25?張圖詳解交換機(jī):秒懂二層交換機(jī)的?16?個(gè)問(wèn)題
中繼器( repeater )是一種信號(hào)增強(qiáng)設(shè)備,運(yùn)行在 OSI 參考模型的第一層。它的功能僅僅是將信號(hào)重新輸出,延遲網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離,不進(jìn)行其它的數(shù)據(jù)控制,也無(wú)法識(shí)別數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC 地址和網(wǎng)絡(luò)層的 IP 地址。2、什么是網(wǎng)橋?
網(wǎng)橋( bridge )是具有兩個(gè)端口的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,可隔離沖突域。作用相當(dāng)于 OSI 模型中的數(shù)據(jù)鏈路層,能夠根據(jù) MAC 地址進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。只能連接同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(同一網(wǎng)段),不能連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(不同網(wǎng)段)。3、什么是集線器?
集線器( hub )是工作在物理層、具有信號(hào)放大功能、以它為中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。即一個(gè)多端口的中繼器,以集線器為中心,連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)。廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù),也就是說(shuō),當(dāng)它要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)發(fā)送到與集線器相連的所有節(jié)點(diǎn)。由于集線器沒(méi)有控制功能,因此所有終端共享帶寬,同一時(shí)刻只能一個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù),多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生沖突。這時(shí),集線器、連接線纜以及連接在集線器上的終端設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)沖突域。于是采用 CSMA/CD 方式?jīng)Q定終端能否發(fā)送數(shù)據(jù)。4、什么是交換機(jī)?
集線器是從接收方收到的數(shù)據(jù),會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給所有非發(fā)送方端口,也就是簡(jiǎn)單的通過(guò)復(fù)制電氣信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送。但是交換機(jī)是通過(guò)學(xué)習(xí)連接的每個(gè)終端的 MAC 地址,將數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的目的終端上,避免將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)關(guān)端口,提供網(wǎng)絡(luò)利用率。這里說(shuō)的交換機(jī)都是二層交換機(jī)。如果是沒(méi)有學(xué)習(xí)到的 MAC 地址,或者想跟網(wǎng)段內(nèi)所有終端進(jìn)行通信,交換機(jī)會(huì)使用廣播方式,將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行泛洪。5、交換機(jī)如何學(xué)習(xí) MAC 地址?
交換機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)幀的源 MAC 地址,學(xué)習(xí)到交換機(jī)端口和 MAC 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并記錄到交換機(jī)的 MAC 地址表中。主機(jī) A 向主機(jī) D 發(fā)送數(shù)據(jù):A 發(fā)送數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀的源 MAC 地址是 11:11:11:11:11:11 ,目的 MAC 地址是 44:44:44:44:44:44 。交換機(jī)端口 1 收到數(shù)據(jù)幀,記錄源 MAC 地址和端口的對(duì)應(yīng)到 MAC 地址表項(xiàng)。交換機(jī)不知道目的 MAC 地址在哪個(gè)端口,于是將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行泛洪,即轉(zhuǎn)發(fā)到除端口 1 之外的所有端口。B 和 C 發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址不是自己,將丟棄數(shù)據(jù)幀。D 發(fā)現(xiàn)是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀,于是發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)幀,源 MAC 地址是 44:44:44:44:44:44 ,目的 MAC 地址是 11:11:11:11:11:11 。交換機(jī)端口 4 收到數(shù)據(jù)幀,記錄 D 的 MAC 地址表項(xiàng)。于是交換機(jī)知道了主機(jī) A 和主機(jī) D 的 MAC 地址信息,之后會(huì)根據(jù) MAC 地址表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)通過(guò)同樣的方式,可以學(xué)習(xí)到主機(jī) B 和主機(jī) C 的 MAC 地址。6、對(duì)比集線器,交換機(jī)有哪些優(yōu)點(diǎn)?
7、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀有哪些類型?
8、交換機(jī)如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀?
交換機(jī)收到數(shù)據(jù)幀后,會(huì)有三種處理方法:直通轉(zhuǎn)發(fā)、碎片隔離和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。
- 直通轉(zhuǎn)發(fā)
- 碎片隔離
- 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)
10、交換機(jī)的處理能力的指標(biāo)是什么?
交換機(jī)的處理能力也叫做背板容量或交換機(jī)容量。容量單位是 bit/s(比特每秒),值越大,說(shuō)明交換機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多。當(dāng)交換機(jī)的所有端口的總帶寬小于交換機(jī)的容量時(shí),交換結(jié)構(gòu)為非阻塞,即帶寬充裕,沒(méi)有等待處理的情況。反之,當(dāng)所有端口總帶寬超過(guò)交換機(jī)的容量時(shí),叫做交換機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)載。交換機(jī)是千兆端口時(shí),處理能力達(dá)到端口數(shù) × 2 × 1Gbit/s 的數(shù)值,就是非阻塞。其中 × 2 表示上行和下行都是 1Gbit/s 的全雙工通信。假如交換機(jī)有 24 個(gè)端口,背板容量到達(dá) 24 × 2 × 1G = 48Gbit/s ,就是非阻塞。11、根據(jù)功能分類,交換機(jī)有幾種類型?
