（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 17 交换技术原理
目錄
- 前言
- 一、交換機概述
- （一）沖突域與廣播域
- 1、沖突域
- 2、廣播域
- （二）交換機的基本概念
- （三）交換機的分類
- 1、按管理劃分
- 2、按工作層次劃分
- 3、按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)劃分
- 4、按交換機的交換方式劃分
- （四）包轉(zhuǎn)發(fā)率與背板帶寬
- 1、包轉(zhuǎn)發(fā)率
- 2、背板帶寬
- 二、交換網(wǎng)絡(luò)中的VLAN技術(shù)
- （一）VLAN的基本概念
- （二）VLAN的劃分方法
- 1、按端口劃分
- 2、子網(wǎng)
- 3、MAC地址
- 4、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
- 5、IP組播
- 6、策略
- （三）VLAN封裝協(xié)議
- 1、IEEE 802.1Q（dot1q）
- 2、QinQ技術(shù)
- （四）VCMP協(xié)議
- 1、VCMP的概念
- 2、VCMP管理域
- 3、VCMP角色
- 4、VCMP協(xié)議報文
- 5、部署VCMP的步驟
- （五）GVRP協(xié)議
- 1、GVRP的概念
- 2、GVRP的注冊模式
- 3、GVRP的消息類型
- 4、GVRP的定時器
- 5、GVRP單向注冊和雙向注冊
- 三、交換網(wǎng)絡(luò)中的生成樹協(xié)議
- （一）STP的基本概念
- （二）STP交換機接口狀態(tài)
- （三）STP工作原理
- （三）RSTP和MSTP
前言
下圖是交換機在華為eNSP軟件中的使用，該拓撲圖實現(xiàn)的是劃分vlan，通過交換機進行信號轉(zhuǎn)發(fā)：
一、交換機概述
（一）沖突域與廣播域
1、沖突域
沖突域是指會發(fā)生物理碰撞的域，也可以說在以太網(wǎng)中，如果某個CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)上的兩臺計算機在同時通信時會發(fā)生沖突，那么這個CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)就是一個沖突域，另外單純復(fù)制信號的集線器和中繼器不能隔離沖突域，即它們依舊是是一個沖突域。
而使用第二層技術(shù)（數(shù)據(jù)鏈路層）的設(shè)備可分割CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，可以隔離沖突域的例如網(wǎng)橋、交換機（以太網(wǎng)交換機連接的所有端口是同一個廣播域，而每個端口是一個單獨的沖突域）、路由器，下圖是來自網(wǎng)上的一張圖（未劃分VLAN）：
2、廣播域
接收同一廣播報文的結(jié)點集合稱為廣播域，隔離廣播域需要使用第三層（網(wǎng)絡(luò)層）設(shè)備，即路由器、三層交換機（以太網(wǎng)交換機連接的所有端口是同一個廣播域）都能隔離廣播域。
（二）交換機的基本概念
交換機是一種用于電或光信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能（依據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的鏈路層的地址，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)），所以它又稱為多端口網(wǎng)橋，另外每個端口獨享相同的帶寬，它與集線器相比，在計算機數(shù)量很多時比集線器的優(yōu)勢明顯。
根據(jù)其制造的方式可以分為盒式交換機和框式交換機，盒式交換機通常部署在網(wǎng)絡(luò)的匯聚層和接入層，我們可看到它的端口數(shù)是固定的，下圖是一個24口交換機：
這里的10/100/1000BASE-T即常說的十兆端口、百兆端口、千兆端口，100BASE-T的速率為100Mb/s，而千兆端口1000BASE-T的速率為1000Mb/s，它的速率更高，且千兆交換機支持的并發(fā)操作比百兆交換機更多，另外它們都是向下兼容的，即千兆交換機向下兼容百兆和十兆。百兆交換機常用于家庭等小型場所，而千兆交換機用于中小企業(yè)、網(wǎng)吧等大型場所。
由于盒式交換機的端口有限，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達到一定程度時無法滿足網(wǎng)絡(luò)的要求。
