09_交换机带来的变革和虚拟局域网_
网络协议那些事儿
内容简介 前言 交换机带来的变革 总结 1. 前言 上一课，我们开始了 OSI 第二层的设备交换机的学习，知道了交换机会不断 “学习” 以更新它的 CAM 表。
内容简介
- 前言
上一课，我们开始了 OSI 第二层的设备交换机的学习，知道了交换机会不断 “学习” 以更新它的 CAM 表。有了 CAM 表，交换机就知道如何将数据转发到正确的地方了。
在 CAM 表中引入生存时间（TTL），可以比较有效地避免交换机中的数据陈旧或者数据量过多。
我们也可以通过一些 “捣蛋” 行为，来让交换机饱和，干扰它的运作。
这么有趣又厉害的交换机，光学一课怎么够，怎可就此罢休，我们必须更多地了解它。
- 交换机带来的变革
交换机带来了什么变革？
首先，与集线器（hub）相比，交换机可以隔离对话。集线器会广播信息，但是交换机却可以让两台机器单独对话。
下面我们就来看看交换机为网络领域带来的变革。
帧转发令我头秃
“帧转发（指将帧转发到指定端口）令我头秃”，这应该是 CSMA / CD 会说的一句话。
还记得之前我们学过的 CSMA / CD 协议吗？CSMA / CD 使克服总线拓扑（Bus Topology）上的冲突问题成为可能，但是这种通过等待的解决方案还是很麻烦的，通信效率也不高。
那么，交换机上也会有冲突吗？让我们更仔细地研究可能的情况（参见下图）。
上图表示 “三台机器连接到交换机”，上一课我们已经看过。
假设 23 号机器和 25 号机器同时发送信息给对方，会产生冲突吗？
也许你会说，由于信息是在同一时间发送的，因此它们将会重合 / 重叠。但可别忘了双绞线电缆的结构，在双绞线中，我们使用不同的电线进行发送和接收。因此，发送的信息和接收的信息会交错，但是在不同的电线上。
下图是更符合实际的交换机的通信示意图（每台机器与交换机之间比之前的图多画了一根线，代表发送和接收的两对线）：
上图中，我们看到了用于发送和接收的不同的电线对。因此在这种情况下不会发生冲突。
让我们考虑另一种情况：23 号机器和 25 号机器同时向 24 号机器发送信息。
在这种情况下，两条信息将同时到达 24 号机器的接收线上，将会有冲突… 或没有。
按理说这种情况下是有冲突发生的。我们说没有冲突，是因为这种情况已经被预计到了，交换机已经被设计好了来应对这种情况。
事实上，交换机拥有内存。当它接收到一个或多个帧时，它可以将其存储在内存里，仅当目标机器连接的双绞线的传输对空闲时才转发该帧。
因此，当交换机有两个帧要在同一对接收线上发送时，它会先发送第一个帧，然后再发送第二个帧，因此不会有冲突。
这么说来，在交换机上就不会发生冲突咯？
不会。不过，如果我们故意设置的话，还是可能制造出冲突的（我们将在以后看到）。
那如果交换机上不会发生冲突，我们在交换机上就没必要再使用 CSMA / CD 协议了咯？
是的，没有必要，我们可以和 CSMA / CD 说再见了！
没有交换机之前，机器在发送帧之前必须侦听，确定网络是空闲时才能发送帧，这是 CSMA / CD 的基本原理。现在，只要一台机器想要发送帧，它就发送（“想发就发，要发得响亮”），而不必侦听是否有其他机器正在发送帧，因为交换机可以确保不发生冲突。
在交换机上这样的放弃了 CSMA / CD 的通信方式有一个术语，我们说此时网卡是以全双工的方式来运作的。
相反，在集线器或同轴电缆上使用 CSMA / CD 协议进行通信时，网卡是以半双工的方式来运作的（虽然集线器可以使用双绞线，提供了两对线，但在任一时刻，只能有一对线工作，所以集线器是半双工的）。
全双工的英语是 Full Duplex，full 是 “满的，全的” 的意思。duplex 是 “双工，双面” 的意思，在网络通信领域表示 “可以双向发送信息”。半双工的英语是 Half Duplex，half 是“一半” 的意思。
虽然这两个术语好像有点高端，什么全双工、半双工，其实它们的意思非常简单。除了双工，还有一种叫单工的方式，单工的英语是 Simplex。
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单工（Simplex）：数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方则固定为接收端，数据只能沿一个方向传输，类似汽车的单行道。
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半双工（Half Duplex）：数据传输是双向的。数据在通信双方之间能够在两个方向上进行发送，但不能同时发送，因此又被称为双向交替通信。无线对讲机就是一种半双工设备，在同一时间内只允许一方讲话：“长江，长江，我是黄河，收到请回答，完毕”；“黄河，黄河，我是长江，已经收到，完毕”。
