交换机原理与应用
一、基本以太网
1、以太网标准：
以太网是Ethernet的意思，过去使用的是十兆标准，现在是百兆到桌面，千兆做干线。
常见的标准有：
10BASE-2 细缆以太网
10BASE-5 粗缆以太网
10BASE-T 星型以太网
100BASE-T 快速以太网
1000BASE-T 千兆以太网
2、接线标准
星型以太网采用双绞线连接，双绞线是8芯，分四组，两芯一组绞在一起，故称双绞线。
8芯双绞线只用其中4芯：1、2、3、6。
常见接线方式有两种：
568B接线规范： 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕
1 2 3 4 5 6 7 8
568A接线规范： 白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕
1 2 3 4 5 6 7 8
将568B的1和3对调，2和6对调，就得到568A。
3、接线方法
两边采用相同的接线方式叫做平接，两边采用不同的接线方式叫扭接。
不同的设备之间连接，使用平接线；相同的设备连接使用扭接线。
电脑、路由器与集线器、交换机连接时使用平接线。
这是因为网线中的4条线，一对是输入，一对是输出，输入应该与输出对应。
如果将1和3连接，2和4连接，相当于自己的输出送给自己的输入。
这样可以使网卡进入工作状态，阻止空接口关闭，而影响有些程序的运行。
二、交换机原理与应用
1、冲突域和广播域
交换机是根据网桥的原理发展起来的，学习交换机先认识两个概念：
(1)冲突域：
冲突域是数据必然发送到的区域。
HUB是无智能的信号驱动器，有入必出，整个由HUB组成的网络是一个冲突域。
交换机的一个接口下的网络是一个冲突域，所以交换机可以隔离冲突域。
(2)广播域：
广播数据时可以发送到的区域是一个广播域。
交换机和集线器对广播帧是透明的，所以用交换机和HUB组成的网络是一个广播域。
路由器的一个接口下的网络是一个广播域。所以路由器可以隔离广播域。
2、交换机原理
(1)端口地址表
端口地址表记录了端口下包含主机的MAC地址。端口地址表是交换机上电后自动建立的，
保存在RAM中，并且自动维护。
交换机隔离广播域的原理是根据其端口地址表和转发决策决定的。
(2)转发决策
交换机的转发决策有三种操作：丢弃、转发和扩散。
丢弃：当本端口下的主机访问已知本端口下的主机时丢弃。
转发：当某端口下的主机访问已知某端口下的主机时转发。
扩散：当某端口下的主机访问未知端口下的主机时要扩散。
每个操作都要记录下发包端的MAC地址，以备其它主机的访问。
(3)成存期：
生成期是端口地址列表中表项的寿命。每个表项在建立后开始进行倒记时，每次发送
数据都要刷新记时。对于长期不发送数据主机，其MAC地址的表项在生成其结束时删除。
所以端口地地表记录的总是最活动的主机的MAC地址。
3、交换网络中的环
以太网是总线或星型结构，不能构成环路，否则会产两个严重后果：
(1)产生广播风暴，造成网络堵塞。
(2)克隆帧会在各个口出现，造成地址学习(记录帧源地址)混乱。
解决环路问题方案:
(1)网络在设计时，人为的避免产生环路。
(2)使用生成树STP(Spanning Tree Protocol)功能，将有环的网络剪成无环网络。
STP被IEEE802规范为802.1d标准。
生成树协议术语
(1)网桥协议数据单元：BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
BPDU是生成树协议交换机间通讯的数据单元，用于确定角色。
