以太網(wǎng)交換機還是比較常用的，于是我研究了一下以太網(wǎng)交換機及其設(shè)備，在這里拿出來和大家分享一下，希望對大家有用。在二層交換網(wǎng)中應用最廣泛的是采用IEEE 802.3標準的以太網(wǎng)（Ethernet）。目前，全世界的局域網(wǎng)90%以上是采用以太網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)的。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)進入接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域。在本講中，筆者提出了以太網(wǎng)交換機技術(shù)中存在虛電路的新觀點。

1 以太網(wǎng)的分類

以太網(wǎng)的特點是多個數(shù)據(jù)終端共享傳輸總線。以太網(wǎng)交換機按其總線的傳輸速率可劃分為10 Mbit/s以太網(wǎng)、100 Mbit/s以太網(wǎng)、1 000 Mbit/s（吉比特）以太網(wǎng)以及10 Gbit/s以太網(wǎng)等；以太網(wǎng)按其總線的傳輸介質(zhì)可劃分為同軸電纜以太網(wǎng)、雙絞線以太網(wǎng)以及光纖（多模、單模）以太網(wǎng)。

2 載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）協(xié)議

共享式以太網(wǎng)交換機的核心思想是多個主機共享公共傳輸通道。在電話通信中采用了時分、頻分或碼分等方法，使多個用戶終端共享公共傳輸通道。但在數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)是突發(fā)性的，若占用固定時隙、頻段或信道進行數(shù)據(jù)通信，會造成資源上的浪費。若多個主機共享公共傳輸通道（總線）而不采取任何措施，必然會產(chǎn)生碰撞與沖突。CSMA/CD協(xié)議正是為解決多個主機爭用公共傳輸通道而制定的。

（1） 載波偵聽多路訪問（CSMA）

每個以太網(wǎng)幀（MAC幀）均有源主機和宿主機的物理地址（MAC地址）。當網(wǎng)上某臺主機要發(fā)送MAC幀時，應先監(jiān)聽信道。如果信道空閑，則發(fā)送；如果發(fā)現(xiàn)信道上有載波（指基帶信號），則不發(fā)送，等信道空閑時立即發(fā)送或延遲一個隨機時間再發(fā)送，從而大大減少碰撞的次數(shù)。

（2） 碰撞檢測（CD）

對于碰撞檢測，在一般情況下，當總線上的信號擺動超過正常值時，即認為發(fā)生沖突。這種檢測方法容易出錯，因為信號在線路上傳播時存在衰耗，當兩個主機相距很遠時，另一臺主機的信號到達時已經(jīng)很弱，與本地主機發(fā)送的信號疊加時，達不到?jīng)_突檢測的幅度，就會出錯。為此，IEEE 802?郾3標準中限制了線纜的長度。目前，應用較多的沖突檢測方法是主機的發(fā)送器把數(shù)據(jù)發(fā)送到線纜上，該主機的接收機又把數(shù)據(jù)接收回來，然后與發(fā)送數(shù)據(jù)相比，判別是否一致。若一致，則無沖突發(fā)生；若不一致，則表示有沖突發(fā)生。

3 MAC幀格式

每一幀以7個字節(jié)的前導碼開始，前導碼為“1010”交替碼，其作用是使目的主機接收器時鐘與源主機發(fā)送器時鐘同步。緊接著是幀開始分界符字節(jié)“10101011”，用于指示幀的開始。

幀包括兩個地址：目的地址和源地址。目的地址最高位如為“0”，則表示普通地址；如為“1”，則表示組地址。地址的次高位用于區(qū)分是局部地址還是全局地址。局部地址由局部網(wǎng)絡(luò)管理者分配，離開這個局部網(wǎng)，該地址就毫無意義。全局地址由IEEE統(tǒng)一分配，以保證全世界沒有兩個主機具有相同的全局地址。允許大約有7×1013個全局地址。全局地址可用于全球性的MAC幀尋址。數(shù)據(jù)域長度給出數(shù)據(jù)域中存在多少個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其值為0～1 500。數(shù)據(jù)域長度為“0”是合法的，但太短的幀在傳送過程中可能會產(chǎn)生問題，其中一個原因就是：當主機檢測到?jīng)_突時，便停止發(fā)送，這時一部分數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送到線纜上，而目的主機卻無法簡單區(qū)分這是正確幀還是垃圾幀。為此，IEEE規(guī)定：正確長度必須大于64字節(jié)，如果小于64字節(jié)，那么必須用填充字段填充到幀的最小長度。

