毕业论文-对于二层交换网络冗余技术的研究

对于二层交换网络冗余技术的研究目录：摘要:一．以太网交换机概述1.1交换机的概述及其分类1.1.1二层交换机的定义1.1.2三层交换机的定义1.2VLAN的定义1.3VLAN的应用1.4VLAN的优势1.4.1限制广播域1.4.2局域网的安全性1.4.3构建虚拟工作组二．交换机功能2.1交换机之间的支持方式和容错2.1.1链路聚合Trunking2.1.2链路冗余三STP的收敛过程及其特性3.1STP的定义及其原理3.2STP的收敛过程3.2.1STP四步初始化原则3.2.2生成树收敛的3个步骤3.3STP的高级特性3.3.1调整stp时间参数3.3.23个fast的含义PortFast、UplinkFast、BackbonFast四企业网络综合案例分析4.1需求分析4.1.1某校园网络需求4.1.2设计目标4.1.3分层设计原则4.1.4方案实施效果图4.1.5系统平台和应用平台4.1.6具体实施步骤五测试验收5.1安装调试5.2结果分析对于二层交换网络冗余技术的研究第一章对于以太网交换机的概述在现代网络设计中，通过使用以太网交换机可显着地提高整个用户网络的应用性能，现在很多家用型交换机的速度都达到了100Mbps，已经能够满足大部分用户的需求了。为此家用型交换机也愈来愈受到更多网络用户的青睐。交换机设备除了在速度上给网络用户带来优势外，还可以比传统的网络共享设备提供更多的功能。随着交换机市场竞争愈趋激烈，交换设备的价格也更能为用户所接受，目前家用型交换机已经迅速代替集线器，成为用户构造网络的首选产品。交换机与集线器的区别为了更深一步认识交换机，我们有必要先了解交换机与集线器的区别：如果我们把集线器看成是一条内置的以太网总线的话，家用型交换机则可以被视为多条总线——交换矩阵互连。从技术上来讲，交换机把每一个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上(至少比端口带宽高出一个数量级)，并与一个交换机相连，由端口丢进来的封装数据包经背板总线进入家用型交换机。并通过直通转发和存储并转发两种方式进行交换。另外，从使用效果上讲，交换机的性价比更高。以前家用型交换机价格较高是我们退而求次选择集线器的主要原因。随着近几年交换技术的不断发展，以太网交换机的价格急剧下降，时至今日，交换机的性价比已远远超过集线器。对于如今一个通信技术高速发展的世界，以太网交换机也正从神秘的机房走进千家万户。事实上很多家庭用的所谓路由器就是一个具有路由功能的L3层交换机。其实很多人都会对以太网这一概念产生疑问，现在我就来解释一下什么都是以太网交换机，以及相关的一些知识。所谓“以太网交换机”是指带宽在100Mbps以下的以太网所用交换机，其中有“快速以太网交换机”、“千兆以太网交换机”等。“10千兆以太网交换机”其实也是以太网交换机，只不过它们所采用的协议标准、或者传输介质不一样，当然其接口形式也可能不一样。以下就我总结和学习到的一些关于以太网一些产品的公有特性做一个分析：支持IEEE802.310Base-T、IEEE802.3u100Base-TX独特的LED指示灯结构：肩背式LED指示灯直观反映各端口状态支持自动协商功能（Auto-negotiation）支持全双工/半双工模式支持存储/转发机制支持广播风暴过滤功能支持流量控制功能支持无阻塞的全线速交换1.1交换机的概述及其分类交换机的英文名称为“Switch”，它是网络节点上话务承载装置、交换级、控制和信令设备以及其他功能单元的集合体。交换机能把用户线路、电信电路和(或)其他要互连的功能单元根据单个用户的请求连接起来。它是集线器的升级换代产品，从外观上来看，它与集线器基本上没有多大区别，都是带有多个端口的长方体。交换机是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。交换机的分类标准多种多样，常见的有以下几种：（一）根据网络覆盖范围分局域网交换机和广域网交换机。（二）根据传输介质和传输速度划分以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、10千兆以太网交换机、ATM交换机、FDDI交换机和令牌环交换机。（三）根据交换机应用网络层次划分企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机和工作组交换机、桌机型交换机。（四）根据交换机端口结构划分固定端口交换机和模块化交换机。（五）根据工作协议层划分第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。（六）根据是否支持网管功能划分网管型交换机和非网管理型交换机。1.1.1二层交换机的定义二层交换技术是发展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。具体的工作流程如下：（1）当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的（2）再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口（3）如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上（4）如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。1.1.2三层交换机的定义近年来的对三层技术的宣传，耳朵都能起茧子，到处都在喊三层技术，有人说这是个非常新的技术，也有人说，三层交换嘛，不就是路由器和二层交换机的堆叠，也没有什么新的玩意，事实果真如此吗？下面先来通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。组网比较简单，使用IP的设备A------------------------三层交换机------------------------使用IP的设备B。比如A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用子网掩码取得网络地址，判断目的IP是否与自己在同一网段。