交换机基础知识

交换机基础知识

• 概述
• 以太网交换机演进史
• • 根据数据交换方式演进
• 以太网交换机简介
• • 交换机基础概念
  • 交换机交换模式
  • • 存储转发 - Store and Forward
    • 直通交互 - Cut-Through
    • 碎片丢弃 - Fragmentfree
  • 与传统网桥和集线器对比
  • 交换机分类
  • • 根据产品划分
    • 根据应用区域划分
    • 根据网络层次划分
    • 根据传输介质划分
    • 根据规模应用上划分
    • 根据ISO的OSI划分
    • 根据交换机可管理性划分
    • 根据是否支持堆叠
    • 根据应用的角度划分
  • 交换机主要性能指标
• 交换机转发原理
• • 二层交换机转发原理
  • 三层交换机转发原理

概述

今天主要研究学习下以太网交换机的基础知识，从交换机的发展史以及其工作原理进行剖析，以下内容主要是自己收集的资料以及自己的理解。
以太网交换机基础知识总纲

以太网交换机演进史

随着以太网的飞速发展，以太网交换机凭着高性能，低成本的优势在不断演进。目前已经成为应用最广泛的网络设备。早期的以太网设备如集线器是物理层设备，不能隔绝冲突域和广播域，对带宽带来了极大的浪费。交换机作为一种能隔绝冲突域和广播域的二层网络设备，极大的提高了以太网的性能。
下面列举一些不同时代的交换机产品，看下交换机的具体演进。

阶段	产品类	典型产品	转发方式	应用场景
第一代	集线器	3Com 3C16410/Ciso 1538	ASIC	共享式局域网
第二代	二层交换机	Cisco 2960系列/Huawei S5700-LI系列	ASIC	小型局域网
第三代	三层交换机	Cisco 3750X系列/Huawei S5700-EI系列	ASIC	中小型局域网
第四代	叠加型多业务交换机	Cisco 6500系列/Huawei 9700系列	ASIC+多核cpu混合模型	各类园区网城域网

根据数据交换方式演进

1. 共享总线
   

   
   

   通过共享总线进行通信，大家都在同一个冲突域，采用CSMA/CD技术。
2. 环形交换
   环形交换实质上仍然是一种总线交换方式，改进点就是将总线移到了芯片中，而不是在背板上。
3. 共享内存
   共享内存结构的交换机使用大量的高速RAM来存储输入数据，同时依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由核心引擎检查每个输入包以决定路。此时交换引擎成为性能突破的瓶颈。
4. Crossbar
   

   
   

   业务线卡通过背板走线连接到 Crossbar 芯片上，Crossbar 芯片集成在主控引擎上。
   

   
   

   CrossBar(即Crosspoint)被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵。它能很好的弥补共享内存模式的一些不足。
   简单地说，Crossbar 架构是一种两级架构，它是一个开关矩阵，每一个 Crosspoint 都是一个开关，交换机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发。如果交换具有 N 个输入和 N 个输出，那么该 Crossbar Switch 就是一个带有 N*(N-1)≈N?个 Crosspoint 点的矩阵，可见，随着端口数量的增加，交叉点开关的数量呈几何级数增长。对于 Crossbar 芯片的电路集成水平、矩阵控制开关的制造难度、制造成本都会呈几何级数增长。所以，采用一块 Crossbar 交换背板的交换机，所能连接的端口数量也是有限的。
5. 分布式Crossbar CLOS
   

   
   

   每块业务线卡和所有交换网板相连，交换芯片集成在交换网板上，实现了交换网板和主控引擎硬件分离。CLOS 架构是一种多级架构，每个入口级开关和每个中间级开关之间只有一个连接，并且，每个中间级开关正好连接到每个出口级开关，这种架构的优点是可以通过多个小型 Crossbar 开关来实现大量输入和输出端口之间的连接，Crosspoint 数量级别低于 Crossbar 架构的 N 的 2 次方，降低了芯片实现难度。

以太网交换机简介

交换机这个名称是通过Switch直译过来的，是一种基于MAC地址识别，可以解封装二层以太网帧，根据转发表进行直通转发的网络设备。

交换机基础概念

1. 转发表： 交换机的数据帧转发方式，是依据存储在内部的fdb(Forwarding DataBase)表进行临时建立的交换路径，由数据帧的源直接到数据的目的地址。
2. 地址学习：交换机最重要的一个特性就是MAC(Media Access Control)地址的学习，建立一个fdb表，以供数据的转发。
3. 交换容量： 交换机有一条高带宽的背板总线和内部交换矩阵，交换机所有端口同时工作，它们的双向数据传输速率之和称为整机交换容量，也叫背板带宽。每个端口都是独占带宽，不会影响其它端口。

