【思唯网络学院】HCNA-RS笔记 以太网交换技术

1 以太网和数据链路层

2.交换机工作原理

3.VLAN的管理和实现

4.STP生成树协议基础概念

一，以太网的概述和数据链路层

1.数据链路层包含的接入技术：

局域网LAN：以太网ethernet、令牌环

广域网WAN：X.25、FR、ATM

无线接入网：WLAN、GPRS、WCDMA、CDMA2000

以太网标准：IEEE 802.3

2. 共享式以太网，传输介质同轴电缆，总线型布线。

交换式以太网，传输介质双绞线和光纤，基于星形拓扑布线。

采用双绞线布线，使用星形拓扑组网，如果使用的中心节点设备是HUB，这种也属于共享式以太

网。

以太网规格标准：

10Base-T

100Base-TX

1000Base-FX

例：10表示最大传输速率10Mbps，Base表示基带传输技术（传输介质中只传输一种类型的信号，

数字信号），

T表示传输介质类型UTP，FX一般指光纤。

STP： 屏蔽型双绞线

UTP：非屏蔽型双绞线

RJ45：双绞线接口电信标准

双绞线的布线标准TIA/EIA–568A 568B

直连线——两端都是按照568B

交叉线——一端568A，一端568B

双绞线最大理论传输距离100米。

3.HUB和交换机的区别：

HUB集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层。内部转发结构不一样。

HUB是共享式传输，半双工工作模式。

交换机是交换式传输，全双工工作模式。

冲突域：发生冲突所影响到的网络范围。

HUB的所有端口都属于一个冲突域。

交换机的每个端口是一个冲突域。

CSMA/CD 是一种介质访问控制协议，也是一种MAC的算法，目的是解决共享网络上的冲突问题。

CSMA/CD——载波侦听多路访问冲突检测。

目前全双工的交换式以太网已经不使用CSMA/CD。

无线局域网使用半双工通信，采用CSMA/CA算法机制。

CSMA/CD工作原理：先听后说，边听边说。

如果连续检测16次，发现线路是忙碌状态，则放弃发送，并返回目标不可达的消息。

4.数据链路层封装——Frame 帧

以太网环境中，数据帧的最小长度是64字节。MTU——最大传输单元，以太网MTU默认是1500字

节。

数据帧实际部分总共长度要求最小64字节，其中DATA字段最小46字节，不够46字节使用Padding位

进行填充，

DATA最小46字节+目的MAC地址6字节+源MAC地址6字节+TYPE2字节+FCS4字节=64字节

MAC地址

长度总共48bit，前24bit是生产厂商编码，后24bit由生产厂商进行分配。MAC地址使用16进制数表

示。

MAC地址表

交换机动态学习MAC地址表项：通过源端口进入的数据帧的源MAC地址进行学习并记录。

交换机二层转发原则：

如果MAC地址表有目的MAC地址的记录，则按照表项映射的端口，使用单播形式转发到对应端口。

如果MAC地址表没有目的MAC地址的记录，则除了数据帧的入端口，向其他所有端口进行广播泛

洪。

交换机三种转发模式：

直通转发（快速转发）：交换机不必等到接收到一个完整数据帧才进行转发，一旦发现数据帧的

有效地址即可转发。

优点就是转发效率高，速度快。缺点是无法进行帧校验。

存储转发：收到一个完整数据帧后，再进行转发。优点是可以对帧错误进行检测，缺点是延迟

大。

分段转发：类似于快速转发，但是要求必须最小收到64字节长度的帧后，才可以进行立即转发。

二层交换环境的广播问题

交换机本身是转发广播的，广播域的大小影响网络的性能。

交换机端口自动协商：

1.端口速率：10M/100M/Auto

2.工作模式：全双工/半双工/Auto

端口默认是自动协商模式

开启交换机流量控制功能：在交换机端口视图下，配置flow-control。默认此功能不开启。

端口聚合（链路聚合）：逻辑上把多个相似物理接口捆绑成一个逻辑端口使用。

主要特点：提高带宽，线路冗余、负载均衡。

端口聚合的条件：配置聚合的成员端口和对端设备的端口，必须保持相同的配置参数（双工模

式、速率）。

配置端口聚合Eth-Trunk：

[SW1]int Eth-Trunk 1

创建Eth-trunk逻辑端口

interface GigabitEthernet0/0/23

eth-trunk 1

interface GigabitEthernet0/0/24

eth-trunk 1

分别添加物理接口到Eth-trunk 1中，表示逻辑聚合端口Eth-Trunk 1包含两个物理接口。

[SW1]dis int Eth-Trunk 1 查看Eth-Trunk 1的状态和信息

基于端口的端口镜像

一个交换机只能配置一个镜像端口（连接网管设备的端口），支持多个端口镜像到一个端口。

基本配置：

[SW1]observe-port 1 interface g0/0/10

