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局域网交换机的体系结构

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-03

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  大型局域网总是由多个局域网通过多种网络互连设备,如网桥、路由器或交换机等连接而成的。由于对局域网带宽不断增长的要求必须在以太网或令牌环网固定的10Mbps或16Mbps的带宽限制下,所以在一个典型的局域网设计中不同局域网段的数目正迅速性地增长着。交换式局域网,作为一种能通过增加网段提高局域网容量的技术,已经迅速地确立了它自己的地位。这是因为局域网交换机能够以较低的成本在多个网段提供高质量的报文传输服务。这正如以前的路由器,作为连接局域网段的互连设备曾大量替代了互连网桥,而交换机趋向于替代局域网中的路由器。

  交换式局域网中路由选择的作用:在了解局域网中交换和路由选择各自的作用之前,首先应该明白这两种技术的差别。局域网交换机有点象网桥,通常它们互连同种类型的局域网段,如都是以太网段或都是令牌环网段的情形。它们在端口之间透明地传送信息,以令牌环网为例,就是用源路由选择的方法。透明交换机对端站是不可见的,它们通过检查传送到它们端口的局域网段中的所有信息包来进行学习,从而得知各站点的位置,并根据在每个信息包中的目的网络地址把信息包送往适当的端口。这也意味着它们的运作独立于与端站之间互相通信的协议,不管是TCP/IP协议,还是NovellIPX,NETBIOS或者IBM的SNA协议。令牌环网的源路由选择交换机与透明交换机不同之处仅在于,源路由选择交换机是根据由端站往每个信息包中插入的信息来把信息包送往相应的端口,同样这也是独立于下层网络协议的。

  但在一些情况中,交换机可用来互连不同类型的局域网,例如,一些交换机可互连FDDI主干网和以太网段。在这种情形下,交换机只是在以太网和FDDI帧之间作些简单的转换工作,这样就遵循了对端站的透明性原则。另一方面,路由器被设计成具有把任何类型的网络信息包传送到任何其他类型网络的能力,它们对端站是不透明的:事实上,当一个以太网的端站想要路由器另一端的站点进行通信时,它只是对相应的路由器进行寻址,而不是目的站点。当一个路由器从一个以太网段收到一个要发往另一个网段的信息包时,路由器取出报文的头部,检查报头中的目的地址,然后根据这些信息查询相应的表,确定这个目的站点是否位于它的一个直接相连的局域网段中,否则,该信息包应被送往另一个路由器,在作出相应的决定后,这个路由器将为这个信息包添加新的报头并将它发送出去。

  为了确定信息包往哪一个端口转发,路由器要维护复杂的查找表,这些表是由每个路由器与网络中的其它路由器相互合作而构造的,这些路由器相互传递经过这个网络的路由状态信息,在路由选择中涉及到的协议和过程是复杂的,需要进行大量的计算,并且占用内存。总而言之,在局域网中交换与路由选择最显著的差异在于:信息包经过路由器要比经过交换机需要复杂得多的处理。因此,在取得同一性能水平的前提下,路由器的花费比交换机的花费多许多,而且,一个包经过交换机比要经过路由器花的时间少一些,从而交换机提供了更短的延迟;但另一方面,可以用路由器的处理能力来提供比交换机更大程度的控制。

  网络设计的目标交换式局域网的一些常见的设计目标:1、以合理的成本取得较高的处理能力。2、更低的端到端的迟延。3、具有对通信模式进行调节的弹性。4、容易配置和安装。5、最小化的管理负担。6、对网络资源访问的有效控制交换技术作为主导技术,而路由选择技术扮演重要但较小角色的局域网设计能最好地符合上述大部分的设计目标。在这个混合中高比例的交换技术通常是令人满意的,因为交换技术比路由选择技术更能以较低的成本提供更大的通信处理能力,而且交换机更易于安装、配置和管理。