交换机三个主要特性：MAC学习、转发/过滤、消除回路

交换机交换模式

交换机把某端口的入方向数据，转发至另一个端口的方式叫做交换模式。分为以下三种。

存储转发 - Store and Forward

特点：交换机接收报文，数据包进入缓存器，进行CRC循环冗余校验，失败丢弃。校验成功查表转发。
优点：可靠、稳定，没有残缺数据包转发。
缺点：由于需要缓存并校验，相比直通转发速度较慢。
适用环境：环境对数据传输链路影响较大并且要求高传输质量的恶劣环境中。

直通交互 - Cut-Through

特点：数据进入交换机端口后，仅仅解析前6个字节，根据目的MAC地址进行查表转发。
优点：转发速率快，减少延时。
缺点：通信网络中会出现垃圾包，污染环境。
适用环境：适用网络传输质量可靠，对时延有要求的网络。

碎片丢弃 - Fragmentfree

特点：这是介于前两者之间的解决方案，判断当前包大小，小于64字节直接丢弃。
优点：数据转发速率比存储转发快。
缺点：比直通慢。
适用环境：适用普通网络，一般的通信链路。

与传统网桥和集线器对比

对比网桥

1. 延迟小：交换机基于硬转发(ASIC: Application-Specific-Integrated Circuit)，而网桥式软转发；
2. 端口多；
3. 功能强大：交换机支持丰富的网络协议，并且可以网关。

对比集线器
交换机与集线器有着本质的不同，具有无与伦比的优势，目前集线器已经逐渐推出历史舞台。

1. 工作的层次不同：交换机工作在二层以及二层以上，集线器工作在物理层；
2. 数据传输方式不同： 集线器共享总线传输，所有端口在同一个广播域，采用广播形式。交换机每个端口处于一个冲突域，转发只在源目端口之间；
3. 带宽占用方式不同：集线器共享带宽，交换机每个端口独占带宽；
4. 传输模式不同：集线器采用半双工通信方式，交换机采用全双工通信方式。

交换机分类

根据产品划分

1. 盒式交换机
   

   

2. 框式交换机
   

   

根据应用区域划分

• 广域网交换机：主要用于移动运营商，提供通信的基础平台；
• 局域网交换机：主要用于局域网网络，直接连接终端设备。

根据网络层次划分

• 核心层交换机：一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；
• 汇聚层交换机：可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；
• 接入层交换机：一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。

根据传输介质划分

根据传输介质、传输的速度以及交换机发展史来划分。

1. 以太网交换机
2. 快速以太网交换机
3. 千兆以太网交换机
4. 万兆以太网交换机
5. FDDI交换机：传输速度100Mbps，快速以太网技术之前开发出来的设备，用于老式中、小型企业的快速交换网络中。
6. ATM交换机：用于ATM网络的交换机产品，价格昂贵，目前仅广泛用于电信、邮政网的主干网段。采用的技术是信元交换和各虚连接间的统计复用。
7. 令牌环交换机：用在以环形网络拓扑结构为基础的局域网。环上传输特点，谁有令牌谁就传输。

根据规模应用上划分

1. 企业级交换机
2. 部门级交换机
3. 工作组交换机

根据ISO的OSI划分

1. 二层交换机：基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。
2. 三层交换机：基于IP地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。
3. 四层交换机：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址（第三层路由），而且依据TCP/UDP(第四层) 应用端口号。第四层交换功能就象是虚IP，指向物理服务器。它所传输的业务服从各种各样的协议，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。
4. 七层交换机：第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要用于互联网数据中心。

根据交换机可管理性划分

1. 可管理型交换机
2. 不可管理型交换机

两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换机。

根据是否支持堆叠

1. 可堆叠交换机
2. 不可堆叠交换机

根据应用的角度划分

1. 电话交换机(PBX)：主要应用于电信领域，提供语音通讯。
2. 数据交换机(Switch)：应用于计算机网络。

交换机主要性能指标

背板带宽与端口速率

1. 背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。
2. 端口速率：每秒通过的比特数。 10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10000Mbps

模块化与固定配置

1. 模块化交换机：具有很强的可扩展性，可在机箱内提供一系列扩展模块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机一般作为骨干交换机来使用。
2. 固定配置交换机：一般具有固定端口配置，比如Cisco公司的Catalyst l900/2900交换机，Bay公司的BayStack350/450交换机等。固定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机，但是价格要低得多。

