理解交换网络的基础知识

第7章理解并实施交换技术第7章本章关键价值：

本章主要对CCNA（200-120）认证中的交换技术进行描述，其中包括交换网络的基础知识、VLAN、干道（Trunk）、VTP、ISL、802.1Q、本地VLAN、VLAN的规划与实施、各种STP技术、VLAN间的路由等。本章所描述的内容是CCNA考试中出现较高试题频率的一个章节，它与路由技术一样重要。任务7.1理解园区交换技术的基本知识

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本节主要以描述园区交换技术的基本知识为核心，其中包括理解交换网络的模型、交换网络的连接介质、交换机接口的双工模式与协商过程、交换网络的流量规划原则、堆叠交换机与常规交换机的区别等，为学习本章后面的技术知识点打下基础。任务7.1.1理解园区交换网络的模型

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为了能更好地规划并实施园区交换网络，首先来理解交换网络的模型。一般情况下，交换模型分为三层，分别是接入层、汇聚层和核心层，如图7.1所示。图7.1交换网络的模型任务7.1.1

接入层：接入层的作用是将终端用户（桌面计算机）连接到网络，因此接入层交换机具有低成本和高密集端口数量的特性。一般建议在接入层上完成具体的VLAN划分、接入安全的控制与接入策略的实施。汇聚层：汇聚层是多台接入层交换机的汇聚点，它能够处理来自接入层交换设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能和交换速率，但不需要如接入层般的高密集端口数量。一般建议在汇聚层上完成VLAN间的路由、QoS策略、不同VLAN间的数据过滤、路由汇总、冗余等。核心层：将交换网络的主干部分称为核心层，核心层的主要目的是高速转发通信数据流量、网络性能优化、通过冗余来实现可靠的骨干传输结构，因此核心层交换机应该拥有整个交换网络模型中最高的可靠性、最大的吞吐量、最快的传输速度。一般建议在核心层交换机上不作任何安全策略及其他数据过滤行为，因为这将消耗核心层交换设备的CPU，违背了核心层以高速转发通信数据为首要前提的原则。任务7.1.1关于思科在交换网络不同层次的对应产品列表，如表7.1所示。具备三层路由功能，转发速度快，模块化架构，高稳定性，高弹性CiscoCatalyst6500核心层具备三层路由功能，以及相关的管理特性与策略功能，具备高性能CiscoCatalyst3560CiscoCatalyst3750CiscoCatalyst4500汇聚层二层交换机，适用于接入层，具备接入层的相关管理特性CiscoCatalyst2918CiscoCatalyst2928CiscoCatalyst2960接入层特性典型设备交换机网络模型层次表7.1思科在交换网络不同层次的对应产品列表任务7.1.1注意：上述关于思科在交换网络不同层次的对应产品列表，只是一个举例说明，并不是某一种型号的设备对应交换模型的固定原则，这将根据交换网络的组织架构和业务需求发生变化，比如，某些电信运营商可能会把CiscoCatalyst4500用作接入层设备，所以一切都要按照实际的应用出发，而且设备型号可能面对更新换代的问题，如果需要实时了解思科在交换模型中不断推出的新设备，请参看http://。任务7.1.2理解园区交换网络的连接介质

：快速以太网连接介质标准，如表7.2所示。400m或2000m多模光纤（MMF）100Base-FX100mEIA/TIA类型3（UTP）100Base-T4100mEIA/TIA类型5（UTP）100Base-TX支持的最大距离分类标准表7.2快速以太网连接介质标准100Base-TX：基带标准为100MB，使用的是两对阻抗为100Ω的5类非屏蔽双绞线，最大传输距离是100m。其中一对用于发送数据，另一对用于接收数据，只支持RJ45标准。100Base-T4：基带标准为100MB，使用的是4对3类非屏蔽双绞线，最大传送距离是100m，其中的三对线用于传输数据，一对用于冲突检验和信号控制的发送/接收。注意：思科不支持100Base-T4标准。100Base-FX：基带标准为100MB，是在光纤上实现的100Mbps以太网标准，其中“F”示光纤，属于IEEE802.3u标准。100Base-FX运行于光缆上，使得它非常适合于骨干和长距离传输。100Base-FX使用的是两对光纤，其中一对用于发送数据，另一对用于接收数据。思科在使用100Base-FX标准时，使用多模光纤（MMF），在半双工模式下，支持400m的传输距离；在全双工模式下，支持2000m的传输距离。任务7.1.2理解园区交换网络的连接介质

