交換機(jī)系列培訓(xùn):IP地址緊張

    局域網(wǎng)交換技術(shù)

    1.1 共享技術(shù)

    所謂共享技術(shù)即在一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)工作站都處于一個(gè)相同的網(wǎng)段上。

    以太網(wǎng)采用CSMA/CD 機(jī)制，這種沖突檢測(cè)方法保證了只能有一個(gè)站點(diǎn)在總線上傳輸。如果有兩個(gè)站點(diǎn)試圖同時(shí)訪問總線并傳輸數(shù)據(jù)，這就意味著“沖突”發(fā)生了，兩站點(diǎn)都將被告知出錯(cuò)。然后它們都被拒發(fā)，并等待一段時(shí)間以備重發(fā)。

    這種機(jī)制就如同許多汽車搶過一座窄橋，當(dāng)兩輛車同時(shí)試圖上橋時(shí)，就發(fā)生了“沖突”，兩輛車都必須退出，然后再重新開始搶行。當(dāng)汽車較多時(shí)，這種無序的爭(zhēng)搶會(huì)極大地降低效率，造成交通擁堵。

    網(wǎng)絡(luò)也是一樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的用戶量較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的交通流量較輕，沖突也就較少發(fā)生，在這種情況下沖突檢測(cè)法效果較好。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的交通流量增大時(shí)，沖突也增多，同進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也將顯著下降。在交通流量很大時(shí)，工作站可能會(huì)被一而再再而三地拒發(fā)。

    1.2 交換技術(shù)

    局域網(wǎng)交換技術(shù)是作為對(duì)共享式局域網(wǎng)提供有效的網(wǎng)段劃分的解決方案而出現(xiàn)的，它可以使每個(gè)用戶盡可能地分享到最大帶寬。交換技術(shù)是在OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，因此交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是建立在MAC（Media Access Control ）地址--物理地址基礎(chǔ)之上的，對(duì)于IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來說，它是透明的，即交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，不知道也無須知道信源機(jī)和信宿機(jī)的IP 地址，只需知其物理地址即MAC 地址。交換機(jī)在操作過程當(dāng)中會(huì)不斷的收集資料去建立它本身的一個(gè)地址表，這個(gè)表相當(dāng)簡(jiǎn)單，它說明了某個(gè)MAC 地址是在哪個(gè)端口上被發(fā)現(xiàn)的，所以當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)TCP ／IP 封包時(shí)，它便會(huì)看一下該數(shù)據(jù)包的目的MAC 地址，核對(duì)一下自己的地址表以確認(rèn)應(yīng)該從哪個(gè)端口把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。由于這個(gè)過程比較簡(jiǎn)單，加上這功能由一嶄新硬件進(jìn)行--ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，因此速度相當(dāng)快，一般只需幾十微秒，交換機(jī)便可決定一個(gè)IP 封包該往那里送。值得一提的是：萬一交換機(jī)收到一個(gè)不認(rèn)識(shí)的封包，就是說如果目的地MAC 地址不能在地址表中找到時(shí)，交換機(jī)會(huì)把IP 封包"擴(kuò)散"出去，即把它從每一個(gè)端口中送出去，就如交換機(jī)在處理一個(gè)收到的廣播封包時(shí)一樣。二層交換機(jī)的弱點(diǎn)正是它處理廣播封包的手法不太有效，比方說，當(dāng)一個(gè)交換機(jī)收到一個(gè)從TCP/IP 工作站上發(fā)出來的廣播封包時(shí)，他便會(huì)把該封包傳到所有其他端口去，哪怕有些端口上連的是IPX 或DECnet 工作站。這樣一來，非TCP/IP 節(jié)點(diǎn)的帶寬便會(huì)受到負(fù)面的影響，就算同樣的TCP/IP 節(jié)點(diǎn)，如果他們的子網(wǎng)跟發(fā)送那個(gè)廣播封包的工作站的子網(wǎng)相同，那么他們也會(huì)無原無故地收到一些與他們毫不相干的網(wǎng)絡(luò)廣播，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率因此會(huì)大打折扣。從90 年代開始，出現(xiàn)了局域網(wǎng)交換設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)交換產(chǎn)品的形態(tài)來看，交換產(chǎn)品大致有三種：端口交換、幀交換和信元交換。

    (1)端口交換

    端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)于插槽式集線器中。這類集線器的背板通常劃分有多個(gè)以太網(wǎng)段（每個(gè)網(wǎng)段為一個(gè)廣播域）、各網(wǎng)段通過網(wǎng)橋或路由器相連。以太網(wǎng)模塊插入后通常被分配到某個(gè)背板網(wǎng)段上，端口交換適用于將以太模塊的端口在背板的多個(gè)網(wǎng)段之間進(jìn)行分配。這樣網(wǎng)管人員可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，將用戶在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行分配。這種交換技術(shù)是基于OSI第一層（物理層）上完成的，它并沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，因此并不是真正意義上的交換。

