《計算機網(wǎng)絡(luò)與通信》課件-項目4 組建交換式以太網(wǎng)

學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：網(wǎng)橋與交換機原理。技能目標(biāo)：能夠組建3級交換式局域網(wǎng)；能夠?qū)粨Q機進行選型，評估性能指標(biāo)。素質(zhì)目標(biāo)：工程素質(zhì)4.1網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備概述從協(xié)議的層次看可將中繼系統(tǒng)分為4種,對應(yīng)的也有4種連接方式。1．物理層中繼系統(tǒng)2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)3．網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)4．高層中繼系統(tǒng)用中繼器、集線器連接起來的以太網(wǎng)有一個嚴(yán)重的缺點，就是隨著網(wǎng)上站點的增多，每個站點分享到的實際帶寬就會迅速下降解決的辦法就是引入以太網(wǎng)交換機(EthernetSwitch)，用交換機代替中繼器或集線器（HUB），使得同一時刻允許傳輸多個站點的幀，從而大大提高每個站點分享到的有效帶寬用交換機代替中繼器或集線器，就象用立交橋代替紅綠燈路口可以解決交叉路口的交通阻塞一樣。4.2透明網(wǎng)橋的工作原理透明網(wǎng)橋(TransparentBridge)工作在MAC子層，為MAC子層網(wǎng)橋，只能連接相同類型的局域網(wǎng)或干線段。在網(wǎng)橋內(nèi)存有一張選徑表（即MAC地址表，表內(nèi)含有站點的MAC地址、對應(yīng)網(wǎng)橋哪個端口、生存時間等欄目），它能通過“自學(xué)習(xí)算法”不斷擴大，完善和更新自己，并能通過某些算法（如生成樹算法）防止路徑循環(huán)。它的工作原理可歸納如下：網(wǎng)橋剛接入時，路徑選擇表是空白的，網(wǎng)橋會在每個端口監(jiān)聽并且接收幀。當(dāng)從某個端口收到某站發(fā)來的信息幀時，就從該幀的源地址“逆向?qū)W習(xí)”到去該站的路徑，也就是記錄該站物理地址及對應(yīng)哪個端口，在MAC地址表里完成一條記錄的填寫或刷新。對接收到的每一幀，在MAC地址表中進行檢索，若其目的物理地址和源物理地址對應(yīng)同一個端口，則網(wǎng)橋?qū)⒃搸瑏G棄，不予轉(zhuǎn)發(fā)，這就是過濾；若其目的物理地址和源物理地址對應(yīng)不同端口，就把該幀向目的物理地址對應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)，這就是選徑；若在表中檢索不到目的物理地址，就把該幀向除源端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)(稱擴散)。網(wǎng)橋?qū)Ρ碇械拿恳粋€條目進行計時，并且刪除那些規(guī)定時間內(nèi)一直沒有幀發(fā)來的地址條目。透明網(wǎng)橋使用很方便，將其接入互連局域網(wǎng)就能運行，無需進行軟硬件設(shè)置。下面我們以一個實例來說明透明網(wǎng)橋的工作原理：假如有局域網(wǎng)絡(luò)如圖4-1所示，一個4端口網(wǎng)橋連接了四個Hub。網(wǎng)橋內(nèi)部有一張MAC地址表，剛接入時該表是空白的，如表4-1所示。

表4－1網(wǎng)橋內(nèi)部的空白選徑表計算機網(wǎng)卡的MAC地址該MAC地址對應(yīng)網(wǎng)橋的哪個端口生存時間

當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)中任何一臺電腦發(fā)出一幀后，網(wǎng)橋就會接收到該幀，并且根據(jù)收到的幀的源MAC地址及接收端口，在MAC地址表中填寫一行，如果8臺電腦都發(fā)送過幀，則網(wǎng)橋內(nèi)的MAC地址表會填成表4－2的樣子當(dāng)這個MAC地址表填寫好以后:如果1號電腦發(fā)送一幀給2號電腦，網(wǎng)橋會接收到該幀，它看到目的地址和源地址都是1號端口，就丟棄該幀；

如果1號電腦發(fā)送一幀給3號電腦，網(wǎng)橋會接收到該幀，它看到目的地址和源地址對應(yīng)不同端口，就把該幀向目的地址對應(yīng)的2號端口轉(zhuǎn)發(fā)；

