交换与虚拟局域网

1、第四章 交交换与虚拟拟局域网学习本章应应掌握： 1. 交换换机以太网网的特点22. 以太太网交换机机的工作过过程和数据据传输方式式3. 以以太网交换换机的通信信过滤、地地址学习和和生成树协协议4. VLANN的组网方方法和特点点 4.11 交换式式以太网的的提出 引引入：以太太网变得越越来越拥塞塞和不堪重重负。这一一方面是由由于网络应应用和网络络用户的迅迅速增长，另另一方面则则是由于快快速CPUU及快速网网络操作系系统的出现现。现在，处处于同一个个以太网上上的两个工工作站就很很容易使网网络饱和。为了提高高局域网的的效率，交交换技术应应运而生了了。4.1.11共享式以以太网存在在的问题传传统的共

2、享享式以太网网是最简单单、最便宜宜、最常用用的一种组组网方式。但是，在在网络应用用和组网过过程中，共共享式以太太网暴露出出它的缺点点,主要有有以下几个个方面:（1）覆覆盖的地理理范围有限限。按照CCSMA/CD的有有关规定，以以太网覆盖盖的地理范范围随网络络速度的增增加而减小小。只要两两个节点处处于同一个个以太网中中，它们之之间的最大大距离就不不能超过这这一固定值值，不管他他们之间的的连接跨越越一个集线线器还是多多个集线器器。如果超超过这个值值，网络通通信就会出出现问题。（2）网网络总带宽宽容量固定定。传统的的以太网是是共享式的的以太局域域网。网络络上的所有有节点共享享同一传输输介质。在在一个

3、节点点使用传输输介质的过过程中，另另一节点必必须等待。共享式以以太网的固固定带宽容容量被网络络上的所有有节点共同同拥有，随随机占用。网络中的的节点越多多，每个节节点平均可可以使用的的带宽越窄窄，网络的的响应速度度也会越慢慢。举例：对于一个个使用1000BASSE-TXX技术的1100Mbb/s以太太网，如果果连接100个节点，则则每个节点点平均带宽宽发送节点点竞争共享享介质的过过程中，冲冲突和碰撞撞是不可避避免的。冲冲突和碰撞撞会造成发发送节点随随机延迟和和重发，进进而浪费网网络带宽。随着网络络中节点数数的增加，冲冲突和碰撞撞必然加大大，相应的的带宽浪费费也会越大大。（3）不不能支持多多种速率

4、。网络应用用是多种多多样的，不不同速率的的混合型组组网不但有有其存在的的客观要求求，而且也也可以提高高组网的传传输速率，否否则一个设设备发送的的信息，另另一个设备备不可能收收到。单一一的共享式式以太网不不可能提供供多种速率率的设备支支持。 4.1.22 交换的的提出 HYPERLINK E:ZY计算机网络精品课程计算机网络课件(完整版)imagech044.1.swf 一一、分段段的概念念的提出通通常，人们们利用的方方法解决共共享以太网网存在的问问题。 分分段-就是将将一个大型型的以太网网分割成两两个或多个个小型的以以太网，每每个段（分分割后的每每个小以太太网）使用用CSMAA/CD介介质访问

5、控控制方法维维持段内用用户的通信信。段与段段之间通过过一种交交换设备备进行沟通通。这种交交换设备可可以将在一一段接收到到的信息，经经过简单的的处理转发发给另一段段。二、举举例：对一一个较大的的以太网进进行了分段段。（见图图4.1）其中图4.1(a)给出了一一个通过集集线器级联联组成的大大型以太网网。尽管部部门1、部部门2和部部门3都通通过各自的的集线器组组网，但是是，由于使使用共享式式集线器连连接各个部部门的集线线器，因此此，所构成成的网络仍仍然属于一一个大的以以太网。这这样，每台台计算机发发送的信息息，将在全全网流动，即即使它访问问的是本部部门的服务务器也是如如此。 为为了限制部部门内部信信

