2.2 局域網(wǎng)中樞——以太網(wǎng)交換機(jī)
2.2 局域網(wǎng)中樞——以太網(wǎng)交換機(jī)
1.以太網(wǎng)，普遍到唯一
以太網(wǎng)應(yīng)用的普遍性，無需多言。看一看我們身邊的企業(yè)網(wǎng)，我們不得不感嘆，以太網(wǎng)，已經(jīng)普遍到幾乎成為“唯一”。
在前些年的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程里面，還有令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI和ARCNET，而現(xiàn)在它們都像剛做的一場夢，無聲無息神秘消失，只留下部分教科書上支離破碎的介紹，以及他們忠實(shí)擁躉們心態(tài)復(fù)雜的回憶。
很久以前，我們就開始思索：以太網(wǎng)究竟是何方神圣？有什么過人之處？有什么深厚的背景？有什么顯赫的家世？為什么偏偏是它，能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)迅速統(tǒng)治桌面？
好，帶著這個(gè)問題，我們?nèi)チ私庖幌乱蕴W(wǎng)的相關(guān)知識。
2.以太網(wǎng)誕生記
20世紀(jì)70年代，美國施樂公司提出了很多先鋒技術(shù)項(xiàng)目，以太網(wǎng)技術(shù)是其中的的一個(gè)。“以太”這個(gè)名字來源于19世紀(jì)的物理學(xué)家假設(shè)的電磁輻射媒體——“光以太”，后來的研究證明，“光以太”不存在。用“以太”來給局域網(wǎng)技術(shù)命名，大概就來自于其設(shè)計(jì)者的靈感閃現(xiàn)吧。
1973年，剛從麻省理工學(xué)院畢業(yè)的高材生羅伯特·麥特卡夫給他施樂的老板寫了一篇有關(guān)以太網(wǎng)潛力的備忘錄。3年后，他又發(fā)表了一篇名為《以太網(wǎng)：局域計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式包交換技術(shù)》的文章。這兩篇文章的反響并不大，但偉大事物的開端往往就如此平凡。
既不受老板賞識，又不被社會接受，這讓麥特卡夫很失落。你無法改變老板，也無法改變社會，能改變的，只有自己。于是在1979年，麥特卡夫離開施樂，光榮“下海”，成立了一家叫作3COM的公司。3COM的一項(xiàng)重要工作并非技術(shù)開發(fā)，而是對DEC、英特爾和施樂進(jìn)行游說，麥特卡夫希望與這些大鱷們一起，將以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、商業(yè)化。
看來麥特卡夫的口才還不錯(cuò)，短短一年時(shí)間，通用的以太網(wǎng)標(biāo)就出臺了！
以太網(wǎng)的大潮快速襲來，當(dāng)時(shí)業(yè)界兩個(gè)流行的非公有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)——令牌環(huán)網(wǎng)和ARCNET，很快萎縮并被取代。而在此過程中，3COM迅速成為國際化的大公司。
3COM的成功，也得益于曾經(jīng)說過以太網(wǎng)壞話的人的“幫助”。一些著名專家指出，“在理論上”令牌環(huán)網(wǎng)要比以太網(wǎng)優(yōu)越。是的，“在理論上”；而實(shí)際上，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
受到此結(jié)論的影響，很多計(jì)算機(jī)廠商或猶豫不決或決定不把以太網(wǎng)接口作為機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)配置，但這恰恰造就了3COM成為順應(yīng)歷史潮流的佼佼者。3COM有機(jī)會從銷售以太網(wǎng)網(wǎng)卡中大賺鈔票。
有人說，“以太網(wǎng)不適合在理論中研究，只適合在實(shí)際中應(yīng)用”。也許只是句玩笑話，但這說明了這樣一個(gè)技術(shù)觀點(diǎn)：通常情況下，網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的數(shù)據(jù)流特性與人們在局域網(wǎng)普及之前的估計(jì)不同，如果要花大力氣去研究數(shù)據(jù)流特征并用復(fù)雜的方案去應(yīng)對每個(gè)細(xì)節(jié)，不如用一些簡單的技術(shù)體制來滿足大部分的要求。誰最簡單？當(dāng)然非以太網(wǎng)莫屬嘍！
最后繼續(xù)說說3COM的命運(yùn)。2004年，3COM與華為建立合資公司——華為3COM，后改名為H3C，以聯(lián)手對抗思科網(wǎng)絡(luò)，2006年，華為以將所持合資公司股份全部出售給3COM的代價(jià)，獲得8.82億美元現(xiàn)金流，補(bǔ)貼全球征戰(zhàn)的 3G產(chǎn)品線。2010年，惠普全資收購3COM公司，并將H3C產(chǎn)品線重新定義為HP Networking。2015年被紫光集團(tuán)收購。
