以太网交换机结构和原理

武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTDhttp//:以太网交换机结构及原理汇报内容交换机原理及硬件结构武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD概述1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。其实，交换技术是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI参考模型的第二层操作。与桥接器一样，交换机按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发。而这种转发决策一般不考虑包中隐藏的更深的其他信息。与桥接器不同的是交换机转发延迟很小，操作接近单个局域网性能，远远超过了普通桥接互联网络之间的转发性能。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。现在已有以太网、快速以太网、FDDI和ATM技术的交换产品。类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互联功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中；交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级；交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。利用专门设计的集成电路可使交换机以线路速率在所有的端口并行转发信息，提供了比传统桥接器高得多的操作性能。如理论上单个以太网端口对含有64个八进制数的数据包，可提供14880bps的传输速率。这意味着一台具有12个端口、支持6道并行数据流的“线路速率”以太网交换器必须提供89280bps的总体吞吐率（6道信息流Ｘ14880bps/道信息流）。专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行，其端口造价低于传统型桥接器。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD交换架构的演进随着Internet用户的增加和带宽的扩大，交换机的结构也在不断的发展，从推出的时间看，交换架构主要经历了总线型和CrossBar两个阶段。但由于以太网技术的发展日进千里，因此这两种架构的交换机目前都活跃在市场上。总线型交换架构基于总线结构的交换机一般分为共享总线和共享内存型总线两大类。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由。这类交换机设计上比较容易实现，但在交换容量扩展到一定程度时，内存操作会产生延迟；另外，在这种设计中，由于总线互连的问题增加冗余交换，引擎相对比较复杂。所以这种交换机如果提供双引擎的话，要做到非常稳定相对比较困难。所以我们可以看到，早期在市场上推出的核心交换机往往都是单引擎，尤其是随着交换机端口的增加，由于需要内存容量更大，速度也更快，中央内存的价格变得很高。交换引擎会成为性能实现的瓶颈。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD交换架构的演进CrossBar+共享内存架构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。首先，CrossBar实现相对简单。共享交换架构中的线路卡到交换结构的物理连接简化为点到点连接，实现起来更加方便，从而更容易保证大容量交换机的稳定性；其次，CrossBar内部无阻塞。只要同时闭合多个交叉节点（crosspoint），多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上，我们认为所有的CrossBar在内部是无阻塞的，因为它可以支持所有端口同时线速交换数据。另外，由于其简单的实现原理和无阻塞的交换结构使其可以运行在非常高的速率上，半导体厂商目前已经可以用传统CMOS技术制造出10Gbit/s以上速率的点对点串行收发芯片。但这种结构依然会存在业务板总线和交换网板的CrossBar互连问题。由于业务板总线上的数据都是标准的以太网帧，而一般CrossBar都采用信元交换的模式来体现CrossBar的效率和性能。因此在业务板上采用的共享总线的结构，在一定程度上影响CrossBar的效率，整机性能完全受限于交换网板CrossBar的性能。。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD交换架构的演进分布式CrossBar架构核心交换机的交换容量现已发展到了几百个Gbps，同时支持多个万兆接口并规模应用在城域网骨干和园区网核心。分布式的CrossBar架构很好地解决了在新的应用环境下核心交换机所面临的高性能和灵活性的挑战。也就是说，除了交换网板采用了CrossBar架构之外，在每个业务板上也采用了CrossBar+交换芯片的架构。在业务板上加交换芯片可以很好地解决了本地交换的问题，而在业务板交换芯片和交换网板之间的CrossBar芯片解决了把业务板的业务数据信元化问题，从而提高了交换效率，并且使得业务板的数据类型和交换网板的信元成为两个平面，也就是说可以有非常丰富的业务板，比如可以把防火墙、IDS系统、路由器、内容交换、IPv6等等类型的业务整合到核心交换平台上，从而大大提高了核心交换机的业务扩充能力。同时，这个CrossBar有相应的高速接口，分别连接到两个主控板或者交换网板，从而大大提高了双主控主备切换的速度。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD交换机的内存交换机与计算机有相似点是，它也有内存、操作系统、配置和用户界面，Cisco交换机中，操作系统叫做互连网操作系统(InternetOperatingSystem)或IOS。下面介绍交换机的存储器。ROM（只读存储器）：包含路由器正在使用的IOS的一份副本；RAM（随机访问存储器）:IOS将随机访问存储器分成共享和主存，主要用来存储运行中的交换机配置；FLASH(闪存)：用来存储IOS软件映像文件，闪存是可以擦除内存，它能够用IOS的新版本覆写.NVRAM（非易失性随机访问存储器）：用来存储系统的配置文件。交换机的IOS升级主要是闪存中的IOS映像文件进行更换。