此時可以通過通過堆疊技術(shù)使多臺具有可堆疊特性的交換機組合在一起，從邏輯上形成一臺交換機設(shè)備，從而達到擴展網(wǎng)絡(luò)能力、提高設(shè)備可靠性的目的，即框式交換機，如下是一臺框式交換機：
（三）交換機的分類
交換機的分類的分類方式有很多，以下解釋幾種分類方式。
按網(wǎng)絡(luò)地理范圍分類網(wǎng)絡(luò)：
①從廣義上來看，網(wǎng)絡(luò)交換機分為兩種：廣域網(wǎng)交換機和局域網(wǎng)交換機。廣域網(wǎng)交換機主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信用的基礎(chǔ)平臺；而局域網(wǎng)交換機則應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接終端設(shè)備，如PC機及網(wǎng)絡(luò)打印機等。
②從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機、快速以太網(wǎng)交換機、千兆以太網(wǎng)交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環(huán)交換機等。
1、按管理劃分
能進行管理和配置的交換機稱為網(wǎng)管型交換機，主要區(qū)別是帶不帶Console口【有的交換機是提供FDDI接口】，可以通過使用Console線直接連接至計算機的串口，利用終端仿真程序（一般使用Windows自帶的“超級終端”）在本地配置。常用的的Console接口多為RJ-45接口（即常用的水晶頭），如下就是一個網(wǎng)管型交換機：
而這種不帶Console口，即無管理和配置功能的交換機則稱為非網(wǎng)管型交換機，如下：
2、按工作層次劃分
我們知道通常采用折中的方法，即綜合OSI開放系統(tǒng)互連參考模型和TCP/IP的優(yōu)點分為五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)，由下至上依次為物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 傳輸層 、應(yīng)用層 ），共五層。
①所以將工作在數(shù)據(jù)鏈路層的交換機通常稱為二層交換機；
②三層交換機工作在網(wǎng)絡(luò)層，即它帶有路由功能（當源主機發(fā)出的數(shù)據(jù)進行第三層交換后，相關(guān)信息保存至MAC地址與IP地址的映射表中），且能加快數(shù)據(jù)交換，通過IP地址進行交換，可以轉(zhuǎn)發(fā)不同VLAN之間的通信，另外三層交換機工作時不僅使用第三層網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，還使用第二層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；
③而四層交換機工作在傳輸層，它除了可完成第二層和第三層交換機的功能工作還支持傳輸層以下的所有協(xié)議，可以說第四層交換機是以軟件構(gòu)件為主、硬件支持為輔的網(wǎng)絡(luò)管理交換設(shè)備，它有智能應(yīng)用交換功能；
④另外還有幀中繼交換機、ATM交換機。
按工作層次劃分，它們的工作層次和交換的依據(jù)如下表：
| 二層交換機 | 數(shù)據(jù)鏈路層 | MAC地址 |
| 三層交換機 | 網(wǎng)絡(luò)層 | IP地址 |
| 四層交換機 | 傳輸層 | TCP/UDP端口 |
| 幀中繼交換機 | 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 | 虛電路號（DCLI） |
| ATM交換機 | 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 | 虛電路標識VPI和VCI |
3、按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)劃分
在之前的文章磁盤存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計中，介紹過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通過分層化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型來設(shè)計，通常分為三層網(wǎng)絡(luò)模型，即接入層、匯聚層和核心層三層，這里的按網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)劃分交換機即為三種交換機，如下：
