5-以太网交换机原理和配置剖析
4.以太网及交换机的工作原理
局域网标准( ):IEEE802标准集 局域网标准( 续):IEEE802标准集
•IEEE802.1------局域网体系结构、寻址、网络互连与网络管理 •IEEE802.2-------逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务 •IEEE802.3-------以太网 CSMA/CD访问控制方法和物理层技术规范 •IEEE802.4-------令牌总线网 Token-Bus •IEEE802.5-------令牌环网 Token-Ring •IEEE802.6-------城域网 •IEEE802.7-------宽带局域网 •IEEE802.8-------光纤技术 FDDI •IEEE802.9-------综合数据话音网络 •IEEE802.10------网络安全与保密 •IEEE802.11------无线局域网 •IEEE802.12------需求优先 •IEEE802.13 ------(未使用) •IEEE802.14 ------电缆调制解调器 •IEEE802.15 ------无线个人网 •IEEE802.16 ------宽带无线接入 •IEEE802.17 ------可靠个人接入技术
交换机的工作原理 mac地址表的形成过程 mac地址表的形成过程 数据帧的转发/ 数据帧的转发/过滤
地址学习
MAC地址表 地址表 初始的MAC地 初始的MAC地 址表为空 E0: E1: E2: E3:
主机A： 主机 ： 00-D0-F8-00-11-11
E0
E1
主机B： 主机 ： 00-D0-F8-00-22-22
交换机的工作原理
交换机的工作原理交换机是计算机网络中的核心设备之一，用于实现局域网内计算机之间的数据交换和通信。
它能够根据目的地址将数据包转发到正确的目标设备，提供高效的网络连接和通信服务。
下面将详细介绍交换机的工作原理。
一、交换机的基本原理1. 数据链路层交换机工作在OSI模型的第二层，即数据链路层。
它通过物理接口接收数据帧，解析帧头中的目的MAC地址，根据该地址进行转发决策。
2. MAC地址表交换机内部维护着一个MAC地址表，记录了连接到交换机的设备的MAC地址和对应的物理接口。
当交换机接收到一个数据帧时，它会检查帧头中的目的MAC地址，并在MAC地址表中查找该地址对应的接口。
如果找到匹配项，交换机会将数据帧转发到相应接口；如果找不到匹配项，交换机会将数据帧广播到所有接口（除了源接口）。
3. 学习过程当交换机接收到一个数据帧时，它会将源MAC地址和接收到该帧的接口添加到MAC地址表中。
这个过程称为学习。
通过学习过程，交换机逐渐建立起MAC地址表，提高了数据转发的效率。
4. 数据转发当交换机接收到一个数据帧时，它会根据目的MAC地址在MAC地址表中查找对应的接口。
如果找到匹配项，交换机会将数据帧仅转发到目标接口；如果找不到匹配项，交换机会将数据帧广播到所有接口（除了源接口）。
二、交换机的工作模式1. 存储转发存储转发是交换机最常见的工作模式。
在存储转发模式下，交换机会先接收完整的数据帧，并进行错误检测。
惟独当数据帧完整且无误时，交换机才会进行转发。
这种模式能够保证数据的完整性和可靠性，但延迟较高。
2. 直通转发直通转发是一种基于硬件的快速转发模式。
在直通转发模式下，交换机会在接收到数据帧的同时进行转发，无需等待整个数据帧接收完毕。
这种模式能够提供更低的延迟，适合于对实时性要求较高的应用场景。
三、交换机的性能指标1. 转发速率转发速率是衡量交换机性能的重要指标之一，通常以Mbps或者Gbps表示。
它表示交换机能够处理的最大数据量，越高越好。
《交换机工作原理》课件
不同的应用场景需要不同数量和类型的端口配置。例如，大型数据中心可能需要大量的高速端口来支 持大规模的数据交换，而一般的办公室环境可能只需要少量的低速端口。
交换机的冗余设计
总结词
交换机的冗余设计是指交换机内部硬件 组件的备份和冗余，以确保交换机在部 分组件故障时仍能正常运行。
VS
详细描述
冗余设计可以提高交换机的稳定性和可靠 性。例如，某些高端交换机可能配备有电 源冗余、风扇冗余、控制引擎冗余等设计 ，以保障设备的持续运行。
02
交换机的工作原理
交换机的基本工作原理
交换机是一种基于MAC地址识别和完成数据交换的设备，它能够根据数据帧中的MAC地址，将数据从 一个端口转发到另一个端口。
交换机内部通常包含一个或多个交换芯片，这些芯片负责高速交换数据，确保数据能够快速地在交换机 内部传输。
交换机的转发方式通常采用存储转发或直通转发，其中存储转发方式能够检测数据帧中的错误，提高数 据传输的可靠性。