4 以太網(wǎng)的互聯(lián)

根據(jù)OSI 7層模型，以太網(wǎng)可以在低3層和高3層上互聯(lián)。實現(xiàn)互聯(lián)的網(wǎng)元設(shè)備有中繼器、集線器、網(wǎng)橋、路由器、交換機和網(wǎng)關(guān)。

4.1 中繼器

中繼器工作在OSI 7層模型的物理層。因為數(shù)字脈沖信號經(jīng)過一定距離的傳輸后，會產(chǎn)生衰耗和波形失真，在接收端引起誤碼。中繼器的作用是再生（均衡放大、整形）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，擴展局域網(wǎng)的范圍。中繼器工作在物理層，對高層協(xié)議是完全透明的。用中繼器相聯(lián)的兩個網(wǎng)絡(luò)，對鏈路層而言相當于一個網(wǎng)絡(luò)，中繼器僅起到擴展距離的作用，而不能提供隔離和擴展有效帶寬的作用。

4.2 集線器（Hub）

集線器就像一個星型結(jié)構(gòu)的多端口轉(zhuǎn)發(fā)器，每個端口都具有發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的能力。當某個端口收到連在該端口上的主機發(fā)來的數(shù)據(jù)時，就轉(zhuǎn)發(fā)至其它端口。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前，每個端口都對它進行再生、整形，并重新定時。

集線器可以互相串聯(lián)，形成多級星型結(jié)構(gòu)，但相隔最遠的兩個主機受最大傳輸延時的限制，因此只能串聯(lián)幾級。當連接的主機數(shù)過多時，總線負載很重，沖突將頻頻發(fā)生，導致網(wǎng)絡(luò)利用率下降。與中繼器一樣，集線器工作在OSI 7層模型的物理層，不能提供隔離作用，相當于一個多端口的中繼器。
 
4.3 網(wǎng)橋

網(wǎng)橋工作在OSI 7層模型的鏈路層（MAC層）。當一個以太網(wǎng)幀通過網(wǎng)橋時，網(wǎng)橋檢查該幀的源和目的MAC地址。如果這兩個地址分別屬于不同的網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)橋?qū)⒃揗AC幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)上，反之不轉(zhuǎn)發(fā)。所以，網(wǎng)橋具有過濾與轉(zhuǎn)發(fā)MAC幀的功能，能起到網(wǎng)絡(luò)間的隔離作用。對共享型網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)間的隔離意味著提高了網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。網(wǎng)橋最簡單的形式是連接兩個局域網(wǎng)的兩端口網(wǎng)橋。在多個局域網(wǎng)互聯(lián)時，為不降低網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬，可以采用多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機。但采用這些工作在鏈路層的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，存在以下缺點：

（1） 多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機只有簡單的路由表，當某一端口收到一個數(shù)據(jù)包，若設(shè)備根據(jù)其目的地址找不到對應的輸出端口時，即對所有端口廣播這個包，當網(wǎng)絡(luò)較大時易引起廣播風暴；

（2） 多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機無鏈路層協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，因此不能做到不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，例如以太網(wǎng)與X.25、FR、N-ISDN和ATM等網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

4.4 路由器

在路由器中存放有龐大而復雜的路由表，并能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲、負荷的改變及時維護該路由表。當路由器找不到某一端口輸入的數(shù)據(jù)包對應的輸出端口時，即刪除該包。因為路由器廢除了廣播機制，所以可以抑制廣播風暴。

4.5 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)工作在OSI 7層模型的高3層，即對話層、表示層和應用層。網(wǎng)關(guān)用于兩個完全不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，其特點是具有高層協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。網(wǎng)關(guān)最典型的應用是IP電話網(wǎng)關(guān)。IP電話網(wǎng)關(guān)將時分復用的64 kbit/s編碼話音和No?郾7共路信令轉(zhuǎn)換為IP包，送入Internet進行傳輸，從而使PSTN和Internet兩個完全不同的網(wǎng)絡(luò)可以互聯(lián)互通。

