常見的以太網設備包括Hub、交換機等。交換機工作在數據鏈路層,它有效的隔離了以太網中的衝突域,極大的提升了以太網的性能。隨著企業網絡的發展,越來越多的用戶需要接入到網絡, 交換機提供的大量的接入端口能夠很好地滿足這種需求。 同時, 交換機也徹底解決了困擾早期以太網的衝突問題, 極大地提升了以太網的性能, 同時也提高了以太網的安全性。
交換機工作在數據鏈路層, 對數據幀進行操作。 在收到數據幀後, 交換機會根據數據幀的頭部信息對數據幀進行轉發。
交換機工作原理
1)如果進入交換機的是一個單播幀,則交換機會去MAC地址表中查找這個幀的目的MAC地址。
- 如果查不到這個MAC地址, 則交換機執行泛洪操作。
- 如果查到了這個MAC地址, 則比較這個MAC地址在MAC地址表中對應的端口是不是這個幀進入交換機的那個端口。 如果不是,則交換機執行轉發操作。 如果是, 則交換機執行丟棄操作
2)如果進入交換機的是一個廣播幀,則交換機不會去查MAC地址表,而是直接執行泛洪操作。
3)如果進入交換機的是一個組播幀,則交換機的處理行為比較複雜。這裡就不展開說了
總得來說交換機可以簡單概括成以下兩點:
- 基於源MAC地址學習
- 基於目的MAC地址轉發
交換機的轉發行為
交換機中有一個MAC地址表, 裡面存放了MAC地址與交換機端口的映射關係。 MAC地址表也稱為CAM(Content Addressable Memory) 表。如下圖所示, 交換機對幀的轉發操作行為一共有三種:泛洪(Flooding) ,轉發(Forwarding), 丟棄(Discarding) 。
- 泛洪:交換機把從某一端口進來的幀通過所有其它的端口轉發出去(注意,“所有其它的端口”是指除了這個幀進入交換機的那個端口以外的所有端口)。
- 轉發:交換機把從某一端口進來的幀通過另一個端口轉發出去(注意,“另一個端口”不能是這個幀進入交換機的那個端口)。
- 丟棄:交換機把從某一端口進來的幀直接丟棄。
交換機數據幀轉發過程
1、初始狀態
初始狀態下,交換機並不知道所連接主機的MAC地址, 所以MAC地址表為空。如下圖的例子,SWA為初始狀態, 在收到主機A發送的數據幀之前,MAC地址表中沒有任何表項。
2、 學習MAC地址
主機A發送數據給主機C時, 一般會首先發送ARP請求來獲取主機C的MAC地址, 此ARP請求幀中的目的MAC地址是廣播地址, 源MAC地址是自己的MAC地址。 SWA收到該幀後, 會將源MAC地址和接收端口的映射關係添加到MAC地址表中。 缺省情況下, X7系列交換機學習到的MAC地址表項的老化時間為300秒。 如果在老化時間內再次收到主機A發送的數據幀, SWA中保存的主機A的MAC地址和G0/0/1的映射的老化時間會被刷新。 此後, 如果交換機收到目標MAC地址為00-01-02-03-04-AA的數據幀時, 都將通過G0/0/1端口轉發。
3、轉發數據幀
本例中主機A發送的數據幀的目的MAC地址為廣播地址, 所以交換機會將此數據幀通過G0/0/2和G0/0/3端口廣播到主機B和主機C。
4、目標主機回覆
主機B和主機C接收到此數據幀後, 都會查看該ARP數據幀。 但是主機B不會回覆該幀, 主機C會處理該幀併發送ARP迴應, 此回覆數據幀的目的MAC地址為主機A的MAC地址, 源MAC地址為主機C的MAC地址。SWA收到回覆數據幀時, 會將該幀的源MAC地址和接口的映射關係添加到MAC地址表中。 如果此映射關係在MAC地址表已經存在, 則會被刷新。 然後SWA查詢MAC地址表, 根據幀的目的MAC地址找到對應的轉發端口後, 從G0/0/1轉發此數據幀。
交換機的交換模式
1、Cut-Through:直通模式
當輸入端口檢測到一個數據包時,就檢查該包的包頭,根據包內的目的地址把數據包直通到相應端口。
優點:這種方式不需要等數據包接收完就開始轉發,交換速度快,延遲非常小。
缺點:不提供錯誤檢測服務,有可能將出錯的數據包轉發出去。也不提供緩存,不能將速率不同的端口直接接通,而且容易丟包。
2、Store-and-Forward:存儲轉發
這種方式先將數據包完整的接收下來,經過CRC檢查,如果數據包沒有錯誤,再根據地址進行轉發。
優點:提供錯誤檢測服務,改善了網絡性能。支持速度不同的端口的轉發服務,可以保證高速端口與低速端口間協同工作。
缺點:傳輸延時較大,而且需要較大的緩存容量。
3、Frag-free:幀自由,64字節為單位
它檢查數據包的長度是否夠64個字節,若小於64字節,說明是廢包,進行丟棄,若大於64字節,則發送該包。
這種方式可保證碰撞碎片不在網絡中傳播,提高了網絡效率,它的數據處理速度介於直通式和存儲轉發式之間
以太網端口技術
1、自動協商
端口速率
- 標準以太網(10M)
- 快速以太網(100M)
- 千兆以太網(1000M)
- 萬兆以太網(10000M)
工作模式
- 全雙工
- 半雙工
2、流量控制
- 防止在出現擁塞的情況下丟幀
- 半雙工方式下采用反壓技術實現
- 全雙工方式下采用PAUSE幀
端口配置(常用)
[SWA-GigabitEthernet0/0/1]undo negotiation auto //關閉端口自動協商功能
[SWA-GigabitEthernet0/0/1]speed 100 //設置端口速率為100M
[SWA-GigabitEthernet0/0/1]duplex full //設置端口為全雙工工作模式
[SWA]display interface g0/0/1 //查詢接口詳細信息