交换机工作原理

南京晓庄学院本科生学士学位论文论文名称：交换机的构造与工作原理院系：信息技术学院班级：05网络本姓名：苏志荣学号：05413316指导教师：王江平日期：11月4日内容摘要：本文重要描述了交换机的内部构造，分析了交换机的各层工作原理。核心词：交换机工作原理交换机工作构造交换机特性。交换机的构造和工作原理一、概述“交换”和“交换机”最早来源于电话通讯系统PSTN。我们以前经常在电影或电视中看到某些老的影片时常看到有人在电话机旁狂摇几下（注意不是拨号），然后就说：给我接XXX，话务员接到规定后就会把对应端线头插在要接的端子上，即可通话。其实这就是最原始的电话交换系统，只但是它是一种人工电话交换机系统，不是自动的，也不是我们所指的计算机交换系统。交换机的重要功效涉及物理编址、网络拓扑构造、错误校验、帧序列以及流量控制。现在某些高档交换机还含有了某些新的功效，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还含有路由和防火墙的功效。二、交换机的端口类型端口类型是指以太网、令牌环、FDDI还是ATM等端口类型，普通来说固定端口交换机只有单一类型的端口，适合中小公司或个人顾客使用，而模块化交换机由于能够有不同介质类型的模块可供选择，故端口类型更为丰富，这类交换机适合部门级以上级别顾客选择。快速以太网端口类型普通涉及10Base-T、100Base-TX、100Base-FX，其中10Base-T和100Base-TX普通是由10M/100M自适应端口提供，即普通我们所讲的RJ-45端口。其实这两种RJ-45端口仅就端口本身而言是完全同样的，但端口中对应的网络电路构造是不同的，因此也不能随便接。三．交换机的内部构造：1.共享内存.各个端口没有内存,只有一种内部的公共共享内存2.共享总线.各个端口有自己的内存,没有内部公共共享内存,只有公共共享总线3.交叉点阵列.每个端口有自己的内存,内部有一种交叉阵列.四、交换机的工作原理传统的交换机本质上是含有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层）交换机。把路由技术引入交换机，能够完毕网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。1、二层交换机原理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，能够识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口统计在自己内部的一种地址表中。具体的工作流程以下：（1）当交换机从某个端口收到一种数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就懂得源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，并在地址表中查找对应的端口；（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）如表中找不到对应的端口则把数据包广播到全部端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又能够学习一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对全部端口进行广播了。不停的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都能够学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。2、三层交换机的原理从硬件的实现上看，现在，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线交换数据的。在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块能够与需要路由的其它模块间高速地交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在软件方面，第三层交换机将传统的基于软件的路由器重新进行了界定：(1)．数据封包的转发：如IP/IPX封包的转发，这些有规律的过程通过硬件高速实现；(2)．第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的拟定等功效，用优化、高效的软件实现。假设有两个使用IP合同的站点，通过第三层交换机进行通信的过程为：若发送站点A在开始发送时，已知目的站B的IP地址，但尚不懂得它在局域网上发送所需要的MAC地址，则需要采用地址解析(ARP)来拟定B的MAC地址。A把自己的IP地址与B的IP地址比较，采用其软件中配备的子网掩码提取出网络地址来拟定B与否与自己在同一子网内。若B与A在同一子网内，A广播一种ARP请求，B返回其MAC地址，A得到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地址表拟定将数据包发向目的端口。若两个站点不在同一子网内，则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立，这个IP地址事实上对应第三层交换机的第三层交换模块。当A对"缺省网关"的IP地址广播出一种ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到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种ARP请求，B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。后来，当再进行A与B之间数据包转发时，将用最后的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换解决，信息得以高速交换五、交换机的特性1．地址学习以太网交换机能通过读取传送包的源MAC地址和统计帧进入交换机的端口来学习网络上每个设备的地址。然后，交换机把该信息加到它的转发数据库（MAC地址表）中。地址是动态学习的。这意味着，当读取新的MAC地址时它们被学习并存储在CAM（content-AddressableMemory,内容可寻址存储器）中。工作过程中，如果读取到在CAM中没有登记学习的源地址时，此MAC地址被学习并存储到CAM中以备将来使用。每次存储地址时，地址被打上一种时间标记，如果在一段时间内都没有使用过的MAC地址将从MAC列表中删除，通过这个时间标记来确保删除过时的地址和保持最新的地址。CAM维护了一种精确和有用的转发数据库，即MAC地址表。2．转发或滤除当主机A发一种帧给主机B时，由于目的MAC地址（主机B的MAC地址）已在MAC地址表中存在对应项，故交换机将此帧直接转发到B所在交换机的端口，并且交换机不会再将帧转发往其它端口，这样就节省了其它端口的带宽。这就是所谓的转发与过滤。但是对于广播和组播，交换机普通是把广播帧或组播帧向全部端口转发，不管MAC地址与否完整。而一种交换机永远学习不到广播或组播地址，由于它们不会出现在一种帧的源地址中。因此第二层的交换机无法控制广播域，用交换机分割的网段即使处在不同的冲突域中，但仍然处在同一种广播域中。因此，需要第三层设备（如路由器）来分割广播域。3．避免循环在网络设计中，冗余链路普通是必不可少的。但也因此带来诸多的问题。A． 广播风暴。避免循环机制能够通过阻塞（逻辑上）其中的某一端口（不允许接受帧和发送帧）来消除广播风暴问题。B． 重复帧拷贝。由于冗余途径的存在，主机可能会从不同的途径接受到相