（1）接入層交換機
直接面向用戶連接或訪問網(wǎng)絡(luò)的部分稱為接入層，接入層的交換機端口固定，用于實現(xiàn)將用戶的計算機和終端接入網(wǎng)絡(luò)，所以接入層交換機要具有低成本和高端口密度特性，一般為8、16、24、48個百兆或千兆以太網(wǎng)接口、12-24個千兆以太網(wǎng)接口等等。
（2）匯聚層交換機
匯聚層是多臺接入層交換機的匯聚點，它處理來自接入層設(shè)備的所有通信流量，并提供到核心層的上行鏈路，匯聚層交換機可以是固定配置也可以是模塊配置，且它一般都是可以網(wǎng)管的，即匯聚層交換機需要更高的性能、更少的接口以及更高的交換速率。
（3）核心層交換機
核心層交換機作為網(wǎng)絡(luò)骨干構(gòu)建高速局域網(wǎng)，由于核心層主要實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)之間的優(yōu)化傳輸，通常是冗余能力、可靠性和高速的傳輸，它負責將數(shù)據(jù)分組從一個區(qū)域高速地轉(zhuǎn)發(fā)至另一個區(qū)域，故核心層需要能處理大量的數(shù)據(jù)交換、轉(zhuǎn)發(fā)的交換機，所以交換機的背板帶寬和包轉(zhuǎn)發(fā)率要高，且采用模塊化設(shè)計。
4、按交換機的交換方式劃分
按交換方式可分為三種，有的交換機只支持一種，而有的交換機在每個交換端口數(shù)值一個門限值從而達到一定值時實現(xiàn)對應(yīng)的交換方式，交換方式劃分如下：
（1）直通式交換
直接向目標地址轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)速度快，但無檢錯的能力。
（2）存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換
先將接收到的信息緩存檢測正確性，確認正確后再轉(zhuǎn)發(fā)，由于中間結(jié)點需存儲數(shù)據(jù)，所以時延較大。
（3）無碎片交換
接收到64字節(jié)后才開始轉(zhuǎn)發(fā)，由于在一個正確設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)中，沖突的發(fā)現(xiàn)會在源發(fā)送64字節(jié)之前，當出現(xiàn)沖突，源會停止繼續(xù)發(fā)送，且不完整的以太幀發(fā)送后無意義，所以檢查64字節(jié)前就可以將這些碎片幀丟棄掉。
（四）包轉(zhuǎn)發(fā)率與背板帶寬
1、包轉(zhuǎn)發(fā)率
包轉(zhuǎn)發(fā)率是指交換機每秒轉(zhuǎn)發(fā)多少百萬個數(shù)據(jù)包（Mpps）【單位還有kpps（千包/s）、pps（包/s）】，用于體現(xiàn)交換機的交換能力。
包轉(zhuǎn)發(fā)率也稱為吞吐量，計算公式如下：
包轉(zhuǎn)發(fā)率=萬兆端口數(shù)量×14.88Mpps+千兆端口數(shù)量×1.488Mpps+百兆端口數(shù)量×0.1488Mpps+其余類型端口數(shù)×相應(yīng)計算方法
【由于每個幀之間有幀間隙，即等待一段時間后再發(fā)另一個幀，以太網(wǎng)標準中規(guī)定最小幀間隙為12byte，另外加上前導(dǎo)碼（7byte）、幀起始定界符（1byte），所以64byte的數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)鏈路層封裝后大小為（64+8+12=84byte），故一個千兆端口下數(shù)據(jù)包個數(shù)=1000Mb/s÷8bit÷84byte≈1.488Mpps.，…】
2、背板帶寬
交換機的背板帶寬也決定包轉(zhuǎn)發(fā)率，即交換機接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間能吞吐的最大數(shù)據(jù)量，即交換機總的數(shù)據(jù)交換能力，它與包轉(zhuǎn)發(fā)率的關(guān)系是：一臺交換機的背板帶寬越髙，其處理數(shù)據(jù)的能力就越強，包轉(zhuǎn)發(fā)率越髙。
全雙工交換機背板帶寬的計算公式如下：