(2)网桥号：Bridge ID
交换机的标识号，它由优先级和MAC地址组成，优先级16位，MAC地址48位。
(3)根网桥：Root bridge
根网桥定义为网桥号最小的交换机，根网桥所有的端口都不会阻塞。
(4)根端口：Root port
非根网桥到根网桥累计路径花费最小的端口，负责本网桥与根网桥通讯的接口。
(5)指定网桥：Designated bridge
网络中到根网桥累计路径花费最小交换机，负责收发本网段数据。
(6)指定端口：Designated port
网络中到根网桥累计路径花费最小的交换机端口，根网桥每个端口都是指定端口。
(7)非指定端口：NonDesignated port
余下的端口是非指定端口，它们不参与数据的转发，也就是被阻塞的端口。
(根端口是从非根网桥选出，指定端口是网段中选出)。
生成树协议的状态：
生成树协议工作时，所有端口都要经过一个端口状态的建立过程。
生成树协议通过BPDU广播，确定各交换机及其端口的工作状态和角色，
交换机上的端口状态分别为：关闭、阻塞、侦听、学习和转发状态。
(1)关闭状态：Disabled 不收发任何报文，当接口空连接或人为关闭时处于关闭状态。
(2)阻塞状态：Blocking 在机器刚启动时，端口是阻塞状态(20秒)，但接收BPDU信息。
(3)侦听状态：listening 不接收用户数据(15秒)，收发BPDU，确定网桥及接口角色。
(4)学习状态：learning 不接收用户数据(15秒)，收发BPDU，进行地址学习。
(5)转发状态：Forwarding 开始收发用户数据，继续收发BPDU和地址学习,维护STP。
4、关于VLAN
VLAN(Virtual Lan)是虚拟逻辑网络，交换机通过VLAN设置，可以划分为多个逻辑网络，
从而隔离广播域。具有三层模块的交换机可以实现VLAN间的路由。
(1)端口模式
交换机端口有两种模式，access和trunk。access口用于与计算机相连，而交换机之间
的连接，应该是trunk。
交换机端口默认VLAN是VLAN1，工作在access模式。
Access口收发数据时，不含VLAN标识。具有相同VLAN号的端口在同一个广播域中。
Trunk口收发数据时，包含VLAN标识。Trunk又称为干线，可以设置允许多个VLAN通过。
(2)VLAN中继协议：
VLAN中继协议有两种：
ISL(Inter-Switch Link)： ISL是Cisco专用的VLAN中继协议。
802.1q(dot1q)：802.1q是标准化的，应用较为普遍。
(3)VTP
VTP(Vlan Trunking Protocol)是VLAN传输协议，在含有多个交换机的网络中，可以
将中心交换机的VLAN信息发送到下级的交换机中。
中心交换机设置为VTP Server，下级交换机设置为VTP Client。
VTP Client要能学习到VTP Server的VLAN信息，要求在同一个VTP域，并要口令相同。
(4)VLAN共享
如果要求某个VLAN与其他VLAN访问，可以设置VLAN共享或主附VLAN。
共享模式的VLAN端口，可以成为多个VLAN的成员或同时属于多个VLAN。
在主附VLAN结构中，子VLAN与主VLAN可以相互访问，子VLAN间的端口不能互相访问。
一般的VLAN间使用不同网络地址；主附VLAN中主VLAN和子VLAN使用同一个网络地址。
5、交换机和路由器的口令恢复:
(1)交换机的口令恢复:
交换机的口令恢复的操作是先启动超级终端，在交换机上电时按住的mode键.
