3.4 共享介质局域网和交换局域网

局域网从介质访问控制方式的角度可以分为共享介质局域网(Shared LAN)与交换局域网(Switched LAN)。共享介质局域网又可以分为Ethernet、Token Bus、Token Ring与FDDI,以及在此基础上发展起来的Fast Ethernet、FDDIⅡ等。交换局域网可以分为Switched Ethernet与ATM LAN,以及在此基础上发展起来的虚拟局域网,其中交换以太网应用最为广泛。交换局域网已经成为当前局域网技术的主流。局域网产品类型与相互之间的关系如图3.6所示。

图3.6局域网产品类型与相互之间的关系

3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题

传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上,网中所有结点共享一条公共通信传输介质,典型的介质访问控制方式是CSMA/CD、Token Ring、Token Bus。介质访问控制方式用来保证每个结点都能够“公平”的使用公共传输介质。IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以下三种:

(1)采用CSMA/CD介质访问控制方式的总线型局域网。

(2)采用Token Bus介质访问控制方式的总线型局域网。

(3)采用Token Ring介质访问控制方式的环型局域网。

在10Base-T的以太网中,如果网中有N个结点,那么每个结点平均能分到的带宽为10Mbps/N。显然,当局域网的规模不断的扩大,结点数N不断增加时,每个结点平均能分到的带宽将越来越少。因为Ethernet的N个结点共享一条10Mbps的公共通信信道,所以当网络结点数N增大、网络通信负荷加重时,冲突和重发现象将大量发生,网络效率急剧下降,网络传输延迟增长,网络服务质量下降。为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾,人们提出了将“共享介质方式”改为“交换方式”的方案,这就推动了“交换局域网”技术的发展。交换局域网的核心设备是局域网交换机,它可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。图3.7简单说明了交换局域网的工作原理,图中交换机为站点A 和站点E,站点B 和F,站点C和站点D分别建立了并行、独立的三条链路,使之能同时实现A和E、B和F、C和D之间的通信。

图3.7交换局域网工作原理

3.4.2 交换局域网的特点

以交换以太网(Switched Ethernet)为例对交换局域网的特点进行说明。交换以太网是指以数据链路层的帧为数据交换单位,以以太网交换机为基础构成的网络。它从根本上解决了共享以太网所带来的问题。

交换局域网的特点如下:

(1)允许多对站点同时通信,每个站点可以独占传输通道和带宽。

(2)灵活的接口速率。

(3)增强了网络可扩充性和延展性。

(4)易于管理、便于调整网络负载的分布,有效地利用网络带宽。

(5)交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容,它们能够实现无缝连接。

(6)可互连不同标准的局域网。

3.4.3 交换局域网的工作原理

1. 交换局域网的基本结构

交换局域网的核心设备是局域网交换机,它可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的投资,局域网交换机一般是针对某类局域网(例如802.3标准的Ethernet或802.5标准的Token Ring)设计的。

典型的交换局域网是交换以太网(Switched Ethernet),它的核心部件是以太网交换机。以太网交换机可以有多个端口,每个端口可以单独与一个结点连接,也可以与一个共享介质式的以太网集线器(Hub)连接。http://www.upzxt.com

如果一个端口只连接一个结点,那么这个结点就可以独占整个带宽,这类端口通常被称作“专用端口”;如果一个端口连接一个怎样用u盘装xp系统与端口带宽相同的以太网,那么这个端口将被以太网中的所有结点所共享,这类端口被称为“共享端口”。典型的交换以太网的结构如图3.8所示。

图3.8交换以太网的结构示意图

对于传统的共享介质以太网来说,当连接在Hub中的一个结点发送数据时,它使用广播方式将数据传送到Hub的每个端口。因此,共享介质以太网的每个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道。交换局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式,它可以通过以太网交换机支持交换机端口之间的多个并发连接,实现多结点之间数据的并发传输,因此,交换局域网可以增加网络带宽,改善局域网的性能与服务质量。

2. 局域网交换机的工作原理

典型的局域网交换机结构与工作过程如图3.9所示。

图3.9交换机的结构与工作过程

图中的交换机有6个端口,其中端口1,4,5,6分别连接了结点A,结点B,结点C与结点D。那么交换机的“端口号/MAC地址映射表”就可以根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系建立起来。如果结点A与结点D同时要发送数据,那么它们可以分别在Ethernet帧的目的地址字段(DA)中添上该帧的目的地址。

例如,结点A要向结点C发送帧,那么该帧的目的地址DA=结点C;结点D要向结点B发送帧,那么该帧的目的地址DA=结点B。当结点A,结点D同时通过交换机传送帧时,交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出帧的目的地址的输出端口号,那么它就可以为结点A到结点C建立端口1到端口5的连接,同时为结点D到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条,也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。