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全双工（Full Duplex）：数据传输是双向的。通信双方在发送数据的同时也能够接收数据，两者可以同步进行，类似汽车的双向车道。目前我们打电话，以及手机的通话，都是全双工的例子。
我们可以用下图来表示这三种基本的通信方式：
因此，交换机的出现给网络领域带来了极大的变革，尤其是它的全双工的通信方式。但请注意，我们将看到全双工有时也会引入一些麻烦。
全双工使我头秃
全双工很棒！但是必须明智地使用它，但事实上并非总能如愿。有时全双工的方式可能引入一些麻烦。
假设我们将 10 台机器连接到集线器。我们在集线器上，是在总线拓扑上，因此这些机器要以半双工的通信方式来交流，并且要用 CSMA / CD 协议。
如果其中一个机器的网卡设置为全双工怎么办？
好吧，这会使局面非常尴尬。很简单，因为其他 9 台机器都需要等待集线器空闲时才可以发送信息，如果有机器和它们同时发送信息，它们会认为发生了冲突，就会 “闭嘴”。
但我们的全双工的机器 “非常任性”，想什么时候发送信息就什么时候发送，毫不关心自己给别的 9 台机器造成的冲突。简而言之，这是一团糟。
更糟糕的是，如果那台全双工的机器正在下载很大的文件，它将不断传输信息，并阻止其他人发送信息，其他 9 台机器就不能工作了。
因此，连接到集线器的任何机器都应该将其网卡配置为半双工。
“真的吗？”，你也许会说，“但我从来没有配置过我的机器的网卡呀…”。好吧，算你幸运咯。或更确切地说，现在的网卡很智能，可以自己决定应该使用全双工还是半双工。因此，当网卡连接到集线器时，它将以半双工的方式运行；连接到交换机时，它将以全双工的方式运行。
聪明如你也许会问：“那么，如果我将一个集线器连接到一个交换机，会怎么样呢？”
这是一个很好的问题！
我们无法配置集线器，集线器就是要半双工的方式，它以总线拓扑的方式来运作，需要配合 CSMA / CD 协议才能很好地工作。
因此，如果把交换机与集线器相连，那么交换机将不得不去适应集线器的半双工的工作方式。事实上，也不是整台交换机都需要去适应集线器的工作方式，仅仅是交换机上和集线器连接的那个端口，这个端口须要以半双工的方式来运作，交换机上的其他端口则维持全双工的方式。
通常，交换机是会自己检测到某个端口连着集线器的，然后做出调整。当然对那些可以被配置的交换机，我们也可以手动修改交换机的配置。下图演示了一个可配置的交换机的端口管理：
上图中，我们可以看到端口 21 以 100 Mbps 的速率运行，FC 表示 “全双工”。
那么，如果我将一台半双工的普通机器（比如电脑，不是集线器这样的特殊设备）连接到交换机，会怎么样呢？
很可能会发生交换机的双工的自动调整不起作用，以致于这台机器在全双工的交换机端口上处于半双工状态。
在这种情况下，这台半双工的机器将受到极大的 “惩罚”。因为每次有别的机器给它发送信息时，它就无法对外发送信息。而且，如果发生之前我们学过的 flooding（泛洪）的情况，帧通过广播方式发给除发送方以外的其他机器，那么这台半双工的机器也只能 “闭嘴”。
幸运的是，这台机器是唯一受影响的，网络的其余部分将正常运行。当然了，对于使用这台机器的用户来说，就有点 “哑巴吃黄连” 了。
我们可以得出结论：在大多数情况下，你不必为全双工还是半双工而操心。
但是，最好知道其运作原理，因为如果你遇到这样的问题而又不知道原因，那就很尴尬了。
- 总结
这一课我们学习了交换机所带给网络领域的巨大变革，了解了单工，半双工，全双工这三种基本的通信方式：
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单工（Simplex）：数据传输是单向的，类似汽车的单行道。
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半双工（Half Duplex）：数据传输是双向的。数据在通信双方之间能够在两个方向上进行发送，但不能同时发送。
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全双工（Full Duplex）：数据传输是双向的。通信双方在发送数据的同时也能够接收数据。
下一课我们将学习一个很有用的技术：VLAN，以及交换机应用了 VLAN 技术会给网络领域带来什么巨大变革。敬请期待吧！
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