Network系列：交换基础（三）

交换基础

1. 园区网典型架构

以太网二层交换机特性：转发数据的端口都是以太网口，并且只能够针对数据的二层头部 (以太网数据帧头) 中的MAC地址进行寻址并转发数据。

以太网二层交换机处于图中的接入层

2. 交换机的工作原理

二层交换设备通过学习以太网数据帧的源MAC地址来维护MAC地址与接口的对应关系（保存MAC与接口对应关系的表称为MAC地址表，可使用display mac-address命令查看），通过其目的MAC地址来查找MAC地址表决定向哪个接口转发。

2.1 数据帧的处理行为

交换机对帧的处理行为一共有三种：泛洪（Flooding），转发（Forwarding），丢弃（Discarding）。

泛洪：交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去（注意，“所有其它的端口”是指除了这个帧进入交换机的那个端口以外的所有端口）。

转发：交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去（注意，“另一个端口”不能是这个帧进入交换机的那个端口）。

丢弃：交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。

2.1.1 泛洪

场景一：主机1想要访问主机2，发送单播数据帧，交换机收到后，若MAC地址表中查不到对应的表项，则会泛洪该数据帧。

场景二：主机1想要访问主机2，但不知道对应的MAC地址，则会发送ARP请求报文，该报文为广播数据帧，交换机收到后，则会泛洪该数据帧。

2.1.2 转发

主机1想要访问主机2，发送单播数据帧，交换机收到后，在MAC地址表中查到了对应的表项，则会点对点转发该数据帧。

2.1.3 丢弃

主机1想要访问主机2，发送单播数据帧，交换机1收到后，若MAC地址表中查不到对应的表项，则会泛洪该数据帧。交换机2收到该数据帧后，发现目的MAC地址对应的端口就是接收数据帧的端口，则会丢弃该数据帧。

2.2 交换机的MAC学习过程

初始状态下，交换机并不知道所连接主机的MAC地址，所以MAC地址表为空。

主机1想要发送数据给主机2（假设已知对端的IP地址和MAC地址），会封装数据帧，包含自己的源IP地址和源MAC地址。交换机收到后会查自己的MAC地址表，发现没有对应表项，则收到的数据帧是“未知单播帧” 。

由于收到的数据帧是“未知单播帧”，因此交换机会泛洪该数据帧。同时，交换机将收到的数据帧的源MAC地址和对应端口编号记录到MAC地址表中。

华为S系列交换机MAC地址表的老化时间缺省值是300秒

广播网络中的所有主机均会收到该数据帧，但是只有主机2会处理（因为目的MAC地址是主机2）。主机2会回复数据帧给主机1，也是单播数据帧。

交换机收到该单播数据帧后，会查看自己的MAC地址表，发现有对应的表项，则将数据从对应的端口转发出去。同时，交换机将收到的数据帧的源MAC地址和对应端口编号记录到MAC地址表中。

3. VLAN

为了解决广播域带来的问题，人们引入了VLAN (Virtual Local Area Network)，即虚拟局域网技术：

通过在交换机上部署VLAN，可以将一个规模较大的广播域在逻辑上划分成若干个不同的、规模较小的广播域，由此可以有效地提升网络的安全性，同时减少垃圾流量，节约网络资源。

VLAN的特点：

一个VLAN就是一个广播域，所以在同一个VLAN内部，计算机可以直接进行二层通信；而不同VLAN内的计算机，无法直接进行二层通信，只能进行三层通信来传递信息，即广播报文被限制在一个VLAN内。
VLAN的划分不受地域的限制。

VLAN的好处：

灵活构建虚拟工作组：用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组，同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，网络构建和维护更方便灵活。
限制广播域：广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，提高了网络处理能力。
增强局域网的安全性：不同VLAN内的报文在传输时是相互隔离的，即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信。
提高了网络的健壮性：故障被限制在一个VLAN内，本VLAN内的故障不会影响其他VLAN的正常工作。

3.1 如何实现VLAN

SW1识别出某个帧是属于哪个VLAN后，会在这个帧的特定位置上添加一个标签。这个标签明确地标明了这个帧是属于哪个VLAN的。其他交换机（如SW2）收到这个带标签的数据帧后，就能轻而易举地直接根据标签信息识别出这个帧属于哪个VLAN。