交换机的分类
总结词
交换机的分类
详细描述
根据不同的分类标准，交换机可以分为多种类型。按工作层次可分为二层交换机、三层交换机和多层交换机；按 传输速率可分为快速以太网交换机、千兆以太网交换机和万兆以太网交换机；按可管理性可分为可网管交换机和 非网管交换机；按端口类型可分为固定配置交换机和模块化交换机。
区的网络覆盖。
交换机支持多种协议和技术，如 VLAN、STP等，能够实现跨建 筑物的数据传输和网络安全控制
。
园区网中的交换机具备高带宽和 低延迟的特点，满足园区内各个
应用的需求。
数据中心中的应用
数据中心中，交换机主要用于 连接服务器和存储设备，提供 高速、可靠的数据传输服务。
以太网交换机原理动画演示
以太网交换机原理动画演示以太网交换机是计算机网络中非常重要的设备，它起到了连接各种网络设备的关键作用。
为了更好地理解以太网交换机的工作原理，下面我将通过动画演示的方式来详细介绍。
1. 动画开始进入动画演示，我们首先看到一个以太网交换机的示意图。
交换机由多个端口组成，每个端口都可以连接一个网络设备，如计算机、服务器等。
2. 帧的传输在动画中，我们可以看到有多个设备同时向交换机发送数据帧。
数据帧是网络通信中最基本的单位，它包含了源MAC地址、目的MAC 地址、数据等信息。
3. MAC地址和端口的映射交换机接收到一个数据帧后，会先读取其中的目的MAC地址。
它会查找自己的转发表，判断目的MAC地址所对应的端口。
如果表中有对应的记录，交换机会将数据帧直接转发到目标端口；如果表中没有对应的记录，交换机则会进行广播操作。
4. 广播和学习过程在动画中，当交换机发现没有对应的记录时，它会将数据帧广播到所有的端口上，这样所有连接在交换机上的设备都能收到该数据帧。
同时，交换机还会将源MAC地址和接收到该帧的端口记录在转发表中，这样下次如果有数据要发送给该MAC地址，交换机就能够根据表中的记录直接转发，而无需进行广播操作。
5. 学习和转发表的更新在动画的演示中，我们可以看到转发表会不断地更新。
当交换机接收到一个数据帧时，它会查找源MAC地址在转发表中的记录。
如果有对应的记录，则更新记录中的端口信息；如果没有对应的记录，则添加一条新的记录。
这样，交换机能够根据最新的转发表信息来决定如何转发数据帧。
6. 数据的转发根据转发表的信息，交换机会将数据帧直接转发到目标端口，而无需广播到所有的端口上。
这样，交换机提供了高效的数据转发，避免了数据在网络中的冲突和碰撞。
7. 动画结束通过动画演示，我们对以太网交换机的工作原理有了更深入的了解。
交换机的核心功能是通过学习和转发表的维护，实现了有效的数据转发。
它使得网络通信更加高效可靠，成为了现代计算机网络中不可或缺的设备。
交换机工作原理
交换机工作原理交换机是计算机网络中一个重要的组成部分，它能够实现对局域网内的数据处理和转发，使得网络传输更加高效和稳定。
本文将详细介绍交换机的工作原理。
一、交换机概述交换机是一种连接两个或多个数据链路的网络设备，可以让信息在局域网中被准确地传送到目标地址。
它有很多种类，包括无线交换机、路由交换机等。
它的主要作用是将数据流转发到目标地址，从而实现数据在网络中的传输。
交换机的工作原理主要分为两种方式：包交换和电路交换。
包交换使用缓存区来暂存数据包，然后再根据数据包的地址进行转发。
电路交换则直接将数据流接通到目标地址，是一种点对点的传输方式。
由于包交换可以实现多对多的连接，所以在网络中得到了广泛应用。
二、交换机的数据转发对于交换机来说，它需要进行三项工作：学习、转发和过滤。
学习是指交换机需要记录每个源地址的进入端口，转发是指将数据转发到目标地址，过滤是指交换机需要过滤掉无效数据包。
当一台设备向交换机发送数据包时，交换机需要先学习该源地址。
在交换机中设置了一个转发表，用于存储各个设备的MAC 地址，同时记录该MAC 地址对应的进入端口。
当一个数据包到达交换机时，交换机会查找该MAC 地址对应的出口端口，并向这个出口端口发送数据包。
如果交换机没有记录到源地址，它会将数据包广播出去，通过广播的方式通知其他设备信息。
当其他设备接收到该数据包时，会将源地址和端口信息发回给交换机，使得交换机可以学习新的设备。
三、交换机的广播与转发交换机的广播是指当交换机收到一个数据包时，如果该数据包的目标地址是广播地址或未知地址时，交换机会将该数据包转发到所有设备。
由于广播地址不唯一，所以这种方式不太适合大规模的网络。
交换机的转发是指当交换机收到一个数据包时，如果该数据包的目标地址已经在交换机的转发表中被记录，那么它会将数据包直接转发给目标设备。
如果该数据包的目标地址没有被记录，那么交换机会将数据包广播到所有端口，以便建立新的转发表。
交换机的基本原理与配置