背板帶寬=萬兆端口數(shù)量×10000Mb/s×2+千兆端口數(shù)量×1000Mb/s×2+百兆端口數(shù)量×100Mb/s×2+其余類型端口數(shù)×端口速率×2
二、交換網(wǎng)絡(luò)中的VLAN技術(shù)
（一）VLAN的基本概念
VLAN技術(shù)可以將一個LAN（局域網(wǎng)）劃分成多個邏輯上的子VLAN，每一個子VLAN是一個廣播域，不同的子VLAN之間不能直接通信，從而使廣播報文限制在一個子VLAN內(nèi)，VLAN技術(shù)主要應(yīng)用于三層交換機和路由器中(主要是三層交換機)。
所以VLAN技術(shù)的特點是：
限制廣播域：廣播域被限制在一個VLAN內(nèi)，節(jié)省了帶寬，提高了網(wǎng)絡(luò)處理能力。
增強局域網(wǎng)的安全性：不同VLAN內(nèi)的報文在傳輸時相互隔離，即一個VLAN內(nèi)的用戶不能和其它VLAN內(nèi)的用戶直接通信。
提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性：故障被限制在一個VLAN內(nèi)，本VLAN內(nèi)的故障不會影響其他VLAN的正常工作。
靈活構(gòu)建虛擬工作組：用VLAN可以劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必局限于某一固定的物理范圍，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護更方便靈活。
如下是一個未劃分VLAN之前的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖：
劃分兩個子VLAN后，各VLAN間獨立：
（二）VLAN的劃分方法
VLAN劃分方法可基于端口、子網(wǎng)、MAC地址、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、IP組播和策略等多種方法，以下將詳細介紹各種劃分方法。
1、按端口劃分
端口，即按交換機的端口進行劃分，屬于靜態(tài)劃分，這也是最常用的VLAN劃分方法（但不同類型接口上的配置方式也不同），各VLAN之間通過三層交換機或路由器來保證VLAN之間的通信，這種方法適用于位置較固定的網(wǎng)絡(luò)場景，比如一個網(wǎng)絡(luò)中用戶無移動辦公需求，則可以采用基于交換機端口的VLAN劃分較合理。例如將S3700交換機（共24個以太網(wǎng)端口）的1-20端口劃分為VLAN100，21-24劃分為VLAN200。
2、子網(wǎng)
子網(wǎng)，即根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的IP地址和子網(wǎng)掩碼來劃分VLAN，屬于動態(tài)劃分，首先配置好IP地址和VLAN ID之間的映射表，然后根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的IP地址和子網(wǎng)掩碼劃分VLAN，這里的動態(tài)劃分也就是分好了組然后劃分，通過這種方式可以減少配置VLAN的工作量，且適合于移動性較高和簡易管理需求較高的網(wǎng)絡(luò)場景中。
3、MAC地址
MAC地址，即根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的MAC地址來劃分VLAN，也屬于動態(tài)劃分，這種方法適合用戶使用網(wǎng)絡(luò)的位置常移動但網(wǎng)卡不經(jīng)常更換的網(wǎng)絡(luò)場景，即當使用用戶離開時VLAN不用重新配置，但其缺點是初始化時使用的用戶都要進行配置，網(wǎng)卡更換或設(shè)備更新時也要重新配置，例如一個網(wǎng)絡(luò)中用戶需移動辦公，則可以采用基于MAC地址的VLAN劃分較合理。
4、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
基于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的劃分是根據(jù)數(shù)據(jù)幀所屬的協(xié)議（族）類型及封裝格式來劃分VLAN，也屬于動態(tài)劃分，適用于需要同時運行多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)場景。
5、IP組播
基于IP組播的劃分也是動態(tài)劃分，認為一個組播組為一個VLAN，從而將VLAN擴展到廣域網(wǎng)，這種方法不適合局域網(wǎng)（由于效率不高）。
