以太網交換機工作在 OSI 模型中的第二層, 類似於一台專用的特殊計算機, 主要包括中央處理器(CPU) 、隨機存儲器(RAM) 和操作系統。它利用專門設計的芯片 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)使交換機以線路速率在所有的端口並行進行轉發，因此，它比同在二層利用軟件進行轉發的網橋速度快的多。
以太網交換機的主要功能
(1) 隔離各網段內的通信。網段是指通過類似以太網交換機這樣的設備將網絡划分成更小的單元, 每個網段都使用 CSMA/CD 訪問方法來實現網段內多個用戶之間的通信流。這種分段使得不同網段上的多個用戶能同時發送信息, 而不會降低網絡速度。
(2) 通過建立更小的沖突域為每個用戶提供更多的帶寬。以太網交換機基於2層 MAC 地址將數據報文定向到適當的一個或多個端口, 以實現對通信的過濾。通過建立更小的沖突域, 以太網交換機可以保證每個用戶擁有更多的帶寬。
以太網交換機的工作原理
(1) 當交換機從某個端口收到一個數據包, 它先讀取包頭中的源MAC 地址, 這樣它就知道源 MAC 地址的機器是連在哪個端口上的;
(2) 再去讀取包頭中的目的 MAC 地址, 並在地址表中查找相應的端口;
(3) 如表中有與這目的 MAC 地址對應的端口, 把數據包直接復制到這端口上;
(4) 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上, 當目的機器對源機器回應時, 交換機又可以學習目的 MAC 地址與哪個端口對應,在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了。
(5) 不斷的循環這個過程, 對於全網的 MAC 地址信息都可以學習到,二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。
我們用下面的例子來說明這個過程:
當交換機被初始化時, 其 MAC 地址表是空的, 如圖 1 所示。此時如果有數據幀到來, 交換機就向除了源端口之外的所有端口轉發。
假設主機 A 給主機 C 發送數據。交換機從 F0/1 端口接到了這個數據幀之后, 就來查找其 MAC 地址表。由於 MAC 地址表為空, 則向除了F0/1 口以外的所有端口轉發該幀。同時, 交換機就會學習到主機MAC 地址 0010.7a60.1111 與端口 F0/1 相對應, 於是這個記錄就被記錄到 MAC 地址表中, 如圖 2 所示。
當主機 C 響應主機 A 的時候, 交換機會把 C 的 MAC 地址當作源地址, 從而學習到 MAC 地址 0100.7a60.2222 與端口 F0/2 對應, 同樣,這個記錄就被記錄到 MAC 地址表中, 如圖 3 所示。
現在假設主機 B 給主機 A 發送數據。同理, 交換機添加主機 B 的 MAC 地址到地址表中, 不過, 此時, 交換機並不轉發該數據幀, 因為交換機知道主機 A 的位置, 所以交換機只向端口 F0/1 發送數據。經過不斷循環這樣一個學習的過程, 直到連接到交換機的 MAC地址表最終建立完畢, 如圖 4 所示。此時如果有數據幀到來, 交換機就會根據 MAC 地址表中相應的條目進行轉發。
從以太網交換機的工作原理可以總結出來:
(1) 由於交換機對多數端口的數據進行同時交換, 這就要求具有很寬的交換總線帶寬, 如果交換機有 N 個端口, 每個端口的帶寬是 M,交換機總線帶寬超過 N*M, 那么該交換機就可以實現線速交換。舉例: 一個帶有 2 個 1000M 輸入輸出接口的 24 口百兆交換機, 背板帶寬: 24×100×2(全雙工) + 1000×2×2(全雙工) = 8.8G, 所以這台交換機只要背板帶寬超過 8.8G 那么就能夠實現端口百兆線速交換。
(2) 學習端口連接的機器的 MAC 地址信息, 寫入地址表。地址表的大小會影響交換機的接入容量。
以太網轉發幀的模式
以太網交換機使用兩種模式進行幀的轉發, 即直通( cut- throngh) 式和存儲轉發(store- and- forward) 式。
(1) 直通方式。交換機在執行直通交換時, 當它接收到幀時, 只讀取目的地址, 然后, 在整個幀到達之前, 幀就被轉發了出去。這種模式減少了傳輸延時, 但也減弱了錯誤檢測。
(2) 存儲轉發方式。當交換機執行存儲轉發交換時, 在轉發之前必須接收到整個幀。然后, 交換機讀取目的或源地址, 並且在幀發送之前進行過濾。在交換機接收幀的過程中, 會發生延遲。幀越大, 延遲越長,因為需要更長的時間來讀出整個幀。采用這種方式時, 錯誤可以檢測出來, 因為交換機在等待整個幀接收完成的過程中, 它有時間來檢查錯誤。這種方式適用於需要對轉發的幀進行線速速率匹配、協議轉換或差錯檢查的情況。如果在差錯檢測的過程中, 發現數據幀出錯, 則將這個錯誤的數據幀丟棄。
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