1-交换机基本配置

路由与交换技术 教材 唐俊勇，路由与交换型网络基础与实践教程，清华大 学出版社。

参考教材 CCNA考试辅导教材 网络工程师考试教材

课程简介： 任意选修课，32课时

第1讲 网络互联设备与交换机基本配置 网络互联设备 中继器、集线器、交换机、网桥 交换机的工作原理 交换机的组成 交换机的基本配置

中继器(Repeater)具有对物理信号进行 放大和再生的功能， 其将从输入接口接收 的物理信号通过放大 和整形再从输出接口 输出。 “单进单出”结构。

集线器(Hub)

集中式的多端口中继器，其多个端口可为多路信号 提供放大、整形和转发功能。 典型的端口数为 4, 8, 16或 24 起到线缆集中器的作用，提高了物理连接的可靠性。 分类：按端口带宽划分，分为10Mbps、100Mbps、 10/100Mbps自适应三种；按照配置的形式，分为 独立型、模块化和堆叠式三种。4

中继器/集线器物理层网络互连设备，集线器又称多端口中 继器 物理上对网络进行扩展： 当网络段传输超出网络传输介质决定的 最大传输距离时，起中继、放大及整形作用， 使得物理信号的传送距离得到延长 由于不具备数据隔离或过滤功能，其对网络 的扩展是以冲突域的增加和冲突检测有效性 的下降为代价。5

集线器不具过 滤功能1 2

若主机1向主机2发送一个数据包，尽 管两者在同一网段，但网络中的集线 器会将会不加选择地向所有端口转发 流量，从而引发广播风暴。

网桥/交换机的流量过滤功能1 2A001CD201B56 20017D201B96 …… 79E17D2019B6 LAN1/PORT1 LAN2 /PORT2 …… LAN4 /PORT12

位于同一网段的主机1到主机 2的数据流量将不会通过交换 机到达其他网段

网桥Bridge,也叫桥接器。 工作在数据链路层的一种网络互连设备，其 可以实现两个或多个LAN的互联； 主要功能包括： 物理上扩展网络 基于第二层地址的数据过滤功能 逻辑划分网络的功能 数据推进功能 帧格式转换功能

交换机Switch,也是工作在数据链路层的一种网络互连设备 由网桥发展而来，是一种多端口的网桥，其通过在其内部 配备大容量的交换式背板实现了高速数据交换。 根据涉及的第二层技术，分为以太网交换机、FDDI交换 机、帧中继交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。

交换机与网桥的比较相同性：均为OSI第二层的网络互连设备。交换机作为多端 口网桥，具备了网桥所拥有的全部功能，如物理上 扩展网络、逻辑上划分网络等。

区别：作为对网桥的改进设备，交换机： 1)可以提供高密度的连接端口； 2)采用的基于交换背板的虚电路连接方式，可为每

个交换机端口提供更高的专用带宽，而网桥易形成 瓶颈； 3)数据转发基于硬件实现，较网桥采用软件实现数 据的存储转发具有更高的交换性能。10

交换机与集线器的比较相同点： 多端口集中器 物理上扩展网络

不同点 集线器为物理层设备，只关注原始比特流的传送，不具备流量过滤 功能和逻辑划分网络功能。 交换机为数据链路层设备，基于MAC地址在不同网段间进行流量过 滤，从而具有逻辑分段功能。 集线器只能实现半双工传送，而交换机可支持全双工传送 集线器提供共享带宽，交换机提供专用带宽

e.g. 24口/100M集线器，每个端口带宽100/24M 24口/100M交换机，每个端口带宽100M11

交换机的外观

交换机的内部结构 交换机相当于是一台特殊的计算机，同样有CPU、存储介质 和操作系统，只不过这些都与PC机有些差别而已。交换机 也由硬件和软件两部分组成。 软件部分主要是IOS操作系统 硬件主要包含CPU、端口和存储介质。– 端口主要有以太网端口(Ethernet)、快速以太网端口(Fast Ethernet)、吉比特以太网端口(Gigabit Ethernet)和控制台端口 (Console口)等。 – 存储介质主要有ROM、FLASH、NVRAM和DRAM。 ROM相当于PC 机的BIOS,交换机加电启动时，将首先运行ROM中的程 序，以实现对交换机硬件的自检并引导启动IOS。该存储器在系统掉电 时程序不会丢失。 FLASH是一种可擦写、可编程的ROM,FLASH包含IOS及微代码。FLASH 相当于PC机的硬盘，但速度要快得多，可通过写入新版本的IOS来实现 对交换机的升级。FLASH中的程序，在掉电时不会丢失。 NVRAM用于存贮交换机的配置文件，该存储器中的内容在系统掉电时 也不会丢失。 DRAM是一种可读写存储器，相当于PC机的内存，其内容在系统掉电时 将完全丢失。13

