交换机路由器简介

Posted 2020-09-28

下面是交换机、路由器及其相关网络知识

交换机

 1、交换机简介

【交换机】是全双工通信，没有冲突。集线器是总线型网络拓扑，所有主机属于一个冲突域；网桥采用半双工方式，减小了冲突域，半双工是单向数据流，发生冲突的可能性高，通过集线器连接。交换机有两个重要的参数，就是背板带宽和PPS（每秒数据包数），对于100Mbps的全双工接口，PPS可达到290万。其中，LAN交换机具有以下特点：较高的端口密集度、大型帧缓冲区、支持各种端口速度混合、快速内部交换模式。快速内部交换模式可分为直通、存储转发、免分片三部分，直通转发就是快速转发，只关注前6位目的地址；免分片，就是每个数据取64字节，不足64字节的直接丢弃。

 

 2、交换机功能

交换机具有【学习、转发、过滤】三个功能，具体解释如下：

  学习，就是当交换机接收到一个数据帧时，交换机将源MAC地址与接收数据帧的交换机端口绑定起来存入交换机内部的MAC地址表中，如果接受到的源MAC地址不存在交换机的MAC地址表中，就直接将该条MAC地址存入交换机MAC地址表；如果接收到的MAC地址存在交换机的MAC地址表中，就修改该地址的时间戳；冬天学习的MAC地址能在交换机的MAC地址表中存在300秒。    

  转发，分为有目的转发和无目的转发两种；有目的转发，就是当交换机接收到数据帧的源MAC地址时，在他自身的MAC地址表中存在该MAC地址条目，就将数据帧经由MAC地址对应的端口转发出去；无目的转发，就是当交换机接收到数据帧的源MAC地址时，在他自身的MAC地址表中没有该MAC地址条目，经过泛洪转发数据帧。   

  过滤，就是交换机接收到一个目的地址的MAC地址对应的端口和接收数据帧的端口是同一个端口，这样的数据帧不给予转发。

 

 3、交换机中，以太网通信过程

【交换以太网】的数据通信过程如下，和双机互联相比，在主机之间添加了交换机：

    1）、确定目的IP地址，通过手动输入或DNS解析获得

    2）、应用程序选择传输层所使用的协议，该过程使用UDP协议

    3）、UDP进行数据封装，送给下层IP协议进行进一步封装

    4）、IP协议根据目的IP和源IP进行进一步数据封装，并试图交给网络访问层

    5）、网络访问层求助ARP协议，如果ARP协议没有缓存目的IP地址，UDP数据包暂存内存中，并发送ARP请求，ARP请求从源主机出发，被交换机接收，交换机判断自己的MAC地址表中是否有目的IP地址的MAC地址，在学习了地址之后，根据目的MAC地址进行泛洪或者是单播转发；目的主机接收到ARP请求数据后，缓存源主句的IP地址和MAC地址，并将自己的IP地址和MAC地址响应给源主机，交换机先接收目的主机发来的IP地址和MAC地址，将其缓存至交换机的MAC地址表中，在通过单播转发给源主机；源主机获得目的主机的MAC地址，并将其缓存至ARP缓存中，进行下一步。如果ARP协议已经缓存了目的主机的MAC地址，直接进行下一步。

    6）、根据ARP缓存中目的MAC地址封装并发送数据

    7）、交换机接收数据后，根据其MAC地址表中的地址进行单播转发。

 

 4、交换机分类

Cisco有两种类型的交换机，【nexus】高端核心交换机和【catalyst】中低端交换机。Cisco的ios操作系统，是网络的操作系统，主要用在交换机和路由器上，交换机中的IOS只有几兆大小，路由器中的IOS有几十兆大小。 同样的，华为或H3C的操作系统为Comware。两种操作系统都是使用命令行界面。IOS软件能承载所选的网络协议和功能，具有连通性（设备间高速传输）、安全性（控制访问）、可扩展性（接口和容量可变）、可靠性。Catalyst的硬件由7部分组成，分别是CPU、RAM、NVRAM、FLASH、ROM、Interface(Ethernet和console)、back-bone。

以太网交换机，其三种接口类型为：Ethernet（10Mbps）、FastEthernet（100Mbps）、GigabitEthernet（1000Mbps）

 

