[计算机网络]四、交换机的工作原理与配置(数据链路层、以太网交换机、交换机的基本配置)

目录

1、数据链路层

1.1、数据链路层的功能

1.2、以太网工作在数据链路层

1.2.1、以太网的发展

1.2.2、以太网MAC地

1.2.3、网卡、路由器和交换机厂商有哪些

1.2.4、以太网帧的格式（这个需要记下来）⭐⭐⭐

2、以太网交换机

2.1、交换机设备简介

2.2、交换机的工作原理⭐⭐⭐

2.2.1、arp广播

2.2.2、 网络的通信方式

2.3、 [工作原理总结]

2.4、练习(查看局域网中正在使用的IP地址，并调出它对应的MAC地址)

2.5、以太网接口的双工模式

2.5.1、单工

2.5.2、半双工

2.5.3、全双工

2.5.4、以太网接口速率

3、交换机的基本配置

3.1、交换机的基本命令以及配置

3.2、图形操作查看MAC地址表

3.2.1、各种设备中查看MAC地址的命令

3.3、各种设备中存在的表

3.3.1、傻瓜交换机和智能(网管)交换机

3.4、调整接口的模式

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内容总览

1、数据链路层

数据链路层位于网络层与物理层之间

1.1、数据链路层的功能

1.2、以太网工作在数据链路层

以太网(Ethernet)：就是我们经常讲的局域网

以太坊(Ethereum)：虚拟货币，类似于比特币

1.2.1、以太网的发展

现在是万兆以太网了 

1.2.2、以太网MAC地

MAC地址：只要是支持tcp/ip协议的设备硬件都会有。只在数据链路层使用。是由造网卡的厂商固定到设备的芯片里去的，一般不会去修改的。也叫做物理地址或着硬件地址

图片中是48个二进制转化为12个16进制的，因为48个二进制太长太难记了，换成16进制好看一些。

1.2.3、网卡、路由器和交换机厂商有哪些

网卡：Realtek(瑞昱)、intel、qualcomm(高通)

路由器和交换机：vmare、tplink、华为、锐捷、cisco(思科)

1.2.4、以太网帧的格式（这个需要记下来）⭐⭐⭐

源MAC地址和目的MAC地址 

mtu：最大传输单元，一数据帧里的数据，最大只能够1500个字节(如下图linux所示，且一般都是如此)⭐⭐⭐

 帧的大小范围：18+46~1500=64~1518  ⭐⭐⭐

2、以太网交换机

[交换机的种类]

有2层交换机，工作在数据链路层的；有3层交换机，既可以工作在数据链路层，又可以工作在网络层。有路由功能，例子：如无线路由器。

无线路由器的功能：可以接有线也可以接无线，还有dns、dhcp、、限制速度等功能

2.1、交换机设备简介

2.2、交换机的工作原理⭐⭐⭐

（1）初始状态(未插电状态)

因为存储在内存中，所以每次重新开机的时候，它里边什么数据都没有。

 （2）MAC地址学习

MAC地址表格式：mac地址(源) + 接口  + vlan(默认所有的接口都是vlan1，所以现在可以把这个弱化，后边会讲到)

MAC地址表作用：记录哪台电脑接交换机的哪个接口，会读取帧里的源MAC地址写到MAC地址表里。

另外，MAC地址表是存放在内存中的，停电里面的内容会丢失的

（3）广播未知数据帧

广播转发数据给每一个接口 

 （4）接收方回应

B电脑封装好数据帧，通过交换机，传送给A电脑 

（5）交换机实现单播通信

经过学习交换机知道了所有电脑的MAC地址，然后就能进行精准的传送数据信息。这就叫单播。

2.2.1、arp广播

[提出问题]

A电脑在封装的时候， 它是怎么知道B电脑的MAC？

数据(上层数据)都是从应用层经过一层一层的封装的，到达数据链路层之前，会经过网络层的封装，给数据加上IP头部变成包。在这个IP头部中含有源地址IP和目标地址IP。有了目标的IP地址，但是没有目标的MAC地址，所以会发送arp广播。

arp(Address Resolution Protocol)，地址解析协议：将IP地址解析到对应的MAC地址

MAC地址的广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF

[arp广播的原理]

使用MAC地址的广播地址。在封装成帧的时候，目的MAC地址全填FF:FF:FF:FF:FF，这样所有的机器都会收到这个数据帧，接收之后进行解封。解封之后，若是该电脑收到的IP地址与自己的IP地址一致，那么就会进行回复，那么该交换机就会得到目标的MAC地址。那么这两台机器之后的传输都是使用单播的方式传输了。

[arp缓存表]

使用"arp -a"命令可以调用这个表出来。每台电脑、手机和交换机都有这个表

2.2.2、 网络的通信方式

• 单播(unicast：point to point)，点到点的通信方式；
• 多播(multicast：point tO multipoint)，点到多点的通信方式；也叫做组播
• 汇播(concast：multipoint to point)，多点到一点的通信方式；
• 群播(multipoint tO multipoint)，多点到多点的通信方式，多播的一种推广；
• 广播(broadcast：point to all point)，点到所有节点的通信方式。

