第2章 组建交换式局域网

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,2,章 组建交换式局域网,2.1,以太网和,IEEE802.3,2.1.1,概述,2.1.2,共享式以太网,2.1.3,交换式以太网,2.1.4,快速以太网,2.1.5,千兆以太网,2.1.6,万兆以太网,2.1.1,概述,美国施乐公司,(Xerox),于,1975,年研制成功,1983,年制定第一个,IEEE,的以太网标准，其编号为,802.3,，数据传输速率为,10Mbps,。,1995,年，,IEEE,正式通过,802.3u,快速以太网标准，作为,802.3,标准的补充条款，用于,100Mbps,网络,1998,年,6,月,29,日,802.3z,（采用光纤的千兆位以太网标准）正式发布，,2002,年,802.3ae,（,10Gb/s Ethernet,）又得到了,IEEE,的通过。,2.1.2,共享式以太网,早期的局域网一般工作在共享方式下，也就是说其传输介质是共享的。在共享式局域网中所有的节点都可以通过共享介质发送和接收数据。但是，需要注意的是，利用共享介质进行数据传输时，就有可能出现两个或多个节点同时发送、相互干扰的情况，这时，接收节点收到的信息就有可能出现错误，这就是所谓的“冲突”问题。,由于共享式局域网通常采用分散方式进行传输控制，因此，网络中的所有节点都需要参与对共享传输介质的访问控制。这些节点一方面需要采取一定的控制方式，在发送过程中尽量避免与其他的节点产生冲突，另一方面也需要通过一定的控制机制来解决冲突发生时产生的问题。共享式以太网（即使用集线器或共用一条总线的以太网）采用带冲突检测的载波检测多路侦听（,Carries Sense Multiple Access with Collision Detection,，简称,CSMA/CD,）机制来进行传输控制。,共享式以太网的典型结构,（,1,）采用总线结构的以太网,（,2,）物理上采用星形结构，逻辑上采用总线结构 的以太网,共享式以太网的工作机制,带宽共享,带宽竞争,冲突检测,/,避免机制,CSMA/CD,2.1.3,交换式以太网,交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，它可以通过中心控制节点接口之间的多个并发连接，实现多个节点之间数据的并发传输，因此，可以增加局域网的带宽，改善局城网的性能与服务质量。,交换式局域网通常采用集中控制方式。局域网交换机是交换式局域网的核心部件。,2.1.4,快速以太网,从技术角度上讲，,802.3u,并不是一种新的标准，只是对现存,802.3,标准的追加，习惯上称为快速以太网。,其基本思想很简单：保留所有的旧的分组格式，接口以及,程序,规则，只是将位时从,100ns,减少到,10ns,，并且所有的快速以太网,系统,均使用集线器，不再使用带有刺入式分接头或,BNC,连接头的多点电缆。,(1)100Base-T4,即,3,类,UTP,，需要四对双绞线。,(2)100Base-TX,即,5,类,UTP,，每个站点只需使用两对双绞线，一对连向集线器，另一对从集线器引出。是全双工的,系统,。,(3)100Base-FX,使用两束多模光纤，每束都可用于两个方向，因此它也是全双工的，并且站点与集线器之间的最大距离高达,2km,。,100Base-T4,和,100Base-FX,可使用两种类型（共享式、交换式）的集线器，它们统称为,100Base-T,。在共享式集线器中，所有的输入线（或者至少是所有连到同一块卡上的接线）在逻辑上连在一起，形成了同一个冲突域。,100Base-FX,电缆与正常的以太网冲突算法来说显得过长，所以它们必须与缓存的交换式集线器相连，每根电缆各为一个冲突域。,2.1.5,千兆以太网,千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括,CSMA/CD,协议、以太网帧、全双工、流量控制以及,IEEE 802.3,标准中所定义的管理对象。作为以太网的一个组成部分，千兆以太网也支持流量管理技术，它保证在以太网上的服务质量，这些技术包括,IEEE 802.1P,第,2,层优先级、第,3,层优先级的,QoS,编码位、特别服务和资源预留协议（,RSVP,）。