第五章交换机的基本原理与配置Frame:帧Packet：包Bit：位以太网：10Mb/s快速以太网：100Mb/s以太网工作在数据链路层（以MAC地址寻址）数据链路层的功能：1）、数据帧的建立、维护与拆除2）、帧包装、帧传输、帧同步3）、帧的差错恢复4）、流量控制以太网地址用来识别一个以太网上的某个单独的设备或一组设备Mac地址：6个字节48位：前24位是供应商的标识，后24位是网卡的唯一标号第八位是0-物理地址(单播地址)1-逻辑地址（组播地址）前24位：00-06-1b：IBM公司00-0d-28：CISCO公司﹠前导码：包含八个字节，前七个字节的值为OxAA，而最后一个字节为OxAB，在DIX，中，前导码被认为是物理地址封装的一部分﹠目的地址（DA）包含六个字节，DA标识了帧的目的站点的MAC地址，DA可以是单播地址（单个目的地）、组播地址（组目的地）或广播地址﹠源地址（SA）包含六个字节，SA标识了发送帧站点的MAC地址SA一定是单播地址（即第八位是0）﹠类型：包含两个字节，用来标识上层协议的类型，例如：0800H表示IP地址数据域包含46——1500个字节，数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息，至少包括46个字节，否则会当做碎片帧帧校验序列（FCS）包含四个字节CISCO(思科)：美国的，生产交换机、路由器、防火墙交换机的工作原理：1）、初始状态2）、MAC地址学习3）、广播未知数据帧4）、接收方回应5）、交换机实现单播通信交换机以太网接口双工模式：（1）、单工：两个数据之间只能沿单一方向传输数据（2）、半双工：两个数据之间可以双向数据传输，但不能同时进行（3）、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：（1）、接口连接时进行协商（2）、协商失败则无法正常通信配置前的连接：（1）、console电缆（2）、物理接口：计算机COM口交换机/路由器：console口（3）、软件连接：超级终端其他软件Secure CRT 软件的配置：（1）、端口选择（2）、选择连接方式（3）、COM口属性进入交换机系统时显示：switch>CISCO交换机的命令行（1）、用户模式：只能查看一些统计信息，权限最低Switch>（2）、特权模式：switch>enableSwitch#(3)、全局配置模式：switch#config terminalswitch#(4)、接口模式：switch（config）#interface fastethernet 0/1switch(config-if)#命令含义：Interface：关键字Fastethernet：接口类型“0”：模块号“1”：接口号特权模式退回用户模式：disiableTAB键：补齐命令进入全局配置模式：configure terminal或conf t进入0/1接口：interface fastethernet 0/1或int f0/1模式间转换：switch >enSwitch#conf tSwitch(config)#int f0/1Switch(config-if)#任何情况下只要按CTRL+Z（或end）回到特权模式Switch（config-if）#exitSwitch（config）#exitSwitch#disableSwitch>CTRL+A:光标移动到命令行的开始位置CTRL+E:光标移动到命令行的结束位置显示系统IOS名称以及版本信息：show version查看MAC地址表：show mac-adress-table[dynamic]Ports：对应交换机的端口号指定接口的双工模式：switch（config-if）#duplex {full/half/auto}指定接口号通信速率：switch（config-if）#speed {10/100/1000/auto}查看以太网接口的双工模式和通信速率：switch interface fastethernet 0/24 有意者请点击。
交换机基本配置的实验原理
交换机基本配置的实验原理
交换机基本配置的实验原理是通过设置和调整交换机的各种参数和功能，使其能够按照预定规则进行数据转发和处理。
在实验中，首先需要了解交换机的基本工作原理。
交换机是一个网络设备，用于连接并转发网络数据包。
它可以通过学习和维护一个转发表来决定将数据包转发到哪个接口，从而实现数据的高效传输。
在进行基本配置的实验中，主要涉及以下几个方面的内容：
1. 硬件连接：将交换机与其他网络设备（如计算机、服务器等）连接起来，确保物理链路的正确连接。
2. IP地址设置：为交换机的管理接口分配一个合适的IP地址，以便进行远程管理和配置操作。
