1、以太網交換機基礎知識第一頁，共54頁。大綱一、以太網交換機硬件架構(P3)二、802.3分層結構(P10)三、交換機幀處理流程(P16)四、SMI串行管理接口(P22)五、衡量交換性能的指標(P28)六、一些技術點（自協商、流控、VLAN）(P34)七、產品開發借鑒(P54)第二頁，共54頁。一、以太網交換機硬件架構第三頁，共54頁。以太網交換機硬件架構基本網絡拓撲第四頁，共54頁。接入層交換機以太網交換機硬件架構第五頁，共54頁。匯聚層交換機以太網交換機硬件架構第六頁，共54頁。核心層交換機以太網交換機硬件架構第七頁，共54頁。以太網交換機硬件架構產品內部架構-單機產品第八頁，共54頁。產品

2、內部架構-機架式產品 背板示意圖以太網交換機硬件架構第九頁，共54頁。二、802.3分層結構第十頁，共54頁。802.3分層結構802.3以太網標準位于ISO/OSI 7層參考模型的第1層（物理層）和第2層（數據鏈路層），全稱是“帶沖突檢測的載波偵聽多重訪問機制CSMA/CD和物理層規范”。802.3標準僅僅是由IEEE 802標準制定的第1和第2層標準之一。其他標準還包括802.4（令牌總線）、802.5（令牌環）、802.11（無線網）、802.12（需求優先級）等。第十一頁，共54頁。802.3分層結構以太網接口分層第十二頁，共54頁。各子層功能介紹-以100BASE為例PCSThe 1

3、00BASE-X PCS realizes all services required by the MII, including:a) Encoding (decoding) of MII data nibbles to (from) five-bit code-groups (4B/5B);b) Generating Carrier Sense and Collision Detect indications;c) Serialization (deserialization) of code-groups for transmission (reception) on the under

4、lying serial PMA, andd) Mapping of Transmit, Receive, Carrier Sense and Collision Detection between the MII and the underlying PMA.802.3分層結構第十三頁，共54頁。PMAThe PMA provides a medium-independent means for the PCS and other bit-oriented clients (e.g., repeaters) to support the use of a range of physical

5、media. The 100BASE-X PMA performs the following functions:a) Mapping of transmit and receive code-bits between the PMAs client and the underlying PMD;b) Generating a control signal indicating the availability of the PMD to a PCS or other client, also synchronizing with Auto-Negotiation when implemen

6、ted;c) Optionally, generating indications of activity (carrier) and carrier errors from the underlying PMD;d) Optionally, sensing receive channel failures and transmitting the Far-End Fault Indication; and detecting the Far-End Fault Indication; ande) Recovery of clock from the NRZI data supplied by

7、 the PMD.802.3分層結構第十四頁，共54頁。PMDPMD子層的功能是支持在PMA子層和介質之間交換串行化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉換成適合在某種特定介質上傳輸的形式。比如10BASE-T的曼徹斯特編碼，100BASE-TX的MLT-3和1000BASE-X上的1.2G SERDES信號。802.3分層結構第十五頁，共54頁。 三、交換機幀處理流程第十六頁，共54頁。BCM數據幀流程的大致介紹1、交換機從某個端口收到一個數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道具有該源MAC地址的機器是連接在哪個端口上的，這樣一組對應信息將被存放在地址表（L2 Table）中；2

8、、隨后將讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找與該MAC地址對應的端口；3、如果在地址表中查到有與這個目的MAC地址對應的端口號，則將數據包直接復制到這個端口上；4、如果在地址表中找不到相應的MAC地址以及對應的端口號，則將數據包廣播到所有端口上；當目的機器收到這個數據包以后，如果對源主機進行回應時，交換機又可以按照1中所描述的方式，又學習到這個MAC地址與端口的對應關系，在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了。5、依此類推，對于與該交換機有直接或間接聯系的所有MAC地址信息都可以實時的學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表的。 交換機幀處理流程第十七頁，共54頁。大

9、部分BCM交換芯片采取下面這種結構方式來做，并且提供了更多的靈活性：下圖示意性的表示了以太網幀在進入交換芯片以后，一個基本的物理處理流程是從“Ingress”單元到“MMU”單元再到“Egress”單元，該過程描述了以太網交換芯片對幀從進入到送出的處理流程。 交換機幀處理流程第十八頁，共54頁。由于數據幀在芯片內部的流程很復雜并且不同的廠家處理方式不盡相同，這邊只對BCM各模塊的基本功能概括如下，有興趣的請詳細參考芯片廠商的PG文檔。Ingress包含下面一些主要處理功能：1、數據包檢查、拆分；2、VLAN處理；3、地址學習；4、L2交換；5、L3路由交換；6、快速過濾處理（FFP）；7、其他

