以太网交换以及三层交换

稚 发布于 2024-08-26 31 次阅读

基础

以太网是当今现有局域网(LAN)采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法
在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路带宽，争用链路的使用权，这样就会发生冲突
以太网隔离冲突域在软件层面可以采用CSMA/CD(载波侦听)在硬件层面可以采用使用交换机的方法进行隔离 交换机的每一个接口都属于一个冲突域
CSMA/CD工作原理：①先听后发；②边发边听；③冲突停发；④随机延迟后重发；
广播报文所能到达的整个访问范围称为二层广播域，简称广播域，同一广播域内的主机都能收到广播报文。

以太网帧格式

以太帧的格式有两个标准：Ethernet_II格式和IEEE 802.3格式

一般采用Ethernet——Ⅱ格式 不同的type字段代表不同的上层协议
0X0800  ---上层协议是IP协议
0X0806  ---上层协议是ARP协议

MAC地址

48位二进制  用十六进制表示 前24为OUI分配 后边为厂商自定义 MAC全球唯一
单播MAC：第8位为0
组播MAC：第8位为1
广播MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF
换算方法 ：四位为一个整体 先转十进制 再转16进制

交换机的数据帧处理行为

在收到数据帧后，交换机学习帧的源MAC地址，然后在MAC地址表中查询该帧的目的MAC地址并将帧从对应的端口转发出去。
交换机的三种数据帧处理行为：

泛洪：从一个接口进，从其他所有接口出   --- 一对多

转发：从一个接口进，从另外一个接口出     --- 一对一

丢弃：从一个接口进，不出

交换机对不同类型的数据帧的处理行为：
单播：交换机收到一个单播数据帧，查看交换机 的MAC地址表中是否有该数据帧的目的MAC地址

①没有，直接泛洪

②有该数据帧则判断发出去的接口是否是接收数据帧的接口 若发出去的接口是接收数据帧的接口 则直接丢弃 不是则直接转发

广播：收到一个广播数据帧，直接泛洪

组播: 泛洪

虚拟局域网(VLAN)

vlan作用：隔离广播域
vlan的划分：
基于接口（比较常见，不同的接口划分入不同的vlan）
基于MAC地址（针对终端经常移动，但是 希望vlan不变的这种场景）
基于子网
基于协议
基于策略
缺省VLAN：PVID
网络管理员预先给交换机的每个接口配置不同的PVID，将该接口划入PVID对应的VLAN，当一个数据帧进入交换机时，如果没有带VLAN标签，该数据帧就会被打上接口指定PVID的Tag，然后数据帧将在指定PVID中传输 ， 交换机内部的数据帧都是带标签的数据帧
Port VLAN ID，是接口上的缺省VLAN。
取值：1~4094。

Access接口

交换机上常用来连接用户PC、服务器等终端设备的接口。Access接口所连接的这些设备的网卡往往只收发无标记帧。Access接口只能加入一个VLAN。只能允许一个VLAN通过

转发原则

接收原则：
①收到不带标签的数据帧，打上标签，vlan id=端口的PVID
②收到带标签的数据帧，检查数据帧vlan id是否和端口的PVID相同，相同直接接收；不同拒绝接收
发送原则：
①数据帧vlan id和端口PVID 相同，剥离标签发送；
②数据帧vlan id和端口PVID 不同，禁止发送。

Trunk接口

Trunk接口允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。Trunk接口常用于交换机之间的互联，也用于连接路由器、防火墙等设备的子接口

转发原则

接收原则：
①收到不带标签的数据帧，打上标签，vlan id=端口的PVID，然后查看该vlan id是否在允许列表中，是--接收，不是--拒绝
②收到带标签的数据帧，查看该vlan id是否在允许列表中，是--接收，不是--拒绝
发送原则：
查看vlan id是否在允许列表中，I:不是--拒绝发送；II：是，查看接口的PVID和vlan id是否相同，相同--剥标签发送；不同--直接发送。

Hybrid接口(华为特有)

Hybrid接口与Trunk接口类似，也允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。用户可以灵活指定Hybrid接口在发送某个（或某些）VLAN的数据帧时是否携带Tag

