一、考点分析
- 考点1：局域网交换机基础知识
- 考点2：交换机的配置方式与基本配置
- 考点3：生成树协议标准
- 考点4：VTP
- 考点5：VLAN
- 考点6：STP中的可选功能，3个FAST
二、局域网交换机的基本功能
（一）局域网交换机的基本概念
局域网交换机（Switch）是一种在数据链路层的网络设备。交换机根据进入端口数据帧中的MAC地址，过滤、转发数据帧。它是基于MAC地址识别，完成转发数据帧功能的一种网络连接设备。
使用交换机组建出的是一个交换式局域网。交换式局域网具有独占传输通道、独享信道带宽，同时允许多对站点进行通信、总带宽等于所有端口带宽之和等特性。
（二）局域网交换机的功能
局域网交换机有三个基本功能：
①建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口对应关系的交换表；
②在发送结点和接收结点之间建立一条虚连接；
③完成数据帧的转发和过滤。
交换机分析每一个进来的数据帧，根据帧中的目的MAC地址，通过查询交换表，确定是丢弃帧还是转发帧，数据帧应该转发到交换机的哪一个端口。
三、局域网交换机的工作原理
交换机的工作原理与透明桥极为相似，它们都通过一种自学习的方法，自动地建立和维护一个记录着目的MAC地址与设备端口映射关系的地址查询表。在交换机中，该表称为交换表。
四、交换表的建立与维护
（一）交换表的内容
交换表的内容包括：目的MAC地址及其所对应的交换机端口号和所在的虚拟子网。
Eg1： 大型核心交换机产品的交换表
VLAN Dest MAC/Route Des [CoS] Destination Ports or VCs/[Protocol|Type]
118 00-e0-4c-73-51-4e 3/6 [ALL]
**第1列是VLAN号
第2列是目的MAC地址
第3列是目的MAC地址所对应的交换机端口号
Eg2： 小型接入交换机产品的交换表
Desination Address Type VLAN Destination Port
0000.2172.8043 Dynamic 148 Fast Ethernet0/3
**第1列是目的MAC地址
第2列是地址类型
第3列是VLAN号
第4列是该目的MAC地址所对应的交换机端口号
（二）交换表的建立
在交换机开机时，交换表的内容是空白的，此后交换表逐渐建立起来。交换机通过不断地自学习的方式建立交换表。
（三）交换表的维护
交换表一般被保存在交换机的一个高速缓存中，但高速缓存的空间是有限的，因此交换表必须定时刷新，将长时间不用的表项删除，将新的表项存入。交换机刷新交换表的方法是，每次储存一个地址表项时，都被盖上一个时间戳。每当交换表中的一个地址被参考，该表项会被盖上一个新的时间戳记。以时间戳为依据，将经过一段时间没被参考过的地址从交换表中移除，以便腾出空间，保存新的表项。交换机就是这样通过盖时间戳的方法维护交换表的。
（四）显示交换表命令的使用方法
1、大中型交换机（cisco-4000及以上型号）
在交换机的超级用户模式下，输入 " show cam dynamic " 命令。
2、小型交换机（cisco-3xxx及以下型号）
在交换机的超级用户模式下，输入 " show mac-address-table " 命令。
（五）交换表的保存
在一些高端交换机中，通常把交换表保存在可编址内容存储器（CAM）中。CAM就是保存交换表的一个高速缓存。
五、交换机的交换结构
（一）软件执行交换结构
软件执行交换结构是借助CPU和RAM硬件环境，由特定的软件来完成数据帧交换的一种交换结构。交换机先将数据帧由串行代码转换成并行代码，并将代码暂存在交换机的快速缓存RAM中；而由CPU依据目的MAC地址进行查表，确定目的端口号，建立虚连接；然后将保存在RAM中数据帧的并行代码转换为串行代码，传送到目的端口，完成数据帧的交换。以上所有的功能全部由软件控制执行。
特点：结构灵活、交换速度慢、交换机堆叠困难、交换机端口较多导致交换机性能下降。
（二）矩阵交换结构
在矩阵交换结构的交换机中，交换功能完全由硬件完成。它由输入、输出、交换矩阵和控制处理四部分组成。
交换机在确定目的端口号以后，就会根据源端口号和目的端口号打开相应的交换矩阵开关，在源端口和目的端口之间建立连接，形成一条传输通道，通过这条通道完成数据帧的交换。为了避免端口拥塞，这种结构的交换机还增加了缓冲区和排队系统。
特点：交换速度快、延时小、结构紧凑、矩阵交换的实现相对比较简单、不易拓展、不利于交换机性能的监控和运行管理。
（三）总线交换结构
总线交换结构的交换机背板上都有一条公用总线，数据帧的交换都在总线上完成。通过时分多路复用（TDM）技术，将总线按时隙分为多条逻辑通道，可同时在总线上建立多对端口的连接，各个端口都可以往总线上发送数据帧，每个端口发送的数据帧均按时隙在总线上传输，并从确定的目的端口输出数据帧，完成数据帧的转换。
特点：性能好、便于堆叠拓展、易实现帧的广播、易监控管理、易实现多个输入对一个输出的帧传送。（目前应用广泛）
如果端口带宽都相同，则 总线带宽 = 端口带宽 × 端口数量 ，即 S = B × N
S为总线带宽 B为端口带宽 N为交换机的端口数
（四）共享存储器交换结构
共享存储器交换结构是总线交换结构的一种变形，它用共享存储器代替了公用总线。在这种结构的交换机中，数据帧的交换功能是通过共享存储器RAM直接将数据帧从输入端口传送到输出端口的方式完成的，它不需要背板。适合小型交换机采用。
