第二章
交換機的基本概念和配置：
Ethernet/802.3網絡的關鍵要素：
載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）
CSMA/CD 僅用于集線器中常用的半雙工通信。全雙工交換機不使用 CSMA/CD。載波偵聽：在 CSMA/CD 接入方法中，要發送報文的所有網絡設備必須在發送之前進行偵聽。如檢測到信號則等待，如果沒有則發送，在發送過程中設備仍會繼續偵聽 LAN 中的流量或沖突。多路訪問：如果設備之間的距離造成一臺設備的信號延時，也就是說，另一臺設備無法檢測到信號，則另一臺設備可能也會開始發送。報文將在介質中傳播，直到相互碰頭。此時，雙方的信號就會混合，報文被損壞，從而形成沖突。沖突檢測：當設備處于偵聽模式下，它可以檢測到共享介質中何時發生沖突，因為所有設備均可檢測到信號振幅的增長高于正常水平。堵塞信號和隨機回退：檢測到沖突之后，發送設備將發出堵塞信號。堵塞信號通知其它設備發生了沖突，以便它們調用回退算法。回退算法將使所有設備在隨機時間內停止發送，以讓沖突消除。
以太網通信
交換 LAN 網絡中的通信以三種方式進行：單播、廣播和組播：
單播：就是只有一個發送方和一個接收方。
廣播：就是只有一個發送方，但是所有連接的設備都能收到。
組播：就是發送方發送的數據只有感興趣的設備才會收到。
以太網幀：
前導碼和幀首定界符字段：“前導碼”（7 個字節）和“幀首定界符 (SFD)”（1 個字節）字段用于實現發送設備與接收設備之間的同步。幀的這前 8 個字節用于引起接收節點的注意。前幾個字節的實質作用是告訴接收方準備接收新幀。
目的 MAC 地址字段：字段（6 個字節）是目標接收方的標識符。
源 MAC 地址字段：字段（6 個字節）標識幀的源 NIC 或接口。
長度/類型字段：字段（2 個字節）定義幀的數據字段的確切長度。此字段后來被用作幀校驗序列 (FCS) 的一部分，用來確認是否正確收到報文。此處只能輸入幀長度或幀類型。如果該字段用于指定類型，則“類型”字段將說明采用哪個協議。當節點收到幀，并且“幀/類型”字段指定的是類型時，節點可確定存在的高層協議。如果大于等于十六進制值 0x0600 或十進制值 1536，則是表示協議。如果小于十六進制值 0x0600，則表示的是數據的長度。數據和填充位字段：字段（46 到 1500 個字節）包含來自更高層的封裝數據，這些數據是通用第 3 層 PDU 或者更常見的 IPv4 數據包。如果幀長度不足64個字節那么將使用填充到64個字節。
幀校驗序列字段：FCS 字段（4 個字節）檢測幀中的錯誤，它使用的是循環冗余校驗 (CRC)。MAC 地址：以太網 MAC 地址是一種表示為 12 個十六進制數字，MAC 地址是由組織唯一標識符 (OUI) 加上廠商分配號構成的。OUI 是 MAC 地址的前半部分。其長度為 24 位，標識網卡的制造商。在 OUI 內，有 2 個位僅在目的地址中使用時才有意義，它們是：廣播位或組播位：此位指示接收接口，幀的目的地是 LAN 網段中的所有最終工作站或一組最終工作站。廠商分配號MAC 地址中的廠商分配部分為 24 位長，并唯一標識以太網硬件。它可以是 BIA，也可以根據本地位所示通過軟件修改。
雙工設置：
用于以太網通信的雙工設置有兩種：半雙工和全雙工：
半雙工：即代表性的設備就是對講機。使用CSMA/CD。
全雙工：僅限于點對點的通信，沖突檢測電路關閉。但需要雙方都支持全雙工。
交換機端口設置：
Cisco Catalyst 交換機有三種設置：
? auto 選項設置雙工模式自動協商。啟用自動協商時，兩個端口通過通信來決定最佳操作模式。
? full 選項設置全雙工模式。
