第五章交换机的基本配置模板
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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
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。
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。
（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。
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：
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）。
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
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。
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
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wenku.baidu.com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。
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。
5.2.1 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
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。
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
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
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。
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
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。
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 。
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。
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。
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5-10 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。
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。
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。
（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。
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：
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）。
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
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。
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
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wenku.baidu.com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。
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。
5.2.1 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
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。
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
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
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。
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
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。
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 。
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。
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。
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5-10 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。