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  • 交换机运行原理图
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    2020-05-19 22:51:21

    一、二层交换机

    1、基本作用

    交换机工作在二层,可以用来隔离冲突域,在OSI参考模型中,二层(数据链路层)的作用是寻址,这边寻址指的是MAC地址,而交换机就是对MAC地址进行转发,在每个交换机中,都有一张MAC地址表,这个表是交换机自动学习的,所以,总得来说交换机的作用是寻址和转发。

    2、基本功能

    (1) 无限的传输距离
    (2)提高端口密度—可以增加更多的接口
    (3) 彻底解决了冲突—所有的接口可以同时收发数据
    (4) 二层单播—物理寻址,在一个交换网络内,实现一对一通讯,保障了数据的安全,减少了垃圾数据量,降低的转发延时;

    3、工作原理

    转发机制:

    1. 流量进入交换机后,先识别数据帧中的源MAC地址,然后将该MAC地址与该流量的进入接口进行绑定、记录,生成MAC地址表——再转换为CAM表
    2. 然后查看数据帧中的目标MAC地址,在CAM表中寻找对应的记录,若存在记录,按记录接口单播转发;
    3. 若没有记录将洪泛该流量; 洪泛——除流量的入口外其他所有出口复制;
    4. 默认CAM在一个mac最后出现之后300s将被删除;

    注:MAC地址表和CAM的区别------CAM是将MAC表中的MAC地址+接口编号+vlanid转换为hash值,再转换为二进制;意义在于识别更快;

    二、三层交换机

    三层交换机与二层交换机相比是可以处理三层数据的,可以识别三层数据包.
    一次路由,多次交换”基本概括了三层交换机的原理,通过这句话可以把三层交换机剖析清楚。

    1、工作原理
    • 当一个三层数据包进入三层交换机以后,会查看路由表,即“一次路由”,查找出接口和下一跳,之后会找到下一跳的MAC地址,进行二层封装的变换,和三层设备即路由器的本质是一样的(三层的本质:是把一个子网的MAC迁移到另外一个子网,不同子网的MAC不可能会出现在同一个包的源目MAC上,把原有的二层封装去掉,封装上新的MAC地址,源是出接口的MAC地址,目的是下一跳的MAC地址,此时新的二层封装形成,数据包转发出设备),完成一次“路由器”的工作
    • 如果找不到下一跳的MAC地址,进行ARP洪范,再找不到就丢弃。在做二层封装的时候,因为有目标MAC的存在,所以也可以说是三层的目标IP最后会映射到目标MAC上,此时会形成一个目标IP和封装目标MAC的映射,而三层交换机具有二层交换机的功能,则此时就形成了三层到二层的一个映射,转发一定是要找到接口,通过IP找到MAC,通过MAC找到对应出接口,这就相当于形成了一个IP的MAC表,那么三层IP进来以后就直接会找到对应的出接口,数据包就不需要再查看数据表,只需要变换一次二层封装就可以了。
    2、工作过程

    三层路由器的工作顺序就是:数据包进来—查看路由表—变换二层封装—数据包出去,三层交换机帮助路由器节约了一步,就是查看路由表的步骤,此步骤的省略会节约大量的时间,简化工作过程,即“多次交换”,一个IP对应一个接口,就和二层交换机的MAC表有一些类似了,是一种交换能力,省略了路由器递归查找的环节,这就是三层交换机的工作过程。

    总的来说,三层交换机最突出的地方就是

    • “一次路由,多次交换”
    • 第一次路由本质上找到了IP和接口的对应关系
    • 直接利用IP和接口的对应关系进行数据交换,省掉了查找路由表的环节。

    注:本质上三层交换机和路由器还是有一些区别的,三层交换机因为帮助路由器省掉了查找路由表的环节,所以工作速度会比路由表快

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    一.数据链路层功能

    数据链路层负责网络中相邻节点之间可靠的数据通信,并进行有效的流量控制。在局域网中,数据链路层使用帧完成主机对对等层之间数据的可靠传输。数据链路层在物理线路上提供可靠的数据传输,对网络层而言为一条无差错的线路
    1.数据链路的建立、维护与拆除
    物理地址、网络拓扑
    2.帧包装、帧传输、帧同步
    组帧:把数据封装在帧中,按顺序传送
    定界与同步:产生/识别帧边界。
    3.帧的差错恢复
    差错恢复:采用重传的方法进行。
    4.流量控制
    流量控制及自适应:确保中间传输设备的稳定及收发双方传输速率的匹配。