  路由选择在交换式局域网中担任的角色在交换式局域网中,由路由器完成的基本功能主要有四种,对它们有清楚的了解有助于明白路由选择在交换式局域网中担任的角色,这四个功能为:1、把交换式局域网分割成多个广播域,并且把这些域连接在一起。2、在不同子网间进行信息包的传送。3、作为互连不同局域网的技术。4、提供对从属在局域网上的资源进行安全访问的机制当然,路由器完成的功能不止这些。当将局域网连接到广域网上时,路由器承担了许多协议的转换工作,如从局域网的协议到针对专用线路或电话线路连接的点到点协议(PPP),或者帧中继。

  (1)把交换式局域网分割成多个广播域一些局域网技术(如以太网和令牌环网)提供让任一个站点可发送一信息包给局域网中的所有其它站点的能力,这也就是所谓广播。几乎所有局域网的网络协议都是用广播来实现操作和管理的机制的。例如,使客户机能定位服务器,允许散播有关可利用的网络资源的信息等等。一般而言,越多的站点连接到同一个局域网上,产生的广播通信量就越大。对于通过网桥或交换机连接多个局域网段而形成的大型局域网而言,这种情况仍成立。

  (2)广播通信流在一个局域网中的广播通信量不仅仅取决于连接到局域网上的站点数目,还有许多其他因素的影响,如在局域网上的服务器和路由器的数目,所用的协议类型、用户启动和终止网络应用程序的频率等等。同时,令牌环网中可观察到的广播特征不同于以太网,因为令牌环网用一种称为源路由探测帧(SourceRouteEXPloreFrames),这种帧在经过桥接的网络时如果面临多个路由选择就会复制自己。由于影响局域网广播通信量的因素很多,因此很难给出一个通用的衡量指标。然而,实际的网络测定表明,即使用一般的网桥或交换机连接有几百个甚至几千个结点的局域网。

  平均的广播通信量一般不会超过每秒10-30个信息包,在偶尔发生的高峰期每秒也最多只有100-150个信息包。而每秒30个广播包意味占用大约以太网信道的千分之二点五,(这里假定广播信息包平均长度为100字节)。因此广播流对整个网络性能的影响是可以忽略的。尽管局域网上的广播流对网络性能的影响甚微,但同样的情况却不适用于广域网的连接。在这种情形下,广播通信流将占用宝贵的广域网带宽的相当一部分,而路由器在这种环境中起着最小化广播通信的影响的作用。当前对网络协议和软件的类型和用法的趋势是:倾向于减少在局域网中的广播通信流量。

  (3)广播风暴(BroadcastStorm)具有多年网络管理经验的系统管理员可能知道广播风暴。在一个大型网络中,一个高等级的广播通信流可能暂时轰炸网络的某一部分,造成站点失去与服务器的连接,于是当这些站点试图重建它们的连接时引发了更多的广播通信流,因此引起的连锁反应就是广播风暴。最终迅速增长的广播通信流会淹没整个网络,使整个网络陷入瘫痪。路由器能很好地解决广播风暴问题。客户机发出用来寻找服务器的广播包在路由器处被截获。由路由器进行向前转发。因此路由器提供了一类针对广播包的防火墙。从而抑制了可能引发广播风暴的连锁反应。对广播风暴的恐惧,造成了局域网设计时常常以路由器为中心。后面我们将说明以路由器为中心的网络结构。毫无疑问,在今天通过网桥互连的大型局域网中,广播风暴会导致十分严重的网络服务丢失问题。然而,该问题的出现主要源于迄今为止仍缺乏足够重视的三个事实:

  使用远程网桥通过低速专用线路连接外部网点。这种原始的远程局域网网桥具有很少的或者没有广播包的过滤能力。因此原本在10Mbps的以太网中占用微不足道带宽的广播通信流量可能很快轰炸64Kbps的线路。站点间失去连接的结果很容易引发广播风暴。实践中往往采用路由器支持低速线路连接远程网点,利用路由器来防止远程线路被广播包轰炸。端站实现IP协议栈时的特性也容易引发广播风暴。在有关IP的资料中记述了许多早期实现IP协议栈的方式,它们都可能引发广播风暴。如在早期的BerkeleyUNIX版本中站点在收到一个错误IP的信息包会继续转发它,以及站点可能会对特定的广播包发出ICMP错误信息。当前的IP实现的版本已经消除了这个问题。

