第7章 交換式以太網(wǎng)

第7章交換式以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)河南工學(xué)院交換機(jī)是局域網(wǎng)的核心設(shè)備，它在局域網(wǎng)通信中到底起到了什么作用？為什么交換式以太網(wǎng)比傳統(tǒng)以太網(wǎng)速度更快，性能更好？在實(shí)際使用中，有時(shí)候我們根本不用配置交換機(jī)就可以組建局域網(wǎng)并正常通信，有時(shí)候就需要對交換機(jī)進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)更多功能，交換機(jī)到底該怎么用？學(xué)完本章，你就能找到答案了。引子【知識(shí)目標(biāo)】1.學(xué)習(xí)以太網(wǎng)交換機(jī)工作原理；2.學(xué)習(xí)生成樹協(xié)議；3.學(xué)習(xí)虛擬局域網(wǎng)技術(shù)；4.學(xué)習(xí)鏈路聚合技術(shù)?！炯寄苣繕?biāo)】1.掌握交換機(jī)工作原理及基本配置；2.掌握生成樹協(xié)議原理及應(yīng)用；3.掌握虛擬局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用；4.具備根據(jù)應(yīng)用需求，恰當(dāng)選取協(xié)議并配置和維護(hù)局域網(wǎng)的能力。【素養(yǎng)目標(biāo)】1.具有應(yīng)對計(jì)算機(jī)技術(shù)快速變遷的能力；2.培養(yǎng)探究科學(xué)規(guī)律的精神；3.培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力。學(xué)習(xí)目標(biāo)7.1交換機(jī)工作原理以太網(wǎng)交換機(jī)共享10Mbps端口集線器專用10Mbps端口計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)7.1.1交換式以太網(wǎng)概述傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)有很多局限性：(1)多節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì)，隨著節(jié)點(diǎn)增多，沖突加大，網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。(2)網(wǎng)絡(luò)總帶寬不能滿足日益增長的通信需求。(3)無法很好的支持多媒體信息服務(wù)。

典型的交換式局域網(wǎng)是交換式以太網(wǎng)，它的核心部件是以太網(wǎng)交換機(jī)。以太網(wǎng)交換機(jī)支持交換機(jī)端口之間的多個(gè)并發(fā)連接，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸，與共享介質(zhì)工作方式有著本質(zhì)的不同。因此，交換式以太網(wǎng)可以增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，改善局域網(wǎng)的性能與服務(wù)質(zhì)量。交換式以太網(wǎng)組網(wǎng)示意圖7.1.2交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)方式（1）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)：完整地接收整個(gè)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，可支持不同速率端口之間的數(shù)據(jù)交換，缺點(diǎn)是交換延遲時(shí)間相對較長。（2）直接交換：讀到目的地址字段，立即轉(zhuǎn)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)發(fā)速率快，缺點(diǎn)是無差錯(cuò)檢測能力，不支持不同速率端口之間的數(shù)據(jù)交換。（3）改進(jìn)的直接交換：讀取并檢測幀的長度，滿足最小幀長要求則轉(zhuǎn)發(fā)。是一種折中的方案。7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程依據(jù)交換機(jī)內(nèi)部的MAC地址表進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。具體工作過程：學(xué)習(xí)源MAC地址，轉(zhuǎn)發(fā)不同端口的數(shù)據(jù)幀，過濾同端口數(shù)據(jù)幀，廣播未知幀。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的Hub（以太網(wǎng)集線器），不具有交換機(jī)的功能，它把接收到的數(shù)據(jù)幀向所有端口廣播轉(zhuǎn)發(fā)。7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程E0/3E0/5E0/7E0/16MAC：M1MAC：M2MAC：M3MAC：M4目的MAC地址發(fā)送端口號(hào)M1E0/3M2E0/5M3E0/7M4E0/16PC1PC2PC4PC3交換機(jī)內(nèi)部都有一張MAC地址表7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程MAC：M1MAC：M2MAC：M3MAC：M4目的MAC地址發(fā)送端口號(hào)E0/3E0/5E0/7E0/16PC2PC1PC3PC4最初交換機(jī)的MAC地址表為空7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程MAC：M1MAC：M2MAC：M3MAC：M4目的MAC地址發(fā)送端口號(hào)E0/3E0/5E0/7E0/16M1E0/3PC2PC1PC4PC3MAC地址表沒有記錄，數(shù)據(jù)幀從其它所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去識(shí)別數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，學(xué)習(xí)MAC地址和端口對應(yīng)關(guān)系7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程MAC：M1MAC：M2MAC：M3MAC：M4E0/3E0/5E0/7E0/16目的MAC地址發(fā)送端口號(hào)M1E0/3M2E0/5M3E0/7M4E0/16PC1PC4PC3PC2通過MAC地址表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的單點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)MAC地址表的維護(hù)7.1.3以太網(wǎng)交換機(jī)工作過程4.交換式以太網(wǎng)的特點(diǎn)（1）以太網(wǎng)交換機(jī)的各個(gè)端口獨(dú)占帶寬。（2）具有較高的系統(tǒng)帶寬。（3）交換機(jī)的每個(gè)端口是一個(gè)沖突域，有邏輯分段與一定的安全功能。