IEEE 802.1Q定义了这种带标签的数据帧的格式。满足这种格式的数据帧称为IEEE 802.1Q数据帧，也称VLAN数据帧。

下图为插入Tag的一些字段细节

下图是VLAN的实现

3.2 VLAN的划分方式

常用的还是基于接口方式进行VLAN划分

4. 以太网二层接口类型

4.1 Access接口

交换机上常用来连接用户PC、服务器等终端设备的接口。Access接口所连接的这些设备的网卡往往只收发无标记帧。Access接口只能加入一个VLAN。

Access接口特点：

仅允许VLAN ID与接口PVID相同的数据帧通过。

Access接口接收数据帧：

当Access接口从链路上收到一个Untagged帧，交换机会在这个帧中添加上VID为PVID的Tag，然后对得到的Tagged帧进行转发操作（泛洪、转发、丢弃）。
当Access接口从链路上收到一个Tagged帧，交换机会检查这个帧的Tag中的VID是否与PVID相同。如果相同，则对这个Tagged帧进行转发操作；如果不同，则直接丢弃这个Tagged帧。

Access接口发送数据帧：

当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Access接口后，交换机会检查这个帧的Tag中的VID是否与PVID相同：

如果相同，则将这个Tagged帧的Tag进行剥离，然后将得到的Untagged帧从链路上发送出去；
如果不同，则直接丢弃这个Tagged帧。

4.2 Trunk接口

Trunk接口允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。Trunk接口常用于交换机之间的互联，也用于连接路由器、防火墙等设备的子接口。

Trunk接口特点：

Trunk接口仅允许VLAN ID在允许通过列表中的数据帧通过。
Trunk接口可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，但只允许一个VLAN的帧从该类接口上发出时不带Tag（即剥除Tag）。

Trunk接口接收数据帧：

当Trunk接口从链路上收到一个Untagged帧，交换机会在这个帧中添加上VID为PVID的Tag，然后查看PVID是否在允许通过的VLAN ID列表中。如果在，则对得到的Tagged帧进行转发操作；如果不在，则直接丢弃得到的Tagged帧。
当Trunk接口从链路上收到一个Tagged帧，交换机会检查这个帧的Tag中的VID是否在允许通过的VLAN ID列表中。如果在，则对这个Tagged帧进行转发操作；如果不在，则直接丢弃这个Tagged帧。

Trunk接口发送数据帧：

当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Trunk接口后，如果这个帧的Tag中的VID不在允许通过的VLAN ID列表中，则该Tagged帧会被直接丢弃。
当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Trunk接口后，如果这个帧的Tag中的VID在允许通过的VLAN ID列表中，则会比较该Tag中的VID是否与接口的PVID相同：
- 如果相同，则交换机会对这个Tagged帧的Tag进行剥离，然后将得到的Untagged帧从链路上发送出去；
- 如果不同，则交换机不会对这个Tagged帧的Tag进行剥离，而是直接将它从链路上发送出去。

4.3 Hybrid接口

Hybrid接口与Trunk接口类似，也允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1Q Tag实现区分。用户可以灵活指定Hybrid接口在发送某个（或某些）VLAN的数据帧时是否携带Tag。

Hybrid接口特点：

Hybrid接口仅允许VLAN ID在允许通过列表中的数据帧通过。
Hybrid接口可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，且允许从该类接口发出的帧根据需要配置某些VLAN的帧带Tag、某些VLAN的帧不带Tag。
与Trunk最主要的区别就是，能够支持多个VLAN的数据帧，不带标签通过。

Hybrid接口接收数据帧：

当Hybrid接口从链路上收到一个Untagged帧，交换机会在这个帧中添加上VID为PVID的Tag，然后查看PVID是否在Untagged或Tagged VLAN ID列表中。如果在，则对得到的Tagged帧进行转发操作；如果不在，则直接丢弃得到的Tagged帧。
当Hybrid接口从链路上收到一个Tagged帧，交换机会检查这个帧的Tag中的VID是否在Untagged或Tagged VLAN ID列表中。如果在，则对这个Tagged帧进行转发操作；如果不在，则直接丢弃这个Tagged帧。

