交換機工作的原理是什麼?

2020-12-17 我是山西人呵

交換機工作原理

1、交換機的作用

連接多個乙太網物理段，隔離衝突域

乙太網幀進行高速而透明的交換轉發

自行學習和維護MAC地址信息

交換機工作在二層，可以用來隔離衝突域，在OSI參考模型中，二層的作用是尋址，這邊尋址指的是MAC地址，而交換機就是對MAC地址進行轉發，在每個交換機中，都有一張MAC地址表，這個表是交換機自動學習的，所以，總得來說交換機的作用是尋址和轉發，這邊需要注意的是尋址和轉發都是MAC地址，需要跟上周分享的路由器區分開來，路由器尋址尋的是IP位址，而交換機是MAC地址。

2、交換機的特點

主要工作在OSI模型的物理層、數據鏈路層

提供乙太網間的透明橋接和交換

依據鏈路層的MAC地址，將乙太網數據幀在埠間進行轉發

3、交換機MAC地址錶轉發過程：

MAC地址表初始化：

交換機剛啟動時，MAC地址表中無表項。以上圖中的交換機就是剛剛啟動的時候的MAC地址表。可以看出並沒有任何的表項，當接入PC的時候，交換機開始進行學習MAC地址，見下圖：

MAC地址表學習過程（1）

PCA發出數據幀

交換機把PCA的幀中的源地址MAC_A與接收到此幀的埠E1/0/1關聯起來

交換機把PCA的幀從所有其他埠發送出去（除了接收到幀的埠E1/0/1）

MAC地址表學習過程（2）

PCB、PCC、PCD發出數據幀交換機會把接收到的幀中的源地址與相應的埠關聯起來，至此，交換機的MAC地址表學習完成，開始進行數據的轉發。

4、交換機對數據幀的轉發與過濾

單播幀的轉發：

PCA發出目的到PCD的單播數據幀

交換機根據幀中的目的地址，從相應的埠E1/0/4發送出去

交換機不在其他埠上轉發此單播數據幀

廣播、組播和未知單播幀的轉發：

交換機會把廣播、組播和未知單播幀從所有其他埠發送出去（除了接收到幀的埠）

VLAN基本原理

1、廣播風暴

所謂廣播幀就是在二層環境中設備發出的廣播幀在廣播域中傳播，這樣會導致廣播鎮佔用網絡帶寬，降低設備性能。

2、使用三層設備路由器隔離廣播域

廣播幀屬於二層並不會跨越三層，所以為了解決廣播風暴，可以使用三層設備隔離廣播域，減小廣播域範圍。比如使用路由器來隔離廣播域，由於路由器是三層設備，對數據的轉發容易形成瓶頸，所以一般我們使用VLAN來隔離廣播域。

3、VLAN隔離廣播

二層交換機使用VLAN（虛擬區域網）隔離廣播，用來減小廣播域範圍。這樣的話，不同VLAN之間是無法進行通信的，假設PCA發送一個廣播幀，只會在VLAN1之間傳播並不會傳播到VLAN2，這樣既限制了廣播域的範圍，又保證了VLAN2的安全性。

4、VLan優點

有效控制廣播域範圍

增強區域網的安全性

靈活構建虛擬工作組

5、VLAN分類（VLAN的劃分方法）

基於埠的VLAN：

基於埠的VLAN劃分方法是最常用的一種劃分方法，就是一個或者幾個埠屬於一個VLAN，這個埠下面的用戶也就屬於該VLAN。假設以上圖中，E1/0/1和E1/0/2屬於VLAN10，E1/0/3和E1/0/4屬於VLAN20，那麼PCA和PCB也都都屬於VLAN10，可以互相通信，PCC和PCD屬於VLAN20，也可以互相通信。

這種劃分方法的優先就是配置比較方便，只要在交換機上將相應的埠加入相應的VLAN即可，缺點是對於用戶來說如果更改了交換機的埠也就更換了VLAN ID。

基於MAC地址的VLAN：

基於MAC地址的VLAN就是在劃分VLAN的時候根據MAC地址劃分VLAN，比如將PCA和PCB的MAC地址劃分在vlan10中，那麼PCA和PCB就屬於VLAN10，PCC和PCD同理。