往昔榮耀無需追憶，今天的全球以太網(wǎng)市場上，三巨頭鼎力：思科網(wǎng)絡(luò)、華為、惠普。
3.以太網(wǎng)的工作原理
好，問題向前推進(jìn)了一步。因?yàn)橐蕴W(wǎng)簡單，所以被發(fā)揚(yáng)光大了。接下來的問題就是，以太網(wǎng)為什么“簡單”？簡單，能解決問題嗎？
局域網(wǎng)要解決的最大問題，無非是多臺主機(jī)都想在網(wǎng)絡(luò)上“發(fā)言”，在任何一個(gè)時(shí)刻，讓誰先“發(fā)言”的問題。
這就像一個(gè)多人會議，沒有主持人，而每次發(fā)言者只能是一個(gè)人。很可能出現(xiàn)兩個(gè)人或者多個(gè)人同時(shí)想發(fā)言的情況，這就需要有一套合理的機(jī)制，保證這個(gè)會議能夠順利進(jìn)行——暢所欲言且井然有序。
為了解決這一問題，人們探索了不少巧妙的辦法。比如令牌環(huán)（環(huán)形）就采用令牌方式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里只有一個(gè)“令牌”，誰拿到令牌誰發(fā)言。令牌則在網(wǎng)絡(luò)里按照某種機(jī)制傳遞。
令牌環(huán)主要缺點(diǎn)是有較復(fù)雜的令牌維護(hù)要求。空閑令牌的丟失，將降低環(huán)路的利用率，令牌重復(fù)也會破壞網(wǎng)的正常運(yùn)行，故必須選某臺主機(jī)作為監(jiān)控站。
令牌環(huán)網(wǎng)的其他缺點(diǎn)也很突出：環(huán)網(wǎng)潛在的問題是，一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接出問題都會使網(wǎng)絡(luò)失效，可靠性差。另外，新主機(jī)入環(huán)、退環(huán)都要暫停環(huán)網(wǎng)工作——這可是個(gè)大問題。假如一個(gè)公司新進(jìn)一名員工，就要把整個(gè)局域網(wǎng)斷開，將新主機(jī)連接進(jìn)來，才能重新工作——毫無靈活性可言！
麥特卡夫們琢磨出的一套流程，可以很好地解決局域網(wǎng)中每臺計(jì)算機(jī)都想“發(fā)言”的沖突問題。
假設(shè)某臺主機(jī)希望發(fā)送數(shù)據(jù)（發(fā)言），可以遵照下述步驟進(jìn)行：
開始：如果線路空閑，則啟動傳輸，否則轉(zhuǎn)到第4步；
發(fā)送：如果檢測到?jīng)_突，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到達(dá)到最小報(bào)文時(shí)間（保證所有其他轉(zhuǎn)發(fā)器和終端檢測到?jīng)_突），再轉(zhuǎn)到第4步；
成功傳輸：向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)告發(fā)送成功，退出傳輸模式；
線路忙：等待，直到線路空閑；
線路進(jìn)入空閑狀態(tài)：等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，轉(zhuǎn)到第1步，除非超過最大嘗試次數(shù)；
超過最大嘗試傳輸次數(shù)：向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)告發(fā)送失敗，退出傳輸模式。回到那個(gè)會議中。基于上述機(jī)制，會議將這樣組織：
每次只能有一個(gè)人發(fā)言；
任何人想發(fā)言，必須舉手；
如果某個(gè)人想發(fā)言，需要先看是否有人正在講話，如果是，他需要等待一段時(shí)間；
如果恰巧同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)人舉手要求發(fā)言，那么他們都分別隨機(jī)等待一段時(shí)間，再開始講話（當(dāng)然前提是當(dāng)前沒有其他人在發(fā)言）；只要兩個(gè)參與者等待的時(shí)間不同，沖突就不會出現(xiàn)。如果恰巧兩者又出現(xiàn)沖突（這種情況的發(fā)生概率極低），那就需要再次等待一段隨即時(shí)間，直到某一方先開始發(fā)言。
基于以上流程，以太網(wǎng)被設(shè)計(jì)為總線型結(jié)構(gòu)，一根主線貫穿始末，在主線上“分叉”來連接主機(jī)。
這一設(shè)計(jì)簡單、便捷、靈活性強(qiáng)，隨時(shí)可以添加、刪除主機(jī)，方便非專業(yè)人士組網(wǎng)。因此，以太網(wǎng)很快流行開來。
4.從共享總線到交換式
好了，以太網(wǎng)工作的原理我們弄清楚了。我們需要給這套機(jī)制起個(gè)名字。雖然原理并不復(fù)雜，但名字卻有些繞口——CSMA/CD（載波偵聽多路復(fù)用-沖突檢測），這是以太網(wǎng)的精髓所在！
