咱們平時(shí)所說(shuō)的局域網(wǎng)交換技術(shù)，也稱(chēng)為層2交換技術(shù)，內(nèi)容主要包括層2交換的工作原理、網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、如何利用Spanning-Tree Protocol來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)路、VLAN及VTP技術(shù)，這篇文章主要介紹二層交換機(jī)的工作原理以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的危害。其他的內(nèi)容將在后續(xù)陸續(xù)介紹。

大家都知道傳統(tǒng)共享以太網(wǎng)使用的是CSMA/CD機(jī)制，即載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)。我們來(lái)詳細(xì)分析一下：

▲CSMA/CD

CSMA/CD是一種分布式介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀。這時(shí)，如果兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無(wú)效幀，發(fā)送隨即宣告失敗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有能力隨時(shí)檢測(cè)沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，以免介質(zhì)帶寬因傳送無(wú)效幀而被白白浪費(fèi)，然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后，再重新?tīng)?zhēng)用介質(zhì)，重發(fā)送幀。

最早由Inter，施樂(lè)，DEC三家公司提出以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)IEEE組織制定了802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，主要就是定義了10BASE-2、10BASE-5、10BASE-T、10BASE-F等，規(guī)定了介質(zhì)，帶寬，距離等。同時(shí)還定義了一個(gè)502.2標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的LLC子層，即邏輯鏈路控制子層，主要是提供了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的接口，如圖所示：

網(wǎng)絡(luò)層有很多協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層提供了很多協(xié)議之間的區(qū)分，使用網(wǎng)絡(luò)層的哪一個(gè)協(xié)議，這就是為什么數(shù)據(jù)幀要封裝一個(gè)LLC的頭部信息。但傳統(tǒng)以太2幀中不是使用LLC封裝而是在數(shù)據(jù)幀中有一個(gè)2個(gè)字節(jié)的type來(lái)表明上網(wǎng)所使用的協(xié)議,如下圖所使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是ARP。

下面來(lái)看一下沖突域，廣播域

沖突域：共享式以太網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)在需要與其他節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)是可以發(fā)送數(shù)據(jù)的，但是CSMA/CD的機(jī)制卻在確保在某個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，那如果肉個(gè)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)了，出現(xiàn)這種情況會(huì)導(dǎo)致沖突，那么在這個(gè)共享式網(wǎng)絡(luò)中可能產(chǎn)生沖突的這么一個(gè)范圍，我們就稱(chēng)為沖突域。

廣播域：廣播域是指在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播包所能到達(dá)的范圍。也就是說(shuō)如果在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個(gè)廣播包，這個(gè)廣播包可以到達(dá)的范圍，我們稱(chēng)為廣播域，

作為一名專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)工作人員，具有識(shí)別沖突域和廣播域的能力是所需要的一項(xiàng)重要技能。***層設(shè)備的加入是擴(kuò)大了沖突域，只有加入第二層設(shè)備或三層設(shè)備才可以分隔沖突域，也就是說(shuō)如果加入了網(wǎng)橋、交換機(jī)和路由器可以將沖突域分割成較小的部分，從面降低對(duì)帶寬的競(jìng)爭(zhēng)，減少?zèng)_突。路由器還有一個(gè)好處，可以劃分更小的廣播域。這就叫網(wǎng)絡(luò)分段。而用二層設(shè)備來(lái)減少?zèng)_突域的范圍叫做“微分段”，也就是說(shuō)不是正真意義的分段。真正意義的分段是網(wǎng)段號(hào)不同，不可能進(jìn)行直接通訊。所以二層設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)分段，但不能真正將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段，而路由器是可以實(shí)現(xiàn)真正網(wǎng)絡(luò)分段的。這句話(huà)，大家好好理解一下!給出一個(gè)表供大家參考。

▲網(wǎng)絡(luò)分段

那么咱們的交換技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)使用的就是交換機(jī)，我們來(lái)看一個(gè)交換機(jī)的功能。#p#

交換機(jī)的三大功能：

1.MACA地址的學(xué)習(xí)

