第五章交换机的基本配置

1.交换机的数据转发方式 以太网交换机的数据交换与转发方式可以分为直接交换、存储转 发交换和改进的直接交换3类。
（1）直接交换
（2）存储转发交换
（3）改进的直接交换
2.交换机的数据转发规则 交换机转发数据帧时，遵循以下规则： 数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所 有端口转发（除数据帧来的端口）。
方式运作，直到分组到达接收端。
分组交换方式可以分为数据报(Datagram)交换和虚电路 (Virual Circuit)交换两种方式。前者和报文交换比较相似， 是一种无连接方式，数据的每一段通过网络单独发送至目 标设备，在目标设备通过数据包汇编程序将数据重新组合 在一起。后者和电路交换比较相似，是一种面向连接的方 式，但连接是虚拟的，通过这种方式可以利用物理介质进 行多路通信，如图5-3所示是分组交换的两种方式的示意 图。
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图5-12 基于交换机数据端口的级联
级联方式是组建大型LAN的最理想的方式，可以综 合各种拓扑设计技术和冗余技术，实现层次化网络 结构，被广泛应用于各种局域网中。但为了保证网 络的效率，一般建议层数不要超过4层。
2.堆叠 堆叠是指将一台以上的交换机组合起来共同工作， 以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。多台交 换机经过堆叠形成一个堆叠单元。一个堆叠单元内 的多台交换机之间的距离非常近，一般不超过几米， 堆叠一般采用专用的堆叠模块和堆叠电缆。一般来 说堆叠必须在可堆叠的同类型交换机(至少应该是同 一厂家的交换机)之间进行。如图5-13实现了四台交 换机的堆叠。
5.2 交换机概述
交换机（Switch）是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据 包功能的网络设备。交换机拥有一个共享内存交换矩阵，用来将 LAN分成多个独立冲突段并以全线速度提供这些段间互连。数据帧 直接从一个物理端口送到另一个物理端口，在用户间提供并行通 信，允许不同用户对同时进行传送。交换机的出现解决了连接在 集线器上的所有主机共享可用带宽的缺陷。交换机的主要功能包 括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控，VLAN、 链路汇聚等。交换机根据数据帧的MAC（Media Access Control） 地址（即物理地址）进行数据帧的转发操作。
下一个节点，然后当前节点再呼叫下一个节点，依次这样
，可建立电路BCD，最后，节点D完成到站点H4的连接 。这样A与D之间就有一条专用电路A-B-C-D，用于站点
H1与站点H4之间的数据传输。
数据传输
电路A-B-C-D建立以后，数据就可以从A发送到B，再经 B和C传到D；D也可以经C和B向A发送数据，如图5-1所 示的传输段。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须 始终保持连接状态。
。 图5-10 模块化的交换机
5.2.2 交换机的连接
当网络中主机数目很多时，采用一个交换机已经不 能满足网络中所有主机的连入时，通常采用多个交 换机的连接，实现增加网络端口的目的。交换机之 间的连接有以下几种类型。 1.级联 级联扩展模式是最常规、最直接的一种扩展模式。 交换机的级联根据交换机的端口配置情况又有两种 不同的连接方式： （1）基于“UpLink”端口的级联 如果交换机备有“UpLink（级联）”端口，则可直 接采用这个端口进行级联。在级联时，上一级交换 机中要连到交换机的普通端口，下层交换机则连到 专门的“UpLink（级联）”端口，如图5-11所示。
6.按端口结构划分 按端口结构来分，交换机大致可分为：固定端口交 换机和模块化交换机两种不同的结构。 固定端口交换机带有的端口数量固定，一般的端口 标准是8端口、16端口、24端口、48端口等。在工 作组中应用较多，一般适用于小型网络、桌面交换 环境。模块化交换机拥有更大的灵活性和可扩充性， 用户可任意选择不同数量、不同速率和不同接口类 型的模块，以适应千变万化的网络需求。如图5-10 是一款模块化的交换机产品
3.按工作的协议层次分类 （1）二层交换机 （2）三层交换机 （3）四层交换机 （4）七层交换机