    (2)幀交換

    幀交換是目前應(yīng)用的最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對(duì)傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行分段，提供并行傳送的機(jī)制，減少了網(wǎng)絡(luò)的碰撞沖突域，從而獲得較高的帶寬。不同廠商產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)幀交換的技術(shù)均有差異，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式一般有：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式和直通式兩種。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式（Store-and-Forward ：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包以這種技術(shù)進(jìn)入一個(gè)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)將讀取足夠的信息，以便不僅能決定哪個(gè)端口將被用來發(fā)送該數(shù)據(jù)包，而且還能決定是否發(fā)送該數(shù)據(jù)包。這樣就能有效地排除了那些有缺陷的網(wǎng)絡(luò)段。雖然這種方式不及使用直通式產(chǎn)品的交換速度，但是它們卻能排除由破壞的數(shù)據(jù)包所引起的經(jīng)常性的有害后果。直通式Cut-Through ：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包使用這種技術(shù)進(jìn)入一個(gè)交換機(jī)時(shí)，它的地址將被讀取。然后不管該數(shù)據(jù)包是否為錯(cuò)誤的格式，它都將被發(fā)送。由于數(shù)據(jù)包只有開頭幾個(gè)字節(jié)被讀取，所以這種方法提供了較多的交換次數(shù)。然而所有的數(shù)據(jù)包即使是那些可能已被破壞的都將被發(fā)送。直到接收站才能測(cè)出這些被破壞的包，并要求發(fā)送方重發(fā)。但是如果網(wǎng)絡(luò)接口卡失效，或電纜存在缺陷；或有一個(gè)能引起數(shù)據(jù)包遭破壞的外部信號(hào)源，則出錯(cuò)將十分頻繁。隨著技術(shù)的發(fā)展，直通式交換將逐步被淘汰。在“直通式”交換方式中，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前幾個(gè)字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳到相應(yīng)的端口上，雖然交換速度很快，但缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀的高級(jí)控制，無智能性和安全性可言，同時(shí)也無法支持具有不同速率端口的交換；而“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式則通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗(yàn)錯(cuò)和控制。聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品都采用“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式。

    (3)信元交換

    信元交換的基本思想是采用固定長(zhǎng)度的信元進(jìn)行交換，這樣就可以用硬件實(shí)現(xiàn)交換，從而大大提高交換速度，尤其適合語音、視頻等多媒體信號(hào)的有效傳輸。目前，信元交換的實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是ATM （異步傳輸模式），但是ATM 設(shè)備的造價(jià)較為昂貴，在局域網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)逐步被以太網(wǎng)的幀交換技術(shù)所取代。

    1.2.1 第二層交換技術(shù)

    第二層的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)依據(jù)第二層的地址傳送網(wǎng)絡(luò)幀。第二層的地址又稱硬件地址（MAC 地址），第二層交換機(jī)通常提供很高的吞吐量（線速）、低延時(shí)（10 微秒左右），每端口的價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)。第二層的交換機(jī)對(duì)于路由器和主機(jī)是“透明的”，主要遵從802.1d 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交換機(jī)通過觀察每個(gè)端口的數(shù)據(jù)幀獲得源MAC 地址，交換機(jī)在內(nèi)部的高速緩存中建立MAC 地址與端口的映射表。當(dāng)交換機(jī)接受的數(shù)據(jù)幀的目的地址在該映射表中被查到，交換機(jī)便將該數(shù)據(jù)幀送往對(duì)應(yīng)的端口。如果它查不到，便將該數(shù)據(jù)幀廣播到該端口所屬虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）的所有端口，如果有回應(yīng)數(shù)據(jù)包，交換機(jī)便將在映射表中增加新的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)交換機(jī)初次加入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，由于映射表是空的，所以，所有的數(shù)據(jù)幀將發(fā)往虛擬局域網(wǎng)內(nèi)的全部端口直到交換機(jī)“學(xué)習(xí)”到各個(gè)MAC 地址為止。這樣看來，交換機(jī)剛剛啟動(dòng)時(shí)與傳統(tǒng)的共享式集線器作用相似的，直到映射表建立起來后，才能真正發(fā)揮它的性能。這種方式改變了共享式以太網(wǎng)搶行的方式，如同在不同的行駛方向上鋪架了立交橋，去往不同方向的車可以同時(shí)通行，因此大大提高了流量。從虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）角度來看，由于只有子網(wǎng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)帶寬，所以性能得到提高。主機(jī)1 訪問主機(jī)2 同時(shí)，主機(jī)3 可以訪問主機(jī)4 。當(dāng)各個(gè)部門具有自己獨(dú)立的服務(wù)器時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)更加明顯。但是這種環(huán)境正發(fā)生巨大的變化，因?yàn)榉��?wù)器趨向于集中管理，另外，這一模式也不適合Internet 的應(yīng)用。不同虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的通訊需要通過路由器來完成，另外為了實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)段之間通訊也需要路由器進(jìn)行互連。

    路由器處理能力是有限的，相對(duì)于局域網(wǎng)的交換速度來說路由器的數(shù)據(jù)路由速度也是較緩慢的。路由器的低效率和長(zhǎng)時(shí)延使之成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的訪問速度是加快整個(gè)網(wǎng)絡(luò)速度的關(guān)鍵，某些情況下（特別是Intranet ），劃定虛擬局域網(wǎng)本身是一件困難的事情。第三層交換機(jī)的目的正在于此，它可以完成Intranet 中虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的數(shù)據(jù)包以高速率進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

    1.2.2 VLAN 技術(shù)

在傳統(tǒng)的局域網(wǎng)中，各站點(diǎn)共享傳輸信道所造成的信道沖突和廣播風(fēng)暴是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。通常一個(gè)IP 子網(wǎng)或者IPX 子網(wǎng)屬于一個(gè)廣播域，因此網(wǎng)絡(luò)中的廣播域是根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)來劃分的。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無論從效率和安全性角度來考慮都有所欠缺。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)被束縛在所處的物理網(wǎng)絡(luò)中，而不能夠根據(jù)需要將其劃分至相應(yīng)的邏輯子網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺乏靈活性。為解決這一問題，從而引發(fā)了虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）的概念，所謂VLAN 是指網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)不拘泥于所處的物理位置，而可以根據(jù)需要靈活地加入不同的邏輯子網(wǎng)中的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。