CDMA/CD是使以太網(wǎng)成為其壟斷局域網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵因素。其最大優(yōu)勢就是：簡單！
簡單的東西，優(yōu)勢是簡單。
簡單的東西，劣勢也是簡單。
一根總線，被多臺主機(jī)共享，其工作效率將會被降得很低。這就像那場會議，來的都是紳士，彬彬有禮、有條不紊，但會議所花費(fèi)時(shí)間卻很長。
更為重要的是，這種“一個(gè)說，大家聽”的特質(zhì)是其在安全上的弱點(diǎn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上任何主機(jī)都可以選擇是否監(jiān)聽線路上傳輸?shù)乃行畔ⅰＵf給你聽的，你聽，沒說給你聽的，你也可以聽，哪有隱私可言，哪有安全可言！
這種模式的以太網(wǎng)被稱為共享式以太網(wǎng)，以細(xì)纜（被稱為10Base2，2是指最遠(yuǎn)可傳送接近200m）、粗纜（被稱為10Base5，銅纜傳送距離最遠(yuǎn)可達(dá)500m）和HUB+以太雙絞線（從三類線到六類線或者更高，最常用的是五類線或超五類線）為傳送介質(zhì)組建網(wǎng)絡(luò)，其安全問題和效率問題一直被人們詬病。如果這種趨勢發(fā)展下去，隨著應(yīng)用越來越廣泛，其被取代只是時(shí)間問題。
幸運(yùn)的是，1990年，交換式以太網(wǎng)技術(shù)誕生了。它能同時(shí)提供多條傳輸路徑，從而顯著提高網(wǎng)絡(luò)的整體帶寬，同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)安全性提供了保證。交換式以太網(wǎng)核心設(shè)備是以太網(wǎng)交換機(jī)（下一節(jié)會介紹），而非共享總線。CSMA-CD依然有效，但共享總線結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模式被徹底顛覆了！
下面是共享總線型以太網(wǎng)、以HUB為中心的以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)的區(qū)別示意圖。
為了最大程度的減少沖突，提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，當(dāng)今的以太網(wǎng)大都以以太網(wǎng)交換機(jī)為核心來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織，這樣，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型。
插一句話，在通信網(wǎng)絡(luò)中，不能僅憑眼睛看到的物理連接形式來判斷網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。人們學(xué)習(xí)知識就是為了和直覺作斗爭。你摸到孩子額頭很熱，他未必真的發(fā)燒了，有可能是你手太涼的緣故。以太網(wǎng)的星型連接是你的直覺，而實(shí)質(zhì)上它是一種總線型連接，只是這根“總線”隱藏在交換機(jī)或者HUB內(nèi)部。
5.以太網(wǎng)的演進(jìn)
好了，我們對本節(jié)開頭的問題已經(jīng)有了答案。以太網(wǎng)以壓倒性優(yōu)勢占據(jù)局域網(wǎng)的壟斷地位，是因?yàn)樗唵危⒖裳葸M(jìn)。
以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)能力不僅僅體現(xiàn)在從共享式到交換式方面，更在其速率提升方面。20多年來，以太網(wǎng)的速率從10Mbit/s、100Mbit/s、1 000Mbit/s到10Gbit/s（10Gbit/s以太網(wǎng)有其特殊性，在第9章將專門給予介紹），而100Gbit/s的以太網(wǎng)也即將規(guī)模商用！
1993年，全雙工以太網(wǎng)交換技術(shù)誕生，改變了原來以太網(wǎng)半雙工的工作模式，使得以太網(wǎng)的傳輸速度又提高一倍！
6.以太網(wǎng)交換機(jī)
交換式以太網(wǎng)需要一種核心設(shè)備，能夠快速地指導(dǎo)所有進(jìn)入者，你該從哪個(gè)門走，并將進(jìn)入者“扭送”至出口。這個(gè)設(shè)備只負(fù)責(zé)處理以太網(wǎng)信息，因此被稱為“以太網(wǎng)交換機(jī)”。
這個(gè)家伙往往只有一類物理接口——以太網(wǎng)接口，當(dāng)然，可以是電接口（比如RJ45），也可以是光接口（單模光纖接口、多模光纖接口等）。不同的以太網(wǎng)交換機(jī)，因接口類型和數(shù)量、交換容量、處理能力、所處理的協(xié)議層等不同而有所差異。
以太網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)其處理的協(xié)議層不同，分為二層交換機(jī)和三層交換機(jī)（現(xiàn)在根據(jù)市場需要，商家們還提出了4層、7層交換機(jī)）。這里的“層”是指ISO/OSI的7層結(jié)構(gòu)。二層是指數(shù)據(jù)鏈路層，也就是處理以太網(wǎng)幀的相關(guān)操作，三層是指IP層，處理IP層的操作。
