交換機(jī)原理

百科解釋

目錄·一、基本以太網(wǎng)
·二、交換機(jī)原理與應(yīng)用
·三、三層交換的概念
·四、四層交換技術(shù)

1、以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：
以太網(wǎng)是Ethernet的意思，過(guò)去使用的是十兆標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在是百兆到桌面，千兆做干線。
常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)有：
10BASE-2 細(xì)纜以太網(wǎng)
10BASE-5 粗纜以太網(wǎng)
10BASE-T 星型以太網(wǎng)
100BASE-T 快速以太網(wǎng)
1000BASE-T 千兆以太網(wǎng)
2、接線標(biāo)準(zhǔn)
星型以太網(wǎng)采用雙絞線連接，雙絞線是8芯，分四組，兩芯一組絞在一起，故稱雙絞線。
8芯雙絞線只用其中4芯：1、2、3、6。
常見(jiàn)接線方式有兩種：
568B接線規(guī)范：白橙橙白綠藍(lán) 白藍(lán) 綠白棕棕
1 2 3 4 5 6 7 8
568A接線規(guī)范：白綠綠白橙藍(lán) 白藍(lán) 橙白棕棕
1 2 3 4 5 6 7 8
將568B的1和3對(duì)調(diào)，2和6對(duì)調(diào)，就得到568A。
3、接線方法
兩邊采用相同的接線方式叫做平接，兩邊采用不同的接線方式叫扭接。
不同的設(shè)備之間連接，使用平接線；相同的設(shè)備連接使用扭接線。
電腦、路由器與集線器、交換機(jī)連接時(shí)使用平接線。
這是因?yàn)榫W(wǎng)線中的4條線，一對(duì)是輸入，一對(duì)是輸出，輸入應(yīng)該與輸出對(duì)應(yīng)。
如果將1和3連接，2和4連接，相當(dāng)于自己的輸出送給自己的輸入。
這樣可以使網(wǎng)卡進(jìn)入工作狀態(tài)，阻止空接口關(guān)閉，而影響有些程序的運(yùn)行。