转发原则

接收原则：
①收到不带标签的数据帧，打上标签，vlan id=端口的PVID，然后查看该vlan id是否在允许列表中，是--接收，不是--拒绝
②收到带标签的数据帧，查看该vlan id是否在允许列表中，是--接收，不是--拒绝
发送原则：查看vlan id是否在允许列表中，I:不是--拒绝发送；II：是，是否带标签发送取决于接口的配置。

命令

[S1]vlan 10   ---创建单个vlan

[S2]vlan batch 10 20 创建多个vlan

display  vlan  查看创建的vlan

display port  vlan  查看所有的端口的类型以及PVID

[S1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type access    设置接口类型为access

[S1-GigabitEthernet0/0/1]port default vlan 10  设置access接口的PVID为10

[S2-vlan10]port g0/0/2   设置access接口的PVID为10  和上一条命令二选一即可

[S1-GigabitEthernet0/0/3]port link-type trunk  设置接口类型为trunk口     

[S1-GigabitEthernet0/0/3]port trunk allow-pass vlan 10 20   设置trunk口的允许列表，允许vlan10、20通过

[S1-GigabitEthernet0/0/3]undo port trunk allow-pass vlan 1  端口默认通过vlan1，设置不允许vlan1通过

[S1-GigabitEthernet0/0/3]port trunk pvid vlan 10      设置trunk接口的PVID为10

[S3-GigabitEthernet0/0/1]port link-type hybrid    设置接口类型为hybrid口

[S3-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid pvid vlan 10   设置hybrid接口 的PVID

[S3-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid untagged vlan 10 100    ①设置hybrid口的允许列表，允许vlan10 、100通过；②设置hybrid发送vlan10、100数据帧剥离标签发送

基于MAC地址 绑定vlan：

[S3-vlan10]mac-vlan mac-address 5489-981F-71C7    在vlan视图下，将MAC地址和vlan进行绑定

[S3-GigabitEthernet0/0/1]mac-vlan enable  在接口下开启Mac地址和vlan绑定的功能

dis mac-address 查看MacVlan地址表

STP

为解决交换网络中的环路问题，提出了生成树协议STP
原因：冗余链路造成的环路；人为造成环路
带来的问题：广播风暴；MAC地址漂移(两个接口学习到一个MAC地址)；
解决办法：使用STP协议
STP协议的优势：①解决二层环路；②增加网络的冗余性

基础概念

STP开始工作后，会在交换网络中选举一个根桥，根桥是生成树进行拓扑计算的重要“参考点”，是STP计算得出的无环拓扑的“树根”
BID（桥）=桥优先级+MAC 例：4096.4c1f-aabc-102a
桥优先级  0-61440    默认32768   必须是4096的倍数，越小越优
PID（端口ID）=端口优先级+端口号 例：128.24
端口优先级    0-240    默认128，步长是16
cost值：每一条链路的开销值，接口带宽越大，则Cost值越小
RPC（根路径开销）：到达根桥的所有路径开销值之和
运行STP的交换机使用接口ID来标识每个接口，接口ID主要用于在特定场景下选举指定接口。

BPDU

BPDU（Bridge Protocol Data Unit，网桥协议数据单元）
BPDU分为两种类型：配置BPDU、TCN  BPDU
配置BPDU在生成树计算和后期网络拓扑检测时使用，TCN  BPDU：只有在网络拓扑变化的时候会使用

MAx age  ：最大生存时间  默认20s

Hello timer：BPDU的发送间隔   默认2s

Forward   Delay ：转发间隔   默认15s

工作原理

在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路
根本目标：防环
怎么防环：选端口将其阻塞，从而破除环路
使用方法：排除法   选举出不能阻塞的端口，剩下端口阻塞

计算过程

①选根桥：越小越优
基于BID进行选举，最初都认为自己是根桥，然后通过交互配置BPDU，比较BID，选举出根桥。
在BID的比较过程中，首先比较桥优先级，优先级的值越小，则越优先，如果优先级相等，那么再比较MAC地址，拥有最小MAC地址的交换机会成为根桥。
根桥的角色是可抢占的
②选根端口
选举根端口是在非根交换机上 ，非根桥交换机上有且只会有一个根接口
选举根端口依据依次为 根路径开销(最优开销)、对端BID、对端PID、本端PID

