(9.8)-《路由器技術(shù)》第6章計算機網(wǎng)絡(luò)

第6章擴展交換網(wǎng)絡(luò)范圍【單元背景】隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇直接影響著網(wǎng)絡(luò)的運行效率、可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全，因此在網(wǎng)絡(luò)擴展的過程中，都按照層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以擴展網(wǎng)絡(luò)的范圍。層次化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，比以往使用的非層次化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有著很多優(yōu)勢,具有更高的穩(wěn)定性和安全性，也是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計趨勢?！緦W習目標】網(wǎng)絡(luò)組建層次模型學習層次化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計了解交換網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)、堆疊、集群技術(shù)學習以太網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)：鏈路聚合技術(shù)學習以太網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)：生成樹技術(shù)6.1擴展以太網(wǎng)范圍大多數(shù)以太網(wǎng)均采取星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有一個或者多個中央節(jié)點（交換機或集線器），每一個終端設(shè)備都通過單獨線路與中央節(jié)點相連，如圖6-1所示。6.1擴展以太網(wǎng)范圍中型規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)是在小型規(guī)范網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的延伸，它經(jīng)常出現(xiàn)在小區(qū)、辦公室樓層以校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如圖6-2所示。6.1擴展以太網(wǎng)范圍中型網(wǎng)絡(luò)實際上是多個小型規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的互相連接，規(guī)模通常為200至1000個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍更大，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更復雜，甚至會使用幾種不同類型網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。中型規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃過程中，一般會規(guī)劃幾個子網(wǎng)段，使用多臺交換機，如圖6-3所示。6.2層次化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計和小型以太網(wǎng)組網(wǎng)方式不同的是，大、中型以太網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃中，普遍采用三層結(jié)構(gòu)模型，明確每一臺設(shè)備在以太網(wǎng)中所承擔基本功能，如圖6-4所示。6.2層次化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計1.核心層功能也稱為骨干層，在層次化設(shè)計中，核心層保障網(wǎng)絡(luò)的冗余，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定和高速的傳輸，實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)之間優(yōu)化傳輸，如圖6-6所示某校園網(wǎng)核心層設(shè)備，為整個網(wǎng)絡(luò)提供骨干網(wǎng)絡(luò)的高速交換，對協(xié)調(diào)整網(wǎng)的通信至關(guān)重要。在核心層的設(shè)計上，網(wǎng)絡(luò)的控制功能盡量少在核心層上實施。6.2層次化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計2.匯聚層功能將位于接入層和核心層之間設(shè)備稱為分布層或匯聚層，匯聚層是多臺接入層交換機匯聚點，處理來自接入層設(shè)備的所有通信量，并提供到核心層的上行鏈路。如圖6-7所示虛線標注區(qū)域為匯聚層場景。6.2層次化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計3.