以太网交换原理

3.1.1　以太网交换原理

在以太网交换技术出现以前，以太网采用了共享型以太网技术。共享型以太网主要由网卡、集线器、中继器、传输介质等构成。由于受到CSM A/CD访问控制技术的制约，整个共享型以太网处在一个冲突域范围，使得整个网络中的所有服务器和工作站只能共享网络的带宽。如果一个共享型以太网的带宽为10Mbps，网络中服务器和工作站的总数（也称为节点数）为n，那么实际上每个服务器或工作站能够得到的平均带宽只是10/n Mbps。近几年随着计算机网络的广泛应用，网络规模和节点数在不断地增加，如果继续采用这种共享型以太网技术，随着节点数n的增加，每个节点所能够获得的平均带宽将越来越小，网络上的冲突将越来越严重，结果将无法满足网络新应用（如视频信息、多媒体信息等的传输）对网络带宽的要求。

以太网交换机技术的出现，为解决共享型以太网的带宽问题提供了有效的方法。从本质上来讲，以太网交换技术是一种以太网桥接技术，在以太网交换技术中所使用的以太网交换机实际上也是一种多端口的智能网桥。为了更好地了解以太网交换技术，这里先介绍一下网桥（Bridge）及桥接技术。

1．网桥与桥接技术

图3-1　网桥应用实例

网桥是一种工作在数据链路层和物理层的网络设备，主要用于连接两个局域网。而在20世纪80年代中期，网桥主要用在不同局域网间进行数据的转发，解决不同网络中数据帧的转换。从工作原理上来看，连接两个以太网的网桥依据以太网帧头部中的介质访问控制地址（即M AC地址）来确定是否对其进行过滤或转发，并不关心网络层数据的内容。因此网桥可以同等地复制IP，IPX或者其他的分组。在以太网中采用的网桥多数是透明网桥（Transparent Bridge），之所以称之为“透明”，是因为它可以放在网络中，而不用改变任何通过它的以太网帧中的M AC地址。如图3-1所示是一个使用网桥连接两个局域网的实例。

网桥的基本工作是接收、存储、转发帧到与其连接的LAN上，其主要的操作过程如下：

●　侦听每个端口上的每个帧。

●　对其接收到的每个帧，将它的源M AC地址以及接收它的端口号存储到站缓冲区（Station Cache）中。

●　查看接收到的每个帧的目的M AC地址，如果在站缓冲区中找不到该M AC地址，就将该帧转发到除接收该帧的端口以外的所有其他端口。如果在站缓冲区中能够找到该M AC地址，就将该帧转发到其对应的端口中去。如果发现源M AC地址和目的M AC所对应的端口相同，则将该帧丢弃，以免产生重复的帧。

站缓冲区中还存储了每个表项的生存时间，如果一个源M AC地址对应的表项没有接收到帧的时间超过了一定时间，该表项就会被删除，以确保一台工作站从一个网段移到另一个网段后，网桥能够在一段时间后将旧的位置删除。

从以上网桥的操作过程中可以看出，网桥能够阻止一个局域网的报文传输到另外一个局域网中去，从而缩小了冲突域，增加了网络的带宽，提高了网络的性能。

2．生成树协议

图3-2　LAN间有多条桥接链路的网络

如果在图3-1中的LAN1和LAN2之间再增加一个网桥，这个网桥同样连接LAN1与LAN2，如图3-2所示。我们知道，如果不同网段之间存在多条连接路径，当其中的一条路径由于某种原因出现故障时，另外一条路径就可以继续维持LAN1与LAN2之间的报文传输。接下来分析一下如图3-2所示的网络中网桥X和Y的工作情况。

在网络刚启动的时候，网桥X和Y中的站缓冲区均为空。当LAN1中的工作站A发送一个帧时，网桥X和Y均会收到该帧，由于它们的站缓冲区为空，因此它们均会将该帧转发到LAN2中，但是网桥X和Y总有一个先将该帧转发到LAN2上，假设是X先转发。这样网桥Y就会在LAN2中接收到由工作站A发出的帧，因此Y就会认为工作站A位于LAN2中，进而将帧转发到LAN1上，而网桥X又将它转发到LAN2上，形成了一个非常坏的环路。

为了让这样一种存在冗余链路的网络也能够正常地工作，网桥的提供者实现了一种生成树协议（Spanning-Tree Protocol，简称STP协议）。该协议的作用是通过查找计算在存在冗余链路的网络中标识出一条无环链路，作为工作链路，并临时屏蔽非工作链路中的网桥端口。如果工作链路出现了故障导致帧不能通过，生成树协议将重新计算出一条新的无环链路，并改变临时屏蔽的网桥端口。

3．以太网交换技术

当前组建的以太网中，交换机和路由器已经替代了原来的网桥和集线器，成为了以太网中的主要设备。因为网桥和集线器等网络设备已经远远满足不了20世纪90年代以来快速发展起来的Internet、多媒体组播等应用对网络性能和带宽的高要求。

以太网交换技术是为终端用户提供专用点对点连接，它把传统以太网一次只能为一个用户服务的独占式网络结构，转变成一个平行处理系统，为每个用户提供了一条交换通道，把它们连接到一个高速背板总线，所有连接在端口中的设备均可获得10Mbps或100Mbps的带宽。

以太网交换机的工作基础是网桥，也就是说M AC地址同样是交换机进行报文转发的重要依据，交换机同样工作在第二层即数据链路层上。通常情况下，也会将交换机理解为多端口的网桥。但无论是早期的交换机还是目前流行的各种中高档交换机，在技术和性能方面均比网桥有了很大的突破和提高。

图3-3给出了交换机基本原理，从这个图中可以看出交换机与网桥之间存在着非常密切的联系，交换机的每个端口均可被看成是一个网桥，网桥的一端作为交换机的端口连接独立的网络，而这些网桥的另一端在交换机内部通过一定的形式全部连接在一起。交换机所承担的工作就是从一个端口接收到帧后，根据帧所包含的目的M AC地址选择目的端口进行转发。交换机为了能够正确地对帧进行转发，必须维护一个端口地址表，该端口地址表与网桥中的站缓冲区功能相同，记录了每个端口中所连接的网络中的计算机和网络设备的M AC地址，交换机中的所有端口（网桥）共享这个端口地址表。因此，当交换机中某个端口中接收到一个帧时，将首先根据其目的M AC地址检索交换机的端口地址表，确定应该将该帧从哪个端口转发出去。同时也根据网桥的原理对端口地址表进行维护，及时记录每个端口中接收到的源M AC地址。

图3-3　交换机基本原理示意图

交换机中各端口之间的连接有多种实现方法，稍后将介绍交换机内部结构及报文转发的实现方法。