以太網交換技術及設備

2019-11-05 01:34:54

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供稿：網友

　　在二層交換網中應用最廣泛的是采用IEEE 802.3標準的以太網（Ethernet）。目前，全世界的局域網90%以上是采用以太網技術組網的。隨著以太網技術的發展，該技術已經進入接入網和城域網領域。在本講中，筆者提出了以太網交換技術中存在虛電路的新觀點。
　　
　　1 以太網的分類
　　以太網的特點是多個數據終端共享傳輸總線。以太網按其總線的傳輸速率可劃分為10 Mbit/s以太網、100 Mbit/s以太網、1 000 Mbit/s（吉比特）以太網以及10 Gbit/s以太網等；以太網按其總線的傳輸介質可劃分為同軸電纜以太網、雙絞線以太網以及光纖（多模、單模）以太網。
　　
　　2 載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）協議
　　共享式以太網的核心思想是多個主機共享公共傳輸通道。在電話通信中采用了時分、頻分或碼分等方法，使多個用戶終端共享公共傳輸通道。但在數據通信中，數據是突發性的，若占用固定時隙、頻段或信道進行數據通信，會造成資源上的浪費。
　　
　　若多個主機共享公共傳輸通道（總線）而不采取任何措施，必然會產生碰撞與沖突。CSMA/CD協議正是為解決多個主機爭用公共傳輸通道而制定的。
　　
　?。?）載波偵聽多路訪問（CSMA）
　　
　　每個以太網幀（MAC幀）均有源主機和宿主機的物理地址（MAC地址）。當網上某臺主機要發送MAC幀時，應先監聽信道。假如信道空閑，則發送；假如發現信道上有載波（指基帶信號），則不發送，等信道空閑時立即發送或延遲一個隨機時間再發送，從而大大減少碰撞的次數。
　　
　?。?）碰撞檢測（CD）
　　
　　對于碰撞檢測，在一般情況下，當總線上的信號擺動超過正常值時，即認為發生沖突。這種檢測方法輕易出錯，因為信號在線路上傳播時存在衰耗，當兩個主機相距很遠時，另一臺主機的信號到達時已經很弱，與本地主機發送的信號疊加時，達不到沖突檢測的幅度，就會出錯。為此，IEEE 802?郾3標準中限制了線纜的長度。目前，應用較多的沖突檢測方法是主機的發送器把數據發送到線纜上，該主機的接收機又把數據接收回來，然后與發送數據相比，判別是否一致。若一致，則無沖突發生；若不一致，則表示有沖突發生。
　　
　　3 MAC幀格式
　　每一幀以7個字節的前導碼開始，前導碼為“1010”交替碼，其作用是使目的主機接收器時鐘與源主機發送器時鐘同步。緊接著是幀開始分界符字節“10101011”，用于指示幀的開始。
　　
　　幀包括兩個地址：目的地址和源地址。目的地址最高位如為“0”，則表示普通地址；如為“1”，則表示組地址。地址的次高位用于區分是局部地址還是全局地址。局部地址由局部網絡治理者分配，離開這個局部網，該地址就毫無意義。全局地址由IEEE統一分配，以保證全世界沒有兩個主機具有相同的全局地址。答應大約有7×1013個全局地址。全局地址可用于全球性的MAC幀尋址。
　　
　　數據域長度給出數據域中存在多少個字節的數據，其值為0～1 500。數據域長度為“0”是合法的，但太短的幀在傳送過程中可能會產生問題，其中一個原因就是：當主機檢測到沖突時，便停止發送，這時一部分數據已經發送到線纜上，而目的主機卻無法簡單區分這是正確幀還是垃圾幀。為此，IEEE規定：正確長度必須大于64字節，假如小于64字節，那么必須用填充字段填充到幀的最小長度。
　　
　　4 以太網的互聯
　　根據OSI 7層模型，以太網可以在低3層和高3層上互聯。實現互聯的網元設備有中繼器、集線器、網橋、路由器、交換機和網關。
　　
　　4.1 中繼器
　　
　　中繼器工作在OSI 7層模型的物理層。因為數字脈沖信號經過一定距離的傳輸后，會產生衰耗和波形失真，在接收端引起誤碼。中繼器的作用是再生（均衡放大、整形）通過網絡傳輸的數據信號，擴展局域網的范圍。
　　
　　中繼器工作在物理層，對高層協議是完全透明的。用中繼器相聯的兩個網絡，對鏈路層而言相當于一個網絡，中繼器僅起到擴展距離的作用，而不能提供隔離和擴展有效帶寬的作用。
　　
　　4.2 集線器（Hub）
　　
　　集線器就像一個星型結構的多端口轉發器，每個端口都具有發送與接收數據的能力。當某個端口收到連在該端口上的主機發來的數據時，就轉發至其它端口。在數據轉發之前，每個端口都對它進行再生、整形，并重新定時。
　　
　　集線器可以互相串聯，形成多級星型結構，但相隔最遠的兩個主機受最大傳輸延時的限制，因此只能串聯幾級。當連接的主機數過多時，總線負載很重，沖突將頻頻發生，導致網絡利用率下降。
　　
　　與中繼器一樣，集線器工作在OSI 7層模型的物理層，不能提供隔離作用，相當于一個多端口的中繼器。