這種劃分方法的優點是對於用戶來說不受地理位置的閒置，不管PCA用戶接在哪個接口，都屬於VLAN10，缺點是配置較基於埠的劃分方法繁瑣。

基於協議的VLAN：

這種劃分方法是指運行不同的協議劃分到相同的VLAN中，比如PCA和PCB都運行的是IP協議，屬於VLAN10，PCC和PCD同理。

此種劃分方法優點依舊是不受物理位置的影響，不管PCA接在交換機的哪個接口，都屬於VLAN10。缺點的其實PC真正可以運行的協議並沒有很多，有劃分vlan數量上的限制。

基於子網的VLAN：

這種劃分方法是根據子網劃分，比如10.0.0.0/24屬於VLAN10,20.0.0.0/24屬於vlan20；

以上四種劃分方法最常用配置最方便是基於埠的VLAN劃分方法，後面的實驗示例也是以基於埠的劃分方法。

6、Vlan技術原理

VLAN標籤：

對於交換機來說，是根據VLAN標籤來區分不同VLAN的乙太網幀的。比如PCA發送一個目的地址為PCB的數據幀，到達交換機，交換機會打上VLAN 10的標籤，然後根據vlan表確定從PCB的埠轉發出去交給PCB。下面會詳細介紹VLAN標籤的操作。

802.1Q幀格式：

我們知道PC發送的數據並不帶VLAN標籤，那麼VLAN ID的標籤是什麼時候打上的呢，其實是在數據中進入交換機埠的時候打上的。在標準的乙太網幀的源地址SA和類型Type之間打上的Tag標籤，此tag標籤中含有VLAN ID，VLAN ID的範圍為4096，去掉一個默認的vlan 1和vlan4096作為保留vlan，實際可用的vlan ID個數為4094個。

單交換機VLAN標籤操作：

上面已經提過PC發送的數據不帶VLAN標籤，所以實在進入交換機的時候打上vlan標籤，既然PC發出的數據不帶VLAN標籤，那麼在出交換機的時候交換機需要對數據幀的VLAN標籤進行剝離再轉發給相對應的PC。

例如：PC發送一個保標準的乙太網幀，源地址為PCA的地址，目的地址為PCC的地址，到達交換的時候埠的時候，交換機會打上VLAN10的標籤，然後根據vlan表從PCC所在的埠轉發，同時需要將VLAN 10的標籤剝離，也就是說此數據幀到達PCC的時候依舊是標準的乙太網幀，並不帶VLAN標籤，PCB和PCD同理。

Access鏈路類型埠：

VLAN有三種鏈路類型，常用的是Access和trunk鏈路類型，下面也是介紹這種鏈路類型。第一種是Access鏈路類型，此鏈路類型的特點是指允許預設的VLAN通過，同時僅發送和接收一個VLAN的數據幀。

所以access鏈路類型一般適用於連接用戶設備，也就是交換機直接接PC使用access鏈路。

跨交換機VLAN標籤操作：

上面講過，vlan標籤是在進入交換機的時候打上的，出交換機剝離標籤，那麼在如上的拓撲中，PCA發送一個目的地址到PCC的數據幀，到達SWA，SWA打上VLAN10的標籤，然後從E1/0/24剝離標籤然後轉發出去，到達SWB打上vlan10的標籤，從E1/0/1轉發到PCC，這是正常數據幀的轉發，但是上面說過Access鏈路類型只支持一個數據幀通過，那麼入股PCB同時再發一個VLAN20的數據幀的話就無法進行轉發，為此，通過trunk鏈路類型實現。

Trunk鏈路類型埠：

Trunk鏈路類型的有點久是允許多個VLAN通過，可以接收和發送多個VLAN的數據幀。同時對於預設的VLAN也就是PVID的乙太網幀是不帶標籤的。

所以trunk鏈路類型一般用戶交換機之間的連接。

VLAN配置

1. VLAN配置基本配置：

創建VLAN並進入vlan視圖

vlan vlan-id

將指定埠加入到當前vlan中

switchport interface interface-list

配置埠的鏈路類型為trunk類型

switchport mode trunk

允許指定的vlan通過當前trunk埠

switchport trunk allowed vlan {all|vlan-id

設置trunk埠的預設vlan

switchport trunk native vlan vlan-id

2. VLAN拓撲圖：

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