Hybrid接口发送数据帧：

当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Hybrid接口后，如果这个帧的Tag中的VID既不在Untagged VLAN ID列表中，也不在Tagged VLAN ID列表中，则该Tagged帧会被直接丢弃。
当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Hybrid接口后，如果这个帧的Tag中的VID在Untagged VLAN ID列表中，则交换机会对这个Tagged帧的Tag进行剥离，然后将得到的Untagged帧从链路上发送出去。
当一个Tagged帧从本交换机的其他接口到达一个Hybrid接口后，如果这个帧的Tag中的VID在Tagged VLAN ID列表中，则交换机不会对这个Tagged帧的Tag进行剥离，而是直接将它从链路上发送出去。

4.5 小结

5. STP生成树

5.1 STP技术为何出现

随着局域网规模的不断扩大，越来越多的交换机被用来实现主机之间的互连。如图，接入层交换机单链路上联，则存在单链路故障，也就是如果这根上联链路发生故障，交换机下联用户就断网了。另一个问题的单点故障，也就是交换机如果宕机，交换机下联用户也就断网了。
为了解决此类问题，交换机在互连时一般都会使用冗余链路来实现备份。冗余链路虽然增强了网络的可靠性，但是也会产生环路，而环路会带来一系列的问题，继而导致通信质量下降和通信业务中断等问题。

或者是以下人为去操作的二层环路

5.2 二层环路带来的问题

问题一：广播风暴

根据交换机的转发原则，如果交换机从一个端口上接收到的是一个广播帧，或者是一个目的MAC地址未知的单播帧，则会将这个帧向除源端口之外的所有其他端口转发。如果交换网络中有环路，则这个帧会被无限转发，此时便会形成广播风暴，网络中也会充斥着重复的数据帧。

本例中，SW3收到了一个广播帧将其进行泛洪，SW1和SW2也会将此帧转发到除了接收此帧的其他所有端口，结果此帧又会被再次转发给SW3，这种循环会一直持续，于是便产生了广播风暴。交换机性能会因此急速下降，并会导致业务中断。

问题二：MAC地址表漂移

交换机是根据所接收到的数据帧的源地址和接收端口生成MAC地址表项的。

本例中，SW3收到一个广播帧泛洪，SW1从GE0/0/1接口接收到广播帧后学习且泛洪，形成MAC地址5489-98EE-788A与GE0/0/1的映射；SW2收到广播帧后学习且泛洪，SW1再次从GE0/0/2收到源MAC地址为5489-98EE-788A的广播帧并进行学习，5489-98EE-788A会不断地在GE0/0/1与GE0/0/2接口之间来回切换，这被称为MAC地址漂移现象。

5.3 STP生成树协议的实现

在网络中部署生成树后，交换机之间会进行生成树协议报文的交互并进行无环拓扑计算，最终将网络中的某个（或某些）接口进行阻塞（Block），从而打破环路。

交换机上运行的生成树协议会持续监控网络的拓扑结构，当网络拓扑结构发生变化时，生成树能感知到这些变化，并且自动做出调整。因此，生成树既能解决二层环路问题，也能为网络的冗余性提供一种方案。

5.4 二层环路及三层环路

常见环路主要分为二层环路和三层环路。

二层环路主要因为网络中部署了二层冗余环境，或人为的误接线缆导致，可以通过借助特定的协议或机制实现二层防环；
三层环路主要因为路由环路，可以通过动态路由协议防环和IP报文头部中的TTL字段用于防止报文被无止尽地转发。

5.5 STP的基本概念

5.5.1 根桥

对于一个STP网络，根桥在全网中只有一个，它是整个网络的逻辑中心，但不一定是物理中心。根桥会根据网络拓扑的变化而动态变化。

网络收敛后，根桥会按照一定的时间间隔产生并向外发送配置BPDU，其他设备仅对该报文进行处理，传达拓扑变化记录，从而保证拓扑的稳定。

5.5.2 桥ID

在STP中，每一台交换机都有一个标示符，叫做Bridge ID或者桥ID，桥ID由16位的桥优先级（Bridge Priority）和48位的MAC地址构成。

在STP网络中，桥优先级是可以配置的，取值范围是0～65535，默认值为32768,可以修改但是修改值必须为1024的倍数。优先级最高的设备（数值越小越优先）会被选举为根桥。如果优先级相同，则会比较MAC地址，MAC地址越小则越优先。