6、息在全网网流动，图图4.1(b)将整整个大以太太网分段，每每个部门组组成一个小小的以太网网，部门之之间通过交交换设备相相互连接。分段的功功能：1、可以保证证部门内部部信息不会会流至其他他部门。22、可以保保证部门之之间的信息息交互。以以太网节点点的减少使使冲突和碰碰撞的几率率更小，网网络的效率率更高。33、各段可可按需要选选择自己的的网络速率率，组成性性能价格比比更高的网网络。交换换设备的类类型：局域域网交换机机、路由器器等都可以以作为交换换设备。各各种交换设设备工作的的层：交换换机工作于于数据链路路层，用于于连接较为为相似的网网络（例如如以太网以太网）；而路由器器工作于互互联层，可可以实现异

7、异型网络的的互联（例例如以太网网帧中继继）。 4.2 交换式以以太网的工工作原理引入：典型型的局域网网交换机是是以太网交交换机。（见见图4.22）一、以太网网交换机的的特点:可可以通过交交换机端口口之间的多多个并发连连接，实现现多节点之之间数据的的并发传输输。这种并并发数据传传输方式与与共享式以以太网在某某一时刻只只允许一个个节点占用用共享信道道的方式完完全不同。交换式以以太网建立立在以太网网基础之上上。利用以以太网交换换机组网，既既可以将计计算机直接接连接到交交换机的端端口上，也也可以将他他们连入一一个网段，然然后将这个个网段连到到交换机的的端口。 二、举例例：（见图图4.2）利用以太网交换

8、机将两台服务器和两个以太网连成了一个交换式的局域网。如果将计算机直接连到交换机的端口，那么它将独享该端口提供的带宽；如果计算机通过以太网连入交换机，那么该以太网上的所有计算机共享交换机端口提供的带宽。 4.2.11 以太网网交换机的的工作过程程（见图44.3）典型的交换换机结构与与工作过程程如下：图图中的交换换机有6个个端口，其其中端口11、5、66分别连接接了节点AA、节点DD和节点EE。节点BB和节点CC通过共享享式以太网网连入交换换机的端口口4。于是是，交换机机端口/MAC地地址映射表表就可以以根据以上上端口与节节点MACC地址的对对应关系建建立连接。1、当节节点A需要要节点D发发送信息

9、时时，节点AA首先将目目的MACC地址指向向节点D的的帧发往交交换机端口口1。交换换机接收该该帧，并在在检测到其其目的MAAC地址后后，在交换换机的端端口/MAAC地址映映射表中中查找节点点D所连接接的端口号号。一旦查查到节点DD所连接的的端口号55，交换机机将在端口口1与端口口5之间建建立连接，将将信息转发发到端口55。2、与与此同时，节节点E需要要节点B发发送信息。于是，交交换机的端端口6与端端口4也建建立一条连连接，并将将端口6接接收到的信信息转发至至端口4。3、这样样，交换机机在端口11至端口55和端口66至端口44之间建立立了两条并并发的连接接。节点AA和节点EE可以同时时发送信息息

10、，节点DD和接入交交换机端口口4的以太太网可以同同时接收信信息。根据据需要，交交换机的各各端口之间间可以建立立多条并发发连接。交交换机利用用这些并发发连接，对对通过交换换机的数据据信息进行行转发和交交换。4.2.22 数据转转发方式以以太网交换换机的数据据交换与转转发方式有有三种：直直接交换、存储转发发交换和改改进的直接接交换。11. 直接接交换在直直接交换方方式中，交交换机边接接收边检测测。一旦检检测到目的的地址字段段，就立即即将该数据据转发出去去，而不管管这一数据据是否出错错，出错检检测任务由由节点主机机完成。优优点：交换换延迟时间间短。缺点点：缺乏差差错检测能能力，不支支持不同输输入/输

11、出出速率的端端口之间的的数据转发发。2. 存储转发发交换在存存储转发方方式中，交交换机首先先要完整地地接收站点点发送的数数据，并对对数据进行行差错检测测。如接收收数据是正正确的，再再根据目的的地址确定定输出端口口号，将数数据转发出出去。优点点：具有差差错检测能能力，并能能支持不同同输入/输输出速率端端口之间的的数据转发发。缺点：交换延迟迟时间相对对较长。33. 改进进的直接交交换 改进进的直接交交换方式将将直接交换换与存储转转发交换结结合起来，在在接收到数数据的前664字节之之后，判断断数据的头头部字段是是否正确，如如果正确则则转发出去去。这种方方法对于短短数据来说说，交换延延迟与直接接交换方