二、交換機(jī)原理與應(yīng)用

1、沖突域和廣播域
交換機(jī)是根據(jù)網(wǎng)橋的原理發(fā)展起來(lái)的，學(xué)習(xí)交換機(jī)先認(rèn)識(shí)兩個(gè)概念：
(1)沖突域：
沖突域是數(shù)據(jù)必然發(fā)送到的區(qū)域。
HUB是無(wú)智能的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器，有入必出，整個(gè)由HUB組成的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)沖突域。
交換機(jī)的一個(gè)接口下的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)沖突域，所以交換機(jī)可以隔離沖突域。
(2)廣播域：
廣播數(shù)據(jù)時(shí)可以發(fā)送到的區(qū)域是一個(gè)廣播域。
交換機(jī)和集線器對(duì)廣播幀是透明的，所以用交換機(jī)和HUB組成的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣播域。
路由器的一個(gè)接口下的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣播域。所以路由器可以隔離廣播域。
2、交換機(jī)原理
(1)端口地址表
端口地址表記錄了端口下包含主機(jī)的MAC地址。端口地址表是交換機(jī)上電后自動(dòng)建立的，
保存在RAM中，并且自動(dòng)維護(hù)。
交換機(jī)隔離廣播域的原理是根據(jù)其端口地址表和轉(zhuǎn)發(fā)決策決定的。
(2)轉(zhuǎn)發(fā)決策
交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)決策有三種操作：丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)和擴(kuò)散。
丟棄：當(dāng)本端口下的主機(jī)訪問(wèn)已知本端口下的主機(jī)時(shí)丟棄。
轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)某端口下的主機(jī)訪問(wèn)已知某端口下的主機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。
擴(kuò)散：當(dāng)某端口下的主機(jī)訪問(wèn)未知端口下的主機(jī)時(shí)要擴(kuò)散。
每個(gè)操作都要記錄下發(fā)包端的MAC地址，以備其它主機(jī)的訪問(wèn)。
(3)成存期：
生成期是端口地址列表中表項(xiàng)的壽命。每個(gè)表項(xiàng)在建立后開(kāi)始進(jìn)行倒記時(shí)，每次發(fā)送
數(shù)據(jù)都要刷新記時(shí)。對(duì)于長(zhǎng)期不發(fā)送數(shù)據(jù)主機(jī)，其MAC地址的表項(xiàng)在生成其結(jié)束時(shí)刪除。
所以端口地地表記錄的總是最活動(dòng)的主機(jī)的MAC地址。
3、交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)
以太網(wǎng)是總線或星型結(jié)構(gòu)，不能構(gòu)成環(huán)路，否則會(huì)產(chǎn)兩個(gè)嚴(yán)重后果：
(1)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。
(2)克隆幀會(huì)在各個(gè)口出現(xiàn)，造成地址學(xué)習(xí)(記錄幀源地址)混亂。
解決環(huán)路問(wèn)題方案:
(1)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)，人為的避免產(chǎn)生環(huán)路。
(2)使用生成樹(shù)STP(Spanning Tree Protocol)功能，將有環(huán)的網(wǎng)絡(luò)剪成無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)。
STP被IEEE802規(guī)范為802.1d標(biāo)準(zhǔn)。
生成樹(shù)協(xié)議術(shù)語(yǔ)
(1)網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元：BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
BPDU是生成樹(shù)協(xié)議交換機(jī)間通訊的數(shù)據(jù)單元，用于確定角色。
(2)網(wǎng)橋號(hào)：Bridge ID
交換機(jī)的標(biāo)識(shí)號(hào)，它由優(yōu)先級(jí)和MAC地址組成，優(yōu)先級(jí)16位，MAC地址48位。
(3)根網(wǎng)橋：Root bridge
根網(wǎng)橋定義為網(wǎng)橋號(hào)最小的交換機(jī)，根網(wǎng)橋所有的端口都不會(huì)阻塞。
(4)根端口：Root port
非根網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的端口，負(fù)責(zé)本網(wǎng)橋與根網(wǎng)橋通訊的接口。
(5)指定網(wǎng)橋：Designated bridge
網(wǎng)絡(luò)中到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小交換機(jī)，負(fù)責(zé)收發(fā)本網(wǎng)段數(shù)據(jù)。
(6)指定端口：Designated port
網(wǎng)絡(luò)中到根網(wǎng)橋累計(jì)路徑花費(fèi)最小的交換機(jī)端口，根網(wǎng)橋每個(gè)端口都是指定端口。
(7)非指定端口：NonDesignated port
余下的端口是非指定端口，它們不參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，也就是被阻塞的端口。
(根端口是從非根網(wǎng)橋選出，指定端口是網(wǎng)段中選出)。
生成樹(shù)協(xié)議的狀態(tài)：
生成樹(shù)協(xié)議工作時(shí)，所有端口都要經(jīng)過(guò)一個(gè)端口狀態(tài)的建立過(guò)程。
生成樹(shù)協(xié)議通過(guò)BPDU廣播，確定各交換機(jī)及其端口的工作狀態(tài)和角色，
交換機(jī)上的端口狀態(tài)分別為：關(guān)閉、阻塞、偵聽(tīng)、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
(1)關(guān)閉狀態(tài)：Disabled 不收發(fā)任何報(bào)文，當(dāng)接口空連接或人為關(guān)閉時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。
(2)阻塞狀態(tài)：Blocking 在機(jī)器剛啟動(dòng)時(shí)，端口是阻塞狀態(tài)(20秒)，但接收BPDU信息。
(3)偵聽(tīng)狀態(tài)：listening 不接收用戶數(shù)據(jù)(15秒)，收發(fā)BPDU，確定網(wǎng)橋及接口角色。
(4)學(xué)習(xí)狀態(tài)：learning 不接收用戶數(shù)據(jù)(15秒)，收發(fā)BPDU，進(jìn)行地址學(xué)習(xí)。
(5)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)：Forwarding 開(kāi)始收發(fā)用戶數(shù)據(jù)，繼續(xù)收發(fā)BPDU和地址學(xué)習(xí),維護(hù)STP。
4、關(guān)于VLANVLAN(Virtual Lan)是虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)通過(guò)VLAN設(shè)置，可以劃分為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，
從而隔離廣播域。具有三層模塊的交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)VLAN間的路由。
(1)端口模式
交換機(jī)端口有兩種模式，access和trunk。access口用于與計(jì)算機(jī)相連，而交換機(jī)之間
的連接，應(yīng)該是trunk。
交換機(jī)端口默認(rèn)VLAN是VLAN1，工作在access模式。
Access口收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，不含VLAN標(biāo)識(shí)。具有相同VLAN號(hào)的端口在同一個(gè)廣播域中。
Trunk口收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，包含VLAN標(biāo)識(shí)。Trunk又稱為干線，可以設(shè)置允許多個(gè)VLAN通過(guò)。
(2)VLAN中繼協(xié)議：
VLAN中繼協(xié)議有兩種：
ISL(Inter-Switch Link)： ISL是Cisco專用的VLAN中繼協(xié)議。
802.1q(dot1q)：802.1q是標(biāo)準(zhǔn)化的，應(yīng)用較為普遍。
(3)VTP
VTP(Vlan Trunking Protocol)是VLAN傳輸協(xié)議，在含有多個(gè)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)中，可以
將中心交換機(jī)的VLAN信息發(fā)送到下級(jí)的交換機(jī)中。
中心交換機(jī)設(shè)置為VTP Server，下級(jí)交換機(jī)設(shè)置為VTP Client。
VTP Client要能學(xué)習(xí)到VTP Server的VLAN信息，要求在同一個(gè)VTP域，并要口令相同。
(4)VLAN共享
如果要求某個(gè)VLAN與其他VLAN訪問(wèn)，可以設(shè)置VLAN共享或主附VLAN。
共享模式的VLAN端口，可以成為多個(gè)VLAN的成員或同時(shí)屬于多個(gè)VLAN。
在主附VLAN結(jié)構(gòu)中，子VLAN與主VLAN可以相互訪問(wèn)，子VLAN間的端口不能互相訪問(wèn)。
一般的VLAN間使用不同網(wǎng)絡(luò)地址；主附VLAN中主VLAN和子VLAN使用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址。
5、交換機(jī)和路由器的口令恢復(fù):
(1)交換機(jī)的口令恢復(fù):
交換機(jī)的口令恢復(fù)的操作是先啟動(dòng)超級(jí)終端，在交換機(jī)上電時(shí)按住的mode鍵.
幾秒后松手，進(jìn)入ROM狀態(tài)，將nvram中的配置文件config.txt改名或刪除，再重啟。
參考命令為：
switch:rename flash:config.text flash:config.bak
switch:erase flash:config.text
(2)路由器的口令恢復(fù):
路由器的口令恢復(fù)操作先啟動(dòng)超級(jí)終端，在路由器上電時(shí)按計(jì)算機(jī)的Ctrl+Break鍵，
進(jìn)入ROM監(jiān)控狀態(tài)rommon>，用配置寄存器命令confreg設(shè)置參數(shù)值0x2142，跳過(guò)配置文件
設(shè)置口令后再還原為0x2102。
參考命令為：
rommon>confreg 0x2142
router(config)#config-register 0x2102
沒(méi)有特權(quán)口令無(wú)法進(jìn)入特權(quán)狀態(tài)，只能進(jìn)入ROM監(jiān)控狀態(tài)，使用confreg 0x2142命令。
當(dāng)口令修改完后，可以在特權(quán)模式下恢復(fù)為使用配置文件狀態(tài)。

