标签: 交换机

在《车载以太网交换机入门基本功（3）》介绍了交换机端口属性和实际的VLAN转发过程。但是，当存在多个待转发的报文时，既要考虑到报文的及时性，又要考虑到转发效率，因此，如何进行有效调度就成了重要问题。一个解决办法是进行优先级设计。 优先级设计 优先级设计包括报文PCP字段和交换机队列两个部分。报文PCP字段可以回顾《交换机入门基本功-2》，如图 1所示： 图 1 携带VLAN的MAC报文格式 PCP优先级长度为3bit，取值在0-7之间共八个取值。通常来说值越大则优先级越高，越快被转发。由于以太网是串行通信，所以当不同优先级的报文发送到交换机端口上时，需要“排队出门”。 在交换机端口上存在多个队列，队列也存在优先级之分，值越大则优先级越高，越快被转发。PCP优先级和队列优先级不是一一对应的，存在映射关系。如图 2所示，左侧第一列是PCP优先级（从0-7），第一行是端口的队列个数（从1-8），根据队列个数进行映射。 图 2 PCP优先级和队列优先级映射表 以端口包含4个队列为例：PCP=0和1映射到队列优先级0，PCP=2和3映射到队列优先级1，PCP=4和5映射到队列优先级2，PCP=6和7映射到队列优先级3。映射完成后，队列优先级3的报文较快转发，而队列优先级0的报文较慢转发。同一个队列下的报文按照进入队列的早晚进行转发。如图 3所示： 图 3 端口的队列转发 考虑到转发实时性和效率，可以针对性地设计队列调度规则。这里介绍两种常见的队列调度机制：优先级队列调度（PQ, Priority Queuing）和加权循环调度（WRR, Weight Round Robin）。 优先级队列调度（PQ, Priority Queuing） 严格按照队列优先级大小进行调度。只有高优先级队列的报文全部转发完毕，低优先级队列的报文才会开始转发。这种调度方式方便配置，对于低延时的数据非常有用，如音视频数据等。但当高优先级的数据过多时，会一直占用调度窗口，导致低优先级的数据“永无出头之日”。低优先级并不意味着不重要，如邮件不追求时效，但它很有可能包含诸如开会时间的重要信息。另一种队列调度机制可以有效缓解这一问题。 加权循环调度（WRR, Weight Round Robin） 不同队列给予不同的初始权值，每次调度时，权值不为0的队列都调度一次；每调度一轮则权值减1，权值减到0的队列不参与调度；当所有队列的权值均减到0时，重置队列的权值，开启新一轮的调度。为了便于理解，假设有三个队列A、B、C，权值分别是2、3、4，调度过程如图 4所示：  第一、二次调度：ABC，队列权值连续减1，A=0，B=1，C=2；  第三次：A权值为0，不参与调度，实际调度B和C，队列权值减1，A=0，B=0，C=1；  第四次：A、B不参与调度，实际调度C，队列权值减1，A=0，B=0，C=0；  重置，A=2，B=3，C=4，重复上述过程。 图 4 WRR队列调度 WRR调度机制让每个队列都有调度机会，机会大小取决于权值大小。因此，低优先级队列的数据也能转发。WRR机制会跳过空的队列并切换到下个队列，保证带宽充分利用。 报文优先级、交换机队列和调度机制相配合，可以实现报文的高效转发，提高带宽资源利用率。交换机芯片通过硬件设计实现上述功能，之后需要经过测试进行验证，才能真正派上用场。 TC11交换机芯片VLAN测试规范 在《交换机入门基本功（1）》提到，交换机芯片依据的是OPEN联盟TC11工作小组制定的测试规范“Switch Semiconductor Test Specification”，其中VLAN测试包括八个部分： 在802.1Q配置测试部分，细分17个测试内容，如表2所示，定义了入口、转发、出口过程的配置情况： 在具体测试中，根据交换机功能选择相应测试用例，开展测试。 总结 通过《交换机入门基本功》4篇文章了解到：交换机是基于以太网点对点通信机制的背景下诞生的，包括学习、记忆、接收、查表、转发的五个工作过程，具备端口过滤、镜像、禁用/启用、转发等功能。交换机实现了物理通信区域的隔离，即局域网，而VLAN则实现了逻辑区域的隔离。VLAN通过报文Tag、交换机端口属性、交换机端口过滤功能得以实现，并通过优先级和队列实现转发的有效调度。为了验证交换机芯片的功能实现，需要参考OPEN联盟的TC11交换机芯片测试规范，包括通用测试、地址解析、VLAN等9个方面，此外，实时更进规范修改方案并与读者分享。 感谢读者们对本系列的支持！希望大家通过阅读本文，可以对交换机形成整体的认识，之后通过不断学习实现自我升级，成为一名资深的工程师！ 经纬恒润 作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术和工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。 了解更多 请致电 010-64840808转6117或发邮件至market_dept@hirain.com（联系时请说明来自面包房社区）

