LAN交换机如何工作

前言
本 文包括一般概念的LAN交换机如何工作和共同特点可用在LAN交换机 。它也包括在桥接、交换和路由的之间区别。 本文在 Cisco Catalyst交换机不包括其中任一Cisco Catalyst LAN交换机 产品或配置功能。如果想要得知配置Catalyst交换机和关于 Cisco交换机的更多产品信息，参见以下链路：
局域网交换产品支持页
在您开始之前
惯例
欲 知关于文件惯例的更多信息，请参阅 Cisco技 术提示惯例。
前提
此文档没有特殊的先决 条件。
使 用的组件
本文不限于特 定软件和硬件版本。
本文提供的信 息在特定实验室环境里从设备被创建了。用于本文的所有设 备开始了以一个缺省（默认）配置。如果在一个真实网络工 作，保证您使用它以前了解所有命令的潜在影响。
Swtiches和网络
一个典型的网络包括节 点(计算机)，一连接媒质(有线或无线)和专门化的网络设备类似路 由器或集线器。一旦互联网，所有这些部分共同努力允许您 的计算机寄发信息到可能是在世界的另一边的另一台计算机!
交换机 是多数 网络的一个基本部分。他们使成为可能为了几个用户能同时 发送在网络的信息没有减慢下来。 好象路由器允许不同的网 络彼此连通，交换机允许不同的 节点 (网络连接点，典型地计算机)网络直接地彼此连通以 一个平稳和高效的方式。
镜象惯例 思科公司Cisco Catalyst 交换机的例证。

有很多不同种类的交换机和网络。在公司的内部网络为每个 节点提供独立的连接的交换机称为LAN交换机。根本，LAN交 换机创建包含在那个特定的时刻联络与彼此的仅二个设备的一系列 的即时网络。我们将着重于以太网网络使用LAN交换机。 您将了解什么LAN交换机是并且透明桥接技术如何起作用。 您也将得知VLAN、Trunking和生成树。
添加交换机
在今天被发现的最基本 的网络类型，节点使用集线器一起简单被接通。因为网络增 长，有此配置的一些潜在问题：
可 扩展性：在集线器网络，有限的共享带 宽使它难适应重大的增长没有牺牲性能。应用程序今天需要 更多带宽。相当经常，必须周期再设计整个网络适应增长。
潜伏期：它使用信息包达到对其目的地的时间。因为每个节点在一个 基于集线器的网络必须等待机会传输为了避免 冲突，潜伏期能重大增加当您添加更多节点。 或如果某人传输一个大文件横跨网络，然后所有其他节点等 待机会发送他们自己的信息包。您以前可能看见了此在工作 。您设法访问服务器或互联网和一切突然减速到爬行。
网络故障： 在一个典型的网络，一个设备在集线器能引起问题为其他设 备附有集线器由于错误的速度设置(100Mbps在10Mbps集线器)或额外 广播。可以配置交换机限制广播级别。
冲突：以太网使用称为带 冲突检测的载波侦听多路访问的一个进程(CSMA/CD)横跨网络沟通。 在CSMA/CD之下，除非网络是清楚的数据流，节点不会派出信 息包。 如果二个节点同时派出信息包，冲突发生并且信息包 丢失。然后两个节点等待一个随机时间并且重传信息包。 其中有可能**络的任何信息包从两个或多个个节点彼此将 干涉认为同一冲突域的 一部分。一个网络带有很大数量的节点在同一 个分段经常将有很多冲突并且大冲突域。
当集线器提供一个简单的方法按比例提高和缩短距离 时信息包必须移动从一个节点获得到另一个，他们不破坏实际网络 分离分段。那是交换机进来的地方。
想象每个通信工具是等待机会的数据包继续在其行程 。

设想集线器作为一个十字路口大家哪里必须终止。如 果超过一辆汽车同时到达交叉点，他们必须等待他们的轮进行。 但交换机是类似苜蓿叶形交叉点。每辆汽车能采取退 出弯道达到对他们的目的地没有必须终止和等待其他数据流去由。 现在想象什么这是类似带有相交在一个点的十二甚至一百条 路。相当数量等待和潜在冲突重大增加如果每辆汽车必须在 进行之前检查所有其他路。如果可能采取一个退出弯道从任 何一个那些路对路您选择，但它是否不是令人惊讶的？那确 切地是什么交换机为网络流量执行!
在集线器和交换机的之间一个重要区别是所有节点被接通到集线器 共用带宽在他们自己之中当设备连接到交换端口有充分的带宽全部 对本身时。例如，如果10个节点在10 Mbps网络使用一台集线 器传递，然后每个节点可能只获得10 Mbps的部分如果其他节点在集 线器想要传递。但用交换机，每个节点能可能传递在充分的 10 Mbps。考虑我们的道路模拟。如果所有数据流来到 一个普通的交叉点，则必须与所有的人共享该交叉点。但苜 蓿叶形立交路口允许所有数据流从一条路全速继续对下。
在完全交换网络，交换机用一个专用 的分段替换以太网网络的所有集线器为每个节点。这些分段 连接到交换机，支持多个专用的分段(有时在数百)。因为唯 一的设备在每个分段是交换机和节点，交换机拾起每传输在到达另 一个节点之前。 交换机然后传送在适当的分段的帧。 因为所有分段包含仅单个节点，帧只到达预期的接收方。 这在一个交换网络能允许许多会话同时发生。
镜象惯例Cisco网络一个网络的示例 使用交换机。

