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以太网交换相关概念及交换芯片56820介绍.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.41M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目录
    1. 以太网交换机相关概念
    1.1 基于OSI参考模型的分层交换机
    1.1.1 一层、二层交换机
    1.1.2 三层路由器
    1.1.3 三层交换机（多层交换机）
    1.1.4 四层交换机
    1.2 虚拟局域网
    1.2.1 VLAN技术特点
    1.2.2 交换是实现VLAN的基础
    1.2.3 VLAN的交换方式
    1.2.4 VALN划分方式
    1.2.4 VALN间的路由
    1.3 生成树协议
    1.4 端口镜像
    1.5 Port Trunking
    1.6广播风暴控制
    2. 以太网交换机
    2.1交换机的工作原理
    2.2交换机的结构
    2.3交换机操作
    2.3.1链路速度自动协商
    2.3.2透明桥接
    2.3.3二层交换操作
    2.3.4多层交换操作
    3. 二层交换机选型可能会注意的几个指标
    4. 以太网交换芯片介绍
    4.1 BCM56820芯片简介
    4.2 访问控制方式及数据流程
    4.2.1 访问控制方式
    4.2.2 数据流程
    4.3 BCM56820芯片特性及功能
    4.3.1 MAC地址学习及老化
    4.3.2 L2 Multicast
    4.3.3 生成树（Spanning Tree）
    4.3.4 VLAN
    4.3.5 L3 (IPv4/IPv6) Routing
    4.3.6 IP隧道（IP Tunneling）
    4.3.7 IP Muticasting
    4.3.8 镜像（Mirror）
    4.3.9 堆叠（Stacking）
    4.3.10 干路冗余连接端口邦定（Trunking or Port Bunding）
    4.3.11 区分服务Qos (Traffic Management)
    4.3.12 风暴控制（Storm Control）
    以太网二层交换
    目录 1. 以太网交换机相关概念.................................................................................... 4 1.1 基于 OSI 参考模型的分层交换机..........................................................4 1.1.1 一层、二层交换机........................................................................ 4 1.1.2 三层路由器.................................................................................... 5 1.1.3 三层交换机（多层交换机）........................................................ 5 1.1.4 四层交换机.................................................................................... 6 1.2 虚拟局域网.............................................................................................. 7 1.2.1 VLAN 技术特点............................................................................. 7 1.2.2 交换是实现 VLAN 的基础............................................................ 8 1.2.3 VLAN 的交换方式......................................................................... 8 1.2.4 VALN 划分方式..............................................................................9 1.2.4 VALN 间的路由............................................................................10 1.3 生成树协议............................................................................................ 10 1.4 端口镜像................................................................................................ 10 1.5 Port Trunking...........................................................................................11 1.6 广播风暴控制......................................................................................... 11 2. 以太网交换机................................................................................................. 12 2.1 交换机的工作原理................................................................................. 12 2.2 交换机的结构......................................................................................... 