网络之交换机原理

网络拓扑

拓扑(Topology):网络连接图。
网络按照拓扑类型按照接入设备划分，可以分成两种类型：

• 总线型网络：通过集线器(Hub)将终端设备(PC Printer)连接形成的网络,属于OSI一层(Layer 1)网络。
• 星形网络：通过交换机(Switch)将终端设备(PC Printer)连接形成的网络,属于OSI二层(Layer 2)网络。

总线型网络

总线型网络的工作原理

数据从终端PCA通过Hub集线器发送到终端PCB，需要进行数据封装，添加一些头信息，形成类似这样的数据包(“Header(源地址 目的地址)|Header(源端口 目的端口)|数据XXXXX”),再由接入设备，通过目的地址找到PCB。

Q：Hub集线器是一个一层设备，功能只有转发数据，根本不认识Header，自然也就无法获得PCB的目的地址，那Hbu是怎样把数据转发给PCB的呢？

答案：数据全发，又称之为数据泛洪(Flooding)。Bub会把数据拷贝N份，全部发到所有与之相联的终端PC…上，PCX如果发现是我的消息就处理，不是我的就丢弃。总有正确的一路到达PCB，并且在这个过程中Hub采用的是半双工工作方式进行数据转发。一端发送数据的时候，其他端必须等待接收完毕，才能向外发送数据；如果有两端同时向Hub发送数据，就会发生数据冲突，形成冲突碎片导致数据不能用。为了避免这种情况发生，Hub采用CSMA /CD(载波侦听多路访问/冲突检测)，来抑制冲突。

总线型网络的缺点

• 正是因为，Bub采用半双工的工作模式，数据转发效率很低。而且CSMA /CD无法完全避免，冲突碎片产生。
• 因为Hub采用，数据泛洪的工作模式，数据全发就会浪费带宽。

正是由于有这些缺点，所以集线器在现代网络中，早已经被淘汰了；取而代之的是交换机(Switch)。

双工模式
单工：A到B的通路上，只能A向B发消息，或者只能B向A发消息，不能双向发送消息。
半双攻：A到B的通路上，可以A向B发消息，也可以B向A发消息，但不能同时双向发生消息，必须等待一端接收完毕。
全双工：A到B的通路上，可以A向B发消息，也可以B向A发消息，也可以同时双向发送信息。

广域网VS局域网

• 局域网(LAN)：覆盖范围比较小，节点数量比较少的网络，包含以下协议。

  • 以太网协议（Ethernet）
  • 令牌环协议 （Token Ring）
  • 光纤分布数据接口协议（FDDI）

• 广域网(WAN)：覆盖范围比较大，节点数量众多的网络，包含以下协议。

  • 高级链路控制协议（HDLC）
  • 点到点协议（PPP）
  • 帧中继协议（Frame-Relay）

局域网，广域网包含的协议都属于OSI二层协议 数据链路层协议

什么是协议？
协议简单来说就是网络中各终端，在发送，接收数据时，必须要遵守的规则，约束，规定；各种的协议形成一组协议栈（例如TCP/IP OSI），一起保证数据从网络的一端 安全，完整，的发送到另一端。

只要由双绞线，光纤连接的网络就是以太网协议。

以太网 MAC地址

MAC地址：介质访问控制地址（Media Access Control ），是以太网规定的一个数据链路层的硬件物理地址，属于OSI二层地址。

MAC地址的特点：

• MAC地址用48bit，6Byte字节表示。
• MAC地址是在网内标识终端物理网络地址的唯一标识，全球唯一。
• MAC地址是在网卡出厂的时候，以只读的方式，写入到网卡ROM（Read Only Mermory 只读存储器）中的。

MAC地址格式
华为：XX-XX-XX-XX-XX-XX 4bit表示一个X，代表一个十六进制数，0-9 A-F。
思科：XXXX.XXXX.XXXX
前24位：OUI组织唯一标识符，表示地址所属公司；需要向IANA组织购买(MAC IPV4 IPV6)。
后24位：表示可以可分配的地址，有2的24次方 1700w个地址。

MAC地址和IP地址的区别

• MAC地址：只能在一个网络内去标识一个节点，只在一个网络内有意义，相当于身份证。
• IP地址：能在全局网络上标识一个节点，即在网络内有意义，又在网络间有意义，相当于护照。

多路访问网络（MA）： 一个网络中可以包含任意多个节点（由集线器Hub或者交换机Switch连接形成的网络），需要二层地址。

点到点的网络（P2P）：一个网络中只有两个节点。（R1------R2 ：路由器R1通过serial串行线缆连接路由器R2形成的网络）不需要二层地址。

以太网数据帧

以太网发送数据的格式是以数据帧（Frame）的形式传递的。
数据帧格式：Ethernet2(DMAC SMAC TYPE)|IPV4/IPV6|TCP/UDP|数据载荷(Payload)|FCS。

应用数据载荷封装过程

• 在数据载荷的头部添加一个OSI四层协议，TCP/UDP协议头，形成一个数据段（Segment）。
• 在数据段的头部添加一个OSI三层协议，IPV4/IPV6协议头，形成一个IP数据报（Datagram）。
• 在数据报的头部添加一个以太网帧头，在尾部添加一个以太网帧尾，形成一个以太网数据帧（Frame）。

ARP协议

网络内两个节点在以太网上通信，不仅需要知道对方的IP地址，还得知道对方的MAC地址。可是两个节点上应用/管理员进行通信，应用和管理员只知道IP地址，不知道MAC地址，怎样获得MAC地址呢？通过ARP协议获取。