? half 選項設置半雙工模式。
對于快速以太網和 10/100/1000 端口，默認為 auto。對于 100BASE-FX 端口，默認為 full。當 10/100/1000 端口設置為 10Mb/s 或 100Mb/s 時，它們可在半雙工或全雙工模式下工作，而當設置為 1,000Mb/s 時，它們只能以全雙工模式工作。
auto-MDIX：使用此功能后，你的線路無論是交叉線還是直連線都可以通信。現在的交換機默認都開啟了此功能。
MAC 尋址和交換機 MAC 地址表:
MAC尋址的過程：是當A要和B通信時，A發送數據包要經過交換機，交換機會提取A數據包的目的MAC地址，然后在交換機的MAC地址表中查找，如果能夠找到則轉發，如果未能找到則向除接收端口以外的所有端口轉發。（如果有回應則將MAC地址和端口的對應關系加到MAC地址表中,這就是交換機的MAC地址學習過程）
交換機的MAC地址表：就是用來存儲MAC地址和端口的對應表，交換機就是用此表來判斷將數據幀送出相應的接口。（當兩臺連接的主機需要相互通信時，交換機使用交換表來建立端口之間的連接。該電路將一直保留至會話終止。）
Ethernet/802.3網絡的設計考慮因素：
帶寬和吞吐量：以太網 802.3 網絡的主要缺點是沖突。當兩臺主機同時傳送幀時，沖突就會發生。由于使用共享介質傳輸會導致傳輸的可用帶寬將相應減少。因此，共享以太網絡的節點數量將影響網絡的吞吐量或效率。
沖突域：擴大以太網 LAN 以容納更多用戶時，將產生更高的帶寬需求，發生沖突的可能性會增加。要減少特定網段上的節點數量，可以創建單獨的物理網段，稱為沖突域。例如，如果一臺 12 端口交換機的每個端口上都連接了設備，則將形成 12 個沖突域。（交換機可以使一個端口一個沖突域減少了沖突域的域內大小提高了網絡的傳輸質量。）
廣播域：當一個用戶發送廣播幀時能夠收到此幀的范圍就是廣播域。廣播域內數量過大會導致網絡效率下降。
網絡延時：延時是一個幀或一個數據包從源工作站到達最終目的地所用的時間。延時有至少三個來源：
1) 源網卡在導線上發送電壓脈沖需要時間，而目的網卡解釋這些脈沖也需要時間。這有時稱為網卡延遲，10BASE-T 網卡的延遲通常為大約 1 毫秒。
2) 信號在電纜上傳輸需要時間，因此存在實際的傳播延遲。通常情況下，5 類 UTP 的傳播延遲為每百米 0.556 毫秒。電纜越長，標稱傳播速度 (NVP) 越低，則傳播延遲越長。
3) 當兩臺設備之間的路徑中網絡設備增加時，延時也會隨之延長。這些設備可以是第 1 層設備、第 2 層設備，或者第 3 層設備。因為當網絡設備收到一個數據包時要查找送出接口或路徑，這也需要時間。
網絡擁塞：將 LAN 分割成多個更小部分的主要原因是為了隔離流量以及使每位用戶更好地利用帶寬。如果沒有分段，LAN 很快就會被流量和沖突堵塞。
以下是網絡擁塞最常見的原因：
? 計算機和網絡技術的功能日益強大。現在的 CPU、總線和外圍設備比早期的 LAN 中所使用的同類設備更快、更強大，因此，它們通過網絡發送數據的速率更快，并且處理數據的速率也更高。
? 網絡流量日益增加。網絡通信現在更加普遍，因為執行基本工作需要遠程資源。此外，廣播報文（例如 ARP 發出的地址解析查詢）可能對最終工作站和網絡性能有不利影響。
? 高帶寬應用程序。軟件應用程序的功能越來越豐富，需要的帶寬也越來越多。桌面出版、工程設計、視頻點播 (VoD)、電子學習 (e-learning) 和視頻流都需要相當高的處理能力和速度。
LAN 分段：使用路由器和交換機可以將 LAN 分割成很多更小的沖突域和廣播域。
路由器
