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交换机与VLAN：办公室组网也太复杂了吧！



拓扑结构是怎么形成的?

我们常见到的办公室大多是一排排的桌子，每个桌子都有网口，一排十几个座位就有十几个网口，一个楼层就会有几十个甚至上百个网口。如果算上所有楼层，这个场景自然比你宿舍里的复杂多了。具体哪里复杂呢?我来给你具体讲解。



首先，这个时候，一个交换机肯定不够用，需要多台交换机，交换机之间连接起来，就形成一个稍微复杂的拓扑结构。

我们先来看两台交换机的情形。两台交换机连接着三个局域网，每个局域网上都有多台机器。如果机器 1 只知道机器 4 的 IP 地址，当它想要访问机器 4，把包发出去的时候，它必须要知道机器 4 的 MAC 地址。

于是机器1发起广播，机器2收到这个广播，但是这不是找它的，所以没它什么事。交换机 A 一开始是不知道任何拓扑信息的，在它收到这个广播后，采取的策略是，除了广播包来的方向外，它还要转发给其他所有的网口。于是机器 3 也收到广播信息了，但是这和它也没什么关系。

当然，交换机 B 也是能够收到广播信息的，但是这时候它也是不知道任何拓扑信息的，因而也是进行广播的策略，将包转发到局域网三。这个时候，机器 4 和机器 5 都收到了广播信息。机器 4 主动响应说，这是找我的，这是我的 MAC 地址。于是一个 ARP 请求就成功完成了。

在上面的过程中，交换机 A 和交换机 B 都是能够学习到这样的信息：机器 1 是在左边这个网口的。当了解到这些拓扑信息之后，情况就好转起来。


当机器 2 要访问机器 1 的时候，机器 2 并不知道机器 1 的 MAC 地址，所以机器 2 会发起一个 ARP 请求。

这个广播消息会到达机器 1，也同时会到达交换机 A。这个时候交换机 A 已经知道机器 1 是不可能在右边的网口的，所以这个广播信息就不会广播到局域网二和局域网三。


当机器 3 要访问机器 1 的时候，也需要发起一个广播的 ARP 请求。

这个时候交换机 A 和交换机 B 都能够收到这个广播请求。交换机 A 当然知道主机 A 是在左边这个网口的，所以会把广播消息转发到局域网一。

同时，交换机 B 收到这个广播消息之后，由于它知道机器 1 是不在右边这个网口的，所以不会将消息广播到局域网三。


如何解决常见的环路问题?

这样看起来，两台交换机工作得非常好。随着办公室越来越大，交换机数目肯定越来越多。当整个拓扑结构复杂了，这么多网线，绕过来绕过去，不可避免地会出现一些意料不到的情况。其中常见的问题就是环路问题。

例如这个图，当两个交换机将两个局域网同时连接起来的时候。你可能会觉得，这样反而有了高可用性。但是却不幸地出现了环路。出现了环路会有什么结果呢?

我们来想象一下机器 1 访问机器 2 的过程。一开始，机器 1 并不知道机器 2 的 MAC 地址，所以它需要发起一个 ARP 的广播。广播到达机器 2，机器 2 会把 MAC 地址返回来，看起来没有这两个交换机什么事情。

但是问题来了，这两个交换机还是都能够收到广播包的。


交换机 A 一开始是不知道机器 2 在哪个局域网的，所以它会把广播消息放到局域网二，在局域网二广播的时候，交换机 B 右边这个网口也是能够收到广播消息的。

交换机 B 会将这个广播息信息发送到局域网一。局域网一的这个广播消息，又会到达交换机 A 左边的这个接口。

交换机 A 这个时候还是不知道机器 2 在哪个局域网，于是将广播包又转发到局域网二。左转左转左转，好像是个圈哦。

可能有人会说，当两台交换机都能够逐渐学习到拓扑结构之后，是不是就可以了?


别想了，压根儿学不会的。机器 1 的广播包到达交换机 A 和交换机 B 的时候，本来两个交换机都学会了机器 1 是在局域网一的，但是当交换机 A 将包广播到局域网二之后，交换机 B 右边的网口收到了来自交换机 A 的广播包。

根据学习机制，这彻底损坏了交换机 B 的三观，刚才机器 1 还在左边的网口呢，怎么又出现在右边的网口呢?哦，那肯定是机器 1 换位置了，于是就误会了，交换机 B 就学会了，机器 1 是从右边这个网口来的，把刚才学习的那一条清理掉。同理，交换机 A 右边的网口，也能收到交换机 B 转发过来的广播包，同样也误会了，于是也学会了，机器 1 从右边的网口来，不是从左边的网口来。

然而当广播包从左边的局域网一广播的时候，两个交换机再次刷新三观，原来机器 1 是在左边的，过一会儿，又发现不对，是在右边的，过一会，又发现不对，是在左边的。

这还是一个包转来转去，每台机器都会发广播包，交换机转发也会复制广播包，当广播包越来越多的时候，

按照上一节讲过一个共享道路的算法，也就是路会越来越堵，最后谁也别想走。所以，必须有一个方法解决环路的问题，怎么破除环路呢?