2.3、 [工作原理总结]

第一步：学习
学习帧里的源MAC地址，然后写入到MAC地址表里

第二步：转发
第一种情况，不知道目的MAC地址，会广播。然后给每一个接口都复制一份数据，转发过去。这样可以保证其他的所有机器都可以接收到一份相同的数据
第二种情况，知道目的MAC地址，会单播。

只有两种情况会进行广播。第一种是到MAC地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF时，会被认为是一个广播帧，进行广播；另一种是MAC地址表中没有目的的MAC地址时，会进行广播。

[广播风暴]

因为有MAC地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF这种情况，所以会形成一种叫广播风暴情况。若出现了这种情况，会消耗交换机的cpu、内存和带宽，导致网络速度越来越慢，最后导致网络不可用。

产生的原因：交换机和交换机之间形成了环路。所以一定要避免环路的形成。

避免环路的方法：1、构建网络的时候，人为的注意不要形成。2、靠交换机里启用树协议(spanning tree)，会自动阻塞一条链路，防止出现环路。即物理上是连接的是环路，但是实际上是有一条断开的。

[搞个例题]

哪个口子接的是交换机？（3号口）

 

⭐[地址的使用范围]⭐

MAC地址只是在局域网里使用；广域网使用IP地址

比如，我们使用"ping 114.114.114.114"成功之后，就代表我们与这个IP地址通信了，但是我们在arp缓存表中却看不到这个IP地址和MAC地址

2.4、练习(查看局域网中正在使用的IP地址，并调出它对应的MAC地址)

 

[写代码中包含知识点]

（1）ping

-c，发包的次数

-w，deadline：多少时间内必须完成

-W，timeout：超过多少时间就停止

-i，interval：包和包之间的时间间隔

[root@fttsaxf menu]# time ping 192.168.29.128 -c 4
PING 192.168.29.128 (192.168.29.128) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.040 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.120 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.067 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.058 ms

--- 192.168.29.128 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3039ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.040/0.071/0.120/0.030 ms

real	0m3.043s
user	0m0.001s
sys	0m0.003s
[root@fttsaxf menu]# time ping 192.168.29.128 -c 4 -i 0.1
PING 192.168.29.128 (192.168.29.128) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.063 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.093 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.088 ms
64 bytes from 192.168.29.128: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.083 ms

--- 192.168.29.128 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 322ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.063/0.081/0.093/0.015 ms

real	0m0.327s
user	0m0.000s
sys	0m0.005s


# 这个192.168.29.129这个IP地址现在ping不通
[root@fttsaxf menu]# time ping 192.168.29.129 -c 1
PING 192.168.29.129 (192.168.29.129) 56(84) bytes of data.
From 192.168.29.128 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

--- 192.168.29.129 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms


real	0m3.033s
user	0m0.000s
sys	0m0.005s
[root@fttsaxf menu]# time ping 192.168.29.129 -c 1 -w 1
PING 192.168.29.129 (192.168.29.129) 56(84) bytes of data.

--- 192.168.29.129 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 0ms


real	0m1.018s
user	0m0.001s
sys	0m0.003s

（2）并行计算和串行计算

并行计算：同时启用多个进程在后台进行计算。格式：(命令)&，把这个命令产生子进程放在后台进行运行。

串行计算：排成一队，一个一个的执行，有先后顺序，必须前边的执行完成后，才去执行后边的

（3）arp -a

调出arp缓存表。

 另外一个命令"acping + IP地址"更加好

[root@fttsaxf menu]# arping 192.168.29.2
ARPING 192.168.29.2 from 192.168.29.128 ens33
Unicast reply from 192.168.29.2 [00:50:56:EE:E5:6D]  0.700ms
Unicast reply from 192.168.29.2 [00:50:56:EE:E5:6D]  0.830ms
Unicast reply from 192.168.29.2 [00:50:56:EE:E5:6D]  2.548ms
Unicast reply from 192.168.29.2 [00:50:56:EE:E5:6D]  1.593ms
^CSent 4 probes (1 broadcast(s))
Received 4 response(s)

# 发送了4个探测包(probes)，响应了4个。Unicast，单播；broadcast，广播

[代码测试]

#!/bin/bash

# 清空日志文件
>used_ip.log
>unused_ip.log
>ip_mac.log

# ip地址和mac获取工具
for i in {1..254}
do
	
	# ping是测试网络是否畅通的工具
	( if ping -c 1 -w 1  192.168.28.$i  &>/dev/null;then
		echo "192.168.28.$i" >>used_ip.log
	else
		echo "19.168.28.$i" >>unused_ip.log
	fi )&
	# 这个脚本是并行计算
done
wait
# 统计没有使用的ip地址的个数
num=$(cat unused_ip.log |wc -l)
echo "total ip:$num"  >>unused_ip.log

