交换机的原理及其配置(一)

       眼下，交换机最常採用的交换方式是动态交换方式。动态交换方式主要有：高速转发，碎片丢弃和存储转发三种模式。
        (1)高速转发交换方式
        也叫直通转发模式，是指交换机在接收数据帧时，一旦检測到6个字节目的地址就马上进行转发操作。

因为数据帧在进行转发处理仅是帧中的MAC地址部被复制到缓冲区。这时它并非一个完整的帧，因此这个数据帧将无法经过校验、纠错，即被直接转发，即使是有错误的数据帧。仍然被转发到网络上。
        高速转发交换模式的长处在于port交换时延小，交换速度快；缺点是可靠性差。因此它适合于小型的交换机。

       (2)碎片丢弃交换模式
       碎片丢弃交换模式也被称为自由分段模式或是碎片隔离交换模式。

交换机接收到数据帧时。先检測该数据帧是不是冲突碎片。假设不是冲突碎片。也不保存整个数据帧，而是在接收了它的目的地址就直接进行转发操作。假设该数据帧是冲突碎片，则直接将该帧丢弃。
       冲突碎片是由于网络冲突而受损的数据帧碎片。其特征是长度小于64字节，它不是有效的数据帧，应该被丢弃。因此，交换机检測该数据帧是否冲突碎片，是通过推断这个数据帧是否达到64字节，小于64字节的数据帧都将被视为冲突碎片，而等于或大于64字节的数据帧都被视为有效帧。
       碎片丢弃交换模式过滤掉了冲突碎片。提高了网络传速的效率和带宽的利用率。
       (3)存储转发交换模式
        存储转发模式与前两种转发模式最大的不同在于：它将接收到的整个数据帧保存在缓冲区中。它把数据帧先存储起来，然后进行循环冗余码校验检查，在对错误帧进行处理后。才取出数据帧的目的地址，进行转发操作。
        存储转发方式的不足之处在于其进行数据处理的延时大。可是它的长处是能够对进行交换及的数据帧进行错误检測，有效地改善网络性能，同一时候它能够支持不同速率的port间的转换。保持快速port与低速port的协同工作。因此，存储转发方式是计算机网络领域应用最广泛的方式。

       四。交换机的分类
       (1)依据交换机支持的局域网标准分类
       a)依据交换机支持的局域网标准分类可将交换机分为Ethernet交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机。

       b)Ethernet交换机依据其传输速率和介质，又能够分为一般Ethernet交换机。高速Ethernet交换机，千兆Ethernet交换机，万兆Ethernet交换机。
       (2)依据交换机的构架分类
       交换机依据构架分类
       可分为单台交换机、堆叠交换机和模块交换机
       (3)依据OSI參考模型的层次分类
       交换机依据OSI參考模型的层次分类可分为第2层交换机、第3层交换机。第4层交换机和多层交换
机。
       五。虚拟局域网VLAN技术
       (1)VLAN的基本概念
       VLAN是以交换机式网络为基础，把网络上的用户终端被划分为多个逻辑工作组。每个逻辑工作组即一VLAN。

该逻辑组都是一个独立的逻辑网端和广播域。

这个逻辑组的设定不受实际交换机区段的限制，也不受用户所在的物理位置和物理网段的限制。逻辑组的设定在交换机中是通过软件完毕的。
       (2)VLAN的技术特点
       a)VLAN工作在OSI參考模型的第2层数据链路层。
       b)每个VLAN都是一个独立的逻辑网段和广播域。其广播的信息仅仅发送给该VLAN中的结点。
       c)每个VLAN都是一个独立的网络。各自有唯一不同的子网号。VLAN仅仅能通过第3层路由才干进行通信而不能直接完毕通信。

       (3)VLAN的结构
       网络上的用户终端被划分为多个逻辑工作组，每个逻辑工作组即为一个VLAN。

VLAN最大的特点是在组成逻辑网时无须考虑用户或设备在网络中物理位置。
       VLAN的结构示意图：
    
       (4)VLAN的标识
       a)VLAN通经常使用VLAN ID或是VLAN name来标识。
       b)VLAN ID由IEEE 802.1Q标准规定由12位二进制数。则它能够标识4096个VLAN。