优点：结构简单、易于实现。
缺点：交换机端口数量与存储容量拓展到一定程度时，会产生延迟。另外，冗余结构比较复杂，冗余交换引擎技术的实现比较困难，成本较高。
六、交换机的交换模式
（一）交换机交换模式的分类
交换机有静态交换和动态交换两种方式。动态交换是绝大多数交换机所采用的交换方式。有存储转发、快速转发、碎片丢弃三种交换模式。
（二）快速转发交换模式（fast forward）
通常也称为直通交换模式，接收到帧中6个字节的目的地址后便立即转发数据帧。将帧中的目的MAC地址部分拷贝到缓冲区中，不缓存整个数据帧。这种交换模式会在整个数据帧收到之前就开始转发。
优点：端口交换时间短、延时小、交换速度快。
缺点：不能提供检错、纠错、速度匹配和流量控制等功能，交换机可靠性较差。
适合小型交换机采用。
（三）碎片丢弃交换模式（Fragment-Free）
又称为无分段交换模式。在开始转发数据帧之前，先过滤掉造成大部分数据报错的冲突碎片。在转发数据时，先检查数据包的长度是否够64字节，如果小于64字节，则视为碎片，交换机直接将该帧丢弃。大于64都被视为有效帧，进行转发。
优点：开始转发数据帧之前就过滤掉了冲突碎片，确保冲突碎片不通过网络传播，从而提高了网络的传输效率和带宽利用率。
（四）存储转发交换模式
在开始转发数据帧之前先接收整个数据帧，并把整个帧保存在缓冲区中。
优点：具有链路差错校验功能、可靠性高、支持不同速率的端口。
缺点：交换延时比较大、交换速度相对比较慢。
应用最广泛的一种交换模式。
七、虚拟局域网VLAN技术
（一）VLAN的基本概念
虚拟网VLAN是以交换式网络为基础，把网络上用户的终端设备划分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个VLAN。VLAN就是一个网络设备或用户的逻辑组，该逻辑组是一个独立的逻辑网络、单一的广播域，这个逻辑组的设定不受实际交换机区段的限制，也不受用户所在的物理位置和物理网段的限制。逻辑组的设定是在交换机中通过软件完成的。
（二）VLAN的技术特性
1、VLAN工作在OSI参考模型的第二层（数据链路层）。
2、每个VLAN都是一个独立的逻辑网段，一个独立的广播域。VLAN的广播信息仅发送给同一个VLAN的成员，并不发送给其他的VLAN成员。
3、每个VLAN又是一个独立的逻辑网络，它们都有唯一的子网号。VLAN之间不能直接通信，必须通过第三层路由功能完成。
（三）VLAN的标识
VLAN通常用 VLAN ID（VLAN号）和 VLAN name（VLAN名）标识。
IEEE802.1Q标准规定，VLAN用 12bit 表示，可以支持4096个VLAN。
1~1005是标准范围
1025~4096是拓展范围
1~1000用于以太网的VLAN ID
1002~1005是 FDDI 和 Token Ring 使用的VLAN ID
VLAN name用32个字符表示，可以是字母和数字。在建立一个VLAN时，需要给定一个名字，如果没有给定名字，系统则自动按缺省的VLAN名（VLAN00xxx）建立VLAN。
八、虚拟局域网中继VLAN Trunk
虚拟局域网中继技术是交换机与交换机之间、交换机与路由器之间存在一条物理链路，而在这一条物理链路上要传输多个VLAN信息的一种技术。在主干链路上，要传输多个VLAN的信息，就要求连接主干链路的两台交换机的端口具有Trunk功能。
VLAN Trunk的标准机制是帧标签。帧标签为每个数据帧指定一个唯一的VLAN ID 作为识别码，表明该帧是属于哪个VLAN的。
九、生成树协议STP
1、生成树协议是一个二层链路管理协议。它的主要功能是在保证网络中没有回路的基础上，允许在第二层链路中提供冗余路径，以保证网络稳定、可靠地运行。
2、为提高网络地稳定性，避免回路的产生，工程师们开发了生成树协议STP，并由IEEE制定了相关的 IEEE 802.1D 标准。
3、STP的基本工作原理是，通过在交换机之间传递网桥协议数据单元（BPDU），并用生成树算法（STA）对其进行计算比较。根据BPDU提供的参数和生成树计算，STP首先选定一个根（根网桥），根网桥是整个生成树拓扑结构的核心，所有的数据实际上都要通过根网桥。然后确定交换机冗余链路的工作状态，让一些端口进入阻塞工作模式，另一些端口进入转发工作模式。其中被阻塞的端口仍然是一个激活的端口，但它只能接收和读取BPDU，不能接收和转发数据流。
４、在网络运行中，如果一个网段在生成树中因故障而失效，多余的路径又存在时，生成树会重新计算生成树拓扑，并强制将有故障的链路变为备份链路，而把原备份链路重新及激活。
５、在STP的处理过程中，交换机和网桥是有区别的。
６、BPDU中携带了实现生成树算法的有关信息，包括 Root ID 、Root Path Cost 、Bridge ID 、Port ID 、Hello time 、Max Age等。
7、BPDU数据包有两种类型，
一种是包含配置信息的配置BPDU（不超过35个字节）
一种是包含拓扑变化信息的拓扑变化通知BPDU（不超过4个字节）
8、Bridge ID优先级ID的取值范围是0~61440，增量值是4096。优先级的值越小，优先级越高。而在选择根网桥时，如果优先级值相同，就根据MAC地址的值决定根网桥，MAC地址的值最小的为根网桥。
9、BPDU每2s定时发送一次，在网络发生故障或拓扑结构发生变化时也会发送新的BPDU，以便维护生成树树状结构。