12、式式比较接近近；而对于于长数据来来说，由于于它只对数数据前部的的主要字段段进行差错错检测，因因此交换延延迟将会明明显减少。4.2.33 地址学学习问问题提出：以太网交交换机利用用端口/MAC地地址映射表表进行信信息的交换换，因此，端端口/MAAC地址映映射表的建建立和维护护显得相当当重要。一一旦地址映映射表出现现问题，就就可能造成成信息转发发错误。那那么，交换换机中的地地址映射表表是怎样建建立和维护护的呢？有有两个问题题需要解决决：1、是是交换机如如何知道哪哪台计算机机连接到哪哪个端口；2、是当当计算机在在交换机的的端口之间间移动时，交交换机如何何维护地址址映射表。显然，通通过人工建建立交换机

13、机的地址映映射表是不不切实际的的，交换机机应该自动动建立地址址映射表。但是，如如果站点AA需要向站站点G发送送信息，交交换机在端端口1读取取信息后检检索地址映映射表，结结果发现站站点G在地地址映射表表中并不存存在。在这这种情况下下，为了保保证信息能能够到达正正确的目的的地，交换换将向除端端口1之外外的所有端端口转发信信息。当然然，一旦站站点G发送送信息，交交换机就会会捕获到它它与端口的的连接关系系，并将得得到的结果果存储到地地址映射表表中。4.2.44 通信过过滤（如图图4.4）交交换机建立立起端口/MAC地地址映射表表之后，它它就可以对对通过的信信息进行过过滤了。以以太网交换换机在地址址学习

14、的同同时还检查查每个帧，并并基于帧中中的目的地地址做出是是否转发或或转发到何何处的决定定。 图44.4显示示了两个以以太网和两两台计算机机通过以太太网交换机机相互连接接的示意图图。通过一一段时间的的地址学习习，交换机机形成了图图4.4所所示的端口口/MACC地址映射射表。假设设站点A需需要向站点点F发送数数据，因为为站点A通通过集线器器连接到交交换机的端端口1，所所以，交换换机从端口口1读入数数据，并通通过地址映映射表决定定将该数据据转发到哪哪个端口。图4.44所示的地地址映射表表中，站点点F与端口口4相连。于是，交交换机将信信息转发到到端口4，不不再向端口口1、端口口2和端口口3转发。假设站

15、点点A需要向向站点C发发送数据，交交换机同样样在端口11接收数据据。通过搜搜索地址映映射表，交交换机发现现站点C与与端口1相相连，与发发送的源站站点处于同同一端口。遇到这种种情况，交交换机不再再转发，简简单地将数数据抛弃，数数据信息被被限制在本本地流动。以太网交交换机隔离离了本地信信息，从而而避免了网网络上不必必要的数据据流动。这这是交换机机通信过滤滤的主要优优点，也是是它与集线线器截然不不同的地方方。集线器器需要在所所有端口上上重复所有有的信号，每每个与集线线器相连的的网段都将将听到局域域网上的所所有信息流流。而交换换机所连的的网段只听听到发给他他们的信息息流，减少少了局域网网上总的通通信负

16、载，因因此提供了了更多的带带宽。 4.2.55 生成树树协议集线器可以以按照水平平或树型结结构进行级级联。但是是，集线器器的级联决决不能出现现环路，否否则发送的的数据将在在网中无休休止地循环环，造成整整个网络的的瘫痪。那那么，图44.5所示示的具有环环路的交换换机级联网网络是否可可以正常工工作呢？答答案是肯定定的。 实实际上，以以太网交换换机除了按按照上面所所描述的转转发机制对对信息进行行转发外，还还执行生成成树协议（sspannning treee prootocool）。交交换机通过过实现生成成树协议，可可以相互交交换信息，并并利用这些些信息将网网络中的某某些环路断断开，从而而在逻辑上上形

