以太网交换机及其相关协议

以太网交换机及其相关协议（一）一、阻抗匹配特征阻抗定义为传输线上一点的电压和电流之比，对均匀传输线来讲，V二Z二：丄,I o C oL C 为传输线单位长度的电感和电容。传输线上的阻抗不连续会导致信号反射，一个理想的 oo传输线模型如下图，理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动，传输线的特性阻 抗为Z0,负载阻抗为RL。nn源端屮價载喘卩理想的情况是当RO = ZO = RL时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，能量一半 消耗在源内阻R0上，另一半消耗在负载电阻RL上 （传输线无直流损耗）。如果负载阻抗大于 传输线的特性阻抗，那么负载端多余的能量就会反射回源端，由于负载端没有吸收全部能量， 故称这种情况为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，负载试图消耗比当前源端提 供的能量更多的能量，故通过反射来通知源端输送更多的能量，这种情况称为过阻尼。欠阻 尼和过阻尼都会引起反向传播的波形，某些情况下在传输线上会形成驻波。当Z二R时，负 oL 载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，这种情况称为临界阻尼。从系统设计的 角度来看，由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠适用的方式轻微的过阻尼，因为这种情 况没有能量反射回源端。负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端点）反射一部分信号R 一 Z回源端（A点），反射电压信号的幅值由负载反射系数决定，p =住二，反射系数是反l R + ZLo射电压和输入电压之比。-1W p W1，且当R =zo时，p =0,这时就不会发生反射。即，LLL只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅度可以 大到入射电压的幅度，极性可正可负。当 R Z 时， p Z 时， p 0，处于欠阻尼状态，反射波极性为正。L o L又将再次反射回负载端，形成二次反射波，此时当从负载端反射回的电压到达源端时_ R - Z反射电压的幅值由源反射系数p决定，pSSo。R + Zoo传输线的端接通常采用两种策略：（1）使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接（2） 使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。即如果负载反射系数或源反射系数二者任一为零， 反射将被消除。从系统设计的角度，应首选策略1，因其是在信号能量反射回源端之前在负载 端消除反射，即使p =0,因而消除一次反射，这样可以减小噪声、电磁干扰（EMI）及射频L干扰（RFI），而策略2则是在源端消除由负载端反射回来的信号，只是消除二次反射，由于 策略2实现简单方便，在许多应用中也被广泛采用。（ 1 ）并行端接 并行端接主要是在尽量靠近负载端的位置加上拉和/或下拉阻抗以实现终端的阻抗匹配， 根据不同的应用环境，并行端接又可分为以下几种类型：（ I ）简单的并行端接这种端接方式是简单地在负载端加入一下拉到GROUND的电阻R （ R = Z ）来实现匹配,TTo如下图所示。采用此端接的条件是驱动端必须能够提供输出高电平时的驱动电流以保证通过 端接电阻的高电平电压满足门限电压要求。在输出为高电平状态时，这种并行端接电路消耗 的电流过大，对于50 Q的端接负载，维持TTL高电平消耗电流高达48mA,因此一般器件很难可 靠地支持这种端接电路。Rr=Zn（II）戴维宁（Thevenin）并行端接戴维宁（Thevenin）端接即分压器型端接，如下图示。它采用上拉电阻R1和下拉电阻R2构成端接电阻，通过R1和R2吸收反射。R1和R2阻值的选取由下面的条件决定。R1的最大值由可接受的信号的最大上升时间（是RC充放电时间常数的函数）决定，R1的最小值由驱动源的吸电流数值决定。R2的选择应满足当传输线断开时电路逻辑高RR电平的要求。戴维宁等效阻抗可表示为：R =一。这里要求RT等于传输线阻抗Z0以达T R + R12到最佳匹配。此端接方案虽然降低了对源端器件驱动能力的要求，但却由于在VCC和GROUND 之间连接的电阻R1和R2从而一直在从系统电源吸收电流，因此直流功耗较大。匚匚(iii)主动并行端接s &在此端接策略中，端接电阻RT (RT Z0)将负载端信号拉至一偏移电压VBIAS，如下图所 示。VBIAS的选择依据是使输出驱动源能够对高低电平信号有汲取电流能力。这种端接方式需 要一个具有吸、灌电流能力的独立的电压源来满足输出电压的跳变速度的要求。在此端接方 案中，如偏移电压VBIAS为正电压，输入为逻辑低电平时有DC直流功率损耗，如偏移电压VBIAS 为副电压，则输入为逻辑高电平时有直流功率损耗。