二層交換機(jī)在操作過程中不斷地收集資料，并建立它本身的地址表，這個(gè)表并不復(fù)雜，主要標(biāo)明每個(gè)MAC地址是在哪個(gè)端口上被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)交換機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，會檢查該數(shù)據(jù)包的目的地址，檢索一下自己的地址表，并決定把數(shù)據(jù)包從哪個(gè)端口發(fā)出去。
這與HUB不同。HUB組成的共享式以太網(wǎng)，某個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在HUB所有端口上（不管是否為其所需），不但效率低，安全性也差。
以太網(wǎng)交換機(jī)的引入，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可獨(dú)享帶寬。只有一個(gè)例外——對于二層廣播報(bào)文（比如下文講到的ARP公告），二層交換機(jī)會對所有主機(jī)廣播——當(dāng)然，這也是必須的。
當(dāng)多個(gè)二層交換機(jī)用以太網(wǎng)線連接起來（稱之為“級聯(lián)”），二層交換網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都會收到廣播消息。如果這個(gè)以太網(wǎng)太大，泛濫的廣播信息會造成網(wǎng)絡(luò)效率大幅降低。這就是令人頭痛的“廣播風(fēng)暴”。
解決這個(gè)問題的方法，是在一個(gè)二層交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)一步劃分為多個(gè)虛擬的局域網(wǎng)（VLAN）。這里的“虛擬”，是“邏輯”的意思。也就是說，按照一定的邏輯關(guān)系將主機(jī)劃分為若干群組，這種群組是邏輯組，和主機(jī)所在的物理位置無關(guān)。
在實(shí)際應(yīng)用中，比如一個(gè)企業(yè)，可以把每個(gè)部門的計(jì)算機(jī)劃分為一個(gè)VLAN；一個(gè)學(xué)校，把不同的院系劃分為不同的VLAN。根據(jù)需要，可以把一個(gè)屋子的主機(jī)劃分為兩個(gè)VLAN，也可以把不同屋子的主機(jī)劃分到同一個(gè)VLAN里面去。
在一個(gè)VLAN內(nèi)，由一臺主機(jī)發(fā)出的信息只能被具有相同虛擬網(wǎng)編號的其他主機(jī)接收，局域網(wǎng)的其他成員則收不到這些信息。各部門、各院系、各處室內(nèi)部廣播“，井水不犯河水”。
因此有人把VLAN稱為“廣播域”。
過去我們說，局域網(wǎng)之間可以直接進(jìn)行通信，無需路由器。但是劃分VLAN后，這種情況將發(fā)生變化——在一個(gè)以太網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)，如果被劃分在不同的VLAN里，他們之間的通信，必須經(jīng)過路由設(shè)備（路由器或者三層交換機(jī)）進(jìn)行。
如果一個(gè)大型企業(yè)，局域網(wǎng)被劃分為50個(gè)VLAN，VLAN之間的通信需要占用大量路由器端口和處理能力。解決了“廣播風(fēng)暴”，卻帶來了成本壓力——路由器可不便宜，并且效率也會大打折扣。于是，三層交換的概念就在這種情況下被提出。
三層交換機(jī)是在二層交換機(jī)的基礎(chǔ)上增加三層路由功能。
愛思考的讀者第一感覺就是，只要把二層交換機(jī)的內(nèi)核加上路由器的內(nèi)核，組裝在一起，不就是三層交換機(jī)了么？從理論上說，這是站得住腳的，但是在工業(yè)實(shí)踐中，三層交換機(jī)和路由器采用的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不完全相同。
早期的或者低端的路由器通常用軟件來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)能力成為瓶頸。三層交換機(jī)的路由查找是針對“流”的，它利用高速緩存技術(shù)，在成本不高的情況下實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)。而傳統(tǒng)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)采用最長匹配的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，效率較低。
估計(jì)很多讀者已經(jīng)迫不及待地等待下一節(jié)內(nèi)容了。IP世界里最重要的硬件設(shè)施——路由器，即將隆重登場！