第4章 交換型以太網(wǎng)

本章首先介紹以太網(wǎng)從共享型到交換型的變遷,并介紹交換型以太網(wǎng)的特點(diǎn)和以太網(wǎng)交換器的工作原理。然后比較詳細(xì)地介紹以太網(wǎng)交換器的結(jié)構(gòu)、交換方式、分類和典型應(yīng)用。

4.1 概述

1.共享型以太網(wǎng)：

（1）由網(wǎng)卡、集線器/中繼器、媒體三部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的帶寬只有10Mbps，處在一個(gè)沖突域范圍。

（2）假設(shè)某系統(tǒng)共有n=20個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬則為：10Mbps/20=0.5Mbps。

（3）共享型以太網(wǎng)存在的問題是：

受到CSMA/CD的約束，一個(gè)碰撞域的帶寬是固定的；

在一個(gè)碰撞域的系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬為：系統(tǒng)帶寬/n；（n為節(jié)點(diǎn)數(shù)）

在一個(gè)碰撞域的系統(tǒng)中，可以是一個(gè)工作組，也可是多個(gè)工作組；

在多個(gè)工作組的碰撞域中，每個(gè)工作組的數(shù)據(jù)流廣播到系統(tǒng)中所有的站，安全性不好。覆蓋范圍受到限制。

2.交換型以太網(wǎng)：

可解決共享型以太網(wǎng)的不足。

4.2 交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.2.1 系統(tǒng)的特點(diǎn)

交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)中的交換型集線器，也稱以太網(wǎng)交換器，以其為核心連接站點(diǎn)或者網(wǎng)段。

交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）每個(gè)端口可以連接網(wǎng)段，也可連接站點(diǎn)。每個(gè)端口獨(dú)享10Mbps的帶寬；

（2）系統(tǒng)的最大帶寬可達(dá)到端口帶寬的n倍；

（3）交換器連接了多個(gè)網(wǎng)段，網(wǎng)段上運(yùn)作都是獨(dú)立的，被隔離的。但如果需要的話，獨(dú)立網(wǎng)段之間通過其端口也可建立暫時(shí)的數(shù)據(jù)通道。

（4）被交換器隔離的獨(dú)立網(wǎng)段上數(shù)據(jù)信息流不會(huì)隨意廣播到其它端口上去。

4.2.2 以太網(wǎng)交換器工作的邏輯機(jī)理

特點(diǎn)：

（1）交換器上可同時(shí)多個(gè)數(shù)據(jù)通道并存；

（2）端口間既隔離又連接；

（3）上圖中共有30個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果采用雙工的方式，同時(shí)最多可通15個(gè)數(shù)據(jù)通道；

（4）從上圖可看到，各端口信息流是被隔離的，如果要連通，必須進(jìn)行控制，方可交互。

4.3 以太網(wǎng)交換器的結(jié)構(gòu)

共有四種不同的結(jié)構(gòu)：

1.軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)

2.矩陣交換結(jié)構(gòu)

3.總線交換結(jié)構(gòu)

4.共享存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)

4.3.1 軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)

4.3.2 矩陣交換結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)

（1）地址表：地址——輸入/輸出端口

（2）利用硬件交換，結(jié)構(gòu)緊湊，交換速度快，時(shí)延小；

（3）不易于簡(jiǎn)單堆疊和集成。

（4）使用廣泛，如：ATM。

注意：

（1）當(dāng)輸入端口與輸出端口相等時(shí)，不會(huì)發(fā)生阻塞；

（2）當(dāng)輸入端口多于輸出端口時(shí)，就會(huì)發(fā)生阻塞；

（3）為避免幀的丟失，必須增加緩沖區(qū)。

4.3.3 總線交換結(jié)構(gòu)

總線交換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

1.便于疊堆擴(kuò)展；

2.容易監(jiān)控和管理

3.容易實(shí)現(xiàn)幀的廣播；

4.容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入對(duì)一個(gè)輸出，即客戶機(jī)—服務(wù)器的方式。

4.3.4 共享存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)：

（1）使用大量的高速RAM來輸入數(shù)據(jù)；

（2）輸入輸出會(huì)產(chǎn)生時(shí)延；

（3）交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

（4）冗余結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；

（5）適合小型交換器。

4.4 以太網(wǎng)交換器的交換方式

4.4.1 靜態(tài)交換與動(dòng)態(tài)交換

1.靜態(tài)交換

端口間的通道連接是事先人工預(yù)定的。端口間并沒有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段的隔離。被稱為“端口交換機(jī)”。

2.動(dòng)態(tài)交換

（1）是基于網(wǎng)橋工作機(jī)理的交換方式，根據(jù)透明網(wǎng)橋工作機(jī)理，動(dòng)態(tài)交換端口間通道的形成是基于MAC地址的操作，根據(jù)輸入端口上幀的目的地址來查看交換器中自學(xué)習(xí)生成的端口——地址表后，就能決定端口間的連接，形成幀傳送通道。

（2）一次連接只能傳送一幀。

（3）動(dòng)態(tài)交換方式又分為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和穿通兩種方式。