(IV)并行AC端接如图6所示，并行AC端接使用电阻和电容网络(串联RC)作为端接阻抗。端 接电阻R要小于等于传输线阻抗Z0,电容C必须大于lOOpF,推荐使用0.luF的多层陶瓷电容。 电容有阻低频通高频的作用，因此电阻R不是驱动源的直流负载,故这种端接方式无任何直流 功耗。寺寺源端的位置串行扌(2)串行端接串行端接是通过在尽量RS (典型1OO到750)到传输线 中来实现的，如下图所示。串行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串行电阻阻值加上驱动 源的输出阻抗应等于传输线阻抗。即这种策略通过使源端反射系数为零从而抑制从负载反射回来的信号再从源端反射回负载端。串行端接的优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消耗功率小。 当驱动高容性负载时可提供限流作用，这种限流作用可以帮助减小地弹噪声。串行端接的缺 点在于：当信号逻辑转换时，e由于Rs的分压作用，在源端会出现半波幅度的信号，这种半波 幅度的信号沿传输线传播至负载端，又从负载端反射回源端，持续时间为2TD （TD为信号源端 到终端的传输延迟），这意味着沿传输线不能加入其它的信号输入端，因为在上述2TD时间内 会出现不正确的逻辑态。并且由于在信号通路上加接了元件，增加了 RC时间常数从而减缓了 负载端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路（如高速时钟等）。（3）多负载的端接在实际电路中常常会遇到单一驱动源驱动多个负载的情况，这时需要根据负载情况及电 路的布线拓扑结构来确定端接方式和使用端接的数量。一般情况下可以考虑以下两种方案。 如果多个负载之间的距离较近，可通过一条传输线与驱动端连接，负载都位于这条传输线的 终端，这时只需要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线源端加入一串行电阻即可， 如下图所示。如采用并行端接（以简单并行端接为例），则端接应置于离源端距离最远的负载处，同 时，线网的拓扑结构应优先采用菊花链的连接方式，如下图所示：如果多个负载之间的距离较远，需要通过多条传输线牍动端连接，这时每个负载都需 要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线源端条传输线上均加入一串行电阻，如下 图所示：OnB25ns50ns75nsIlliIlliIlliIllilabl J9: Uplink Bus TimingSymbolSignalsDftscrJpHonRfrUllvd to ClockMinMaxUnitsFuPQ_RxClk f UP1 RxClkUP0_RClkUPl RxClkUplink bus receive clockH-ACore ClocK250MHzUCjPL 尺;cUlk尺；cUlkUP0_RClkUPl_RxClkUplink bus receive clock duty c/cleH-A4555%5JUPD_RxDalaUPD_RxSOFUPD RxDalaPUPO bus selup timeUPD_RxClk-0.5rtSThdUPD_RxDalaUPO_RxSOUPO RxDalaPUPO bus hold timeUPD_RxClk1.5nSTsuupi_rxdbih) 5U(UP1_RxS0F) 5U(UP1 RXDB1BP)UPl_RxDalaUP1_RxSOFUPl_RxDalaPUP1 bus selup tim已UPl_RxClk-0.5nSfHD|UF1_RxI3aLa：iF HD|UP1_Rx5DF；r HD|UP1 RxDaLaP；UPl_RxDalaUP1_RxSOF UPl RxDalaPUP1 bus hold timeUP1_R/Clk1.5nSF UFQ_TxClk f UP1 TxClkUP0_TxClk UPl_TxClkUplink bus Lransrinrt clockN-ACore Clock250MH2DCuPLTxUlkMjPLTxUlkUPD_TxClk UPl TxClkUplmk bus Lransmtl clock dul/ c/cleH-A4555%rOSU|UPtj_7xD3l81 rOSU|UP(j_7xSDP rOSU|UPtj_7x&8l8 刊UPD_TxDataUPO_TxSOF UPO_TxDataPUPO bus oulpul setup luneUPD_TxClk-0.3nSrOHO|UPQ_Txl3alSi rOHO|UPQ_Tx5DF) rOHO|UPQ_Txl3alSUPO TxDataUPO_TxSOFUPO_TxDataPUPO bus ouLput hold luneUP0_TxClki.anSrosuiUPi_ixi3aiairOSU|UP1_7j：S0frOSUUP1_7xD8UPUPl_TxData UP1_TxSOF UPl_TxDataPUP1 bus output setup luneUP1_T/Clk-0 3nSrOHO|UP1_TxD8L8i rOHO|UP1_7x5OFj rOHO|UP1_TxD8lSP/UPl_TxData UP1_TxSOF UP!