交换机(Switch)是一种用于电信号转发的网络设备,它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路,最常见的交换机是以太网交换机,其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等,交换机是集线器的升级替代产品,理论上讲交换机就是按照通信两端传输信息的需求,将需要的信息发送到目标设备上的网络组件.
文字描述，摘抄自《网络设备配置与管理》精简内容，部分内容来自华为（HCIP认证》课程笔记，适合学习面试，其中的架构图，与搭建流程为自己规划并实验的。
STP 技术简介
◆冗余技术概述◆
冗余技术又称为储备技术,是利用并联模型来提高网络可靠性的一种手段,它通过向网络中增加备用的链路,当一条通信信道出现故障时,自动切换到备用的通信信道,从而提高网络的稳定性和可靠性.
冗余技术虽然可以提高网络的稳定性和可靠性,但是也会产生许多的问题,如果两个交换机相连的话会造成交换机环路,出现的问题就是随机出现网络不通的现象,严重的话还会导致网络广播风暴,重复拷贝帧,MAC地址表不稳地等情况,但如果是智能交换机的话则不会出现此种情况,以下将分别介绍这几种环路的基本原理.
广播风暴: 在物理网络中出现环路现象,且没有采取解决措施的情况下,一旦域内有某个主机发送了广播帧,则当域内的交换机接收到数据后,就会不停的发送和转发广播帧,从而形成网络广播风暴,网络广播风暴会长时间占用网络带宽,和交换机CPU资源,影响网络性能,甚至引起整个网络瘫痪.
重复拷贝帧: 重复拷贝帧也称多帧复制,是指单播帧可能被多次复制传送到目标主机上去,此时数据帧的多个副本会保存在目标主机上,从而造成主机资源的浪费,甚至会造成目的主机无法选择其他来源的数据帧而导致数据丢失,简单的来讲就是数据分别从两个口进入了目的主机,导致目的主机MAC地址表中存在多个数据帧,有时还会导致数据的多次覆盖,从而无法接收到准确的数据.
MAC地址表不稳定: 一般情况下交换机接收到数据时,会将接收数据帧的端口与发送主机MAC地址的对应关系添加到本机的MAC地址表中,那么如果交换机在不同的端口接收到同一个数据帧的多份副本,将造成MAC地址表在短时间内被多次修改,和循环重复的覆盖,从而影响MAC地址表的稳定性.
以上几种情况是冗余技术的技术瓶颈所在,在实际的应用中网络的结构往往会很复杂,有更多的冗余链路,从而会产生更多的交换机环路,因此所带来的网络广播风暴,多帧复制会更加的严重,就因为这种需求,STP就由此诞生了.
◆STP生成树协议◆
为了解决网络冗余链路所产生的问题,IEEE定义了802.1D协议,即生成树协议STP,利用生成树协议可以避免帧在环路中的增生和无限循环,生成树的主要思想是,当两个交换机之间存在多条链路时,通过一定的算法只激活其中最主要的一条链路,而将其他冗余链路阻塞掉变为备用链路,当主链路出现问题时,生成树协议将自动启用备用链路,整个过程不需要认为干预.
STP协议中定义了,根桥(RootBridge),根端口(Root Port),指定端口(Designated Port),路径开销(Path Cost)等概念,目的在于通过构建一棵自然树的方法阻塞冗余链路,同时实现链路备份和链路最优化.
STP协议的通信,是通过桥协议数据单元(BPDU)进行通信的,它是运行STP的交换机之间交流消息帧,所有的支持STP协议的交换机都能接收并处理BPDU报文.
STP工作过程: 选举根桥->选举根端口->选举指定端口->STP阻塞非根
1.选举根桥:交换机假定自己是根,然后发送BPDU报文给其他交换机,最终选出ID号最小的交换机作为根桥.
2.选举根端口:每台非根交换机都会选举出一个根端口,并且仅有一个根端口,并按照优先级选择一个根端口.
3.选举指定端口:选择一条网桥到根桥的路径成本最小的路径,或者发送方的网桥ID最大的作为指定端口.
4.选择阻塞端口:至此,就会根据STP算法,从多个链路中选择性的阻塞掉一些端口的数据通信.
STP端口状态:
1.阻塞(Blocking):端口只接受BPDU,不能接收或发送数据,也不能把学习到的MAC地址天机到MAC地址表中.
2.转发(Forwarding):端口能够接收并转发数据,也能够学习MAC地址,并添加到MAC地址表中.