 5、交换机操作系统

IOS和Comware操作系统组成

IOS是一个【模式化】的操作系统，具有以下模式：（1）、用户模式，提示符为：>；（2）、特权模式（使能模式），提示符为：#；（3、）全局配置模式，提示符为：(config)#；（4）、接口配置模式，提示符为：(config-int)#；（5）、vlan配置模式，提示符为：(vlan)# 或(config-vlan)#；（6）、路由模式，提示符为：(config-router)#。

Comware是【基于视图】的操作系，具有如下视图，（1）、用户视图，提示符为：userview；（2）、系统视图，提示符为：sysview；（3）、接口视图；（4）、vlan视图；（5）、路由视图。

 

 6、交换机层级与安全

Cisco的【查看】命令为 show，【保存】命令为 write。推荐使用 copy running-config startup-config  保存当前的配置到NVRAM。

华为的查看命令为 display，保存命令为 save，保存当前的配置到NVRAM。对于查看display命令，display current-config：用来查看当前正在RAM中运行的配置文件；display saved-config：查看保存MVRAM中的配置文件。

对于交换机的安全，有【三种密码】，分别是用户模式的密码、特权模式的密码、远程连接的密码。用户模式的密码，就是进入模式之前必须输入密码，在console线的配置模式中进行配置。特权模式的密码，就是进入特权模式之前必须输入密码，是在全局模式中配置执行enable命令后所需要的密码，设置密码使用password/secret。远程连接的密码，通过telnet服务远程连接到交换机，并进入特权模式之前输入密码，是在远程客户端上通过telnet远程连接后，进入用户模式所需要的密码。      

交换机的【连接层级】，可分为三层：核心层、分布层、接入层。核心层高速传输，进行核心路由器和分布站点之间的传输；分布层提供链路策略，提供多个接入层的交换机；接入层提供多个接口。连接层级架构模式有优点，但也有不足，例如：广播风暴、帧的多重副本、MAC地址表的抖动。为了解决连接架构模式的不足，采用了【生成树协议】，将最小ID的交换机作为生成树的根，建立树形无环拓扑结构，造成端口逻辑阻塞，使交换机不能正常发送和接收数据流量。

 

 7、交换机技术

交换机使用的技术：vlan和ftp

  交换机的【vlan技术】中，主要有接入接口和中继接口两种接口，接入接口就是只能传递某个特定的vlan数据，由接入接口连接起来的链路称为接入链路，access链路；中继接口就是可以同时传递多个vlan数据，还可以通过不同的标签来区分不同的valn数据，由中继接口连接起来的链路称为中继链路，trunk链路。除了这两种主流接口外，在华为的交换机上，还有一种Hybrid超级桥接接口，能够传递指定的多个vlan的数据。中继链路的封装协议为IEEE 802.1Q（dot1Q）。

  VLAN具有以下三个特点，即分段、灵活性、安全性。VLAN的基本编号为1-1005，扩展编号为1006-4094，同时，VLAN还可以用名称表示。

  交换机互联技术分为三部分，即接入层交换机、分布层交换机（2台）、核心层交换机（2台）

  【stp生成树协议】是为了避免物理环路而产生的，生成树协议有很多种，如：快速生成树协议（RSTP）、多实例生成树协议MST(MSTP)、每vlan生成树协议（pvst）。生成树协议由四部分组成，【根桥、根端口、指定端口、非指定端口】。经过生成树协议算法的选择，最终每个环路都会选出一个被阻塞的端口，该端口称为非指定端口，处于阻塞状态；在阻塞状态下，该端口只能接收【BPDU数据帧】，不能发送BPDU，也不能收发普通的数据帧。一旦拓扑结构发生变化， 位于变化一端的交换机会生成一个叫做"TC"的BPDU数据帧；该帧会传遍整个网络，也会被处于阻塞状态的端口接收；一旦处于阻塞状态的端口接收到该类数据帧，其会试图自动转换状态至转发状态以用于进行正常数据帧收发；从而可以实现链路的冗余备份；一旦损坏的网段修复，重新计算生成树。

生成树的根桥、根端口、指定端口、非指定端口四部分构成如下：

  （1）、每个物理环中有一个【根桥】，桥ID最小的即为根桥；桥ID = 桥优先级 + 桥MAC地址 ；其中，桥优先级是第一参考标准，范围为0-65535，默认的桥优先级为32768；桥MAC地址是交换机管理接口的MAC地址，是第二参考标准，通常会认为是vlan1虚拟接口的MAC地址。