,千兆以太网还利用,IEEE 802.1Q,实现,VLAN,支持、第,4,层过滤、千兆位的第,3,层交换。千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为上行链路，用于楼宇之间的连接。之后，在服务器的连接和骨干网中，千兆以太网获得广泛应用，由于,IEEE 802.3ab,标准（采用,5,类及以上非屏蔽双绞线的千兆以太网标准）的出台，千兆以太网可适用于任何大中小型企事业单位。,2.1.6,万兆以太网,万兆以太网技术始于,2002,年,6,月,802.3ae 10GE,标准的正式发布。在物理层，,802.3ae,大体上可以分为两种类型，一种为与传统以太网连接速率为,10Gbps,的“,LANPHY”,，另一种为连接,SDH/SONET,速率为,9.58464Gbps,的“,WANPHY”,；,WANPHY,与,SONETOC-192,帧结构的融合，可以与,OC-192,电路和,SONET/SDH,设备一起运行，保护了传统基础设施投资，使运营商能够在不同地区中通过城域网提供端到端以太网。在传输介质方面，,802.3ae,目前可以支持,9um,单模、,50um,多模和,62.5um,多模光纤。在数据链路层，,802.3ae,继承了,802.3,以太网的帧格式及最大,/,最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连接及上述拓扑的组合，充分保证对已有应用的兼容性，对上层应用没有影响，使得升级风险极低。,2.2,交换机,2.2.1,交换机的工作原理,2.2.2,交换机的转发方式,2.2.3,交换机的功能,2.2.4,交换机的分类,2.2.5,冲突域和广播域,2.2.1,交换机的工作原理,交换机的工作原理是存储转发。它将某个端口发送的数据帧先存储起来，通过解析数据帧以获得目的,MAC,地址，然后在,MAC,地址表找到目的主机所连接的交换机端口，并立即将数据帧从源端口直接转发到目的端口。如图,2-4,至图,2-8,，假定主机,A,向主机,B,发送数据。,当交换机加电启动初始化时，,MAC,地址表是空的（图,2-4,）。,当主机,A,发送、交换机接收帧时，交换机根据收到数据帧中的源,MAC,地址，建立主机,A,的,MAC,地址与交换机端口,F0/1,的映射，并将其写入,MAC,地址表中（图,2-5,）。,由于目的主机,B,的,MAC,地址为未知，所以交换机把数据帧泛洪到所有的端口（图,2-6,）。,主机,B,向主机,A,发出响应，所以交换机也知道了,B,的,MAC,地址。同样交换机会建立主机,B,的,MAC,地址与交换机端口,F0/1,的映射，并将其写入,MAC,地址表（图,2-7,）,需要指出的是，当主机,B,的响应数据帧进入交换机时，由于交换机已知主机,A,所连接的端口，所以交换机并不对响应数据帧进行泛洪，而是直接把数据帧传递到接口,F0/1,（图,2-8,）。,广播帧和组播帧向所有的端口转发，即泛洪。,图,2-4,交换机初始化时,MAC,地址表是空的,图,2-5,构建,MAC,地址表,图,2-6,把数据帧泛洪到交换机的所有端口,图,2-7,响应泛洪消息,图,2-8,传送数据帧到已知端口,2.2.2,交换机的转发方式,直通式（,Cut Through,）,存储转发（,Store,Forward,）,无碎片直通方式（,Fragment Free,）,2.2.3,交换机的功能,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。,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）。,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。,2.2.4,交换机的分类,根据网络覆盖范围划分,根据交换机使用的网络传输介质及传输速度划分,根据交换机应用网络层次划分,根据交换机端口结构划分,根据工作的协议层划分,根据是否支持网管功能划分,2.2.5,冲突域和广播域,冲突域是在一个时间内可以发送数据的主机的范围，连接到一个,HUB,的主机我们说它们处于同一冲突域中，是因为这些主机在一个时间内只有一台能够发送数据，其他主机只能接收。