LAN Switching & VLAN

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局域网交换和VLAN

1. 交换 (Switching)

1.1. 交换操作

  • 交换机有两个基础功能：
    • 基于MAC地址，建立和维持交换表 (与网桥表类似)
    • 在接口交换帧，发往目的地址
  • 交换操作根据带宽分成两种：对称交换和非对称交换

1.2. 对称交换(Symmetric Switching)

  • 对称交换提供相同的带宽给端口间的交换连接 (10/10 Mbps或100/100 Mbps)

  • 当用户试图访问别的网段上的服务器时，可能导致瓶颈

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1.3. 非对称交换(Asymmetric Switching)

  • 非对称交换通过用更高带宽(100 Mbps)的端口连接服务器的网段，来减少了服务器上潜在的瓶颈

  • 非对称交换需要交换机内有存储缓冲区 (which is trivial)

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1.4. 存储缓冲区

  • 存储缓冲区是交换机中的存储区域，存有目的地址和传输数据，直到数据被交换的正确的输出端口。交换机常见的通信方式包括下面两种：
    • 基于端口存储缓冲（存储缓冲队列）
      • 每个端口的包被存成了一个队列
      • 如果是一个繁忙的目标端口，可能会因为一个包拖延其它包的传输
    • 存储缓冲区共享（共享缓冲区）
      • 常见的存储缓冲区是所有端口共享的
      • 允许包在一个端口是接收端RX，在另一个端口是发送端TX，不需要交换到另一个队列

1.5. 交换方法

交换机常见的交换方法包括存储转发和直通交换

  • 存储转发 (store-and-forward，又叫报文交换)

    • 交换机收到整个帧，在发送到目的地址前，计算末尾CRC

  • 直通交换（cut-through，又叫切入交换）

    • 存储转发会增加延迟，使用切入交换方法可以减少延迟
    • 这一交换方式又包括两种：
      • 快速转发交换（Fast Forward）——只检查目标MAC，接着立刻转发帧
      • 碎片隔离式（Fragment Free）——读取开头的64字节来减少转发的错误
    • 下图展示了这 2 + 1 种交换方式的大概区别

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1.6. 交换机

在OSI协议中的数据链路层，网络层和传输层都有相应的交换机；同时，也存在集成的多层交换机

  • 数据链路层交换机
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  • 网络层交换机
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  • 传输层交换机
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  • 多层交换机
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2. 生成树协议 (The Spanning-Tree Protocal, STP)

以太网的生成树协议(IEEE802.1D)可以在提高网络可靠性的同时避免网络环路带来的各种问题（如：发送一个帧，全网都能收到）

2.1. 桥接环路 (Bridging Loops)

环路在网络中产生的原因有很多。通常因为蓄意提供冗余，也可能是配置错误。由以下两个原因导致的网络环路是灾难性的：

  • 广播循环（Broadcast Loops）
  • 过时的网桥表（Bridge-Table Corruption）

2.2. 冗余线路产生的环路 (Redundancy Creates Loops)

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2.3. 泛洪机制与第2层桥接环路

泛洪 (广播) 和第2层桥接环路同时发生是可怕的事情，因为：

  • 以太帧没有TTL域 (Time To Live)

  • 在一个以太帧开始循环后，它会一直持续下去，直到有人关掉了其中一个交换机或破坏一条连接线路

  • 交换机会触发主机A的网桥表条目 (导致CPU持续高强度被占用)

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2.4. STP (The Spanning-Tree Protocal) 概览

STP的主要作用是，形成一棵无环路的树，解决广播风暴问题并实现冗余备份。

  • STP——生成树协议

    • 主要功能：允许交换机/网桥网络中存在冗余路径，却不会从循环效应中引发延迟
    • STP通过计算一个稳定的生成树网络拓扑来避免逻辑环路的产生
    • BPDU (桥接协议数据单元，Bridge Protocol Data Unit，又叫生成树帧) 用于决定生成树拓扑（包括成生成树的选举以及重收敛）

  • STP 决策序列——生成树通常使用的4步固定的决策序列来配置最优的 BPDU：

    • 最小的 根BID (Bridge Identification，网桥识别符)

