交換機原理

端口地址表記錄了端口下包含主機的MAC地址。端口地址表是交換機上電后自動建立的，

保存在RAM中，并且自動維護。

交換機隔離沖突域的原理是根據(jù)其端口地址表和轉(zhuǎn)發(fā)決策決定的。

交換機的轉(zhuǎn)發(fā)決策有三種操作:丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)和擴散。

丟棄:當本端口下的主機訪問已知本端口下的主機時丟棄。

轉(zhuǎn)發(fā):當某端口下的主機訪問已知某端口下的主機時轉(zhuǎn)發(fā)。

擴散:當某端口下的主機訪問未知端口下的主機時要擴散。

每個操作都要記錄下發(fā)包端的MAC地址，以備其它主機的訪問。

生存期是端口地址列表中表項的壽命。每個表項在建立后開始進行倒記時，每次發(fā)送

數(shù)據(jù)都要刷新記時。對于長期不發(fā)送數(shù)據(jù)的主機，其MAC地址的表項在生存期結(jié)束時刪除。

所以端口地址表記錄的總是最活躍的主機的MAC地址。

(4)應該說交換機有很多值得學習的地方，這里我們主要介紹交換機結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方式，21世紀10年代以來網(wǎng)絡應用越來越廣泛，交換機作為網(wǎng)絡中的紐帶發(fā)揮了越來越大的作用。簡單的說，交換機就是將它與用戶計算機相連就行了，完成各個計算機之間的數(shù)據(jù)交換。復雜來說，交換機針對在整個網(wǎng)絡中的位置而言，一些高層交換機如三層交換、網(wǎng)管型的產(chǎn)品，在交換機結(jié)構(gòu)方面就沒這么簡單了。

通常，普通的交換機只工作在數(shù)據(jù)鏈路層上，路由器則工作在網(wǎng)絡層。而功能強大的三層交換機可同時工作在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，并根據(jù) MAC地址或IP地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。但是要注意到三層交換機并不能完全取代路由器，因為它主要是為了實現(xiàn)處于兩個不同子網(wǎng)的Vlan進行通訊，而不是用來作數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s路徑選擇。

一臺交換機所支持的管理程度反映了該設備的可管理性與可操作性。帶網(wǎng)管功能的交換機可對每個端口的流量進行監(jiān)測，設置每個端口的速率，關閉/打開端口連接。通過對交換機端口進行監(jiān)測，便于對網(wǎng)絡業(yè)務流量的區(qū)分和迅速進行網(wǎng)絡故障定義，提高了網(wǎng)絡的可管理性。

這是一種封裝技術，它是一條點到點的鏈路，鏈路的兩端可以都是交換機，也可以是交換機和路由器，還可以是主機和交換機或路由器?；诙丝趨R聚(Trunk)功能，允許交換機與交換機、交換機與路由器、主機與交換機或路由器之間通過兩個或多個端口并行連接同時傳輸以提供更高帶寬、更大吞吐量， 大幅度提供整個網(wǎng)絡能力。

以太網(wǎng)是總線或星型結(jié)構(gòu)，不能構(gòu)成環(huán)路，否則會產(chǎn)兩個嚴重后果:

(1)產(chǎn)生廣播風暴，造成網(wǎng)絡堵塞。

(2)克隆幀會在各個口出現(xiàn)，造成地址學習(記錄幀源地址)混亂。

解決環(huán)路問題方案:

(1)網(wǎng)絡在設計時，人為的避免產(chǎn)生環(huán)路。

(2)使用生成樹STP(Spanning Tree Protocol)功能，將有環(huán)的網(wǎng)絡剪成無環(huán)網(wǎng)絡。

STP被IEEE802規(guī)范為802.1d標準。

這是最常用的一種組網(wǎng)方式，它通過交換機上的級聯(lián)口(UpLink)進行連接。需要注意的是交換機不能無限制級聯(lián)，超過一定數(shù)量的交換機進行級聯(lián)，最終會引起廣播風暴，導致網(wǎng)絡性能嚴重下降。

前面我們已接觸到端口聚合的特點，此種方式相當于用多個端口同時進行級聯(lián)，它提供了更高的互聯(lián)帶寬和線路冗余，使網(wǎng)絡具有一定的可靠性。

交換機的堆疊是擴展端口最快捷、最便利的方式，同時堆疊后的帶寬是單一交換機端口速率的幾十倍。但是，并不是所有的交換機都支持堆疊的，這取決于交換機的品牌、型號是否支持堆疊;并且還需要使用專門的堆疊電纜和堆疊模塊;最后還要注意同一疊堆中的交換機必須是同一品牌。

