交换网络

交换网络的由来

直连网络的可扩展性

• 直连网络本质上是一种广播网络，共享链路，可扩展性很差
  • 结点数量、覆盖范围、性能受限
• 解决办法
  • 分割网络，引入交换技术
    • 交换，是允许互联链路以形成更大规模网络的机制
  • 广播 \(\to\) 单播，更强的扩展性
    • 通过交换机的互联，扩展结点数量、覆盖范围、性能

交换网络

• 设计目标
  • 数据只朝向目的节点方向传送 (转发, Forward)，引入交换结点
  • 转发规则是网络自己学习生成的，不需要外界参与
• 交换网络的三个主要部分
  • 数据帧转发
  • 学习结点位置
  • 生成树协议

网桥及数据帧转发

网桥

• 在数据链路层扩展局域网
  • 解决共享介质的分组转发问题，扩展LAN的物理范围
• 工作方式
  • 过滤（filtering）
    • 根据帧的目的地址决定一个帧应该转发到某个端口还是丢弃
    • 目的结点处于接收端口所连接的网段，丢弃
  • 转发（forwarding）
    • 根据帧的目的地址决定该将其导向哪个接口，将帧发送出去
  • 基于转发表/转发数据库（FDB）实现
• 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域
  • 连接异质链路
    • 互连不同物理层、不同速率的局域网
  • 消除碰撞、增加网络带宽
    • 单个网段100Mbps，一个网桥能传输100n Mbsp (n为网桥端口数）

数据帧转发

• 转发表/转发数据库(Forwarding DataBase, FDB)
  • 存储目的MAC地址到（出）端口的映射关系
• 对每个数据帧，在FDB中查找目的MAC地址对应的端口号
  • 若存在对应端口号，且与接收端口一致，丢弃（避免数据环路）
  • 若存在对应端口号，且不同于接收端口，从该端口将数据转发(单播)
  • 如果FDB中不存在对应条目，将该数据包从所有端口转发 (广播)

学习结点位置

每收一个新的数据帧，记录其源MAC地址和输入端口，将该映射关系写入FDB表

生成树协议

• 网络中存在冗余链路（提升网络健壮性等）
  • 网络拓扑由树状结构变成图状结构
  • 数据转发过程中，形成环路
• 解决办法
  • 为网络中每对源目的节点分配唯一确定的一条路径
  • 这些路径构成了一棵树 (生成树，Spanning Tree)
    • 覆盖所有顶点的无环子图

生成树算法

• 选择一个网桥作生成树的根
  • 如选一个最小序号的网桥
  • 根网桥总在它所有端口上转发分组
• 其它结点确定根端口
  • 每个网桥计算到根的最短路径，并记下路径经过它的哪个端口，将这个端口作为到根的优先路径
• 为每个局域网选指派网桥
  • 指派网桥负责向根网桥转发帧（网桥之间通过算法确定）
• 网桥彼此之间交换配置消息，包括三部分内容
  • 本网桥认定的根网桥的标识符
  • 从本网桥到根网桥的距离，以跳数来衡量
  • 正在发送信息的网桥的标识符

具体逻辑

1. 初始时，每个网桥都认为自己是根，从每个端口发出配置信息

   • B3 (B3, 0, B3 )

   • B5 (B5, 0, B5 )

2. 每个网桥收到配置消息时，确定是否优于自己的消息

   • 是，则保留，跳数加1，转发（向消息接收端口以外的其它所有端口）
   • 否则，丢弃

3. 优于

   • 根的标识符更小
   • 根相同，但有更小的距离 (跳数)
     
   • 根相同，跳数相同，发送者有更小的标识符

网桥端口状态

• Forwarding
• Blocking
  • 由生成树算法阻断它，网中某个网桥有问题时，可以自动打开，重新开始生成树算法
    • 某网桥故障时，下游网桥将不能接收到配置消息，在等待一指定时间后，它们重新宣布自己是根，根据生成树算法选出新的根和指派网桥
• Disabled
  • 软件上关掉

多接口网桥——以太网交换机

• 以太网交换机(switch)
  • 1990 年问世，可明显地提高局域网的性能
  • 通常都有十几个接口，实质上是一个多接口的网桥
  • 工作在数据链路层，常称为二层交换机
  • 每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式，主机独占带宽
  • 能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据
  • 使用专用的交换结构芯片，其交换速率较高

网桥的局限性

• 规模不能太大 (一般十几个LAN)
  • 生成树算法是线性扩展的，没有为扩展局域网提供分层结构
  • 网桥转发所有广播帧，容易造成广播风暴(广播在LAN较小时实用)
• 动态管理网络：限制广播范围、虚拟工作组、数据隔离…..
  • 虚拟局域网 (Virtual Lan, VLAN)

虚拟局域网 (Virtual Lan, VLAN)

• VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组

  • 这些网段具有某些共同的需求
  • 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN

• VLAN只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网

• 在以太网的帧格式中插入VLAN 标记(tag)

  • 一个 4 字节的标识符，指明发送该帧的工作站属于哪一个VLAN

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总结

• 连接方式
  • 集线器 -> 交换机
• 数据传输方式
  • 广播 -> 单播
• 链路共享机制
  • 每个（全双工）链路只有两个节点，不需要CSMA/CD
• 拓扑特征
  • 层次结构树
  • 冗余链路的网络：生成树拓扑