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD以太网连接需求以太网连接必须保证网络的性能•网络带宽•网络时延以太网的性能需求主要取决于不同的应用•电子邮件•文件传输•实时语音、视频网络性能取决于许多不同的因素。其中一个重要因素就是用来连接设备的线缆的类型。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD解决以太网连接带宽问题为用户增加带宽的几种方法：增加网络的总体带宽•组建交换式以太网，带宽独享•增加链路速率，10M-100M-1000M-10000M减少在同一共享介质线缆段上的设备数量减少用户武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD标准以太网标准以太网（10Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层汇聚层最终用户和接入层交换机之间的连接核心层通常不使用通常不使用武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD快速以太网快速以太网（100Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层汇聚层为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入核心层提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接提供交换设备间的连接武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD快速以太网传输距离技术标准线缆类型100BaseTX100BaseT4EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100BaseFXEIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对多模光纤（MMF）线缆传输距离100m100m550m-2km2km-15km单模光纤（SMF）线缆武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD千兆以太网千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位模型分类网络定位接入层汇聚层一般不使用核心层提供接入层和汇聚层设备间的高速连接提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD千兆以太网传输距离技术标准线缆类型1000BaseT1000BaseCX铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对1000BaseSX铜质屏蔽双绞线多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光传输距离100m25m550m/275m2km-15km单模光纤，9um光纤，使用波长为1310nm的激光1000BaseLX武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD万兆以太网万兆（10000Mbit/s）以太网网络定位模型分类网络定位接入层汇聚层不使用核心层提供核心层和汇聚层设备间的高速连接提供核心设备间的高速互联武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD万兆以太网传输距离技术标准线缆类型10GBaseCX410GBase-S4对铜轴电缆10GBase-L单模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为1310nm的激光传输距离15m300m10km40km单模光纤，9um光纤，使用波长为1550nm的激光10GBase-E多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD自协商10Mb/s半双工10Mb/s全双工10Mb/s自协商100Mb/s自协商100Mb/s全双工端口1自动协商端口2自动协商端口3自动协商端口4自动协商端口5自动协商武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD自协商基本页信息000010123456789101112131415MessageTypeEthernet=00001Reserved10BASE-T半双工10BASE-T全双工100BASE-TX半双工100BASE-TX全双工100BASE-T4流控支持远程故障指示确认下一页指示武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD自协商信号约2ms约100ns约62.5μs时钟数据位0时钟数据位1数据位13时钟数据位14时钟……整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD与没有自协商机制的设备连接不使用自协商机制会出现以下情况：•无法实现端口的10/100M速率自适应•无法确定双工工作模式•无法确定是否需要流量控制功能武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD自协商优先级优先级顺序工作方式ABCDE100BASE-TX100BASE-TX全双工100BASE-T410BASE-T全双工10BASE-T武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD光纤上的自协商对光纤以太网而言，得出的结论是：•缺省情况下，百兆、千兆和万兆以太网光端口均工作在全双工模式下，不需用户对其进行配置。•百兆、千兆和万兆以太网光端口的速率不需用户进行设置。武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.,LTD智能MDI/MDIX不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备•两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备消除由于电缆配错引起的连接错误•简化10/100M网络安装维护，降低开销ReceivePairTransmitPairTransmitPairReceivePairTransmitPairReceivePair交叉网线直连网线ReceivePairTransmitPair武汉烽火网络有限责任公司FIBERHOMENETWORKSCO.