沖突域，是指網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的幀會(huì)與其他站點(diǎn)發(fā)出的幀產(chǎn)生沖突的那部分網(wǎng)絡(luò)。沖突域越大，發(fā)生沖突的概率越高。7.2生成樹協(xié)議為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，常常會(huì)出現(xiàn)冗余的物理環(huán)路，但環(huán)路會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。IEEE802.1D標(biāo)準(zhǔn)制定了生成樹協(xié)議STP。不改變網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)?，但在邏輯上切斷某些鏈路，使得從一臺(tái)主機(jī)到所有其他主機(jī)的路徑是無環(huán)路的樹狀結(jié)構(gòu)，從而消除了環(huán)路影響。當(dāng)有活動(dòng)路徑發(fā)生故障時(shí),能激活被阻斷的冗余備份鏈路來恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性，保障業(yè)務(wù)的不間斷服務(wù)。

1.生成樹計(jì)算

生成樹協(xié)議在交換機(jī)之間傳遞配置消息完成生成樹計(jì)算。配置消息主要包括：根橋ID,根路徑開銷，指定橋ID和指定端口ID。生成樹協(xié)議計(jì)算過程：（1）選擇橋ID最小的橋?yàn)楦鶚颍?）計(jì)算本網(wǎng)橋到根橋的最短路徑開銷。距離根最近的端口為根端口。（3）為每個(gè)網(wǎng)段選出跟路徑開銷最小的網(wǎng)橋作為指定網(wǎng)橋，連指定橋的端口為指定端口，負(fù)責(zé)網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。（4）既不是根端口也不是指定端口的端口就處于阻塞狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，避免環(huán)路形成。

2.端口狀態(tài)

為了使配置消息在網(wǎng)絡(luò)中有充分的時(shí)間傳播，避免由于配置消息丟失而造成的生成樹計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致環(huán)路的可能。生成樹協(xié)議（STP）給端口設(shè)定了5種狀態(tài)：Disable、Blocking、Listening、Learning和Forwarding。端口狀態(tài)遷移示意圖生成樹計(jì)算示例（右圖為生成樹計(jì)算結(jié)果）7.3虛擬局域網(wǎng)7.3.1虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生

VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）即虛擬局域網(wǎng)，是一種通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興技術(shù)。IEEE于1999年公布了用于標(biāo)準(zhǔn)化VLAN實(shí)現(xiàn)方案的802.1Q協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)草案。VLAN最突出的應(yīng)用就是劃分廣播域。

一般來說，構(gòu)造虛擬局域網(wǎng)有3個(gè)基本條件：（1）具有實(shí)現(xiàn)VLAN劃分功能的交換機(jī)。（2）不同交換機(jī)上相同VLAN間的通信。（3）不同VLAN之間的路由。7.3.2VLAN的特征和特點(diǎn)1.VLAN的特征同一個(gè)VLAN的成員屬于同一個(gè)廣播域，不同VLAN的成員屬于不同的廣播域；不同VLAN的成員通信需路由支持，相同VLAN的成員可直接通信，不需路由支持。2.VLAN的特點(diǎn)（1）增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理（2）控制廣播風(fēng)暴（3）提高網(wǎng)絡(luò)的安全性7.3.3VLAN的劃分方法（1）按交換機(jī)端口劃分這是最簡單、最有效的VLAN劃分方法，可以對單交換機(jī)或多交換機(jī)進(jìn)行端口劃分。缺點(diǎn)是當(dāng)一個(gè)用戶從一個(gè)端口移動(dòng)到另一個(gè)端口時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理員必須對VLAN成員重新進(jìn)行配置。123456單交換機(jī)端口劃分示意圖VLAN1VLAN2端口端口123456端口123456多交換機(jī)端口劃分示意圖局域網(wǎng)交換機(jī)1局域網(wǎng)交換機(jī)2VLAN2VLAN17.3.3VLAN的劃分方法（2）按MAC地址劃分