4.从应用规模上划分 从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作 组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来 讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式 （插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机 为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模 来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业 应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型 企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的 交换机为工作组级交换机。
经存在该源地址的匹配表项，仅当匹配表项不存在时才能存储该表项。每
一条地址表项都有一个时间标记，用来指示该表项存储的时间周期。地址 表项每次被使用或者被查找时，表项的时间标记就会被更新。如果在一定
的时间范围内地址表项仍然没有被引用，它就会从地址表中被移走。因此，
MAC地址表中所维护的一直是最有效和最精确的MAC地址/端口信息。
5.1数据交换基本方式
5.1
常见的数据交换方式可分为电路交换，报文交换和分组交换。
5.1.1 电路交换
电路交换(Circuit Switching)，是一种直接的交换方式，采用电 路交换技术进行数据传输期间,在源节点与目的节点之间有一条利 用中间节点构成的专用物理连接线路,直到数据传输结束。
电路交换过程需要经过三个阶段： 电路建立 数据传输
（1）若某用户有发送报文需求，则需要先把拟发送的信息加 上报文头，包括目标地址和源地址等信息，并将形成的报 文发送给交换机。当交换机中的通信控制器检测到某用户 线路有报文输入时，则向中央处理机发送中断请求，并逐 字把报文送入内存器。 （2）中央处理机在接到报文后可以对报文进行处理，如分析 报文头，判别和确定路由等，然后将报文转存到外部大容 量存储器，等待一条空闲的输出线路。 （3）一旦线路空闲，就再把报文从外存储器调入内存储器， 经通信控制器向线路发送出去。 按照上面的步骤，报文从一个节点被传到下一个节点，每个 节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然 后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传 送给下一个节点。报文交换的过程如图5-2所示。
交换机的MAC地址表中，一条表项主要由一个主机MAC地址和该地址所位于
的交换机端口号组成。整张地址表的生成采用动态自学习的方法，即当交 换机收到一个数据帧以后，将数据帧的源地址和输入端口记录在MAC地址表
中。思科的交换机中，MAC地址表放置在内容可寻址存储器（ContentAddress able Memory，CAM）中，因此也被称为CAM表。 当然，在存放MAC地址表项之前，交换机首先应该查找MAC地址表中是否已
图5-11 基于“UpLink”端口的级联 这种级联方式性能比较好，因为级联端口的带宽通常较高 。交换机间的级联网线必须是直通线，不能采用交叉线， 而且每端网络不能超过双绞线单段网线的最大长度－100 米。
（2）基于数据端口的级联 如果交换机没有“UpLink（级联）”端口，那也可 以采用交换机的普通端口进行交换机的级联，但这 种方式的性能稍差，因为下级交换机的有效总带宽 实际上就相当于上级交换机的一个端口带宽。级联 方式如图5-12所示。但这时交换机的连接端口都是 采用交换机普通端口，交换机间的级联网线必须是 交叉线，不能采用直通线，同样单段长度不能超过 100米。
第5 章
交换机的基本配置
本章要求


理解电路交换、报文交换、分组交换的工 作原理及特点； 理解交换机的数据转发方法及基本过程； 了解交换机的基本分类方式； 掌握交换机的级联和堆叠方式； 掌握交换机的基本配置； 掌握VLAN的划分方式； 掌握VLAN间路由的实现方式； 掌握交换机的密码恢复方法； 掌握交换机的IOS升级方法。
图5-1 电路交换方式
5.1.2 报文交换