当中，ID=1至1005是标准范围。当中1至1000用于以太网。1002至1005是FDDI和Token Ring使用，ID=1025至4096是扩展范围。
        c)VLAN name是由32位字符标识，能够是字母或数字。假设建立一个VLAN时没有给VLAN一个名字。则系统会自己主动为它分配一个名字。如VLAN ID是111，则其缺省VLAN名为VLAN00111。
        (5)VLAN Trunk
        VLAN Trunk(虚拟网中继)技术即是实如今多个交换机之间或是在交换机与路由器之间进行多个VLAN信息传输的技术。Trunk是一种封装技术。它是一条点到点的链路，主要功能就是仅通过一条链路就能够连接多个交换机从而扩展已配置的多个VLAN。

       VLAN Trunk的标准机制是帧标签。帧标签为每个数据帧制定一个唯一的VLAN ID。这样即能够表示该数据帧是属于哪一个VLAN的。
        VLAN Trunk示意图：

    

        在主干线路上要传输多个VLAN(VLAN1，VLAN2，VLAN3)的信息。则连接主干线路的两台交换机port应具Trunk功能。
        (6)VLAN的实现方式
        a)静态VLAN
        在静态VLAN中，由网络管理员依据交换机port进行静态的VLAN分配，每一个port属于一个VLAN。

        静态VLAN结构示意图：

    

        b)动态VLAN
        动态VLAN是指以交换机上联网以及的MAC地址、逻辑地址或数据包协议等信息为基础将交换机port动态分配给VLAN的方式。

       (7)划分VLAN的方法
       a)基于port划分VLAN
       由网络管理员依据交换机port进行静态的VLAN分配，每一个port属于一个VLAN。当在交换机上将其某一个port分配给一个VLAN时，将一直保持不变直到网络管理员改变这样的配置。

       b)基于MAC地址
       c)基于第三层协议类型或地址
       依照网络协议类型(TCP/IP,IPX,DECET等)或按网络地址定义VLAN成员。
       (8)生成树协议STP
       生成树协议STP是一个二层的链路管理协议，它的功能是保证在网络中没有回路的前提下。为第二层提供冗余路径。
       在一个安全性比較高的网络中，都应该有链路冗余，它能够为两个网站之间提供多条传输路径，
防止网络中单点失效，调高了网络的可靠性。

当然链路冗余也或导致一定的弊端。多链路多路径可能
形成回路。这样数据在环路无限循环，或者使网站反复接受同一数据。或者使交换机在多个port上得到
同一个终端网站的MAC地址，以致数据不能准确地被发送到目的地址。另外，回路还可能产生广播风暴。
影响整个网络的正常执行。
       为了解决这一问题。提出了生成树协议STP。并制定出了相关的IEEE 82.1D标准。
       STP的工作原理是。通过交换机之间传递网桥协议数据单元(BPDU)，并用生成树算法(STA)对其进行
计算，先选定一个根网桥，然后确定交换机冗余链路port的工作状态，让一些port进入堵塞工作模式，
还有一些port进入转发模式。当中堵塞port仍然是以个激活的port，但它仅仅能接受和读取BPDU。不能接受
和转发数据帧。
       假设网络拓扑发生变化或是生成树中的一个路径因故障而失效时，生成树就会又一次计算。激活其它
的备份链路，生成新的树拓扑，并强制将原来的故障链路变为备份链路，这时port状态也会随之改变。
以保证数据的传输路径是唯一的。
       交换机与网桥在STP的工作过程中是有差别的，交换机要对VLAN进行处理，他指定一个根交换机，并
为每个VLAN选择一个根网络，然后再确定各个冗余port的堵塞或转发链路，保证唯一的传输路径，并将
其它的冗余链路作为备份链路。生成无回路的拓扑结构。

        BPDU作为STP的根网络确定乃至整个树状结构的生成提供必要的信息。BPDU每隔2s或是在网络发生故
障、网络拓扑变化时，便发送新的BPDU。以维护生成树状结构。

       BPDU中的信息主要包含Root ID，Root Path Cost，Bridge ID，Port ID，Hello time，Max Age。

       BPDU数据内容表：

        BPDU数据包有两种类型，一种是包括配置信息的配置BPDU(不超过35字节)。还有一种是包括拓扑变
化信息的拓扑变化通知BPDU(不超过4字节)。
        Root ID和Bridge ID用8字节表示。2个字节的优先级和6个字节的MAC地址，优先级默觉得32768，
取值范围0到61440，增量值是4096，以小为优。

当优先级同样时。那么就要依据MAC地址决定根网桥，
MAC地址小的路由器就是根网桥。

       生成树：