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吉比特以太网连接介质标准，如表7.3所示。25m铜质屏蔽双绞线1000Base-CX70～100km单模光纤，9µm光纤芯波长为1550nm的激光1000Base-ZX3000m或10km单模或者多模光纤，如果使用的是单模光纤，9µm纤芯，波长为1300nm的激光1000Base-LX260m或550m多模光纤，可分为62.5µm和50µm光纤芯，波长为780nm的激光1000Base-SX100m铜质EIA/TIA类型5（UTP）。使用４对线完成传输1000Base-T支持的最大距离分类标准表7.3吉比特以太网连接介质标准任务7.1.2理解吉比特以太网连接介质标准特性1000Base-T：基带标准为1000MB，最新的1000MB以太网技术，1999年6月被IEEE标准化委员会批准。使用非屏蔽5类双绞线作为传输介质，传输的最大距离是100m。它使用４对线完成传输，4对线全都使用全双工，可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。1000Base-SX：基带标准为1000MB，1000BASE-SX是802.3z标准，只能使用多模光纤。1000Base-SX可分为62.5μm和50μm光纤芯。其中使用62.5μm光纤芯的多模光纤的最大传输距离为260m，使用50μm光纤芯的多模光纤的最大传输距离为550m。1000Base-LX：基带标准为1000MB，1000Base-LX是802.3z标准，既可以使用单模光纤,也可以使用多模光纤。1000Base-LX所使用的光纤主要有62.5μm光纤芯的多模光纤、50μm光纤芯的多模光纤和9μm光纤芯的单模光纤。如果使用多模光纤，最大传输距离为550m；如果使用单模光纤，最大传输距离为3km，但是思科最长可以支持10km的1000Base-LX。1000Base-ZX：基带标准为1000MB，由思科指定的传输标准。1000Base-ZX标准运行在距离跨度达70km的单模光纤上，其单模光纤纤芯为9μm，波长为1550nm。如果使用优质单模光纤或者色散位移单模光纤，则距离跨度达100km。1000Base-CX：基带标准为1000MB，1000Base-CX是802.3z标准，使用150Ω屏蔽双绞线（STP）。最大传输距离为25m，使用9芯D型连接器连接电缆。1000Base-CX适用于交换机与交换机之间的连接、核心交换机和企业级服务器之间的短距离连接，但是思科不支持该标准。任务7.1.2理解收发器的作用光纤收发器，是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行相互转换的以太网传输媒体转换设备。更简单的理解如图7.2所示，一条1000MB的光纤链路到达用户工作场所，但是，用户工作环境中的交换机全部都是RJ45接口，没有光纤接口，此时就可以通过光纤收发器将光纤接口转换为RJ45接口连接到交换机。图7.2光纤收发器的作用任务7.1.2通过一个实例来理解连接介质及选择上面描述了交换网络所使用的各种连接介质的标准，以及相关连接介质的转换，现在对照一个交换网络的实例（环境如图7.3所示），来理解在不同情况下连接介质的选择，以及与连接相关的注意事项。图7.3通过实例来理解连接介质及选择任务7.1.2关于室内连接介质的选择一般情况下，在如图7.3所示的办公间01～04，使用介质连接标准100Base-TX或者1000Base-T来完成桌面计算机到接入层交换机的连接，其介质类型为双绞线，其速度标准为快速以太网（100MB）或者吉比特以太网（1000MB）。