内容发布更新时间 : 2024/11/6 9:27:02星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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各层交换功能和接入层设计

引入：

通过分析上次课程的作业与案例讲述二层交换原理，以生动形象的例子激发学生的兴趣，将课堂引入到知识点来。

新授： 一、 各层交换功能

提问：我们为什么要使用交换机？ 1.1 交换机

交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。交换机根据工作位置的不同，可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。

工作在数据链路层，交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通

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过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域。

交换机的传输模式有全双工，半双工，全双工/半双工自适应。

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。

（1）学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

（2）转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

（3） 消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。 1.2 交换机的交换方式 直通式：

直通方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。它的缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。 存储转发：

存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。 碎片隔离：

这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

提问：交换机的工作原理？ 1.3 二层交换机

二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。 1.4 三层交换机

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。三层交换技术就是二层交换技术+三层转发技术。 1.5 四层交换机

第二层交换机和第三层交换机都是基于商品地址的端到端的交换过程，这种基于MAC地址和IP地址的交换机技术，能极大的提高各节点之间的数据传输率，但却无法根据端口主机的应用需求来自主确定或动态限制端口的交换过程和数据流量，缺乏第四层智能应用交换需求。简单的说，第四层交换机是基于传输层数据包的交换过程的，是一类以软件技术为

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主，以硬件技术为辅的网络管理交换设备。 1.6 二三四层交换机的区别

第二层交换实现局域网内主机间的快速信息交流 第三层交换是交换技术与路由技术的完美结合 第四层交换则为网络应用资源提供最优分配方案，实现服务质量、负载均衡及完全控制。 简单来说就是所面向的对象不同： 二层交换机 基于MAC地址

三层交换机 基于IP，有交换和路由 四层交换机 基于应用，区别于不同端口

二、 接入层设计

接入层通常指网络中直接面向用户连接或访问的部分。接入层目的是允许终端用户连接到网络，因此接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。接入交换机是最常见的交换机，它直接与外网联系，使用最广泛，尤其是在一般办公室、小型机房和业务受理较为集中的业务部门、多媒体制作中心、网站管理中心等部门。在传输速度上，现代接入交换机大都提供多个具有10M/100M/1000M自适应能力的端口。 2.1 接入层设计因素

接入层用于控制用户对网络资源的访问。网络设计人员必须让接入层生成的数据流能够方便地前往其他网段或其他层。如果设计不合理，接入层将很快被数据流淹没，导致性能对最终用户来说是无法接受的。

接入层是连接终端设备的网络边缘。接入层服务和设备位于园区的每栋大楼、每个远程站点和服务器群以及企业边缘。