交換機工作原理及登錄方式的特點和配置

摘要：文章闡述了交換機工作原理，包括地址學習、數(shù)據(jù)轉發(fā)和過濾以及環(huán)路避免機制，并深入分析了Console口、Telnet、SSH、SNMP和Web網(wǎng)管五種登錄方式的具體操作步驟、安全性和適用場景。 該研究有助于網(wǎng)絡管理員和技術人員更有效地管理和維護網(wǎng)絡設備，增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。

關鍵詞：交換機；登錄方式；Telnet；MAC地址；生成樹協(xié)議；網(wǎng)絡安全

中圖分類號：TP3" "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）12-0061-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著信息技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡已成為現(xiàn)代社會不可或缺的基礎設施。在這個龐大的網(wǎng)絡體系中，交換機作為連接網(wǎng)絡設備的核心設備，其重要性不言而喻。交換機不僅負責數(shù)據(jù)轉發(fā)和通信，還具備多種功能特性，能夠顯著提高網(wǎng)絡性能和安全性，是構建高效、可靠局域網(wǎng)的關鍵組件。與集線器相比，交換機能夠識別每個連接設備的MAC地址，并根據(jù)這些地址進行數(shù)據(jù)傳輸，避免了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的廣播和碰撞，從而顯著提高了網(wǎng)絡通信效率。這種高效的傳輸方式對于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和實時通信的應用場景來說至關重要，如企業(yè)辦公、數(shù)據(jù)中心、視頻會議等。

掌握交換機的登錄方式對于網(wǎng)絡管理員來說至關重要。通過登錄交換機，網(wǎng)絡管理員可以對其進行配置和管理，如設置VLAN、配置鏈路聚合、調整QoS策略等。其次，通過登錄交換機進行監(jiān)控和故障排查，網(wǎng)絡管理員可以及時發(fā)現(xiàn)并解決網(wǎng)絡問題。交換機提供了豐富的狀態(tài)信息和日志記錄功能，網(wǎng)絡管理員可以通過登錄交換機查看這些信息，了解網(wǎng)絡的運行狀態(tài)和故障情況。這有助于網(wǎng)絡管理員快速定位問題并采取相應措施進行解決。這些配置和管理操作對于優(yōu)化網(wǎng)絡性能和提高安全性具有重要意義。了解交換機的工作原理和掌握不同的登錄方式，對于網(wǎng)絡管理員和技術人員來說至關重要。本文將對交換機的工作原理和登錄方式進行深入探討，為讀者提供全面的知識和實用的操作指南。

1 交換機工作原理

1.1 基本概念

交換機是一種網(wǎng)絡通信設備，它的作用是進行電子或光學信號的轉換。它工作在OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)） 模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，即第二層。它能夠為連接到交換機的兩端網(wǎng)絡節(jié)點提供一條獨立的信號傳遞通道，以此顯著提升網(wǎng)絡傳輸?shù)男逝c穩(wěn)定性[1-2]。

1.2 工作過程

交換設備中央處理單元在各端口建立連接之后，會主動獲取并登記接入各端口的終端MAC地址，將之與相應端口匹配，構建一張MAC地址清單。這份清單會持續(xù)實時刷新，以便追蹤網(wǎng)絡設備的MAC地址與相連的交換機口的匹配狀況。具體過程如下：交換設備在收到數(shù)據(jù)幀的那一刻，會解析出該數(shù)據(jù)幀中的源 MAC 地址信息，并且在內部的MAC地址表中記錄該接收端口與源MAC地址的映射關系，并將此信息儲存起來。如果交換機已經(jīng)記錄了該MAC地址與某一端口的對應關系，并且該數(shù)據(jù)幀的接收端口與交換機先前的記錄不同，那么交換機將會更新其內部映射，把這個MAC地址對應的連接端口修改為當前收到數(shù)據(jù)幀的端口。