2.數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)或者是數(shù)據(jù)幀的過(guò)濾

3.利用生成樹(shù)協(xié)議防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

首先我們來(lái)看***個(gè)交換機(jī)MAC地址的學(xué)習(xí)功能，交換機(jī)是通過(guò)MAC表來(lái)進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā)工作的，所以MAC地址表是交換工作的核心，網(wǎng)絡(luò)與交換機(jī)的不同之處就在于網(wǎng)橋使用軟件來(lái)創(chuàng)建和管理MAC地址表的，而交換機(jī)使用ASIC來(lái)創(chuàng)建和管理MAC地址表。

交換機(jī)的MAC地址學(xué)習(xí)功能：

交換機(jī)初始化時(shí)，要學(xué)習(xí)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)幀的源地址，并且把源地址及其對(duì)應(yīng)的交換機(jī)的端口號(hào)記錄在MAC地址表。在MAC地地址表形成之后，交換機(jī)要學(xué)習(xí)進(jìn)入交換機(jī)數(shù)據(jù)幀的目的地址，并且與MAC地址表中的條目進(jìn)行比較，完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)。

▲MAC地址學(xué)習(xí)

交換機(jī)開(kāi)機(jī)初始化時(shí)，MAC地址表是空的，因?yàn)镸AC地址表是存儲(chǔ)在內(nèi)存中的。

如果計(jì)算機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀到計(jì)算機(jī)C,此時(shí)交換機(jī)的E0口接收該數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)記錄下該數(shù)據(jù)幀的源地址C的對(duì)應(yīng)關(guān)系及E0口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖所示：

由于交換機(jī)并不知道C的MAC地址，所以將此數(shù)據(jù)幀對(duì)除了E0口以外的其他端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

如果是計(jì)算機(jī)D發(fā)送數(shù)據(jù)幀到計(jì)算機(jī)C，此時(shí)交換機(jī)的E3口接收該數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)記錄下該數(shù)據(jù)幀的源地址D的地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)交換機(jī)仍然不知道C的地址，所以還是要對(duì)除了E0口以外的其他端口上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)不斷記錄每個(gè)接口上接收到的數(shù)據(jù)幀的地址，一段時(shí)間以后所有的端口所連接的MAC地址都會(huì)記錄到MAC地址表中。此時(shí)計(jì)算機(jī)A再向計(jì)算機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就直接查MAC地址表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可，不會(huì)再轉(zhuǎn)發(fā)到其他端口上。

在這個(gè)圖中計(jì)算機(jī)A和計(jì)算機(jī)B通過(guò)HUB連接到Switch的E0口上，所以在MAC地址表中記錄兩個(gè)MAC地址對(duì)應(yīng)同一個(gè)端口，此時(shí)如果A與B通訊，則交換機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀，因?yàn)樵春蜆?biāo)MAC都在同一個(gè)接口上。這就是交換機(jī)的地址學(xué)習(xí)功能以及數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)濾。

交換機(jī)的交換方式一般有三種：直通轉(zhuǎn)發(fā)、片斷轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)

直通轉(zhuǎn)發(fā)：交換機(jī)檢測(cè)到目錄地址后即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，也就是說(shuō)只要讀到目標(biāo)地址以后就開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)，大家分析一下數(shù)據(jù)幀的格式就知道了，加上前導(dǎo)位和目標(biāo)地址也就是14個(gè)字節(jié)左右，不需要再往后分析了。這樣減少延時(shí)，但是不適合高錯(cuò)誤率的網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橛幸恍?shù)據(jù)碰撞幀，是小于64字節(jié)的，也會(huì)一起轉(zhuǎn)發(fā)!

片斷轉(zhuǎn)發(fā)：與直通轉(zhuǎn)發(fā)相似，只是在轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候會(huì)檢測(cè)幀的前64個(gè)字節(jié)，這前64個(gè)字節(jié)中會(huì)包含一小部分?jǐn)?shù)據(jù)，好處是可以把可以把小于64字節(jié)的壞幀拋棄掉，以節(jié)約帶寬。

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)：這是延時(shí)***的一種轉(zhuǎn)發(fā)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前要將收到的幀進(jìn)行完整性校驗(yàn)，確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤才進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果有錯(cuò)誤就不轉(zhuǎn)發(fā)。好處是可以丟棄任何小于64字節(jié)和受損的數(shù)據(jù)包，但是缺點(diǎn)是延遲大。

