《计算机网络与通信》课件-项目4 组建交换式以太网

学习目标知识目标：网桥与交换机原理。技能目标：能够组建3级交换式局域网；能够对交换机进行选型，评估性能指标。素质目标：工程素质4.1网络互连设备概述从协议的层次看可将中继系统分为4种,对应的也有4种连接方式。1．物理层中继系统2．数据链路层中继系统3．网络层中继系统4．高层中继系统用中继器、集线器连接起来的以太网有一个严重的缺点，就是随着网上站点的增多，每个站点分享到的实际带宽就会迅速下降解决的办法就是引入以太网交换机(EthernetSwitch)，用交换机代替中继器或集线器（HUB），使得同一时刻允许传输多个站点的帧，从而大大提高每个站点分享到的有效带宽用交换机代替中继器或集线器，就象用立交桥代替红绿灯路口可以解决交叉路口的交通阻塞一样。4.2透明网桥的工作原理透明网桥(TransparentBridge)工作在MAC子层，为MAC子层网桥，只能连接相同类型的局域网或干线段。在网桥内存有一张选径表（即MAC地址表，表内含有站点的MAC地址、对应网桥哪个端口、生存时间等栏目），它能通过“自学习算法”不断扩大，完善和更新自己，并能通过某些算法（如生成树算法）防止路径循环。它的工作原理可归纳如下：网桥刚接入时，路径选择表是空白的，网桥会在每个端口监听并且接收帧。当从某个端口收到某站发来的信息帧时，就从该帧的源地址“逆向学习”到去该站的路径，也就是记录该站物理地址及对应哪个端口，在MAC地址表里完成一条记录的填写或刷新。对接收到的每一帧，在MAC地址表中进行检索，若其目的物理地址和源物理地址对应同一个端口，则网桥将该帧丢弃，不予转发，这就是过滤；若其目的物理地址和源物理地址对应不同端口，就把该帧向目的物理地址对应端口转发，这就是选径；若在表中检索不到目的物理地址，就把该帧向除源端口外的所有端口转发(称扩散)。网桥对表中的每一个条目进行计时，并且删除那些规定时间内一直没有帧发来的地址条目。透明网桥使用很方便，将其接入互连局域网就能运行，无需进行软硬件设置。下面我们以一个实例来说明透明网桥的工作原理：假如有局域网络如图4-1所示，一个4端口网桥连接了四个Hub。网桥内部有一张MAC地址表，刚接入时该表是空白的，如表4-1所示。

表4－1网桥内部的空白选径表计算机网卡的MAC地址该MAC地址对应网桥的哪个端口生存时间

当该网络中任何一台电脑发出一帧后，网桥就会接收到该帧，并且根据收到的帧的源MAC地址及接收端口，在MAC地址表中填写一行，如果8台电脑都发送过帧，则网桥内的MAC地址表会填成表4－2的样子当这个MAC地址表填写好以后:如果1号电脑发送一帧给2号电脑，网桥会接收到该帧，它看到目的地址和源地址都是1号端口，就丢弃该帧；

如果1号电脑发送一帧给3号电脑，网桥会接收到该帧，它看到目的地址和源地址对应不同端口，就把该帧向目的地址对应的2号端口转发；

如果8号电脑在规定的时间内没有发送帧（也许这是一台移动电脑，刚刚从4号hub上拆除，准备移到3号hub上），则T8会倒计时到0，网桥在表中删除该行，此时如果1号电脑发送一帧给8号电脑，网桥在表中找不到目的地址，就向除1号端口外的所有端口转发。4.3交换机及交换式以太网以太网交换机提供多个(从几个到上百个)交换端口，本质上是一个多路透明网桥。每个端口可连HUB或单个电脑，交换机之间又可以级联。在交换机内部提供大容量动态交换带宽（可达数十Gbps）。交换机采用MAC帧交换技术，按帧中的目的地址对应的端口转发帧（而不是象一般HUB一样把帧广播到所有端口），因而可在多对端口间同时建立多个并行的通讯链路，使每端口上的设备独享该端口上的带宽（10/100/1000Mbps）。目前以太网交换机有两种交换方式：●Store-and-Forward（存储转发）交换方式●Cut-Through（直通）交换方式存储转发交换方式和透明网桥原理一样，完整地接收完毕一帧后再按帧中的目的地址对应的端口转发帧（发送时用CSMA/CD协议），这样做带来了一点延迟，但避免或降低了冲突。直通交换方式稍有不同，它收到一个帧的目的地址字段后就立即向对应的端口转发（就象两端直接连通一样），而不是等到全帧接收完毕并存贮下来后才开始转发，这样做几乎没有延迟，但当两站同时向同一端口发送帧时就会产生冲突。还有，这种方式要求直通的两端口传输率一致。目前上市的许多交换机既支持存储转发式交换也支持直通式交换，用户可以根据网络实际流通情况决定选用那种交换方式，有些交换机可自动切换。目前市场上的以太交换机大致有３档：全部为固定端口的接入层交换机。具有灵活模块配置的汇聚层交换机。高性能的核心交换机。4.4交换局域网组网实例