當收到一個數(shù)據(jù)幀時，交換機會對照現(xiàn)有MAC地址對應表，檢驗數(shù)據(jù)幀內含的目標MAC地址。如果目標MAC地址在對應表出現(xiàn)，交換機則引導數(shù)據(jù)幀至相應端口，確保數(shù)據(jù)準確無誤地送達指定設備；如該目標MAC地址在對應表中未出現(xiàn)，則交換機將數(shù)據(jù)幀向源端口以外的全部端口傳播，這種做法稱為洪泛。如果網(wǎng)絡構架中若有多余的連接，容易出現(xiàn)環(huán)路并觸發(fā)諸如廣播風暴的問題。此時交換機為了避免環(huán)路，交換機通常采用生成樹協(xié)議（STP） 來阻塞冗余鏈路。并保留備用路徑，從而增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，生成樹協(xié)議的工作步驟如下：根據(jù)橋ID選舉一個根橋RB（Root Bridge） ；每個非根交換機選舉一個根端口；每個網(wǎng)段選舉一個指定端口（DP） ；阻塞非根、非指定端口。經(jīng)過以上幾個步驟，處于阻塞狀態(tài)的端口不會轉發(fā)數(shù)據(jù)幀，從而避免了回路的產(chǎn)生。

2 登錄交換機的方式

交換機即便不做任何配置，也能像集線器一樣，通電后直接在局域網(wǎng)內使用。然而，如此操作不僅會浪費可管理型交換機的智能網(wǎng)絡管理功能，更無法實現(xiàn)局域網(wǎng)傳輸效率優(yōu)化、安全性提升，以及保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與可靠性 。因此，對交換機進行必要的配置與管理顯得尤為重要。通常，交換機的配置可通過以下 5 種方式完成。

2.1 通過帶外方式，利用Console口登錄

第一次配置交換機，只能使用Console端口這種方式配置管理。這種配置方式使用專用的配置線纜，連接交換機Console端口配置，不占用網(wǎng)絡帶寬，因此稱為帶外管理（Out of band）[3]。

1）連接方式

利用一根控制臺線纜實現(xiàn)用戶計算機與交換設備控制端口的直接連接，此電纜一端裝有適合插入交換機控制臺端口的RJ45接口，而另一端則配置有串口連接設備使用的DB9類型接口，以便與用戶電腦或其他類似終端設備的串行端口銜接。

2）配置要求

終端用戶設備的通訊設定必須與交換機控制臺端口的默認設置相匹配，通常這些設置涵蓋了9 600比特每秒的傳輸速度、無流量控制、不執(zhí)行校驗的校驗機制、單一停止位以及八個數(shù)據(jù)位等參數(shù)。有些操作系統(tǒng)可能需要安裝特定的終端仿真程序，如 Windows 7 或其他操作系統(tǒng)需要安裝第三方終端。

3）認證方式

可以有多種認證方式，如無須認證（None） 、密碼認證（Password） 、AAA 認證（Scheme） 等。如果選擇密碼認證，需要在交換機上設置好相應的用戶密碼；如果選擇 AAA 認證，則需要配置更復雜的認證策略。

具體操作步驟如下：將 Console 線連接好后，打開用戶終端的終端仿真程序；在終端仿真程序中設置通信參數(shù)，如傳輸速率、數(shù)據(jù)位、停止位等；打開交換機電源，等待交換機啟動完成；若終端模擬軟件提示需進行驗證，請按照提示內容輸入賬號與密碼完成認證。若驗證非必需，可直接進入交換機命令界面操作。

4）特點

此方法特別適合交換機出廠后第一次加電配置。同時，該方法還適合在機房近距離對設備進行調試。

2.2 Telnet 登錄

這種登陸方式，需要通過普通網(wǎng)線連接交換機Fastethernet接口，通過在使用前配置IP地址實現(xiàn)，因此稱為帶內方式。

1）前提條件

交換設備須啟用Telnet服務，并在該設備上設置遠程訪問的賬戶與密碼。同時，用戶的計算機需要與交換機在同一網(wǎng)絡中，并且具有訪問交換機的權限。

2）連接方式

開啟個人計算機內的 Telnet 訪問程序，如內嵌于 Windows 操作系統(tǒng)的相應功能或額外安裝的 SecureCRT、Putty 等軟件，輸入交換機的IP地址以及標準的 Telnet 端口號（通常是23號端口） ，接著執(zhí)行連接步驟。連接一旦成功，就必須提供正確的用戶名和密碼來進入交換機的指令執(zhí)行界面[4]。