如果8號電腦在規(guī)定的時間內(nèi)沒有發(fā)送幀（也許這是一臺移動電腦，剛剛從4號hub上拆除，準(zhǔn)備移到3號hub上），則T8會倒計時到0，網(wǎng)橋在表中刪除該行，此時如果1號電腦發(fā)送一幀給8號電腦，網(wǎng)橋在表中找不到目的地址，就向除1號端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。4.3交換機及交換式以太網(wǎng)以太網(wǎng)交換機提供多個(從幾個到上百個)交換端口，本質(zhì)上是一個多路透明網(wǎng)橋。每個端口可連HUB或單個電腦，交換機之間又可以級聯(lián)。在交換機內(nèi)部提供大容量動態(tài)交換帶寬（可達數(shù)十Gbps）。交換機采用MAC幀交換技術(shù)，按幀中的目的地址對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)幀（而不是象一般HUB一樣把幀廣播到所有端口），因而可在多對端口間同時建立多個并行的通訊鏈路，使每端口上的設(shè)備獨享該端口上的帶寬（10/100/1000Mbps）。目前以太網(wǎng)交換機有兩種交換方式：●Store-and-Forward（存儲轉(zhuǎn)發(fā)）交換方式●Cut-Through（直通）交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式和透明網(wǎng)橋原理一樣，完整地接收完畢一幀后再按幀中的目的地址對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)幀（發(fā)送時用CSMA/CD協(xié)議），這樣做帶來了一點延遲，但避免或降低了沖突。直通交換方式稍有不同，它收到一個幀的目的地址字段后就立即向?qū)?yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)（就象兩端直接連通一樣），而不是等到全幀接收完畢并存貯下來后才開始轉(zhuǎn)發(fā)，這樣做幾乎沒有延遲，但當(dāng)兩站同時向同一端口發(fā)送幀時就會產(chǎn)生沖突。還有，這種方式要求直通的兩端口傳輸率一致。目前上市的許多交換機既支持存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換也支持直通式交換，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際流通情況決定選用那種交換方式，有些交換機可自動切換。目前市場上的以太交換機大致有３檔：全部為固定端口的接入層交換機。具有靈活模塊配置的匯聚層交換機。高性能的核心交換機。4.4交換局域網(wǎng)組網(wǎng)實例

1.小規(guī)模工作組級的交換局域網(wǎng)

在小規(guī)模的傳統(tǒng)局域網(wǎng)中只要加一個低檔交換器，即能將其升級為交換局域網(wǎng)并立即使網(wǎng)絡(luò)帶寬獲得提高。圖4－3是一個典型實例圖4－4是另一個典型的實例。采用的是D-Link公司的DES-10088端口10/100M自適應(yīng)交換器。此時不管PC機的網(wǎng)卡是100Mbps還是10Mbps，都可以直接連到交換器的一個端口上。只是對100Mbps網(wǎng)卡來說要用5類UTP。2.典型的二級交換局域網(wǎng)示例三級交換的一般拓?fù)淙壗粨Q的大樓內(nèi)布局拓?fù)淙壗粨Q的大樓間布局拓?fù)?.5虛擬局域網(wǎng)在此前學(xué)習(xí)的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)中的計算機互相是可見的，可以共享資源。有些情況下這樣做會帶來安全方面的問題。就引出一個需求：接在同一個交換機或同一個局域網(wǎng)上的計算機可能要按部門或其它安全需求劃分為幾個看起來象物理上相互間隔離的局域網(wǎng)，這就是虛擬局域網(wǎng)。單交換機基于端口的VLAN就是在一個交換機上指定哪些端口是一個虛擬局域網(wǎng)，哪些端口是另外一個虛擬局域網(wǎng)。圖中把左邊3臺計算機設(shè)置為一個VLAN，右邊三臺計算機設(shè)置為一個VLAN。配置步驟見教材

或者教師現(xiàn)場演示2.多交換機基于端口的VLAN下圖中要求上邊4臺計算機屬于一個VLAN，下邊4臺計算機屬于一個VLAN。配置步驟見教材或教師現(xiàn)場演示。多交換機使用干線協(xié)議構(gòu)建VLAN連接2個交換機的干線（通常是速度最快的端口）能夠同時通過幾個LAN的數(shù)據(jù)。步驟見教材或者教師現(xiàn)場演示4.6生成樹協(xié)議大家在看新校區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D時就發(fā)現(xiàn)自接入層交換機到核心交換機之間有2條鏈路，提供冗余拓?fù)洌粭l出故障時另外一條接替，減少網(wǎng)絡(luò)中的不可用時間?，F(xiàn)在就來學(xué)習(xí)怎么實施。我們知道以太網(wǎng)是不能夠有物理環(huán)路的，否則會造成：廣播風(fēng)暴重復(fù)幀傳送MAC地址表不穩(wěn)定既要有冗余又要避免物理環(huán)路，于是就有了生成樹協(xié)議。生成樹協(xié)議（SpanningTreeProtocol）：STP的目的是維持一個無環(huán)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?dāng)交換機發(fā)現(xiàn)有環(huán)時，就會阻塞一個或更多冗余端口，環(huán)就切斷了當(dāng)主鏈路壞了，交換機就會自動發(fā)現(xiàn)連接丟失了，就會解除對冗余端口的阻塞，冗余鏈路接替主鏈路，網(wǎng)絡(luò)是通的（稱為生成樹的重新計算）下面是一個生成樹協(xié)議的試驗：根橋選擇流程：

第一次啟動交換機時，自己假定是根網(wǎng)橋，發(fā)出BPDU（橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元）宣告報文。

