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1.1 共享技術

所謂共享技術即在一個邏輯網(wǎng)絡上的每一個工作站都處于一個相同的網(wǎng)段上。

以太網(wǎng)采用CSMA/CD 機制，這種沖突檢測方法保證了只能有一個站點在總線上傳輸。如果有兩個站點試圖同時訪問總線并傳輸數(shù)據(jù)，這就意味著“沖突”發(fā)生了，兩站點都將被告知出錯。然后它們都被拒發(fā)，并等待一段時間以備重發(fā)。

這種機制就如同許多汽車搶過一座窄橋，當兩輛車同時試圖上橋時，就發(fā)生了“沖突”，兩輛車都必須退出，然后再重新開始搶行。當汽車較多時，這種無序的爭搶會極大地降低效率，造成交通擁堵。

網(wǎng)絡也是一樣，當網(wǎng)絡上的用戶量較少時，網(wǎng)絡上的交通流量較輕，沖突也就較少發(fā)生，在這種情況下沖突檢測法效果較好。當網(wǎng)絡上的交通流量增大時，沖突也增多，同進網(wǎng)絡的吞吐量也將顯著下降。在交通流量很大時，工作站可能會被一而再再而三地拒發(fā)。

1.2 交換技術

局域網(wǎng)交換技術是作為對共享式局域網(wǎng)提供有效的網(wǎng)段劃分的解決方案而出現(xiàn)的，它可以使每個用戶盡可能地分享到最大帶寬。交換技術是在OSI 七層網(wǎng)絡模型中的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層進行操作的，因此交換機對數(shù)據(jù)包的轉發(fā)是建立在MAC（Media Access Control ）地址--物理地址基礎之上的，對于IP 網(wǎng)絡協(xié)議來說，它是透明的，即交換機在轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，不知道也無須知道信源機和信宿機的IP 地址，只需知其物理地址即MAC 地址。交換機在操作過程當中會不斷的收集資料去建立它本身的一個地址表，這個表相當簡單，它說明了某個MAC 地址是在哪個端口上被發(fā)現(xiàn)的，所以當交換機收到一個TCP ／IP 封包時，它便會看一下該數(shù)據(jù)包的目的MAC 地址，核對一下自己的地址表以確認應該從哪個端口把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。由于這個過程比較簡單，加上這功能由一嶄新硬件進行--ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，因此速度相當快，一般只需幾十微秒，交換機便可決定一個IP 封包該往那里送。值得一提的是：萬一交換機收到一個不認識的封包，就是說如果目的地MAC 地址不能在地址表中找到時，交換機會把IP 封包"擴散"出去，即把它從每一個端口中送出去，就如交換機在處理一個收到的廣播封包時一樣。二層交換機的弱點正是它處理廣播封包的手法不太有效，比方說，當一個交換機收到一個從TCP/IP 工作站上發(fā)出來的廣播封包時，他便會把該封包傳到所有其他端口去，哪怕有些端口上連的是IPX 或DECnet 工作站。這樣一來，非TCP/IP 節(jié)點的帶寬便會受到負面的影響，就算同樣的TCP/IP 節(jié)點，如果他們的子網(wǎng)跟發(fā)送那個廣播封包的工作站的子網(wǎng)相同，那么他們也會無原無故地收到一些與他們毫不相干的網(wǎng)絡廣播，整個網(wǎng)絡的效率因此會大打折扣。從90 年代開始，出現(xiàn)了局域網(wǎng)交換設備。從網(wǎng)絡交換產(chǎn)品的形態(tài)來看，交換產(chǎn)品大致有三種：端口交換、幀交換和信元交換。

(1)端口交換

端口交換技術最早出現(xiàn)于插槽式集線器中。這類集線器的背板通常劃分有多個以太網(wǎng)段（每個網(wǎng)段為一個廣播域）、各網(wǎng)段通過網(wǎng)橋或路由器相連。以太網(wǎng)模塊插入后通常被分配到某個背板網(wǎng)段上，端口交換適用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進行分配。這樣網(wǎng)管人員可根據(jù)網(wǎng)絡的負載情況，將用戶在不同網(wǎng)段之間進行分配。這種交換技術是基于OSI第一層（物理層）上完成的，它并沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點，因此并不是真正意義上的交換。