這種方式一般應用于比較復雜的交換機結(jié)構(gòu)中，按照功能可劃分為:接入層、匯聚層、核心層。

作為網(wǎng)絡的重要連接設備，交換機在實際使用中相當頻繁。對于一般家庭用戶而言，比較復雜的應用就是交換機的級聯(lián)結(jié)構(gòu)了;而三層路由、堆疊等高級應用一般在企業(yè)中應用較多。

交換機是根據(jù)網(wǎng)橋的原理發(fā)展起來的，學習交換機先認識兩個概念:

沖突域是數(shù)據(jù)必然發(fā)送到的區(qū)域。

HUB是無智能的信號驅(qū)動器，有入必出，整個由HUB組成的網(wǎng)絡是一個沖突域。

交換機的一個接口下的網(wǎng)絡是一個沖突域，所以交換機可以隔離沖突域。

廣播數(shù)據(jù)時可以發(fā)送到的區(qū)域是一個廣播域。

交換機和集線器對廣播幀是透明的，所以用交換機和HUB組成的網(wǎng)絡是一個廣播域。

路由器的一個接口下的網(wǎng)絡是一個廣播域。所以路由器可以隔離廣播域。

Virtual Lan是虛擬邏輯網(wǎng)絡，交換機通過VLAN設置，可以劃分為多個邏輯網(wǎng)絡，

從而隔離廣播域。具有三層模塊的交換機可以實現(xiàn)VLAN間的路由。

(1)端口模式

交換機端口有兩種模式，access和trunk。access口用于與計算機相連，而交換機之間

的連接，應該是trunk。

交換機端口默認VLAN是VLAN1，工作在access模式。

Access口收發(fā)數(shù)據(jù)時，不含VLAN標識。具有相同VLAN號的端口在同一個廣播域中。

Trunk口收發(fā)數(shù)據(jù)時，包含VLAN標識。Trunk又稱為干線，可以設置允許多個VLAN通過。

(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是標準化的，應用較為普遍。

(3)VTP

VTP(Vlan Trunking Protocol)是VLAN傳輸協(xié)議，在含有多個交換機的網(wǎng)絡中，可以

將中心交換機的VLAN信息發(fā)送到下級的交換機中。

中心交換機設置為VTP Server，下級交換機設置為VTP Client。

VTP Client要能學習到VTP Server的VLAN信息，要求在同一個VTP域，并要口令相同。

(4)VLAN共享

如果要求某個VLAN與其他VLAN訪問，可以設置VLAN共享或主附VLAN。

共享模式的VLAN端口，可以成為多個VLAN的成員或同時屬于多個VLAN。

在主附VLAN結(jié)構(gòu)中，子VLAN與主VLAN可以相互訪問，子VLAN間的端口不能互相訪問。

一般的VLAN間使用不同網(wǎng)絡地址;主附VLAN中主VLAN和子VLAN使用同一個網(wǎng)絡地址。

使用MAC地址，完成對幀的操作。

交換機的IP地址做管理用，交換機的IP地址實際是VLAN的IP。

一個VLAN一個廣播域，不同VLAN的主機間訪問，相當于網(wǎng)絡間的訪問，要通過路由實現(xiàn)。

不同VLAN間主機的訪問有以下幾種情況:

(1)兩個VLAN分別接入路由器的兩個物理接口。這是路由器的基本應用。

(2)兩個VLAN通過trunk接入路由器的一個物理接口，這是應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。Cisco的3550和華為的3526都是基本的三層交換機。

1)通過VLAN的IP地址做網(wǎng)關，實現(xiàn)三層交換，要求設置VLAN的IP地址。

2)將端口設置在三層工作，要求端口設置no switchport，再設置端口的IP地址。

交換機通道技術是將交換機的幾個端口捆綁使用，即端口的聚合。

使用通道技術一個方面提高了帶寬，同時提高了線路的可靠性。

但是如果設置不當，有可能產(chǎn)生環(huán)路，造成廣播風暴堵塞網(wǎng)絡。

要聚合的端口要劃分到指定的VLAN或trunk。

配置三層通道時，先要進入通道，再用no switchport命令關閉二層，設置通道IP地址。

一個通道一般小于8個接口，接口參數(shù)應該一致，如工作模式、封裝的協(xié)議、端口類型。

端口的聚合有兩種方式，一種是手動的方式，一個是自動協(xié)商的方式。

手動的方式很簡單，設置端口成員鏈路兩端的模式為"on"。命令格式為:

channel-group <number> mode on

自動方式有兩種類型:

PAgP(Port Aggregation Protocol)和LACP(Link aggregation Control Protocol)。

PAgP:Cisco設備的端口聚合協(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:標準的端口聚合協(xié)議802.3ad，有active和passive兩種模式。

active相當于PAgP的auto，而passive相當于PAgP的desirable。

通道端口間的負載平衡有兩種方式，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)幀使用同一個端口轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機的口令恢復的操作是先啟動超級終端，在交換機上電時按住的mode鍵.