STP 协议中那些难以理解的概念

在数据结构中，有一个方法叫作最小生成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作STP，全称Spanning Tree Protocol。

STP 协议比较复杂，一开始很难看懂，但是其实这是一场血雨腥风的武林比武或者华山论剑，最终决出五岳盟主的方式。

在 STP 协议里面有很多概念，译名就非常拗口，但是我一作比喻，你很容易就明白了。

  • Root Bridge，也就是根交换机。这个比较容易理解，可以比喻为“掌门”交换机，是某棵树的老大，是掌门，最大的大哥。

  • Designated Bridges，有的翻译为指定交换机。这个比较难理解，可以想像成一个“小弟”，对于树来说，就是一棵树的树枝。所谓“指定”的意思是，我拜谁做大哥，其他交换机通过这个交换机到达根交换机，也就相当于拜他做了大哥。这里注意是树枝，不是叶子，因为叶子往往是主机。

  • Bridge Protocol Data Units (BPDU) ，网桥协议数据单元。可以比喻为“相互比较实力”的协议。行走江湖，比的就是武功，拼的就是实力。当两个交换机碰见的时候，也就是相连的时候，就需要互相比一比内力了。BPDU 只有掌门能发，已经隶属于某个掌门的交换机只能传达掌门的指示。

  • Priority Vector，优先级向量。可以比喻为实力 (值越小越牛)。实力是啥?就是一组 ID 数目，[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, and Port ID]。为什么这样设计呢?这是因为要看怎么来比实力。

先看 Root Bridge ID。拿出老大的 ID 看看，发现掌门一样，那就是师兄弟;再比 Root Path Cost，也即我距离我的老大的距离，也就是拿和掌门关系比，看同一个门派内谁和老大关系铁;最后比 Bridge ID，比我自己的 ID，拿自己的本事比。


STP 的工作过程是怎样的?

接下来，我们来看 STP 的工作过程。

一开始，江湖纷争，异常混乱。大家都觉得自己是掌门，谁也不服谁。于是，所有的交换机都认为自己是掌门，每个网桥都被分配了一个 ID。这个 ID 里有管理员分配的优先级，当然网络管理员知道哪些交换机贵，哪些交换机好，就会给它们分配高的优先级。这种交换机生下来武功就很高，起步就是乔峰。

既然都是掌门，互相都连着网线，就互相发送 BPDU 来比功夫呗。这一比就发现，有人是岳不群，有人是封不平，赢的接着当掌门，输的就只好做小弟了。当掌门的还会继续发 BPDU，而输的人就没有机会了。它们只有在收到掌门发的 BPDU 的时候，转发一下，表示服从命令。

数字表示优先级。就像这个图，5 和 6 碰见了，6 的优先级低，所以乖乖做小弟。于是一个小门派形成，5 是掌门，6 是小弟。其他诸如 1-7、2-8、3-4 这样的小门派，也诞生了。于是江湖出现了很多小的门派，小的门派，接着合并。

合并的过程会出现以下四种情形，我分别来介绍。


情形一：掌门遇到掌门

当 5 碰到了 1，掌门碰见掌门，1 觉得自己是掌门，5 也刚刚跟别人 PK 完成为掌门。这俩掌门比较功夫，最终 1 胜出。于是输掉的掌门 5 就会率领所有的小弟归顺。结果就是 1 成为大掌门。

情形二：同门相遇

同门相遇可以是掌门与自己的小弟相遇，这说明存在“环”了。这个小弟已经通过其他门路拜在你门下，结果你还不认识，就 PK 了一把。结果掌门发现这个小弟功夫不错，不应该级别这么低，就把它招到门下亲自带，那这个小弟就相当于升职了。

我们再来看，假如 1 和 6 相遇。6 原来就拜在 1 的门下，只不过 6 的上司是 5，5 的上司是 1。1 发现，6 距离我才只有 2，比从 5 这里过来的 5(=4+1)近多了，那 6 就直接汇报给我吧。于是，5 和 6 分别汇报给 1。

同门相遇还可以是小弟相遇。这个时候就要比较谁和掌门的关系近，当然近的当大哥。刚才 5 和 6 同时汇报给 1 了，后来 5 和 6 再比较功夫的时候发现，5 你直接汇报给 1 距离是 4，如果 5 汇报给 6 再汇报给 1，距离只有 2+1=3，所以 5 干脆拜 6 为上司。

情形三：掌门与其他帮派小弟相遇

小弟拿本帮掌门和这个掌门比较，赢了，这个掌门拜入门来。输了，会拜入新掌门，并且逐渐拉拢和自己连接的兄弟，一起弃暗投明。

例如，2 和 7 相遇，虽然 7 是小弟，2 是掌门。就个人武功而言，2 比 7 强，但是 7 的掌门是 1，比 2 牛，所以没办法，2 要拜入 7 的门派，并且连同自己的小弟都一起拜入。