(2)幀交換

幀交換是目前應用的最廣的局域網(wǎng)交換技術，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進行分段，提供并行傳送的機制，減少了網(wǎng)絡的碰撞沖突域，從而獲得較高的帶寬。不同廠商產(chǎn)品實現(xiàn)幀交換的技術均有差異，但對網(wǎng)絡幀的處理方式一般有：存儲轉發(fā)式和直通式兩種。存儲轉發(fā)式（Store-and-Forward ：當一個數(shù)據(jù)包以這種技術進入一個交換機時，交換機將讀取足夠的信息，以便不僅能決定哪個端口將被用來發(fā)送該數(shù)據(jù)包，而且還能決定是否發(fā)送該數(shù)據(jù)包。這樣就能有效地排除了那些有缺陷的網(wǎng)絡段。雖然這種方式不及使用直通式產(chǎn)品的交換速度，但是它們卻能排除由破壞的數(shù)據(jù)包所引起的經(jīng)常性的有害后果。直通式Cut-Through ：當一個數(shù)據(jù)包使用這種技術進入一個交換機時，它的地址將被讀取。然后不管該數(shù)據(jù)包是否為錯誤的格式，它都將被發(fā)送。由于數(shù)據(jù)包只有開頭幾個字節(jié)被讀取，所以這種方法提供了較多的交換次數(shù)。然而所有的數(shù)據(jù)包即使是那些可能已被破壞的都將被發(fā)送。直到接收站才能測出這些被破壞的包，并要求發(fā)送方重發(fā)。但是如果網(wǎng)絡接口卡失效，或電纜存在缺陷；或有一個能引起數(shù)據(jù)包遭破壞的外部信號源，則出錯將十分頻繁。隨著技術的發(fā)展，直通式交換將逐步被淘汰。在“直通式”交換方式中，交換機只讀出網(wǎng)絡幀的前幾個字節(jié)，便將網(wǎng)絡幀傳到相應的端口上，雖然交換速度很快，但缺乏對網(wǎng)絡幀的高級控制，無智能性和安全性可言，同時也無法支持具有不同速率端口的交換；而“存儲轉發(fā)”交換方式則通過對網(wǎng)絡幀的讀取進行驗錯和控制。聯(lián)想網(wǎng)絡的產(chǎn)品都采用“存儲轉發(fā)”交換方式。

(3)信元交換

信元交換的基本思想是采用固定長度的信元進行交換，這樣就可以用硬件實現(xiàn)交換，從而大大提高交換速度，尤其適合語音、視頻等多媒體信號的有效傳輸。目前，信元交換的實際應用標準是ATM （異步傳輸模式），但是ATM 設備的造價較為昂貴，在局域網(wǎng)中的應用已經(jīng)逐步被以太網(wǎng)的幀交換技術所取代。

1.2.1 第二層交換技術

第二層的網(wǎng)絡交換機依據(jù)第二層的地址傳送網(wǎng)絡幀。第二層的地址又稱硬件地址（MAC 地址），第二層交換機通常提供很高的吞吐量（線速）、低延時（10 微秒左右），每端口的價格比較經(jīng)濟。第二層的交換機對于路由器和主機是“透明的”，主要遵從802.1d 標準。該標準規(guī)定交換機通過觀察每個端口的數(shù)據(jù)幀獲得源MAC 地址，交換機在內(nèi)部的高速緩存中建立MAC 地址與端口的映射表。當交換機接受的數(shù)據(jù)幀的目的地址在該映射表中被查到，交換機便將該數(shù)據(jù)幀送往對應的端口。如果它查不到，便將該數(shù)據(jù)幀廣播到該端口所屬虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）的所有端口，如果有回應數(shù)據(jù)包，交換機便將在映射表中增加新的對應關系。當交換機初次加入網(wǎng)絡中時，由于映射表是空的，所以，所有的數(shù)據(jù)幀將發(fā)往虛擬局域網(wǎng)內(nèi)的全部端口直到交換機“學習”到各個MAC 地址為止。這樣看來，交換機剛剛啟動時與傳統(tǒng)的共享式集線器作用相似的，直到映射表建立起來后，才能真正發(fā)揮它的性能。這種方式改變了共享式以太網(wǎng)搶行的方式，如同在不同的行駛方向上鋪架了立交橋，去往不同方向的車可以同時通行，因此大大提高了流量。從虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）角度來看，由于只有子網(wǎng)內(nèi)部的節(jié)點競爭帶寬，所以性能得到提高。主機1 訪問主機2 同時，主機3 可以訪問主機4 。當各個部門具有自己獨立的服務器時，這一優(yōu)勢更加明顯。但是這種環(huán)境正發(fā)生巨大的變化，因為服務器趨向于集中管理，另外，這一模式也不適合Internet 的應用。不同虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的通訊需要通過路由器來完成，另外為了實現(xiàn)不同的網(wǎng)段之間通訊也需要路由器進行互連。