在《车载以太网交换机入门基本功（2）》中提到，报文通过携带Tag字段，表明报文所属的VLAN。本文将介绍携带Tag报文在VLAN下的转发过程。而在实际转发过程中，交换机的端口属性起到关键作用。 交换机端口属性 交换机的端口属性包括三大属性：VID、PVID、Tag/Untag。 · VID 端口所属的VLAN。只有处在同一个VLAN下才能通信。当携带特定VID的广播报文发送至交换机时，交换机会查询端口的VID属性，转发到具有同一个VID属性的端口。同一个端口可以同时处在不同VLAN下，即一个端口的VID属性可能有多个；而不同端口也可以在同一个VLAN下，即同个VID下也可能有多个端口。 · PVID Port VLAN ID，端口的入口属性。当不带tag的报文进入交换机时，端口会给报文加上tag，加上的VID是该端口的PVID值。不同于VID属性，一个端口只能有一个PVID属性。PVID属性使得交换机内部的报文都带tag。 · Tag/Untag 端口的出口属性，决定了从交换机端口发出的报文是否携带tag。Tag 属性会保留报文的tag，Untag属性会剥除报文的tag。 报文从进入交换机、转发、从交换机发出的过程中，都受到这三个属性的影响——PVID影响进入过程；VID影响转发过程；而Tag/Untag影响发出过程。 转发过程 涉及到发送、转发和接收三个过程。下面将着眼于报文在这三个过程中的变化，细致了解VLAN是如何起到限制广播域的作用。 · 转发 设备发出的报文分为带tag和不带tag两种，都会发送到交换机上。 根据报文是否带tag，交换机的处理方式有两种： - 不带tag报文进入交换机时，会根据交换机端口的PVID属性，加上相应的tag，之后按照带tag报文的转发规则进行转发。 - 带tag报文进入交换机后，根据tag转发到具有相同VID属性的端口上，从该端口向外转发。 · 接收 根据报文tag，从相同VID属性的端口上向外转发。交换机向外转发时，根据端口的Tag/Untag属性，决定向外发送的报文是否携带tag。 以下图的报文转发为例：首先，不带tag报文进入交换机端口1，端口1根据自身的PVID属性，给报文加上tag；接着，根据报文tag的VID，查询具有相同VID属性的端口（这里是端口2），发给端口2；最后，端口2根据自身的Tag/Untag属性，对报文的tag进行保留/剥除处理，并把报文从端口2发出。 图 携带VLAN的MAC报文格式 以上的转发过程能够保证同一VLAN下的正常通信，并隔离不同VLAN的通信。看起来无懈可击，但其中存在一个小问题：当端口收到带tag报文，其VID和端口的VID属性不一致时，交换机会采取什么措施吗？答案是：如果没有特殊设置，交换机照收不误。因为在上述VLAN转发过程中，着重关注的是报文“去向何处”，而对于报文是否来自同一VLAN下的设备，并不太在意，这就容易造成“敌我不分”。过多的非同一VLAN下的报文进入交换机，会影响交换机处理效率，导致通信受阻；更甚者，一旦线路被拦截并伪造信息，这些信息无阻碍的进入交换机后，很可能发送到其他设备上，造成无法估量的损失。因此，对进入交换机的报文，应该进行一定的审查，这就是端口过滤功能：进门前先对暗号！ 开启端口过滤功能后，上图的转发过程中，报文从端口1进入交换机的过程发生变化：端口1先提取报文的VID，判断自身的VID属性是否存在该值，如果存在则接收，报文顺利进入交换机；否则丢弃报文。这样确保报文的发送和接收都来自同一VLAN，提高安全性和效率。 端口过滤功能还可以针对源地址和目的地址进行设置，过滤特定的MAC地址，保证线路的专用性。 通过VLAN ID、端口属性和端口过滤功能，能够实现广播域的有效限制。但是，当多个报文需要进行转发时，会出现拥塞情况。此时，前文提到的PCP优先级就可以派上用场！在《车载以太网交换机入门基本功（4）》中将详细介绍，这也是该系列的最后一篇，敬请期待！ 经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术和工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。 了解更多 请致电 010-64840808转6117或发邮件至market_dept@hirain.com（联系时请说明来自面包房社区）

在《交换机入门基本功 -上》提到，交换机在物理层面划分通信区域并产生局域网（Local Area Network, LAN）。局域网具有一个特点：连线拓扑一旦确定，一定时间内不会发生通信区域的变动。在实际通信过程中，广播报文和未知目的地址的单播报文，需要通知到所有设备。通信区域的大小，影响了这个过程中需要通知设备的多少。然而，对设备不加选择的广播会造成广播泛滥。交换机此时并不具备设备选择的功能，通信区域内的所有设备们此时别无选择，只能不断地被“打扰”（“i”设备表示：交换机这个“e人”好可怕，默默哭泣ㄒoㄒ~~）。而且，这种广播泛滥还会占用带宽，造成线路冲突和性能下降等问题，甚至可能造成网络瘫痪。 要解决这个问题，一个简单的想法是：改变局域网内的连线拓扑，这是否可行呢？