交換機(jī)工作原理

南京曉莊學(xué)院本科生學(xué)士學(xué)位論文論文名稱：互換機(jī)的構(gòu)造與工作原理院系：信息技術(shù)學(xué)院班級(jí)：05網(wǎng)絡(luò)本姓名：蘇志榮學(xué)號(hào)：05413316指導(dǎo)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(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，分析了互換機(jī)的各層工作原理。關(guān)鍵詞：互換機(jī)工作原理互換機(jī)工作構(gòu)造互換機(jī)特性?；Q機(jī)的構(gòu)造和工作原理一、概述“互換”和“互換機(jī)”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(shí)?？吹接腥嗽陔娫挋C(jī)旁狂搖幾下（注意不是撥號(hào)），然后就說：給我接XXX，話務(wù)員接到規(guī)定后就會(huì)把對應(yīng)端線頭插在要接的端子上，即可通話。其實(shí)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(jī)系統(tǒng)，不是自動(dòng)的，也不是我們所指的計(jì)算機(jī)互換系統(tǒng)。互換機(jī)的重要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流量控制。目前某些高檔互換機(jī)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(jī)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(jī)只有單一類型的端口，適合中小企業(yè)或個(gè)人顧客使用，而模塊化互換機(jī)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(jī)適合部門級(jí)以上級(jí)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(shí)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(jī)的內(nèi)部構(gòu)造：1.共享內(nèi)存.各個(gè)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(gè)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(diǎn)陣列.每個(gè)端口有自己的內(nèi)存,內(nèi)部有一種交叉陣列.四、互換機(jī)的工作原理老式的互換機(jī)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(jī)。把路由技術(shù)引入互換機(jī)，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(jī)的新進(jìn)展。1、二層互換機(jī)原理二層互換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層互換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識(shí)別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)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(xì)的工作流程如下：（1）當(dāng)互換機(jī)從某個(gè)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(jī)器是連在哪個(gè)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(fù)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(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時(shí)，互換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目的MAC地址與哪個(gè)端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了。不停的循環(huán)這個(gè)過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層互換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。2、三層互換機(jī)的原理從硬件的實(shí)現(xiàn)上看，目前，第二層互換機(jī)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(jī)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(jī)將老式的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：(1)．?dāng)?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(shí)現(xiàn)；(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由確實(shí)定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn)。假設(shè)有兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)，通過第三層互換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，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(gè)站點(diǎn)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(gè)IP地址實(shí)際上對應(yīng)第三層互換機(jī)的第三層互換模塊。當(dāng)A對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP地址廣播出一種ARP祈求時(shí)，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(fù)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(fù)其MAC地址，第三層互換模塊保留此地址并答復(fù)給發(fā)送站A。后來，當(dāng)再進(jìn)行A與B之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將用最終的目的站點(diǎn)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(jī)的特性1．地址學(xué)習(xí)以太網(wǎng)互換機(jī)能通過讀取傳送包的源MAC地址和記錄幀進(jìn)入互換機(jī)的端口來學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)設(shè)備的地址。然后，互換機(jī)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(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)的。這意味著，當(dāng)讀取新的MAC地址時(shí)它們被學(xué)習(xí)并存儲(chǔ)在CAM（content-AddressableMemory,內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器）中。工作過程中，假如讀取到在CAM中沒有登記學(xué)習(xí)的源地址時(shí)，此MAC地址被學(xué)習(xí)并存儲(chǔ)到CAM中以備未來使用。每次存儲(chǔ)地址時(shí)，地址被打上一種時(shí)間標(biāo)識(shí)，假如在一段時(shí)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(gè)時(shí)間標(biāo)識(shí)來保證刪除過時(shí)的地址和保持最新的地址。CAM維護(hù)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?yàn)V除當(dāng)主機(jī)A發(fā)一種幀給主機(jī)B時(shí)，由于目的MAC地址（主機(jī)B的MAC地址）已在MAC地址表中存在對應(yīng)項(xiàng)，故互換機(jī)將此幀直接轉(zhuǎn)發(fā)到B所在互換機(jī)的端口，并且互換機(jī)不會(huì)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(jī)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(jī)永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)不到廣播或組播地址，由于它們不會(huì)出目前一種幀的源地址中。因此第二層的互換機(jī)無法控制廣播域，用互換機(jī)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(jì)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(fēng)暴。防止循環(huán)機(jī)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(fēng)暴問題。B． 反復(fù)幀拷貝。由于冗余途徑的存在，主機(jī)也許會(huì)從不一樣的途徑接受到相