3.侦听(Listening):该状态是从阻塞到转发状态过程中的临时状态,该状态只能发送和接受BPDU数据.
4.学习(Learning):该状态是从阻塞到转发状态过程中的临时状态,该状态不能够发送或接收数据.
5.关闭(Disable):该状态端口只提供网络管理服务,不能接受发送任何数据,也就是停止服务的状态.
◆RSTP 快速生成树◆
STP协议虽然解决了链路闭合引起的死循环问题,但是在端口从阻塞状态到转发状态间经过了一个只学习MAC地址但不参与转发的过程,产生了转发延时(默认15秒),从而使得生成树的收敛过程需要较长的时间,一般是转发延时的两倍.
为了解决STP收敛时间过长的缺点,IEEE又推出了802.1w标准,定义了RSTP(快速生成树)协议.RSTP协议在网络配置参数发生变化时,能够显著的减少网络的收敛时间,由于RSTP是从STP发展而来的,其与STP协议保持高度的兼容性,RSTP协议规定,在某些情况下,处于阻塞状态的端口不必经历阻塞->侦听->学习->转发这一个过程,就可以直接进入转发状态.
RSTP协议只有以下三种:
1.丢弃(Discarding):RSTP将STP中的阻塞,禁用,和侦听统称为丢弃模式.
2.学习(Learning):拓扑有所变动情况下,端口处于学习状态并学习MAC地址,将其添加到MAC地址表.
3.转发(Forwarding):在网络拓扑稳定后,端口处于转发状态,并开始转发数据包.
以上就是生成树协议的常用内容,对比后会发现,RSTP的收敛时间明显低于STP,解决了数据同步过慢的问题所在.
生成树的配置
接下来通过一个具体的实例,来完成生成树的配置命令和配置流程的实践,以下实验我们将把Switch1(三层交换)配置成根桥,将Switch2(二层交换)配置为备份根桥,实验拓扑结构如下图:
判断根桥: 首先我们需要判断当前的根桥是哪一个设备,我们分别在四台交换机上执行show spanning-tree 命令,来查询默认那一台是根桥设备,以下实验显示结果为Switch4是根桥设备.
Switch1# show spanning-tree // 查询switch1是否为根桥
Switch2# show spanning-tree // 查询switch2是否为根桥
Switch3# show spanning-tree // 查询switch3是否为根桥
Switch4# show spanning-tree // 查询switch4是否为根桥
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769 // 根桥ID的优先级
Address 0003.E41C.0B2C // 根桥的MAC地址
This bridge is the root // 出现这条语句,则说明这台是交换机根桥
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 // 网桥ID优先级
Address 0003.E41C.0B2C // 网桥的MAC地址
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/2 Desg FWD 19 128.2 P2p
Fa0/1 Desg FWD 19 128.1 P2p
指定根桥: 我们想让Switch1(三层交换)作为根桥设备,此时可在三层交换机上,直接通过以下命令,更换根桥设备.
Switch1> enable
Switch1# configure terminal
Switch1(config)# spanning-tree vlan 1 root primary // 将本设备配置成根桥
Switch1(config)# exit
Switch1# show spanning-tree // 查询是否配置成功
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24577
Address 0004.9A4C.052D
This bridge is the root // 看到这里,说明配置成功了
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 24577 (priority 24576 sys-id-ext 1)
Address 0004.9A4C.052D
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/1 Desg FWD 19 128.1 P2p
Fa0/2 Desg FWD 19 128.2 P2p
指定备份根桥: 接下来将Switch2(二层交换)指定为备份根桥,当Switch1出现故障后,Switch2将被选举为根桥设备,从而保证网络的正常运转,修改方式通过以下命令即可实现.
Switch2> enable
Switch2# configure terminal
Switch2(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary // 将本设备配置成根桥
Switch2(config)#exit
Switch2#show spanning-tree
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24577
Address 0004.9A4C.052D
Cost 19
Port 1(FastEthernet0/1)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 28673 (priority 28672 sys-id-ext 1)
Address 00E0.8FAC.DC89
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 20
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Fa0/2 Desg FWD 19 128.2 P2p
Fa0/1 Root FWD 19 128.1 P2p
此时配置到这里,我们可以手动关闭Switch1(三层交换),然后去查看Switch2(二层交换),通过show spanning-tree命令,你会发现当三层交换机关机的时候,二层交换机默认变成了根桥,顶替了Switch1的工作,当Switch1启动后,默认会将Switch1再次恢复成根桥.