路由器處理能力是有限的，相對于局域網(wǎng)的交換速度來說路由器的數(shù)據(jù)路由速度也是較緩慢的。路由器的低效率和長時延使之成為整個網(wǎng)絡的瓶頸。虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的訪問速度是加快整個網(wǎng)絡速度的關鍵，某些情況下（特別是Intranet ），劃定虛擬局域網(wǎng)本身是一件困難的事情。第三層交換機的目的正在于此，它可以完成Intranet 中虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）之間的數(shù)據(jù)包以高速率進行轉發(fā)。

1.2.2 VLAN 技術

在傳統(tǒng)的局域網(wǎng)中，各站點共享傳輸信道所造成的信道沖突和廣播風暴是影響網(wǎng)絡性能的重要因素。通常一個IP 子網(wǎng)或者IPX 子網(wǎng)屬于一個廣播域，因此網(wǎng)絡中的廣播域是根據(jù)物理網(wǎng)絡來劃分的。這樣的網(wǎng)絡結構無論從效率和安全性角度來考慮都有所欠缺。同時，由于網(wǎng)絡中的站點被束縛在所處的物理網(wǎng)絡中，而不能夠根據(jù)需要將其劃分至相應的邏輯子網(wǎng)，因此網(wǎng)絡的結構缺乏靈活性。為解決這一問題，從而引發(fā)了虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）的概念，所謂VLAN 是指網(wǎng)絡中的站點不拘泥于所處的物理位置，而可以根據(jù)需要靈活地加入不同的邏輯子網(wǎng)中的一種網(wǎng)絡技術。

VLAN 技術的基礎

基于交換式以太網(wǎng)的VLAN

在交換式以太網(wǎng)中，利用VLAN 技術，可以將由交換機連接成的物理網(wǎng)絡劃分成多個邏輯子網(wǎng)。也就是說，一個VLAN中的站點所發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包將僅轉發(fā)至屬于同一VLAN 的站點。而在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，由于物理網(wǎng)絡和邏輯子網(wǎng)的對應關系，因此任何一個站點所發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包都將被轉發(fā)至網(wǎng)絡中的所有站點。在交換式以太網(wǎng)中，各站點可以分別屬于不同的VLAN 。構成VLAN 的站點不拘泥于所處的物理位置，它們既可以掛接在同一個交換機中，也可以掛接在不同的交換機中。VLAN 技術使得網(wǎng)絡的拓撲結構變得非常靈活，例如位于不同樓層的用戶或者不同部門的用戶可以根據(jù)需要加入不同的VLAN 。到目前為止，基于交換式以太網(wǎng)實現(xiàn)VLAN 主要有三種途徑：基于端口的VLAN 、基于MAC 地址的VLAN 和基于IP 地址的VLAN 。

1、基于端口的VLAN

基于端口的VLAN 就是將交換機中的若干個端口定義為一個VLAN ，同一個VLAN 中的站點具有相同的網(wǎng)絡地址，不同的VLAN 之間進行通信需要通過路由器。采用這種方式的VLAN 其不足之處是靈活性不好，例如當一個網(wǎng)絡站點從一個端口移動到另外一個新的端口時，如果新端口與舊端口不屬于同一個VLAN ，則用戶必須對該站點重新進行網(wǎng)絡地址配置，否則，該站點將無法進行網(wǎng)絡通信。

2、基于MAC 地址的VLAN

在基于MAC 地址的VLAN 中，交換機對站點的MAC 地址和交換機端口進行跟蹤，在新站點入網(wǎng)時根據(jù)需要將其劃歸至某一個VLAN ，而無論該站點在網(wǎng)絡中怎樣移動，由于其MAC 地址保持不變，因此用戶不需要進行網(wǎng)絡地址的重新配置。這種VLAN 技術的不足之處是在站點入網(wǎng)時，需要對交換機進行比較復雜的手工配置，以確定該站點屬于哪一個VLAN 。

