交换式局域网

1. 共享式以太网

共享式以太网的典型代表是使用10 Base−2/10 Base−5的总线型网络和以集线器（集线器）为核心的星型网络。在使用集线器的以太网中，集线器将很多以太网设备集中到一台中心设备上，这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中。从本质上讲，以集线器为核心的以太网同原先的总线型以太网无根本区别。

共享式以太网存在的弊端：由于所有的节点都接在同一冲突域中，不管一个帧从哪里来或到哪里去，所有的节点都能接受到这个帧。随着节点的增加，大量的冲突将导致网络性能急剧下降。而且集线器同时只能传输一个数据帧，这意味着集线器所有端口都要共享同一带宽。

共享式以太网中出现的几个术语：

（1）冲突/冲突域。

冲突（Collision）：在以太网中，当两个数据帧同时被发到物理传输介质上，并完全或部分重叠时，就发生了数据冲突。当冲突发生时，物理网段上的数据都不再有效。

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。

影响冲突产生的因素：冲突是影响以太网性能的重要因素，由于冲突的存在使得传统的以太网在负载超过40%时，效率将明显下降。产生冲突的原因有很多，如同一冲突域中节点的数量越多，产生冲突的可能性就越大。此外，诸如数据分组的长度（以太网的最大帧长度为1 518字节）、网络的直径等因素也会影响冲突的产生。因此，当以太网的规模增大时，就必须采取措施来控制冲突的扩散。通常的办法是使用网桥和交换机将网络分段，将一个大的冲突域划分为若干小冲突域。

（2）广播/广播域。

广播：在网络传输中，向所有连通的节点发送消息称为广播。

广播域：网络中能接收任何一设备发出的广播帧的所有设备的集合称为广播域。

广播和广播域的区别：广播网络指网络中所有的节点都可以收到传输的数据帧，不管该帧是否是发给这些节点的。非目的节点的主机虽然收到该数据帧但不做处理。广播是指由广播帧构成的数据流量，这些广播帧以广播地址（地址的每一位都为“1”）为目的地址，告之网络中所有的计算机接收此帧并处理它。

随着局域网设备数量的不断增加，用户访问网络也变得更加频繁，为了解决传统以太网的冲突域问题，局域网从共享介质方式发展到交换式局域网。

2. 交换式以太网

用交换机连接的以太网就叫交换式以太网。在交换式以太网中，交换机根据收到的数据帧中的MAC地址决定数据帧应发向交换机的哪个端口。因为端口间的帧传输彼此屏蔽，因此节点就不担心自己发送的帧在通过交换机时是否会与其他节点发送的帧产生冲突。

1）使用交换式网络替代共享式网络的原因

（1）减少冲突：交换机将冲突隔绝在每一个端口（每个端口都是一个冲突域），避免了冲突的扩散；

（2）提升带宽：接入交换机的每个节点都可以使用全部的带宽，而不是各个节点共享带宽。

2）交换机的工作原理

（1）当交换机从某个端口收到一个数据帧，它先读取帧头中的源MAC地址，这样它就知道了源MAC地址和端口的对应关系，然后查找MAC表，有没有源地址和端口的对应关系，如果没有，则将源地址和端口的对应关系记录到MAC地址表中；如果已经存在，则更新该表项；

（2）再去读取帧头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

（3）如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据帧直接复制到这端口上；如果目的MAC地址和源MAC地址对应同一个端口，则不转发；

（4）如表中找不到相应的端口则把数据帧广播到除接收端口外的所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以记录这一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。

案例：使用Tracer软件模拟交换式以太网，分析MAC地址表的构建过程

步骤1：启动Packet Tracer 5.3软件，单击“交换机”类型，拖动“2960”交换机到工作区域。

步骤2：在右侧工具栏单击“放大镜”，单击“2950−24”交换机，选择“MAC Table”，如图4−14所示。

图4−14 交换机初始MAC地址表

提示：在网络初始化时，交换机的MAC地址表是空的。

步骤3：单击“终端设备”类型，拖动选择“Generic”主机4台到工作区域。

步骤4：单击“Connections”类型，单击选择“Copper Straight-Through”直通线，单击“PC0”选择“Fast Ethernet”端口将连线指向Swtich交换机单击选择“Fast Ethernet0/1”端口。照此方法实现PC1、PC2和PC3到Swtich交换机的连接，如图4−15所示。

图4−15 交换机原理拓扑图

步骤5：单击“PC0”选择“桌面”选项卡，单击“IP 配置”，设置IP地址为“192.168.1.1”，子网掩码“255.255.255.0”。按此方法，将PC1、PC2和PC3的IP地址分别设置为“192.168.1.2”“192.168.1.3”和“192.168.1.4”，子网掩码同为“255.255.255.0”。

步骤6：四台PC机之间互相发送ping命令。

步骤7：查看“MAC Table”地址表，也可以进入交换机显示MAC地址表。单击“2960”交换机，选择“命令行”选项卡，进入交换机命令行模式。输入如下命令：Switch>#show mac-address-table，显示MAC地址表，如图4−16所示。

图4−16 交换机MAC地址

3）交换机的三个主要功能

（1）学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

（2）转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

（3）消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

4）交换机的工作特性

（1）交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。

（2）交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播（唯一的例外是在配有VLAN的环境中）。

（3）交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备。

5）交换机的工作模式

（1）存储转发方式。存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。采用这种方式，所有的正常帧都可以通过，而残帧和超常帧都被交换机隔离。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

（2）直通交换方式。采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于它只检查数据包的包头（通常只检查14个字节），不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点（所谓延迟（Latency）是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间）。

（3）碎片隔离方式。这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512 bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，比直通式慢，但由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。

6）用交换机组建办公室网络

以交换机为网络中心的网络称为交换式网络。所连网络端口带宽独享，有效的隔离了冲突但所有端口仍然属于同一个广播域，易产生广播风暴。所以交换机连接的网络有一个广播域和多个冲突域，如图4−17所示。

图4−17 广播域和多个冲突域