13 2.3 交换机操作............................................................................................. 14 2.3.1 链路速度自动协商....................................................................... 14 2.3.2 透明桥接....................................................................................... 14 2.3.3 二层交换操作............................................................................... 15 2.3.4 多层交换操作............................................................................... 17 3. 二层交换机选型可能会注意的几个指标..................................................... 18 4. 以太网交换芯片介绍..................................................................................... 20
    4.1 BCM56820 芯片简介............................................................................. 20 4.2 访问控制方式及数据流程.................................................................... 20 4.2.1 访问控制方式.............................................................................. 20 4.2.2 数据流程...................................................................................... 20 4.3 BCM56820 芯片特性及功能................................................................. 21 4.3.1 MAC 地址学习及老化................................................................. 21 4.3.2 L2 Multicast...................................................................................22 4.3.3 生成树（Spanning Tree）........................................................... 22 4.3.4 VLAN............................................................................................ 23 4.3.5 L3 (IPv4/IPv6) Routing................................................................. 23 4.3.6 IP 隧道（IP Tunneling）.............................................................. 24 4.3.7 IP Muticasting................................................................................24 4.3.8 镜像（Mirror）............................................................................24 4.3.9 堆叠（Stacking）........................................................................ 25 4.3.10 干路冗余连接端口邦定（Trunking or Port Bunding）...........25 4.3.11 区分服务 Qos (Traffic Management).........................................25 4.3.12 风暴控制（Storm Control）..................................................... 26
    1. 以太网交换机相关概念 1.1 基于 OSI 参考模型的分层交换机 根据国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互联参考模型（OSI-RM）。OSI 的下四层 （物理层、链路层、网络层和传输层）为通信层。通信层可根据层间通信协议进行计算机子 网间的连接。从交换就是选路与连接的概念引出了 1～4 层交换的概念。 1.1.1 一层、二层交换机 OSI 参考模型的第一层为物理层。该层建立在通信物理媒体上，故能够提供物理连接的 交换机应为一层交换机，传统的电路交换属一层交换范畴。 OSI 参考模型的第二层为链路层。第二层的链路是建立在第一层物理电路基础上的逻辑 链路，故按照链路层通信协议提供逻辑（虚）电路连接的交换机为二层交换机。建立在物理 （MAC）地址基础上面向连接的分组交换属第二层交换范畴。二层交换机包括 X.25、帧中 继、以太网、ATM 等节点交换机。 二层交换机是数据链路层的设备，它能够读取数据包中的 MAC 地址信息并根据 MAC 地址来进行交换。交换机内部有一个地址表，这个地址表标明了 MAC 地址和交换机端口的 对应关系。当交换机从某个端口收到一个数据包，它首先读取包头中的源 MAC 地址，这样 它就知道源 MAC 地址的机器是连在哪个端口上的，它再去读取包头中的目的 MAC 地址， 并在地址表中查找相应的端口，如果表中有与这目的 MAC 地址对应的端口，则把数据包直 接复制到这端口上，如果在表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机 器对源机器回应时，交换机又可以学习一目的 MAC 地址与哪个端口对应，在下次传送数据 时就不再需要对所有端口进行广播了。