交换机的加电启动过程

交换机加电后，即开始了启动过程1. 首先运行ROM中的自检程序，对系统进行自 检 2. 然后引导运行FLASH中的IOS,即将IOS从Flash 中copy到DRAM运行 3. 在NVRAM中寻找交换机的配置文件startupconfig,然后将其装入DRAM中运行，称之为 running-config文件

其启动过程将在终端屏幕上显示。14

交换机的工作机制 交换机的工作机制按图示例进行说明。假设网上有1台交换 机和5台主机，各主机的主机名、MAC地址以及与交换机连 接的端口号如图中所标注。 交换机在数据通信中完成两个基本的操作：(1)构造和维护MAC地址表； (2)交换数据帧：打开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧 转发到目标端口上。

构造和维护交换地址表 在交换机中，有一个交换地址表(思科交换机中

称为CAM 表),记录着主机MAC地址和该主机所连接的交换机端口 号之间的对应关系。由交换机采用动态自学习源MAC地址 的方法构造和维护此表。 (1)交换机在重新启动或手工清除MAC地址表后，MAC 地址表没有任何MAC地址的记录，如图所示。

构造和维护交换地址表 (2)假设主机A向主机C发送数据帧，因为现在MAC地址表为空，将此源 MAC地址0260.8c01.1111和源端口E0记录到MAC地址表中，同时向其他所有 的端口发送此数据帧(称为泛洪),如果某一主机在接收到此数据帧后，将 提取目标MAC地址，并与自己网卡的MAC地址进行比较，如果相等，则接收 此数据帧；否则丢弃此数据帧。如图所示。

构造和维护交换地址表 (3)如果主机C向主机A发送一个回帧(如使用PING命令 时),则C的端口E2和MAC地址0260.8c01.2222放在MAC地 址表中。当主机A、B、C、D都已经向其他主机发送过数据 帧后，则MAC地址表将会有4条记录。如图所示。

构造和维护交换地址表 (4)下一次，当主机A再向主机C发送数据帧，交换机会提取 数据帧的目的MAC地址，通过查找MAC地址表，发现有一条 记录的MAC地址与目的MAC地址相等，而且知道此目的MAC 所对应的端口为E2,交换机就打开E0与E2端口之间的通道， 将数据帧从E0直接转发到E2端口，如图所示。

交换数据帧

交换机在转发数据帧时，遵循以下规则：(1)如果数据帧的目的MAC地址是广播地址，则向交换机所 有端口(除源端口)转发(称泛洪); (2)如果数据帧的目的MAC地址是单播地址，但这个MAC地 址并不在交换机的地址表中，则向所有端口(除源端口) 转发(称泛洪); (3)如果数据帧的目的MAC地址在交换机的地址表中，则打 开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧转发到目 标端口上； (4)如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源MAC地址来自 同一个端口，则丢弃此数据帧，不发生交换。20

交换机的交换方式 目前交换机在传送源和目的端口的数据帧时有三种交换方式， 直通式、存储转发式和碎片隔离式。目前交换机最主流的交 换方式是存储转发式(默认配置)。 1、直通交换方式(Cut-through)– 采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉 的线路矩阵交换机。它在输入端口检测到一个数据帧时，检查该帧的 帧头，获取帧的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出 端口，在输入与输出交叉处接通，把数据帧直接送到相应的端口，完 成数据交换功能。由于它只检查数据帧的帧头(通常只检查14个字 节),不需要存储，所以具有延迟小、交换速度快的优

点。

但它的缺点也很明显：1)因为数据帧没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数 据帧是否有误，不能提供错误检测能力； 2)因为输入/输出端口间有速度上的差异，如连接到高速网络(千兆网 络)上，没有缓存而直接将输入/输出端口“接通”,容易丢帧； 3)当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，其硬件实 现就更加困难。21

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