17、成一种种树结构。交换机按按照这种逻逻辑结构转转发信息，保保证网络上上发送的信信息不会绕绕环旋转。图4.55中的具有有环路的网网络形成的的树型无环环路逻辑结结构如图44.6所示示。最终，交交换机的信信息转发是是沿着这棵棵树进行的的。通常，以以太网交换换机利用地址学习习法来动动态建立和和维护端口口/MACC地址映射射表。以太太网交换机机的地址学学习是通过过读取帧的的源地址并并记录帧进进入交换机机的端口进进行的。当当得到MAAC地址与与端口的对对应关系后后，交换机机将检查地地址映射表表中是否已已经存在该该对应关系系。如果不不存在，交交换机就将将该对应关关系添加到到地址映射射表；如果果已经存在在，交换

18、机机将更新该该表项。因因此，在以以太网交换换机中，地地址是动态态学习的。只要这个个节点发送送信息，交交换机就能能捕获到它它的MACC地址与其其所在端口口的对应关关系。在每每次添加或或更新地址址映射表的的表项时，添添加或更改改的表项被被赋予一个个计时器。这使得该该端口与MMAC地址址的对应关关系能够存存储一段时时间。如果果在计时器器溢出之前前没有再次次捕获到该该端口与MMAC地址址的对应关关系，该表表项将被交交换机删除除。通过移移走过时的的或老的表表项，交换换机维护了了一个精确确且有用的的地址映射射表。 4.33 虚拟局局域网VLLAN引引入：所谓谓的虚拟局局域网（VVLAN，vvirtuual

19、 LLAN）就就是将局域域网上的用用户或节点点划分成若若干个逻逻辑工作组组，逻辑辑组的用户户或节点可可以根据功功能、部门门、应用等等因素划分分而无须考考虑所处的的物理位置置。通常，通通过以太网网交换机就就可以配置置VLANN。但是，VVLAN没没有形成一一个标准，需需要特定交交换机厂商商的相应软软件一支持持。4.3.11 共享式式以太网与与VLANN（如图44.7)在传统的局局域网中，通通常一个工工作组是在在同一个网网段上，每每个网段可可以是一个个逻辑工作作组。多个个逻辑工作作组之间通通过交换机机（或路由由器）等互互联设备交交换数据，如如图4.77（a）所所示。如果果一个逻辑辑工作组的的站点仅

20、仅仅需要转移移到另一个个逻辑工作作组（如从从LAN11移动到LLAN3），就就需要将该该计算机从从一个集线线器（如11楼的集线线器）撤出出，连接到到另一个集集线器（如如3楼的集集线器），即即使它距离离1楼的集集线器更近近。如果一一个逻辑工工作组的站站点（如LLAN1中中的站点）仅仅仅需要物物理位置的的移动（如如从1楼移移动到3楼楼），那么么，为了保保证该站点点仍然隶属属于原来的的逻辑工作作组LANN1，它必必须连接至至1楼的集集线器，即即使它连入入3楼的集集线器更方方便。在某某些情况下下，移动站站点的物理理位置或逻逻辑工作组组甚至需要要重新布线线。因此，逻逻辑工作组组的组成受受到了站点点所在网

21、段段物理位置置的限制。虚拟局域域网VLAAN建立在在局域网交交换机之上上，它以软软件方式实实现逻辑工工作组的划划分与管理理。因此，逻逻辑工作组组的站点组组成不受物物理位置的的限制，如如图4.77（b）所所示。同一一逻辑工作作组的成员员可以不必必连接在同同一个物理理网段上。只要以太太网交换机机是互联的的，它们既既可以连接接在同一个个局域网交交换机上，也也可以连接接在不同局局域网交换换机上。当当一个站点点从一个逻逻辑工作组组转移到另另一个逻辑辑工作组时时，只需要要通过软件件设定，而而不需要改改变它在网网络中的物物理位置；当一个站站点从一个个物理位置置移动到另另一个物理理位置时（例例如3楼的的计算机