如果在同一网段，但不知道转发数据所需的MAC地址，A就发送一个ARP请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。如果目的IP地址显示不是同一网段的，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块，所以可见对于不是同一子网的数据，最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后的A到B的数据，就直接交由二层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。以上就是三层交换机工作过程的简单概括，可以看出三层交换的特点：（1）由硬件结合实现数据的高速转发。这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽，这些是三层交换机性能的两个重要参数（2）简洁的路由软件使路由过程简化。（3）大部分的数据转发，除了必要的路由选择交由路由软件处理，都是又二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。总结两者二层交换机用于小型的局域网络。这个就不用多言了，在小型局域网中，广播包影响不大，二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低谦价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门，地域等等因素划分成一个个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯的使用二层交换机不能实现网际互访；如单纯的使用路由器，由于接口数量有限和路由转发速度慢，将限制网络的速度和网络规模，采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。1.2VLAN的定义究竟什么是VLAN呢?VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。VLAN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟LAN，即VLAN），每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN有着相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理LAN网段。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，即使是两台计算机有着同样的网段，但是它们却没有相同的VLAN号，它们各自的广播流也不会相互转发,从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。1.3VLAN的应用VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLANID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。既然VLAN隔离了广播风暴，同时也隔离了各个不同的VLAN之间的通讯，所以不同的VLAN之间的通讯是需要有路由来完成的。1.4VLAN的优势1.4.1限制广播域。广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，提高了网络处理能力。1.4.2增强局域网的安全性。不同VLAN内的报文在传输时是相互隔离的，即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信，如果不同VLAN要进行通信，则需要通过路由器或三层交换机等三层设备。1.4.3灵活构建虚拟工作组。用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组，同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，网络构建和维护更方便灵活。二．交换机功能（一）基本功能（交换、认证、报文过滤）（1）IP包的转发实现方式，传统软件实现。优点：成本低，适用于小型局域网，为接入层位置的交换机档次。接入层QoS尚可。缺点：QoS一般，在汇聚层、核心层、大中型网络的接入层传统软件实现分配方式已经不能满足大容量数据流的吞吐需要。ASIC硬件转发引擎保证QoS。（2）认证（3）报文过滤（二）扩充功能（路由）（4）路由（网络层）：高级的ASIC硬件技术，提供远远高于传统路由器的性能，使它们非常适合网络带宽密集的应用，2.1交换机之间的支持方式和容错2.1.1链路聚合TrunkingTrunking是用来在不同的交换机之间进行连接，以保证在跨越多个交换机上建立的同一个VLAN的成员能够相互通讯。其中交换机之间互联用的端口就称为Trunk端口。trunk这个词是干线或者树干的意思，不过一般不翻译，直接用原文。与一般的交换机的级联不同，Trunking是基于OSI第二层的。假设没有Trunking技术，如果你在2个交换机上分别划分了多个VLAN（VLAN也是基于Layer2的），那么分别在两个交换机上的VLAN10和VLAN20的各自的成员如果要互通，就需要在A交换机上设为VLAN10的端口中取一个和交换机B上设为VLAN10的某个端口作级联连接。VLAN20也是这样。那么如果交换机上划了10个VLAN就需要分别连10条线作级联，端口效率就太低了。当交换机支持Trunking的时候，事情就简单了，只需要2个交换机之间有一条级联线，并将对应的端口设置为Trunk，这条线路就可以承载交换机上所有VLAN的信息。这样的话，就算交换机上设了1024个VLAN也只用1个端口就解决了。在Cisco的交换机上，还同时支持在EtherChannel方式下使用Trunking。例如当2或4条线路绑定成1个FastEtherChannel或者GigaEtherChannel时，只要将C