HCIA数据通信——交换机

引言

这些就不是计网的研究重点了，而是细化到了设备功能上。此次将完成交换机的原理和配置

交换机介绍

    我们在区分几层设备时就是根据是否能识别到哪一层的信息。比如：集线器仅能识别比特流，交换机可以识别二层设备，路由器则是三层设备和二层设备，物理层无法识别任何设备等等。。。

    交换机的前身是Hub集线器（被淘汰了已经）随后发展成了交换机。集线器没有识别信息的能力，它只会把接收到的data进行多份拷贝后泛洪发送给连接到的设备。不过现在有个东西叫做MLS（既有交换机的功能也有路由器功能）。

交换机功能

    它可以精确转发二层的data。交换机（Switch）可以用泛洪的方式转发数据。（前提是没有找到数据的前往的目标地址）所谓泛洪就是给自己所连的所有设备都发送一遍信息。

上图为数据的封装过程

交换机结构

    交换机内部有一个表，记录了哪些设备连接到了交换机，它可以基于mac地址进行转发。如果收到了冲突碎片和诡异的报文也会进行丢弃。

    如果交换机可以通过集线器连接多个PC机，PC机们会统一发送Data，那么会产生冲突域，这时冲突到Switch就会停止，因为Switch会进行丢弃。

注：以上只是假设连接到Hub上，其实现在Switch的每个接口可以隔离一个冲突域。如果没有Hub接入而是通过线缆的话，冲突是不会产生的。

    传统网络中，用CSMA/CD的方式解决冲突区域问题。主要解决了同一介质上，多个节点共享链路带宽争夺使用权的问题。但交换机隔离了冲突域。

交换机的表项全是单播表项

单播：一对一的形式，目的mac和源mac一致。

组播：一对多形式，源Mac地址为单播，目的mac为组播

广播：一对多形式，一个人发，一个网络中的人都能收到。

    这就说明了，你用一个组播地址或广播地址通过Switch发送数据，Switch无法识别，会进行泛洪。这个泛洪会向连入Switch的所有节点进行转发，因此对于Switch来说，连入它的节点属于一个广播域。

Switch泛洪基于Vlan，而HUB的全发时数据全发。

交换机转发机制

三种转发机制——转发，泛洪，丢弃

    以太网二层Switch端口均是以太网口，仅能对数据的二层头部（以太网的数据帧头）中的MAC地址进行寻址转发data

注：最好不用静态方式配置mac地址表项。除非删除表项，否则会永久存在，不好处理使用。动态获取比较好

    Switch通过一个接口收到一个data帧，通过帧的源mac地址和接收接口和其所属VLAN就可以形成信源的MAC地址表项。

    Switch存在老化计时器（Aging timer）动态获取到表项，如果（默认五分钟）没有收到刷新，就会删除。

    Switch在转发单播帧时会查看路由器的mac表是否有目的MAC，有则发。（它也会判断该数据帧是否是从传输介质进入交换机端口的）

    Switch可以获取主机MAC地址表，在PC1发送ARP请求后应答时，Switch会收到PC2的表项。

 注：PC和Switch通过网卡转发数据

VLAN划分工具

    Virtual Local Area Network 虚拟局域网。VLAN不受地域限制，同一个VLAN内的设备才能进行二层通信。一个接入接口只能绑定一个VLAN，但是PC机连入的时候并不知道它连入了交换机的哪个接口，因此PC机没有VLAN的概念。