      • 一个网桥ID (BID): 8字节
        • BID高位子域(2字节，十进制表示)：网桥优先级
          • 216种可能的值：0-65535 (default：32768)
        • 低位子域(6字节，十六进制表示)：交换机被分配的MAC地址

    • 最小的 RPC（Root Path Cost，根网桥路径开销）

      • 网桥使用开销的概念来评估他们与别的网桥之间的距离

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    • 最小 BID（Bridge Identification）

    • 最小PID （Port Identification）

  • BPDU 的工作原理

    STP建立了一个根节点，叫根网桥，得到的树源自根网桥。在生成树的过程中，不属于最短路径树的冗余链接被阻塞，在阻塞链接上的接收的数据帧被抛弃。最终，符合无回路逻辑拓扑形式的交换机发送的消息即为 BPDU

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  • BPDU 的物理形式

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  • 5种STP状态

    • 通过根据规则配置每个端口，来建立状态
    • 然后STP基于传输模式和潜在的循环，来修改状态
    • 默认的STP状态命令有：
      • 阻塞Blocking——没有帧转发，接收BPDU
      • 侦听Listening——没有帧转发，侦听数据帧
      • 学习Learning——没有帧转发，学习地址
      • 转发Forwarding——有帧转发，学习地址
      • 禁用Disabled——没有帧转发，不接受BPDU

  • 举例说明生成树协议的具体选举步骤

    • 最初的STP集合

      • 当网络刚开始，所有网桥向网络中发送 BPDU 信息
      • 他们立刻在 BPDU 集合上应用决策队列，来得出整个网络的生成树

    • 首先选举根网桥来作为网络的中心

      通过寻找有着最低BID的交换机，来选择根交换机.

      如果所有交换机使用默认网桥优先级32,768，那么选择MAC地址最低的

      • 宣布它自己是根

      • 检查端口收到的所有 BPDU 和即将在那个端口发送的 BPDU

        • 对于每一个收到的BPDU，如果比该端口保存的BPDU的值低：则旧的值被取代，同时BPDU的发送方成为新的根

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    • 接着选择根端口：所有剩余网桥计算根端口的集合

      • 每一个不是根的网桥必须选择一个根端口（离根网桥最近的端口，且根路径开销是到达根网桥的所有链接开销的累计）

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    • 最后选择指定端口：所有剩余网桥计算指定端口的集合

      • 选择指定端口(I)

        • 每个网段有一个指定端口
          • 用作一个网桥/交换机端口，在这里收发该网段上的通信
        • 包括给定网段的指定端口的网桥/交换机，认为是该网段的指定网桥
        • 所有网桥/交换机会阻塞它们的非指定端口

      • 选择指定端口(II)

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  • STP示例

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3. VLAN

3.1. VLAN介绍

  • 现有的共享局域网配置
    • 在传统的局域网中…
      • 用户基于他们接入的集线器物理分组
      • 路由器划分局域网，提供广播防火墙
    • 在 VLAN 中…
      • 你可以通过功能、部门或使用的应用来将用户逻辑分组
      • 配置由专门软件完成

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  • VLAN 相对于 LAN 的特点

    • 在第数据链路层 & 网络层工作
    • 能解决冲突域，广播域，带宽等问题
    • 允许网络管理员分配用户
    • 提供更安全的网络

  • VLAN(IEEE 802.1Q)

    • 特征
      • 不被物理交换网段限制的，一个逻辑上的网络设备或用户的集合
      • VLAN中的设备和用户可以根据功能、部门、应用等分组，不论他们物理网段地址是什么
      • VLAN构造了一个单独的广播域，不受物理网段限制，就像一个子网
      • 通过网络管理员使用供应商软件，在交换机中设置VLAN
    • 用户分组
      • VLANs可以逻辑地将用户划分到不同的子网（广播域）
      • 广播帧只在交换机的端口之间交换，或有着相同VLAN ID的交换机之间交换
      • 用户可以基于端口号，MAC地址，使用的协议，应用 等通过软件来进行 逻辑分组

3.2. VLAN体系结构

  • 骨干中的VLANs

    • VLAN配置需要支持互联路由和交换机之间的数据骨干传输
    • 骨干是用于内部VLAN通讯的区域
    • 骨干需要有高速链接，100Mbps或更大
    • pic137