10、附加功能，如CPU包處理、Mirror、Trunk功能等； 交換機幀處理流程第十九頁，共54頁。MMU負責對幀進行緩存排隊（buffering）處理和調度處理（scheduling），它從Ingress邏輯中接收幀，并調度、暫存這些幀，隨后傳送到Egress邏輯。所有的幀存儲和對幀緩存的維護管理都是通過MMU完成的，MMU表現為調度的核心所在。 交換機幀處理流程第二十頁，共54頁。Egress執行如下步驟：1、從MMU請求幀傳送；2、若幀輸出不需要帶Tag則它將VLAN Tag移除；3、如果端口是uplink端口并且HTLS模式使能，則添加HTLS包頭；4、對L3 IPMC報文進行修正；5、將

11、IPMC報文復制到VLAN中每個正確的端口；6、可能的話重新計算CRC（看Tag是否有變化）；7、Egress對包的老化做處理；8、Egress速率控制；9、將幀傳送給發送MAC；若是往CPU方向傳送的幀，則CMIC Egress將把幀通過DMA通道直接傳送給CPU。交換機幀處理流程第二十一頁，共54頁。 四、 SMI-串行管理接口第二十二頁，共54頁。SMI-串行管理接口串行管理接口SMI是連接MAC和PHY之間的管理通道，區別于兩者之間的數據通道如MII，在上電初始化及交換機正常運行過程中通過其對PHY進行設置來改變PHY的工作狀態，通過其對PHY中的寄存器進行讀取來判斷當前的工作模式和狀

12、態。SMI管理幀格式：第二十三頁，共54頁。802.3定義的SMI寄存器集SMI-串行管理接口第二十四頁，共54頁。SMI-串行管理接口一些寄存器舉例第二十五頁，共54頁。SMI-串行管理接口一些寄存器舉例第二十六頁，共54頁。一些寄存器舉例SMI-串行管理接口第二十七頁，共54頁。 五、衡量交換性能的指標第二十八頁，共54頁。衡量交換性能的指標ThroughputLatencyBack to backHead of lineAddress handlingMany to one (One to many)X-streamFilter illegal framesForward pressur

13、eBroardcast proportion第二十九頁，共54頁。ThroughputThroughput是指被測設備在所提供的幀不丟失情況下的最大速率(RFC1242)，該項測試用來確定設備在不出錯的情況下轉發幀所能達到的最大速率。 Latency對于store and forward 設備:從輸入幀的最后一位(bit)到達輸入端口開始到輸出幀的第一位出現在輸出端口為止的時間間隔; Back-to-backBack-to-back用于測試被測設備處理back-to-back幀(指以最小幀間距存在的固定長度的一連串的幀)的能力，可用來衡量被測設備的緩沖能力。 衡量交換性能的指標第三十頁，共54

14、頁。Head of line Head-of-line Blocking是指一個輸入接口同時向一個擁塞端口和一個非擁塞端口轉發幀時,在非擁塞端口的幀丟失或延遲的增加(RFC2285),用來決定被測設備怎么處理擁塞(設備是否執行擁塞控制，在一個端口的擁塞是否影響非擁塞端口)。 該項測試的模型(10M)為: 若在非擁塞端口檢測到幀丟失，則表示存在”Head-of-line”blocking. 衡量交換性能的指標第三十一頁，共54頁。Address Handling該項測試用于決定設備的地址處理能力(RFC2285),包括兩重的測試：一是測試被測設備在其地址表未溢出的情況下每個端口可處理的MAC地址

15、數，二是被測設備學習新地址的速率(frames/sec). AST所進行的測試操作是：Port1向Port2發以Port2為目的地址帶若干個不同源地址的學習幀，Port2收到后發出相應的控制幀(以Port2為源地址，學習到的源地址為目的地址)，而Port3作為監控端口用來偵聽溢出的幀(若有則表示地址表已滿) 衡量交換性能的指標第三十二頁，共54頁。其他的一些指標還有：Many to one(One to many)測試用來決定多對一或一對多發時的throughput，用于衡量被測設備在此種情況下無幀丟失的交換能力。 X-stream X-Stream測試用于決定被測設備在所有參與測試的端口都以

