三层交换基础.doc

“交换”一词最初来源于电话交换，在电话网中使用程控交换机来完成线路的选择和连接，这是一种电路交换技术。本文中的“交换”是指数据通信领域的数据报交换技术，主要通过储存/转发的方式来完成数据报文的传输。 根据国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互联参考模型（OSI-RM），依据二层（链路层）信息进行数据帧转发的称为二层交换，仅支持二层交换的交换机称为二层交换机；依据三层（网络层）信息进行数据包转发的称为三层交换，支持三层交换的交换机称为三层交换机。本文主要根据以太网互连技术的演进来介绍二、三层交换的相关基础知识。 共享式以太网互连 以太网采用CSMA/CD机制，这种冲突检测方法使得以太网可以使用共享总线型的连接方式。最初的局域网搭建采用HUB或者同轴电缆将同一网络的主机互连起来，如图1所示。 图1 共享式以太网互连 HUB与同轴电缆都是典型的物理层设备，所有互连的设备位于一个冲突域中，当网络流量较小时，冲突较少发生，利用冲突检测机制已经可以较好的保证通信质量；但是当网络流量增加到一定程度时，将导致冲突不断，网络的吞吐量受到严重影响，数据也可能频繁的由于冲突而被拒绝发送。二层交换机的出现有效的解决了这个问题，大大的减小了冲突域的范围。 二层交换原理 二层交换机工作在OSI模型的第二层，即数据链路层，它对数据包的转发是建立在链路层信息——MAC（Media Access Control ）地址基础之上的，它的内部一般使用称为ASIC（Application Specific Integrated Circuit ）的硬件芯片来实现转发，同时由于是硬件转发，其转发性能非常高。二层交换机不同的端口发送和接收数据独立，各端口属于不同的冲突域，因此有效地隔离了网络中物理层冲突域，使得通过它互连的主机（或网络）之间不必再担心流量大小对于数据发送冲突的影响，典型的组网结构如图2所示。 图2 多台主机通过二层交换机互连 由于二层交换机的转发依据是MAC地址，下面先简单介绍一下这个概念。 MAC地址简介 在每个以太网帧的帧头，都包含有一个目的MAC地址和一个源MAC地址，它的作用是标志帧的源节点和目的节点的物理地址。一个MAC地址有48bit（6个字节），从应用上可以分为单播地址、 组播地址、广播地址： 1）单播地址：第1字节的最低位为0，比如0000-0EF3-0038，一般用于标志唯一的设备； 2）组播地址：第1字节的最低位为1，比如0100-5E00-0001，一般用于标志同属一组的多个设备； 3）广播地址：所有48bit全为1，即FFFF-FFFF-FFFF，它用于标志同一网段中的所有设备。 在常用的以太网帧结构中，目的、源MAC的位置如图3所示。 图3 常见的以太网帧结构 二层交换基本原理 二层交换机通过解析和学习以太网帧的源MAC来维护MAC地址与端口的对应关系（保存MAC与端口对应关系的表称为MAC表），通过其目的MAC来查找MAC表决定向哪个端口转发，基本流程如下： 1）二层交换机收到以太网帧，将其源MAC与接收端口的对应关系写入MAC表，作为以后的二层转发依据。如果MAC表中已有相同表项，那么就刷新该表项的老化时间。MAC表表项采取一定的老化更新机制，老化时间内未得到刷新的表项将被删除掉； 2）根据以太网帧的目的MAC去查找MAC表，如果没有找到匹配表项，那么向所有端口转发（接收端口除外）；如果目的MAC是广播地址，那么向所有端口转发（接收端口除外）；如果能够找到匹配表项，则向表项所示的对应端口转发，但是如果表项所示端口与收到以太网帧的端口相同，则丢弃该帧。 从上述流程可以看出，二层交换通过维护MAC表以及根据目的MAC查表转发，有效的利用了网络带宽，改善了网络性能。图4是一个二层交换的示例。 图4 二层交换示例 二层交换机的MAC地址老化和刷新通常直接由硬件ASIC芯片来完成，这里顺便介绍一下其通常采用的机制： 1）在芯片中储存的每一个动态添加的MAC地址表项都有一个 1 bit 长度的老化标志，同时芯片有一个老化定时器用于控制地址老化； 2）对于新学习到的MAC地址表项，其老化标志位置1；对于已经学习到的MAC表项，如果后续有报文的源MAC与表项相同，那么将其老化标志位刷新为1； 3）每当芯片的老化定时器超时后，将MAC地址表中老化标志位等于1的项目，修改其老化标志位等于0；对于MAC地址表中老化标志位等于0的项目，直接删除。 在这样的老化更新机制下，MAC地址的实际老化时间并不是精确的，而是一个范围：1～2倍的老化定时器时间。 二层交换机虽然能够隔离冲突域，但是它并不能有效的划分广播域。因为从前面介绍的二层交换机转发流程可以看出，广播报文以及目的MAC查找失败的报文会向所有端口转发，当网络中的主机数量增多时，这种情况会