八、交换技术原理

（一）交换机

1、交换机介绍

一种用于电（光）信号转发的网络设备，可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。

工作于第二层的叫交换机，工作于第三层的叫第三层交换机，最常见的是以太网交换机（根据数据链路层MAC地址进行帧交换）

2、分类

（1）按交换方式

1. 存储转发——存储、校验、延时大
2. 直通式——直接、不校验、速度快
3. 碎片过滤——64字节，小的丢弃、大的转发

（2）按协议层次

1. 二层交换——MAC地址交换
2. 三层交换——IP地址交换
3. 多层交换——端口号、协议交换

（3）按交换结构

1. 固定式——固定数量端口
2. 模块式——预留插槽，预留模块扩展

（4）按配置方式

1. 堆叠式——堆叠口，4到9层，统一
2. 非堆叠式——级联，不超过4层

（5）按管理类型

1. 网管型——支持SNMP和MIB网管协议
2. 非网管型——傻瓜交换机，无需配置
3. 智能型——支持WEB配置和SNMP、MIB

（6）按适用范围

1. 接入层——用户接入，多端口
2. 汇聚层——策略控制ACL、VLAN、QoS
3. 核心层——高速转发、冗余、均衡

3、交换机堆叠和级联

堆叠是指将一台以上的交换机组合成一个单元共同工作，以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。

级联技术将两台或两台以上的交换机通过一定的方式相互连接

4、交换机性能参数和计算

        1.包转发率：端口吞吐率，64字节数据包转发能力，单位pps（包/s）

包转发率=千兆端口数×1.488Mbps+百兆端口数×0.1488Mbps+其余端口×相应包转发pps

        2.背板带宽：端口处理器和数据总线之间单位时间内传输的最大数据量，单位Gbps（G比特/s）

总带宽=端口数×端口速率×2（全双工）

（二）冲突域和广播域

1、冲突域

在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧，即同一时间内只能有一台设备发送信息的范围

交换机/网桥能分隔冲突域，一个端口一个冲突域

2、广播域

网络中能接收任意设备发出的广播帧的所有设备的集合，即如果站点发出一个广播信号，所有能接收到这个信号的设备的范围。

路由器能分隔广播域，一个端口一个广播域

（二）虚拟局域网VLAN

1、VLAN介绍

1. VLAN：根据管理功能、组织机构或应用类型，对物理网络进行分段而形成的逻辑网络，与用户的物理位置无关。
2. VLAN采用802.1q标准（虚拟局域网协议，用于生成VLAN标识）。
3. 每一个VLAN是一个逻辑网络，发往VLAN之外的分组必须是通过路由器进行转发
4. 不同VLAN之间通信，需要路由器或三层交换机
5. 属于同一个VLAN的所有端口构成一个广播域，各个VLAN属于不同的广播域
6. 新交换机出厂时被预置了VLAN1（管理VLAN），交换机本身的通信（VTP报文、CDT组播以及交换机发出的其他报文都发生在VLAN1中。
7. 承载多个VLAN流量的协议组：ISL和802.1q

2、VLAN帧格式

（1）无标记帧

DA（6字节）

SA（6字节）

类型/长度（2字节）

数据（46-1500字节）

FCS（4字节）

（2）有标记帧

DA（6字节）

SA（6字节）

Tag（4字节）

类型/长度（2字节）

数据（46-1500字节）

FCS（4字节）

有标记帧在原来的以太帧中增加了4字节的控制信息，其中包括12位VLAN标识符VID，VID能表示4096个VLAN

（3）有标记帧中的Tag

TPID（2字节）

Priority（3比特）

CFI（1比特）

VID（12比特）

VLAN标识对用户透明

交换机根据目的地址和Tag进行转发决策，进入目的网段时，交换机删除Tag，恢复原来

3、VLAN划分方式

静态分配VLAN：基于端口

动态分配VLAN：基于MAC地址（2层）、网络层IP（3层）、规则策略（高层）等

4、划分VLAN好处

1. 控制网络流量，抑制广播风暴
2. 提高网络安全性，不同VLAN之间可做控制
3. 网络管理灵活，用户可以随地接入网络，简化了在网络中增加、移除和移动主机的操作

注意：划分VLAN不能直接增强网络安全性

5、VLAN两种端口

接入端口Access（通过单个VLAN）和中继端口Trunk（通过多个VLAN）

6、处理VLAN时，交换机端口之间的两种连接类型

1. 接入链路：只能连接具有标准以太网卡的设备，也只能传送属于单个VLAN的数据包。任何连接到接入链路的设备都属于同一广播域。
2. 中继链路：在一条物理连接上生成多个逻辑连接，每个逻辑连接属于一个VLAN，在进入中继端口时，交换机在数据包中加入VLAN标记（IEEE 802.11q)

