计算机网络——数据链路层（二级交换机及其原理）

短命女 2023-10-06 17:55 18阅读 0赞

## 一、以太网交换机的特点 ##

以太网交换机实质上就是一个`多接口的网桥`。  
通常都有十几个或更多的接口。

每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在`全双工`方式。

以太网交换机具有`并行性`。  
能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。

相互通信的主机都是独占传输媒体，`无碰撞`地传输数据。

以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。

以太网交换机是一种`即插即用`设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

用户独享带宽，增加了总容量。  
对于普通10 Mbit/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mbit/s)的N分之一。  
使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的  
带宽，因此对于拥有N个接口的交换机的总容量为N 10 Mbit/s。

从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。

以太网交换机一般都具有多种速率、介质的接口，方便了各种不同情况的用户。

## 二、以太交换机的自学习功能 ##

以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。  
开始时，以太网交换机里面的交换表是空的。  
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### 2.1、按照以下自学习算法处理收到的帧和建立交换表 ###

A先向B发送一帧，从接口1进入到交换机。  
交换机收到帧后，先查找交换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧。  
交换机把这个帧的源地址A和接口1写入交换表中，并向除接口1以外的所有的接口`广播`这个帧。  
C和D将丢弃这个帧，因为目的地址不对。只有B才收下这个目的地址正确的帧。这也称为`过滤`。  
从新写入交换表的项目(A, 1)可以看出，以后不管从哪一个接口收到帧，只要其目的地址是A，就应当把收到的帧从接口1转发出去。  
B通过接口3向A发送一帧。  
交换机查找交换表，发现交换表中的MAC地址有A。表明要发送给A的帧（即目的地址为A的帧）应从接口1转发。于是就把这个帧传送到接口1转发给A。显然，现在已经`没有必要再广播`收到的帧。  
交换表这时新增加的项目(B, 3)，表明今后如有发送给B的帧，就应当从接口3转发出去。  
经过一段时间后，只要主机C和D也向其他主机发送帧，以太网交换机中的交换表就会把转发到C或D应当经过的接口号（2或4）写入到交换表中。  
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### 2.2、交换机自学习和转发帧的步骤归纳 ###

交换机收到一帧后先进行`自学习`。查找交换表中与收到帧的`源地址有无相匹配`的项目。  
如没有，就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间）。  
如有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）  
`转发帧`。查找交换表中与收到帧的`目的地址有无相匹配的项目`。  
如没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发。  
如有，则按交换表中给出的接口进行转发。  
若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过交换机进行转发）。

### 2.3、交换机: 自学习 ###

收到帧，交换机记录“收到帧的`端口`、`帧`的`发送MAC地址`、`接收时间`”。  
根据“目的MAC地址”记录，`定向转发`。  
没有“目的MAC地址”记录，`广播式转发`。  
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### 自学习，转发 实例： ###

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### 交换机使用了生成树协议 ###

当交换机之间冗余链路时，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。  
如图，假定开始时，交换机\#1和\#2的交换表都是空的，主机A通过接口交换机\#1向主机B发送一帧。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTA4NDk4Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
按交换机自学习和转发方法，该帧的某个走向如下：  
离开交换机\#1的接口3→交换机\#2的接口1→接口2→交换机\#1的接口4→接口3→交换机\#2的接口1→……。  
这样就无限制地循环兜圈子下去，白白消耗了网络资源。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTA4NDk4Ng_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
IEEE 802.1D标准制定了一个生成树协议 STP  
(Spanning Tree Protocol)。  
其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

## 三、从总线以太网到星形以太网 ##

早期，以太网采用无源的总线结构。  
总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作。

现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。

以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMA/CD协议，而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

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