连接到交换机的任一端口的主机在任意时间内都可以发送数据，即使有其他主机正在向同一目标主机发送数据，采用存储转发方式的交换机也能应付过来（直通方式的不可以工作于这种特例），由于交换机的每一端口都不会与其他端口在这方面产生冲突，所以我们可以说，交换机的每一端口即是一个独立的冲突域。,广播域，简而言之，就是一份广播报文能够到达的主机的范围。交换机对接收到的广播报文和多播报文的处理方式是向所有端口转发，连接到它的所有主机都将接收到此报文（不是相应多播组成员将不理睬此报文），路由器在默认情况下是不转发广播报文的。至于交换机的,VLAN,（虚拟局域网），划分到不同,VLAN,的主机可以视同物理上分隔的网络，一个“,V”,（,Virtual,）说明了它们在物理上其实还是没有分隔的，只是从逻辑上由交换机制造出了此（虚拟）效果，,VLAN,与路由器制造的分隔效果在某方面看来是相似的，但并不能因此就说它们是相同的。,VLAN,并不是交换机的标准功能，不能因为,VLAN,能分隔广播域就说交换机也能分隔广播域。,一个集线器连接的所有主机都属于一个冲突域，也属于同一个广播域。一个交换机的每个端口分别是一个冲突域，接在不同端口上的主机分属不同的冲突域，但都属于同一个广播域。,2.3,交换式局域网的设计,2.3.1,核心层,2.3.2,汇聚层,2.3.3,接入层,局域网的基本设计通常可以分为,5,个步骤：确定用户需求；设计局域网类型、分布构架、带宽和主干设备类型；确定局域网的带宽和网络设备类型；进行局域网布线方案设计；设计局域网服务设施。,对于大规模网络规划而言，分层的网络拓扑结构是最有效的,在实际应用中大量使用,2,层和,3,层交换机和少量的路由器来构建交换式以太网，设计中普遍采用,3,层结构模型这个模型将整个局域网在逻辑上划分为核心层、汇聚层和接入层,3,个层次，每个层次都有其特定的功能。接入层用于高速数据转发，汇聚层负责路由聚合及流量控制，接入层面向工作组接入及访问控制。该模型结构清晰，网络运行效率高，易于扩展。,图,2-9,基于交换的,3,层网络拓扑结构模型,2.3.1,核心层,核心层是交换式以太网的骨干。核心层的作用只有一个，那就是高速、可靠地转发数据。,核心层交换机是整个网络的中心交换机，应当具有最高的交换性能，以满足连接和汇聚各汇聚层交换机的流量需求。核心层的交换机一般采用高档的,3,层交换机。这类交换机具有很高的交换背板带宽和较多的高速以太网端口或光纤端口。,适合在核心层使用的交换机包括：华为的,H3C S7500/S9500,系列，,Cisco,的,Catalyst 6500/8500,系列、,IGX8400,系列、,Lightstream,1010,系列，锐捷的,RG-S68,系列等,2.3.2,汇聚层,汇聚层位于核心层和接入层之间。在交换式以太网中，汇聚层具有很多功能：,布线间连接的汇聚；,定义广播域或组播域；,VLAN,间的路由选择；,安全性。,汇聚层交换机是多台接入层交换机的汇聚点，它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的交换速率。,适合在汇聚层使用的交换机包括：华为的,H3C S7500/S9500,系列，,Cisco,的,Catalyst 5000/6000,系列，锐捷的,RG-S2800/S35/S4900/S5610/S6506,系列等,2.3.3,接入层,接入层为用户提供对网络中的本地网段的访问，并且实现网络访问控制。用户通过接入层实现对网络的访问。通过广域网技术，如帧中继等，接入层也可以为远程访问者提供网络接入。其功能如下：,对汇聚层的访问控制和策略进行支持，接入层使用访问控制列表以防止非法用户进入网络；,建立独立的冲突域，这些冲突域可以小到只有两台设备，即目的设备和所连接的交换机端口；,建立工作组与汇聚层的连接。因此，接入层的交换机应配备有高速上连的端口。,接入层目的是允许终端用户连接到网络，因此接入层交换机应具有低成本和高端口密度的特性。接入层使用第,2,层交换机。