6、策略
基于策略的VLAN劃分是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理員事先制定的VLAN規(guī)則進行劃分，自動將加入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備劃分到相應(yīng)的VLAN中，可以說這種劃分方法是多種組合（端口、IP地址、MAC地址等）的劃分方法，適用于需求比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
（三）VLAN封裝協(xié)議
VLAN封裝協(xié)議有兩種鏈路封裝協(xié)議，分別是IEEE 802.1Q和QinQ技術(shù)。
1、IEEE 802.1Q（dot1q）
IEEE 802.1Q也稱為dot1q，該協(xié)議允許多個網(wǎng)橋在信息不被外泄的情況下公開的共享同一個實體網(wǎng)上，IEEE 802.1q所附加的VLAN識別信息位于數(shù)據(jù)幀的源MAC地址與類型字段之間，即它在原來的以太幀中添加4個字段的標記字段，可以說IEEE 802.1Q的作用是生成VLAN標記，如下：
其中VID的取值范圍為[0,4095 ]，VID=0用于識別幀優(yōu)先級，故VLAN號的最大可能值為4094，最多可以配置4094個不同VLAN，其編號取值范圍為[1,4094]。
2、QinQ技術(shù)
QinQ技術(shù)是由IEEE 802.1Q擴展而來的新標準，即IEEE 802.1ad（運營商網(wǎng)橋協(xié)議），也就是在IEEE 802.1Q協(xié)議標簽前再次封裝IEEE 802.1Q協(xié)議標簽，一層是標識用戶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，另一層是標識網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。
（四）VCMP協(xié)議
1、VCMP的概念
VLAN集中管理協(xié)議可實現(xiàn)在一臺交換機上創(chuàng)建、刪除VLAN，提供一種在二層網(wǎng)絡(luò)中傳播VLAN配置信息（域內(nèi)所有指定的其他交換機自動同步創(chuàng)建、刪除相應(yīng)的VLAN），簡單的來說，只需在一臺交換機上進行創(chuàng)建、刪除VLAN的操作，這些操作會同步至指定的所以交換機，從而大大地減少了工作量，并保證了各修改的一致性。
- 該協(xié)議常與GVRP協(xié)議對比，VCMP只能同步VLAN配置，而不能將端口動態(tài)地劃分到VLAN，即我們通過VCMP創(chuàng)建的VLAN是靜態(tài)VLAN，而通過GVRP創(chuàng)建的VLAN是動態(tài)VLAN。
2、VCMP管理域
VCMP協(xié)議通過域管理各交換機，即VCMP管理域，同一域中域名相同，且通過Trunk或Hybrid鏈路接口連接的一組域名相同的交換機。
在管理域中定義各設(shè)備的角色從而確定設(shè)備的屬性，不同角色的定義和作用不同，在VCMP中分為以下四種角色：
在一個VLAN管理域中，只能有一臺管理設(shè)備（即Server設(shè)備只能有一個），但可以有多臺被管理設(shè)備（即Client、Transparent、Silent），另外一臺交換機只能加入一個VCMP管理域，若一個設(shè)備想加入該管理域中，需要配置與該域相同的域名且配置好相應(yīng)的角色和相同的認證密碼，且同一VCMP管理域中的Server和每臺Client配置的域密碼必須相同。
3、VCMP角色
（1）Transparent和Silent
首先，我們要知道被設(shè)置為Transparent和Silent的交換機不屬于任何VCMP管理域（這一點在配置GVRP協(xié)議中用到），所以在屬于這兩種角色的設(shè)備上創(chuàng)建、刪除的VLAN信息不會受到Server影響，且也不會在域內(nèi)傳播。
【Transparent角色主要用作透傳VCMP報文，Silent角色用于隔離VCMP管理域。】
（2）Server
Server是VLAN管理域中的管理角色，一個管理域只能有一個，它負責將VLAN信息通過VCMP報文同步給其相同管理域內(nèi)的其他設(shè)備，即在這種角色的設(shè)備上創(chuàng)建、刪除的VLAN信息會在其域內(nèi)傳播。
（3）Client