情形四：不同门小弟相遇

各自拿掌门比较，输了的拜入赢的门派，并且逐渐将与自己连接的兄弟弃暗投明。

例如，5 和 4 相遇。虽然 4 的武功好于 5，但是 5 的掌门是 1，比 4 牛，于是 4 拜入 5 的门派。后来当 3 和 4 相遇的时候，3 发现 4 已经叛变了，4 说我现在老大是 1，比你牛，要不你也来吧，于是 3 也拜入 1。

最终，生成一棵树，武林一统，天下太平。但是天下大势，分久必合，合久必分，天下统一久了，也会有相应的问题。

如何解决广播问题和安全问题?

毕竟机器多了，交换机也多了，就算交换机比 Hub 智能一些，但是还是难免有广播的问题，一大波机器，相关的部门、不相关的部门，广播一大堆，性能就下来了。

就像一家公司，创业的时候，一二十个人，坐在一个会议室，有事情大家讨论一下，非常方便。但是如果变成了 50 个人，全在一个会议室里面吵吵，就会乱的不得了。

你们公司有不同的部门，有的部门需要保密的，比如人事部门，肯定要讨论升职加薪的事儿。

由于在同一个广播域里面，很多包都会在一个局域网里面飘啊飘，碰到了一个会抓包的程序员，就能抓到这些包，如果没有加密，就能看到这些敏感信息了。

还是上面的例子，50 个人在一个会议室里面七嘴八舌的讨论，其中有两个 HR，那他们讨论的问题，肯定被其他人偷偷听走了。

那咋办，分部门，分会议室呗。那我们就来看看怎么分。

有两种分的方法，一个是物理隔离。每个部门设一个单独的会议室，对应到网络方面，就是每个部门有单独的交换机，配置单独的子网，这样部门之间的沟通就需要路由器了。路由器咱们还没讲到，以后再说。

这样的问题在于，有的部门人多，有的部门人少。人少的部门慢慢人会变多，人多的部门也可能人越变越少。如果每个部门有单独的交换机，口多了浪费，少了又不够用。

另外一种方式是虚拟隔离，就是用我们常说的VLAN，或者叫虚拟局域网。使用 VLAN，一个交换机上会连属于多个局域网的机器，那交换机怎么区分哪个机器属于哪个局域网呢?

我们只需要在原来的二层的头上加一个 TAG，里面有一个 VLAN ID，一共 12 位。为什么是 12 位呢?因为 12 位可以划分 4096 个 VLAN。这样是不是还不够啊。现在的情况证明，目前云计算厂商里面绝对不止 4096 个用户。当然每个用户需要一个 VLAN 了啊，怎么办呢，这个我们在后面的章节再说。

如果我们买的交换机是支持 VLAN 的，当这个交换机把二层的头取下来的时候，就能够识别这个 VLAN ID。这样只有相同 VLAN 的包，才会互相转发，不同 VLAN 的包，是看不到的。这样广播问题和安全问题就都能够解决了。



我们可以设置交换机每个口所属的 VLAN。

如果某个口坐的是程序员，他们属于 VLAN 10;如果某个口坐的是人事，他们属于 VLAN 20;如果某个口坐的是财务，他们属于 VLAN 30。

这样，财务发的包，交换机只会转发到 VLAN 30 的口上。程序员啊，你就监听 VLAN 10 吧，里面除了代码，啥都没有。

而且对于交换机来讲，每个 VLAN 的口都是可以重新设置的。一个财务走了，把他所在的作为的口从 VLAN 30 移除掉，来了一个程序员，坐在财务的位置上，就把这个口设置为 VLAN 10，十分灵活。

有人会问交换机之间怎么连接呢?将两个交换机连接起来的口应该设置成什么 VLAN 呢?对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。

好了，解决这么多交换机连接在一起的问题，办公室的问题似乎搞定了。然而这只是一般复杂的场景，因为你能接触到的网络，到目前为止，不管是你的台式机，还是笔记本所连接的网络，对于带宽、高可用等都要求不高。就算出了问题，一会儿上不了网，也不会有什么大事。

我们在宿舍、学校或者办公室，经常会访问一些网站，这些网站似乎永远不会“挂掉”。那是因为这些网站都生活在一个叫做数据中心的地方，那里的网络世界更加复杂。在后面的章节，我会为你详细讲解。

小结

好了，这节就到这里，我们这里来总结一下：

  • 当交换机的数目越来越多的时候，会遭遇环路问题，让网络包迷路，这就需要使用 STP 协议，通过华山论剑比武的方式，将有环路的图变成没有环路的树，从而解决环路问题。

  • 交换机数目多会面临隔离问题，可以通过 VLAN 形成虚拟局域网，从而解决广播问题和安全问题。






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