常用的接入层交换机有：,Cisco,的,Catalyst 1900/2820/2950/4000/5000,系列；华为的,H3C S3100SI/S3600/S5100EI/S5600/S7500/S9500,系列；锐捷的,RG,S18/S19/S20,系列（图,2-13,）,2.4,组建一个,100M,交换式以太网,2.4.1,单交换机,2.4.2,级联,2.4.3,堆叠,2.4.4,堆叠和级联的区别,实验,1,组建一个,100M,交换式以太网,2.4.1,单交换机,图,2-14,一个简单的单交换机网络,2.4.2,级联,级联是通过双绞线把需要级联的设备通过级联端口相连接，从而达到增加同一网络端口数目的方法。现在的交换机就是通过交换机的普通端口通过普通线缆简单联接起来。,不仅相同品牌或不同品牌的交换机之间都可以通过级联的方式而扩展端口，而且交换机和集线器之间也可以通过级联的方式进行。因此，级联通常是解决不同品牌交换机如何连接的有效手段。,级联既可使用普通端口也可使用特殊的,MDI-II,端口。当相互级联的两个端口分别为普通端口（即,MDI-X,）端口和,MDI-II,端口时，应当使用直连线。当相互级联的两个端口均为普通端口（即,MDI-X,）或均为,MDI-II,端口时，则应当使用交叉线。,无论是,10Base-T,以太网、,100Base-TX,快速以太网还是,1000Base-T,千兆以太网，级联交换机所使用的电缆长度均可达到,100,米，这个长度与交换机到计算机之间长度完全相同。因此，级联除了能够扩充端口数量外，另外一个用途就是快速延伸网络直径。当有,4,台交换机级联时，网络跨度就可以达到,500,米。这样的距离对于位于同一座建筑物内的小型网络而言已经足够了,使用,Uplink,端口级联,Uplink,端口是专门用于与其他交换机连接的端口，可利用直连线线将该端口连接至其他交换机的除,Uplink,端口外的任意端口，这种连接方式跟计算机与交换机之间的连接完全相同。需要注意的是，有些品牌的交换机（如,3Com,）使用一个普通端口兼作,Uplink,端口，并利用一个开关（,MDI/MDI-X,转换开关）在两种类型间进行切换。,使用普通端口级联,如果交换机没有提供专门的级联端口（,Uplink,端口），那么，将只能使用交叉跳线，将两台交换机的普通端口连接在一起，扩展网络端口数量。需要注意的是，当使用普通端口连接交换机时，必须使用交叉线而不是直连线。,2.4.3,堆叠,提供堆叠接口的交换机之间可以通过专用的堆叠线连接起来，扩大级联带宽。通常，堆叠的带宽是交换机端口速率的几十倍，例如，一台,100M,交换机，堆叠后两台交换机之间的带宽可以达到几百兆甚至上千兆。,多台交换机的堆叠是靠一个提供背板总线带宽的多口堆叠母模块与单口的堆叠子模块相联实现的，并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。堆叠技术是一种集中管理的端口扩展技术。用户可以用堆叠模块和堆叠连接线将多台交换机连接在一起构成堆叠。,堆叠的方法有：菊花链（参见图,2-15,）和主从式（参见图,2-16,）,并不是所有的交换机都支持堆叠的，这取决于交换机的品牌、甚至是型号是否支持堆叠。,堆叠不仅通常需要使用专门的堆叠电缆，而且甚至需要专门的堆叠模块，如,Cisco,GigaStack,GBIC,。另外，同一叠堆中的交换机必须是同一品牌，否则，根本没有办法堆叠。因此，如果准备使用堆叠的方式扩充端口，就必须事先做好购置计划。,2.4.4,堆叠和级联的区别,级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，集线器之间，或交换机与集线器之间完成。而堆叠只有在自己厂家的设备之间，且此设备必须具有堆叠功能才可实现。级联只需单做一根双绞线,(,或其他媒介,),，堆叠需要专用的堆叠模块和堆叠线缆，而这些设备可能需要单独购买。交换机的级联在理论上是没有级联个数限制的,(,注意：集线器级联有个数限制，且,10M,和,100M,的要求不同,),，而堆叠各个厂家的设备会标明最大堆叠个数。,堆叠在一起的交换机，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。这样，如果你想对这几台交换机进行设置，只要连接到任何一台设备上，就可看到堆叠中的其他交换机。而级联的设备逻辑上是独立的，如果想要网管这些设备，必须依次连接到每个设备。,堆叠和级联各有优点，在实际的方案设计中经常同时出现，可灵活应用。,实验,1,组建一个,100M,交换式以太网,略,2.5,思考与练习,略,