报文交换（Message Switching）是一种典型的存储交换方式。 “存储交换”是指数据交换前，先通过缓冲存储器进行缓存，然后 按队列进行处理。报文交换的基本思想是先将用户的报文存储在交 换机的存储器中，当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接 收交换机或用户终端，报文交换适合公众电报等。 报文交换的数据传输单位是报文，报文指的是站点一次性要发送出 去的数据块，它由报头和报体组成。报头中包含目的端地址、源端 地址以及其它附加信息，报体就是要传输的数据。报文长度不限并 且可以改变。实现报文交换的步骤如下：
图5-2 报文交换方式 报文交换的电路利用率高。在传送报文时，一个时刻仅占用一段 通道，多个报文可以分时共享两个节点之间的通道。报文交换还 可以把一个报文发送到多个目的地，并且进行速度和代码的转换。 它的缺点是延时长，不宜用于实时通信或交互通信。
5.1.3 分组交换
分组交换(Packet Switching)是数据交换的另一种非常重要的方
电路拆除。
电路建立：
通信双方在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立
一条端到端的电路。如图5-1所示的建立段，若站点H1要
与站点H4连接，其做法是，站点H1先向与其相连的节点 A提出请求，然后节点A在通向节点D的路径中找到下一 个支路。比如节点A选择经节点B和节点C的电路，在此 电路上分配一个未用的通道，并告诉当前节点它还要连接
电路拆除
通信双方在数据传输结束后，由其中一方（A或D）发出 拆除请求，然后逐节拆除到对方节点，用来释放该连接占 用的专用资源。如图5-1所示的拆除段。 电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速,数据不会丢 失且保持原来的序列。缺点是在某些情况下,电路空闲时 的信道容量被浪费.另外,如数据传输阶段的持续时间不长 的话,电路建立和拆除所用的时间就得不偿失。因此,它适 用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。这种通信 方式的计费方法一般按照预订的带宽、距离和时间来计算 。
数据帧的目的地址是单播地址，但是这个地址并不在交换机的
MAC地址表中，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）。 数据帧的目的地址在交换机的MAC地址表中，那么就根据MAC地
址表转发到相应的端口。
数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢 弃这个数据帧，交换也就不会发生。
3.交换机地址管理机制
图5-3 分组交换方式
在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换， 经交换机处理后，很容易实现不同速率、不同规程的终端间通信。 分组交换的特点主要有：
(1）提高了信道的利用率，改变了电路交换方式独占信道的方式。
(2）不同种类的终端可以相互通信。 (3）信息传输可靠性高。 (4）分组多路通信。 (5）计费与传输距离无关。
5.按网络构成方式分类 按网络构成方式，交换机被划分为接入层交换机、汇聚 层交换机和核心层交换机。 核心层交换机全部采用机箱式模块化设计，已经基本上 都设计了与之相配备的1000Base-T模块。接入层支持 1000Base-T的以太网交换机基本上是固定端口式交换 机，以10/100M端口为主，并且以固定端口或扩展槽方 式提供1000Base-T的上联端口。汇聚层1000Base-T交 换机同时存在机箱式和固定端口式两种设计，可以提供 多个1000Base-T端口，一般也可以提供1000Base-X等 其他形式的端口。接入层和汇聚层交换机共同构成完整 的中小型局域网解决方案。
5.2.1 交换机的分类
交换机的种类繁多，从不同角度出发可分成很多类 型，常见的分类方式如下： 1.按网络覆盖范围分类 按照网络的覆盖范围，交换机可以分为两种： 局域网交换机和广域网交换机。
2.按传输速率分类 （1）SOHU交换机 （2）快速以太网交换机 （3）千兆以太网交换机
（4）万兆以太网交换机
式。数据通信带有很强的随机性和突发性，使用电路交换方式对 信道的浪费太大，所以提出分组交换方式。它是将用户发送的信 息分割成定长的数据段，在每个数据段的前后加上控制信息和收、 发地址信息，形成分组，在网络中传输。分组的传送使用“存储转发”方式，即分组到达下一个节点的时候先保存下来，等到系 统选择到其对应传输节点的时候再将数据转发出去，一直按这种