接入層功能將網(wǎng)絡(luò)中直接面向用戶，或網(wǎng)絡(luò)訪問部分稱為接入層。接入層允許終端用戶直接連接到網(wǎng)絡(luò)中,接入層交換機具有低成本和高端口密度特性。如圖6-8所示某校園網(wǎng)場景，虛線標注區(qū)域為接入層場景，把終端用戶接入到網(wǎng)絡(luò)中，為本地用戶提供接入網(wǎng)絡(luò)的訪問，限制用戶訪問網(wǎng)絡(luò)權(quán)限。6.3交換機級聯(lián)技術(shù)1.什么是級聯(lián)在以太網(wǎng)絡(luò)擴建過程中，如果需要擴充本地網(wǎng)中設(shè)備數(shù)量，最簡單的方法就是增加交換機，把交換機之間互連起來，使用網(wǎng)線直接把兩臺交換機連接的技術(shù)稱為級聯(lián)。6.3交換機級聯(lián)技術(shù)2.級聯(lián)的功能早期以太網(wǎng)都使用集線器作為擴展網(wǎng)絡(luò)范圍的設(shè)備，現(xiàn)在使用交換機。無論擴展百兆以太網(wǎng)，還是擴展千兆以太網(wǎng)，級聯(lián)交換機之間距離都是100米。但交換機之間也不能無限制級聯(lián)，交換機級聯(lián)超過一定級數(shù)量，就會引起廣播風暴，導致辦公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能嚴重下降。6.3交換機級聯(lián)技術(shù)3.級聯(lián)端口交換機之間的級聯(lián)，既可使用普通以太端口，也可使用專用的Uplink上聯(lián)端口。如圖6-10所示Uplink端口，是專用于交換機之間的級聯(lián)口，使用網(wǎng)線將該端口連接至其它交換機的除Uplink端口之外的任意端口。6.3交換機級聯(lián)技術(shù)4.級聯(lián)層次規(guī)劃為提高級聯(lián)設(shè)備傳輸效率，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，建議最多部署三級交換機級聯(lián)結(jié)構(gòu)，也即：核心交換機→匯聚交換機→接入交換機，如圖6-12所示。這里的三級并不是說只允許安裝三臺交換機，而是按照網(wǎng)絡(luò)的功能，將網(wǎng)絡(luò)從邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為三個層次，即核心層、匯聚層和接入層。6.4交換機堆疊技術(shù)1.什么是堆疊堆疊技術(shù)把交換機的背板，通過專用模塊聚集在一起，這樣堆疊交換機的總背板帶寬，就是幾臺堆疊交換機背板帶寬之和，從而大大提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。堆疊技術(shù)可以將一臺以上的交換機組合起來，視同一個工作組共同使用，以便在有限的空間內(nèi)，提供盡可能多的端口密度，如圖6-13所示。6.4交換機堆疊技術(shù)2.堆疊模塊不是所有的交換機都可以進行堆疊，需要交換機的軟、硬件硬件設(shè)計都能支持堆疊技術(shù)，此外還需要購買堆疊模塊，如圖6-14所示。6.4交換機堆疊技術(shù)3.堆疊模式目前流行的堆疊模式主要有兩種：菊花鏈模式和星型模式。(1)菊花鏈堆疊多臺交換機菊花鏈式堆疊方式，是把交換機從上到下一臺一臺串聯(lián)起來，首尾兩臺交換機之間再連接一條堆疊電纜作為冗余，形成一個菊花鏈堆疊總線，如圖6-17所示。首尾交換機之間冗余非常重要，如果中間某一臺交換機發(fā)生故障，都可以保證網(wǎng)絡(luò)暢通。6.4交換機堆疊技術(shù)3.堆疊模式目前流行的堆疊模式主要有兩種：菊花鏈模式和星型模式。(2)星型堆疊星型堆疊是單獨一臺交換機作為堆疊中心，其它交換機用堆疊線連接到中心交換機上，如圖6-18所示。星型堆疊使所有堆疊組交換機，到達堆疊中心級數(shù)縮小到一級。任何兩個端節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)，只需要經(jīng)過三次交換。因此，可以顯著提高堆疊成員之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率。6.5交換機集群技術(shù)1.集群應(yīng)用環(huán)境在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)目眾多的設(shè)備需要分配不同的網(wǎng)絡(luò)地址，每臺設(shè)備需要配置后才能夠滿足應(yīng)用的需要。設(shè)備數(shù)量越多，需要管理的難度就會加大。為解決這一問題，使用集群管理方式。集群是用一個單一實體來管理互相連接一組交換機，如圖6-19所示。6.5交換機集群技術(shù)2.什么是集群所謂集群，就是將多臺互相連接(級聯(lián)或堆疊)的交換機，作為一臺邏輯設(shè)備進行管理。在集群中，一般只有一臺起管理作用的交換機，稱為命令交換機，它可以管理若干臺交換機，如圖6-20所示。網(wǎng)絡(luò)實踐1：配置交換機級聯(lián)【任務(wù)場景】林先生公司為擴新入職許多員工，需要增加一臺交換機，擴展網(wǎng)絡(luò)，如圖6-21所示網(wǎng)絡(luò)拓撲為擴展網(wǎng)絡(luò)，使用級聯(lián)技術(shù)改造網(wǎng)絡(luò)場景