以思科交換機C2950為例，配置關鍵步驟如下：在配置模式下使用enale password+密碼命令為enable命令設置密碼。此步驟為必需，主要作用是為交換機設置右用戶模式進入特權模式設置安全密碼。因為telnet方式為遠程訪問方式，安全為第一要素。在配置模式下，為交換虛擬接口SVI（Switch Virtual Interface）配置IP地址作為交換機的管理地址，使用no shudown命令激活該虛擬端口。此時，交換機即具有與終端電腦在同一IP子網(wǎng)的IP地址，也就具備了被終端訪問的基本條件。在交換機上配置 Telnet 服務，包括使用line vty 0 4為交換機虛擬終端訪問，使用password 密碼為telnet服務提高密碼認證，使用login命令或login+local命令開啟telnet的認證方式，使用AAA認證設置 Telnet 本地用戶和密碼等。確認用戶計算機與交換機在同一網(wǎng)絡中，并且可以通過 IP 地址訪問交換機。激活Telnet終端軟件，并輸入以進行連接的交換機IP地址與對應的Telnet通信端口。點擊連接后，根據(jù)提示輸入用戶名和密碼，登錄到交換機的命令行界面。

3）特點

此方法的最大特點是需要在綜合布線施工完畢，網(wǎng)絡工作正常情況下進行配置操作。該方法適合網(wǎng)絡設備后期遠程維護。

2.3 SSH登錄

SSH（Secure Shell Protocol） 中文名為安全外殼協(xié)議。SSH是一種在不安全網(wǎng)絡上提供安全遠程登錄及其他安全網(wǎng)絡服務的協(xié)議。SSH 是較可靠，專為遠程登錄會話和其他網(wǎng)絡服務提供安全性的協(xié)議。利用 SSH 協(xié)議可以有效防止遠程管理過程中的信息泄露問題。

1）SSH安全性

SSH安全性主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 首先，SSH協(xié)議通過加密機制確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｋ褂脤ΨQ加密算法（如AES） 和非對稱加密算法（如RSA或ECDSA） 對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中即使被截獲也無法被解密。這種加密方式使得SSH協(xié)議成為保護敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄巍?其次，SSH協(xié)議提供了多種認證機制，如密碼認證、公鑰認證等，確保只有授權用戶才能訪問遠程計算機。其中，公鑰認證是一種更為安全的認證方式，因為它不涉及敏感信息的傳輸，從而降低了被攻擊的風險。 此外，SSH協(xié)議還支持數(shù)據(jù)完整性檢查和重放攻擊防護等功能。它使用哈希函數(shù)（如SHA-256） 對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行完整性驗證，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被篡改。同時，SSH協(xié)議還能夠防止重放攻擊，確保每個數(shù)據(jù)包都是惟一且未被重復使用的。

2）連接方式

客戶端軟件（例如SecureCRT或Putty等，選用SSH連接方式） 通過在其界面填寫交換機的IP、賬號以及密碼信息（或者采用密鑰對驗證方法） ，就能夠實現(xiàn)對交換機的遠程訪問。為了完成這一過程，交換機本身亦應當設置啟用SSH服務，以便接受SSH客戶端的接入請求。具體操作步驟如下：在交換機上配置 SSH 服務器功能，在特權模式下設置enable 命令的密碼，為交換機設置SVI虛擬接口并為該虛擬接口設置IP地址作為管理IP地址。在特權模式下使用ip domain-name cisco.com為SSH設置域名。利用hostname為交換機設置主機名。在交換機特權模式下使用crypto key gen rsa為SSH 配置非對稱密鑰，默認512位。設置 SSH版本及用戶和密碼等。在用戶計算機上安裝 SSH 客戶端程序，并配置好連接參數(shù)。要遠程登錄到交換機的命令行接口，請輸入該交換機的IP地址和相應的賬戶名、密碼（或者采用密鑰方式認證） ，隨后點擊“連接”即可使用SSH方式連接到交換機。

3）特點

此方法相較Telnet的最大特點是SSH使用加密技術來保護傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取或篡改。相比之下，Telnet使用明文傳輸數(shù)據(jù)，包括密碼等敏感信息，因此容易受到攻擊。SSH不僅提供遠程登錄功能，還支持文件傳輸（如通過SCP或SFTP） 、端口轉發(fā)（如本地端口轉發(fā)和遠程端口轉發(fā)） 以及X11轉發(fā)等高級功能。這些功能使得SSH在遠程管理和數(shù)據(jù)傳輸方面更加靈活和強大。Telnet則主要提供遠程登錄功能，不支持上述高級功能。

