【25软考网工】第八章 （1）交换机基础

一、交换机基础

1. 交换机分类

1）根据交换方式分

存储转发式交换

• 定义: 完整接收数据帧，缓存、验证、碎片过滤，然后转发。
• 优点:
  • 提供差错校验功能，通过FCS（帧校验序列）进行校验。
  • 实现非对称交换，输入和输出速率可以不同。
• 缺点: 延迟大，因为需要进行校验和缓存处理。
• 目前使用的交换机一般使用这种方式，目前可以通过硬件克服延迟大的问题

直通式交换 

• 定义: 输入端口扫描到目标MAC地址后立即开始转发。
• 优点:
  • 延迟小，交换速度快，只需读取目标MAC地址即可转发。
• 缺点:
  • 没有检错能力，不能实现非对称交换。

碎片过滤式交换

• 定义: 开始转发前先检查数据包的长度是否够64字节，小于64字节则丢弃，大于等于64字节则转发。
• 目的: 避免冲突碎片的传播。

2）其他分类方式

根据交换的协议层划分 

• 二层交换机: 基于MAC地址进行转发。
• 三层交换机: 支持IP路由，本质是在交换机内集成路由器功能。
• 多层交换机: 可插各种板卡，如防火墙板卡、入侵检测板卡等，集成多层功能。

根据交换机结构划分 

• 固定端口交换机: 端口固定，一般用作接入交换机，如24口交换机。
• 模块化交换机: 可扩展，高端汇聚或核心交换机常用，分为相似交换机和终端设备两类。

根据管理类型划分 

• 网管交换机: 支持配置。
• 非网管交换机: 不支持配置，家用足够。
• 智能交换机: 一般指SDN交换机，可通过软件定义功能。

层次结构划分

• 核心交换机: 网络核心层，一般为三层交换机。
• 汇聚交换机: 网络汇聚层，一般为三层交换机，把网关放在这。
• 接入交换机: 网络接入层，一般为二层交换机，用来连接用户端的PC/AP/IPC摄像头。

根据配置方式划分

• 堆叠交换机: 支持堆叠（横向虚拟化、集群）功能，多用于网络核心层或汇聚层。
• 非堆叠交换机: 不支持堆叠。

3）华为横向虚拟化技术

• CSS: 框式设备堆叠技术。
• iStack: 盒式交换机堆叠技术。
• 应用场景: 框式交换机堆叠多用于核心和汇聚层，盒式交换机堆叠多用于汇聚或接入层。
• 其他厂商技术：思科VSS、华三IRF、锐捷VSU

4）多台设备堆叠和集群

• 堆叠技术: 将独立交换机虚拟化成一台逻辑交换机，简化网络管理。
• 集群技术: 一般用于汇聚、核心层交换机。
• 链路聚合技术: 配合堆叠使用，提升链路利用率，实现高可靠性。

5）堆叠的优势与劣势

优势：

• 扩展端口数量：当接入用户数超过单台交换机端口容量时，可通过增加新交换机组成堆叠系统实现端口扩展。例如原交换机端口密度不足时，加入新交换机即可扩展接口数量。
• 简化组网，增加可靠性：将多台物理设备虚拟为单台逻辑设备，减少管理节点。配合链路聚合使用可避免运行复杂的STP协议，同时单台设备故障不影响整体系统运行（系统会自动启用备份设备）。
• 拓展系统处理能力和带宽，性能提升：通过叠加多台设备提升整体处理能力。例如单台交换机转发能力为64M pps时，增加一台同型号设备可使堆叠系统转发能力提升至128M pps。需注意是整个系统整体能力提升，而非单机性能增强。