Client是VLAN管理域中的被管理角色，它會根據(jù)管理角色Server發(fā)過來的VCMP報文將VLAN信息同步到本地，在該角色上創(chuàng)建、刪除的VLAN信息不會在域內(nèi)傳播，但會被Server發(fā)送的VLAN信息覆蓋。
4、VCMP協(xié)議報文
VCMP協(xié)議報文只能在Trunk和Hybrid類型接口上傳送
，報文分為三種組播方式的報文，由管理設(shè)備Server和被管理設(shè)備Client兩種角色觸發(fā)，如下：
（1）Summary-Advert報文和Subset-Advert報文
①觸發(fā)Summary-Advert報文的角色是Server，管理設(shè)備Server通過該報文向VCMP管理域內(nèi)的其他設(shè)備通告域名、設(shè)備ID、配置修訂號以及同步VLAN信息，Server每5分鐘發(fā)送一次Summary-Advert報文（在默認情況下），從而來確保實時同步和防止遺漏。
②觸發(fā)Subset-Advert報文的角色也是Server，管理設(shè)備Server通過該報文向VCMP管理域內(nèi)的其他設(shè)備通告非默認配置的VLAN名稱或VLAN描述，它的作用與Summary-Advert報文一樣，也是確保實時同步和防止遺漏。
（2）Advert-Request報文
觸發(fā)Advert-Request報文的角色是Client，角色通過該報文主動請求同步VLAN信息，以便及時同步。
2. 當在VCMP管理域中添加一臺Client設(shè)備或重啟Client設(shè)備時會主動發(fā)送Advert-Request報文。
5、部署VCMP的步驟
（五）GVRP協(xié)議
1、GVRP的概念
GVRP是GARP的一種應(yīng)用，GVRP協(xié)議用于VLAN同步（使不同設(shè)備上的VLAN信息由協(xié)議動態(tài)維護和更新，用戶只需對少數(shù)設(shè)備進行配置即可應(yīng)用到整個網(wǎng)絡(luò)，從而節(jié)省時間提高效率），它也用于注冊和注銷VLAN屬性。
如下，三臺交換機通過Trunk/Hybrid鏈路連接，其中LSW2上只有VLAN1，而LSW1和LSW3上有VLAN2，為了使VLAN1的報文可傳遞到LSW3上，我們知道可以通過手工添加VLAN的方式，但當在實際操作中的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖可能就沒有這么容易，而是錯綜復(fù)雜的VLAN網(wǎng)，所以此時就可以通過GVRP的VLAN自動注冊完成VLAN的配置，使工作量減少且保證了準確性。
2、GVRP的注冊模式
GVRP的注冊模式分為三種，不同注冊模式下對靜態(tài)VLAN和動態(tài)VLAN的處理方式不同，如下：
#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .label text,#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node rect,#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node circle,#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node ellipse,#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node polygon,#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-LW7vJPYAivVio7R0 :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}GVRP的注冊模式1.Normal模式2.Fixed模式3.Forbidden模式VLAN模式有Normal模式、Fixed模式和Forbidden模式三種，Forbidden模式很好理解，它只發(fā)送VLAN1的聲明，其他都被禁止（除VLAN以外的所有VLAN都被刪除），且不允許動態(tài)VLAN在端口注冊；Fixed模式也不允許動態(tài)VLAN注冊，只發(fā)送靜態(tài)VLAN的聲明；而Normal普通模式下動態(tài)VLAN的注冊是允許的，在這種模式下靜態(tài)VLAN和動態(tài)VLAN的聲明它都發(fā)送，如下表：
| Normal模式 | 允許動態(tài)VLAN在端口注冊，同時發(fā)送靜態(tài)VLAN和動態(tài)VLAN的聲明消息 |