【設(shè)備清單】：交換機（2臺）、計算機（>=2臺）、

網(wǎng)線（若干根）?！竟ぷ鬟^程】………(省略）網(wǎng)絡(luò)實踐2：配置交換機堆疊【任務(wù)場景】學校大樓有多臺二層交換機，為了方便管理，網(wǎng)絡(luò)管理員采用堆疊方式連接。圖6-22所示的是交換機堆疊場景，每臺交換機上安裝的堆疊模塊的UP端口，連接到另一臺交換機堆疊模塊上DOWN端口，形成交叉場景。

【設(shè)備清單】：交換機（2臺）、堆疊模塊（2塊）、堆疊線纜（2根）、網(wǎng)線（若干）?！竟ぷ鬟^程】………(省略）網(wǎng)絡(luò)實踐3：配置交換機集群管理【任務(wù)場景】某校園教學樓網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，僅接入交換機就有幾十臺，日常網(wǎng)絡(luò)管理和維護非常麻煩。特別是在IP地址管理上，需要較多IP地址（每臺1個IP地址），消耗有限IP地址。因此，網(wǎng)絡(luò)管理員希望采用交換機集群管理技術(shù)，簡化教學樓網(wǎng)絡(luò)管理，節(jié)省IP地址。如圖6-23所示網(wǎng)絡(luò)拓撲，是教學樓交換機的集群管理場景，希望提高網(wǎng)絡(luò)管理效率?！驹O(shè)備清單】：交換機（3臺）、計算機（>=2臺）、網(wǎng)線（若干）。【工作過程】………(省略）6.5以太網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化之：鏈路聚合技術(shù)1.以太網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)骨干傳輸鏈路的備份是提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可用性的重要方法。目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以生成樹協(xié)議（STP）和鏈路聚合（LinkAggregation）技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。其中：生成樹協(xié)議提供鏈路間冗余方案，允許交換機間存在多條鏈路作為主鏈路的備份。而鏈路聚合技術(shù)則提供了傳輸線路內(nèi)部的冗余機制，鏈路聚合成員之間彼此互為冗余和動態(tài)備份。鏈路聚合技術(shù)亦稱主干技術(shù)（Trunking）或捆綁技術(shù)（Bonding）。由于數(shù)據(jù)通信量的快速增長，千兆位帶寬對于交換機到交換機之間骨干鏈路往往不夠，于是出現(xiàn)了將多條物理鏈路當做一條邏輯鏈路使用的鏈路聚合技術(shù)。交換網(wǎng)絡(luò)問題對于局域網(wǎng)交換機之間以及從交換機到高需求服務(wù)的許多網(wǎng)絡(luò)連接來說，100M甚至1Gbps的帶寬是不夠的瓶頸100M鏈路100M/1000M鏈路鏈路聚合aggregateport（以下簡稱AP），符合IEEE802.3ad標準。它可以把多個端口的帶寬疊加起來使用，比如全雙工快速以太網(wǎng)端口形成的AP最大可以達到800Mbps，或者千兆以太網(wǎng)接口形成的AP最大可以達到8Gbps。

鏈路聚合的定義

端口聚合將交換機上的多個端口在物理上連接起來，在邏輯上捆綁在一起，形成一個擁有較大寬帶的端口，形成一條干路，可以實現(xiàn)均衡負載，并提供冗余鏈路。

802.3ad

802.3ad

標準定義了如何將兩個以上的以太網(wǎng)鏈路組合起來為高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)負載共享、負載平衡以及提供更好的彈性。鏈路聚合802.3ad的主要優(yōu)點

1、鏈路聚合技術(shù)（也稱端口聚合）幫助用戶減少了這種壓力。

2、802.3ad的另一個主要優(yōu)點是可靠性。

3、鏈路聚合標準在點到點鏈路上提供了固有的、自動的冗余性。流量平衡AP根據(jù)報文的MAC地址或IP地址進行流量平衡，即把流量平均地分配到AP的成員鏈路中去。流量平衡可以根據(jù)源MAC地址、目的MAC地址或源IP地址/目的IP地址對。MAC地址流量平衡

配置二層aggregateportSwitch#configureterminalSwitch(config)#interface

interface-idSwitch(config-if-range)#port-groupport-group-number

將該接口加入一個AP(如果這個AP不存在，則同時創(chuàng)建這個AP)。

顯示aggregateport可以在特權(quán)模式下顯示AP設(shè)置showaggregateport[port-number]{load-balance|summary}配置aggregateport的注意事項1.組端口的速度必須一致；2.組端口必須屬于同一個VLAN；3.組端口使用的傳輸介質(zhì)相同；4.組端口必須屬于同一層次，并與AP也要在同一層次。