  端站的网络接口和协议栈的糟糕的实现。由于历史的原因,不足的处理能力,不足的缓冲内存,以及对协议栈的不成熟的软件实现,造成了对局域网中的广播通信流的过度的敏感。若在相对较低等级的广播通信流的情况下,局域网的接口变得拥塞,则连接可能会失去,站点试图重建连接的努力又形成了引发广播风暴的条件。经历了十多年的技术发展,局域网的接口能处理很高的广播流了。可能引发广播风暴的通信流的下限也提高很多了。总而言之,今天的交换式局域网中广播风暴的风险被极大地夸大了。如果把适度的注意点移到如何更好的配置交换式局域网上,那没有理由不能构建拥有数千个结点的大型局域网,而且仍具有良好的性价比和可扩展性等好处。

  (4)子网间信息包的传输大量应用的网络协议如IP和IPX以及NetBIOS等提供了一个独立于下层局域网传输的网络层寻址结构。IP和IPX都是可寻址的协议。也就是说它们实现了分层次的寻址方案,用如来标识所有的网络主机。NetBIOS是一个不可寻址的协议,因为网络主机只是简单的用一个名字标识它,而没有层次结构。网络协议的寻址结构对交换式局域网的设计具有重要的意义。因为网络地址的层次特性需要把网络主机分成许多的组,每组中的主机具有相同的网络标识号。在某一组中的一个主机想和另一组中的主机进行通信的唯一办法是把信息包送往路由器,由路由器进行转发。

  计算机网络领域应用最为广泛的方式,它把输入端口的数据包先存储起来,然后进行CRC检查,在对错误包处理后才取出数据包的目的地址,通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此,存储转发方式在数据处理时延时大,这是它的不足,单是它可以对进入局域网交换机的数据包进行错误检测,尤其重要的是它可以支持不同速度的输入输出端口间的转换,保持高速端口与低速端口间的协同工作。

  局域网交换机是工作在OSI第二层的,可以理解为一个多端口网桥,因此传统上称为第二层交换;最新的交换技术已经延伸到OSI第三层的部分功能,既所谓第三层交换,第三层交换可以不将广播封包扩散,直接利用动态建立的MAC地址来通信,似乎可以看懂第三层的信息,如IP地址、ARP等,具有多路广播和虚拟网间基于IP、IPX等协议的路由功能,这方面功能的顺利实现得力于专用集成电路(ASIC)的加入,把传统的由软件处理的指令改为ASIC芯片的嵌入式指令,从而加速了对包的转发和过滤,使得高速下的线性路由和服务质量都有了可靠的保证。如果没有上广域网的需要,在建网方案中一般不再应用价格昂贵、带宽有限的路由器。

  交换技术的发展,允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组,而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节点,这就是用到所谓的虚拟局域网技术(VLAN)。用局域网交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播区(交换机的所有端口)逻辑的分为若干个子广播区,在子广播区里的广播封包只会在该广播区内传送,其它的广播区是收不到的。VLAN通过交换技术将通信量进行有效分离,从而更好地利用带宽,并可从逻辑的角度出发将实际的LAN基础设施分割成多个子网,它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑结构,对这部分详细内容感兴趣的读者可以参考IEEE802.10规定。

  局域网交换机将人们从传统意义上共享的HUB式局域网发展到更广阔的空间。以Cisco公司出品的Catalyst5000系列局域网交换机为例,它包括一个集成的交换硬件结构,支持交换的10-Mbps以太网和100-Mbps快速以太网,可通过快速以太网、FDDI、交换式令牌环和第3层交换处理能力。该类交换机可向局域网内的工作站、服务器、网段、骨干网或其它用户提供交换接入。

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