下面看一下網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的形成：

網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

大家看下面這個(gè)圖：

在這個(gè)拓?fù)鋱D中，交換機(jī)就成了一個(gè)單點(diǎn)故障，如果交換機(jī)壞了，此時(shí)的幾個(gè)模塊之間都無(wú)法進(jìn)行正常的工作，客戶(hù)機(jī)不能訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，不能連接internet，不能訪(fǎng)問(wèn)打印機(jī)，反之都一樣。所謂單點(diǎn)故障，也就是一點(diǎn)發(fā)生故障，則整網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作。所以在一般的交換式網(wǎng)絡(luò)中，我們都需要對(duì)交換機(jī)進(jìn)行冗余，但是引入冗余又會(huì)發(fā)生一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，就是網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。下面我們來(lái)看看環(huán)路對(duì)我們的網(wǎng)絡(luò)到底造成了什么影響，影響主要有三：

1Broadca ststorms廣播風(fēng)暴

2Multiple Frame Copies多重復(fù)數(shù)據(jù)幀

3MAC Database Instability MAC地址表不穩(wěn)定

咱們一一來(lái)看

廣播風(fēng)暴：我們看一個(gè)圖，大家就明白什么是廣播風(fēng)暴了：

分析：如果主機(jī)X希望跟網(wǎng)絡(luò)上的其他主機(jī)通訊，將數(shù)據(jù)報(bào)傳給交換機(jī)A，但交換機(jī)仍然會(huì)將此報(bào)再一次傳給交換機(jī)A，依次類(lèi)似，構(gòu)成了一個(gè)環(huán)，而且這個(gè)環(huán)后面比較嚴(yán)重，為什么?我們?cè)谥v網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的時(shí)候，我們講了數(shù)據(jù)幀的格式，大家可以回憶一下，但在這個(gè)格式中，沒(méi)有類(lèi)似于三層IP報(bào)頭中TTL機(jī)制，所以數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中將被無(wú)限次數(shù)的傳遞，從面造成了廣播風(fēng)暴，如果是單播的數(shù)據(jù)還要好一些，如果是廣播或者組播數(shù)據(jù)在這樣一個(gè)環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中傳遞則廣播風(fēng)暴更加明顯。

多重?cái)?shù)據(jù)幀：也稱(chēng)為重復(fù)數(shù)據(jù)幀

分析：主機(jī)X準(zhǔn)備發(fā)一個(gè)單播幀給路由器Y，數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)出后，發(fā)現(xiàn)有兩條路可以到達(dá)路由器Y，一個(gè)是直接發(fā)過(guò)去，還有一條就是通過(guò)交換機(jī)A轉(zhuǎn)給交換機(jī)B，然后再交給路由器Y，此時(shí)路由器Y就收到了兩位一模一樣的數(shù)據(jù)幀。

還有一個(gè)就是MAC地址表的不穩(wěn)定：

分析：還是主機(jī)X發(fā)送數(shù)據(jù)幀給路由器Y，路由器的MAC地址表還沒(méi)有被交換機(jī)學(xué)習(xí)到，數(shù)據(jù)幀沿鏈路發(fā)送到交換A和交換機(jī)B的端口0,那么交換機(jī)A和交換機(jī)B都將主機(jī)X的MAC地址記錄在port0。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)port0收到的數(shù)據(jù)幀，所以會(huì)通過(guò)兩個(gè)交換機(jī)的port1向外泛洪，交叉來(lái)到相互交換機(jī)的port1口，又認(rèn)為主機(jī)X的MAC地址所對(duì)應(yīng)的端口是port1,即從交換機(jī)A發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)幀來(lái)到了交換機(jī)B的port1端口。然后交換機(jī)B收到后又通過(guò)Port0口再次泛洪，依次類(lèi)推，數(shù)據(jù)幀在環(huán)路里重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程，交換機(jī)A和交換機(jī)B重復(fù)的在port1以及port0上不斷的學(xué)習(xí)主機(jī)X的MAC地址，造成MAC地址表的不穩(wěn)定。