16、某個確定的 throughput同時收發幀時，設備收到多路數據流時的幀丟失率。 Filter Illegal Frames 該項測試決定被測設備在錯誤幀和異常幀情況下的行為(RFC2285)，其結果表示設備在此情況下是過濾錯誤，還是簡單地按照目的地址傳送幀. 使用專業的設備進行交換性能的測試(SMB6000)衡量交換性能的指標第三十三頁，共54頁。 六、一些技術點（自協商、流控、VLAN）第三十四頁，共54頁。一些技術點-自協商自協商是指位于鏈路兩端的設備之間自動協商確定公共功能子集的一種算法。最早出現10BASE-T以太網的時候并沒有引入自協商這個概念，因為那時候鏈路兩端的設備情形都很單一。

17、但隨著技術的不斷發展，局域網中的物理接口標準不斷增多，技術工程師和客戶手動配置網絡過程中遇到越來越多的問題：鏈路兩端速率不匹配，10Mbit,100Mbit鏈路兩端雙工模式不匹配，full duplex, half duplex鏈路兩端流控設置不匹配今后可能的升級準備第三十五頁，共54頁。一些技術點-自協商第三十六頁，共54頁。NLP一些技術點-自協商第三十七頁，共54頁。FLP一些技術點-自協商第三十八頁，共54頁。一些技術點-自協商第三十九頁，共54頁。第四十頁，共54頁。一些技術點-自協商第四十一頁，共54頁。一些技術點-自協商第四十二頁，共54頁。目的：防止因為網絡擁塞導致的大量丟幀。

18、幀丟失會導致高層協議的確認定時器超時，超時引發對丟失幀的重傳。確認定時器設定的值必須(至少)考慮到整個網絡上端到端的傳輸延遲，加上處理與延遲間隔時間。一般的協議以秒為量級設置定時器以保證在大的互連網上運行，因此一個丟幀引起數據傳輸間斷幾秒鐘。由此帶來的后果是整個網絡吞吐量隨著幀丟失率( F L R )迅速下降。對于一個5秒鐘的N F S確認定時器，1 % F L R將導致操作性能降低9 8 % 3 。一些技術點-流控第四十三頁，共54頁。半雙工流控：背壓(backpressure) 1、強行與將要到達的幀發生沖突； 2、使信道看起來處于忙狀態；全雙工流控：流控幀(pause) M A C控制幀

19、是正規、合法的以太網幀所有M A C控制幀的長度都恰好是以太網幀的最小長度6 4字節，不包括前導碼和幀起始定界符。M A C幀格式如圖6 - 4所示。 M A C控制幀是通過唯一的類型域標識符( 0 x 8 8 0 8 )標識出的。這個類型域專門保留用于以太網M A C控制。一些技術點-流控第四十四頁，共54頁。1. 目的地址目的地址是PA U S E幀要到達的目的地。它總是包含一個為PA U S E保留的唯一的組播地址：0 1 - 8 0 - C 2 - 0 0 - 0 0 - 0 1。2. 源地址源地址域包含了發送PA U S E幀的站單播地址。3. 類型域類型域包含了所有M A C控制幀

20、使用的保留值： 0 x 8 8 0 8。4. MAC控制操作碼和參數PA U S E幀的控制操作碼是0 x 0 0 0 1。PA U S E幀只帶一個稱為暫停時間(p a u s e _ _ t i m e)的參數。這個參數是2個字節的無符號整型值。它是發送方請求接收方停止發送數據幀的時間長度。時間度量以5 1 2比特時間為增量。第四十五頁，共54頁。VLAN基本概念劃分VLAN的目的：1.抑制廣播2.安全性考慮3.管理方便VLAN劃分方式：1.基于端口2.基于MAC地址3.基于第三層協議4.基于組播組5.基于IP地址影射6.基于策略一些技術點-VLAN第四十六頁，共54頁。劃分方式基于端口可

21、以通過配置的形式明確指定端口所屬的VLAN。特點：1.配置簡單2.含義明確3.與實際聯系緊密4.應用廣泛一些技術點-VLAN第四十七頁，共54頁。劃分方式基于MAC地址通過MAC地址指定端口的VLAN，需要TFTP服務器和TFTP客戶端的支持。特點：1.安全性高2.配置比較煩瑣1234.ABCD.0001 1001234.ABCD.0002 2001234.ABCD.0003 1001234.ABCD.0004 200 . .TFTP1234.ABCD.00011234.ABCD.0003一些技術點-VLAN第四十八頁，共54頁。跨越交換機的VLAN兩個交換機間用來傳遞VLAN通信的鏈路稱為TAG鏈路。在TAG鏈路上傳輸的幀攜帶VLAN ID，用來正確的區分幀所屬的VLAN。1234.ABCD.00011234.A