交換機(jī)按照功能可以分為二層交換機(jī)和三層交換機(jī)。
- 二層交換機(jī)
- 三層交換機(jī)
根據(jù)外形,交換機(jī)可分為桌面式交換機(jī)、箱式交換機(jī)和機(jī)框式交換機(jī)。
- 桌面式交換機(jī)
- 箱式交換機(jī)
- 框式交換機(jī)
根據(jù)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的位置和用途,可分為三類:核心交換機(jī)(核心層)、匯聚交換機(jī)(匯聚層)和接入交換機(jī)(接入層)。14、交換機(jī)有幾種端口類型?
選擇交換機(jī)時(shí),需要根據(jù)實(shí)際的使用需求,以及具體的端口類型、端口數(shù)量和設(shè)備性能等參數(shù),決定購(gòu)買哪款交換機(jī)。
千兆以太網(wǎng)端口
大部分交換機(jī)都配置了 RJ-45 的千兆以太網(wǎng)接口,連接千兆接口要使用增強(qiáng)型 5 類雙絞線。通過(guò)自適應(yīng)功能,還可以連接百兆接口。光纖端口
箱式交換機(jī)會(huì)配置光纖端口,主要是用于連接上行鏈路。為了連接萬(wàn)兆以太網(wǎng)的上行鏈路,通常會(huì)搭載 SFP 接口。框式交換機(jī)中,一般會(huì)配置多個(gè)千兆以太網(wǎng) SFP 或萬(wàn)兆以太網(wǎng) SFP 接口的接口卡。PoE 端口
接入交換機(jī)還會(huì)配 PoE 端口。Poe 端口使用網(wǎng)線連接 IP電話或無(wú)線 AP ,并通過(guò)網(wǎng)線對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。為了讓 IP 電話或無(wú)線 AP 無(wú)需外接電源也能接入網(wǎng)絡(luò),通過(guò)一根網(wǎng)線給設(shè)備供電的技術(shù)就是 PoE 技術(shù)。PoE 技術(shù)有簡(jiǎn)化布線、節(jié)省人工成本,管理方便,使用靈活,安全等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛的應(yīng)用。PoE 技術(shù)作為 IEEE 802.af 在 2003 年完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作,這個(gè)技術(shù)還用于網(wǎng)絡(luò)攝像頭、POS 終端等連接以太網(wǎng)的硬件設(shè)備。- PoE( IEEE 802.3af ) PoE ( IEEE 802.3at )PoE ( IEEE 802.3bt )
上行鏈路端口
接入交換機(jī)和匯聚交換機(jī)要集中下行連接的所有設(shè)備流量,并將流量傳輸?shù)缴闲械木W(wǎng)關(guān)或核心交換機(jī)中,向網(wǎng)關(guān)、核心交換機(jī)傳輸流量的端口叫做上行鏈路端口,反向就叫做下行鏈路端口。在箱式交換機(jī)中一般會(huì)配置 2~4 個(gè)萬(wàn)兆上行鏈路端口。下行鏈路端口
通常下行鏈路是 RJ-45 的接口,也有使用光纖接口的。一臺(tái)交換機(jī)或一塊板塊,能提供 24 或 48 個(gè)接口。交換機(jī)堆疊
通過(guò)堆疊線纜可以把多臺(tái)交換機(jī)連接起來(lái),成為邏輯上的一臺(tái)交換機(jī)。15、交換機(jī)有哪些功能?交換機(jī)的完整功能說(shuō)明,可以查看官網(wǎng)的產(chǎn)品文檔,里面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。
MAC 地址數(shù)
MAC 地址數(shù)是指一臺(tái)交換機(jī)最大可以學(xué)習(xí)到的 MAC 地址表數(shù)量。生成樹(shù)功能
為了避免二層環(huán)路,我們使用生成樹(shù)協(xié)議( STP ),讓交換機(jī)知道對(duì)方的存在,具體做法是在交換機(jī)之間交換 BPDU 數(shù)據(jù)幀。詳情可看《圖解 STP 》和《圖解 RSTP 和 MSTP 》。鏈路聚合
鏈路聚合是將交換機(jī)的多條線路匯聚成一條邏輯線路在網(wǎng)絡(luò)中使用。有多個(gè)稱呼:端口聚合、鏈路捆綁、綁定等。如果不使用鏈路聚合功能,直接將交換機(jī)的多個(gè)物理端口連接起來(lái),可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。如果使用生成樹(shù)協(xié)議,又會(huì)避開(kāi)某些鏈路,導(dǎo)致只有一條物理鏈路可用。如果使用鏈路聚合,把幾條物理鏈路聚合成一條邏輯鏈路,即使某一條物理鏈路斷開(kāi),由于邏輯線路還有其它物理鏈路在維持,因此通信也不會(huì)中斷,到達(dá)線路冗余的效果。VLAN
將廣播域分割成一個(gè)個(gè)邏輯網(wǎng)段的功能叫做 VLAN 。端口鏡像
將某個(gè)端口接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀復(fù)制到鏡像端口的功能叫做端口鏡像,被復(fù)制的源端口叫做監(jiān)控端口。為了分析網(wǎng)絡(luò)故障或檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的流量,交換機(jī)會(huì)將收到的數(shù)據(jù)幀復(fù)制一份并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備或流量監(jiān)控設(shè)備中。QoS 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列