几秒后松手，进入ROM状态，将nvram中的配置文件config.txt改名或删除，再重启。
参考命令为：
switch:rename flash:config.text flash:config.bak
switch:erase flash:config.text
(2)路由器的口令恢复:
路由器的口令恢复操作先启动超级终端，在路由器上电时按计算机的Ctrl+Break键，
进入ROM监控状态rommon>，用配置寄存器命令confreg设置参数值0x2142，跳过配置文件
设置口令后再还原为0x2102。
参考命令为：
rommon>confreg 0x2142
router(config)#config-register 0x2102
没有特权口令无法进入特权状态，只能进入ROM监控状态，使用confreg 0x2142命令。
当口令修改完后，可以在特权模式下恢复为使用配置文件状态。
三、三层交换的概念
1、交换机是链路层设备，使用MAC地址，完成对帧的操作。
交换机的IP地址做管理用，交换机的IP地址实际是VALN的IP。
一个VLAN一个广播域，不同VLAN的主机间访问，相当于网络间的访问，要通过路由实现。
不同VLAN间主机的访问有以下几种情况：
(1)两个VLAN分别接入路由器的两个物理接口。这是路由器的基本应用。
(2)两个VLAN通过trunk接入路由器的一个物理接口，这是应用于子接口的单臂路由。
(3)使用具有三层交换模块的交换机。Cisco的3550和华为的3526都是基本的三层交换机。
1)通过VLAN的IP地址做网关，实现三层交换，要求设置VLAN的IP地址。
2)将端口设置在三层工作，要求端口设置no switchport，再设置端口的IP地址。
2、交换机的通道技术
交换机通道技术是将交换机的几个端口捆绑使用，即端口的聚合。
使用通道技术一个方面提高了带宽，同时提高了线路的可靠性。
但是如果设置不当，有可能产生环路，造成广播风暴堵塞网络。
要聚合的端口要划分到指定的VLAN或trunk。
配置三层通道时，先要进入通道，再用no switchport命令关闭二层，设置通道IP地址。
一个通道一般小于8个接口，接口参数应该一致，如工作模式、封装的协议、端口类型。
3、端口协商方式
端口的聚合有两种方式，一种是手动的方式，一个是自动协商的方式。
手动的方式很简单，设置端口成员链路两端的模式为“on”。命令格式为：
channel-group <number> mode on
自动方式有两种类型：
PAgP(Port Aggregation Protocol)和LACP(Link aggregation Control Protocol)。
PAgP：Cisco设备的端口聚合协议，有auto和desirable两种模式。
auto模式在协商中只收不发，desirable模式的端口收发协商的数据包。
LACP：标准的端口聚合协议802.3ad，有active和passive两种模式。
active相当于PAgP的auto，而passive相当于PAgP的desirable。
4、通道端口间的负载平衡
通道端口间的负载平衡有两种方式，基于源MAC的转发和基于目的MAC的转发。
scr-mac：源MAC地址相同的数据帧使用同一个端口转发。
dst-mac：目的MAC地址相同的数据帧使用同一个端口转发。
路由器原理与应用
一、路由的基本概念
路由器的网络层的设备，负责IP数据包的路由选择和转发。
1、路由类型
路由的类型有：直连路由、静态路由、默认路由和动态路由。
直连路由是与路由器直接相联网络的路由，路由器有对直连网络有转发能力。
静态路由是管理员人为设置的路由，网络开支小，可以有效的改善网络状况。
默认路由是静态路由的一个特例，将路由表不能匹配的数据包送默认路由。一般在最后。
动态路由是路由协议自动建立和管理的路由，常见动态路由协议有：
RIP(Routing Information Protocol) 、
IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)、
EIGRP(Enhance Interior Gateway Routing Protocol)、
OSPF(Open Shortest Path First)、
BGP(Backbone Getway Protocol)
上述路由协议称为routing protocol，而IP、IPX称为可路由的协议routed protocol。
也有一些协议是不可路由的，如NetBEUI协议。
2、路由算法
路由算法常见的有三种类型：
距离矢量D-V(Distance-Vector) 算法，如：RIP、IGRP、BGP；
链路状态L-S(Link State)算法，如：OSPF、IS-IS；
