软考网络工程师备考考点讲解（四）：交换技术及其应用

在前几篇中，我们深入学习了网络模型、协议和路由的基础知识。接下来，我们将讨论交换技术及其在局域网中的应用。这些技术对于提高网络性能、扩展网络规模以及实现高效的数据传输至关重要。

一、交换的基本概念

1. 交换的定义

交换（Switching）是指在局域网中，设备通过交换机来传输数据帧。交换机根据MAC地址在不同设备之间转发数据，以提高网络的带宽利用率和传输效率。

2. 交换机的类型

• 以太网交换机：最常见的交换机类型，工作在数据链路层，使用MAC地址进行帧转发。
• 多层交换机：结合了传统交换机和路由器的功能，能够在数据链路层和网络层进行转发，支持VLAN和路由功能。

二、以太网交换技术

1. 交换机的工作原理

交换机通过学习网络中设备的MAC地址，将其存储在MAC地址表中。数据帧到达时，交换机会查找MAC地址表，根据目的地址将帧转发到相应的端口。

2. MAC地址学习

当交换机收到数据帧时，它会提取源MAC地址并将其与接收端口进行关联，更新MAC地址表。如果交换机已经有了目的MAC地址的记录，则直接将数据帧转发到目标端口；如果没有，则将帧广播到所有端口（除了接收端口）。

3. 交换机的转发方式

• 存储转发（Store-and-Forward）：交换机接收完整的帧，检查帧的CRC错误后再转发。此方式能提高数据传输的可靠性，但延迟较高。
• 直通（Cut-Through）：交换机在读取到目的MAC地址后立即转发数据帧。此方式延迟最低，但不检查错误，可能导致错误帧传输。
• 混合（Fragment-Free）：结合了上述两者的优点，在读取到前64字节后进行转发，减少了错误帧的风险。

三、虚拟局域网（VLAN）

1. VLAN的定义

虚拟局域网（VLAN）是一种逻辑分组技术，可以将一个物理局域网划分为多个逻辑网络。每个VLAN拥有自己的广播域，从而提高网络的安全性和性能。

2. VLAN的优势

• 增强安全性：将不同部门的设备划分到不同的VLAN中，限制广播域，提高安全性。
• 减少广播流量：每个VLAN是一个独立的广播域，减少了广播流量，提高了网络性能。
• 灵活性：设备可以在不同的VLAN之间灵活调整，而不需要重新布线。

3. VLAN的配置示例

在Cisco交换机上配置VLAN，可以使用以下命令：

Switch(config)# vlan 10                       # 创建VLAN 10
Switch(config-vlan)# name Sales                # 为VLAN命名
Switch(config)# interface fa0/1                # 进入接口配置模式
Switch(config-if)# switchport mode access      # 将接口设置为接入模式
Switch(config-if)# switchport access vlan 10   # 将接口加入VLAN 10

4. VLAN间路由

为了实现不同VLAN之间的通信，需要使用三层设备（如路由器或多层交换机）进行VLAN间路由。可以使用子接口或**SVI（Switch Virtual Interface）**进行配置。

四、生成树协议（STP）

1. STP的定义

生成树协议（STP，Spanning Tree Protocol）用于避免网络中的环路。当网络中存在冗余路径时，STP通过阻塞某些端口，确保网络中只有一条活动路径，从而防止数据帧在环路中无限循环。

2. STP的工作原理

STP通过选举根桥（Root Bridge）并计算生成树拓扑结构，以确保无环路。根桥是所有交换机中优先级最低的设备。每个非根桥根据根桥和自身的路径成本选择一个根端口（Root Port），并选择一个指定端口（Designated Port）负责转发数据帧。

3. STP的配置示例

在Cisco交换机上启用STP，可以使用以下命令：

Switch(config)# spanning-tree vlan 10 priority 4096  # 设置VLAN 10的根桥优先级
Switch(config)# spanning-tree portfast                # 启用PortFast功能

4. STP的变种

• RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）：快速生成树协议，提供更快的收敛速度。
• MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）：支持多个生成树实例，优化资源利用。

五、链路聚合

1. 链路聚合的定义

链路聚合（Link Aggregation）是将多个物理链路组合成一个逻辑链路，以提高带宽和冗余性。聚合后，链路的带宽等于所有链路带宽的总和。

2. 链路聚合的标准

链路聚合遵循IEEE 802.3ad标准，允许将最多16个物理接口聚合在一起。常见的聚合协议有LACP（Link Aggregation Control Protocol）。

3. 链路聚合的配置示例

在Cisco交换机上配置链路聚合，可以使用以下命令：

Switch(config)# interface range fa0/1 - 2             # 选择要聚合的接口
Switch(config-if-range)# channel-group 1 mode active  # 启用LACP聚合
Switch(config-if-range)# exit
Switch(config)# interface port-channel 1               # 进入聚合接口配置
Switch(config-if)# switchport mode trunk               # 设置为干道接口

六、案例分析：企业网络的交换技术选择

假设一家中型企业正在规划其局域网，该企业希望提高网络的可靠性和性能，同时确保不同部门之间的数据安全。

• 交换机选择：企业可以选择以太网交换机，并考虑多层交换机来支持VLAN间路由。
• VLAN规划：根据部门划分多个VLAN，例如将销售、财务和人力资源分别分配到不同的VLAN中，提高安全性。
• 冗余设计：启用STP以防止环路，同时使用链路聚合将关键服务器的多个链路聚合，提高带宽和冗余性。

七、总结

本篇文章详细介绍了交换技术，包括以太网交换机的工作原理、VLAN的应用、生成树协议的避免环路机制以及链路聚合的带宽提升策略。这些技术在现代局域网中扮演着关键角色，掌握它们对网络工程师考试和实际网络建设都非常重要。

在下一篇文章中，我们将探讨网络安全基础知识，包括常见的安全威胁、网络防火墙的配置与管理以及入侵检测系统（IDS）的应用等内容。