三層接口（L3aggregateport）switch1switch210.1.1.1/2410.1.1.2/24Switch1#configSwitch1(config)#interfaceaggregate1Switch1(config-if)#noswitchportSwitch1(config-if)#ipaddress10.1.1.1255.255.255.0Switch1(config-if)#noshutdownSwitch1(config)#interfacerangefastethernet0/1-2(同時進入一段接口)Switch1(config-if-range)#noswitchportSwitch1(config-if-range)#port-group1Switch1(config-if-range)#noshutdownSwitch2配置略L3Aggregateport使用一個Aggregateport作為三層交換的網(wǎng)關(guān)接口。L3Aggregateport不具備2層交換的功能。您可通過noswitchport將一個無成員2層接口L2Aggregateport轉(zhuǎn)變?yōu)長3Aggregateport，接著將多個routedport加入此L3Aggregateport，然后給L3Aggregateport分配IP地址來建立路由。6.6以太網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化之：生成樹技術(shù)1.交換網(wǎng)絡(luò)冗余備份在以太網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境中，物理環(huán)路可以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，當一條物理線路斷掉時候，另外一條線路仍然可以傳輸數(shù)據(jù)。但在交換網(wǎng)絡(luò)中，當交換機接收到一個目的地址未知的數(shù)據(jù)幀時，交換機將這個數(shù)據(jù)幀廣播出去。在存在物理環(huán)路的交換網(wǎng)絡(luò)中，就會產(chǎn)生雙向的廣播環(huán)，甚至產(chǎn)生廣播風暴，導致交換機資源耗盡而宕機。這樣就產(chǎn)生了一個矛盾，需要物理環(huán)路來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，而環(huán)路又有可能產(chǎn)生廣播風暴。網(wǎng)絡(luò)中存在的單點故障故障網(wǎng)絡(luò)中的單點故障可導致網(wǎng)絡(luò)的無法訪問交換機網(wǎng)絡(luò)中的冗余鏈路使用備份連接，可以提高網(wǎng)絡(luò)的健全性、穩(wěn)定性。VODServerPC2PC1SW1SW3SW2交換網(wǎng)絡(luò)中的冗余鏈路故障在網(wǎng)絡(luò)中提供冗余鏈路解決單點故障問題冗余鏈路出現(xiàn)的問題(1):廣播風暴發(fā)送一個廣播幀廣播風暴冗余鏈路出現(xiàn)的問題(2):地址表不穩(wěn)定VODServerPC2PC1SW1SW3SW2冗余鏈路出現(xiàn)的問題(3):多幀復制產(chǎn)生環(huán)路環(huán)路問題導致：廣播風暴、多幀復制，MAC地址表不穩(wěn)定等問題。PC2PC1SW1SW3VODServerSW2解決方法：環(huán)臨時生成樹思想臨時關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)中冗余的鏈路。VODServerPC2PC1SW1SW3SW2生成樹協(xié)議STP生成樹協(xié)議STP的基本概念生成樹協(xié)議（STP）：IEEE802.1d標準主要思想是:網(wǎng)絡(luò)中存在備份鏈路時，只允許主鏈路激活，如果主鏈路因故障而被斷開后，備用鏈路才會被打開。主要作用：避免回路，冗余備份。生成樹協(xié)議實現(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)中，生成沒有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)，主鏈路出現(xiàn)故障，自動切換到備份鏈路，保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。生成樹協(xié)議的發(fā)展過程劃分成三代第一代生成樹協(xié)議：STP/RSTP

（基于端口生成樹）第二代生成樹協(xié)議：PVST/PVST+

（基于VLAN生成樹,cisco專利技術(shù)）第三代生成樹協(xié)議：MISTP/MSTP

（基于實例instance生成樹）生成樹技術(shù)的發(fā)展BPDU的機制1.選擇一個根交換機（RootBridge）；2.確定到根交換機最短路徑的端口根口（RootPort），；3.每個交換機都計算出了到根交換機的最短路徑；4.每個LAN與根交換機之間，最短路徑中相連的端口，稱為指定端口（Designatedport）；5.根口和指定端口進入轉(zhuǎn)發(fā)Forwarding狀態(tài)；6.其他的冗余端口就處于阻塞狀態(tài)。