    二.以太网发展史

    1983年6月,IEEE标准委员会通过了第一个802.3标准。
    IEEE于1990年9月通过了使用双绞线介质的以太网(10Base-T)标准,该标准很快成为办公自动化应用中首选的以太网技术
    1991~1992年,Grand Junction网络公司开发了一种高速以太网,这种网络的基本特征,如帧格式、软件接口、访问控制方法等,与以往的以太网相同,但其运行速率可高达100Mb/s
    在快速以太网的官方标准提出后不到一年,对千兆以太网的研究工作也开始了,这种网络的速率可达到1000Mb/s。1996年,IEEE802.3成立了一个标准开发任务组,1998年完成并通过了该标准。

    三.以太网

    1.以太网MAC地址

    计算机联网必须的硬件是安装在计算机上的网卡
    通信中,用来标识主机身份的地址就是制作在网卡上的一个硬件地址。每块网卡在生产出来后,除了具有基本的功能外,都有一个全球唯一的标号来标识自己,这个地址就是Mac地址,即网卡的物理地址。
    在这里插入图片描述

    MAC地址是由48位二进制数组成,通常分为六段,用十六进制来表示,如:00-D0-09-A1-D7-B7
    其中前24位是生产厂商向IEEE申请的厂商编号,后24位是网络接口卡序列号
    MAC地址的第8位位0时,表示该MAC地址为单播地址;为1时,表示该MAC地址为组播MAC地址。一块物理网卡的地址一定是一个单播地址,也就是第8位一定为0;组播地址是一个逻辑地址,用来表示一组接收者,而不是一个接收者。
    单播:一对一
    组播:一对列

    2.Ethernet Ⅱ帧格式

    前导码(7字节),帧起始的界符(1字节),目的地址(6字节),源地址(6字节),类型(2字节),数据(46-1500字节),帧校验序列(4字节)
    在这里插入图片描述

    1.前导码(Preamble)包含8字节。前7字节的值为0xAA,而最后1字节的值为0xAB。在DIX以太网中,前导码被认为是物理层封装的一部分,而不是数据链路层的封装。
    注:前导码作用是使目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步。紧接着是帧开始分界符字节“10101011”,用于指示帧的开始。前导码和起始码定界符是为了隔离每个以太网帧的,也是定位符。
    2.目的地址(DA)包含6字节,DA标识了帧的目的站点的MAC地址。DA可以是单地址(单个目的地)、组播地址(组目的地)或广播地址。
    3.源地址(SA)包含6字节,SA标识了发送帧的站点的MAC地址。SA一定是单播地址(即第8位是0)
    4.类型域包含2字节,用来标识上层协议的类型,如:0800H标识IP协议;0806H表示ARP协议
    5.数据域包含46~1500字节,数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。由于CSMA/CD算法的限制,以太网帧不能小于某个最小长度。高层协议要确保这个域至少包含46字节。如果实际数据不足46字节,则高层协议必须执行某些填充算法。数据域长度的上限是任意的,但已经被设置为1500字节。
    6.帧校验序列(FCS)包含4字节,FCS是从DA开始到数据域结束这部分的校验和。校验和的算法是32位的CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验法)。

    三.交换机工作原理

    查看MAC地址表,如果没有接口和MAC地址对应则广播数据帧
    查看MAC地址表,如果有接口和MAC地址对应则直接单播
    Mac地址表老化时间300s,如果老化时间以内Mac地址产生变化则重新刷新这个时间

    1.交换机工作原理:

    1.基于源Mac地址学习
    2.基于已知目标Mac地址转发
    3.当目标Mac地址未知时,泛洪处理
    4.交换机收到广播/组播帧时,无条件泛洪处理
    5.交换机一个接口可以学习多个Mac地址
    6.交换机学习到同一个Mac地址,但是是从不同的端口学习到的,此时,将此Mac与后学习到的端口绑定起来。