幾秒后松手，進入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

路由器的口令恢復操作先啟動超級終端，在路由器上電時按計算機的Ctrl+Break鍵，

進入ROM監(jiān)控狀態(tài)rommon>，用配置寄存器命令confreg設置參數(shù)值0x2142，跳過配置文件

設置口令后再還原為0x2102。

參考命令為:

rommon>confreg 0x2142

router(config)#config-register 0x2102

沒有特權(quán)口令無法進入特權(quán)狀態(tài)，只能進入ROM監(jiān)控狀態(tài)，使用confreg 0x2142命令。

當口令修改完后，可以在特權(quán)模式下恢復為使用配置文件狀態(tài)。

隨著寬帶的普及，各種網(wǎng)絡應用的深入，我們的局域網(wǎng)絡正在承擔著繁重的業(yè)務流量。網(wǎng)絡系統(tǒng)中的音頻、視頻、數(shù)據(jù)等信息的傳輸量充斥著占用帶寬，我們不得不為這些數(shù)據(jù)流量提供差別化的服務，讓時延敏感性的和重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先通過，這就不得不考慮第四層交換，以滿足基于策略調(diào)度、QoS(Quality of Service:服務質(zhì)量)以及安全服務的需求。

第二層交換實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)主機間的快速信息交流，第三層交換可以說是交換技術與路由技術的完美結(jié)合，而第四層交換技術則可以為網(wǎng)絡應用資源提供最優(yōu)分配，實現(xiàn)應用服務服務質(zhì)量、負載均衡及安全控制。四層交換并不是要取代誰，其實2013年徑渭分明的二層交換和三層交換已融入四層交換技術。

第二層交換機，是根據(jù)第二層數(shù)據(jù)鏈路層的MAC地址和MAC地址表來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的。第二層交換機只須識別數(shù)據(jù)幀中的MAC地址，而直接根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)，非常便于采用ASIC專用芯片實現(xiàn)。第二層交換的解決方案，是一個"處處交換"的方案，雖然該方案也能劃分子網(wǎng)、限制廣播、建立VLAN，但它的控制能力較小、靈活性不夠，也無法控制流量，缺乏路由功能。

第三層交換機，是根據(jù)第三層的網(wǎng)絡層IP地址來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的，主要應用于不同VLAN子網(wǎng)間的路由。當某一信息源的第一個數(shù)據(jù)流進行第三層交換(路由)后，交換機會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，并將該表存儲起來，如同一信息源的后續(xù)數(shù)據(jù)流再次進入交換機，交換機將根據(jù)第一次產(chǎn)生并保存的地址映射表，直接從第二層由源地址傳輸?shù)侥康牡刂罚辉俳?jīng)過第三路由系統(tǒng)處理，提高了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率，解決了VLAN子網(wǎng)間傳輸信息時傳統(tǒng)路由器產(chǎn)生的速率瓶頸。

第四層交換機不僅可以完成端到端交換，還能根據(jù)端口主機的應用特點，確定或限制它的交換流量。簡單地說，第四層交換機是基于傳輸層數(shù)據(jù)包的交換過程的，是一類基于TCP/IP協(xié)議應用層的用戶應用交換需求的新型局域網(wǎng)交換機。第四層交換機支持TCP/UDP第四層以下的所有協(xié)議，可根據(jù)TCP/UDP端口號來區(qū)分數(shù)據(jù)包的應用類型，從而實現(xiàn)應用層的訪問控制和服務質(zhì)量保證?？梢圆榭吹谌龑訑?shù)據(jù)包頭源地址和目的地址的內(nèi)容，可以通過基于觀察到的信息采取相應的動作，實現(xiàn)帶寬分配、故障診斷和對TCP/IP應用程序數(shù)據(jù)流進行訪問控制的關鍵功能。第四層交換機通過任務分配和負載均衡優(yōu)化網(wǎng)絡，并提供詳細的流量統(tǒng)計信息和記帳信息，從而在應用的層級上解決網(wǎng)絡擁塞、網(wǎng)絡安全和網(wǎng)絡管理等問題，使網(wǎng)絡具有智能和可管理。

OSI網(wǎng)絡參考模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端到端通信，即在網(wǎng)絡源和目標系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)所在的協(xié)議層。TCP和UDP包含端口號，它可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應用協(xié)議(例如HTTP、FTP、telnet等等)。TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡交換機所利用，四層交換機利用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，這是第四層交換的基礎

1.數(shù)據(jù)包過濾:在傳統(tǒng)路由器上，采用第四層信息端口號去定義訪問控制列表過濾規(guī)則。四層交換也借用了控制列表的概念，但和基于軟件的路由器不一樣，第四層交換是在ASIC專用高速芯片中實現(xiàn)的，從而使過濾控制可以線速進行。

