LeoHsiao's Notes

# 交换机

：switch ，又称为多网孔网桥、交换式集线器（比网桥端口多、比集线器能隔离冲突域）。

  • 工作在数据链路层。
    • 普通的交换机称为第二层交换机，也有工作在物理层的第三层交换机。
  • 交换机有半双工和全双工两种端口，半双工端口的传输速率只有全双工端口的一半。

# 基本职责

  • 对数据帧进行转发或过滤。
  • 在源端口和目的端口之间建立虚连接，形成一条专用信道（转发完数据后断开连接）。可以同时在多个端口间建立并发连接。
  • 通过自学习的方法自动地建立和维护一个表示目的 MAC 地址与端口对应关系的交换表。
  • 交换机不但可以隔离冲突域，还可以对转发的数据进行过滤，从而隔离广播风暴。
    • 冲突域是指两个结点同时发送数据时会发生冲突的共享式网络。
    • 广播风暴是指大量广播帧占用带宽导致网络瘫痪。
    • 交换机也会使用生成树协议来避免产生回路。

# 分类

按规模分类：

  • 工作组级交换机：100 个结点以下。
  • 部门级交换机
  • 企业级交换机：500 个结点以上。

按结构分类：

  • 普通交换机：只能级联。
  • 堆叠式交换机
  • 箱体模块化交换机

# 交换表

  • 交换表中主要的几列信息：目的 MAC 地址（Destination Address）、目的地址所连接的端口号（Destination Port）、目的地址所在的 VLAN 编号
    • 例如：端口号 3/4 表示交换机第 3 模块的第 4 端口。
  • 交换机刚开机时交换表是空白的。
    • 交换表的建立：检查每个数据帧的目的地址，若在交换表中查到了对应的端口号，则建立虚连接转发数据帧，否则把数据帧向除了源端口以外的所有端口广播，目的结点收到广播帧后会马上做出应答，从而使交换机得到该目的地址与端口的对应关系，写入交换表。特别地，若目的端口就是源端口，则丢弃该数据帧。
    • 交换表的维护（即刷新）：交换表一般存储在交换机的高速缓存内，为了避免占满存储空间，交换表每写入一条新对应关系都会加上一个时间戳，每次使用这条对应关系时会更新时间戳，时间戳最老的一部分对应关系会被删除。
  • 交换表分为静态交换表（手动设置）和动态交换表（由交换机自动建立和维护）两种。

# 数据交换方式

  • 快速交换方式
    • ：又称为直接交换方式，收到长度为 14 个字节的包头后就开始转发，即接收完整个数据帧之前就开始转发。
    • 这样转发速度快，但不能进行差错控制和流量控制。
  • 无碎片交换方式
    • ：只检查数据帧的长度是否有 64 字节，一旦收到了 64 个字节就视为有效帧，马上转发，也是接收完整个数据帧之前就开始转发。没有 64 个字节就视为碎片，马上丢弃。
  • 存储转发交换方式
    • ：先接收整个数据帧，如果检查没有出错的话就存储起来，在对应端口排队转发。
    • 排队转发可以避免端口拥塞，但会增加转发延迟。
    • 这种方式最常使用。

# 虚拟局域网

  • 使用交换机可以创建多个虚拟局域网（Virtual LAN ，VLAN）。
    • 连接到同一个交换机的各个主机，即使位于不同物理网段，也能加入同一个虚拟网段，因为通过交换机连通了物理网络。
    • 不同 VLAN 的主机之间不能直接通信，必须由路由器提供路由。使用第三层交换机也可以提供路由功能，不过功能还是没有路由器强大。
  • 优点：
    • 隔离广播风暴：每个 VLAN 都是一个独立的子网，是一个独立的广播域（广播帧只在该网段内传播）。
    • 分组管理网络：可以划分多个虚拟网段，供不同用户、部门使用。
  • 缺点：
    • 只适合在地理位置较近的主机之间建立 VLAN ，因为需要交换机物理连通。
    • 按照 802.1Q 标准，使用 VLAN 时需要在以太网帧的头部加入 VLAN ID ，声明它所属的 VLAN 编号。VLAN ID 的长度为 12 bits ，因此一个交换机最多创建 4092 个 VLAN 。

# VIP

：虚拟局域网中继协议（VLAN Trunk Protocol），是将多个交换机开启 VTP 功能并采用同一个 VTP 域名，从而可以统一配置 VLAN 。

  • VTP 会在交换机之间传递 VLAN 的配置信息。
  • VTP 域中的交换机有以下三种工作模式。
    • 服务器模式：可以创建、删除和修改 VLAN ，可以学习和转发该 VTP 域的通告。
    • 客户端模式：只可以学习和转发该 VTP 域的通告。
    • 透明模式：可以创建、删除和修改 VLAN ，但只在本地有效，可以转发 VTP 通告，但不学习。

# VXLAN

：虚拟可扩展局域网（Virtual Extensible LAN），云计算机房常用的一种 VLAN 技术。

  • 原理：将 OSI 2 层的以太网帧封包在 OSI 4 层的 UDP 报文中，再将 UDP 报文发送到其它主机，最后解包成以太网帧。
  • 与 VLAN 相比，VXLAN 的优点：
    • 地理位置较远的主机之间，只要通过 OSI 传输层连通，就可以加入同一个 VLAN 。
    • VLAN ID 的长度为 24 Bits ，可以创建海量的 VLAN 。
  • 缺点：
    • VXLAN 封装报文，比 VLAN 的步骤更多、耗时更久。
    • 增加了报文头部的长度，因此增加了网络通信的数据量。