交换允许网络维护全双工 以太网。在交换之前，以太网是半双工，意味着仅一个设备 在网络能在指定时候传输。在完全交换网络，节点从未直接 地彼此只传递与交换机和。使用我们的道路模拟，当道路施 工关闭在使用二通道路的一通道下时，半双工于单个通道的问题是 类似的，类似。 数据流设法使用在两个方向都相同的LANE。 这意味着数据流以后的单程必须等待直到数据流从另一个方 向终止。否则，他们正面将击中!
完全交换网络使用双绞线或光缆，其中之二为发送和 接受数据使用独立的导体。 在环境的此类型，以太网节点能 抛弃冲突检测进程和任意传输，因为他们是能访问媒体的唯一的潜 在设备。换句话说，数据流在每个方向有通道对本身。 这允许节点传输到交换机交换机同时传输到他们，达到无冲 突环境。当二个节点交换信息时，传输在两个方向有效也能 网络的双明显的速度。例如，如果网络的速度是10 Mbps然后 每个节点能同时传输在10Mbps。
一 个混合网络与二台交换机和三台集线器。

多数网络不全交 换的由于在替换所有招致的费用集线器用交换机。反而，和 集线器用于交换机的组合创建一个高效并且经济高效的网络。 例如，公司在每个部门和一起连接所有部门级集线器的交换 机可能有集线器连接计算机。
交换技术
您能发现交换机有潜力 根本地更改节点能与彼此联络的方式。但您可能想知道什么 使它与路由器不同。交换机通常运转在 第二层(数据或Datalink) OSI参考模式使用 MAC地址当路由器工作在 第三层(时网络 ) 带有第三层地址(IP、IPX或者AppleTalk根据 使用什么第三层协议)。交换机使用决定如何转发信息包的算 法是与路由器用于的算法不同转发信息包。在算法的上这些 区别之一在交换机和路由器之间是广播 如何被处理。在所有网 络，广播包的概念对网络的操作度是重要的。每当设备需要 派出信息但不知道谁应该派遣它到，派出广播。例如，在时 候一台新的计算机或其他设备进展到网络，它派出广播包宣布其存 在。其他节点(例如域服务器)能添加计算机到他们的 browser list (有点儿 类似地址目录)和直接地与该计算机传递从该点。使用广播在 时侯设备需要做公告对网络的其余或对谁是不确定的信息的接收人 应该是。
OSI参考模式包括从金属丝 构件的7个层(实际)对软件(应用程序)。

他 们在广播域收到到所有其他分段的集线器或交换机将传递所有广播 包但路由器不。再考虑我们的四种方式交叉点。在我 们的类比，所有数据流穿了过交叉点不管哪里去。现在想象 此交叉点在国境。 穿过交叉点，您必须提供边防卫兵以您去 的具体地址。如果没有一个特定目的地，则卫兵不会让您通 过。路由器象这样工作。没有另一个设备的具体地址 ，它通过不会让数据包。当您想要谈同一个网络的之间时， 区别部分这是一好事为保持网络分别于彼此但不那么好。这 是交换机进来的地方。
LAN交换机依 靠 信息包交换。交换机建立二个分段的之间连接长期足够发送当前信息包。流入信息包(一部分的以太网帧)被保存到一个临时内存区域 (缓冲区)，在帧标头包 含MAC地址读然后与在交换机的 查找表里维护的地址 列表比较。在基 于以太网的LAN，以太网帧包含一个正常信息包作为帧的有效载荷与 包括信息包的包括源和目的地MAC 地址信息的一个特殊头。
基于信息包的交换机为路由数据流 使用三个方法之一：
切入直通
存储或转发
无片断
当 信息包是由交换机，发现的切入直通 交换机读MAC地址。 在存储组成地址信息的六个字节 以后，他们立即开始寄发信息包到目的地节点，即使信息包的其余 进入交换机。
一台交换机使用 存储或转发 将保存整个 信息包对缓冲区并且检查它循环冗余校验(CRC)错误或其他问题。 如果信息包有一个错误，则丢弃。 否则，交换机查找 MAC地址并且寄发信息包到目的地节点。许多交换机通过使用 直到某一错误级别被到达，然后变成存储或转发的切入直通组合二 个方法。非常因为这不提供错误改正，少量交换机严格是切 入直通。
一个较不普通的方法 无片断。它工 作类似切入直通但存储信息包的前64个字节在传送它之前。此的原因是在首字母64字节的信息包期间，多数错误和所有冲突出 现。
LAN交换机在他们的物理设计 变化。 当前，有三种普遍的配置在使用中：
共享内存 - 在所有 交换端口共享 的一个普通的存储器缓冲区存储所有 流入信息 包 (输入-输出连接)，然后发送他们在正确 的端口之外为目的地节点。
矩阵 - 交换机的此类型有内部网格与交叉的 输入端口和输出端口。 当信息包在输入端口时被发现，MAC 地址与查找表比较发现适当的输出端口。交换机在这两个端 口其中相交的网格然后建立联系。
BUS体系结构 - 而不是网 格，一个内部传输路径(common bus)由所有端口共享使用时分多路存取(TDMA) 。根据此配置的交换机有一个专用存储器缓冲区为每个端口 和一个特定应用集成电路(ASIC)控制内部总线存取。
透明桥 接技术
多数以太网LAN 交换机使用称为透明桥接技术的一个非常冷静系统创建他们的地址 查找表。透明桥接技术是允许交换机了解的技术一切在网络 需要知道节点位置没有网络管理员必须执行任何东西。透明 桥接技术有五个部分：
了解
泛滥
过滤
转发
过期
透明桥接技术如何起作用