雖然 LAN 交換機縮小了沖突域的規模，但是連接到交換機的所有主機仍都處于同一個廣播域中。由于默認情況下，路由器不轉發廣播流量，因此它們可用于創建廣播域。用路由器創建更多更小的廣播域將減少廣播流量，并為單播通信提供更多可用帶寬。每個路由器接口都連接到單獨的網絡，廣播流量的范圍僅限于發出該廣播的 LAN 網段內。
LAN設計考慮因素：
控制網絡延時：在設計網絡以減少延時時，需要考慮網絡上每一臺設備所引起的延時。(比如說流量過大導致交換機來不及處理而導致的網絡延時)
消除瓶頸：網絡中的瓶頸是高網絡擁塞導致性能下降的位置。
交換機的轉發方法:
在過去，交換機使用下面的兩種轉發方法之一來進行網絡端口間的數據交換：存儲轉發交換或直通交換。
存儲轉發交換：
當交換機收到幀時，它將數據存儲在緩沖區中，直到收下完整的幀。存儲過程期間，交換機分析幀以獲得有關其目的地的信息。在此過程中，交換機還將使用以太網幀的循環冗余校驗 (CRC) 幀尾部分來執行錯誤檢查。如果無錯將查找交換表盡情轉發。
直通交換：
交換機在收到數據時立即處理數據，即使傳輸尚未完成。交換機只緩沖幀的一部分，緩沖的量僅足以讀取目的 MAC 地址，以便確定轉發數據時應使用的端口。
直通交換有兩種變體：
? 快速轉發交換：快速轉發交換提供最低程度的延時。快速轉發交換在讀取目的地址之后立即轉發數據包。由于快速轉發交換在收到整個數據包之前就開始轉發，因此有時候中繼數據包時會出錯。這種情況并不經常發生，而且目的網絡適配器在收到含錯數據包時會將其丟棄。在快速轉發模式下，延時是指從收到第一個位到傳出第一個位之間的時間差。快速轉發交換是典型的直通交換方法。
? 免分片 (fragment) 交換：在免分片交換中，交換機在轉發之前存儲幀的前 64 個字節。可以將免分片交換視為存儲轉發交換和直通交換之間的折衷。免分片交換只存儲幀的前 64 個字節的原因是，大部分網絡錯誤和沖突都發生在前 64 個字節。免分片交換在轉發幀之前對幀的前 64 個字節執行小錯誤檢查以確保沒有發生過沖突，并且嘗試通過這種方法來增強直通交換功能。免分片交換是存儲轉發交換的高延時和高完整性與直通交換的低延時和弱完整性之間的折衷。
對稱交換和非對稱交換：
非對稱：非對稱交換使更多帶寬能專用于服務器交換機端口，以防止產生瓶頸。這實現了更平滑的流量傳輸，多臺客戶端可同時與服務器通信。非對稱交換機上需要內存緩沖。為了使交換機匹配不同端口上的不同數據速率，完整幀將保留在內存緩沖區中，并根據需要逐個移至端口。對稱：在對稱交換機中，所有端口的帶寬相同。對稱交換可優化為合理分配流量負載，例如在點對點桌面環境中。
內存緩沖：
以太網交換機在轉發幀之前，可以使用緩沖技術存儲幀。當目的端口由于擁塞而繁忙時，也可以使用緩沖，交換機將一直存儲幀，直到可以傳送該幀。將內存用于存儲數據的功能稱為內存緩沖。內存緩沖內置于交換機硬件中，除了可以增加可用的內存量之外，內存緩沖不可配置。
有兩種內存緩沖方法：基于端口和共享內存
基于端口的內存緩沖：
在基于端口的內存緩沖中，幀存儲在鏈接到特定傳入端口的隊列中。
共享內存緩沖：
共享內存緩沖將所有幀都放入公共內存緩沖區中，公共緩沖區由交換機上的所有端口共享。
第 2 層交換和第 3 層交換：
第 2 層 LAN 交換機只根據 OSI 數據鏈路層（第 2 層）MAC 地址執行交換和過濾。
第 3 層交換機不僅使用第 2 層 MAC 地址信息來作出轉發決策，而且還可以使用 IP 地址信息。也就是說他知道MAC對應端口也知道IP地址對應端口。第 3 層交換機還能夠執行第 3 層路由功能，從而省去了 LAN 上對專用路由器的需要。由于第 3 層交換機有專門的交換硬件，因此通常它們路由數據的速度與交換數據一樣快。
第 3 層交換機和路由器比較：