4.4.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式
特點(diǎn)：
（1）交換時(shí)間長。每一幀必須全部接收完成后，才檢查地址，再送出去；還需要串/并轉(zhuǎn)換。
（2）可*性高。輸入、輸出都要進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)。
4.4.3 穿通交換方式
特點(diǎn)：
（1）當(dāng)輸入端收到幀的開始6個(gè)字節(jié)后，交換器根據(jù)目的地址查端口——地址表，獲得輸出端地址后，就把整個(gè)幀導(dǎo)向輸出端口；縮短了時(shí)延。
（2）可*性不高；
（3）適用于鏈路可*性高的環(huán)境中。
（4）穿通交換方式/存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)共用，先采用穿通交換方式，若鏈路可*性差，則自動(dòng)轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。得到最大的交換器的效率。
4.5 以太網(wǎng)交換器的分類
1.分類：
（1）單臺(tái)（不可堆疊）
（2）可堆疊集成
（3）廂體模塊
2．各類的使用
（1）單臺(tái)（不可堆疊）
只能單臺(tái)使用
（2）可堆疊交換器
可單臺(tái)使用
多臺(tái)堆疊使用時(shí)，必須在外部附加一個(gè)集成裝置。
（3）廂體模塊
三個(gè)優(yōu)點(diǎn)
維修方便。每一個(gè)模塊可以熱插拔。
高可*性。 電源備份； 可采用無源母板；有備用交換引擎。
系統(tǒng)集成和配置靈活。
4.6 以太網(wǎng)交換器的典型應(yīng)用
1.以太網(wǎng)應(yīng)用的分類
（1）群組
（2）部門
（3）主干
群組部門主干
架構(gòu)單臺(tái)可疊堆集成廂體模塊式
典型端口數(shù)8、12、2412-24，可成倍擴(kuò)展12/模塊，可成倍擴(kuò)展
端口傳輸率10/100Mbps10/100Mbps，1Gbps100Mbps，1Gbps
高速端口1~2個(gè) 100Mbps1Gbps，ATM接服務(wù)器或干線1Gbps，ATM
支持其它網(wǎng)絡(luò)FDDI，ATM
支持L3路由可能支持可能支持
典型背板帶寬100~200Mbps4Gbps10Gbps以上
典型組網(wǎng)群組桌面聯(lián)網(wǎng)小型樓宇或園區(qū)系統(tǒng)干線大中型樓宇或園區(qū)系統(tǒng)
干線
2.各種典型應(yīng)用
（1）群組
一般集中在一個(gè)辦公室，也可能在一個(gè)樓層，數(shù)據(jù)在一個(gè)小范圍交互。
在這類交換機(jī)中，必須設(shè)置高速端口（如100Mbps），客戶機(jī)獨(dú)享10Mbps或者共享集線器的10Mbps，也可在交換機(jī)和站點(diǎn)之間在配置一種稱為“端口交換機(jī)”的設(shè)備，“端口交換機(jī)”的設(shè)備采用靜態(tài)交換方式，可人工靈活組合站點(diǎn)共享端口的10Mbps帶寬。

（2）部門

對(duì)于小型樓宇或者小型園區(qū)的應(yīng)用環(huán)境來說，除配置面向連接客戶站群組交換器外，還需配置組成系統(tǒng)干線的交換器。

部門以太網(wǎng)交換器另一個(gè)特點(diǎn)是可堆疊以擴(kuò)展交換器的端口和帶寬。

（3）主干交換器

在中、大型樓宇或園區(qū)應(yīng)用環(huán)境中，一般配置功能很強(qiáng)、性能很好的主干交換器。主干交換器具有廂式體架構(gòu)。其模塊上端口傳輸率通常為100Mbps或1000Mbps。

有的廂體除支持以太網(wǎng)外，還可插入FDDI模塊，甚至還可插入ATM模塊，因此交換器背板帶寬可達(dá)10Gbps。

4.7 全雙工以太網(wǎng)

4.7.1 全雙工以太網(wǎng)技術(shù)的重要性

（1）雖然交換其本身工作已不受CSMA/CD的約束，但站點(diǎn)到交換器或交換器之間如果還采用半雙工以太網(wǎng)傳輸?shù)脑挘敲淳W(wǎng)段還是受到CSMA/CD的約束，使網(wǎng)段的媒體長度受到限制，尤其是在高速率情況下。

（2）鑒于以上情況，采用了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)。

4.7.2 全雙工以太網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）全雙工端口上采用兩根傳輸線，收發(fā)分開；

（2）全雙工以太網(wǎng)不受沖突域的限制，只于媒體衰耗有關(guān)；

（3）全雙工以太網(wǎng)的傳輸帶寬可提高一倍；

（4）在10Mbps端口傳輸率情況下，只有10BASET及10BASEFL支持全雙工以太網(wǎng)；

（5）在100Mbps快速以太網(wǎng)情況下，除100BASET4外，其他都支持全雙工以太網(wǎng)。

4.7.3 全雙工以太網(wǎng)的組網(wǎng)應(yīng)用