交换机添加到网络并且 多种分段插入交换端口。
计算机(节 点A)在第一个分段(分段A) 寄发数据到计算机(节点B)在另一个分 段(分段C)。
交换机从节点A得到第 一个数据包。 它读MAC地址并且保存它对查找表为分段A 。 信息包被寄到它，交换机现在知道在哪里查找节点A。此进程被呼叫 了解。
因为交换机不知道节点B哪里，寄发 信息包到所有分段除了那个到达了(分段A)。 当交换机寄发 一个信息包到所有分段查找一个特定节点时，它称为 泛滥。
节点B得到信息包并且发送信息包回 到节点A在应答。
信息包从节点B到 达在交换机。 现在交换机能添加节点B MAC地址到查找表为 分段C。因为交换机已经知道节点A的地址，寄发信息包直接 地到它。由于节点A在一个不同的分段从节点B，交换机必须 连接二个分段发送信息包。这通认作为 转发。
下一个信息包从节点A到节点B到达 在交换机。交换机现在有节点B的地址，因此转发信息包直接 地到节点B。
节点C寄发信息到交换 机为节点A。 交换机查看MAC地址为节点C并且添加它到查找 表为分段A。交换机已经有地址为节点A并且确定两个节点在 同一个分段。 所以，它不需要连接分段A到另一个分段为数 据到旅行从节点C到节点A。所以，交换机在同一个分段将丢 弃移动在节点的之间信息包。这 过滤。
当交换机 添加节点到查找表，了解和充斥继续。多数交换机有大量内 存在一台交换机为维护查找表，但取消更旧的信息以便交换机不浪 费搜索通过过时的地址的时间。优化使用此内存，交换机使 用称为 过期的一个 技术。基本上，当时条目添加到查找表为 节点，产生它一个时间戳。每次信息包从节点收到，时间戳 更新。交换机有清除条目在某一时间长度以后没有活动从该 节点的一个用户可配置的计时器。这释放其他条目的重要的 存储器资源。正如你可看到透明桥接技术是极大的并且根本 免修护方式添加交换机需要做其工作的所有信息!
在我们的示例，二个节点共享每个 分段。在一个理想的LAN交换网络，每个节点将有其自己的分 段。这将排除冲突的可能性并且对过滤的需要。注意 当时一个节点在分段A在分段B与一个节点谈在10 Mbps，一个节点在 分段C在分段B能与一个节点也传递在10 Mbps。
冗余和广播风暴
当我们及早谈论了BUS 和环形网络，一个问题是一个单点故障的可能性。在星形或 starbus网络点带有在带来网络的全部或部份的多数潜在发生故障交 换机或集线器。 查看示例如下：

在本例中，如果交换机A或C失去作用然后节点被接通到该特 定交换机是受影响但节点在其他二台交换机能仍然传递。然 而，如果交换机B失去作用然后整个网络减少。 若添加另一 个分段到我们的网络接通交换机A和C？

即使其中一台交换机失去作用，网络将继续。这提供 冗余和有效排除单点故障。
现在我 们有一个新的问题。在最后部分，您发现了交换机如何了解 节点哪里被找出。与所有交换机在循环现在连接了，一个信 息包从节点能很可能来自到交换机二个不同的分段。例如， 想象节点B 被接通到交换机A和需要与节点A传递在分段B. 交换机A 不知道谁节点A是，因此充斥信息包。

信息包通过分段A或分段C移动到其他二台交换机(B