| Fixed模式 | 不允許動態(tài)VLAN在端口注冊，只發(fā)送靜態(tài)VLAN的聲明消息 |
| Forbidden模式 | 不允許動態(tài)VLAN在端口注冊，同時刪除端口上除了VLAN1之外的所有VLAN，只發(fā)送VLAN1的聲明消息 |
3、GVRP的消息類型
#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .label text,#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node rect,#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node circle,#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node ellipse,#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node polygon,#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-lbTPojp1aktfjMxn :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}消息類型1.Join消息JoinInJoinEmpty2.Leave消息LeaveInLeaveEmpty3.LeaveAll消息各GVRP應(yīng)用實體之間的信息交換主要通過Join消息、Leave消息和LeaveAll消息三類消息組成。
2. Join消息：當希望其他設(shè)備注冊自己的屬性信息時，GVRP應(yīng)用實體會對外發(fā)送Join消息；當收到其他實體的Join消息或本設(shè)備靜態(tài)配置了某些屬性時，需其他GVRP應(yīng)用實體注冊時，也會發(fā)送Join消息。【Join定時器、Hold定時器用于控制Join消息的發(fā)送】
3. Leave消息：當希望其他設(shè)備注銷自己的屬性信息時，GVRP應(yīng)用實體會對外發(fā)送Leave消息；當收到其他實體的Leave消息或本設(shè)備靜態(tài)注銷了某些屬性時，也會發(fā)送Leave消息。【Hold定時器用于控制Join消息和Leave的發(fā)送，另外Leave定時器用于控制屬性注銷】
4. LeaveAll消息：用于注銷所有的屬性，每個GVRP應(yīng)用實體啟動后都會同時啟動Leave All定時器，當該定時器超時后GVRP應(yīng)用實體即會對外發(fā)送 LeaveAll消息。
4、GVRP的定時器
5、GVRP單向注冊和雙向注冊
（1）單向注冊
如下拓撲圖，在LSW2上注冊VLAN2，通過GVRP的單向注冊，依次將LSW1和LSW3的相應(yīng)端口自動加入至VLAN2中：
接下來分析其過程：
①首先我們在LSW2上手工創(chuàng)建了靜態(tài)VLAN：VLAN2，其端口Ethernet 0/0/1啟動Join定時器和Hold定時器，由于Hold定時器等待一個Hold定時器時間間隔后再發(fā)送消息，所以即它超時后向LSW1發(fā)送第一個JoinEmpty消息，一段時間間隔后Hold定時器再次啟動，再次等待超時后，發(fā)送第二個JoinEmpty消息。
②LSW1收到第一個JoinEmpty消息后，創(chuàng)建動態(tài)VLAN2（通過GVRP同步的VLAN是動態(tài)VLAN），并將接收JoinEmpty消息的端口（LSW1的Ethernet 0/0/1）加入到動態(tài)VLAN2中，一段時間后此時收到第二個JoinEmpty消息，由于已經(jīng)加入動態(tài)VLAN2，所以該消息不做處理。在加入動態(tài)VLAN1的同時告知其相應(yīng)端口（LSW1的Ethernet 0/0/2）啟動Join、Hold定時器，與LSW2一樣，等待超時后向LSW3發(fā)送第一個JoinEmpty消息，一段時間間隔后Hold定時器再次啟動，再次等待超時后，發(fā)送第二個JoinEmpty消息。
③LSW3與LSW1一樣，收到第一個JoinEmpty消息后創(chuàng)建動態(tài)VLAN2，并將相應(yīng)接收的端口加入至動態(tài)VLAN2中，同樣對第二個消息也是不處理。
④此時，每當LeaveAll定時器超時或收到LeaveAll消息后設(shè)備會重新啟動四個定時器，重新以上的步驟。