创建一个观察端口，序号为1，G0/0/10端口成为观

察端口

[SW1]int g0/0/11

[SW1-GigabitEthernet0/0/11]port-mirroring to observe-port 1 both

把端口G0/0/11作为被镜像端口映射到观察端口1上，both表示同时监控inbound和outbound的流

量。

二，VLAN的基础概念和实现

VLAN——虚拟局域网，一种跨越物理网络结构的一个逻辑网络。

一个VLAN=一个逻辑子网=一个广播域

VLAN的划分方式：端口划分（静态VLAN）、MAC划分、基于IP子网划分。

同一VLAN内可以直接通信，不同的VLAN之间不能直接通信。VLAN的封装标准

IEEE 802.1Q 定义了如何在原始数据帧中插入标签（VLAN 信息）。

客户机发出的数据帧是不携带VLAN标签的（Untagged Frame），交换机在数据帧中插入一个4字节的Tag。

Tag标签报文中的TPID字段0x8100表示使用的是802.1Q封装方式，VLAN ID表示数据帧来自哪个VLAN。

交换机出厂默认存在VLAN 1，且不能删除，所有端口默认都属于VLAN 1

同一交换机下，连接客户机的端口，在不同VLAN间的标签传递过程：

2.交换机端口收到一个Tagged Frame，查看Tag中的VLAN ID，和自己的PVID做对比，如果不相同，则丢弃；

如果相同，则去掉标签，发出数据帧到对端设备（客户机）。

注：交换机内部传递数据帧都是携带标签的。

华为交换机端口的类型：

1.Access 用于连接终端、主机

2.Trunk 中继端口，允许多个VLAN通过，通常用做连接交换机

3.Hybrid 混合模式，可以连接客户机，也可以连接交换机

华为交换机默认的端口类型是Hybrid，思科交换机没有Hybrid模式。

[SW1]display port vlan 查看交换机的端口模式及相关参数

VLAN基本配置：

[SW1]vlan 10 新建VLAN 10

[SW1]vlan batch 20 30 40 建立多个VLAN

[SW1]dis vlan 查看交换机的VLAN信息

端口加入VLAN方式一：

interface GigabitEthernet0/0/3

port link-type access

进入接口视图下

修改接口的类型为access

把此接口添加到VLAN 10

port default vlan 10

端口加入VLAN方式二：

[SW1-vlan2]port g0/0/1

VLAN视图下添加端口，前提是端口已经是Access模式

连续多个端口添加到VLAN中：

使用端口组的方式配置

[SW1]port-group 1 创建端口组1

[SW1-port-group-1]group-member GigabitEthernet 0/0/11 to GigabitEthernet 0/0/20 添加

端口到组1

[SW1-port-group-1]port link-type access 把端口组1配置成Access模式

[SW1-port-group-1]port default vlan 3

把端口组1的所有端口添加到VLAN中

删除VLAN

华为交换机直接删除VLAN，VLAN内的端口自动返回VLAN1内。

思科交换机必须保证VLAN内没有端口，才可以删除。

Access端口的默认VLAN就是这个端口的PVID （表示这个端口是属于哪个VLAN的）

Access端口只能用作连接终端设备和主机，且只能属于一个VLAN。

interface Eth-Trunk1

port link-type trunk

进入到Eth-trunk 1的接口视图下

修改端口类型为Trunk

华为交换机的Trunk链路默认只允许VLAN 1通过，思科交换机默认Trunk允许所有VLAN通过。

Trunk端口用来连接交换机，不能用于连接客户端主机。

interface Eth-Trunk1

port link-type trunk

port trunk allow-pass vlan 10 设置允许VLAN 10通过

注意Trunk端口的PVID和Access端口PVID的区别

数据帧通过Trunk链路转发对标签的处理过程：

1.客户机发出一个Untagged Frame，交换机Access端口收到这个帧后，根据自己的PVID给这个帧打

上标签。

2.交换机根据MAC地址表将这个Tagged Frame发送到目标接口，如果此目标接口是Trunk端口，

Trunk端口首先检查

允许通过的VLAN 列表，看是否允许此VLAN 通过，如果不允许，则丢弃此数据帧。

3.如果Trunk端口允许此VLAN通过，则比较Trunk端口的PVID（默认是VLAN 1），如果这个Tagged Frame的VLAN ID与Trunk端口的PVID不相同，则不做任何处理，直接带标签发送此帧出去；如果这个Tagged Frame的