混合算法，如：Cisco的EIGRP。
3、路由交换范围
路由器通过交换信息建立路由表，当网络结构变化时，路由表能自动维护。
路由表跟随网络结构变化过程称为收俭。为了减少收俭过程引起的网络动荡，要考滤
路由交换范围。
RIP协议通过network命令指定，例如：设置10.0.0.0网络的接口参与路由信息交换
router(config-router)network 10.0.0.0
ospf协议通过network命令指定，例如：设置10.65.1.1 接口参与路由交换
router(config-router)network 10.65.1.1 0.0.0.0 area 0
area是网络管理员在自治系统(国际机构分配)AS(Autonomous System)内部划分的区域。
0.0.0.0是匹配码，0表示要求匹配，1表示不关心。
4、路由表
路由表(Routing Table)是路由器中路由项的集合，是路由器进行路径选择的依据，
每条路由项包括：目的网络和下一跳，还有优先级，花费等。
路由优先匹配原则：
(1)直接路由：直连的网络优先级最高。
(2)静态路由：优先级可设，一般高于动态路由。
(3)动态路由：相同花费时，长掩码的子网优先。
(4)默认路由：最后有一条默认路由，否则数据包丢弃。
二、RIP路由协议
1、RIP协议的认识
RIP(Routing Information Protocol)协议是采用D-V(Distance-Vector)算法的距离矢量
协议；
根据跳数(Hop Count)来决定最佳路径。最大跳数为16，限制了网络的范围。
单独以跳数作为距离或花费，在有些情况下是不合理的，因为跳数少不一定是最佳路径；
实际上带宽和可靠性也是重要的因素。有时需要管理员修改花费值。
RIP有两个版本，RIP-1 和RIP-2。
RIP-1：采用广播方式发送报文。不支持子网路由。
RIP-2：支持多播方式、子网路由和路由的聚合。
2、路由表的维护
通过UDP协议每隔30秒发送路由交换信息，从而确定邻居的存在。
若180秒还没有收到某相邻结点路由信息，标记为此路不可达。
若再120秒后还没有收到路由信息，则删除该条路由。
当网络结构变化时，要更新路由表，这个过程称为收敛(Convergence)。
RIP标记一条路由不可达要经过3分钟，收敛过程较慢。
路由表是在内存当中的，路由器上电时初始化路由表，对每个直接网络生成一条路由。
同时复制相邻路由器的路由表，复制过程中跳数加1，且下一跳指向该路由器。
若去往某网络的下一跳是RouteA，若RouteA去该网络的路由没有了，则删除这一路由。
跳数是到达目的网络所经过的路由器数目，直接网络的跳数是0，且有最高的优先级。
3、路由环路：
矢量路由的一个弱点就是可能产生路由环路，产生路由环路的原因有两种，
一是静态路由设置的不合理，再一是动态路由定时广播产生的误会。
先看静态路由设置不合理的情况：
设两个路由器RouterA和RouterB，其路由表中各有一条去往相同目的网络的静态路由，
但下一跳彼此指向对方，形成环路。
再看动态路由造成的情况：
假设某路由器RouterA通过RouterB至网络neta，
但RouteB到neta不可达了，且RouterB的广播路由比RouterA先来到，
RouterB去neta不可达，但RouterA中有去往neta路由，且下一跳是RouterB，
这时RouteB就会从RouterA那里学习该路由，将去往neta的指向RouterA，跳数加1。
去neta的路由原本是RouterB传给RouterA的，现RouterB却从RouterA学习该路由，
显然是不对的，但这一现象还会继续，
RouterA去neta网络的下一路是RouterB，当RouterB的跳数加1的时候，RouterA将再加1。
周而复反形成环路，直至路由达到最大值16。
4、解决路由环路的办法
(1) 规定最大跳数
RIP规定了最大跳数为16，跳数等于16时视为不可达，从而阻止环跳进行。
(2) 水平分割
水平分割是过滤掉发送给原发者的路由信息。具体路由信息单向传送。
(3) 毒性逆转
水平分割的改进，收到原是自己发出的路由信息时，将这条信息跳数置成16，即毒化。
(4) 触发方式
一旦发现网络变化，不等呼叫，立即发送更新信息，迅速通知相邻路由器，防止误传。
(5) 抑制时间
在收到路由变化信息后，启动抑制时间，此时间内变化项被冻结，防止被错误地覆盖。
三、OSPF路由协议
1、OSPF的特点
OSPF(Open Shortest Path First)开放式最短路径优先协议，
使用L-S(Link State)算法的链路状态路由协议，路由算法复杂，适合大型网络，
网络拓扑结构变化时，采用触发方式，组播更新，收敛快，要求更高的内存和CPU资源。
