功能交换机功能-Q-QO OS SQ QO OS S通常QoS提供以下三种服务模型： Best-Effort serviceBest-Effort service（尽力而为服务模型）（尽力而为服务模型） Integrated serviceIntegrated service（综合服务模型，简称（综合服务模型，简称Int-ServInt-Serv） Differentiated serviceDifferentiated servic