VLAN ID与Trunk端口的PVID相同，则去掉标签进行发送。

出厂默认设置下，VLAN 1的数据是不带标签通过VLAN 发送。

注意：如修改Trunk端口的PVID，对端的设备的Trunk端口也必须保持PVID一致。

[SW2-GigabitEthernet0/0/24]port trunk pvid vlan 99 修改Trunk端口的PVID

Hybrid端口的作用

1.hybrid端口作为Access用，用来连接客户机。

修改access端口为hybrid，必须首先还原端口的默认配置。

[SW1-GigabitEthernet0/0/1]undo port default vlan

[SW1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type hybrid

interface GigabitEthernet0/0/1

port hybrid pvid vlan 2

添加hybrid端口到VLAN 2中

对于VLAN 2的数据帧，去掉标签发送出去

port hybrid untagged vlan 2

2.hybrid端口作为Trunk用，用来连接交换机

修改Trunk端口为Hybrid，必须还原端口的默认配置。

interface GigabitEthernet0/0/24

port hybrid tagged vlan 3

对于VLAN 3的数据帧是带标签发送出去

Hybrid端口带标签发送数据帧，相当于对于Tagged Frame进行透传，与Trunk端口允许带着标签传送

的VLAN作用相同。

3.hyvrid端口实现二层环境下，不同VLAN间的互访。

interface GigabitEthernet0/0/2

port hybrid untagged vlan 2 to 3 数据帧中带有VLAN 2和VLAN 3标签的，去掉标签发送出去

（连接客户机）

interface GigabitEthernet0/0/24

port hybrid tagged vlan 2 to 3 数据帧中带有VLAN2和VLAN3标签的，带标签发送出去（透传

方式，连接交换机）

注：多个交换机的VLAN环境中，即使某个交换机下没有某个VLAN的接口，也需要建立此VLAN，否

则交换机不识别来自其他交换机的此VLAN信息。

三，VLAN间的路由

1.单臂路由

二层交换机上实现不同VLAN间的访问，通过上行的路由器实现路由转发功能，二层交换机和路由

器之间只有一条物理链路，通过在路由器的物理接口上配置多个逻辑子接口实现。

单臂路由不适用于大型网络环境，或者流量比较大的、VLAN数量较多的网络环境。

配置思路：

二层交换机通过一条Trunk链路连接到路由器，在路由器的物理端口上配置多个逻辑子接口，每个

子接口对应一个VLAN，相当于每个VLAN的网关。

单臂路由器逻辑子接口的配置：

interface GigabitEthernet0/0/0.10

dot1q termination vid 10

ip address 192.168.10.1 255.255.255.0

址）

进入子接口视图

指定子接口为802.1Q的封装并对应VLAN 10

子接口配置IP地址（对应的VLAN的网关地

arp broadcast enable

子接口开启ARP广播功能

注：子接口先配置封装，再配置IP地址。

2.三层交换机实现VLAN路由

华为交换机不支持在物理端口上直接设置IP地址，需要建立VLAN虚拟接口（VLANIF），然后配置IP地址，相应的物理接口添加到此VLAN中。

三层链路连接配置：

[SW3]vlan 100

创建一个VLAN

interface GigabitEthernet0/0/24

port link-type access

port default vlan 100

连接对端三层设备的物理接口添加至此VLAN中

interface Vlanif100

进入并创建VLAN虚接口

ip address 23.1.1.2 255.255.255.0 给VLANIF配置IP地址

单个三层交换机实现VLAN路由：

给每个VLAN配置VLANIF接口并设置IP地址，此IP地址就是对应VLAN内的主机的网关地址。

每个VLANIF接口相当于三层交换机的直连接口，自动生成直连路由。

注：VLAN内至少又一个物理接口为up，VLANIF才能UP，否则是down的状态。

三层交换机根据路由表来实现不同VLAN间的数据转发。

四，生成树协议基础

STP——Spanning Tree Protocol

