交換機工作原理

南京曉莊學院本科生學士學位論文論文名稱：互換機的構(gòu)造與工作原理院系：信息技術(shù)學院班級：05網(wǎng)絡(luò)本姓名：蘇志榮學號：05413316指導教師：王江平日期：11月4日內(nèi)容摘要：本文重要描述了互換機的內(nèi)部構(gòu)造，分析了互換機的各層工作原理。關(guān)鍵詞：互換機工作原理互換機工作構(gòu)造互換機特性?；Q機的構(gòu)造和工作原理一、概述“互換”和“互換機”最早來源于電話通訊系統(tǒng)PSTN。我們此前常常在電影或電視中看到某些老的影片時?？吹接腥嗽陔娫挋C旁狂搖幾下（注意不是撥號），然后就說：給我接XXX，話務(wù)員接到規(guī)定后就會把對應(yīng)端線頭插在要接的端子上，即可通話。其實這就是最原始的電話互換系統(tǒng)，只不過它是一種人工電話互換機系統(tǒng)，不是自動的，也不是我們所指的計算機互換系統(tǒng)?；Q機的重要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造、錯誤校驗、幀序列以及流量控制。目前某些高檔互換機還具有了某些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有路由和防火墻的功能。二、互換機的端口類型端口類型是指以太網(wǎng)、令牌環(huán)、FDDI還是ATM等端口類型，一般來說固定端口互換機只有單一類型的端口，適合中小企業(yè)或個人顧客使用，而模塊化互換機由于可以有不一樣介質(zhì)類型的模塊可供選擇，故端口類型更為豐富，此類互換機適合部門級以上級別顧客選擇。迅速以太網(wǎng)端口類型一般包括10Base-T、100Base-TX、100Base-FX，其中10Base-T和100Base-TX一般是由10M/100M自適應(yīng)端口提供，即一般我們所講的RJ-45端口。其實這兩種RJ-45端口僅就端口自身而言是完全同樣的，但端口中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)電路構(gòu)造是不一樣的，因此也不能隨便接。三．互換機的內(nèi)部構(gòu)造：1.共享內(nèi)存.各個端口沒有內(nèi)存,只有一種內(nèi)部的公共共享內(nèi)存2.共享總線.各個端口有自己的內(nèi)存,沒有內(nèi)部公共共享內(nèi)存,只有公共共享總線3.交叉點陣列.每個端口有自己的內(nèi)存,內(nèi)部有一種交叉陣列.四、互換機的工作原理老式的互換機本質(zhì)上是具有流量控制能力的多端口網(wǎng)橋，即老式的（二層）互換機。把路由技術(shù)引入互換機，可以完畢網(wǎng)絡(luò)層路由選擇，故稱為三層互換，這是互換機的新進展。1、二層互換機原理二層互換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層互換機屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一種地址表中。詳細的工作流程如下：（1）當互換機從某個端口收到一種數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就懂得源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，并在地址表中查找對應(yīng)的端口；（3）如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上；（4）如表中找不到對應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應(yīng)時，互換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。不停的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學習到，二層互換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。2、三層互換機的原理從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層互換機的接口模塊都是通過高速背板/總線互換數(shù)據(jù)的。在第三層互換機中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地互換數(shù)據(jù)，從而突破了老式的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層互換機將老式的基于軟件的路由器重新進行了界定：(1)．數(shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實現(xiàn)；(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由確實定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。假設(shè)有兩個使用IP協(xié)議的站點，通過第三層互換機進行通信的過程為：若發(fā)送站點A在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP地址，但尚不懂得它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址，則需要采用地址解析(ARP)來確定B的MAC地址。A把自己的IP地址與B的IP地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定B與否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B與A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一種ARP祈求，B返回其MAC地址，A得到B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層互換模塊查找MAC地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置，這個IP地址實際上對應(yīng)第三層互換機的第三層互換模塊。當A對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址廣播出一種ARP祈求時，若第三層互換模塊在以往的通信過程中已得到B的MAC地址，則向發(fā)送站A答復B的MAC地址；否則第三層互換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一種ARP祈求，B得到此ARP祈求后向第三層互換模塊答復其MAC地址，第三層互換模塊保留此地址并答復給發(fā)送站A。后來，當再進行A與B之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最終的目的站點的MAC地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程所有交給第二層互換處理，信息得以高速互換五、互換機的特性1．地址學習以太網(wǎng)互換機能通過讀取傳送包的源MAC地址和記錄幀進入互換機的端口來學習網(wǎng)絡(luò)上每個設(shè)備的地址。然后，互換機把該信息加到它的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫（MAC地址表）中。地址是動態(tài)學習的。這意味著，當讀取新的MAC地址時它們被學習并存儲在CAM（content-AddressableMemory,內(nèi)容可尋址存儲器）中。工作過程中，假如讀取到在CAM中沒有登記學習的源地址時，此MAC地址被學習并存儲到CAM中以備未來使用。每次存儲地址時，地址被打上一種時間標識，假如在一段時間內(nèi)都沒有使用過的MAC地址將從MAC列表中刪除，通過這個時間標識來保證刪除過時的地址和保持最新的地址。CAM維護了一種精確和有用的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫，即MAC地址表。2．轉(zhuǎn)發(fā)或濾除當主機A發(fā)一種幀給主機B時，由于目的MAC地址（主機B的MAC地址）已在MAC地址表中存在對應(yīng)項，故互換機將此幀直接轉(zhuǎn)發(fā)到B所在互換機的端口，并且互換機不會再將幀轉(zhuǎn)發(fā)往其他端口，這樣就節(jié)省了其他端口的帶寬。這就是所謂的轉(zhuǎn)發(fā)與過濾。不過對于廣播和組播，互換機一般是把廣播幀或組播幀向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，不管MAC地址與否完整。而一種互換機永遠學習不到廣播或組播地址，由于它們不會出目前一種幀的源地址中。因此第二層的互換機無法控制廣播域，用互換機分割的網(wǎng)段雖然處在不一樣的沖突域中，但仍然處在同一種廣播域中。因此，需要第三層設(shè)備（如路由器）來分割廣播域。3．防止循環(huán)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，冗余鏈路一般是必不可少的。但也因此帶來諸多的問題。A． 廣播風暴。防止循環(huán)機制可以通過阻塞（邏輯上）其中的某一端口（不容許接受幀和發(fā)送幀）來消除廣播風暴問題。B． 反復幀拷貝。由于冗余途徑的存在，主機也許會從不一樣的途徑接受到相