2.服務質(zhì)量:TCP/UDP第四層信息還可以用于建立應用通信的優(yōu)先級。第四層交換允許用基于端口號(應用)來區(qū)分優(yōu)先級，設置優(yōu)先級隊列，確保重要的流量(如:VOIP、視頻)在得到最快的處理，使緊急應用獲得網(wǎng)絡的高級別服務。

3.負載均衡:第四層交換負載均衡的原理，就是按照IP地址和TCP端口進行虛擬連接的交換，直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的計算機的相應端口中。具備第四層交換能力的交換機，能作為一個硬件負載均衡器，完成服務器的負載均衡。由于第四層交換基于硬件芯片，因此性能非常優(yōu)秀，尤其是對于網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俣龋粨Q的速度遠遠超過普通的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。采用第四層交換機設備，所有的集群主機通過第四層交換機與外部Internet相連，外部客戶防問服務器時通過第四層交換機動態(tài)分配服務器，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡，當其中一臺服務器出現(xiàn)故障時，由交換機動態(tài)將所有流量分配到集群中的其他主機上,這類只適合在大型流量大的服務器。

4.主機備用連接:主機備用連接為端口設備提供了冗余連接，從而在交換機發(fā)生故障時有效保護系統(tǒng)，這種服務允許定義主備交換機，同虛擬服務器定義一樣，它們有相同的配置參數(shù)。由于第四層交換機共享相同的MAC地址，備份交換機接收和主單元全部一樣的數(shù)據(jù)。這使得備份交換機能夠監(jiān)視主交換機服務的通信內(nèi)容。主交換機持續(xù)地通知備份交換機第四層的有關數(shù)據(jù)、MAC數(shù)據(jù)以及它的電源狀況。主交換機失敗時，備份交換機就會自動接管，不會中斷對話或連接。

5.統(tǒng)計與報告:通過查詢第四層數(shù)據(jù)包，第四層交換機能夠提供更詳細的統(tǒng)計記錄。因為管理員可以收集到更詳細的哪一個IP地址在進行通信的信息，甚至可根據(jù)通信中涉及到哪一個應用層服務來收集通信信息。當服務器支持多個服務時，這些統(tǒng)計對于考察服務器上每個應用的負載尤其有效。增加的統(tǒng)計服務對于使用交換機的服務器負載均衡服務連接同樣十分有用。包含詳盡的實時報告和歷史紀錄報告，全面的報告功能為管理員提供了對帶寬資源的充分掌握，從而使企業(yè)可以作出更合適的業(yè)務決策。

第四層交換機在業(yè)界有一通用的名字叫做"應用交換機"，比較有名的有如下幾款:

美國的F5公司的BIG-IP 2400系列鏈路應用交換機可實定制負載平衡，流量優(yōu)先級安排，基于政策的流量引導，來源、目的地和應用交換。

Radware公司的Web Server Director應用交換機可保障服務器群的完全可用性、優(yōu)化運行以及完備的安全性，從而保證網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心范圍內(nèi)的應用能獲得高度可靠性和性能。

美國Foundry公司 ServerIronGT-C2404F應用交換機可實現(xiàn)全局服務器負載均衡,高性能 VPN/防火墻負載均衡，透明緩存交換，鏈路負載均衡，防DoS攻擊保護服務器。

隨著網(wǎng)絡信息系統(tǒng)由小型到中型到大型的發(fā)展趨勢，交換技術也由原來最初的基于MAC地址的交換，發(fā)展到基于IP地址的交換，進一步發(fā)展到基于IP+端口的交換，本文對第四層交換技術作了一個比較全面的介紹，如今也有產(chǎn)品更提出了第七層交換(基于內(nèi)容的交換)。可見，網(wǎng)絡交換技術的不斷發(fā)展使得原來由基于數(shù)據(jù)的交換變成了基于應用的交換，不僅提高了網(wǎng)絡的訪問速度，而且不斷地優(yōu)化了網(wǎng)絡的整體性能。

傳統(tǒng)的程控交換機利用電路交換的原理來實現(xiàn)集團電話的功能，而IP程控交換機則使用TCP/IP的協(xié)議，利用包交換的原理，在以太網(wǎng)上實現(xiàn)了相同的功能。傳統(tǒng)的程控交換機(專用集團電話交換機)的缺點可以羅列很多:專用、價格昂貴、不能簡單的實現(xiàn)CTI或VOIP、而且不能解決2000年問題等等。IP PBX的出現(xiàn)可以解決這些問題:由于它構(gòu)建于開放的編碼，因此能夠降低過高的設備、維護和升級等費用。現(xiàn)在已經(jīng)有很多重量級計算機和通信廠商蓄勢進軍IP 程控交換機領域。