22、需需要移动到到1楼），只只要将该计计算机接入入另一台交交换机（例例如1楼的的交换机），通通过交换机机软件设置置，这台计计算机还可可以成为原原工作组的的一员。同同一个逻辑辑工作组的的站点可以以分布在不不同的物理理网段上，但但它们之间间的通信就就像在同一一个物理网网段上一样样。4.3.22 VLAAN的组网网方法VVLAN的的划分可以以根据功能能、部门或或应用而无无须考虑用用户的物理理位置。以以太网交换换机的每个个端口都可可以分配给给一个VLLAN。分分配给同一一个VLAAN的端口口共享广播播域（一个个站点发送送希望所有有站点接收收的广播信信息，同一一VLANN中的所有有站点都可可以听到），分分配

23、给不同同VLANN的端口不不共享广播播域，这将将全面提高高网络的性性能。VLLAN的组组网方法包包括静态VVLAN和和动态VLLAN两种种。1.静静态VLAAN静态VVLAN就就是静态地地将以太网网交换机上上的一些端端口划分给给一个VLLAN。这这些端口一一直保持这这种配置关关系直到人人工改变它它们。在图图4.8所所示的VLLAN配置置中，以太太网交换机机端口1、2、6和和7组成VVLAN11，端口33、4、55组成VLLAN2。虚拟局域域网既可以以在单台交交换机中实实现，也可可以跨越多多个交换机机。在图44.9中，VVLAN的的配置跨越越两台交换换机。以太太网交换机机1的端口口2、4、6和以

24、太太网交换机机2的端口口1、2、4、6组组成VLAAN1，以以太网交换换机1的端端口1、33、5、77和以太网网交换机22的端口33、5、77组成VLLAN2。尽管静态态VLANN需要网络络管理员通通过配置交交换机软件件来改变其其成员的隶隶属关系，但但它们有良良好的安全全性，配置置简单并可可以直接监监控，因此此，很受网网络管理人人员的欢迎迎。特别是是站点设备备位置相对对稳定时，应应用静态VVLAN是是一种最佳佳选择。22. 动态态VLANN所谓的动动态VLAAN是指交交换机上VVLAN端端口是动态态分配的。通常，动动态分配的的原则以MMAC地址址、逻辑地地址或数据据包的协议议类型为基基础。 如

25、如果以MAAC地址为为基础分配配VLANN,网络管管理员可以以通过指定定具有哪些些MAC地地址的计算算机属于哪哪一个VLLAN进行行配置（例例如MACC地址为000300807CF1121、525544CC193D003和00050BA2275DDA1的的计算机属属于VLAAN1）,不管这些些计算机连连接到哪个个交换机的的端口。这这样，如果果计算机从从一个位置置移动到另另一个位置置，连接的的端口从一一个换到另另一个，只只要计算机机的MACC地址不变变（计算机机使用的网网卡不变），它它仍将属于于原VLAAN的成员员，无须网网络管理员员对交换机机软件进行行重新配置置。4.3.33 VLAAN的优点

26、点1. 减少少网络管理理开销部门门重组和人人员滚动是是网络管理理员最头痛痛的事情之之一，也是是网络管理理的最大开开销之一。在有些情情况下，部部门重组和和人员流动动不但需要要重新布线线，而且需需要重新配配置网络设设备。VLLAN为控控制这些改改变和减少少网络设备备的重新配配置提供了了一个有效效的方法。当VLAAN的站点点从一个位位置移到另另一个位置置时，只要要它们还在在同一个VVLAN中中并且仍可可以连接交交换机端口口，则这些些站点本身身就不用改改变。位置置的改变只只要简单地地将站点插插到另一个个交换机端端口并对该该端口进行行配置就可可。2. 控制广播播活动广播播在每个网网络中都存存在。广播播的频率依依赖于网络络应用类型型、服务器器类型、逻逻辑段数目目及网络资资源的使用用方法。虽虽然在过去去几年里网网络应用被被很好地封封装以减少少它们发送送广播包的的数量，但但是多媒体体技术的应应用又会不不可避免地地产生广播播和组播。 大量的的广播可以以形成广播播风暴，致致使整个网网络瘫痪，因因此，必须须采取一些些措施来预预防广播带带来的问题题。尽管