    2.交换机接口工作模式

    单工:两个数据站之间只能沿单一方向传输数据,类似于麦克风和扬声器
    半双工:半双工数据传输使两个数据之间可以实现双向数据传输,但不能同时进行,类似于对讲机
    全双工:全双工数据传输是在两个数据之间可双向且同时进行数据传输的模式

    接口速率:
    在IEEE802.3标准中已经明确定义以太网的通信速率,而且各厂商生产的设备完全遵循这些标准,但问题是不同设备往往遵循不同的标准。

    展开全文
  • 交换机工作原理

    2022-03-06 19:30:08
    文章目录前言一、认识交换机二、交换机运行原理1.引入库2.读入数据总结 前言 提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考 一、认识交换机 二、交换机运行原理 1.引入库 2.读入数据 总结 ...


    前言

    认识数据链路层的功能
    处于网络层与物理层之间,通过数据链路层协议就,负责数据的传输,单位是帧Frame,对网络层回应无差错的线程
    功能:

    1. 数据链路的建立、维护与拆除(物理地址、网络的简单拓扑:网线、网卡)
    2. 帧包装、帧传输、帧同步(也称为了组帧)把数据包装在帧里面,再按照顺序发送
      定界与同步:产生/识别帧边界
    3. 帧的差错恢复
      采用重传的机制方法,发现数据有误要求重新发送
    4. 流量控制
      流量控制及自适应:确保数据匹配传输稳定和手法双方的传输速率匹配

    一、以太网MAC地址

    是用来识别一个以太网上的某个单位单独的设备(或者一组设备)

    以太网MAC地址:(48位二进制数组成,通常分为6段,由十六进制表示)

    	例如:08-00-5a-e3-93-6c		#IBM
    		 00-00-0c-be-b6-42		#CISCO
    		 前3段24比特是供应商标识,后3短24比特是供应商对网卡的唯一编号
    		 其中0表示物理地址(单播地址),1表示逻辑地址(组播地址)
    

    用来识别一个以太网的某个单独的设备或一组设备(全球唯一
    广播:一对多
    单播:一对一
    组播:一对组 #交换机原理

    前导码帧其实界定符目的地址源地址类型数据真校验序列码
    7字节1字节6字节6字节2字节46~1500字节4字节
    用于数据传输过程中的双方发送与接收的速率的同步用于标识以太网帧的开始帧的接收者帧的发送者帧中数据的协议类型需要传输的数据通过循环冗余校验法检验数据与填充字段
    	前导码:排列数据,到目的时进行校验,前导码不正确则要求重新发送
    	目的/源地址:IP/MAC
    	类型:用来标识上层协议
    	数据:上层数据
    	帧校验序列:是否正确(循环冗余校验法)
    		#检测、发送目标地址+源地址+数据 是否正确
    

    二、交换机的运行原理

    1、交换机的转发原理

    在这里插入图片描述

    2、交换机工作原理

    1. 初始状态
    2. 学习MAC地址
    3. 当目标MAC地址未知时,泛洪(广播)处理
    4. 交换机收到广播(组播帧)时,无条件泛洪处理 #交换机的一个接口可以学习多个MAC地址
    5. 交换机从不同端口学习到同一个MAC地址时,可以与该端口绑定
    6. 交换机MAC地址表每300s更新一次

    3、交换机以太网接口的工作模式

    单工:两个数据站之间只能沿单一方向传输数据
    半双工:两个数据之间可以双向数据传输,但不能同时进行
    全双工:两个数据之间可双向且同时进行数据传输

    交换机以太网接口速率:接口连接时进行协商;协商失败则无法正常通信。

    以太网的配置一般通过软件进行连接,常用的连接方式为CRT连接Xshell连接,其中端口号可以通过属性来进行查询。

    在这里插入图片描述

    4、交换机的命令行配置

    4.1命令行的层次关系

    用户模式:查看统计信息
    特权模式:查看并修改设备信息的配置
    全局模式:针对整个交换机修改配置参数
    接口模式:针对设备的接口修改配置参数

    4.2命令行的帮助

    	“?”的使用:显示命令、显示参数、命令列表
    	Tab键:补齐命令、提示命令
    	快捷键: <Ctrl-A>光标移动到命令行的开始位置
    			<Ctrl-C>光标移动到命令行结束的位置
    