這種方法使用節(jié)點(diǎn)的MAC地址來定義虛擬局域網(wǎng)。由于節(jié)點(diǎn)的MAC地址是與硬件相關(guān)的地址，所以，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到其他網(wǎng)段時(shí)，不需改變VLAN的配置。其缺點(diǎn)是：VLAN的初始配置需手工完成，在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，工作量太大。MAC地址VLAN00-15-F5-CC-C8-1410C0-AB-D5-00-18-F420C0-C5-18-DE-BC-E630VLAN10VLAN20MAC地址MAC地址7.3.3VLAN的劃分方法（3）按網(wǎng)絡(luò)層地址劃分

這種方法使用節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址來定義虛擬局域網(wǎng)。例如，用IP地址來定義VLAN。但這種方法需檢查網(wǎng)絡(luò)層地址，速度比較慢，性能比較差。VLAN10VLAN20IP子網(wǎng)/24IP子網(wǎng)/24IP子網(wǎng)VLAN/2410/2420………7.3.3VLAN的劃分方法（4）按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議劃分

VLAN按網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來劃分，可分為IP、IPX、DECnet、Apple-Talk等VLAN網(wǎng)絡(luò)。這種方法可能使廣播域跨越多個(gè)交換機(jī)，容易造成某些VLAN站點(diǎn)數(shù)目較多，產(chǎn)生大量廣播包，降低VLAN交換機(jī)的效率。VLAN10VLAN20協(xié)議類型VLANIP10IPX20………協(xié)議類型協(xié)議類型7.3.3VLAN的劃分方法（5）按策略劃分

基于策略組成的VLAN能實(shí)現(xiàn)多種分配方法，包括交換機(jī)端口、MAC地址、IP地址、高層應(yīng)用及服務(wù)或者它們的組合等，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以根據(jù)自己的管理模式和本單位的需求來決定選擇那種類型的VLAN。VLAN10VLAN20應(yīng)用VLANFTP10TELNET20………FTP文件傳輸服務(wù)TELNET遠(yuǎn)程終端7.3.4VLAN的干道傳輸

所謂的VLAN干道傳輸是用來在不同的交換機(jī)之間進(jìn)行連接，以保證在跨越多個(gè)交換機(jī)上建立的，同一個(gè)VLAN的成員能夠相互通信，其中，交換機(jī)之間級(jí)連用的端口就稱為主干道（Trunk）端口。VLAN的干道傳輸7.3.4VLAN的干道傳輸

有兩種VLAN中繼協(xié)議可以選擇：ISL和IEEE802.1Q。1.交換機(jī)間鏈路（ISL）：是一種CISCO專用的協(xié)議，用于連接多個(gè)交換機(jī)。2.IEEE802.1Q：IEEE802.1Q定義了一種新的幀格式，它在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀的源地址后加了4B的幀標(biāo)記，用來提供VLAN的信息。（1）TPID字段：表明這是一個(gè)加了IEEE802.1Q標(biāo)簽的幀，其取值為固定的0x8100。（2）TCI字段：包含的是幀的控制信息，包括優(yōu)先級(jí)、VLAN的ID號(hào)等。7.3.4VLAN的干道傳輸

干道的作用：

（1）Trunk鏈路不屬于任何一個(gè)VLAN，它在交換機(jī)之間起著VLAN管道的作用，可以傳輸不同的VLAN的數(shù)據(jù)?？梢杂脦^濾和幀標(biāo)記法識(shí)別不同的VLAN信息，現(xiàn)在常用的是幀標(biāo)記法。

（2）數(shù)據(jù)幀在干道上傳輸時(shí)，交換機(jī)在幀頭信息中加入相應(yīng)的VLANID，通過干道后，再去掉VLAN標(biāo)記同時(shí)把幀送往相應(yīng)的VLAN端口。7.4鏈路聚合技術(shù)

鏈路聚合技術(shù)就是在局域網(wǎng)中常見的高帶寬和高可靠性技術(shù)。根據(jù)擴(kuò)展鏈路帶寬的需求，通過鏈路聚合，使得多個(gè)物理以太網(wǎng)鏈路形成一條邏輯的聚合鏈路，數(shù)據(jù)通過邏輯的聚合鏈路進(jìn)行傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候鏈路聚合端口需要從成員端口中選擇一個(gè)或多個(gè)端口來進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。鏈路聚合端口是一個(gè)邏輯端口，參與聚合的各個(gè)物理端口被稱為成員端口。

鏈路聚合具有優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高鏈路帶寬。

（2）增強(qiáng)鏈路可靠性。鏈路聚合示意圖建立鏈路聚合有手動(dòng)方式和雙方動(dòng)態(tài)協(xié)商兩種方式。

（1）手動(dòng)方式，也稱靜態(tài)聚合。在此種方式下，雙方設(shè)備不需要啟用聚合協(xié)議，不進(jìn)行聚合組中成員端口狀態(tài)的交互。只會(huì)按照管理員的配置