但是在这里提出一个建议：在如图7.3所示的环境中，建议使用100MB的快速以太网（100Base-TX）来完成桌面接入。在交换网络设计时，一般有一个误区，总是认为接入的速度越快越好，而忽略了网络的整体架构的合理性，通常建议：接入链路的速度应适当小于上连链路。这个理解并不难，如果上连链路是1000MB的吉比特以太网，那么接入链路建议选择100MB的快速以太网，如果接入链路也选择1000MB的吉比特以太网，这就好比原本在4个四车道高速公路上的汽车，在某一个出口处要汇车成一个四车道，特别是在汽车高速行驶时，这将发生什么事情？不言而喻。所以在很多情况下，对网络结构设计的合理性与稳定性的要求，高过对速度的要求。关于楼层之间连接介质的选择一般情况下，在同一楼宇的楼层之间（如图7.3所示的一楼到四楼）使用介质连接标准1000Base-SX来完成接入层交换机（S1、S2、S3、S4）到汇聚层交换机（D1）的连接，其介质类型为多模光纤。相对于单模光纤而言，它的性价比更高。此时要求接入层交换机和汇聚层交换机都具备光纤连接接口，如果不具备相应的光纤连接接口，就必须使用光纤收发器来完成转换。任务7.1.2关于楼宇之间连接介质的选择在如图7.3所示的楼Ａ与楼Ｂ之间的距离是2.3公里（2300m）,使用介质连接标准1000Base-LX来完成楼Ａ的汇聚层交换机（D1）到楼B的汇聚层交换机（D2）的连接，其介质类型为单模光纤，因为两个楼宇之间的距离已经超过了多模光纤所支持的最大距离。理解常规的网络布线方式常规的网络布线方式有两种：一种是水平布线；另一种是垂直布线。如图7.3所示，各层楼的办公室到该层的通信井的布线叫水平布线；各楼层通过通信井进行汇聚的布线叫垂直布线。如果楼宇之间只相隔50m，连接介质该使用光纤还是双绞线如果两个楼宇之间只相隔了50m，在布线时也只能使用光纤，虽然相隔的距离在双绞线的最大有效范围内，但是楼宇与楼宇之间的线缆要穿过室外，而室外的不可预见因素太多，如常年的日晒雨淋，这都对线缆本身是很大的考验，而光纤对这些因素的抵抗远高于双绞线，所以凡是室外布线都建议使用光纤。任务7.1.3交换机接口的双工模式与协商过程：单工：单工（Simplex）通信即单向信道，发送端和接收端是固定的。发送端只能发送数据，不能接收数据；接收端只能接收数据，不能发送数据。在任意时刻都是单向通信，比如：遥控、闭路电视等都属于单工通信。半双工：半双工（HalfDuplex）通信的数据传输，指示数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，也就是说，既可以发送数据，也可以接收数据，但是不能在同一时刻既接收数据，又发送数据。全双工：全双工（FullDuplex）通信的数据传输，指示数据可以在一个信号载体的两个方向上同时传输，也就是说，在同一时刻可以既接收数据，又发送数据。如果一条链路是100MB，当处于全双工模式下时，可以获得200MB的传输效率。在思科交换机的接口模式下，可以完成双工模式的设置，如下所示，其中duplex是设置双工模式的命令关键字。其后有三个参数，auto指示自动协商双工模式；full指示以手工方式强制配置为全双工模式；half指示以手工方式强制配置为半双工模式。在交换机上配置双工模式：s1(config)#interfacefastEthernet1/0s1(config-if)#duplex?autoEnableAUTOduplexconfigurationfullForcefullduplexoperationhalfForcehalf-duplexoperation