　　
　　4.3 網橋
　　
　　網橋工作在OSI 7層模型的鏈路層（MAC層）。當一個以太網幀通過網橋時，網橋檢查該幀的源和目的MAC地址。假如這兩個地址分別屬于不同的網絡，則網橋將該MAC幀轉發到另一個網絡上，反之不轉發。所以，網橋具有過濾與轉發MAC幀的功能，能起到網絡間的隔離作用。對共享型網絡而言，網絡間的隔離意味著提高了網絡的有效帶寬。
　　
　　網橋最簡單的形式是連接兩個局域網的兩端口網橋。在多個局域網互聯時，為不降低網絡的有效帶寬，可以采用多端口網橋或以太網交換機。但采用這些工作在鏈路層的設備聯網，存在以下缺點：
　　
　?。?）多端口網橋或以太網交換機只有簡單的路由表，當某一端口收到一個數據包，若設備根據其目的地址找不到對應的輸出端口時，即對所有端口廣播這個包，當網絡較大時易引起廣播風暴；
　　
　?。?）多端口網橋或以太網交換機無鏈路層協議轉換功能，因此不能做到不同協議網絡的互聯，例如以太網與X.25、FR、N-ISDN和ATM等網絡的互聯。
　　
　　4.4 路由器
　　
　　在路由器中存放有龐大而復雜的路由表，并能根據網絡拓撲、負荷的改變及時維護該路由表。當路由器找不到某一端口輸入的數據包對應的輸出端口時，即刪除該包。因為路由器廢除了廣播機制，所以可以抑制廣播風暴。
　　
　　4.5 網關
　　
　　網關工作在OSI 7層模型的高3層，即對話層、表示層和應用層。網關用于兩個完全不同網絡的互聯，其特點是具有高層協議的轉換功能。網關最典型的應用是ip電話網關。IP電話網關將時分復用的64 kbit/s編碼話音和No?郾7共路信令轉換為IP包，送入Internet進行傳輸，從而使PSTN和Internet兩個完全不同的網絡可以互聯互通。
　　
　　5 以太網交換機
　　5.1 以太網交換機的基本原理
　　
　　大型網絡為了提高網絡的效率，需要將網絡在鏈路層上進行分段，以提高網絡的有效帶寬。對于小型網絡，可以利用網橋對網絡進行分段；對于大型網絡，往往采用以太網交換機對網絡進行分段，即利用以太網交換機將一個共享型以太網分割成若干個網段。分段后的網絡稱為交換型以太網。在交換型以太網中，工作在每一網段中的主機對介質的爭用仍采用CSMA/CD機制，而聯接各網段的交換機則采用路由機制。若某一共享型以太網帶寬為M，共帶有N臺主機，則每臺主機平均帶寬為M/N。若在該網內引入一臺8端口的以太網交換機，將該網分割為8個網段，則每一網段帶寬仍為M，而總帶寬則拓寬至8M。
　　
　　目前，大中型以太網中引入了多臺交換機的級聯工作方式。處在用戶級的交換機一般可做到1個端口接1臺主機，則該主機可享用所連接端口的全部帶寬，無需競爭網絡資源。
　　
　　在以太網中引入交換機將網絡分段后，是否能使網絡容量無限擴大？答案是否定的。因為在以太網交換機中對MAC幀的尋址采用了廣播方式，網絡太大時易引起廣播風暴。這就需要有路由器對網絡在網絡層上進行分段。路由器將計算機網分割成若干個子網，從而縮小了其底層以太網的廣播域，抑制了廣播風暴。
　　
　　5.2 以太網交換機的路由方式
　　
　　當該交換機中的某一個端口接收到一個MAC幀時，交換機的首要任務是根據該MAC幀的目的地址尋找輸出端口，然后向該輸出端口轉發這個MAC幀。
　　
　　通常情況下，在以太網交換機中存有一張路由表，該表根據所接收MAC幀的目的地址，為每個MAC幀選擇輸出端口。
　　
　?。?）固定路由
　　
　　固定路由是指交換機有一張人工配置的路由表，表上標明各端口及其所對應的目的地址。固定路由雖然不失為一種路由方式，但假如網絡規模過大，則配置路由表將變成一項很繁重的工作，再加上交換機所處的網絡經常會變更網絡配置或增刪主機，網絡治理員很難使路由表及時更新來適應拓撲結構的變化。
　　
　?。?）自學習路由
　　
　　在實際應用中，通常通過自學習方法來建立一張動態路由表，以自動適應網絡拓撲結構的變化。該動態路由表可在人工建立的路由表的基礎上，通過自學習過程不斷修改而得到。
　　
　　所謂自學習，即是根據到達每一端口MAC幀的源地址來建立或刷新路由表。假設交換機從X端口收到一個MAC幀，檢查該MAC幀的源地址為A地址，則說明凡是目的地址為A地址的MAC幀，應該通過X端口轉發。從X端口收到源地址為A地址的MAC幀后，交換機控制部分檢查路由表。若路由表中目的地址一項無A地址，則在X端口對應的目的地址項中增加A地址內容；若表中目的地址一項有A地址，但其對應端口為Y端口，則需修改路由表。
　　
　　由上可見，以太網交換機利用廣播幀和自學習的方法來建立路由表，一旦配置好路由表，后續的以太幀根據目的MAC地址（未使用標記）和路由表選擇路由，從而形成一條從源主機到目的主機的虛電路。

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