答案是有用，但不多。理由很简单，如果只需要偶尔改变连线拓扑，每次只改变一两个设备，那就只是几根网线的拔插工作。但如果需要频繁改变通信区域，或者存在多个通信区域、且每次涉及的设备很多呢？千手观音都得说：这活太累了…… 图 1 “千手观音”哭泣 聪明的小伙伴可能会想到，如果不改变物理连线，而是限制报文的传播路径，让它们只能在特定范围内进行转发呢？没错，天无绝人之路，既然改变不了物理世界，那就在虚拟世界里大展身手，就是虚拟局域网（Virtual Local Area Network, VLAN）的来源！ VLAN技术在逻辑层面上，将局域网划分成多个区域，每个区域是独立的广播域，区域内可以进行广播通信，区域间不能进行直接通信。这样，无需修改实际的连线拓扑，就可以快速划分和修改广播域，可操作性和应变能力大大增强。设想一下，你一边在小组群讨论小组作业怎么写，一边在宿舍群讨论晚上吃什么，要是两个群的信息可以互相看到，那岂不是乱了套？！这种分群讨论方式的好处还有：如果临时加入了一名小组成员，那么只需要把这个人拉到小组群里就可以继续讨论，并不会影响之前的工作，简直不要太方便！ 那么，小伙伴可能又要问了：这么方便的VLAN，究竟是用了什么“魔法”做到的呢？ 神秘的魔法就是：VLAN ID ，简称VID，即不同VLAN的编号。通过在报文内增加额外字段，标明报文的VID，说明报文要在哪个VLAN下进行传输。 VLAN报文结构 携带VID的报文结构遵循IEEE的802.1Q协议。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）电气电子工程师学会，在电气及电子工程、计算机及其他技术领域做出卓越贡献，引领新技术发展步伐，制定国际和行业标准。802.1Q协议在MAC（Media Access Control）报文的基础上，定义了VLAN的标准化实现方案。 首先介绍下不带VLAN的MAC报文，有两种格式，分别是IEEE 802.3在1982年颁布的格式，和以太网V2在1983年颁布的格式，二者只在部分字段有所区别，格式如图 2和图 3： 图 2 IEEE 802.3的MAC报文格式 图 3 以太网V2的MAC报文格式 每个字段的含义如下： PRE：Preamble前导码，长度为8个字节（一个字节有8位bit），用于时间同步，通常是连续的“10”值。 DA：Destination Address目的地址，长度为6个字节，表明该报文要发送到特定的MAC地址。 SA：Source Address源地址，长度为6个字节，表明发送该报文的MAC地址。 L/T：Length/Type，表明报文的长度/类型，长度2个字节；L长度字段取值在0-1500之间，T类型字段取值大于1536，1500-1536之间的取值未定义。T类型字段可表明的协议类型有IPv4、IPv6、ARP等。 DATA：数据，长度在46-1500字节之间。 FCS：Frame Check Sequence帧检测序列，使用CRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余校验算法，对包括DA、SA、L/T、DATA字段在内计算校验值，确保在传输过程中数据没有被篡改。 进一步的，在上述MAC报文格式基础上，增加VLAN的说明字段。具体格式如图 4： 图 4 携带VLAN的MAC报文格式 VLAN的说明字段介于SA和L/T之间，称之为Tag字段。Tag字段长度为4个字节，包括TPID和TCI两个部分： TPID：Tag Protocol Identifier，Tag协议标识位，该字段的位置和不带tag报文的L/T字段重合，用于区分报文是否携带tag。 TCI：Tag Control Information，Tag控制信息，包含具体的VLAN控制信息。 ​​​​​​​TCI字段又可分为三个部分： PCP：Priority Code Point优先级代码位，长度为3bit，表明报文在同个VLAN内的优先转发顺序，需要和交换机队列配合使用，后面会进行介绍。 DEI：Drop Eligible Indicator丢弃使能位，长度为1bit，表明在传输过程中，如果数据过多影响传输效率，是否进行丢弃处理。取值为0表示不丢弃，1表示丢弃。 VLAN ID：简称VID，长度为12bit，表明报文所属的VLAN，这也是前文提到的任意划分广播域的“魔法”！ 除了在报文内增加Tag字段表明报文所属的VLAN，还需要依赖交换机进行实际转发。其中，交换机的端口属性在VLAN转发过程中非常关键。在《交换机入门基本功-3》将介绍交换机端口属性以及具体的转发过程。 经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术和工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。 了解更多 请致电 010-64840808转6117或发邮件至market_dept@hirain.com（联系时请说明来自面包房社区）