二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。由 于二层交换机一般具有很宽的交换总线带宽，所以可以同时为很多端口进行数据交换。如果 二层交换机有 N 个端口，每个端口的带宽是 M，而它的交换机总线带宽超过 N×M，那么 这交换机就可以实现线速交换。二层交换机对广播包是不做限制的，把广播包复制到所有端 口上。 二 层 交 换 机 一 般 都 含 有 专 门 用 于 处 理 数 据 包 转 发 的 ASIC （ Application specific Integrated Circuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。 多个交换机互连(堆叠)形成了一个大的局域网，但不能有效的划分子网。广播风暴会使 网络的效率大打折扣。交换机的速度实在快，比路由器快的多，而且价格便宜的多。但第二 层交换也暴露出弱点：对广播风暴，异种网络互连，安全性控制等不能有效的解决。因此产 生了交换机上的虚拟网技术。
    事实上一个虚拟网就是一个广播域。为了避免在大型交换机上进行的广播所引起的广播 风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网。在一个虚拟网内，由一个工作站发出的信息只能发 送到具有相同虚拟网号的其他站点。其它虚拟网的成员收不到这些信息或广播帧。 随着应用的升级，网络规划/实施者可根据情况在交换式局域网环境下将用户划分在不 同虚拟网上。但是虚拟网之间通信是不允许的，这也包括地址解析(ARP)封包。要想通信就 需要用路由器桥接这些虚拟网。这就是虚拟网的问题：不用路由器是嫌它慢，用交换器速度 快但不能解决广播风暴问题，在交换器中采用虚拟网技术可以解决广播风暴问题，但又必须 放置路由器来实现虚拟网之间的互通。 1.1.2 三层路由器 在计算机异构子网间，需要有工作在第三层的路由器进行第二层协议的转换与第三层协 议的处理。计算机同构子网的范围受到广播风暴的限制，需将广播域分割成若干部分，并采 用路由器将多个同构子网连成一个大网。目前，国际上最大的互联网为 Internet 网（IP 网）， 该网的一、二层可以是任何物理媒质与计算机网络，而第三层统一采用 IP 协议。IP 面向无 连接，每个 IP 包都附有目的地址（IP 地址），路由器需要对每个 IP 包独立选路。节点路由 器并不对节点间提供物理上或逻辑上的连接，故工作在第三层的传统节点设备称为路由器而 不称为第三层交换机。 路由器的主要功能是实现路由选择与网络互连，即通过一定途径获知子网的拓扑信息与 各物理线路的网络特性，并通过一定的路由算法获得达到各子网的最佳路径，建立相应路由 表，从而将每个 IP 包跳到跳（hop to hop）传到目的地，其次它必须处理不同的链路协议。 IP 包途经每个路由器时，需经过排队、协议处理、寻址选路等软件处理环节，造成延时加 大。同时路由器采用共享总线方式，总的吞吐量受限，当用户数量增加时，每个用户的接入 速率降低。 1.1.3 三层交换机（多层交换机） 一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二 者的有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。如 果利用三层交换机连接不同的以太网子网，实际的操作比较简单。其指导思想为：一次路由， 随后交换。而传统的路由器对每一个数据包都进行拆包、打包的操作，限制了系统的带宽。 在此，第三层交换具有以下突出特点：有机的硬件结合使得数据交换加速；优化的路由 软件使得路由过程效率提高；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交 换处理；多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不像传统的外接路由器那样需 增加端口，保护了用户的投资。 当第三层交换用于异构子网之间的连接时，操作就要复杂得多，主要是涉及到不同链路 层协议的转换。在此，第三层均使用 IP 协议，交换机对于接收到的任何一个数据包(包括广
    播包在内)，都要将该数据包第二层(数据链路层)的信息去掉，得到一个 IP 的数据包，再根 据 IP 地址进行从源端到目的端的交换，到达目的端后，再根据目的端的链路层协议打包。 比较耗费资源的链路层拆包、打包工作可以由 ASIC 电路完成。 标记交换（tag switching）是 Cisco 公司提出的一种多层交换技术。标记交换将二层交 换与三层路由相结合，是一种 IP 包的高速转发技术。标记交换包含控制部分和转发部分。 其控制功能由工作在三层的网络边缘路由器完成；转发功能则由一种简单的标记交换机完 成。边缘路由器在 IP 流到达时完成对一组 IP 包最佳路由路径的选择和标记的捆绑。 标记交换工作过程是：系统边缘路由器将输入链路帧的 IP 地址映射为简单的标记，然 后将帧转化为捆绑了标记的 ATM 信元并送入核心网络，在网络核心由支持标记交换的 ATM 交换机进行标记交换，当消息传到目的地边缘路由器后，去掉信息中的标记，将 ATM 信元 转换为帧，继续送接收者。 标记交换采用定长、短小的标记作为索引，简化了转发过程，使转发过程可以直接由硬 件实现，其转发速率和吞吐量远高于传统的路由器。 IP 交换（IP Switch）是 Ipsilon 公司提出的另一种多层交换技术。IP 交换根据 IP 流的业 务特征（即端口号），对不同业务的 IP 流采用不同的路由方式。对持续时间长的 IP 流，如 HTTP（超文本传输协议）、 FTP（文件传输协议）等在 ATM 交换机中直接交换；而对业务 量小、持续时间短的 IP 流，如 DNS（域名业务）等则采用跳到跳的路由器传递方式，省去 了 ATM 连接的附加开销，提高了短 IP 流的传输效率。IP 交换机同时具有交换和路由两种 功能，亦称为交换路由器。 1.1.4 四层交换机 对四层交换的说法目前颇有争议。OSI 模型的第四层是传输层。传输层负责端对端通信， 即在网络源和目标系统之间协调通信。在 TCP/IP 协议栈中这是 TCP(一种传输协议)和 UDP(用户数据包协议)所在的协议层。 在第四层中，TCP 和 UDP 标题包含端口号(portnumber)，它们可以唯一区分每个数据包 包含哪些应用协议(例如 HTTP、FTP 等)。端点系统利用这种信息来区分包中的数据，尤其 是端口号使一个接收端计算机系统能够确定它所收到的 IP 包类型，并把它交给合适的高层 软件。端口号和设备 IP 地址的组合通常称作“插口(socket)”。