RSTP——快速生成树

MSTP——多生成树

1.冗余交换网络出现的问题

交换环路、广播风暴、MAC地址表不稳定、多帧复制（同样数据帧收到多份，导致交换机出错）

2.消除二层环路

冗余的交换网络下，使用生成树协议来消除二层的环路。既保证冗余环境的正常工作，又能解决

环路风险。

生成树协议从逻辑上断开环路，通过计算，使某个接口不进行数据的转发。

网络发生变化，生成树开始进行计算，直到计算完毕，网络状态稳定所用的时间叫做生成树的收

敛时间。

3.生成树的基本计算过程

BPDU——网桥协议数据单元。主要分成两类：配置BPDU和拓扑变更BPDU

第一，在一个广播域选举一个根网桥 （基于标准STP协议定义，不考虑VLAN环境）

根网桥选举原则：首先比较交换机的优先级，优先级相同的情况下，比较MAC地址，MAC地址值小

的优先。

网桥ID=优先级+交换机MAC

优先级值越小越优先，交换机默认优先级32768 （取值范围0-65535）

第二，在每个非根网桥上选举一个根端口

根端口：到达根网桥开销最小的端口。

第三，在每个网段上选举一个指定端口

根网桥上的所有端口都是指定端口。

首先比较到达根网桥的开销值，COST值小的优先；

如果开销相同，比较端口所在的交换机的网桥ID，值小的优先；

如果网桥ID相同，则比较端口ID，值小的优先。

端口ID=端口优先级+端口编号

端口优先级默认128

最后，剩下的非指定端口进行阻塞。

[SW1]display stp brief

查看生成树的接口角色状态信息

STP端口角色

根端口——转发状态

指定端口——转发状态

预备端口——丢弃（阻塞）状态 （不转发任何数据，但是监听BPDU）

STP端口状态

STP定义了五种端口状态：

Disable（禁用）——端口被关闭，不转发数据，也不学习MAC地址。

Blocking（阻塞）——端口启用的初始状态，不转发任何数据，不学习MAC，不发送BPDU，只接收

BPDU。

Listening（侦听）——不转发数据，不学习MAC，开始发送和接收BPDU，参与生成树的计算。

Learning（学习）——不转发数据，开始学习MAC地址表，发送和接收BPDU，进行生成树计算。

Forwarding（转发）——正常转发数据，学习MAC地址，发送接收BPDU，进行生成树计算。

转发延迟时间：默认15秒

总共经历两个转发延迟，LSN——LRN——FWD

转发延迟时间的作用

为了防止网络中可能产生临时环路风险。但是导致生成树计算收敛缓慢。

RSTP协议（快速生成树）解决了收敛时间过长的问题。

边缘端口和非边缘端口

边缘端口——连接客户机的端口

非边缘端口——连接交换机的端口

默认全部端口都是非边缘端口，连接主机的端口需要手动配置为边缘端口。

边缘端口从Blocking状态直接转为Forwarding状态。

生成树协议基本配置：

[SW1]stp mode ?

修改生成树协议

mstp Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) mode

rstp Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) mode

stp Spanning Tree Protocol (STP) mode

手动配置指定根网桥：

将指定根网桥的交换机的优先级设置为最优（值最小）。

优先级的值必须配置成4096的倍数：

0  4096 8192 12288 16384 20480 24576 28672

32768 36864 40960 45056 49152 53248 57344 61440

根网桥可配置成主根网桥和备用根网桥。

生成树计时器（默认值）：

Hello 2s MaxAge 20s FwDly 15s MaxHop 20

Hello时间：生成树稳定状态下，发送BPDU的周期时间，默认每2秒发送一次。

MaxAge：最大生存期，BPDU在交换机保存的有效时间，默认超过20秒，将会删除掉BPDU。

FwDly：转发延迟时间，默认15秒，STP端口从Blocking到Forwarding总共经历两个转发延迟。

MaxHop：限制生成树网络的规模， 默认支持20个交换机，BPDU能传递的交换机的最大数量。

边缘端口的配置：

[SW3-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port enable

接口视图下，指定端口为边缘端口

[SW3-GigabitEthernet0/0/1]stp edged-port disable 关闭边缘端口特性