2.4 Snmp連接管理交換機

SNMP（Simple Network Management Protocol） 即簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議，它為網(wǎng)絡管理系統(tǒng)提供了底層網(wǎng)絡管理的框架。而MIB（Management Information Base） 即管理信息庫，用于存儲網(wǎng)絡設備（如交換機、路由器等） 的管理信息。這些信息包括設備的配置參數(shù)、性能數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等。MIB數(shù)據(jù)對象以一種樹狀分層結構進行組織，這個樹狀結構中的每個分枝都有一個專用的名字和一個數(shù)字形式的標識符。結構樹的分枝實際表示的是數(shù)據(jù)對象的邏輯分組，而樹葉（或稱為節(jié)點） 則代表了各個數(shù)據(jù)對象。通過MIB，網(wǎng)絡管理員可以方便地查詢和修改網(wǎng)絡設備的配置參數(shù)，監(jiān)控設備的性能數(shù)據(jù)，以及了解設備的運行狀態(tài)。

2.5 Web 網(wǎng)管登錄

1）前提條件

交換機需要支持 Web 網(wǎng)管功能，并且已經(jīng)加載了 Web 網(wǎng)頁文件。用戶的計算機需要安裝 Web 瀏覽器，并且能夠通過網(wǎng)絡訪問到交換機。

2）連接方式

輸入交換機IP地址至瀏覽器的網(wǎng)址輸入框，接著敲擊確定鍵。如果是首次登錄，可能需要輸入默認的用戶名和密碼（不同品牌和型號的交換機默認用戶名和密碼可能不同） ，或者按照提示進行用戶認證和授權。登錄成功后，即可通過圖形化界面非常直觀地管理和維護交換機。具體操作步驟如下：確認交換機支持 Web 網(wǎng)管功能，并已經(jīng)加載了 Web 網(wǎng)頁文件。啟動用戶電腦中的網(wǎng)絡瀏覽器，鍵入以訪問交換機的網(wǎng)絡協(xié)議地址。如果是首次登錄，根據(jù)提示輸入默認的用戶名和密碼，或者進行用戶認證和授權。登錄成功后，即可通過 Web 網(wǎng)管界面進行交換機的管理和維護。

3）特點

Web網(wǎng)管界面，作為一種對交換機的管理方式，為用戶提供了圖形化的操作平臺，極大地方便了網(wǎng)絡管理員進行網(wǎng)絡管理和維護。該方法的特點如下：網(wǎng)絡管理員可以實時監(jiān)控交換機的工作狀態(tài)、網(wǎng)絡運行狀況以及各個交換端口的工作狀態(tài)和工作模式。 提供實時的性能監(jiān)控功能，如流量監(jiān)控、錯誤監(jiān)控等，幫助管理員及時發(fā)現(xiàn)并解決網(wǎng)絡問題。 能提供圖形化的配置界面，使得配置過程更加直觀和易用。提供多種認證機制，如用戶名和密碼認證、公鑰認證等，確保只有授權用戶才能訪問交換機。 支持SSL/TLS加密技術，保護傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被竊取或篡改[5]。 可以生成各種網(wǎng)絡報告，如流量報告、性能報告等，幫助管理員更好地了解網(wǎng)絡運行狀況。 支持將報告導出為多種格式，如PDF、Excel等，方便后續(xù)分析和處理。

3 結束語

交換機作為網(wǎng)絡通信的核心樞紐，其工作原理與登錄方式在網(wǎng)絡管理和維護領域占據(jù)著舉足輕重的地位。深入了解交換機的工作原理，有助于我們清晰洞察網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸機制，以及交換機在其中扮演的關鍵角色。與此同時，熟練掌握多樣化的登錄方式，能夠便捷地對交換機進行配置與管理，從而顯著提升網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性和可靠性。在實際應用場景中，我們可依據(jù)具體需求與環(huán)境條件，靈活選用適配的登錄方式，以切實滿足網(wǎng)絡管理的各項要求。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】