1 和 255 之间的端口号被保留， 他们称为“熟知”端口，也就是说，在所有主机 TCP/IP 协议栈实现中，这些端口号是相同 的。除了“熟知”端口外，标准 UNIX 服务分配在 256 到 1024 端口范围，定制的应用一般 在 1024 以上分配端口号。分配端口号的最近清单可以在 RFc1700“Assigned Numbers”上 找到。TCP/UDP 端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用，这是第 4 层交换的基础。 具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟 IP”(VIP)前端的作用。每台服 务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个 VIP 地址。这个 VIP 地址被发送出去并 在域名系统上注册。在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定 TCP 开始，来识别一
    次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决 定，交换机就将会话与一个具体的 IP 地址联系在一起，并用该服务器真正的 IP 地址来代替 服务器上的 VIP 地址。 每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源 IP 地址以及源 TCP 端口相 关联的连接表。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在客户机与服务 器之间重新影射和转发，直到交换机发现会话为止。在使用第四层交换的情况下，接入可以 与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入 或根据不同服务器的容量来分配传输流。 基于端口地址完成端对端连接的四层交换除了可以做到均匀负荷外，还可对各种应用数 据流提供流量控制、带宽分配、优先级处理、安全授权等，以保证端到端数据通信的服务质 量（QoS）。 1.2 虚拟局域网 虚拟局域网（VLAN）与传统的网络一样，也是由一个物理网络组成，它之所以“虚”， 是因为同一虚网内的用户不一定都连接在同一物理网段上，就是说同一虚网内的用户可以在 同一大楼不同的办公室内，也可以在不同的大楼内甚至可以在不同城市工作。是通过软件依 照一定的规则动态地建立的，不依赖于物理位置的逻辑工作组的互连体系。 一个 VLAN 就是一个逻辑工作组，是一个独立的广播域，不管它是定义在一个局域网 交换机上还是分布在不同局域网交换机上。信息在同一虚网内像在一个独立网段内交换。交 换机支持按端口，IP 地址和协议定义 VLAN 的功能，因此，虚拟网络按基于应用和管理策 略定义，VLAN 之间的信息路由采用分布式路由方案，由交换机提供的路由功能实现。 1.2.1 VLAN 技术特点 1、VLAN 的覆盖范围不受距离限制。例如 10Base-T 以太网集线器与站点之间的传输距 离为 100m，而 VLAN 的站点可位于城市的不同区域，或不同省份。 2、VLAN 建立在交换网络的基础之上，交换设备包括以太网交换机、ATM 交换机、宽 带路由器等。 3、VLAN 属于 OSI 参考模型中的第 2 层（数据链路层）技术，能充分发挥网络的优势， 体现交换网络高速、灵活、易管理等特性，VLAN 是交换网络的灵魂。 4、VLAN 较普通网络有更好的网络安全性。在普通共享式网络中，安全性很难保证， 因为用户只要插入到一个活动端口就能访问网段，产生广播风暴。而 VLAN 能有效地防止 网络的广播风暴。 5、借助于网络管理软件，网络管理者能轻松地配置和构建逻辑 VLAN，避免了构建复 杂而昂贵的物理网络，降低网络建设成本。
    1.2.2 交换是实现 VLAN 的基础 为扩展网络达到网间互连的目的，产生了交换机。交换机主要用于 ISO 开放系统互连 模型的第 2 层，即数据链路层，通过交换将整个网络连接成一个平面图，而且这个平台可以 扩展。不论这个逻辑子网有多大，交换机都能提供子网内部终端之间的连接和通信。交换器 的每个端口各连一个共享式的网段，网段之间的通信通过交换机实现。在交换机内具有一个 由单播地址（MAC 地址）、网络设备接口以及交换机端口组成的 1-1-1 映射列表。进一步而 言，通过对交换机适当配置后，就有可能把某些网点限制在某些特定的端口上，也可将 HUB 上任何一个端口分配到某个网段上，在物理上不需要作任何实际的改动工作，就可容易地将 某个工作组的某个工作站，从逻辑上划分到另外一个部门的工作组中。于是，一个实际意义 的虚网就此在交换机体系架构内产生。 通过 802.1D 生成树协议的计算和正常交换操作，交换机自动隔离单播数据流设置完交 换 机 内 特 定 的 多 播 过 滤 表 后 ， 真 正 的标 准 VLAN 得 以 创 建 。 国 际 标 准 的 VLAN 协 议 IEEE802.1Q 经过几年的修改已经成熟起来，各厂商在新一代的交换机中增加了对它的支持， 使得 VLAN 技术迅速推广应用。 因此，正是由于交换技术的出现，才使 VLAN 技术得以实现，而 VLAN 技术对网络的 发展又起着举足轻重的作用。 1.2.3 VLAN 的交换方式 VLAN 的交换技术通常有三种方式： 1、端口交换 端口交换也称为配置交换，最初的方式是把端口经过手工配置到一个或若干个通过背板 连接的共享集线器中，可以形成若干个独立的由端口组合的共享媒体段，每一个连接到端口 上的用户被分配到其中的一个段上。由于端口交换形成的 VLAN 还是共享媒体段，因此使 用这种方式形成的 VLAN 时，端口用户以及整个 VLAN 的带宽受到限制。端口交换机的各 个端口组的形成可以按用户需求用相应的管理软件进行配置。 2、帧交换 局域网（包括以太网、令牌环网和 FDDI）交换机的每一个端口都是一个独立的共享媒 体端口，在此端口上可以接共享集线器也可以接单独的一个工作站。在一个端口上接收到的 帧将正确地转发到输出端口上，在寻找路径和转发时帧不会被破坏。对于广播帧来说，可以 转发到交换机的所有端口。经虚拟局域网技术处理后，一个交换机或者互联的若干交换机上 的每个端口可以被分配给任何 VLAN，即在网络系统中形成了若干个 VLAN。交换机能隔离 VLAN 之间的信息传递，因此不同 VLAN 的端口间的交通被阻隔了。另外，端口若接收到 一个广播帧，则该帧只能在该端口所属的 VLAN 中转发到其它端口。帧交换方式比端口交 换方式增加了有效带宽，局域网交换机上每个端口用户具有独占带宽的性能，交换机间互联
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