_TxDataPUP1 bus ouLput hold luneUP!_TxClki.anS三、生成树协议以太网交换机在第二层即MAC层必须具有交换功能，MAC层交换方式基于生成树算法(IEEE 802.1D)。在局域网内的交换机执行了生成树算法以后，会组成一个生成树动态拓扑结构，该 拓扑结构使局域网内任意两个工作站之间不存在回路，以防止由此产生的局域网广播风暴， 同时，生成树算法还负责监测物理拓扑结构的变化，并能在拓扑结构发生变化之后建立新的 生成树。例如当一个交换机坏了或某一条数据通路断了后，能提供一定的容错能力而重新配 置生成树的拓扑结构。交换机根据生成树动态拓扑结的状态信息来维护和更新MAC地址表，最 终实现MAC层的交换。在没有生成树协议的情况下，会存在几个问题：(1 )广播风暴：在没有生成树机制而又存在环路的情况下，会出现广播风暴。如下图,：Segment BSegment Aa. Host 向 router 发送 arp 请求，arp 帧至U达 Switch A；b. Switch A监测到这是一个广播帧，（FF:FF:FF:FF:FF:FF）,广播此帧到Segment B；c. Switch B 广播此帧至 Segment A。2. MAC 地址表的不稳定性当一个帧的多个拷贝到达不同交换机的不同端口时，造成MAC地址表的不稳定性，从而 导致交换机不能正确的转发数据。如下图：a. Host发送单播帧到路由器，Sw it ch A和B都能够收到此帧，并在端口 2学到Host 地址；b. Switch A不知道Router地址，广播此帧；c. Switch B从Port 1收到Switch A地址，更新地址表，得到错误的地址信息。不 能正确的转发数据。以太网交换机在MAC层的功能主要是实现LAN的互连，根据IEEE802.1D协议的规定，在MAC 层工作的体系结构必须包含以下内容：（1） 一个用于连接交换机端口的MAC转发实体；（2） 至少两个端口；（ 3）高层协议实体，其中包括交换机协议实体，如下图所示。櫛层协毁宴协變换机协趣卖体、交擁亂1?璀遥理尊）1 iLlf绘品r T ；沁职尿班MAC转发塞悴卜AT总瞅角MAC超实律八穌理罐徉罐人胸脛圧服殍冷煤怵接人的吨凰服舟端口 i端廿23/输域网1 /昭域囱辛/MAC转发实体主要实现交换机不同端口间的内部通信。该实体存储各个端口的工作状态并 维护一个过滤数据库。数据库中存放了一张MAC地址表，用以实现MAC层的交换。当数据帧从 一个端口的底层服务进程传上来时，MAC实体首先判断目的端口的工作状态，如果目的端口没 有被阻塞，MAC转发实体将依据MAC地址表的对应关系将该帧从目的端口转发出去，同时MAC 转发实体还可以进行过滤、MAC地址学习等操作。交换机端口的功能是从与其相连的LAN上接 收或传送数据。端口的状态由生成树算法规定，包括转发、学习、监听、阻塞和禁止状态。 在转发状态的端口可以收发数据，在阻塞状态的端口不能转发数据，当交换机计算生成树决 定端口转发或阻塞时，端口在监听状态，不能转发数据；学习状态时监听状态到转发状态的 过渡状态，端口不能转发数据，但是能够进行地址学习。高层协议实体位于LLC层，主要用于计算和配置LAN的拓扑结构。生成树协议算法就是运 行在该协议实体内，用来实现MAC层的交换。高层协议实体可以直接调用MAC转发实体提供的 服务，并能读取或更改MAC实体数据库中维护的信息，如从MAC实体中读取或更改某端口的状 态信息等。在运行生成树算法时， 交换机的高层协议实体将使用一个统一的组地址 01-80-C2-00-00-00作为目的MAC地址，该数据被称为BPDU （桥协议数据单元）。BPDU中携带 了实现生成树算法的有关信息。在实现生成树算法时，从端口接收上来3PDU,由LLC层的服务 进程将其传给交换机协议实体。在执行了生成树算法以后，交换机的协议实体将根据算法的 结果更新端口的状态信息并更新过滤数据库，以决定交换机端口的工作状态（阻塞或转发等）， 从而建立生成树拓扑结构。生成树协议基于以下几点：（1）有一个唯一的组地址（01-80-C2-00-00-00）标识一个 特定LAN上的所有的交换机。这个组地址能被所有的交换机识别；（2）每个交换机有一个唯 一的标识（ Brideg Identifier） ； （ 3）每个交换机的端口有一个唯一的端口标识（ Port Identifier）。对生成树的配置进行管理还需要：对每个交换机调协一个相对的优先级；对 每个交换机的每个端口调协一个相对的优先级；对每个端口调协一个路径费用。具有最咼优先级的父换机被称为根(roo t)父换机。根父换机为具有最低父换机ID的父 换机。交换机ID包含两部分，交换机优先级(2 bytes)交换机MAC地址(6 bytes)。802.1d缺 省优先级位32768(8000 hex)，一个交换机具有MAC地址00:A0:C5:12:34:56,则其交换机ID 为8000:00A0:C512:3456。