弱電工程中的交換機(jī)知識(shí)

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今天來(lái)講解交換機(jī)方面的知識(shí)吧。

按照OSI的七層網(wǎng)絡(luò)模型，交換機(jī)可以分為二層交換機(jī)、三層交換機(jī)。

　　         根據(jù)交換機(jī)支持的協(xié)議，還有不常見(jiàn)的四層交換機(jī)和七層交換機(jī)?；贛AC地址工作的第二層交換機(jī)最為普遍，用于網(wǎng)絡(luò)接入層和匯聚層?；贗P地址和協(xié)議進(jìn)行交換的第三層交換機(jī)普遍應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的核心層，也少量應(yīng)用于匯聚層。部分第三層交換機(jī)也同時(shí)具有第四層交換功能，可以根據(jù)數(shù)據(jù)幀的協(xié)議端口信息進(jìn)行目標(biāo)端口判斷。第四層以上的交換機(jī)稱之為內(nèi)容型交換機(jī)，主要用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。

 

 

　　二層交換機(jī)

 

　　二層交換機(jī)工作在OSI模型的第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)，識(shí)別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對(duì)應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個(gè)地址表中。因此，二層交換機(jī)需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)識(shí)別和轉(zhuǎn)發(fā)能力。

 

　　三層交換機(jī)

 

　　三層交換機(jī)實(shí)質(zhì)就是一種特殊的路由器，是一種在性能上側(cè)重于交換而價(jià)格低廉的路由器。傳統(tǒng)交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型第二層——數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作，而三層交換機(jī)是為IP設(shè)計(jì)的，接口類(lèi)型簡(jiǎn)單，擁有很強(qiáng)二層包處理能力，它既可以工作在協(xié)議第三層替代或部分完成傳統(tǒng)路由器的功能，同時(shí)又具有幾乎第二層交換的速度，且價(jià)格相對(duì)便宜。

 

　　三層交換機(jī)最重要的目的是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，做到一次路由，多次轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)一個(gè)大型局域網(wǎng)按照功能或地域等因素劃成一個(gè)個(gè)小局域網(wǎng)時(shí)，VLAN(Virtual Local Area Network虛擬局域網(wǎng))技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中得以大量應(yīng)用，而各個(gè)不同VLAN間的通信都要經(jīng)過(guò)路由器來(lái)完成轉(zhuǎn)發(fā)。單純使用路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)不僅端口數(shù)量有限，而且路由速度較慢，從而限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和訪問(wèn)速度。

 

　　四層交換機(jī)

 

　　第四層交換的一個(gè)簡(jiǎn)單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標(biāo)IP地址(第三層路由)，而且依據(jù)TCP/UDP(第四層) 應(yīng)用端口號(hào)。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務(wù)器。它所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從各種各樣的協(xié)議，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。

         二層交換技術(shù)：

          二層交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識(shí)別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對(duì)應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個(gè)地址表中。

        具體的工作流程如下：

1. 當(dāng)交換機(jī)從某個(gè)端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機(jī)器是連在哪個(gè)端口上的；

2. 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口；

3. 如表中有與這目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；

4. 如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對(duì)源機(jī)器回應(yīng)時(shí)，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目的MAC地址與哪個(gè)端口對(duì)應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對(duì)所有端口進(jìn)行廣播了。

 

　　不斷的循環(huán)這個(gè)過(guò)程，對(duì)于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。

 

小結(jié)：（評(píng)判二三層交換機(jī)性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數(shù)，在設(shè)備選型時(shí)要注意比較哦。）

1. 由于交換機(jī)對(duì)多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機(jī)有N個(gè)端口，每個(gè)端口的帶寬是M，交換機(jī)總線帶寬超過(guò)N×M，那么這交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)線速交換；

2. 學(xué)習(xí)端口連接的機(jī)器的MAC地址，寫(xiě)入地址表，地址表的大?。ㄒ话銉煞N表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項(xiàng)數(shù)值），地址表大小影響交換機(jī)的接入容量；

3. 還有一個(gè)就是二層交換機(jī)一般都含有專門(mén)用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC （Application specific Integrated Circuit）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非常快。由于各個(gè)廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。

 

      三層交換技術(shù)

 

三層交換機(jī)的工作過(guò)程：

 

組網(wǎng)：
使用IP的設(shè)備A------------三層交換機(jī)------------使用IP的設(shè)備B

 

