13.HCNA-HNTD——交换网络基础

常见的以太网设备包括HUB、交换机等，交换机工作在数据链路层，它有效地隔离了以太网的冲突域，极大地提升了以太网的性能。

学习目标：
1. 掌握交换机的基本工作原理
2. 掌握交换机的基本配置

随着企业网络的发展,越来越多的用户需要接入到网络,交换机提供的大量的接入端口能够很好地满足这种需求。同时,交换机也彻底解决了困扰早期以太网的冲突问题,极大地提升了以太网的性能,同时也提高了以太网的安全性。
交换机工作在数据链路层,对数据帧进行操作。在收到数据帧后,交换机会根据数据帧的头部信息对数据帧进行转发。
接下来我们以小型交换网络为例,讲解交换机的基本工作原理。

交换机中有一个MAC地址表,里面存放了MAC地址与交换机端口的映射关系。MAC地址表也称为CAM(Content Addressable Memory)表。
如图所示,交换机对帧的转发操作行为一共有三种:泛洪(Flooding), 转发(Forwarding),丢弃(Discarding)。
1. 泛洪:交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去 (注意,“所有其它的端口”是指除了这个帧进入交换机的那个端口以外的所有端口)。
2. 转发:交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去(注意,“另一个端口”不能是这个帧进入交换机的那个端口)。
3. 丢弃:交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。
交换机的基本工作原理可以概括地描述如下:
1. 如果进入交换机的是一个单播帧,则交换机会去MAC地址表中查找这个帧的目的MAC地址。
1)如果查不到这个MAC地址,则交换机执行泛洪操作。
2)如果查到了这个MAC地址,则比较这个MAC地址在MAC地址表 中对应的端口是不是这个帧进入交换机的那个端口。如果不是,
则交换机执行转发操作。如果是,则交换机执行丢弃操作。
2. 如果进入交换机的是一个广播帧,则交换机不会去查MAC地址表, 而是直接执行泛洪操作。
3. 如果进入交换机的是一个组播帧,则交换机的处理行为比较复杂, 超出了这里的学习范围,所以略去不讲。
另外,交换机还具有学习能力。当一个帧进入交换机后,交换机会检查这个帧的源MAC地址,并将该源MAC地址与这个帧进入交换机的那个端口进行映射,然后将这个映射关系存放进MAC地址表。

初始状态下,交换机并不知道所连接主机的MAC地址,所以MAC地址表为空。本例中,SWA为初始状态,在收到主机A发送的数据帧之前, MAC地址表中没有任何表项。

主机A发送数据给主机C时,一般会首先发送ARP请求来获取主机C的MAC地址,此ARP请求帧中的目的MAC地址是广播地址,源MAC地址是自己的MAC地址。SWA收到该帧后,会将源MAC地址和接收端口的映射关系添加到MAC地址表中。缺省情况下,X7系列交换机学习到的 MAC地址表项的老化时间为300秒。如果在老化时间内再次收到主机A 发送的数据帧,SWA中保存的主机A的MAC地址和G0/0/1的映射的老化时间会被刷新。此后,如果交换机收到目标MAC地址为00-01-02-03- 04-AA的数据帧时,都将通过G0/0/1端口转发。

本例中主机A发送的数据帧的目的MAC地址为广播地址,所以交换机会将此数据帧通过G0/0/2和G0/0/3端口广播到主机B和主机C。

主机B和主机C接收到此数据帧后,都会查看该ARP数据帧。但是主机B不会回复该帧,主机C会处理该帧并发送ARP回应,此回复数据帧的目的MAC地址为主机A的MAC地址,源MAC地址为主机C的MAC地址。 SWA收到回复数据帧时,会将该帧的源MAC地址和接口的映射关系添加到MAC地址表中。如果此映射关系在MAC地址表已经存在,则会被刷新。然后SWA查询MAC地址表,根据帧的目的MAC地址找到对应的转发端口后,从G0/0/1转发此数据帧。

早期的以太网的工作模式都是10M半双工的。随着技术的发展,出现了全双工模式,接着又出现了百兆和千兆以太网。采用不同工作模式的设备无法直接相互通信;自协商技术的出现解决了不同以太网工作模式之间的兼容性问题。自协商的内容主要包括双工模式和运行速率。一旦协商通过,链路两端的设备就具有相同的工作参数。
negotiation auto命令用来设置以太网端口的自协商功能。端口是否应该使能自协商模式,要考虑对接双方设备的端口是否都支持自动协商。 如果对端设备的以太网端口不支持自协商模式,则需要在本端端口上先使用undo negotiation auto命令配置为非自协商模式。之后,修改本端端口的速率和双工模式保持与对端一致,确保通信正常。
duplex命令用来设置以太网端口的双工模式。GE电口工作速率为 1000Mbit/s时,只支持全双工模式,不需要与链路对端的端口共同协商双工模式。
speed命令用来设置端口的工作速率。配置端口的速率和双工模式之前需要先配置端口为非自协商模式。

display interface [ interface-type [ interface-number [.subnumber ] ] ] 命令用来查看端口当前运行状态和统计信息。
current state表示端口的物理状态,如果为UP,表示端口处于打开状态 。
Line protocol current state表示端口的链路协议状态,如果为UP,表示端口的链路协议处于正常的启动状态。
Speed表示端口的工作速率,SWA的G0/0/1端口工作速率为100Mbit/s 。
Duplex表示端口的双工模式,SWA的G0/0/1端口双工模式为全双工。

总结：
当一台主机从交换机的一个端口移动到另外一个端口时，交换机MAC地址表会发生什么变化？
答：
当一台主机从交换机的一个端口移除时,交换机检测到物理链路 Down,因此会从MAC地址表中清除对应主机的MAC表项。一旦主机连接到交换机另外一个端口,交换机会检测到新端口对应的物理链路UP。主机发送报文后,交换机就会学习到主机的MAC地址和新端口的映射关系,并且添加到MAC地址表中。