5.5.3 开销Cost

交换机的每个端口都有一个端口开销（Port Cost）参数，此参数表示该端口在STP中的开销值。默认情况下端口的开销和端口的带宽有关，带宽越高，开销越小。

5.5.4 根路径开销RPC

从一个非根桥到达根桥的路径可能有多条，每一条路径都有一个总的开销值，此开销值是该路径上所有接收BPDU端口的端口开销总和（即BPDU的入方向端口），称为路径开销。非根桥通过对比多条路径的路径开销，选出到达根桥的最短路径，这条最短路径的路径开销被称为RPC，并生成无环树状网络。根桥的根路径开销是0。

5.5.5 Port ID

运行STP交换机的每个端口都有一个端口ID，端口ID由端口优先级和端口号构成。端口优先级取值范围是0到240，步长为16，即取值必须为16的整数倍。缺省情况下，端口优先级是128。端口ID可以用来确定端口角色。

5.5.6 BPDU

为了计算生成树，交换机之间需要交换相关的信息和参数，这些信息和参数被封装在BPDU中。

BPDU有两种类型：配置BPDU和TCN BPDU。

配置BPDU包含了桥ID、路径开销和端口ID等参数。STP协议通过在交换机之间传递配置BPDU来选举根交换机，以及确定每个交换机端口的角色和状态。在初始化过程中，每个桥都主动发送配置BPDU。在网络拓扑稳定以后，只有根桥主动发送配置BPDU，其他交换机在收到上游传来的配置BPDU后，才会发送自己的配置BPDU。

TCN BPDU是指下游交换机感知到拓扑发生变化时向上游发送的拓扑变化通知。

5.5.7 配置BPDU的报文格式

5.5.8 配置BPDU的比较原则

5.5.9 STP的三种角色

STP中定义了三种端口角色：指定端口，根端口和预备端口。

指定端口是交换机向所连网段转发配置BPDU的端口，每个网段有且只能有一个指定端口。一般情况下，根桥的每个端口总是指定端口（DP）。
根端口（RP）是非根交换机去往根桥路径最优的端口。在一个运行STP协议的交换机上最多只有一个根端口，但根桥上没有根端口。
如果一个端口既不是指定端口也不是根端口，则此端口为预备端口。预备端口将被阻塞。

5.5.10 STP的操作

在交换网络中选举一个根桥（Root Bridge，简称RB）；
在每个非根桥上选举一个根端口（Root Port，简称RP）；
在每个段中选举一个指定端口（Designated Port，简称DP）；
阻塞非指定端口（Non-Designated Port，简称NDP）。

5.5.11 STP的计算过程

一、在交换网络中选举一个根桥

STP交换机初始启动之后，都会认为自己是根桥，并在发送给其他交换机的BPDU中宣告自己为根桥。因此，此时BPDU中的根桥ID为各自设备的网桥ID。
当交换机收到网络中其他设备发送来的BPDU后，会比较BPDU中的根桥ID和自己的BID。
交换机不断交互BPDU，同时对BID进行比较，最终选举一台BID最小的交换机作为根桥，其他的则为非根桥。

二、在每台非根桥上选举一个根接口

一个非根桥设备上会有多个端口与网络相连，为了保证从某台非根桥设备到根桥设备的工作路径是最优且唯一的，就必须从该非根桥设备的端口中确定出一个被称为“根端口”的端口，由根端口来作为该非根桥设备与根桥设备之间进行报文交互的端口。
在选举出根桥后，根桥仍然持续发送BPDU，而非根桥将持续不断的收到根桥发送的BPDU。因此，在所有非根桥上选举一个距离根桥“最近”的端口（根端口），在网络收敛后，根端口将不断的收到来自根桥的BPDU。