比如A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。

 

如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個(gè)ARP請(qǐng)求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。

 

如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實(shí)現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒(méi)有對(duì)應(yīng)MAC地址條目，就將第一個(gè)正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)，這個(gè)缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)好，對(duì)應(yīng)第三層路由模塊，所以可見(jiàn)對(duì)于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；

 

然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達(dá)B的路由，將構(gòu)造一個(gè)新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機(jī)B的MAC地址為目的MAC地址。通過(guò)一定的識(shí)別觸發(fā)機(jī)制，確立主機(jī)A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說(shuō)的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。

 

三層交換的特點(diǎn)：

1、由硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。
2、這就不是簡(jiǎn)單的二層交換機(jī)和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機(jī)性能的兩個(gè)重要參數(shù)。
3、簡(jiǎn)潔的路由軟件使路由過(guò)程簡(jiǎn)化。
4、大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過(guò)處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡(jiǎn)單照搬路由器中的軟件。

 

 

小結(jié)：

二層交換機(jī)用于小型的局域網(wǎng)絡(luò)，二層交換機(jī)的快速交換功能、多個(gè)接入端口和低謙價(jià)格為小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了很完善的解決方案。

    

三層交換機(jī)的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，加入路由功能也是為這個(gè)目的服務(wù)的。如果把大型網(wǎng)絡(luò)按照部門(mén)，地域等等因素劃分成一個(gè)個(gè)小局域網(wǎng)，這將導(dǎo)致大量的網(wǎng)際互訪，單純的使用二層交換機(jī)不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互訪；

 

一般來(lái)說(shuō)，在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量大，要求快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，如全部由三層交換機(jī)來(lái)做這個(gè)工作，會(huì)造成三層交換機(jī)負(fù)擔(dān)過(guò)重，響應(yīng)速度受影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，不失為一種好的組網(wǎng)策略，當(dāng)然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機(jī)也兼為網(wǎng)際互連。

第四層交換

1. 第四層交換它是一種功能：

它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標(biāo)IP地址 (第三層路由),而且依據(jù)TCP/UDP(第四層) 應(yīng)用端口號(hào)。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務(wù)器。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類(lèi)型由終端TCP或UDP端口地址來(lái)決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端 IP地址、TCP和UDP端口共同決定。

　在第四層交換中為每個(gè)供搜尋使用的服務(wù)器組設(shè)立虛IP地址（VIP），每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器（DNS）中存儲(chǔ)的每個(gè)應(yīng)用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實(shí)的服務(wù)器地址。
　　當(dāng)某用戶申請(qǐng)應(yīng)用時(shí)，一個(gè)帶有目標(biāo)服務(wù)器組的VIP連接請(qǐng)求（例如一個(gè)TCP SYN包）發(fā)給服務(wù)器交換機(jī)。服務(wù)器交換機(jī)在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實(shí)際服務(wù)器的IP取代，并將連接請(qǐng)求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務(wù)器交換機(jī)進(jìn)行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。　

