专题5－交换机工作原理和虚拟局域网

本专题内容：
    通过学习本专题掌握交换机的工作原理、虚拟局域网的工作原理及其配置。
 
一、交换机原理
1、概述
九十年代初，随着计算机性能的提高及通信量的聚增，传统局域网已经愈来愈超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。与现在基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，网络交换机能显著的增加带宽。交换技术的加入，就可以建立地理位置相对分散的网络，使局域网交换机的每个端口可平行、安全、同时的互相传输信息，而且使局域网可以高度扩充。
2、三种交换技术
1）端×××换
端×××换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端×××换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。
2）帧交换
帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：
·直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。
·存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。
3）信元交换
ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”，ATM采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。
3、交换机的工作原理
以太网交换机的原理很简单，它检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC（介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。
4、交换式以太网技术的优点
交换式以太网不需要改变网络其它硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式交换机改变共享式HUB，节省用户网络升级的费用。
可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有100MBPS的端口，通过与之相对应的100MBPS的网卡接入到服务器上，暂时解决了10MBPS的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。
它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽，传统的共享式10MBPS/100MPS以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比如，一个16端口的以太网交换机允许16个站点在8条链路间通信。
特别是在时间响应方面的优点，使的局域网交换机倍受青睐。它以比路由器低的成本却提供了比路由器宽的带宽、高的速度，除非有上广域网（WAN）的要求，否则，交换机有替代路由器的趋势。
 
二、虚拟局域网技术与应用
交换技术的发展，允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节点，这就是用到所谓的虚拟局域网技术（VLAN）。用交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播区（交换机的所有端口）逻辑的分为若干个"子广播区"，在子广播区里的广播封包只会在该广播区内传送，其它的广播区是收不到的。VLAN通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的LAN基础设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑结构
1、虚拟局域网技术
交换式以太网使用透明桥接（Transparent Bridging）技术，该技术由IEEE 802.1协议给出明确的定义。所谓透明是针对主机而言的，主机不需要知道其他主机所在的位置，而交换机将负责把一个主机产生的数据帧传给另一个主机。
1）虚拟局域网工作原理
有很多企业在发展的初期，人员较少 ，因此对网络的要求也不高，而且为了节约成本，很多企业网都采用了通过路由器实现分段的简单结构，如图1所示。在这样的网络下，每一个局域网上的广播数据包都可以被该段上的所有设备收到，而无论这些设备是否需要。
图1 简单的网络分段
随着企业规模的不断扩大，特别是多媒体在企业局域网中的应用，使每个部门内部的数据传输量非常大。此外，由于公司发展中一些遗留下来的问题，使得一个部门的员工不能相对集中办公。更重要的是，公司的财务部门需要越来越高的安全性，不能和其他的部门混用一个以太网段，以防止数据窃听。这些新问题需要更灵活地配置局域网，因此就产生了虚拟局域网（Virtual LAN）技术。
VLAN概念的引入，使交换机承担了网络的分段工作，而不再使用路由器来完成。VLAN的经典拓扑结构见图2。VLAN具有控制广播、安全性高和灵活性及可扩展性等技术优势。

图2 VLAN的网络分段
通过使用VLAN，能够把原来一个物理的局域网划分成很多个逻辑意义上的子网，而不必考虑具体的物理位置，每一个VLAN都可以对应于一个逻辑单位，如部门、车间和项目组等。由于在相同VLAN内的主机间传送的数据不会影响到其他VLAN上的主机，因此减少了数据交互的可能性，极大地增强了网络的安全性。
2）VLAN的设置命令
在Cisco系列交换机中，如果配置VLAN，一般常用以下命令。
  • 创建一个VLAN。命令如下：
set vlan vlan-num [name name]
  • 把某个端口划分给一个VLAN。命令如下：
set vlan {vlan}{mod/port}
2、链路聚合技术
1）链路聚合工作原理
链路聚合（Trunk）是一种封装技术，它是一条点到点的链路，链路的两端可以都是交换机，也可以是交换机和路由器，还可以是主机和交换机或路由器。Trunk的主要功能就是仅通过一条链路就可以连接多个VLAN，请和图2 进行比较，很明显，在2个交换机之间节省了2条链路，如图3所示。
图3
Trunk封装可以有以下方式。
a、ISL（Inter-Switch Link）
ISL是Cisco公司的专有封装方式，因此仅在Cisco的设备上支持。ISL会在原来的帧上再添加一个26字节的帧头和4个字节的帧尾，帧头中包含了VLAN的信息，帧尾中包含循环校验码CRC，以保证新帧的数据完整性。ISL主要用在以太网上。
b、IEEE 802.1Q
这是一个有关Trunk封装方式的标准，很多厂商的设备都支持这个标准。和ISL不同，IEEE 802.1Q是在数据帧的中间位置加上4个字节的标识，前2个字节是标记协议标识（Tag Protocol Identifier，TPID），0x8100代表IEEE 802.1Q，后2个字节为标记控制信息（Tag Control Information，TCL），其中就包含了VLAN的信息。
c、LAN 仿真
该封装方式主要用在ATM链路上，在此不做详细介绍。
d、IEEE 802.10
Cisco提供了在标准的IEEE 802.10 FDDI帧上传送VLAN的信息。该信息就放在IEEE 802.10帧的安全联合标识（Security Association Identifier，SAID）域中。
2）设置Trunk方式
把某个端口设成Trunk方式。命令如下：
set trunk mod/port [on | off | desirable | auto | nonegotiate] [vlan_range] [isl | dot1q dot10 | lane | negotiate]
该命令可以分成以下4个部分：
  • mod/port：指定用户想要运行Trunk的那个端口；
  • Trunk的运行模式，分别有：on | off | desirable | auto | nonegotiate。要想在快速以太网和千兆以太网上自动识别出Trunk，则必须保证在同一个VTP域内。也可以使用On或Nonegotiate模式来强迫一个端口上起Trunk，无论其是否在同一个VTP域内，见表1；
  • 承载的VLAN范围。缺省下是1～1005，可以修改，但必须有1；
  • Trunk协议。使用Trunk时，相邻端口上的协议要一致。
3、VTP协议
VTP是一种通过Trunk来进行VLAN管理的协议，属于Client/Server方式。首先，VTP包含域的概念，只有处在同一个域内的交换机才构成一个管理体系。其次，对于整个域内VLAN的添加和删除都是在服务器端完成的。修改的结果通过Trunk发给客户端，客户端的VLAN数据库也会发生相应的变化，也就是说，客户端内的VLAN数据库总是与服务器端的VLAN数据库保持一致（同步）。出于安全的考虑，整个VTP域还添加了口令认证的功能，只有认证通过，客户端交换机内的VLAN数据库才与服务器端进行同步。所需要用到的命令如下：
set vtp [domain domain_name] [mode {client | server | transparent}] [passwd passwd]
[pruning{enable | disable}] [v2 {enable | disable}]