CCNA学习笔记10-二层交换原理

点到点: 例如ppp

多路访问网络MA:以太网II（广播）

非广播多路访问NBMA:帧中继

广播网络。早期hub连接，利用CSMA/CD技术处理冲突造成的影响。如今使用交换机隔离冲突。

冲突域：

广播域：广播就是要发送到网段上的所有节点，而不是单个节点或一组节点。要广播的节点将数据送到MAC地址为0xFFFFFFFFFFFF,就能实现上述目的。广播域由一组能够接受同组所有其他节点的广播报文的节点构成。

局域网分段：影响局域网性能的两个常见问题是：过高的冲突和过多的广播。分段将网络分割成较小的段。网桥，交换机和路由器通过将冲突域分割成较小的步分，从而降低对带宽的竞争，减少冲突。路由器还有一个好处，他可以划分更小的广播域。

交换机三个功能：

    帧的转发

    地址学习

    环路防止

◆设备最初开机时MAC地址表是空的。交换机第一次收到数据帧，因为MAC地址是空的，就会向所有接口泛红（浪费带宽资源，但是不会丢失数据）同时记录源MAC和对应的接口（MAC地址表）MAC地址表默认老化时间300秒。

◆MAC地址表三元组：

    VLAN

    MAC地址

    POPT号

注意MAC地址表和ARP表的不同，基于源MAC地址学习。

1，基于源学习

2，基于目标MAC地址转发

3，对于没有MAC地址表项的帧，向本VLAN内的所有接口转发

4，收到广播或组播帧，向本VLAN的其他所有接口转发

5，同一个MAC地址被多个接口学习到，选择最后学习的接口

6，同一个接口可以学到多个MAC地址

◆位置单播泛洪：不知道此单播帧的目标再哪，做泛宏处理。

  

◆二层封装18个字节 4个部分

  6字节目的MAC 6字节源MAC 2字节类型 上层数据 4字节CRC

 类型字段： 分给IP的上层协议号是0800

            分给ARP的上层协议号是0806

            分给IPV6的上层协议号时86DD

              交换                   路由

转发      目标MAC--》mac表       目标IP--->路由表        

表内容    VLAN,接口，MAC          5+1 (前缀，掩码，下一跳，AD，度量 和 tag)

匹配规则  精确匹配                最长匹配

          有则转发，无则泛洪      有则匹配，无则丢弃

如何形成  自动根据源MAC产生       直连路由，静态路由，动态路由

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◆使用VLAN扩展二层网络

    设计欠佳的网络存在的问题

        极大的故障域

        极大的广播域

        大量的未知MAC单播流量

        极大的组播流量

        可能存在安全漏洞

◆VLAN综述：

    分段

    灵活性

    安全性

一个VLAN=一个广播域=逻辑子网

为每一个VLAN分配一个IP子网

在连续的地址块内分配IP地址空间

◆VLAN运作：

    每个逻辑的VLAN就像一个独立的物理桥

    交换机上的每一个端口都可以分配不同的VLAN    

    默认下所有端口都属于VLAN1

◆配置：    

    创建：vlan 10 

    端口加入：接口下swichport access vlan 10

    查看：show vlan brief

    可创建vlan个数：受协议和设备影响，协议上2^12 （1--4094）1002和1003保留给fddi和token-ring。可用:1-1001,1006-4094。

注意，当要删除VLAN时，要先去掉VLAN内的接口，再no掉VLAN，不然对应的接口也没有了。如果误操作，要重新创建删除的VLAN，no掉接口再no掉VLAN。而且每次更改都要有30秒的收敛时间

◆Trunk

    支持多个vlan数据

    使用了特殊封装格式支持不同的vlan

    只有快速以太网端口可以配置为trunk口

◆交换机对帧进行VLAN标记的有两种协议：ISL和802.1Q

  vlan的标记（vlan号）无法封装到二层帧上（帧结构中放标记的没有位置）。所有采用新的封装格式802.1Q。

8100表示“属于802.1Q的帧”