LSA(Link State Advertisement)链路状态通告是以本路由器为根的最小路径优先树。
LSDB(Link State DataBase)链路状态数据库，这是各个路由器的LSA的集合。
每个路由器的LSA是不同的，但他们的集合LSDB是相同的。
D-V算法只考虑下一跳，没有全局的概念，交给下一跳就完成任务，所以容易产生环路。
L-S算法每个路由器可以根据网络整体结构决定路径，所以不会产生环。
2、指定路由器与路由器标识
指定路由器DR(Dezignated Router)是ospf路由交换的中心，数据通过DR进行交换。
在路由器群组中优先级(Router Priority)值最高的为DR，次高的为备份指定路由器BDR。
管理员可以通过设置优先级指定DB和BDR。优先级相同时，比较 router id。
如果没有设置Router id，则以回环接口loopback ip值高的为DR，
如果loopback ip 没有设置，取接口的IP地址中最高的为DR。
3、建立路由表
(1)Hello报文
Hello报文用于发现新邻居问候老邻居，选举指定路由器DR和BDR。
(2)DD报文(Database Description Packet)
DD报文用LSA头head信息表示LSA的变化情况，将其发送给DR，DR再发给其它路由器。
(3)LSR报文(Link State Request Packet)
LSR是请求更新包，当LSDB需要更新时，将其发送给DR，点对点连接时直接同步LSDB。
(4)LSU报文(Link State Update Packet)
DR用多播Multicast地址224.0.0.6收，224.0.0.5发，同步整个区域的LSDB。
(5)确认后计算路由：
LSDB同步后，计算cost花费，考虑跳数、带宽、可靠性等综合因素求解最佳路径。
4、单区域OSPF配置
单区域OSPF配置是指运行OSPF协议的路由器在同一个区域area n，
对于只有一个区域的网络，区域号是任意的，一般设置为0。
单区域OSPF有三种连接情况：
点对点的连接(Point to point)、
广播方式的连接(Broadcast Multi Access Network)、
非广播方式多点连接(Non Multi Access Network)。
点对点连接结构最简单，可靠性高，工作稳定；
以太网连接是典型的广播方式的连接；
帧中继连接是属于的非广播方式多点连接类型。
5、多区域OSPF的设置
多区域中要求有一个是骨干区域area 0，边界路由器跨接两个区域。
多区域的区域内部按单区域设置，多区域间通过边界路由器的连接。
stub是末节区域，末节区域不接收ospf以外的路由信息，
如果路由器想去往区域以外网络，要使用默认路由。
只有多区域中才存在末节区域。末节区域要设置在边界路由器上。
作为企业可以将分支区域设置为末节区域，
分支区域不需要知道总部网络的细节，却能够通过缺省路由到达那里。
四、访问控制列表
1、访问控制列表类型与作用
访问控制列表是对通过路由器的数据包进行过滤。
过滤是根据IP数据包的5个要素：
源IP地址、目的IP地址、协议号、源端口、目的进行的。
访问控制列表有两类，标准访问控制例表和扩展的访问控制列表。
标准访问列表：
标准访问列表的列表号为1~99，只对源IP地址进行访问控制。
扩展访问列表：
扩展访问列表的列表号为100~199，可以对源和目的地址、协议、端口号进行访问控制。
2、访问控制列表的结构
分三步：
定义一个ACL：access-list <number> <permit|deny> <sourceIP wild|any>
进入指定接口：interface <interface>
绑定指定ACL：ip access-group <number> [in|out]
3、访问控制列表匹配原则
访问控制列表默认的是deny any。
一般是逐行匹配，也可以设置深度匹配。
所以写访问控制列表一般是从小的范围向大的范围，成为梯形结构。
一般在访问控制表的最后一行要写permit any。
4、命名方式的访问控制列表
命名方式是用名称代替列表号，便于记忆，扩展了条目数量，可以是基本型或扩展型。
命令方式ACL语法有些变化，支持删除一个列表中的某个语句。
命名语法格式：
router(config)#ip access-list {standard|extended} name
router(config std nacl)#{deny|permit}]<S_ip><S_Wild>
router(config ext nacl)#
{deny|permit}[protocol]<S_ip><S_Wild><D_ip><D_Wild>[op]
第一行是定义命名方式访问控制列表类型：标准或扩展。