劣势：

• 私有协议，不支持跨厂商设备堆叠
  • 厂商限制：华为/华三/思科等厂商使用私有堆叠协议，设备间互不兼容。跨厂商组网时需采用VRRP等标准协议替代，常见于金融、运营商等需要多厂商设备共存的重要场景。
  • 去堆叠化趋势：运营商等大型网络为避免"鸡蛋放在一个篮子"的风险，会采用多厂商设备混合组网策略（如集采份额分配：50%/30%/20%），此时无法使用堆叠技术。
• 需要单独购买堆叠线缆（或光纤）
  • 连接方式演进：早期需专用堆叠线缆和接口，现可通过普通光纤实现。考试中若出现该选项需结合题目时间背景判断正误。
• 存在资源浪费，特别是高端设备
  • 引擎冗余问题：当两台双引擎核心交换机堆叠时，实际仅1个主引擎工作。例如设备A（主备引擎各1）+设备B（主备引擎各1）堆叠后，仅保留1主1备引擎，其余两个引擎处于闲置状态。
• 堆叠系统升级或重启会有业务中断
  • 中断时长：通常持续20-60秒，高端设备可能达数分钟。这是由控制平面统一重构导致的固有缺陷。
• 可靠性风险：控制层面统一后的整机瘫痪风险
  • 攻击面扩大：路由表/ARP表等控制平面信息集中存储，若遭攻击会导致全网瘫痪。该风险在银行/互联网企业等场景尤为突出，但普通企业/学校仍广泛采用堆叠方案（占比70%-90%）。

6）堆叠三种角色

• Master（主设备）：
  • 控制核心：唯一拥有配置权限，负责资源分配和故障处理
  • 选举机制：堆叠系统有且仅有1个主设备，其状态直接影响系统稳定性
• Standby（备设备）：
  • 热备份：实时同步主设备配置，在主设备故障时30秒内接替工作
  • 冗余设计：系统中有且仅有1个备设备，通常位于不同物理设备上
• Slave（从设备）：
  • 执行单元：仅负责数据转发等基础功能，无管理权限
  • 规模弹性：数量可多台，通过协同工作提升系统整体吞吐量

2. 交换机性能参数

1）端口类型

• RJ45电口: 常见的电口类型。
• 光口: 包括GBIC、SFP、SFP+、QSFP+、SFP28等，用于高速光纤连接。
  • SFP: 千兆光口。
  • SFP+: 万兆光口，常用于40G端口。
  • SFP28: 一般用于25G和100G端口。
• 扩展插槽数量: 支持扩展插槽的交换机通常成本更高，但功能更强大。

2）传输模式

• 半双工: 接口不能同时收发数据，易导致网络卡顿。
• 全双工: 接口可以同时收发数据，是交换机通常的工作模式。
• 跨厂商对接问题: 不同厂商的交换机对接时，可能自动协商为半双工或低速率，影响带宽和性能。
  • 解决方法: 手动配置速率和双工模式，确保全双工和预期速率。

3）交换容量

• 计算公式: 交换容量 = 端口数 * 端口速率 * 2。
• 意义: 交换容量满足此值时，所有接口能实现线速转发，即接口可以跑满。
• 举例: 24口千兆交换机，交换容量应达到48Gbps。

4）包转发率

• 定义: 单位时间内发送64字节数据包的个数。
• 千兆接口标准: 包转发率达到1.488Mpps，可实现线速转发。

5）MAC地址数

• 定义: 交换机MAC地址表中可以存储的最大MAC地址数量。
• 常见容量: 4K、16K、32K等，高端交换机可能更多。

6）VLAN表项

• 定义: 交换机最大支持VLAN的数量。
• 现代标准: 企业级交换机通常支持4094个VLAN。

3. 应用案例

1）例题:交换机交换方式分类

• 题干: 人们对以太网交换机的交换方式分类有三种，不包括哪一种？
• 选项分析:
  • A. 存储转发交换
  • B. IP交换（错误，IP交换为三层交换机的功能）
  • C. 直通式交换
  • D. 碎片过滤式交换
• 答案: B
• 解析: 以太网交换机主要讨论二层交换，不涉及三层IP路由，因此IP交换不属于以太网交换机的交换方式分类。