配置端口聚合
在我们的实际生产环境中,常常将交换机之间用多条链路连接起来,以获得更高的传输能力和网络性能,但根据之前的生成树协议,当交换机之间有冗余链路时,实际工作的链路只有一条,也就是说生成树协议阻碍了网络传输能力的提高.
为了解决生成树协议的传输能力的不足,出现了一种名为端口聚合的技术,它将多条物理链路组合成一条逻辑线路,实现链路带宽的增加,且还具有冗余作用,当其中部分链路出现故障时,其他链路还可以继续传输数据.
但是并不是所有的端口都可以任意聚合,端口聚合需要满足以下条件.
1.聚合的端口配置需要相同,包括端口速率和传输介质等.
2.聚合的端口必须属于同一个VLAN,也就是不许再一个虚拟局域网中.
3.聚合的端口类型必须相同,二层端口只能二层聚合,三层端口只能三层聚合.
端口聚合形成的逻辑端口称为聚合端口,端口聚合后原来端口的属性就会被聚合端口的属性所覆盖,也不能在源端口上做任何配置,实现端口聚合后,即使网络链路出现故障,只要不是所有链路都故障,网络还是可以继续运行的,只不过网络传输速度会降低而已.
下面将用一个具体的实例讲解端口聚合的配置方法和配置过程,包括创建聚合端口,配置聚合端口的工作方式和配置负载平衡,首先分别创建两个三层交换机,并通过网线fa0/1-4相连,拓扑图如下:
创建聚合端口: 在两台交换机上分别创建聚合端口,且两台交换机端口要一致.
#----在Switch1上操作-------------------------
Switch1(config)#interface port-channel 1 // 创建端口号为1的聚合端口(Switch1)
Switch1(config-if)#exit
#----在Switch2上操作-------------------------
Switch2(config)#interface port-channel 1
Switch2(config-if)#exit
添加聚合端口: 将图中的fa0/1-4端口加入到聚合端口中,且两台交换机都需要配置.
#----在Switch1上操作-------------------------
Switch1(config)# interface range fa0/1-4 // 选择配置聚合的端口范围
Switch1(config-if-range)# channel-group 1 mode on // 将所选端口加入到1号聚合,并启动
#----在Switch2上操作-------------------------
Switch2(config)# interface range fa0/1-4
Switch2(config-if-range)# channel-group 1 mode on
配置负载平衡: 接下来分别在,交换机Switch1和交换机Switch2上配置根据源MAC地址的负载平衡.
#----在Switch1上操作-------------------------
Switch1(config)# port-channel load-balance src-mac // 配置负载平衡模式为src-mac
#----在Switch2上操作-------------------------
Switch2(config)# port-channel load-balance src-mac
配置聚合端口: 继续配置聚合端口属性,在交换机Switch2上配置聚合的属性.
#----在Switch2上操作-------------------------
Switch2(config)# interface port-channel 1 // 选择聚合端口
Switch2(config-if)# switchport mode trunk // 配置聚合端口工作模式为Trunk
查询是否生效: 最后通过使用show etherchannel summary命令,查询聚合情况,两台交换机都可查询到.
Switch1# show etherchannel summary
Flags: D - down P - in port-channel
I - stand-alone s - suspended
H - Hot-standby (LACP only)
R - Layer3 S - Layer2
U - in use f - failed to allocate aggregator
u - unsuitable for bundling
w - waiting to be aggregated
d - default port
Number of channel-groups in use: 1
Number of aggregators: 1
Group Port-channel Protocol Ports // 四个端口都加入了聚合链路中
------+-------------+-----------+----------------------------------------------
1 Po1(SU) - Fa0/1(P) Fa0/2(P) Fa0/3(P) Fa0/4(P) // 这里显示
根据上面的返回信息可以看到,fa0/1,fa0/2,fa0/3,fa0/4都加入到了聚合端口1,使用相同的命令也可以查询到二号交换机的配置情况.
配置端口安全
在实际的生产环境中,对于有较高安全要求的设备,可以使用端口安全技术(Port Security)来提高网络的安全性,端口安全技术可在接入层验证接入设备,防止未经允许的设备接入到网络中,还可以限制端口接入的设备数量,防止过多设备接入网络,影响网络速率.