第二行是标准命名方式的访问控制列表的语法格式。
第三行是扩展命令方式的访问控制列表的语法格式。
五、地址转换NAT
1、NAT的认识
NAT(Network Address Translate)是地址转换操作。
NAT可以将局网中的私有IP转换成公有IP，解决了内部网络访问internet的问题。
NAT可以做负载均衡，将内部多个服务器对外映射成一台服务器。
定义：
Inside local address: 内部网的私有IP。
Inside global address: 内部网的公有IP。
Outside global address: 互联网中的公有IP。
Outside local address: 互联网中的公有IP对应的私有IP。
NAT可分为原地址变换SNAT和目的地址变换DNAT。
按工作方式划分，可分为静态NAT和动态NAT。
SNAT命令中使用source参数，DNAT命令中使用destination参数。
(对已连接的返回包可自动对应)
2、静态NAT
静态NAT是在指定接口上，对数据包的原IP或目的IP进行一对一的转换。
常用于将某个私有IP固定的映射成为一个公有IP。
语法：
Router(config)#ip nat inside source static <ipa> <ipb>
在指定接口inside中对数据包的原地址进行变换，一般ipa是私网IP，ipb是公网IP。
3、动态NAT
动态NAT一般用于将局域网中的多个私有IP从公有IP地址池中提取公有IP对外访问。
设内部局域网是：10.66.0.0，公网IP地址池为：60.1.1.1~60.1.1.8
当内部网络要访问internet时，从公网IP地址池中提取公网IP对外访问。
语法：
定义地址池p1：
Router(config)#ip nat pool p1 60.1.1.1 60.1.1.8 netmask 255.255.255.0
定义访问控制列表1：
Router(config)#access-list 1 permit 10.66.0.0 0.0.255.255
将访问控制列表1的源地址，动态的从公网IP地址池p1的提取公网IP:
Router(config)#ip nat inside source list 1 pool p1
4、PAT
PAT(Port Address Translate)是端口地址转换，将私有IP转换到公网IP的不同端口上。
PAT是原将动态nat地址池pool改为用接口，并使用参数overload。属于动态NAT。
语法：
Router(config)#access-list 2 permit 10.66.0.0 0.0.255.255
Router(config)#ip nat inside source list 2 interface s0/0 overload
5、基于NAT的负载均衡
NAT可以实现负载均衡。
一般的NAT都是将内部私有IP转换为公网IP，连接方向从内部向外。
而对于负载均衡是将一个公网IP翻译成多个内部私有IP，连接访问从外向内。
例如：
内部的www服务负载过重，可将多台同样的服务器，但对外映射成一个IP地址，
内部的多台服务器成为捆绑在一起构成虚拟服务器，外部访问这个虚拟服务器时，
路由器轮流指向各台服务器，从而达到负载均衡。
语法：
定义地址池p2，使用rotary参数轮循。
ra(config)#ip nat pool p2 10.1.1.2 10.1.1.4 netmask 255.255.255.0 type rotary
ra(config)#access-list 1 permit 60.1.1.1
ra(config)#ip nat inside destination list 1 pool p2
在指定接口inside中建立list 2与pool p2的对应关系。Destination表示转换目的地址。
6、基于服务的NAT
基于服务的NAT配置，细化了NAT的应用，转换可以具体到协议和端口，即指定的服务上。
例如:
对内网的虚拟服务器(使用一个公网IP)的访问：
当访问TCP 20端口时就将它转到内部ftp服务上。
当访问TCP 21端口时也将它转到内部ftp服务上。
当访问TCP 80端口时就将它转换到内部的www服务器上。
语法：
Router(config)#ip nat inside source static tcp 10.65.1.2 20 60.1.1.1 20
Router(config)#ip nat inside source static tcp 10.65.1.2 21 60.1.1.1 21
Router(config)#ip nat inside source static tcp 10.65.1.3 80 60.1.1.1 80