芯片类型

1. X86： 通用计算机芯片
2. ASIC： （Application-Specific-Integrated Circuit ）
3. NP： 专用网络处理器

单/多MAC地址类型

1. 单MAC交换机：每个端口只有一个MAC地址
2. 多MAC交换机：每个端口捆绑有多个MAC硬件地址

单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共享资源或非桥接路由器，它们不能用于连接集线器或含有多个网络设备的网段；多MAC交换机的每个端口可以看作是一个集线器，而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。

交换机转发原理

三层交换机实质上是将二层交换机与路由器结合起来的网络设备，它既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能。

下面以BCM芯片详细介绍二三层转发原理。

二层交换机转发原理

• 单播转发：
  1. 分配VID：untag报文，VLAN模块进行VID分配（PVID）。如果式tag报文，根据端口的VLAN列表判断是否丢弃。
  2. 源MAC地址学习：根据源MAC地址与VID（IVL模式）或者MAC地址与FID（SVL模式），查找L2_ENTRY，如果存在则更新hit位、如果已经存在且端口发生变化，则进行地址迁移更新；如果不存其则进行地址的芯片自动学习、丢弃或者上送cpu（CML决定）。
  3. 目的MAC地址查找：如果匹配L2_USER_ENTRY且BPDU=1，将报文在VLAN内洪泛、丢弃或者上送cpu；如果BPDU=0，报文根据DST_MODID与DST_PORT进行转发。如果不匹配L2_USER_ENTRY，但匹配L2_ENTRY，报文根据DST_MODID与DST_PORT/TGID进行转发；如果不匹配L2_ENTRY，报文将在VLAN内泛洪。
• 组播转发：目的MAC地址查找如果匹配L2_ENTRY且l2mc_ptr指向L2MC，则转发到L2MC的指定端口。
• 广播转发：地址学习阶段结束后，向VLAN内泛洪。
  

  

  
  L2 Aging
  新的源MAC地址学习或者源MAC地址查找匹配时，会设置hit位。当AGE_VAL时间到期，则会自动清除hit位。当AGE_VAL时间再次到期时，如果hit位已经处于清除状态，则删除转发表项。

三层交换机转发原理

L3 Packet Flow

• L2进行目的MAC地址的L2_USER_ENTRY与L2_ENTRY查找时L3=1，那么报文将进入L3的处理流程。目的MAC为交换机的MAC地址。
  1. SIP查找：如果不匹配L3，则不进行DIP的查找处理（可选送cpu处理）；如果匹配L3，则更新L3 hit位并进行DIP的查找处理；如果匹配L3且发生端口迁移，报文将送往cpu处理，由软件负责L3表的更新，并进行DIP的查找处理。hit可以被软件用于老化处理。
  2. DIP查找：如果匹配L3，输出索引指向ING_L3_NEXT_HOP与EGR_L3_NEXT_HOP，从ING_L3_NEXT_HOP获取DST_MODID与DST_PORT/TGID,从EGR_L3_NEXT_HOP获取报文下一跳的目的MAC地址和索引指向EGR_L3_INTF，从EGR_L2_INTF获取源MAC地址与VID，获取的信息都是由硬件用于自动替换报文的内容（SA,DA,VID）；如果不匹配L3，则搜索L3_DEFIP，最长匹配搜索算法用来匹配DIP的最长子网掩码，如果找到匹配，输出索引指向ING_L3_NEXT_HOP与EGR_L3_NEXT_HOP。

对于查找命中的报文，将进行TTL减少，IP checksum与Ethernet FCS重新计算后发送 。
对于查找未命中的报文，将丢弃或者上送cpu处理。

L3 Mulitcast

1. 三层组播报文根据端口关联的VLAN数来决定需要复制多少份报文发送（1个VLAN需要一份）。L3(IPMC)索引指向L3_IPMC与IPMC_GROUP。

   • L3_IPMC指示组播报文要往哪个端口进行二层转发(L2_BITMAP)，或者三层路由(L3_BITMAP).
   • IPMC_GROUP指示组播报文要往哪个VLAN进行转发。
     

     

2. IPMC_GROUP用来索引IPMC_VLAN，IPMC_VLAN用来指示报文应该被复制到哪个VLAN_ID里进行泛洪。

3. IPMC_VLAN有三个字段

   1. MSB_VLAN与LSB_VLAN_BM用来组合L2位的数值标识组播报文发送目的VLAN_ID，VID的高6位由MSB_VLAN表示；VID的低6位由LSB_VLAN_BM的置位bit的位置表示（从左往右开始计算）。
   2. 一条表项最多只能表示64个VLAN，由NextPrt把多条表项组成链表，来表示更多的VLAN。