网络技术培训之以太网技术章节解.ppt

网络技术培训之 以太网技术讲解 主讲人：辛庆祥 宽带产品技术支持部 2002/3,主要内容,以太网物理层 以太网数据链路层 以太网交换机 VLAN 生成树协议 二层组播 千兆以太网 其他各种高级技术,本课程主要内容,以太网起源,起源 起源与Xerox公司的一个实验网，该网络的 经验是Xerox,DEC,Intel1980年提出的以太网 建议的基础。 目标 简明和成本低 寻址灵活 公平高速 稳定和低延迟,起源和目标,物理层（一）,10BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-T2,物理层标准,物理层（二）,一.任一时刻只能接收或发送 二.采用CSMA/CD访问机制 三.物理上有距离限制,半双工物理层,物理层（三）,一.同一时刻可以发送和接收 二.最大吞吐量达到双倍速率 三.从根本上消除了半双工的物理 距离限制,全双工物理层,物理层（四）,集线器I类,1.可以连接不同的物理介质 2.相当于一条高速总线，使用 CSMA/CD方式工作。,物理层（五）,集线器II类,与I类不同的是，它只能连接一种 类型的物理线路，并针对该线路 进行了优化，效率较高。,自动协商（一）,目前存在的以太网运行情况 有多种组合，如果按照实际 情况配置，非常不方便，通 过自动协商，可以让局域网 设备自动配置运行方式，避 免复杂的手工配置。,双工方式,运行速率,全双工 半双工,10M 100M 1000M 10G,8种组合,自动协商（二）,双绞线物理链路在空闲的时候 以周期16ms发送脉冲，如果在 这16ms中间插入周期更小1.6ms 的脉冲，两端设备也能够辨认。 于是，我们可以使用1.6ms的脉 冲来携带自动协商信息。,自动协商实现基础,16ms,每个大脉冲插入16小脉冲,自动协商（三）,系统加电的时候，检测自动协商 标志，如果允许，则从配置寄存 器读出支持模式标志，编码后通 过空闲脉冲发送出去。发送出去 的编码格式称为基页。 如果接收到对方的基页，则跟自 己发送的基页比较，找出支持能 力的交集，选取最优组合运行。,编码支持能力,双工模式,运行速率,流量控制,.,101001010111000101001101010101.,自动协商（四）,根据通常情况下运行效率最好的原则选择最优组合。 在本例中，交换机和PC将以100M全双工模式运行。,协商原则,运行速率,双工模式,100M 10M,全双工 半双工,运行速率,双工模式,100M 10M,全双工 半双工,100M，全双工,自动协商（五）,图中各PC机安装了10/100M自适应网卡，交换机和HUB都支持自动协商，请问： 1.PCA和交换机之 间工作在什么方 式？ 2.PCB和HUB之间 工作在什么方式？ 3.HUB和交换机之 间工作在什么方 式？,总结与思考,PCA,PCB,数据链路层（一）,数据链路层内部分为LLC 和MAC子层： LLC 给网络层提供一个统 一逻辑视图。 MAC 针对不同的物理层提 供不同的访问方式， 但提供给LLC子层一 个统一的接口。,网络层,数据链路层,物理层,LLC子层,MAC子层,数据链路层位置和结构,数据链路层（二）,LLC层提供三种服务： 1.面向连接的可靠数据传输； 2.无连接的不可靠数据传输； 3.带确认的可靠数据报传输。 根据SAP来决定上层的进程。,LLC子层,MAC子层,LLC子层帧结构和服务,DSAP,SSAP,Control,8bit,8bit,8/16bit,DMAC,SMAC,Length,LLC,DATA/FCS,IEEE802.3帧结构,数据链路层（三）,LLC层维护一张以DSAP为索引的函数 列表，每接收到一个数据包，以DSAP 为索引调用相应的函数，该函数把数 据包挂到相应接收队列。,LLC子层数据的上层分发,.,函数列表,OnReceivedData_IP(Length,PDU) OnReceivedData_IPX(Length,PDU) OnReceivedData_NetBEUI(Length,PDU) OnReceivedData_05(Length,PDU) OnReceivedData_06(Length,PDU) .,126,SSAP,Control,数据链路层（四）,针对不同的物理介质提供 不同的MAC层面来访问。 针对不同的双工模式，Ethernet划分为半双工MAC和全双工MAC。