每個交換機分析報文，根據(jù)網(wǎng)橋ID選擇根網(wǎng)橋，網(wǎng)橋ID小的將成為根網(wǎng)橋（先比較網(wǎng)橋優(yōu)先級，優(yōu)先級值較低者成為根橋，如果優(yōu)先級值相等，再比較MAC地址，MAC地址較低者成為根橋）。注意，交換機出廠時網(wǎng)橋優(yōu)先級一般都是相同的。經(jīng)過一段時間，生成樹收斂，所有交換機都同意某網(wǎng)橋是根網(wǎng)橋。

若有網(wǎng)橋ID值更小的交換機加入，它首先通告自己為根網(wǎng)橋。其它交換機比較后，將它當(dāng)作新的根網(wǎng)橋而記錄下來。

下圖是在3級交換網(wǎng)絡(luò)中生成樹協(xié)議自動阻止環(huán)路的生成。配置交換機的管理部分示例：Switch>enableSwitch#configtEnterconfigurationcommands,oneperline.EndwithCNTL/Z.Switch(config)#interfacevlan1Switch(config-if)#ipaddressSwitch(config-if)#noshutdownSwitch(config-if)#exitSwitch(config)#iphttpserverSwitch(config)#iphttpport80如果交換機已經(jīng)通過前面的超級終端方式配置了vlan1的ip，啟動了web服務(wù)器，以后就可以通過圖形界面配置進行配置。將pc通過以太網(wǎng)絡(luò)與交換機任意口連接，在pc上啟動瀏覽器，輸入交換機vlan1的ip地址，如，就可以進入交換機配置的圖形界面。如果需要登錄用戶名和密碼，就查用戶手冊，找到其默認(rèn)的用戶名和密碼，例如思科的默認(rèn)用戶名和密碼均為cisco。下面是某款思科交換機登錄過程及登錄成功后的界面?？梢栽趫D像界面下完成cisco交換機的大部分配置工作，包括恢復(fù)到出廠默認(rèn)狀態(tài)。4.理解并選擇交換機的性能指標(biāo)分組，每組2人，在網(wǎng)上找一個交換機，找到它的標(biāo)稱背板帶寬、標(biāo)稱包轉(zhuǎn)發(fā)速率，再根據(jù)它的端口類型和數(shù)量計算端口總帶寬和端口總包轉(zhuǎn)發(fā)率，然后判斷該交換機是否能夠線速。（參考數(shù)據(jù)：某交換機標(biāo)稱背板帶寬37Gbps，標(biāo)稱包轉(zhuǎn)發(fā)率10Mpps，24個快速以太口，4個千兆以太口）背板帶寬與包轉(zhuǎn)發(fā)速率交換機的背板帶寬，是交換機接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間所能吞吐的最大數(shù)據(jù)量。背板帶寬標(biāo)志了交換機總的數(shù)據(jù)交換能力，單位為bps（位每秒），也叫交換帶寬，一般的交換機的背板帶寬從幾Gbps到上百Gbps不等。一臺交換機的背板帶寬越高，所能處理數(shù)據(jù)的能力就越強，但成本也會越高。包轉(zhuǎn)發(fā)速率指的是單位時間內(nèi)發(fā)送64byte的數(shù)據(jù)包（最小包）的個數(shù),單位為pps（包每秒）。背板帶寬、包轉(zhuǎn)發(fā)速率、端口速率的關(guān)系如下：1）標(biāo)稱背板帶寬、端口總帶寬、是否線速考察交換機上所有端口能提供的端口總帶寬，計算公式為：端口總帶寬＝百兆端口數(shù)*相應(yīng)端口速率*2+千兆端口數(shù)*相應(yīng)端口速率*2+……（其中的2是考慮全雙工模式）如果端口總帶寬≤標(biāo)稱背板帶寬，那么在背板帶寬上是線速的。2）標(biāo)稱包轉(zhuǎn)發(fā)率、端口總包轉(zhuǎn)發(fā)率、是否線速端口總包轉(zhuǎn)發(fā)率=千兆端口數(shù)量*1.488Mpps+百兆端口數(shù)量*0.1488Mpps+其余類型端口數(shù)*相應(yīng)系數(shù)如果端口總包轉(zhuǎn)發(fā)率≤標(biāo)稱包轉(zhuǎn)發(fā)速率（第二層或第三層），那么交換機在交換（第二層或第三層）的時候可以做到線速。那么，1.488Mpps是怎么來的呢?對于千兆以太網(wǎng)來說，計算方法如下：1，000，000，000bps/8bit/（64＋8＋12）byte=1,488,095pps。說明一下，當(dāng)以太網(wǎng)幀為64byte時，需考慮8byte的幀頭和12byte的幀間隙的固定開銷。百兆以太網(wǎng)的線速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆以太網(wǎng)的十分之一，為0.1488Mpps。對于萬兆以太網(wǎng)，一個線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為14.88Mpps。對于OC－12的POS端口，一個線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。對于OC－48的POS端口，一個線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為468Mpps。如果背板帶寬和包轉(zhuǎn)發(fā)速率都是線速的，那么我們就說這款交換機真正做到了線性無阻塞。項目考核1．用實物交換機組建典型的2級交換局域網(wǎng)分組，每組5－6人，2－3臺交換機，2－3臺電腦，自己準(zhǔn)備直通雙