2）例题:直通式交换机特点

• 题干: 以下关于直通式交换机和存储转发式交换机的叙述中，正确的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. 存储转发式交换机采用软件实现交换（错误，交换机使用硬件芯片实现）
  • B. 直通式交换机存在坏帧传播的风险（正确，直通式交换机扫描到MAC地址后即转发，不检查完整帧）
  • C. 存储转发式交换机无需进行CRC校验（错误，存储转发式交换机需要校验帧的完整性）
  • D. 直通式交换机比存储转发式交换机速度慢（错误，直通式交换机通常速度更快，但可能因不校验而传播坏帧）
• 答案: B

3）例题:以太网交换机说法判断

• 题干: 以下关于以太网交换机的说法中，错误的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. 以太网交换机工作在数据链路层（正确）
  • B. 以太网交换机可以隔离冲突域（正确）
  • C. 以太网交换机中存储转发交换方式相比直接交换方式其延迟最短（错误，存储转发延迟最高）
  • D. 以太网交换机通过MAC地址表转发数据（正确）
• 答案: C

4）例题:交换机堆叠说法判断

• 题干: 下列关于交换机堆叠的说法正确的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. Master交换机故障后，Slave交换机中优先级值最大的会被选举为Master交换机（错误，备份交换机Bank Up会接管）
  • B. 堆叠就是将多台交换机相互级联（错误，堆叠与级联是不同概念）
  • C. Master交换机和Backup, Slave交换机共同承担数据转发（正确，但控制层面主要由Master和Backup负责）
  • D. 必须使用专用堆叠卡和堆叠线缆（错误，现代交换机可用普通业务接口和光纤线实现堆叠）
• 答案: C

5）例题:堆叠技术优缺点

• 题干: 简述堆叠技术的优点和缺点。
• 优点:
  • 扩展端口数量
  • 简化组网，增加可靠性
  • 扩展系统处理能力和带宽
• 缺点:
  • 堆叠是私有协议，不支持跨厂商设备堆叠
  • 系统升级会造成业务中断
  • 多台设备堆叠，只有一个主控处于工作状态，存在资源浪费
• 记忆点: 堆叠技术通过整合多台交换机提升性能，但存在协议私有、升级中断和资源浪费等问题。

4.知识小结

二、配置命令

1.基础配置命令

进入系统视图：

• system-view：从用户视图进入系统视图，以便进行全局配置。

修改设备名称：

• sysname [交换机名称]：修改交换机的设备名称，方便识别和管理。

保存配置：

• save：保存当前配置到启动配置文件中，确保重启后配置不会丢失。

查看配置：

• display current-configuration：查看当前生效的配置。
• display saved-configuration：查看保存的配置。

2.接口配置命令

进入接口视图：

• interface [接口类型] [接口编号]：例如，interface GigabitEthernet 0/0/1，进入指定的接口视图。
  • [Switchi] vlan 5 //创建交换机管理VLAN 5
  • [Switch1-VLAN5] management-vlan

配置接口IP地址：

• ip address [IP地址] [子网掩码]：为接口配置IP地址和子网掩码。
  • [Switchl] interface vlanif 5 //创建交换机管理VLAN的VLANIF接口
  • [Switch1-vlanif5] ip addres 10.10.1.1 24 //配置VLANIF接口 IP地址

启用/禁用接口：

• undo shutdown：启用接口（默认情况下，接口可能是关闭的）。
• shutdown：禁用接口。

配置接口描述：

• description [描述信息]：为接口添加描述信息，方便识别和管理。

查看MAC地址：

• display mac-addreas：查看所有的 MAC 地址表项

端口隔离功能：

• port-isolate

#配置接口 GE1/0/1和GE170/2的端口隔离功能，实现两个接口之间的二层数据隔离，三层数据

• 互通
• <Switchi> system-view
• [Switch1] port-isolate mode 12
• [Switchl] interface gigabitethernet 1/0/1
• [Switch1-GigabitEthernet1/0/1] port-isolate enable group 1
• [Switch1-GigabitEthernet1/0/1] quit
• [Switchl] interface gigabitethernet 1/0/2
• [Switch1-GigabitEthernet1/0/2] port~isolate enable group 1
• [Switch1-GigabitEthernet1/0/2] quit