注：單向注冊后，只有LSW1的Ethernet 0/0/2還未加入動態(tài)VLAN2，其他端口都已加入，這是由于只有收到JoinEmpty消息或JoinIn消息的端口才能加入動態(tài)VLAN。
（2）雙向注冊
雙向注冊相對于單向注冊，可以使各設(shè)備之間雙向互通，也就是該過程中，由LSW3反向向LSW1發(fā)送JoinIn消息，從而使未加入動態(tài)VLAN2的LSW1的Ethernet 0/0/2也加入，即在單向注冊完成后，在LSW3上創(chuàng)建靜態(tài)VLAN2，像LSW2一開始一樣發(fā)送，不過此時LSW3向LSW1發(fā)送的不再是JoinEmpty消息，而是JoinIn消息（因為VLAN2已經(jīng)注冊），它也是發(fā)送第一個JoinIn消息，然后時間間隔、超時后發(fā)送第二個JoinIn消息，……，LSW2上接收到JoinIn消息之后，停止向LSW1發(fā)送JoinEmpty消息，而是發(fā)送JoinIn消息，傳遞至LSW1，最后LSW3收到LSW2的JoinIn消息后由于已經(jīng)創(chuàng)建了靜態(tài)VLAN2，此時不會再創(chuàng)建動態(tài)VLAN2。
這里的內(nèi)容參考：配置指南-以太網(wǎng)交換
三、交換網(wǎng)絡(luò)中的生成樹協(xié)議
（一）STP的基本概念
STP協(xié)議是IEEE 802.1d中定義的鏈路管理協(xié)議，其作用是為網(wǎng)絡(luò)提供路徑冗余，同時防止產(chǎn)生環(huán)路，它通過BPDU交換STP消息。
（二）STP交換機接口狀態(tài)
啟動了STP的交換機接口狀態(tài)和作用如下：
| 阻塞 | 接收BPDU、不轉(zhuǎn)發(fā)幀 |
| 偵聽 | 接收BPDU、不轉(zhuǎn)發(fā)幀、接收網(wǎng)管消息 |
| 學(xué)習(xí) | 接收BPDU、不轉(zhuǎn)發(fā)幀、接收網(wǎng)管消息、把終端站點位置信息添加到地址數(shù)據(jù)庫（構(gòu)建網(wǎng)橋表） |
| 轉(zhuǎn)發(fā) | 接收BPDU、不轉(zhuǎn)發(fā)幀、接收網(wǎng)管消息、發(fā)送和接收用戶數(shù)據(jù)、把終端站點位置信息添加到地址數(shù)據(jù)庫（構(gòu)建網(wǎng)橋表） |
| 禁用 | 端口處于shutdown狀態(tài)，不轉(zhuǎn)發(fā)BPDU和數(shù)據(jù)幀 |
注：阻塞狀態(tài)到偵聽狀態(tài)需20s，偵聽狀態(tài)到學(xué)習(xí)狀態(tài)需15s，學(xué)習(xí)狀態(tài)到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)需15s。
（三）STP工作原理
STP首先選擇根網(wǎng)橋，然后選擇根端口，最后選擇指定端口。
1、選擇根網(wǎng)橋
由于每臺交換機都有一個唯一的網(wǎng)橋ID，即BID（由2byte網(wǎng)橋優(yōu)先級字段+6byteMAC地址字段），最小BID值的交換機稱為根交換機，比較BID值大小時，先比較優(yōu)先級，后比較MAC地址。
2、選擇根端口
選擇距離根網(wǎng)橋最近（成本最低的）的非根網(wǎng)橋端口為根端口。
3、選擇指定端口
每個網(wǎng)段選擇一個指定端口，根敲所有端口均為指定端口。
（三）RSTP和MSTP
1、RSTP
RSTP是在STP的基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲快速收斂，但無法實現(xiàn)VLAN之間數(shù)據(jù)流量的負載均衡；
2、MSTP
MSTP將一個交換網(wǎng)絡(luò)劃分為多個域，每個域內(nèi)形成多棵生成樹且各生成樹間獨立，每一個生成樹稱為一個多生成樹實例，每個域稱為一個MST域，即將多個VLAN捆綁到一個實例，從而節(jié)省通信開銷和資源占有率，另外一個VLAN只能對應(yīng)一個多生成樹實例，即同一個VLAN的數(shù)據(jù)只能在一個多生成樹實例中傳輸，但一個多生成樹實例可能對應(yīng)多個VLAN。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 17 交换技术原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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