每个交换机端口都有一个根路径费用，根路径费用是该交换的路径 费用的总和。一个交换机中根路径费用的值为最低的端口称为根端口，若有多个端口具有相 同的根路径费用，则具有最咼优先级的端口为根端口。在每个LAN中都有一个交换机被称为选取(designa ted)交换机，它属于该LAN中根路径 费用最少的交换机。把LAN和选取交换机连接起来的端口就是LAN的选取端口( designa ted por t)。如果选取交换机中有两个以上的端口连在这个LAN上，则具有最高优先级的端口被选 为选取端口。交换机之间定期发送BPD U包，交换生成树配置信息，以便能够对网络的拓扑、费用或优 先级的变化做出及时的响应。BPDU分为两种类型，包含配置信息的BPDU包称为配置BPDU (Configuration BPDU )，当检测到网络拓扑结构变化时则要发送拓扑变化通知BPDU(Topology Change Notification BPDU)。配置BPDU格式如下：01230124567S?01245678?01245678901Protocol identlElejrBPDU TypeFlagsKoo七 idw口七i 1 sjtR口口七Roo t idarLti-Ila at. path c&s feRoo t path CCS tEarl dge i denti f lejrBjtI dge identi fi ejrFojrt.rLiLzLFimzrMe s： s age aMjes 三耳gw ageMax ageHel lo 七ilTlQHel lo t-lineF ords 1 ayProtocol identifier : takes the value 0 for spanning treeProtocol version id : takes the value 0BPDU type : 0 specify a configuration BDPUFlags : used to signal a topology change (bit 1) 拓扑变化通知BPD U格式：0123Protocol y dentl ElejrPjtd to col version idBPDU TypeBPDU type : takes the value 128；对于配置BPDU，超过35个字节以外的字节将被忽略掉；对于拓扑变化通知BPDU，超过4 个字节以外的字节将被忽略掉。生成树的实现过程如下：（1）决定根交换机a、最开始所有的交换机都认为自己是根交换机；b、交换机向与之相连的LAN广播发送配置BPDU，其roo t_id与bridge_id的值相同；c、当交换机收到另一个交换机发来的配置BPDU后，若发现收到的配置BPD U中roo t_id字段的 值大于该交换机中root_id参数的值，则丢弃该帧，否则更新该交换机的root_id、根路径费 用roo t_pa th_cos t等参数的值，该交换机将以新值继续广播发送配置BPDU。（2）决定根端口一个交换机中根路径费用的值为最低的端口称为根端口。若有多个端口具有相同的最低 根路径费用，则具有最高优先级的端口为根端口。若有两个或多个端口具有相同的最低根路 径费用和最高优先级，则端口号最小的端口为默认的根端口。（3）认定LAN的选取交换机a、开始时，所有的交换机都认为自己是LAN的选取交换机。b、当交换机接收到具有更低根路径费用的（同一个LAN中）其他交换机发来的BPDU，该 交换机就不再宣称自己是选取交换机。如果在一个LAN中，有两个或多个交换机具有同样的根 路径费用，具有最高优先级的交换机被先为选取交换机。在一 个LAN中，只有选取交换机可以 接收和转发帧，其他交换机的所有端口都被置为阻塞状态。c、如果选取交换机在某个时刻收一了 LAN上其他交换机因竞争选取交换机而发来的配置 BPDU，该选取交换机将发送一个回应的配置BPDU，以重新确定选取交换机。（ 4）决定选取端口LAN的选取交换机中与该LAN相连的端口为选取端口。若选取交换机有两个或多个端口与 该LAN相连，那么具有最低标识的端口为选取端口。除了根端口和选取端口外，其他端口都将 置为阻塞状态。这样，在决定了根交换机、交换机的根端口、以及每个LAN的选取交换机和选 取端口后，一个生成树的拓扑结构也就决定了。拓扑信息在网络上的传播有一个时间限制，这个时间信息包含在每个配置BPDU中，即为 消息时限。每个交换机存储来自LAN选取端口的协议信息，并监视这些信息存储的时间。在正 常稳定状态下，根交换机定期发送配置消息以保证拓扑信息不超时。如果根交换机失效了， 其他交换机中的协议信息就会超时，新的拓扑结构很快在网络中传播。当某个交换机检测到拓扑变化，它将向根交换机方向的选取交换机发送拓扑变化通知 BPDU，以拓扑变化通知定时器的时间间隔中定期发送拓扑变化通知BPDU，直到收到了选取交 换机发来的确认拓扑变化信息（这个确认信号在配置BPDU中，即拓扑变化标志位置位），同 时选取交换机重复以上过程，继续向根交换机方向的交换机发送拓扑变化通知BPDU。这样， 拓扑变化的通知最终传到根交换机。根交换机收到了这样一个通知，或其自身改变了拓扑结 构，它将发送一段时间的配置BPDU，在配置BPDU中拓扑变化标志位被置位。