  （2）、每个非根桥有一个【根端口】，根端口是处于转发状态的端口，可以用于进行正常的数据帧发送和接收。根端口的选择标准有两个，分别是开销值和端ID。对于开销值，从该端口到达根桥的开销值最小，即为根端口；根据带宽计算路径开销为：10000Mbps为2；1000Mbps为4；100Mbps为19；10Mbps为100；对于多条路径，开销值可以进行累加。如果非根桥的两个端口到达根桥的开销值相同，则比较两个端口的端口ID，【端口ID最小】的即为根端口；端口ID：端口优先级 + 端口的MAC地址；端口优先级是第一参考标准，范围为0-255，默认值为128；端口MAC地址是第二参考标准，是物理端口的MAC地址。

  （3）、每个网段有一个【指定端口】，指定端口是处于转发状态的端口，可以用于进行正常的数据帧发送和接收。从每个网段中选择指定端口，从该端口到达根桥的开销值最小，即为指定端口，根桥上的端口一定是指定端口(根桥的端口到达根桥的开销值为0)；如果某网段上的两个端口到达根桥的开销值相同，则比较端口所在的交换机的桥ID，桥ID小的就是指定端口。

  （4）、【非指定端口】，经过生成树协议算法的选择，最终每个环路都会选出一个被阻塞的端口，该端口称为非指定端口，处于阻塞状态；在阻塞状态下，该端口只能接收BPDU数据帧，不能发送BPDU，也不能收发普通的数据帧。

例如，接口为2n，则根桥为1，根桥接口为(n-1)，指定端口为n。

Cisco Catalyst交换机支持三种类型的STP分别是：PVST+、PVRST+、MSTP  使用的命令为 Switch(config)# spanning-tree mode {pvst|rapid-pvst}

华为交换机支持三种类型STP为：STP、RSTP、MSTP。

 路由器

 1、路由器简介

【路由】的4个基本元素为进制、数码、基数、位权。进制即进位计数制；数码即构成路由的数字符号；基数即进制位，10进制为10,2进制为2；

位权即数码加权，整数部分位权为：基数^(位-1)，小数部分为：基数^(-位)。例如：2^7=10000000（二进制） ；2^7=128（十进制）；2^7=200（八进制） ；2^7=80（十六进制）。二进制转换时，任意三位二进制数字都可以对应一位八进制数字，任意四位二进制数字都可以对应一位十六进制数字。

 2、路由转发及路由表的产生

路由器根据【路由表】来转发数据包，路由器根据路由表来进行数据转发，如果路由表中有跟数据包目的IP地址对应的路由条目，则按照相关路由条目转发；如果路由表中没有跟数据包的目的IP地址对应的路由条目，则丢弃数据包。路由器分隔广播域，拥有已分配了IP地址的网络适配器。路由器的4大组件为：CPU、主板、RAM、ROM。路由器可以分为控制台、网络两种类型的接口。

路由表的产生：路由表是一组具有一定标准格式的数据信息，如果是管理员手动的添加到路由表中的信息，这类路由的信息称为【静态路由】；如果是路由器之间通过特定协议相互通告得到的路由信息，称为【动态路由】； 一般来讲，静态路由永久有效，动态路由在特定的时间范围内有效。用路由器连接的多个网络应该具有【不同的广播地址】  。

 3、路由格式

【路由格式】：路由条目的来源 目标网络地址 [管理距离/度量值] via 下一跳地址

  （1）、路由条目来源：C：直接路由，在路由器的物理接口上配置的IP地址对应的路由条目

                     S：静态路由

                     D、R、O、O E1、O E2、D EX、B：动态路由

                     S*：静态默认路由

                     D*、O*：动态默认路由 

  （2）、目标网络地址：网络地址，即主机为全为0的IP地址。利用目标网络地址所标识的子网掩码与数据包中目的IP地址进行逻辑与运算，将得到的结果与"目标网络地址"进行对比，如果完全相同，才算匹配，则转发；否则就匹配下一条路由条目；如果所有的路由条目跟目标IP地址均不匹配，则丢弃数据包；