选举原则

交换机有多个端口接入网络，各个端口都会收到BPDU报文，报文中会携带“RootID、RPC、BID、PID”等关键字段，端口会针对这些字段进行PK。
首先比较根路径开销（RPC），STP协议把根路径开销作为确定根端口的重要依据。RPC值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为根端口。
当RPC相同时，比较上行交换机的BID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的BID，值越小，越优选，因此交换机会选上行设备BID最小的端口作为根端口。
当上行交换机BID相同时，比较上行交换机的PID，即比较交换机各个端口收到的BPDU中的PID，值越小，越优先，因此交换机会选上行设备PID最小的端口作为根端口。
当上行交换机的PID相同时，则比较本地交换机的PID，即比较本端交换机各个端口各自的PID，值越小，越优先，因此交换机会选端口PID最小的端口作为根端口。

三、在每条链路上选举一个指定接口

网络中的每个链路与根桥之间的工作路径必须是唯一的且最优的。当一个链路有两条及以上的路径通往根桥时（该链路连接了不同的交换机，或者该链路连接了同一台交换机的不同端口），与该链路相连的交换机（可能不止一台）就必须确定出一个唯一的指定端口。
因此，每个链路（Link）选举一个指定端口，用于向这个链路发送BPDU。

选举原则

指定端口也是通过比较RPC来确定的，选择RPC最小的作为指定端口，如果RPC相同，则比较BID和PID。

首先比较根路径开销（RPC），值越小，越优选，因此交换机会选RPC最小的端口作为指定端口。
若RPC相等，则比较链路两端交换机的BID，值越小，越优选，因此交换机会选BID最小的交换机的端口作为指定端口。
若BID相等，则比较链路两端端口的PID，值越小，越优选，因此交换机会选PID最小的交换机的端口作为指定端口。

四、非指定接口被阻塞

在确定了根端口和指定端口之后，STP会对这些非指定端口进行逻辑阻塞，即这些端口不能转发由终端计算机产生并发送的帧（用户数据帧）。一旦非指定端口被逻辑阻塞后，STP树（无环路工作拓扑）就生成了。

非指定端口可以接收并处理BPDU，根端口和指定端口既可以接收和发送BPDU，也可以转发用户数据帧。

5.5.12 STP的接口状态

STP接口状态迁移

Disabled：禁用状态。端口既不处理和转发BPDU报文，也不转发用户流量。

Blocking：阻塞状态。端口仅仅能接收并处理BPDU，不能转发BPDU，也不能转发用户流量。此状态是预备端口的最终状态。

Listening：侦听状态。端口可以转发BPDU报文，但不能转发用户流量。

Learning：学习状态。端口可根据收到的用户流量构建MAC地址表，但不转发用户流量。增加Learning状态是为了防止临时环路。

Forwarding：转发状态。端口既可转发用户流量也可转发BPDU报文，只有根端口或指定端口才能进Forwarding状态。

5.5.13 拓扑变化—根桥故障

在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
如果根桥发生了故障，停止发送BPDU，下游交换机就无法收到来自根桥的BPDU报文。
如果下游交换机一直收不到BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效，此时，非根桥会互相发送配置BPDU，重新选举新的根桥。

端口状态

SW3的预备端口，20s后会从Blocking状态进入到Listening状态，再进入Learning状态，最终进入到Forwarding状态，进行用户流量的转发。

根桥故障会导致50s左右的恢复时间，等于Max Age加上2倍的Forward Delay收敛时间。

5.5.14 拓扑变化—非直连链路故障

在稳定的STP网络，非根桥会定期收到来自根桥的BPDU报文。
若SW1与SW2之间的链路发生了某种故障（非物理故障），因此SW2一直收不到来自根桥SW1的BPDU报文，Max Age计时器（缺省: 20 s）就会超时，从而导致已经收到的BPDU报文失效。
此时，非根桥SW2会认为根桥失效，并且认为自己是根桥，从而发送自己的配置BPDU给SW3，通知SW3自己是新的根桥。
在此期间，SW3的预备端口一直收不到包含根桥ID的BPDU，Max Age计时器超时后，端口进入到Listening状态，开始向SW2“转发”从上游发来的包含根桥ID的BPDU。
因此，Max Age定时器超时后，SW2和SW3几乎同时收到对方发来的BPDU，再进行STP重新计算，SW2发现SW3发来的BPDU更优，就放弃宣称自己是根桥并重新确定端口角色。