所有的交换机将 会收到一个或多个配置消息，并使用转发延迟参数的值来老化过滤数据库中的地址。所有的 交换机将重新决定根交换机、交换机的根端口、以及每旅AN的选取交换机和选取端口，这样 生成树的拓扑结构也就重新决定了。下图给出了一个生成树的例子，图中交换机参数为：Switch A :MAC = 00A0C5111111,Priority = 32768Switch B :MAC = 00A0C5222222,Priority = 32768Switch C : MAC =00A0C5333333Priority 二 1Port 1Port 2Port 1Port 2Port 1Cos t19100Cos t19100Cos t19Priority128128Priority128128Priority128a. Switch A bridge ID = 8000:00A0:C511:1111, Switch B bridge ID =8000:00A0:C522:2222, Switch C bridge ID = 0001:00A0:C533:3333. Switch C 具有最低的 ID ，为 root bridge 。其所有端口都为 designated ports, 如Port 1。b. 对 Switch A, Port 1 跟路径费用为 19, Port 2 为 119=100 (Switch A Port2) + 19 (Switch B Port 1). 对 Switch B, Port 1 跟路径费用为 19, Port 2 跟路径费用为 119。则跟端口为 Switch A 和 Switch B 的 Port 1 。c. 对 Segment A, Switch A 和 Switch B 的 Port2 有相同的跟路径费用，但 SwitchA 有较低的交换机 ID ，所以 he designated port 为 Switch A 的 Port 2 。d. Blocking = Port 2 of Switch B， Forwarding = All designated ports androot ports.四、Prestera Packet Processor中生成树结构支持802.1d和802.1s,生成树协议在CPU中之行，端口状态有二层引擎处理。在SST模 式，每个逻辑端口维护其生成树端口状态。在MST状态，支持256个生成树，每个VLAN与 一个特定的 Spanning Tree Group ID (0-255)绑定，每一个 Spanning Tree Group 维护在其 中的端口的状态。对到达的以太网帧，在入口和出口都检测端口状态。每个状态用两位表示。State 0：Spanning Tree Disabled在此状态，多播帧当作正常的多播帧处理Received Traffic: UnrestrictedTransmitted Traffic: UnrestrictedLearning: EnabledState 1: Blocking/ListeningReceived Traffic: All packets are discarded, except for packets classified as Control (including IEEE reservedMulticast), which are unconditionally trapped to the CPU.Transmitted Traffic: All packets discarded except for packets generated by the CPU marked as Control.Learning: DisabledState 2: LearningReceived Traffic: All packets are discarded except packets classified as Control (including IEEE reserved Multicast), which are unconditionally trapped to the CPU.Transmitted Traffic: All packets are discarded except for packets generated by the CPU marked as Control.Learning: EnabledState 3: ForwardingReceived Traffic: Packets are forwarded normally unless dropped by some other mechanism. Control packets(including IEEE reserved Multicast) are unconditionally trapped to the CPU.Transmitted Traffic: All packets are forwarded.Learning: Enabled