3. VLAN配置：划分虚拟局域网（VLAN），将不同的端口或设备划分到不同的VLAN中，实现隔离和安全控制。
4. STP配置：配置生成树协议（Spanning Tree Protocol），避免网络中的环路出现，提高网络的可靠性和容错能力。
5. 速率限制和流量控制：根据实际需求，设置端口的速率限制和流量控制策略，控制网络流量的传输速率和优先级。
6. 安全认证与访问控制：配置交换机的安全认证功能，限制非法访问和未经授权的设备接入。
7. 网络监控与故障排除：配置交换机的网络监控功能，实时监测网络状态和性能，并进行故障排除和问题定位。
通过实验原理的了解和实践操作，可以掌握交换机基本配置的方
法与技巧，进一步提升网络管理与维护的能力。
以太网交换机的工作原理
以太网交换机的工作原理
以太网交换机的工作原理主要分为三个步骤，即学习MAC地址、建立转发表和数据转发。
首先，交换机会通过学习MAC地址来建立转发表。
当一个数
据帧到达交换机时，交换机会查看数据帧首部中的源MAC地址，并将其与一个特定的端口关联。
如果该地址之前没有在转发表中出现过，交换机会将该地址与到达的端口关联起来，并在转发表中添加一条新的记录。
如果该地址已经存在于转发表中，交换机会更新该地址的关联端口。
接下来，交换机会根据转发表中的信息建立转发表。
转发表记录了到达交换机不同端口的MAC地址。
当交换机收到数据帧时，它会查看该数据帧首部中的目的MAC地址，并在转发表
中查找该地址的关联端口。
如果找到了目的MAC地址的关联
端口，交换机会直接将数据帧转发到该端口，而不会在其他端口上进行广播。
如果找不到目的MAC地址的关联端口，则交
换机会在所有端口上进行广播，以确保所有端口都能接收到数据帧。
最后，交换机会进行数据转发。
当交换机接收到一个数据帧时，它会根据转发表中的信息将该数据帧转发到目的MAC地址的
关联端口上。
交换机会利用硬件的转发表进行快速的转发，以确保数据帧能够以最快的速度到达目的地。
通过以上的学习MAC地址、建立转发表和数据转发的过程，
以太网交换机可以实现对数据帧的快速、准确的转发，提高了局域网的传输效率和带宽利用率。
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第10页
2021/3/3
本章学习内容
• 以太网基础
• 交换机工作原理
• VLAN • STP • 链路聚合
第11页
2021/3/3
以太网交换机
以太网交换机工作在OSI/RM的第二层，根据MAC帧中的 目的MAC地址转发帧。
转发的依据是MAC转发表。它记录了站点的MAC地址和 所连交换机端口的对应关系，包含以下内容：
2021/3/3
以太网的帧结构
以太网的帧结构有两种 IEEE 802.3 帧结构 （包括MAC和LLC） Ethernet II 帧结构 （包括MAC）
网卡收到一个帧时，如何判断？ 当长度/类型字段取值大于1500时，为 Ethernet II 帧 当长度/类型字段取值小于1500时，为 802.3 帧
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2021/3/3
Ethernet II 帧结构
64到1518字节
1500字节
4
PRE SFD DA SA TYPE DATA PAD CRC
PRE：先导字节, 7个字节7个10101010 – Wakeup SFD：帧开始标志,1个字节 10101011 - Caution DA：6个字节目的 MAC地址 SA: 6个字节源MAC地址 TYPE：2个字节表示上层协议类型，如 IP（0x0800)
• 由两层设备互连的所有站点属于同一个广播域。
• 两层设备的3个功能：
• 地址学习，转发/过滤，环路避免。
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2021/3/3
传统以太网与交换式以太网比较
Swtich Hub
冲突域/广播域
冲突域
冲突域
广播域
Hub工作在物理层， 每个接口只是简单地转发比 特，不进行碰撞检测
交换机工作在数据链路层， 根据MAC地址转发或过滤数据帧
以太网交换机原理及配置
本章学习内容
• 以太网基础
• 交换机工作原理 • VLAN • STP • 链路聚合
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2021/3/3
局域网参考模型
LAN是指较小地理范围内的计算机网络。
覆盖有限的地理范围 具有较高的数据传输率和较低的误码率 一般属于一个单位所有，易于维护
OSI 参 考 模 型 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层
1Gbit/s