生成樹協(xié)議的工作過程switchAswitchCswitchB1、選舉根交換機（RootBridge）BPDUBPDUBPDUA為根交換機2、所有非根交換機選擇一條到達根交換機的最短路徑此為最短路徑此為最短路徑3、所有非根交換機產(chǎn)生一個根端口根端口4、每個LAN確定指定端口指定端口5、將所有根端口和指定端口設(shè)為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)6、將其他端口設(shè)為阻塞狀態(tài)路徑開銷

1、比較本交換機到達根交換機路徑開銷，選擇開銷最小路徑。

帶寬IEEE802.1dIEEE802.1w-------------------------------------10Mbps1002000000100Mbps192000001000Mbps420000STP的缺點

生成樹經(jīng)過一段時間（默認值是50秒左右）穩(wěn)定之后，所有端口要么進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，要么進入阻塞狀態(tài)。

20秒15秒15秒時間Blocking(阻塞)Listening(偵聽)Learning(學習)發(fā)送延遲Forwarding(發(fā)送)發(fā)送延遲端口狀態(tài)Blocking接收BPDU，不學習MAC地址，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀Listening接收BPDU,不學習MAC地址，不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，但交換機向其他交換機通告該端口，參與選舉根端口或指定端口Learning接收BPDU,學習MAC地址，以擴散flooding的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀F(xiàn)orwarding正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀快速生成樹協(xié)議RSTPIEEE802.1w快速生成樹協(xié)議RSTP(RapidSpannningTreeProtocol)IEEE802.1wRSTP協(xié)議在STP協(xié)議基礎(chǔ)上做了三點重要改進，使得收斂速度快得多（最快1秒以內(nèi)）。改進

第一點改進：為根端口和指定端口設(shè)置了快速切換用的替換端口（AlternatePort）和備份端口（BackupPort）兩種角色，當根端口/指定端口失效的情況下，替換端口/備份端口就會無時延地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。第二點改進：在只連接了兩個交換端口的點對點鏈路中，指定端口只需與下游交換機進行一次握手就可以無時延地進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。第三點改進：直接與終端相連而不是把其他交換機相連的端口定義為邊緣端口（EdgePort）。邊緣端口可以直接進入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，不需要任何延時。配置STP、RSTP打開、關(guān)閉SpanningTree協(xié)議Switch(config)#Spanning-tree如果您要關(guān)閉SpanningTree協(xié)議，可用nospanning-tree全局配置命令進行設(shè)置。

配置SpanningTree的類型Switch(config)#Spanning-treemodeSTPSwitch(config)#Spanning-treemodeRSTP配置交換機優(yōu)先級Switch(config)#spanning-treepriority<0-61440>(“0”或“4096”的倍數(shù)、共16個、缺省32768)

如果要恢復到缺省值，可用no

spanning-treepriority全局配置命令進行設(shè)置。STPport-prioritySwitch(config-if)#spanning-treeport-priority<0-240>(“0”或“16”的倍數(shù)、共16個、缺省128)如果要恢復到缺省值，可用nospanning-treeport-priority接口配置命令進行設(shè)置。STP、RSTP信息顯示SwitchA#showspanning-tree

！顯示交換機生成樹的狀態(tài)SwitchA#showspanning-treeinterfacefastthernet0/1

！顯示交換機接口STP基本配置f0/1f0/1switch1switch2f0/2f0/2Switch1(config)#interfacefastethernet0/1Switch1(config-if)#switchportmodetrunkSwitch1(config)#interfacefastethernet0/2Switch1(config-if)#switchportmodetrunkSwitch1(config)#spanning-tree(開啟生成樹協(xié)議)Switch1(config)#spanning-treepriority0（設(shè)置交換機優(yōu)先級別使其成為根交換機）Switch1(config)#spanning-treemodestp（確定生成樹協(xié)議的模式為STP）Switch2＃configSwitch2(config)#interfacefastethernet0/1Switch2(config-if)#switchportmodetrunkSwitch2(config)#interfacefastethernet0/2Switch2(config-if)#switchportmodetrunkSwitch2(config)#spanning-treeSwit