7、VLAN中继协议VTP

VTP通过网络保持VLAN配置统一性，使得同一管理域中的所有交换机共享VLAN配置信息，动态修剪使得中继链路上共享的VLAN都是活动的，要求VTP域中所有交换机都必须配置成服务器。

按照VTP，交换机的运行模式分为

服务器模式Server	能创建、添加、删除和修改VLAN配置，并从中继端口发出VTP组播帧，把配置信息分发到整个管理域中的所有交换机
客户机模式Client	不允许创建、修改或删除VLAN，但可以监听本管理域中其他交换机的VTP组播信息，并据此修改自己的VLAN配置
透明模式Transport	可进行VLAN配置，但配置信息不会传播到其他交换机。可接收或转发VTP帧，但不能根据VTP帧更新自己的VTP配置

交换机默认透明模式、VLAN1、所有端口

8、VLAN注册协议GVRP

在VLAN增加、删除、调整时，自动发广播，保持全网所有的交换机VLAN信息是一直的

按照GVRP，交换机的运行模式为

Normal模式	VLAN增删减改，广播保持一致
Fixed模式	只传播手动配置的VLAN信息
Forbidden模式	只传播VLAN1，不传播其他VLAN

（三）局域网互联

1、局域网互联设备

2层网桥（生成树网桥和源路由网桥）、3层交换机和路由器

网桥要求3层以上协议相同，1、2层协议不同可互联

2、网桥

数链层设备，可识别数链层MAC地址，有选择地把帧发送到输出端口，网桥也可以有多个端口。

如果网桥端口很多，并配置了加快转发的硬件，就构成了局域网交换机。

3、生成树网桥

（1）生成树网桥STP

生成树网桥又叫透明网桥，采用IEEE 802.1d标准，

基本思想：在网桥之间传递BPDU，比较参数，根据STP打开好端口，阻塞差端口，沿着好端口建立路径，边走边拐弯

应用：以太网

防止二层环路

（2）生成树网桥步骤

1. 确定根桥（选BID最小的）
2. 确定根端口
3. 确定指定桥
4. 确定指定端口
5. 阻塞剩余端口
6. 形成无环网络

（3）生成树网桥相关计算

1. 确定根桥ID：BID/网桥优先级/桥ID（8字节）=优先级（2字节）+MAC地址（6字节），都选最小的，优先级0-65535，默认32768（+4096或-4096）
2. 确定根端口：优先级+编号，都选最小的，优先级0-255，默认128
3. 三小原则：优先级、MAC地址、通路费用（与带宽成反比）

（4）生成树网桥端口的状态

Blocking阻塞	接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧
Listening侦听	接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧，但交换机向其他交换机通告该端口，参与选举根端口或指定端口
Learning学习	接收BPDU，学习MAC地址，不转发数据帧
Forwarding转发	正常转发数据帧
Disabled禁用	MAC端口不参与生成树算法

阻塞-20s-侦听-15s-学习-15s-转发

（5）生成树的种类和标准

多生成树	MSTP	IEEE 802.1s
快速生成树	RSTP	IEEE 802.1w
生成树	STP	IEEE 802.1d
端口认证	基于用户	IEEE 802.1x

多快生口，是s我w弟d兄x

3、源路由网桥

IEEE 802.5标准

基本思想：发送探测帧到目的节点，返回路径以后沿着路径再发送。发送帧在这条路径上就传送，不在这条路径上就发送广播，查询路径，选择最优路径再传送（选好路再走）

应用：令牌环网

4、Q-in-Q

运营商网桥协议PBP，采用IEEE 802.1ad标准。

因为IEEE 802.1Q中定义的VLAN Tag域只有12个比特，仅能表示4096个VLAN，无法满足城域以太网中标识大量用户的需求，于是产生了QinQ技术，拓展VLAN的数量空间。QinQ在原有的802.1Q报文的基础上增加一层802.1Q标签，使得VLAN数量增加到4094×4094。

IEEE 802.1ad标准提供的基本技术是在以太网帧中插入运营商VLAN标记

5、MAC-in-MAC

运营商主干网桥PBB，采用IEEE 802.1ah标准。

IEEE 802.1ah标准提供的是在用户以太帧中再封装一层运营商的MAC帧头