以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类:

(1)直接交换方式

在直接交换(Cut Through)方式中,交换机只要接收并检测到目的地址字段,立即将该帧转发出去,而不管这一帧是否出错。帧出错检测任务由主机完成。这种交换方式的优点是交换延迟时间短,但它缺乏差错检测能力,不支持不同输入/输出速率的端口之间的帧转发。

(2)存储转发方式

在存储转发(Store and Forward)方式中,交换机首先完整的接收发送帧,并先进行差错检测。如果接收帧是正确的,则根据帧目的地址确定输出端口号,然后再转发出去。这种交换方式的优点是具有帧差错检测能力,并能支持不同输入/输出速率的端口之间的帧转发,缺点是交换延迟时间将会增长。

(3)改进直接交换方式

改进的直接交换方式则将直接交换方式和存储转发方式结合起来,它在接收到帧的前64字节后,判断帧的帧头字段是否正确,如果正确则转发出去。这种方法对于短的帧来说,其交换延迟时间与直接交换方式比较接近;对于长的帧来说,由于它只对帧的地址字段与控制字段进行差错检测,因此延迟时间将会减少。

3.4.4 局域网交换机技术

1. 交换机与集线器的区别

交换机的作用是对封装的数据包进行转发,并减少冲突域,隔离广播风暴。从组网的形式看,交换机与集线器非常类似,但实际工作原理有很大的不同。

从OSI体系结构看,集线器工作在 OSI/RM的第一层,是一种物理层的连接设备,因而它只对数据的传输进行同步、放大和整形处理,不能对数据传输的短帧、碎片等进行有效的处理,不进行差错处理,不能保证数据的完整性和正确性。传统交换机工作在OSI的第二层,属于数据链路层的连接设备,不但可以对数据的传输进行同步、放大和整形处理,还提供数据的完整性和正确性的保证。

从工作方式和带宽来看,集线器是一种广播模式,一个端口发送信息,所有的端口都可以接收到,容易发生广播风暴。同时集线器共享带宽,当两个端口间通信时,其它端口只能等u盘装系统win7待。交换机是一种交换方式,一个端口发送信息,只有目的端口可以接收到,能够有效的隔离冲突域,抑制广播风暴;同时每个端口都有自己的独立带宽,两个端口间的通信不影响其它端口间的通信。

2. 交换机的技术特点

目前,局域网交换机主要是针对以太网设计的。一般来说,局域网交换机主要有以下几个技术特点。

(1)低交换传输延迟

(2)高传输带宽

(3)允许不同速率的端口共存

(4)支持虚拟局域网服务

3. 第三层交换技术

传统的局域网交换机是一种第二层网络连接设备,它在操作过程中不断收集信息去建立起它本身的一个MAC地址表。这个表相当简单,基本上说明了某个MAC 地址是在哪个端口上被发现的。这样当交换机收到一个数据包时,它便会查看一下该数据包的目的MAC地址,核对一下自己的地址表以确认该从哪个端口把数据包发出去。但当交换机收到一个不认识的数据包时,也就是说如果目的MAC地址不在MAC地址表中,交换机便会把该数据包“扩散”出去,即从所有端口发出去,就如同交换机收到一个广播包一样,这就暴露出传统局域网交换机的弱点:不能有效的解决广播风暴和异种网络互连以及安全性控制等问题。

第三层交换也称多层交换技术或IP交换技术,是相对于传统交换概念提出的。众所周知,传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的,而第三层交换技术在网络模型中的第三层实现了分组的高速转发。简单的说,第三层交换技术就是“第二层交换技术+第三层转发”。第三层交换技术的出现,解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面,解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

一个具有第三层交换功能的设备,是一个带有第三层路由功能的第二层交换机,但它是两者的有机结合,而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。

其工作原理如下:假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信,发送站点A在开始发送时,把自己的IP地址与B站的IP地址比较,判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内,则进行第二层的转发。若两个站点不在同一子网内,如发送站A要与目的站B通信,发送站A要向“缺省网关”发出ARP(地址解析)封包,而“缺省网关”的IP地址其实是第三层交换机的第三层交换模块。当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时,如果第三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的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B站广播一个ARP请求,B站得到此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,同时将B站的MAC地址发送到第二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后,当A向B发送的数据包便全部交给第二层交换处理,信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要第三层处理,绝大部分数据都通过第二层交换转发,因此第三层交换机的速度很快,接近第二层交换机的速度,同时比相同路由器的价格低很多。可以相信,随着网络技术的不断发展,第三层交换机有望在大规模网络中取代现有路由器的位置。