③选指定端口
选举指定端口是在每一条链路上，每一条链路上都要有一个指定端口
指定端口的选举依据依次是根路径开销(最优开销)本机最小的rpc与对端比、本端BID、本端PID
④非根、非指定端口阻塞

配置

[Huawei]stp enable  开启stp功能

[Huawei]stp disable   关闭stp功能

[Huawei]stp mode stp 配置stp模式   

[Huawei]display  stp  brief 查看stp接口

[Huawei]stp priority  0      设置交换机 的优先级

[Huawei]stp root primary    设置交换机为根桥，优先级为0

[Huawei]stp root secondary    设置交换机为备份根桥，优先级为4096  

[Huawei-Ethernet0/0/1]stp cost 400000   修改接口的路径开销值

[Huawei-GigabitEthernet0/0/2]stp port priority 16   修改端口的优先级

STP的接口状态

R、D端口最终 处于Forwarding状态，阻塞端口处于Blocking


5、拓扑变化

1）根桥故障：20s+30s=50s
20s 是Max age时间 30s是从blocking-->forwarding的转发延时

2）直连链路故障：交换机和根桥之间有备用链路，当到达根桥的主链路故障，非根交换机能够直接感知，不需要20s的等待 时间，只需要30s的转发延迟即可恢复

3）非直连链路故障：交换机和根桥之间没有备用链路，当到达根桥的链路故障，非根交换机能够直接感知，此时非根 交换机会向外发送报文，宣称自己是根桥，A端口收到次优的BPDU报文不会处理，只有等待20s后才意识到出问题，此时将根桥发送过来的BPDU报文转发给另一个非根交换机，接口转化Forwarding需要时延30s，所以共需要50s的时间

4）拓扑改变带来的交换机MAC地址表项错误：通过发送TCN  BPDU报文交换，将MAC地址表项的老化时间由300s改为15s 收到tcnBpdu的接口改变老化时间

RSTP

RSTP对STP的改进:

  1. 增加了端口角色:Alternate（预备端口）,Backup（备份端口），边缘端口
    阻塞端口分成了A（预备端口）、B（备份端口）
    A端口是对R端口的备份
    B端口是对D端口的备份
    边缘端口：不参与生成树计算，可以直接进入forwarding的状态，通常连接终端设备。
    配置边缘端口stp edged-port enable
  2. 端口状态缩减成3种
    RSTP的状态规范把原来的5种状态缩减为3种。
    如果不转发用户流量也不学习MAC地址，那么接口状态就是Discarding状态。
    如果不转发用户流量但是学习MAC地址，那么接口状态就是Learning状态。
    如果既转发用户流量又学习MAC地址，那么接口状态就是Forwarding状态。

缺陷

STP/RSTP的缺陷：所有的VLAN共享一棵生成树
由于局域网内所有的VLAN共享一棵生成树，因此无法在VLAN间实现数据流量的负载均衡，链路被阻塞后将不承载任何流量，还有可能造成部分VLAN的报文无法转发。

针对二层环路，解决办法：①stp；②堆叠、链路聚合；③Smart Link；

VLAN间通信

1）单臂路由配置
交换机--路由器：
交换机：交换机--PC，设置成Access口，然后加入相应vlan,交换机--路由器：Trunk，允许相应vlan通过
路由器：创建子接口，然后对子接口进行配置

interface GigabitEthernet0/0/1.10     创建并进入子接口

dot1q termination vid 10    两层含义：①进路由器剥标签；②出路由器加便签

ip address 10.0.10.254 255.255.255.0   配置IP地址，作为主机的网关

arp broadcast enable     开启ARP广播功能

2）三层交换
交换机的物理接口是二层接口：设置成Access口，然后加入相应vlan
交换机上的三层接口vlanif接口：需要将相应的物理接口加入到对应的vlan中，然后配置IP地址即可 。
vlanif之间进行的是三层通信时不带vlan标签的在通信完之后会判断出接口和是否要带上vlan标签进行转发，主要看出接口