为什么用户只关心IP？
IP地址的最大好处就是，我不管和你是不是在同一个网络，我要和你通信，我都需要知道你的IP。
并且也比较短，比较好记。对于用户也好，设备也好，应用程序也好，在网络通信的时候我更加关心对方的IP地址。

ARP：地址解析协议。

PCA要和PCB进行网络通信，地址解析过程：

1. 在通信前PCA利用目的IP地址去本机ARP表查找PCB的MAC地址。
2. 如果表项不存在，PCA发送一个ARP广播，这个ARP广播中包含PCB的IP地址。
3. 网络内所有的主机PCX都接受到广播开始处理，PCB自然也受到了广播。
4. PCB收到广播后，会产生一个ARP应答。在应答中包含PCB的MAC地址。
5. PCA收复PCB的MAC地址以后，会和PCB的IP进行一对一绑定，形成一个ARP表项，并记录在本机的ARP表中。
6. PCA用PCB的IP和MAC地址，将数据封装成帧。然后发送给PCB。

注意：正是因为APR广播，会影响到网络内的所有主机，所以一个网络内的主机不应该过多。过多会浪费很多链路带宽。10M的带宽让254台机器用，一台机器获得的带宽有限。并且还得处理很多不想相干的广播。消耗CPU，内存资源。

星型网络

交换机

交换机（Switch）：是一个OSI二层设备。

交换机的作用：

• 通过识别MAC地址表，又叫CAM表（内容可寻址存储器）中记录的源目MAC地址项，在网络间精确的转发数据。
  • MAC地址表，包含计算机的MAC地址；计算机连接交换机的接口。
• 通过FCS帧校验序列，哈希算法。可以校验数据帧的完整性。
• 分割冲突域。
  • 如果主机PC通过集线器Hub再连接到交换机Switch上，如果有PC0和PC1同时向PC4发送数据，就会产生冲突。数据帧到达交换机Switch，Switch通过FCS校验，发现是冲突碎片，就会丢弃。一个交换接口连接的就是一个冲突域。
    

冲突域：
在一次数据冲突中，能影响到的所有机器的集合，就叫做一个冲突域。

交换机控制层面

• 控制层面（Cantrol Plane）：交换机如何得知网络连接信息，如何获得转发表项。
  • 静态配置：管理员通过Console口登录交换机系统VRP/IOS的控制台，手动配置表项。
  • 动态学习：交换机通过它的任何一个接口，收到一个数据，根据这个数据帧帧头中的源MAC地址，来确定发送主机的MAC地址，并根据接收数据设备端口，交换机认为这个设备端口是直接连接发送者的。交换机就把这个接收接口（设备端口）和源MAC地址做一个绑定，形成MAC地址表项。
    • 表项通过老花计时器 Aging Timer 来确定什么时候清除表项。默认时间300s。

交换机数据层面

• 数据层面（Date Plane）：如何精确的在网络内转发数据。
  • 交换机在数据帧头中拿到DMAC地址，通过DMAC地址，去CAM表中查找，以确定是否有接口与DMAC地址绑定的表项，如果有直接数据转发。如果没有进行数据泛洪(Flooding)。如果FCS验证不通过进行数据丢弃。

重复帧：
如上图PC3,PC4两台机器连接到一台Hub，Hub再连到Switch上。PC3发送数据到PC4上，Hub进行泛洪；Switch收到数据，通过查CAM表，发现A发送主机的接口，正好是B接收主机出去的接口。这个时候Switch不会把PC3的数据通过同一个端口转发给PC4的，如果进行转发PC4会收到两份相同的数据，所以Switch会把数据包丢弃。

交换机接口分类

下连接口：连接终端的接口，一般为电口，数量有24,48。
级联接口：交换机和交换机连接的接口，一般为光口，数量有2,4，是下联接口的十分之一。

交换机进行地址转发过程

PCA通过Switch交换机向PCB发送消息：

• PCA通过接口1连接Switch交换机，Switch通过自动学习，将PCA的源SMAC地址和接口1绑定形成表项，添加到CAM表中。
• PCA通过Switch向PCB发送数据帧，Switch 交换机通过解封装，拿到数据帧头的目DMAC地址。
• Switch通过目DMAC地址，去CAM表中查找，是否有目DMAC地址与之接入接口2对应的表项。
• CAM表中如果有表项，则Switch通过接口2直接转发数据帧。如果没有表项，Switch进行数据泛洪（Flooing）。
• PCB接收到泛洪数据，通过与Switch连接的接口2向PCA回复数据。
• Switch收到PCB的回复数据帧，Switch自动学习绑定PCB的源SMAC地址和接口2表项。然后通过解封装帧头的目MAC地址，查找CAM表，找到与之对应的接口1，将数据转发到PCA。

经过以上步骤之后，无论是A向B，还是B向A发送数据，都可以不用数据泛洪了。
而且Switch转发数据模式是全双工形式。所以A，B可以同时发送数据。

交换机优/缺点

优点：

• 精确转发数据，节省数据带宽。
• 采用全双工模式，数据转发效率也大大提高了。

缺点：

• CAM表项都是单播表项，数据转发只能是单播。
• 遇到未知单播帧，组播帧，广播帧就会泛洪。

广播域

交换网络无法限制，组播和广播，一个广播流量会影响到的所有连接的主机。被称之为一个广播域。
总线型和星型网络都是一个广播域。
因为现在都是星型网络，所以可以说一个网络就是一个广播域。
属于同一个广播域内的所有主机的IP地址 网络位是完全相同的。

单播，组播，广播区别
单播：源是单播，目的是单播。
组播：源是单播，目的是组播。
广播：源是单播，目的是组播。
他们的区别只在于目的地址之上。