  • VLAN中路由器的角色

    • 一个路由器提供不同VLAN之间的连接
    • 比如你有VLAN1和VLAN2.
      • 在交换机内，不同VLAN上的用户不能相互对话 (VLAN的好处!)
      • 然而，如果有路由器，那么VLAN1上的用户可以给VLAN2上的用户发邮件

  • VLAN中帧是怎么用的

    • 交换机基于帧里的数据，做过滤和转发决策

    • 这里要用两种技术

      • 帧过滤—检查关于每个帧中特定的信息 (MAC地址或第3层协议类型)

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      • 帧标记—当帧通过网络骨干被转发的时候，在它开头放一个独特的VLAN标识符

        • 帧标记实现过程：

          • 当帧通过网络骨干被转发的时候，在它开头放一个独特的VLAN标识符
          • 标识符由每个交换机解读和检查
          • 当帧退出网络骨干的时候，交换机在帧被发送到目标站点前，移除开头的标识符

        • 帧标记在第2层起作用，需要很少提前过程或管理

        • pic140

        • IEEE802.1Q

          • IEEE标准，插入一个VLAN的标签到头部，来标识属于的VLAN (帧标记)。

        • ISL(交换机间链路)

          • 思科专属。ISL在数据帧前新增一个26字节的头部，在尾部增加4字节CRC
        • 名字 封装 标签 媒介
          802.1Q No Yes Ethernet
          ISL Yes No Ethernet

    pic138

3.3. VLAN实现

  • 端口，VLANs和广播
    • 实现 VLAN 的方法包括 静态 和 动态 两种
    • 每个交换端口都可以分配一个VLAN这个…
      • 保证没有共享同样VLAN的端口，不会共享广播
      • 保证共享同样VLAN的端口，会共享广播
  • 静态VLAN：管理员分配
    • 好处
      • 安全，容易配置和监控
      • 因为控制移动，所以在网络中表现好
    • 图例
      • pic141
  • 动态VLAN：最初连接在一个没有分配的端口上，交换机检查表中的条目并分配
    • 好处
      • 当增加或移除用户的时候，管理更少（更提前）
      • 集中没有被授权的用户的通知
    • 图例
      • pic142
  • 以端口为中心的VLAN
    • 好处
      • 所有在同一个VLAN中的节点都连接到同一个路由器接口
      • 使得管理更容易，因为……
        • 用户由路由器接口分配
        • VLANs更容易管理
        • 更加安全
        • 包不会泄露到其它域
    • 图例
      • pic143
  • 访问链路和主干链路
    • 图例
      • pic144
    • 访问链路
      • 访问链路是交换机上的一个链路，它只是一个VLAN的成员
      • 这个VLAN被认为是端口的本地native VLAN
        • 任何连接到这个端口的设备完全不知道存在这个VLAN
    • 主干链路
      • 一个主干链路有能力支持多种VLANs.
      • 主干链路用于连接交换机到其它交换机或者路由器上
      • 交换机在高速以太网和Gigabit以太网端口上，支持主干链路
      • 访问和主干链路也存在
      • 主干是一个点对点链路，支持几种VLAN
      • 当在两个实现VLAN的设备之间构造链路的时候，主干用于保存端口
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      • 主干链路不属于一个特定的VLAN.
        • 像路由器和交换机之间的VLANs导管
      • 主干链路可以配置为运输所有VLAN，或运输有限个VLAN
      • 然而主干链路可能有一个本地native VLAN
        • 主干的本地VLAN是，如果主干链路因某些原因失效，这时主干使用的VLAN
  • 交换机29xx配置
    • 当在思科29xx交换机上配置的时候，必须根据下列指导：
      • VLANs的最大个数取决于交换机
      • VLAN 1是工厂默认VLAN之一
      • VLAN 1 是默认的以太网VLAN.
      • 思科发现协议(CDP)和虚拟局域网主干协议(VTP) 广告发在VLAN 1上.
      • 默认Catalyst 29xx IP地址在VLAN 1广播域

3.4. VLANs之间的路由

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  • pic147

  • 子接口

    • pic148

  • VLAN实验报告见文件