1Gbit/s 10Gbit/s
通用名称
Xerox以太网 Ethernet I Ethernet II 10Base5(粗缆) 10Base2(细缆) 10BaseT 100BaseTX 100BaseFX
1000BaseSX
IEEE编号
DIX DIX 802.3 802.3 802.3 802.3u 802.3u
< MAC address, port, age> MAC address: 主机MAC地址 port: 到达该主机的交换机的端口号 age: 表项的生命期
以太网交换机遵循透明网桥的工作方式，不对帧作任何修 改，且MAC转发表通过交换机自学习的过程形成。
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2021/3/3
透明桥原理
E 0260.8c01.5555
ARP(0x0806) DATA：数据字段,长度可变，不够46字节补充到46字节 PAD：填充字段 CRC：校验字段
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2021/3/3
共享式以太网
B
A
C
集线器
• 10BaseT 物理上是星型连接，逻辑上是总线型结构。 • 集线器（Hub）是物理层的互连设备。 • CSMA/CD：先听后发，边发边听，冲突回避，随机延
802.3z
1000BaseLX
1000BaseT 10GbE
802.3z
802.3ab 802.3ae
第5页
距离
? 500米 500米 500米 185米 100米 100米 400米
260米 550米
550米 5km 100米 65米 40公里
介质
同轴 同轴 同轴 同轴(RG-11)
同轴(RG-58) 3类UTP 5类UTP 多模光纤 单模光纤 62.5µm多模光 纤 50µm多模光纤 50µm多模光纤 10µm单模光纤 5E或6类UTP 50µm多模光纤 10µm单模光纤
年代 1973 1980 1984 1985 1985 1989 1995 1995
1998
1998
1999 2001
以太网相关技术标准
速率 3Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 100Mbit/s 100Mbit/s
1Gbit/s
MAC 转发表 0260.8c01.1111 E0 0260.8c01.4444 E3 0260.8c01.5555 E0
A
hub
0260.8c01.1111
E0
E1
B 0260.8c01.3333
C
E2
switch
E3
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
交 主 帧 表 由 其 主 行 表 发 当 置 一 假 外 工之换机，中于他机学。该主过设的作后机通写目所习由帧可程所原ADA，向收发开过入的有，于，会判称有理E主向主到出机该地端将交即记断为端：源机A机帧的初项址口主换仅录出口基M过A发D并是A、始，不转机机向发于EA滤单发的C响、一D化这在发已端送D（源地播送位之应的E个时一该经口。MFM址帧在一i置间了广MlAA，过帧知Et了时同e个A，0CC的主播r程，道M端i解转学，一C单n加帧机帧Ag地称这主口到发习交接播）入C将，A址为一机转转主表，换口数，。M直交和过地A发发机中基机，据交A接换的端程址，C表，于A如这帧换转机位转口经称学而是交目何时。机发收置发由E为习不空换的工交交在3，到，表端。洪关是的机M作换换端主后将，口泛联洪A。将？机机口机会基交CE（，泛向会在E转0B向于换F3接放，除忽和E发收l除目o机0入入这了略oC。端到了的d已不M，一E该i口此n入M知0A能在过g帧之收帧A）C端A看程转，C转外到并的。口转到称发这发的该进位之。
数据链路层 物理层
传输介质
IEEE 802 参 考 模 型 高层协议
LLC 业 务 访问点
逻 辑 链 路 控 制 LLC 介 质 访 问 控 制 MAC
物理层
IEEE 802 标准
的范围
传输介质
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2021/3/3
以太网的发展
Robert Metcalfe的 Ethernet 原理图
第4页
2021/3/3
迟后重发。 • 10BaseT网中所有站点都在同一个冲突域和广播域。 • 缺点：所有主机共享带宽，难以支持大型网络。
第8页
2021/3/3
交换型以太网
交换机取代集线器
A
B
E0
E1
C
E2 交换机 E3
D
• 交换机的每个端口都是一个独立的冲突域。
• 典型代表：100baseTx，端口工作于全双工模式，CSMA/CD关闭。