QoS 是 Quality of Service 的縮寫,也叫做服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí),根據(jù)通信種類控制通信優(yōu)先級(jí)和帶寬的功能。通常是將聲音、視頻等數(shù)據(jù)定義為高優(yōu)先級(jí),高優(yōu)先數(shù)據(jù)優(yōu)先處理,保障這類數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和低延遲。除了交換機(jī)在二層進(jìn)行的 QoS 控制外,還有路由器和三層交換機(jī)的三層( IP )的 QoS 控制,以及 TCP 進(jìn)行的四層的 QoS 控制。IEEE 802.1p 標(biāo)準(zhǔn)完成了對(duì)二層的 QoS 優(yōu)先級(jí)控制的標(biāo)準(zhǔn)化工作。通過(guò) 3bit 長(zhǎng)度的優(yōu)先級(jí)控制信息,定義了從 0 到 7 的 8 個(gè)優(yōu)先級(jí),即 CoS 值(服務(wù)等級(jí)值),交換機(jī)會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)值大的數(shù)據(jù)幀。MAC 地址過(guò)濾
為了網(wǎng)絡(luò)安全,只讓指定的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。二層交換機(jī)提供了以數(shù)據(jù)幀的頭部信息進(jìn)行過(guò)濾的功能。具體過(guò)程是,先設(shè)置一個(gè)過(guò)濾條件,比如目的 MAC 地址、源 MAC 地址等,滿足條件的數(shù)據(jù)幀通過(guò),阻斷不滿足條件的數(shù)據(jù)幀。考慮到偽造 MAC 地址的情況發(fā)生,還可以跟 802.1X 一起使用。三層交換機(jī)或路由器可以根據(jù) IP 頭部信息完成 IP 通信過(guò)濾的功能。基于端口的認(rèn)證
在交換機(jī)中,只有通過(guò)認(rèn)證的客戶端才能使用有線端口。這個(gè)功能由 IEEE 802.1X 完成標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)接入 LAN 的客戶端進(jìn)行認(rèn)證的機(jī)制。當(dāng) PC 連接交換機(jī)時(shí),認(rèn)證過(guò)程啟動(dòng)。根據(jù)發(fā)送方的 MAC 地址信息進(jìn)行客戶端識(shí)別,通過(guò)用戶名、口令或證書(shū)等認(rèn)證信息進(jìn)行用戶認(rèn)證。對(duì)于沒(méi)有認(rèn)證的客戶端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀,交換機(jī)只接收包含認(rèn)證信息的數(shù)據(jù)幀,其余的全部丟棄。對(duì)于認(rèn)證失敗的客戶端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀,交換機(jī)就直接丟棄不會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。要使用基于端口的認(rèn)證功能,客戶端的電腦和交換機(jī)都要支持 802.1X 認(rèn)證功能,缺一不可。802.1X 認(rèn)證中使用 PPP 的擴(kuò)展協(xié)議 EAP ,通過(guò) EAPOL 協(xié)議封裝 EAP 認(rèn)證消息,然后在 LAN 中進(jìn)行傳輸。認(rèn)證結(jié)束之前,客戶端電腦只能進(jìn)行 EAPOL 通信。網(wǎng)絡(luò)管理
遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控和配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以使用 SNMP 協(xié)議。SNMP 協(xié)議可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的交換機(jī)和其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中統(tǒng)一的管理。被 SNMP 管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備叫做 Agent ,管理網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備叫做 Manager 。16、交換機(jī)的架構(gòu)是由什么組成?交換機(jī)的基本架構(gòu)是由 RJ-45 接口、PHY 、MAC 等模塊的 NIC 和管理由 NIC 收發(fā)幀緩存、轉(zhuǎn)發(fā)表的軟件組成,通過(guò)查看轉(zhuǎn)發(fā)表信息,在 NIC 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)幀交互。- EOF -