以太的标识位：8100--》8021q

              0800   IP

              0806   ARP

              86dd   IPv6

Ethertype ( 十六进制 )   协议   
0x0000 - 0x05DC   IEEE 802.3 长度   
0x0101 – 0x01FF   实验   
0x0600   XEROX NS IDP   
0x0660 0x0661   DLOG   
0x0800   网际协议（IP）   
0x0801   X.75 Internet   
0x0802   NBS Internet   
0x0803   ECMA Internet   
0x0804   Chaosnet   
0x0805    Level 3   
0x0806   地址解析协议（ARP ： Address Resolution Protocol）   
0x0808   帧中继 ARP （Frame Relay ARP） [RFC1701]   
0x6559   原始帧中继（Raw Frame Relay） [RFC1701]   
0x8035   动态 DARP （DRARP：Dynamic RARP） 反向地址解析协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol）   
0x8037   Novell Netware IPX   
0x809B   EtherTalk   
0x80D5   IBM SNA Services over Ethernet   
0x 80F 3   AppleTalk 地址解析协议（AARP：AppleTalk Address Resolution Protocol）   
0x8100   以太网自动保护开关（EAPS：Ethernet Automatic Protection Switching）   
0x8137   因特网包交换（IPX：Internet Packet Exchange）   
0x 814C   （SNMP：Simple Network Management Protocol）   
0x86DD   网际协议v6 （，Internet Protocol version 6）   
0x880B   （PPP： Protocol）   
0x 880C   通用交换管理协议（GSMP：General Switch Management Protocol）   
0x8847   多协议标签交换（单播） MPLS：Multi-Protocol Label Switching ）   
0x8848   多协议标签交换（组播）（MPLS, Multi-Protocol Label Switching ）   
0x8863   以太网上的 PPP（发现阶段）（PPPoE：PPP Over Ethernet ）   
0x8864   以太网上的 PPP（PPP 会话阶段） （PPPoE，PPP Over Ethernet）   
0x88BB   轻量级访问点协议（LWAPP：Light Weight Access Point Protocol）   
0x88CC   链接层发现协议（LLDP：Link Layer Discovery Protocol）   
0x8E88   局域网上的 EAP（EAPOL：EAP over LAN）   
0x9000   配置测试协议（Loopback）   
0x9100   VLAN 标签协议标识符（VLAN Tag Protocol Identifier）   
0x9200   VLAN 标签协议标识符（VLAN Tag Protocol Identifier）   
0xFFFF   保留

ISL时思科私有且已经淘汰。

◆配置

   接口下：

    switchport trunk encapsulation dot1q

    switchport mode trunk

 查看：show interface  trunk

       show interface f0/0 switchport

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VLAN间的路由

    

    两种解决方案：1，单臂路由。2，三层交换机

    单臂路由：路由器接到2层交换机上，帮助2层交换机实现路由功能

    

交换机封装trunk ，路由器每一个子接口对应交换机的一个VLAN

◆配置：

交换机：

            int f0/0

                swi trunk encasula dot1q

                swiort mode trunk

            int f0/1

                swi mode access

                swi access vlan 10

            int f0/2 

                swi mode access

                swi access vlan20

路由器

            int f0/0

                no shut

            int f0/0.1

                encasulation dot1q 10

                ip add 10.1.1.1 255.255.255.0

            int f0/0.2

                encasulaion  dot1q 20

                ip add 20.1.1.1 255.255.255.0

◆场景：

     当PC1 PC2属于同一VLAN时，由于ARP协议，通过目的IP请求到目的主机MAC，并存到ARP表中。

     当PC1 PC2划分到不同VLAN后，数据的2层封装目的mac是对端PC的mac,但是VLAN各类的2层广播，所以即使做了单臂路由也不会通。此时刷新ARP表，clear arp-cathc。交换机收到PC1的请求后交给路由器，路由器通过代理ARP讲自己对应子接口的MAC作为PC的目标mac回复给交换机。然后通过路由器转发给PC2.

分清ARP表和交换机的mac地址表

ARP表示ARP协议产生的，是3层IP与2层MAC的映射表。通过目标IP请求到目标MAC形成的

MAC表用于指导交换机转发的。交换机mac地址表，是通过学习源mac自动生成的

二者没有任何关系

◆单臂路由的封装街封装过程：

  3层，源：本机PC IP； 目的：目标PC IP

  2层，源：本机PC mac；目标：路由器子接口mac

    数据到达交换机后，交换机用数据的目标MAC匹配mac地址表，即从f0/0转发，f0/0封装为trunk，所以会打上VLAN10tag。

    流量到达路由器，解封装8100（802.1q）标识为VLAN10，对应f0/0.1,2层匹配后交给3层处理，3层解封装看到0800（ip）读取IP，查路由表是直连路由，指向出接口f0/0.2,该接口封装为dot1q，所以会打上对应VLAN20的tag，发给交换机。

   交换机trunk口收到流量解封装8100看到tag是VLAN20，发送给VLAN20，匹配mac地址表，发给标mac的接口。

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VLAN传输协议 VTP 2层协议，利用2层组播帧同步信息

   用于大型2层网络环境，网络中有上百个VLAN，vtp可以主交换机下发VLAN配置给其他交换机。结果就是全网交换机VLAN配置保持一致，当需要改动或删除增加某条VLAN，只需在主交换机配置就给下发给所有，无需每台一一配置。但是，同时也可能因为误操作造成在一台交换机删除某条VLAN，导致全网的这条VLAN都消失。所以建议，网络稳定后，交换机vtp配置为transparent透明模式（利用他的不同步特性）。

注意是信息同步，不是学习。同步就是全网所有交换机的VLAN信息完全一致，例如sw1 有VLAN1,2,3。sw2 有vlan10,20。假设sw1向sw2同步，结果就是sw1 sw2中都只有VLAN10和VLAN20.