一个接口的PVID仅仅有一个，PVID就是我所绑定的VLAN。PVID=Port VLAN ID端口

    创建VLAN是需要标记的，可以创建的VLAN范围在1-4095之间。默认的VLAN标记为1，它也叫做本征VLAN

交换机识别VLAN

    如何让交换机识别数据帧的所属VLAN，就需要在报文中添加标识VLAN的信息字段，就可以让VLAN被交换机识别到。

    在IEEE 802.1Q协议里面规定，在以太网数据帧中加入4个字节的VLAN标签，又叫VLAN Tag 简称为Tag

其中Tag标签中：（共6字节）

TPID（0x8100）	PRI	CFI	VLAN ID
16bit	3bit	1bit	12bit

TPID（标签协议标识符）：表示数据帧类型，值为0X8100时表示802.1Q帧

PRI（优先级）：标识帧的优先级用于QOS

CFI（标准格式指示符）：以太网中数值为0

Vlan ID（所属Vlan）：可以创建的VLAN数量

 上图为vlan构成和所处位置

VLAN接入方式：

VLAN接入方式有三种——Access接入，Trunk接入，Hybrid接入

    Access接口：Switch用来重连接用户PC，服务器等终端设备接口。一般这些端口都是只发送无标记帧，Access接口仅能加入一个VLAN。

    Trunk接口：允许多个VLAN数据帧通过，Trunk用于Switch互连或只与路由器，防火墙等子接口相连。

    Hybrid接口：与Trunk接口类似，用户可以指定发送某个Vlan的数据是否携带Tag，做动态VLAN部署使用。

注：Hybrid接口为杂合接口，华为默认开启Hybrid接口。但是一般不用它，它会让不同vlan之间发生通信，而我们划分vlan就是为了Vlan内通信。杂合接口是接入与中继合二为一的接口。

 上图为转发特点

VLAN的动态部署

    原理：根据数据的源mac地址来划分VLAN。网络管理员先预先配置mac地址与VLAN ID映射关系表。当交换机收到untagged帧时，依据根据去往数据目的地来添加指定VLAN的Tag。然后将其数据在指定Vlan里面传输。

    例如：如果一个Trunk接口为PVID为5，端口下配置的Port Trunk allow-pass vlan 2，3。那么哪些Vlan可以通过。

答：1，2，3。因为华为默认允许Vlan1可以通过，但是PVID为5，指的是我收到untagged的数据帧会以为是来自Vlan5的帧，当通过Vlan 5发送的时候，因为没有设置Vlan5，我虽然可以接收，但是不能发送。

 

 上图为VLAN划分的原则和建议

VLAN划分配置

华为的交换机默认端口都是hybird类型，hybird为杂合接口，同时具备acces和Trunk的功能，我们可以手动操作更改类型。

PVID

  PVID为端口VLAN标识符，代表了指定接口连接哪个VLAN。Access接口接收数据后，如果带有VLAN标记的帧，先查看VLAN标记的是否为PVID的VLAN标记。是就接收，否则拒绝接收；如果不带VLAN标记，直接认为是来自PVID VLAN的则打上标记做转发。对于经过这个接口的流量，只能发送PVID VLAN流量，这个标记会去除，以默认帧的形式流过接口。而Trunk中的PVID相当于接口的本征VLAN。

实验前配置

此次实验拓扑及部分信息如下：

首先我们配置好PC的IP地址和掩码后，我们先检测下连通性（以PC1为例）：

可以发现都是可达的 

其次，我们要创建vlan 10和vlan 20（以SW1为例）：

 Access与Trunk配置

  接下来，我们要对VLAN进行划分，让处于同一VLAN的设备可以互访，而不同VLAN设备不能互访。根据我们的理论，交换机之间需要设置为Trunk模式，而交换机与用户PC机之间需要设置为Access模式。

Access模式配置（以PC1到SW1的接口为例，其余同理）：

Trunk模式配置（以SW2为例，SW1为相同配置）：

我们可以通过命令查看vlan划分的情况（以SW1为例）：

验证

最后通过PC1进行测试，可以发现与PC1同属于一个Vlan的PC4可以与之互通，其余设备因为不在同一Vlan，因此不通。 

 

gvrp的Vlan同步 

华为有一个Vlan同步的概念，可以同一时间在所有连接的设备上同步创建VLAN。这个东西就是个小简便操作，防止创建了一堆Vlan结果忘记了都有什么Vlan了

拓扑如下图（本次实验以SW3为例）：

所有设备之间先设置为Trunk模式

 其次，在所有设备的系统模式下、接口模式下开启GVRP（以SW1为例）

 之后我们创建Vlan，因为gvrp的影响，所有设备都可以同步创建。

后续

除了原理要明白外，还要懂得灵活运用。不过VLAN没有什么特别的。至于命令就是熟练度的问题，但是不能说机械似的敲命令。