# 得到所有在使用的IP对应的mac
arp -a |grep -v "incomplete"|awk '{print $2,$4}'|tr -d "()" >ip_mac.log

在这个代码中，串行计算出来得到的结果是有顺序的，但是并行计算出来得到的结果是无序的。跟cpu调度和阻塞时间(ping不通的时候会阻塞等待)有关系

io密集型：对文件或者网络上的数据。例如，读取文件或者取网上下载图片

计算密集型：i++

python的多进程： 适合计算密集型

多线程：适合io密集型；线程在进程里边；python有全局解析锁(GIL)导致并发性能不是很好。如，在网络上爬东西，在网络上耽误的时间和在cpu里排队的时间就差不多抵消了，所以使用多线程就好一些。

python进程里起了10个线程，要抢到这把锁(GIL)才能够取核心里运行，但是每一个进程和一个cpu绑定，所以线程抢到锁之后，这个进程就会在cpu中进行，但是运行的只是这个抢到这把锁的线程，其他的线程还要排队等待，等着那个线程使用完这个锁。如果没有这个锁，多线程也可以同时到别的核心中，就不需要等待了。

[注意]⭐⭐⭐

因为有全局解析锁的原因，只有python中多进程比多线程快。其他的软件都是多线程比多进程快！！所以全局解析锁导致了python的并发性能比较差

2.5、以太网接口的双工模式

2.5.1、单工

两个数据站之间只能沿着单一方向传输数据

2.5.2、半双工

两个数据站之间可以双向数据传输，但是不能够同时进行

2.5.3、全双工

两个数据站之间可以双向且同时进行数据传输；默认情况下配置的都是全双工。

[ethtool ens33] 

linux里边怎么看自己的接口，使用"ethtool ens33"命令

[root@fttsaxf ~]# ethtool ens33
Settings for ens33:
	Supported ports: [ TP ]
	Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full   # 这是支持的链路模式
	                        100baseT/Half 100baseT/Full 
	                        1000baseT/Full 
	Supported pause frame use: No
	Supports auto-negotiation: Yes
	Supported FEC modes: Not reported
	Advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full 
	                        100baseT/Half 100baseT/Full 
	                        1000baseT/Full 
	Advertised pause frame use: No
	Advertised auto-negotiation: Yes
	Advertised FEC modes: Not reported
	Speed: 1000Mb/s
	Duplex: Full  # 表示链路是全双工的
	Port: Twisted Pair
	PHYAD: 0
	Transceiver: internal
	Auto-negotiation: on
	MDI-X: off (auto)
	Supports Wake-on: d
	Wake-on: d
	Current message level: 0x00000007 (7)
			       drv probe link
	Link detected: yes

2.5.4、以太网接口速率

（1）接口连接时进行协商；（2）协商失败则无法正常通信

3、交换机的基本配置

3.1、交换机的基本命令以及配置

因为思科的命令和华为的命令不一样，所以我们可以学习怎么图形化操作，因为原理都是一样的的，只是不同系统的命令不一样。这个软件是"Cisco Packet Tracer"

[操作过程]

拖动(按住鼠标左键就行)这个交换机到界面来

拖动三个pc端 

选直通线，让pc端和交换机连接

用直通线，点一下pc0

 点击之后，会出现一条线，然后点击交换机

 然后按上面的步骤继续操作，把三台pc端都连接交换机。这里会显示pc端连上的交换机的接口

 

[若是没有显示可以这样操作。点击"Options"，进入界面之后，点击"Preferences"，然后选择"Customize User Experience"框的"Port Labels Always Shown"模块，就能够显示端口的标签]

我们都连上之后，会发现这个灯由暗黄色变成了绿色，表示交换机和pc端协商的过程

[给pc0配上IP地址]

点pc0，会出现这个界面

然后选择"IP" 进行配置IP地址，点击"Static"，然后输入IP地址

然后依次对pc1和pc2进行配置；对界面进行标注（只是为了让人看的明白）

[对pc0进行网络测试]

点击pc0，会进入到这个界面，然后点击"Command Prompt" 

然后执行以下命令

 

 这说明这三个pc都能互相ping

3.2、图形操作查看MAC地址表

点击交换机，到"CLI选项"，在这命令框下输入"end"，等运行完毕之后，再输入"show mac-address-table"，然后就能看到MAC地址表

3.2.1、各种设备中查看MAC地址的命令

windows：ipconfig /all

linux：ip add

3.3、各种设备中存在的表

电脑中没有MAC地址表，有arp缓存表和路由表；交换机里有MAC地址表，若是交换机中配置了IP地址也是有arp缓存表和路由表，没有配置就没有。

3.3.1、傻瓜交换机和智能(网管)交换机

交换机有两种：傻瓜交换机和智能交换机

傻瓜交换机：不能配置的，只有MAC地址表

智能交换机：可以配置的，可以配置IP地址，肯定就有arp缓存表、路由表和MAC地址表。例如，三层交换机，无线路由器和好的交换机。

3.4、调整接口的模式

点击图中的交换机，到"Config"模块，进行如下操作

 由绿色变成红色