3、基于IP 地址的VLAN

在基于IP 地址的VLAN 中，新站點在入網(wǎng)時無需進行太多配置，交換機則根據(jù)各站點網(wǎng)絡地址自動將其劃分成不同的VLAN 。在三種VLAN 的實現(xiàn)技術中，基于IP 地址的VLAN 智能化程度最高，實現(xiàn)起來也最復雜。VLAN 作為一種新一代的網(wǎng)絡技術，它的出現(xiàn)為解決網(wǎng)絡站點的靈活配置和網(wǎng)絡安全性等問題提供了良好的手段。雖然VLAN 技術目前還有許多問題有待解決，例如技術標準的統(tǒng)一問題、VLAN 管理的開銷問題和VALN 配置的自動化問題等等。然而，隨著技術的不斷進步，上述問題將逐步加以解決，VLAN 技術也將在網(wǎng)絡建設中得到更加廣泛的應用，從而為提高網(wǎng)絡的工作效率發(fā)揮更大的作用。事實上一個VLAN(虛擬局域網(wǎng))就是一個廣播域。為了避免在大型交換機上進行的廣播所引起的廣播風暴，可將連接到大型交換機上的網(wǎng)絡劃分為多個VLAN(虛擬局域網(wǎng))。在一個VLAN(虛擬局域網(wǎng))內(nèi)，由一個工作站發(fā)出的信息只能發(fā)送到具有相同VLAN(虛擬局域網(wǎng))號的其他站點。其它VLAN(虛擬局域網(wǎng))的成員收不到這些信息或廣播幀。

采用VLAN 有如下優(yōu)勢：

1. 抑制網(wǎng)絡上的廣播風暴；

2. 增加網(wǎng)絡的安全性；

3. 集中化的管理控制。

這就是在局域網(wǎng)交換機上采用VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術的初衷，也確實解決了一些問題。但這種技術也引發(fā)出一些新的問題：隨著應用的升級，網(wǎng)絡規(guī)劃/實施者可根據(jù)情況在交換式局域網(wǎng)環(huán)境下將用戶劃分在不同VLAN(虛擬局域網(wǎng))上。但是VLAN(虛擬局域網(wǎng))之間通信是不允許的，這也包括地址解析(ARP)封包。要想通信就需要用路由器橋接這些VLAN(虛擬局域網(wǎng))。這就是VLAN(虛擬局域網(wǎng))的問題：不用路由器是嫌它慢，用交換機速度快但不能解決廣播風暴問題，在交換機中采用VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術可以解決廣播風暴問題，但又必須放置路由器來實現(xiàn)VLAN(虛擬局域網(wǎng))之間的互通。形成了一個不可逾越的怪圈。這就是網(wǎng)絡的核心和樞紐路由器的問題。在這種網(wǎng)絡系統(tǒng)集成模式中，路由器是核心。

路由器所起的作用是：

1.網(wǎng)段微化（網(wǎng)段之間通過路由器進行連接）：

2. 網(wǎng)絡的安全控制；

3. VLAN(虛擬局域網(wǎng))間互連；

4. 異構網(wǎng)間的互連。

1.2.3 局域網(wǎng)瓶頸

1、 采用路由器作為網(wǎng)絡的核心將產(chǎn)生的問題：

● 路由器增加了3 層路由選擇的時間，數(shù)據(jù)的傳輸效率低；

● 增加、移動和改變節(jié)點的復雜性有增無減；

● 路由器價格昂貴、結構復雜；

● 增加子網(wǎng)/ VLAN(虛擬局域網(wǎng))的互連意味著要增加路由器端口，投資也增大。

相比之下，路由器是在OSI 七層網(wǎng)絡模型中的第三層--網(wǎng)絡層操作的，它在網(wǎng)絡中，收到任何一個數(shù)據(jù)包(包括廣播包在內(nèi))，都要將該數(shù)據(jù)包第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)的信息去掉(稱為"拆包")，查看第三層信息（IP 地址）。然后，根據(jù)路由表確定數(shù)據(jù)包的路由，再檢查安全訪問表；若被通過，則再進行第二層信息的封裝(稱為"打包")，最后將該數(shù)據(jù)包轉發(fā)。如果在路由表中查不到對應MAC 地址的網(wǎng)絡地址，則路由器將向源地址的站點返回一個信息，并把這個數(shù)據(jù)包丟掉。與交換機相比，路由器顯然能夠提供構成企業(yè)網(wǎng)安全控制策略的一系列存取控制機制。由于路由器對任何數(shù)據(jù)包都要有一個"拆打"過程，即使是同一源地址向同一目的地址發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包，也要重復相同的過程。這導致路由器不可能具有很高的吞吐量，也是路由器成為網(wǎng)絡瓶頸的原因之一。如果路由器的工作僅僅是在子網(wǎng)與子網(wǎng)間、網(wǎng)絡與網(wǎng)絡間交換數(shù)據(jù)包的話，我們可能會買到比今天便宜得多的路由器。實際上路由器的工作遠不止這些，它還要完成數(shù)據(jù)包過濾、數(shù)據(jù)包壓縮、協(xié)議轉換、維護路由表、計算路由、甚至防火墻等許多工作。而所有這些都需要大量CPU 資源，因此使得路由器一方面價格昂貴，另一方面越來越成為網(wǎng)絡瓶頸。