任务7.1.3关于自动协商双工模式的注意事项

一般来讲，现今的吉比特以太网（1000MB以太网）双工模式的自动协商已经很稳定，所以在这里不对吉比特网络的双工协商做更多的描述。在这里需要进一步描述的问题是关于快速以太网双工模式的自动协商问题，手工配置的100MB全双工或者半双工接口不能与配置为自动协商的接口更好地协商，只有链路的两端都同时被配置为自动协商时，彼此才能向对方发送关于双工模式自动协商的参数；如果链路的一端被手工配置成某种双工模式，另一端即便是配置为自动协商双工模式，也不能完成双工模式的自动协商功能。因为手工配置端无法向自动协商端发送协商参数，所以这将发生双工不匹配的现象。那么，此时链路上的自动协商端将采用半双工模式。注意：发生双工不匹配，并不代表链路无法建立，只是在这种情况下，链路的效率很低，性能极差，还可能出现第二层数据帧的错误，所以要多加小心！关于链路两端不同双工模式的协商进行工作时的情况如下所述。任务7.1.3关于快速以太网自动协商双工模式的状态表，如表7.1所示。适应低速模式10MB半双工手工10MB半双工自动速度不匹配无法建立链路手工100MB半双工手工10MB半双工适应低速模式10MB半双工自动手工10MB半双工双工不匹配100MB半双工自动手工100MB半双工正确的手工设置100MB半双工手工100MB半双工手工100MB半双工正确的手工设置100MB全双工手工100MB全双工手工100MB全双工双工不匹配100MB半双工手工100MB全双工自动双工不匹配100MB半双工自动手工100MB全双工最佳建议100MB全双工自动自动注意事项最终链路双工模式交换机接口网卡表7.4关于快速以太网自动协商双工模式的状态表任务7.1.4关于网络连接中的直通线、交叉线、反转线建立和配置交换机网络的一个重要步骤是成功地理解交换机网络中的线缆类型，特别是要区别直通线、交叉线和反转线，因为我们将使用这些线缆连接不同的网络设备，如果不能成功地识别这几种类型的线缆，将会为实施交换网络的连接造成故障。而且这部分内容也是CCNA认证考试中的重要部分。识别直通线（Straight-throughcable）直通线在连接以太网设备中通常也被叫作正线，当把两绞线的外皮剥开后，会看到一共有４对线，2根双绞相绕为１对，共计8根线，其颜色分别是：1白橙、2橙、3白绿、4蓝、5白蓝、6绿、7白棕、8棕。事实上，以太网通信只会使用1、２、３、６这４根线；直通线使用568B标准，它的线序如表7.5所示，而且线缆的两边使用相同的做线方式。其线缆两边的制作方式如图7.4所示成一对一的关系。表7.5关于568B直通线的线序标准棕白棕绿白蓝蓝白绿橙白橙87654321图7.4关于制作直通线两端的线序直通线的连接范围如下：计算机到集线器的连接。计算机到交换机的连接。交换机到路由器的连接。交换机到防火墙的连接。任务7.1.4识别交叉线（Crossovercable）

交叉线使用568A标准，它的线序如表7.6所示，可以看出交叉线是将568B顺序的1和３、2和6对调了一下。关于制作交叉两线的线序如图7.5所示。表7.6关于568A交叉线的线序标准棕白棕橙白蓝蓝白橙绿白绿87654321图7.5关于制作交叉线两端的线序交叉线的连接范围如下：计算机直接连接计算机。集线器连接集线器。交换机连接交换机。路由器连接路由器。防火墙连接防火墙。计算机直接连接路由器。任务7.1.4为什么交叉线两端的1和3、2和6要相互交换通过交叉线的连接范围可以看出，一般情况下，同类型设备相互连接将使用交叉线，这是因为设备的发送端和接收端规定，如图7.6所示，不同类型设备的发送端对应接收端，所以通过直通线可以完成正常的发送。但是同类型设备的发送端对应发送端，接收端对应接收端，这无法完成数据的正常发送与接收，需要在线缆上将其调换使其发送端对应接收端的缘故，所以才使用交叉线。图7.6关于设备的发送端与接收端任务7.1.4反转线（RolloverCable）

反转线是计算机用来连接思科交换机或者路由器的CONSOLE接口，一般不用于连接以太网部件，但是当使用计算机的超级终端去配置路由器或者交换机时就需要使用反转线，它的做线顺序很简单，如图7.7所示，一端的线序为1～8，另一端的线序为8～1。图7.7关于反转线的制作任务7.1.5

理解园区交换网络的流量规划原则

理解传统的80/20流量规则这是一种传统的网络流量规则，大概在20世纪90年代较为流行，该规则指示在当时规划网络流量时，要求80%的流量在本地，只有20%的流量被转发到主干网络上，如图7.8所示。在当时，只有满足这个流量规则的设计才是合适的设计。如果一旦发现主干网络有拥塞现象，就表示流量规划不符合80/20标准，在这种情况下需要将服务器分布式地部署在各个网络的本地，以满足80/20规则。图7.8

80/20流量规则任务7.1.5关于现代化园区网络的20/80规则如今的园区网络的流量规划已经转变为20/80规