    4.3华为的常用命令

    	system-view 				转换用户
    	display history-command 	显示历史命令
    	sysname + name  			重命名
    	display version 			显示状态
    	display users 				显示用户终端信息
    	interface Ethernet 0/0/1  		进入接口模式并查看信息
    	dis(display) this 			显示当下配置信息
    	quit						退出(用户模式)
    	save						保存
    	display saved-configuration  	查看设备保存信息
    	display current-configuration	 查看设备当前配置的信息
    	reset saved-configuration 	擦书存储设备的配置文件(初始化)
    	compare configuration 		比较当前配置信息与存储设备中的保存文件是否一致
    	undo info-center enable 		#(系统)关闭华为的信息提示中心
    	undo terminal monitor		#(用户模式)关闭信息提示中心
    	user-interface console 0 		永不超时
    	idle-timeout 0 0			不设上限时间
    	int e0/0/1					进入
    	undo negotiation			关闭自动协商
    	speed 100				配速率100M
    	duplex full ?				全双工半双配置
    		#full:full-duplex  全双工		half:half-duplex 半双工
    	user-interface vty 0 4		0是初始值,4是结束值,表示可以同时打开5个会话进入交换机去配置命令
    	authentication-mode password	设置用户密码模式
    	user privilege level 3			用户权限级别3
    

    总结

    数据链路层的功能:链路的建立、维护与拆除
    以太网帧格式的组成:前导码、起始界定符、目的地址、源地址、类型、数据、帧校验序列
    交换机通过MAC地址学习,进而实现单播转发
    交换机的4中工作模式:用户、特权、全局、接口模式
    交换机的命令配置管理

    展开全文
  • 三层交换机的工作原理以及工作过程二、eNSP实例演示三、总结 一、三层交换技术 1.三层交换技术概述 三层交换技术用来实现不同VLAN之间的通信 三层交换 = 二层交换 + 三层转发 三层交换机通过硬件来交换和路由选择...

    一、三层交换技术

    1.三层交换技术概述

    • 三层交换技术用来实现不同VLAN之间的通信
    • 三层交换 = 二层交换 + 三层转发
    • 三层交换机通过硬件来交换和路由选择数据包

    作用:鉴于单臂路由的缺点较大,三层交换技术的产生是为了替代单臂路由,在实现不同VLAN间通信的同时,减少问题发生的概率。

    2.三层交换技术的实现方式

    1. 传统的MLS
    当三层设备接收到一个数据帧,会拆除原数据帧,重新封装新的源MAC地址和目标MAC地址,并且因为帧头部的信息发生变化,最后的帧校验CRC也应当随之改变。

    在这个流中的多个数据包,其中只有第一个数据包是由三层交换机的三层引擎来处理的,处理的方式是软件方式,与路由器相同,三层引擎获取了新的2层封装信息后,路由这个数据包。

    在第一个数据包转发完成后,在硬件中创建一个MLS条目用于后续的数据包由硬件执行的重新封装和快速转发。2层数据帧会被重新封装为需要转发的下一个网段的帧格式。
    这就是MLS“一次路由,多次交换"的原理。

    2.基于CEF的MLS
    CEF是一种基于拓扑的转发模型,可预先将所有路由选择信息加入到转发信息库(FIB)中,这样,交换机就能够快速查找路由选择信息。

    CEF主要包含两个转发用的信息表:

    • 转发信息库(FIB):比路由表更详细细,会记录通信过的主机IP。FIB类似于路由表,包含路由表中转发信息的镜像。当网络的拓扑发生变化时,路由表将被更新,而FIB也随之变化。第3层引擎和硬件交换组件都维护一个FIB。

    • 邻接关系表:它会记录通信过的主机及MAC地址。在网络中,如果两个节点之间在数据链路层只有一跳,则它们彼此相邻,除FIB外,CEF还使用邻接关系表中储存第2层编址信息。

    基于CEF的MLS与传统的MLS对比:

    • 传统的MLS每个数据流的第一个数据包都要进行路由。

    • 基于CEF的MLS在第一次路由后,就会在邻接关系表和FIB表中保存目标信息,那么有数据需要转发时,就可以直接用硬件查找邻接关系表和FIB表。

    3.三层交换机的工作原理以及工作过程

    原理:

    1. 当一个数据包进入三层交换机以后,会查看路由表,即“一次路由”,查找出接口和下一跳,之后会找到下一跳的MAC地址,进行二层封装的变换,和三层设备即路由器的本质是一样的(三层的本质:是把一个子网的MAC迁移到另外一个子网,不同子网的MAC不可能会出现在同一个包的源目MAC上,把原有的二层封装去掉,封装上新的MAC地址,源是出接口的MAC地址,目的是下一跳的MAC地址,此时新的二层封装形成,数据包转发出设备),完成一次“路由器”的工作
    2. 如果找不到下一跳的MAC地址,进行ARP洪范,再找不到就丢弃。在做二层封装的时候,因为有目标MAC的存在,所以也可以说是三层的目标IP最后会映射到目标MAC上,此时会形成一个目标IP和封装目标MAC的映射,而三层交换机具有二层交换机的功能,则此时就形成了三层到二层的一个映射,转发一定是要找到接口,通过IP找到MAC,通过MAC找到对应出接口,这就相当于形成了一个IP的MAC表,那么三层IP进来以后就直接会找到对应的出接口,数据包就不需要再查看数据表,只需要变换一次二层封装就可以了。

    工作过程:

    数据包进 ➡ 查看路由表 ➡ 更换二层封装 ➡ 数据包出

    三层交换机省略了查看路由表的步骤,从而简化了工作过程,这就是三层交换机的工作过程。

    二、eNSP实例演示

    拓扑图如下:
    在这里插入图片描述

    和之前的单臂路由实验的拓扑图差不多,只是将路由器换成了三层交换机。

    PC1配置:
    在这里插入图片描述

    PC2配置:
    在这里插入图片描述

    PC3配置:
    在这里插入图片描述

    SW1配置:

    <Huawei>sys
    [Huawei]sys SW1
    [SW1]undo info-center enable 
    [SW1]vlan batch 10 20 30
    [SW1]int e0/0/1
    [SW1-Ethernet0/0/1]p l a
    [SW1-Ethernet0/0/1]p d v 10
    [SW1-Ethernet0/0/1]int e0/0/2
    [SW1-Ethernet0/0/2]p l a
    [SW1-Ethernet0/0/2]p d v 20
    [SW1-Ethernet0/0/2]int e0/0/3
    [SW1-Ethernet0/0/3]p l a
    [SW1-Ethernet0/0/3]p d v 30
    [SW1-Ethernet0/0/3]int e0/0/4
    [SW1-Ethernet0/0/4]p l t
    [SW1-Ethernet0/0/4]p t a v a
    

    SW2配置:

    <Huawei>sys
    [Huawei]sys SW2
    [SW2]vlan batch 10 20 30
    [SW2]int Vlanif 10
    [SW2-Vlanif10]ip add 192.168.10.1 24
    [SW2-Vlanif10]int vlan20
    [SW2-Vlanif20]ip add 192.168.20.1 24
    [SW2-Vlanif20]int vlan30
    [SW2-Vlanif30]ip add 192.168.30.1 24
    [SW2-Vlanif30]int g0/0/1
    [SW2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk
    [SW2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan all
    

    连通性测试:

    PC1 ping PC2:
    在这里插入图片描述

    PC1 ping PC3:
    在这里插入图片描述

    PC2 ping PC3:
    在这里插入图片描述

    三、总结

    • Vlanif 接口是在三层交换机上虚拟出来三层口,用来充当不同vlan下主机的网关,从而实现不同vlan之间的通信。
    • 三层交换=二层交换+三层转发
    • 三层交换机通过硬件来交换和路由选择数据包
    • 三层交换机是无法替代路由器的,因为路由器的主要功能是查询路由表,计算最优路由,转发数据,而三层交换机是做不到这点的,所以,一个成熟的网络架构,是不能没有路由器的。
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