2、四層交換機(jī)的原理是：

OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)端對(duì)端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標(biāo)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP（一種傳輸協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）所在的協(xié)議層。
在第四層中，TCP和UDP標(biāo)題包含端口號(hào)（portnumber），它們可以唯一區(qū)分每個(gè)數(shù)據(jù)包包含哪些應(yīng)用協(xié)議（例如HTTP、FTP等）。端點(diǎn)系統(tǒng)利用這種信息來(lái)區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，尤其是端口號(hào)使一個(gè)接收端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠確定它所收到的IP包類(lèi)型，并把它交給合適的高層軟件。端口號(hào)和設(shè)備IP地址的組合通常稱作“插口（socket）”。
1和255之間的端口號(hào)被保留，他們稱為“熟知”端口，也就是說(shuō)，在所有主機(jī)TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)中，這些端口號(hào)是相同的。除了“熟知”端口外，標(biāo)準(zhǔn)UNIX服務(wù)分配在256到1024端口范圍，定制的應(yīng)用一般在1024以上分配端口號(hào)。分配端口號(hào)的最近清單可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP／UDP端口號(hào)提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第4層交換的基礎(chǔ)。
　　"熟知"端口號(hào)舉例:
　　
　　　　　　應(yīng)用協(xié)議　　　　 端口號(hào)
　　　　　　 FTP　　　　　　20（數(shù)據(jù)）
　　　　　　　　　　　　　　21（控制）
　　　　　　 TELNET　　　　 23
　　　　　　 SMTP　　　　　 25
　　　　　　 HTTP　　　　　 80
　　　　　　 NNTP　　　　　 119
　　　　　　 NNMP　　　　　 16
　　　　　　　　　　　　　　162（SNMP traps）
TCP/UDP端口號(hào)提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。
具有第四層功能的交換機(jī)能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。
每臺(tái)服務(wù)器和支持單一或通用應(yīng)用的服務(wù)器組都配置一個(gè)VIP地址。這個(gè)VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統(tǒng)上注冊(cè)?！?br /> 在發(fā)出一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，第四層交換機(jī)通過(guò)判定TCP開(kāi)始，來(lái)識(shí)別一次會(huì)話的開(kāi)始。然后它利用復(fù)雜的算法來(lái)確定處理這個(gè)請(qǐng)求的最佳服務(wù)器。一旦做出這種決定，交換機(jī)就將會(huì)話與一個(gè)具體的IP地址聯(lián)系在一起，并用該服務(wù)器真正的IP地址來(lái)代替服務(wù)器上的VIP地址。
每臺(tái)第四層交換機(jī)都保存一個(gè)與被選擇的服務(wù)器相配的源IP地址以及源TCP 端口相關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機(jī)向這臺(tái)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)連接請(qǐng)求。所有后續(xù)包在客戶機(jī)與服務(wù)器之間重新影射和轉(zhuǎn)發(fā)，直到交換機(jī)發(fā)現(xiàn)會(huì)話為止。

在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的服務(wù)器連接在一起來(lái)滿足用戶制定的規(guī)則，諸如使每臺(tái)服務(wù)器上有相等數(shù)量的接入或根據(jù)不同服務(wù)器的容量來(lái)分配傳輸流。

    如何選用合適的第四層交換

 

a,速度

為了在企業(yè)網(wǎng)中行之有效，第四層交換必須提供與第三層線速路由器可比擬的性能。也就是說(shuō)，第四層交換必須在所有端口以全介質(zhì)速度操作，即使在多個(gè)千兆以太網(wǎng)連接上亦如此。千兆以太網(wǎng)速度等于以每秒1488000 個(gè)數(shù)據(jù)包的最大速度路由(假定最壞的情形,即所有包為以及網(wǎng)定義的最小尺寸,長(zhǎng)64字節(jié))。

 

b,服務(wù)器容量平衡算法　

依據(jù)所希望的容量平衡間隔尺寸，第四層交換機(jī)將應(yīng)用分配給服務(wù)器的算法有很多種，有簡(jiǎn)單的檢測(cè)環(huán)路最近的連接、檢測(cè)環(huán)路時(shí)延或檢測(cè)服務(wù)器本身的閉環(huán)反饋。在所有的預(yù)測(cè)中，閉環(huán)反饋提供反映服務(wù)器現(xiàn)有業(yè)務(wù)量的最精確的檢測(cè)。

 

c,表容量

應(yīng)注意的是，進(jìn)行第四層交換的交換機(jī)需要有區(qū)分和存貯大量發(fā)送表項(xiàng)的能力。交換機(jī)在一個(gè)企業(yè)網(wǎng)的核心時(shí)尤其如此。許多第二/ 三層交換機(jī)傾向發(fā)送表的大小與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量成正比。對(duì)第四層交換機(jī)，這個(gè)數(shù)量必須乘以網(wǎng)絡(luò)中使用的不同應(yīng)用協(xié)議和會(huì)話的數(shù)量。因而發(fā)送表的大小隨端點(diǎn)設(shè)備和應(yīng)用類(lèi)型數(shù)量的增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)。第四層交換機(jī)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)其產(chǎn)品時(shí)需要考慮表的這種增長(zhǎng)。大的表容量對(duì)制造支持線速發(fā)送第四層流量的高性能交換機(jī)至關(guān)重要。

 

d,冗余　

第四層交換機(jī)內(nèi)部有支持冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能。在具有雙鏈路的網(wǎng)卡容錯(cuò)連接時(shí)，就可能建立從一個(gè)服務(wù)器到網(wǎng)卡，鏈路和服務(wù)器交換器的完全冗余系統(tǒng)。

 

———訊道通信工程