三、三層交換的概念

1、交換機(jī)是鏈路層設(shè)備，使用MAC地址，完成對(duì)幀的操作。
交換機(jī)的IP地址做管理用，交換機(jī)的IP地址實(shí)際是VALN的IP。
一個(gè)VLAN一個(gè)廣播域，不同VLAN的主機(jī)間訪問(wèn)，相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)間的訪問(wèn)，要通過(guò)路由實(shí)現(xiàn)。
不同VLAN間主機(jī)的訪問(wèn)有以下幾種情況：
(1)兩個(gè)VLAN分別接入路由器的兩個(gè)物理接口。這是路由器的基本應(yīng)用。
(2)兩個(gè)VLAN通過(guò)trunk接入路由器的一個(gè)物理接口，這是應(yīng)用于子接口的單臂路由。
(3)使用具有三層交換模塊的交換機(jī)。Cisco的3550和華為的3526都是基本的三層交換機(jī)。
1)通過(guò)VLAN的IP地址做網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)三層交換，要求設(shè)置VLAN的IP地址。
2)將端口設(shè)置在三層工作，要求端口設(shè)置no switchport，再設(shè)置端口的IP地址。
2、交換機(jī)的通道技術(shù)
交換機(jī)通道技術(shù)是將交換機(jī)的幾個(gè)端口捆綁使用，即端口的聚合。
使用通道技術(shù)一個(gè)方面提高了帶寬，同時(shí)提高了線路的可靠性。
但是如果設(shè)置不當(dāng)，有可能產(chǎn)生環(huán)路，造成廣播風(fēng)暴堵塞網(wǎng)絡(luò)。
要聚合的端口要?jiǎng)澐值街付ǖ腣LAN或trunk。
配置三層通道時(shí)，先要進(jìn)入通道，再用no switchport命令關(guān)閉二層，設(shè)置通道IP地址。
一個(gè)通道一般小于8個(gè)接口，接口參數(shù)應(yīng)該一致，如工作模式、封裝的協(xié)議、端口類型。
3、端口協(xié)商方式
端口的聚合有兩種方式，一種是手動(dòng)的方式，一個(gè)是自動(dòng)協(xié)商的方式。
手動(dòng)的方式很簡(jiǎn)單，設(shè)置端口成員鏈路兩端的模式為“on”。命令格式為：
channel-group <number> mode on
自動(dòng)方式有兩種類型：
PAgP(Port Aggregation Protocol)和LACP(Link aggregation Control Protocol)。
PAgP：Cisco設(shè)備的端口聚合協(xié)議，有auto和desirable兩種模式。
auto模式在協(xié)商中只收不發(fā)，desirable模式的端口收發(fā)協(xié)商的數(shù)據(jù)包。
LACP：標(biāo)準(zhǔn)的端口聚合協(xié)議802.3ad，有active和passive兩種模式。
active相當(dāng)于PAgP的auto，而passive相當(dāng)于PAgP的desirable。
4、通道端口間的負(fù)載平衡
通道端口間的負(fù)載平衡有兩種方式，基于源MAC的轉(zhuǎn)發(fā)和基于目的MAC的轉(zhuǎn)發(fā)。
scr-mac：源MAC地址相同的數(shù)據(jù)幀使用同一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)。
dst-mac：目的MAC地址相同的數(shù)據(jù)幀使用同一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)。

四、四層交換技術(shù)

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