1.小规模工作组级的交换局域网

在小规模的传统局域网中只要加一个低档交换器，即能将其升级为交换局域网并立即使网络带宽获得提高。图4－3是一个典型实例图4－4是另一个典型的实例。采用的是D-Link公司的DES-10088端口10/100M自适应交换器。此时不管PC机的网卡是100Mbps还是10Mbps，都可以直接连到交换器的一个端口上。只是对100Mbps网卡来说要用5类UTP。2.典型的二级交换局域网示例三级交换的一般拓扑三级交换的大楼内布局拓扑三级交换的大楼间布局拓扑4.5虚拟局域网在此前学习的局域网中，网络中的计算机互相是可见的，可以共享资源。有些情况下这样做会带来安全方面的问题。就引出一个需求：接在同一个交换机或同一个局域网上的计算机可能要按部门或其它安全需求划分为几个看起来象物理上相互间隔离的局域网，这就是虚拟局域网。单交换机基于端口的VLAN就是在一个交换机上指定哪些端口是一个虚拟局域网，哪些端口是另外一个虚拟局域网。图中把左边3台计算机设置为一个VLAN，右边三台计算机设置为一个VLAN。配置步骤见教材

或者教师现场演示2.多交换机基于端口的VLAN下图中要求上边4台计算机属于一个VLAN，下边4台计算机属于一个VLAN。配置步骤见教材或教师现场演示。多交换机使用干线协议构建VLAN连接2个交换机的干线（通常是速度最快的端口）能够同时通过几个LAN的数据。步骤见教材或者教师现场演示4.6生成树协议大家在看新校区网络拓扑图时就发现自接入层交换机到核心交换机之间有2条链路，提供冗余拓扑，一条出故障时另外一条接替，减少网络中的不可用时间。现在就来学习怎么实施。我们知道以太网是不能够有物理环路的，否则会造成：广播风暴重复帧传送MAC地址表不稳定既要有冗余又要避免物理环路，于是就有了生成树协议。生成树协议（SpanningTreeProtocol）：STP的目的是维持一个无环的网络拓扑。当交换机发现有环时，就会阻塞一个或更多冗余端口，环就切断了当主链路坏了，交换机就会自动发现连接丢失了，就会解除对冗余端口的阻塞，冗余链路接替主链路，网络是通的（称为生成树的重新计算）下面是一个生成树协议的试验：根桥选择流程：

第一次启动交换机时，自己假定是根网桥，发出BPDU（桥接协议数据单元）宣告报文。

每个交换机分析报文，根据网桥ID选择根网桥，网桥ID小的将成为根网桥（先比较网桥优先级，优先级值较低者成为根桥，如果优先级值相等，再比较MAC地址，MAC地址较低者成为根桥）。注意，交换机出厂时网桥优先级一般都是相同的。经过一段时间，生成树收敛，所有交换机都同意某网桥是根网桥。

若有网桥ID值更小的交换机加入，它首先通告自己为根网桥。其它交换机比较后，将它当作新的根网桥而记录下来。

下图是在3级交换网络中生成树协议自动阻止环路的生成。配置交换机的管理部分示例：Switch>enableSwitch#configtEnterconfigurationcommands,oneperline.EndwithCNTL/Z.Switch(config)#interfacevlan1Switch(config-if)#ipaddressSwitch(config-if)#noshutdownSwitch(config-if)#exitSwitch(config)#iphttpserverSwitch(config)#iphttpport80如果交换机已经通过前面的超级终端方式配置了vlan1的ip，启动了web服务器，以后就可以通过图形界面配置进行配置。将pc通过以太网络与交换机任意口连接，在pc上启动浏览器，输入交换机vlan1的ip地址，如，就可以进入交换机配置的图形界面。如果需要登录用户名和密码，就查用户手册，找到其默认的用户名和密码，例如思科的默认用户名和密码均为cisco。下面是某款思科交换机登录过程及登录成功后的界面。可以在图像界面下完成cisco交换机的大部分配置工作，包括恢复到出厂默认状态。4.理解并选择交换机的性能指标分组，每组2人，在网上找一个交换机，找到它的标称背板带宽、标称包转发速率，再根据它的端口类型和数量计算端口总带宽和端口总包转发率，然后判断该交换机是否能够线速。（参考数据：某交换机标称背板带宽37Gbps，标称包转发率10Mpps，24个快速以太口，4个千兆以太口）背板带宽与包转发速率交换机的背板带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为bps（位每秒），也叫交换带宽，一般的交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但成本也会越高。包转发速率指的是单位时间内发送64byte的数据包（最小包）的个数,单位为pps（包每秒）。背板带宽、包转发速率、端口速率的关系如下：1）标称背板带宽、端口总带宽、是否线速考察交换机上所有端口能提供的端口总带宽，计算公式为：端口总带宽＝百兆端口数*相应端口速率*2+千兆端口数*相应端口速率*2+……（其中的2是考虑全双工模式）如果端口总带宽≤标称背板带宽，那么在背板带宽上是线速的。2）标称包转发率、端口总包转发率、是否线速端口总包转发率=千兆端口数量*1.488Mpps+百兆端口数量*0.1488Mpps+其余类型端口数*相应系数如果端口总包转发率≤标称包转发速率（第二层或第三层），那么交换机在交换（第二层或第三层）的时候可以做到线速。那么，1.488Mpps是怎么来的呢?对于千兆以太网来说，计算方法如下：1，000，000，000bps/8bit/（64＋8＋12）byte=1,488,095pps。说明一下，当以太网帧为64byte时，需考虑8byte的帧头和12byte的帧间隙的固定开销。百兆以太网的线速端口包转发率正好为千兆以太网的十分之一，为0.1488Mpps。对于万兆以太网，一个线速端口的包转发率为14.88Mpps。对于OC－12的POS端口，一个线速端口的包转发率为1.17Mpps。对于OC－48的POS端口，一个线速端口的包转发率为468Mpps。如果背板带宽和包转发速率都是线速的，那么我们就说这款交换机真正做到了线性无阻塞。项目考核1．用实物交换机组建典型的2级交换局域网分组，每组5－6人，2－3台交换机，2－3台电脑，自己准备直通双