3.VLAN配置命令

创建VLAN：

• vlan [VLAN ID]：创建指定ID的VLAN。
• vlan batch 2 // 批量方式建立VLAN 2

将端口加入VLAN：

• 配置Access类型
  • port link-type access：将端口配置为Access类型。
    • port default vlan [VLAN ID]：将Access端口加入指定的VLAN。
• 对于Trunk端口
  • port link-type trunk：端口设置为trunk类型
  • port trunk allow-pass vlan [VLAN范围] ：设置运行通过的VLAN范围

配置VLAN标签：

• [SwitchA] interface gigabitethernet 0/0/2
• [SwitchA-GigabitEthernet0/0/2] port link-type hybrid //配置接口类型
• [SwitchA-GigabitEthernet0/0/2] port hybrid untagged vlan 2//允许VLAN 2 tag的报文剥离tag标记通过

查看VLAN信息：

• display vlan：查看所有VLAN的信息。
• display vlan [VLAN ID]：查看指定VLAN的详细信息。

4.路由配置命令

配置静态路由：

• ip route-static [目的网络] [子网掩码] [下一跳IP地址]：配置静态路由，指定数据包转发路径。

配置默认路由：

• ip route-static 0.0.0.0 0 [下一跳IP地址]：配置默认路由，用于转发所有未知目的地的数据包。

5.安全配置命令（ACL）

配置ACL（访问控制列表）：

• acl [ACL编号]：创建ACL。
• 在ACL视图下，使用rule [规则编号] [动作] [源IP] [目的IP] [协议] [端口]等命令配置规则。
  • rule 10 deny ip source 192.168.1.0 0.0.0.255 destination192.168.3.100 0.0.0.0
  • //拒绝研发部192.168.1.0访问财务部服务器192.168.3.100 ，0.0.0.0表示只匹配192.168.3.100这一台服务器，而0.0.0.255匹配的是192.168.1.0/24网段的主机

应用ACL到接口：

• traffic-filter inbound acl [ACL编号]：在接口入方向应用ACL。
• traffic-filter outbound acl [ACL编号]：在接口出方向应用ACL。

配置端口安全：

• port-security enable：启用端口安全功能。
• port-security mac-address sticky：启用MAC地址粘滞功能，绑定学习到的MAC地址。

6.高级功能配置命令（DHCP、STP、VRRP）

配置DHCP：

• dhcp enable：启用DHCP服务。
• 在接口视图下，使用dhcp select interface命令启用接口的DHCP服务。
• 配置DHCP地址池、网关、DNS等参数。
  • dhcp server dns-list 10.1.1.2 //配置DNS
  • dhcp server excluded-ip-address 10.1.1.2 //配置排除地址
  • dhcp server lease day 3 //配置地址租期为3天

配置STP（生成树协议）：

• stp enable：启用STP。
• stp mode [模式]：配置STP模式（如MSTP、RSTP等）。
  • stp mode stp启动STP模式
  • [SwitchA] stp root primary ：# 配置 SwitchA为根桥根桥
  • [SwitchB] stp root secondary：# 配置 SwitchB为备份根桥
• display stp brief：查看端口状态和端口的保护类型。

配置VRRP（虚拟路由冗余协议）：

• vrrp vrid [虚拟路由器ID] virtual-ip [虚拟IP地址]：配置VRRP组和虚拟IP地址。
• 配置VRRP优先级、抢占模式
  • vrrp vrid 10 priority 120 //虚拟路由器10的优先级设置为120
  • vrrp vrid 10 preempt-mode timer delay 20 //抢占延时设置为20秒。比如以前该设备是备份设备，调整优先级后成为优先级最高的设备，不会马上成为Master,需要延时20秒，再抢占成为Master