  （3）、管理距离：评价路由选择方式的好坏的，是衡量路由信息来源的可靠性的标准；数字越小越好，越大越差。

cisco和华为对路由器管理距离的定义不同，【cisco路由器的管理距离】定义为：直连路由(0)、静态路由(1)、EIGRP(90)、IGRP(100)、OSPF(110)、RIPv2(120)、静态默认路由(254)、不可达路由(255)。【华为路由器的管理距离】定义为：直连路由(0)、OSPF(40)、静态路由(60)、RIP(120)、静态默认路由(254)、不可达路由(255)。

  （4）、度量值：度量值是衡量路径的成本的；在同一种选路方式中，度量值越小的路径越好；管理距离和度量值用来评判路径是否优秀的，或者说，这是路由选择的依据 ，越小越好。

    RIP为跳数，是经过的路由器的个数，其度量值的最大值为15；

OSPF为开销(成本)，计算公式为：COST=10^8/带宽，注意，此处带宽的单位是bps，其度量值的最大值为65535；

EIGRP为复合度量值，与带宽、延迟、负责量、可靠性、MTU有关，其度量值的最大值：2^32

  （5）、下一跳地址（出站接口的编号）:如果路由器可以正常将数据包路由出去，则该参数指示此次路由数据的方向；

 4、广播域及子网划分

【广播域】即逻辑网段，由路由器分隔，分隔广播域就是分隔逻辑网段，是微分段的方式。交换机用来分隔【冲突域】，分隔冲突域就是分隔逻辑网段，是子网划分的方式。【子网】划分了许多小型网络，易于管理，总流量少，易于使用网络安全策略，子网利用【子网掩码】来进行划分。

子网掩码是32位二进制数字，用子网掩码的1表示网络位，子网掩码的0表示主机位。子网掩码的功能是与IP地址做与运算，然后求出网络位，同一个逻辑网段，网络位必须相同。路由的IP地址分为两类，有类IP地址（默认按类别匹配）和无类IP地址（手动输入），例如无类IP地址的前缀表示法：172.16.1.2/24（24位掩码）。

【子网划分】，实际上就是增加了IP地址中的网络位，减少了IP地址中的主机位，减少了广播域，减少了网段中主机的数量，便于网络管理和安全测略的应用。增加了多少个网络位，就增加了（2^网络位）个子网，主机位全为0叫做网络地址，主机位全为1叫做广播地址，网络位最多为30位，即主机位最少占用2位。

主类网络中，每个网络包含的IP地址数量可能很庞大，而在整个网络中，一旦该主类网络被使用，其他网络即不能使用该主类网络内的所有IP地址；因此，我们可以划分多个子网，把主类网络划分为多个合适的子网。子网划分的实质是增加网络中网络的数量，减少主机的数量。如说不进行子网划分，我们只能使用主类网络。

使用ping命令来检测主机之间的连通性，其返回结果有能连通、不能连通两种，但是如果没有连通时，无法进一步定位故障点。

使用traceroute对路由信息进行跟踪，将路由接口的IP地址信息返回主机。

 5、路由技术

路由技术：路由协议和NAT(网络地址转换)

  【NAT】为网络地址转换，进行NAT的前提是，IP地址被划分为公有地址和私有地址；公有地址可以直接访问互联网，互联网中的各个路由器为所有的公有地址提供路由；私有地址只能在局域网内使用，互联网中的各个路由器不会为私有地址提供任何路由。NAT会被配置在互联网边界路由器上，在数据发送的过程中，通常会使用全局地址替换本地地址；也就是说，最终封装在数据包上的源和目的IP地址，都是全局地址。

  比较常用的NAT有SNAT和DNAT两种，SNAT是使私有IP地址的主机能够访问到互联网资源的方法，将局域网接入互联网；DNAT与SNAT相反，DNAT数据通信的目的地是某个局域网内的主机或服务器，是访问局域网内服务器的方法。

  为了实现NAT转换的正常进行，在路由器内部，保存了一个NAT表；对于每台路由器而言，NAT表是实现NAT的依据；生成NAT表的方式，有静态和动态两种，静态即管理员手动的完成，格式为：ip nat inside source static Inside_local Inside_global，动态即由路由器自动执行完成，格式为ip nat inside source Inside_local Inside-global [overload]。

附：

R：RIPv2（路由信息协议版本2）

D：EIGRP（加强内部网关路由协议）

O：OSPF（开放最短路径优先协议）

B：BGP（边缘网关协议）