不支持10M以太网，最少也要100M

只能在trunk模式下宣告信息

VTP同步的必要条件：

                1，vtp domain一致

                2，交换机的之间是trunk配置

                3，如果有认证，认证密码必须一样。

◆VTP模式

    服务器模式 serve 可以增加、删除、修改VLAN配置，同步转发VLAN配置

    客户端模式 client 不可以增加删除修改VLAN配置，同步转发VLAN配置

    透明模式 transparent 仅仅增加删除修改本地VLAN。转发通过，不同步通告

◆vtp运行

 vtp通过2层组播帧发送信息

 同步并不是客户端向服务器同步，是根据修订版本号（默认0）低的向高的同步。没错修改版本号+1

 每5分钟定时更新，或者当发送变更时发送更新

◆配置

    全局下定义vtp模式（默认开启且为server模式，vtp不能关闭）

       vtp mode {server|client|transparent}

    定义vtp域名，同一VLAN管理域的vtp域名必须一致。长度为1-32字符

       vtp domain domain-name

    设置vtp域的密码，同一vtp域的密码必须保持一致，长度为8-64字符

       vtp password  password

◆  查看：

            show vtp status

  信息中 重点看 vtpversion 包括V1  V2  V3目前都市V2.V1 V2都不支持扩展VLAN和私有VLAN

                configuration revision(修订版本号) 默认0，更改VLAN配置后+1

                vtp operating mode   

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STP 生成树协议

网络中需要冗余的拓扑，防止单点故障，增加可靠性

2层网络的冗余拓扑是个环装拓扑。由此可产生一些问题：

        广播风暴（2层帧结构不像IP包中有ttl”最大255“值）

        多帧复制 

        MAC地址抖动

◆概述;

    IEEE802.1d STP

 工作原理，通过阻塞冗余接口，使网络中的节点通信时，只有一条链路；当通信故障时，打开被阻塞的接口，实现冗余。

◆生成树协议发送的信息 BPDU（2层的是帧，3层是IP包）

 周期性的2秒一次，发送BPDU，实现stp；组播地址 01-80-C2-00-00-00

 交换机保存收到的高优先级的BPDU并洪泛，丢弃低优先级的BPDU消息。

工作过程

    选举一个根桥

    每个非根桥交换机选举一个根端口

    每条链路选举一个指定端口

    阻塞剩余的所有端口

 1，根桥选举：

            通过发送BPDU（里边携带每个交换机桥ID）全网选举桥ID最小的为根

桥ID结构：

    优先级默认 32768.交换机基准MAC地址，所有交换机都有一个唯一的MAC，叫做基准mac，交换机其他接口根据基准mac+1生成的。

    可通过修改优先级，控制根的选举。

 2，根端口选举

        非根去往根最近的接口，远近标准是带宽

        计算方法:从根到本机的入接口的度量。

注意：区分出接口，入接口。从控制层和数据层理解。网络协议中的路由(控制层)走的方向就是入接口，对应的是数据转发的出接口。

stp中转发的bpdu,发送bpdu方向，就为入接口。

    ■当使用带宽cost值无法区分时：

上图，SW1的F1和F2口的带宽cost值都是38.。此时就要比较发送方(上联的两台交换机)的桥ID

SW3 SW2发给SW1的BPDU中会包含，根的rootID，根到SW2 SW3的cost19，SW3 SW2的桥ID。

SW1比较上述BPDU中的值 发现cost值两端都是38，就会比较上联SW2 SW3的桥ID.小的对应接口即为根端口。

   ■当cost值和上联桥ID都一样时，比较上联设备的端口ID，小的获胜。

   port ID由接口优先级（默认128）和接口号组成

                                          

3，选举制定端口

   每个链路都要有一个指定端口

       选举过程：根端口对方一定时指定端口

                 BPDU发过来到本机从该接口发出的最小带宽cost；若比较不出来，比较本地桥ID

4，剩余的接口都被阻塞。

◆STP总结:

        网络总选举一台交换机作为根桥

        每个交换机选出一个根端口（每个交换机有且只有一个根端口）

        每条链路选出一个指定端口

        阻塞剩余的端口

◆修改接口带宽的cost值

    spanning-tree vlan 1 root primary

   强制交换机为根

    spanning-tree vlan 1 secondary

   强制交换机为此根

     spanning-tree vlan 1 priority priority

   静态配置优先级，增量为4096

     spanning-tree vlan 1 cost cost 

   配置接口成本

查看

    show spanning-tree (brief)

STP接口状态

 1，当已经选出根后，非根在接口up后进入侦听状态，接受并发送BPDU，决定该端口是否阻塞

 2，阻塞段口进入上图最上的阻塞状态，接受但不发送BPDU。指定端口继续侦听15秒，之后进入learning状态，此状态可以学习生态MAC表，15秒后可以转发，发送数据。