配置端口安全有两种,动态绑定和静态绑定
● 动态绑定:该方法是配置端口安全最简单的方法,在一个已经启用的端口上配置动态绑定后,可以让交换机自动绑定最先接入的规定数量的设备,该方法也是最常用的一种绑定方式.
● 静态绑定:动态绑定时,一旦交换机重启,首先接入交换机的设备可用会发生变化,为保证安全性,可以根据MAC地址或IP地址指定可接入网络的设备.
接下来看一个具体的实例,来实现端口安全的配置,包括端口绑定端口违规的处理等,实验拓扑图参数如下:
启用端口安全: 配置交换机Switch0启用fa0/1端口,配置端口时应先关闭端口,否则会报错误.
Switch0(config)# interface fa0/1 // 选择1号端口
Switch0(config-if)# shutdown // 先关闭端口,防止冲突
Switch0(config-if)# switchport mode access // 配置端口工作模式为Trunk
Switch0(config-if)# switchport port-security // 启用端口安全
Switch0(config-if)# no shutdown // 开启端口
配置静态地址: 静态指定允许接入的设备的MAC地址,首先要知道MAC地址是多少.
C:>arp -a // 首先查询到两台机器MAC地址是多少
PC0 0001.4272.5EE7
PC1 00D0.589B.0C35
#----绑定MAC地址列表-----------------------------
Switch0(config)# interface fa0/1 // 选择配置端口
Switch0(config-if)# switchport port-security maximum 2 // 配置最大允许2台设备接入
Switch0(config-if)# switchport port-security mac-address 0001.4272.5EE7 // 绑定MAC地址
Switch0(config-if)# switchport port-security mac-address 00D0.589B.0C35
Switch0(config-if)# switchport port-security violation shutdown // 配置违规后关闭指定端口
Switch0(config-if)# no shutdown // 启动这些端口
Switch0(config-if)# exit
#----查询绑定MAC地址列表-------------------------
Switch0# show port-security address // 查询绑定的MAC地址列表
Secure Mac Address Table
-------------------------------------------------------------------------------
Vlan Mac Address Type Ports Remaining Age
(mins)
---- ----------- ---- ----- -------------
1 00D0.589B.0C35 SecureConfigured FastEthernet0/1 - // 绑定的MAC地址
1 0001.4272.5EE7 SecureConfigured FastEthernet0/1 -
------------------------------------------------------------------------------
Total Addresses in System (excluding one mac per port) : 1
Max Addresses limit in System (excluding one mac per port) : 1024
配置动态地址: 动态分配接入设备的MAC地址,此配置无需绑定MAC地址,会接入最先访问的主机MAC地址.
Switch0(config)# interface fa0/1 // 选择指定端口
Switch0(config-if)# switchport port-security maximum 2 // 配置最大接入MAC地址为2
Switch0(config-if)# switchport port-security mac-address sticky // 自动获取接入设备
Switch0(config-if)# switchport port-security violation shutdown // 对违规设备拒绝服务
Switch0(config-if)# no shutdown // 启动这些端口
Switch0(config-if)# exit
最后查询结果: 查看配置结果以及分配情况,使用show port-security interface fa0/1命令,查看fa0/1端口的配置结果.
Switch0# show port-security interface fa0/1 // 查看端口fa0/1的接入情况
Port Security : Enabled // 端口安全是否启用
Port Status : Secure-up // 端口状态
Violation Mode : Shutdown // 违规端口的处理方式
Aging Time : 0 mins
Aging Type : Absolute
SecureStatic Address Aging : Disabled
Maximum MAC Addresses : 2 // 允许接入的最大设备
Total MAC Addresses : 2 // 当前接入的设备数量
Configured MAC Addresses : 2 // 静态配置的MAC地址数量
Sticky MAC Addresses : 0 // 动态配置的MAC地址数量
Last Source Address:Vlan : 0000.0000.0000:0 // 标注出违规设备的MAC地址
Security Violation Count : 0 // 安全违规计数器
完成上方的配置后,手动在Switch0交换机上新添加一个PC2主机,则一切正常,而如果在Hub集线器上添加一个PC3主机,那么链路将触发违规动作,如果此时使用show port-security interface fa0/1 命令查询会发现,Security Violation Count:1安全违规计数变成了1.
如果更换了主机设备,这里通过更改PC1主机的MAC地址来模拟设备的更换,然后再测试会发现Last Source Address:Vlan这一个选项,会具体的标注出违规设备的MAC地址.