来源：虹科汽车电子 虹科案例丨VLAN不再难懂：一台转换器+交换机轻松解锁VLAN配置 原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5cFLWniozlppQGD7RcvgxA 欢迎关注虹科，为您提供最新资讯！ #VLAN #转换器 #交换机 导读 还在为车载以太网的复杂性感到困惑吗？是否对交换机的工作原理一头雾水？VLAN的概念让您感到难以把握？别担心，虹科来帮忙！我们通过一个简单的案例——仅用一台转换器和车载以太网交换机，带您轻松掌握VLAN的识别与转发思路！ 虹科百兆/千兆车载以太网交换机 1 情景模拟与配置准备 -虹科增强型以太网交换机 (EES) 的IP设定为：10.0.0.200 -Host配置网口IP：10.0.0.2 -A口 IP：192.168.20.20 -内置收发情况：1与A互相收发，想要进行VLAN识别 -虹科车载以太网转换器一侧的电脑 IP：192.168.26.26 2 模拟结构 情景仿真模拟： A/B两台主机互相ping通，两台电脑互发数据并且可以监控到对应的VLAN ID。 如上描述中将网口配置准备工作做好，进行交换机内部配置，此时不需要开启“ PORT SEGMENTATION”选项，只需在“VLAN CONFIGURATION”中即可完成想要的一切。 设置A与1port交互规则 -default ID：Aport default ID=A，1port default ID=11。 -入口规则：选定“allow membership”并将对方ID均写入到双方的membership list中。 -出口规则：需要根据具体情况来进行选择。 出口规则设定 -两个ports接收到互相带有VLAN Tag的报文，则选用“Tag Normalized”规则，如下图所示： -两个ports互相Ping通对方IP，则选用“Tag as Received”规则，如下图所示： 注：参考VLAN划分原则。如出现ping不通现象，欢迎咨询虹科工作人员。 镜像端口设定 如需要Bport进行端口镜像，即将Bport default ID=B，入口规则“allow all”，出口规则“Tag Normalized”，可在不影响原始网络的情况下进行报文流量监控。 结语 通过上述配置，我们可以清晰地理解VLAN在车载以太网中的应用。如果您对车载以太网技术/产品有任何疑问，或希望获取更多信息，欢迎咨询虹科工作人员，虹科致力于为您提供专业的技术支持和服务。

所谓网络交换机其实就是数据链路层的设备，一般用于 LAN-WAN 的连接，网络交换机归于网桥，有些交换机也可实现第三层的交换。 路由器用于 WAN-WAN 之间的连接，可以解决异性网络之间转发分组，作用于网络层。 从一条线路上接受输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对也慢，价格昂贵，第三层交换机既有交换机线速转发报文能力，又有路由器良好的控制功能，因此得以广泛应用。 网络交换机的作用 网络交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或 FDDI 等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。 一般来说，网络交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。 网络交换机主要功能 网络交换机 的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机 https://www.misumi.com.cn/vona2/el_control/E1300000000/E1304000000/E1304010000/ 还具备了一些新的功能，如对 VLAN （虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。 网络交换机的作用 交换机也叫交换式集线器，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。 交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，当控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的 MAC( 网卡的硬件地址 ) 的 NIC( 网卡 ) 挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。目的 MAC 若不存在，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会 “ 学习 ” 新的地址，并把它添加入内部地址表中。浏览米思米官网 https:// www.misumi.com.cn / 学习更多电工知识