5 以太網(wǎng)交換機

5.1 以太網(wǎng)交換機的基本原理

大型網(wǎng)絡(luò)為了提高網(wǎng)絡(luò)的效率，需要將網(wǎng)絡(luò)在鏈路層上進行分段，以提高網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。對于小型網(wǎng)絡(luò)，可以利用網(wǎng)橋?qū)W(wǎng)絡(luò)進行分段；對于大型網(wǎng)絡(luò)，往往采用以太網(wǎng)交換機對網(wǎng)絡(luò)進行分段，即利用以太網(wǎng)交換機將一個共享型以太網(wǎng)分割成若干個網(wǎng)段。分段后的網(wǎng)絡(luò)稱為交換型以太網(wǎng)。在交換型以太網(wǎng)中，工作在每一網(wǎng)段中的主機對介質(zhì)的爭用仍采用CSMA/CD機制，而聯(lián)接各網(wǎng)段的交換機則采用路由機制。若某一共享型以太網(wǎng)帶寬為M，共帶有N臺主機，則每臺主機平均帶寬為M/N。若在該網(wǎng)內(nèi)引入一臺8端口的以太網(wǎng)交換機，將該網(wǎng)分割為8個網(wǎng)段，則每一網(wǎng)段帶寬仍為M，而總帶寬則拓寬至8M。

目前，大中型以太網(wǎng)中引入了多臺交換機的級聯(lián)工作方式。處在用戶級的交換機一般可做到1個端口接1臺主機，則該主機可享用所連接端口的全部帶寬，無需競爭網(wǎng)絡(luò)資源。
在以太網(wǎng)中引入交換機將網(wǎng)絡(luò)分段后，是否能使網(wǎng)絡(luò)容量無限擴大？答案是否定的。因為在以太網(wǎng)交換機中對MAC幀的尋址采用了廣播方式，網(wǎng)絡(luò)太大時易引起廣播風暴。這就需要有路由器對網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層上進行分段。路由器將計算機網(wǎng)分割成若干個子網(wǎng)，從而縮小了其底層以太網(wǎng)的廣播域，抑制了廣播風暴。

5.2 以太網(wǎng)交換機的路由方式

當該交換機中的某一個端口接收到一個MAC幀時，交換機的首要任務是根據(jù)該MAC幀的目的地址尋找輸出端口，然后向該輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)這個MAC幀。通常情況下，在以太網(wǎng)交換機中存有一張路由表，該表根據(jù)所接收MAC幀的目的地址，為每個MAC幀選擇輸出端口。

（1） 固定路由

固定路由是指交換機有一張人工配置的路由表，表上標明各端口及其所對應的目的地址。固定路由雖然不失為一種路由方式，但如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大，則配置路由表將變成一項很繁重的工作，再加上交換機所處的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會變更網(wǎng)絡(luò)配置或增刪主機，網(wǎng)絡(luò)管理員很難使路由表及時更新來適應拓撲結(jié)構(gòu)的變化。

（2） 自學習路由

在實際應用中，通常通過自學習方法來建立一張動態(tài)路由表，以自動適應網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。該動態(tài)路由表可在人工建立的路由表的基礎(chǔ)上，通過自學習過程不斷修改而得到。

所謂自學習，即是根據(jù)到達每一端口MAC幀的源地址來建立或刷新路由表。假設(shè)交換機從X端口收到一個MAC幀，檢查該MAC幀的源地址為A地址，則說明凡是目的地址為A地址的MAC幀，應該通過X端口轉(zhuǎn)發(fā)。從X端口收到源地址為A地址的MAC幀后，交換機控制部分檢查路由表。若路由表中目的地址一項無A地址，則在X端口對應的目的地址項中增加A地址內(nèi)容；若表中目的地址一項有A地址，但其對應端口為Y端口，則需修改路由表。由上可見，以太網(wǎng)交換機利用廣播幀和自學習的方法來建立路由表，一旦配置好路由表，后續(xù)的以太幀根據(jù)目的MAC地址（未使用標記）和路由表選擇路由，從而形成一條從源主機到目的 主機的虛電路。