,MAC子层位置,LLC子层,TokenRingMAC,EthernetMAC,FDDIMAC,HalfDuplexMAC,FullDuplexMAC,数据链路层（五）,半双工MAC跟物理层之间至少有六种信号： 接收数据线 发送数据线 接收数据指示 发送数据指示 载波侦听 冲突发生,MAC子层半双工MAC（CSMA/CD）,HalfDuplexMAC,Physical_Layer,数据线,指示信号,冲突和检测信号,数据链路层（六）,全双工MAC跟物理层之间至少有四种信号： 接收数据线 发送数据线 接收数据指示 发送数据指示,MAC子层全双工MAC,HalfDuplexMAC,Physical_Layer,数据线,指示信号,数据链路层（七）,Ethernet_II,DMAC,SMAC,Length/T,DATA/PAD,FCS,Length/Type值,含义,Length/T 1500 Length/T = 1500,代表了该帧的类型 代表了该帧的长度,跟IEEE802.3完全兼容， 如果Length/Type 1500，则该帧就是802.3帧，否则有类型直接指示上层模块。,数据链路层（八）,总结与思考,图中路由器跟一台PC通过CAT5线连接，但没法正常通信，在路由器上运行SHOW INT命令，提示物理层活动（UP），但线路协议（LINE PROTOCOL）处于DOWN状态。请问，最可能的原因是什么，应该怎么解决？,以太网交换机（一）,.,RX TX,RX TX,接 收 缓 冲 区,发 送 缓 冲 区,高速背板总线,物理接口,交换机工作过程： 1. 接收数据并缓冲； 2. 缓冲发送的数据； 3. 利用总线完成接口交换。 CAUTION： 发送缓冲区要比接收缓冲区 大。,交换机基础结构,以太网交换机（二）,纵横式： 传统的PBX交换结构 宽总线： 提高时钟频率和总线 宽度，来提高速率 无阻塞网络： 一些交换网络结构，比 如Banyan等，能实现线 速转发。 线速转发条件： 背板总线速率 = 端口速率* 端口数,交换机背板总线结构,. . .,. . .,Banyan,纵横式,宽总线结构,无阻塞网络,以太网交换机（三）,交换机维持一个CAM（Context Address Memory）数据结构，这 个数据结构来决定交换机的转发 过程。 在学习过程中，每接收到一个 MAC帧，则剥取源MAC建立 CAM项，然后向所有端口转发 该帧。,交换机工作过程学习,MAC,出口集合,1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0005 . .,1 2 3 . .,以太网交换机（四）,交换机接收到数据帧后，根据目的 地址查询CAM，找到出口后，把 数据包从该出口集合发送出去。 在单播的情况下，出口列表集合只 有一个元素，但在多播情况下，出 口列表集合就可能不只一个元素。 CAUTION： 多播情况下，CAM表项的建立不是 通过学习得到的，而是通过IGMP 窥探，CGMP等协议获得的。,交换机工作过程转发,1234.ABCD.0001,1234.ADCB.0005,MAC,出口集合,1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0005 . .,1 2 3 . .,以太网交换机（五）,交换机把接收到的整个数据 包缓存，检查数据包长度， 进行CRC校验，然后查询CAM 表进行转发。 提高了可靠性，可以让错误 数据包提前过滤掉，但速度 上有折扣。,交换方式存储转发,以太网交换机（六）,交换机接收数据包的时候， 只要接收完头部信息，马上 查询CAM表，根据结果立即 进行转发。 大大提高了转发速率，但有 可能转发一些错误数据包。,交换方式直通方式（CutThrough）,. . .,以太网交换机（七）,交换机接收完数据包的前64 字节（一个最端帧长度）， 然后根据头信息查表转发。 结合了直通方式和存储转发 方式的优点。,交换方式碎片隔离(Frag-Free),. . .,64,以太网交换机（八）,有些情况下需要比交换机 支持的最大端口速率还大 的高速链路，这个时候就 可以把多条相同性质的链 路逻辑聚合成一条高速链 路。 聚合条件： 1.各分离的链路速率相同； 2.各分离的链路必须是全 双工链路； 3.各分离的链路两端参数 一致，比如流量控制； 4.各分离的链路速率不能 小于100M。,主干链路解决方案链路聚合,以太网交换机（九）,图中三个低端交换机连接 了上百终端，这些终端来 访问跟核心交换机A连接 的服务器，而核心交换机 A和B仅仅提供100M口。 请问： 1.该如何解决两个核心交 换机之间的瓶颈？ 2.如果客户跟服务器之间 的数据传输需要保持顺 序，您的解决方案能满 足要求吗？,总结与思考,.,.,.,？,VLAN（一）,VLAN基本概念,划分VLAN的目的： 1.抑制广播 2.安全性考虑 3.管理方便 VLAN划分方式： 1.基于端口 2.基于MAC地址 3.基于第三层协议 4.基于组播组 5.基于IP地址影射 6.基于策略,VLAN（二）,划分方式基于端口,可以通过配置的形式明确指定 端口所属的VLAN。 特点： 1.配置简单 2.含义明确 3.与实际联系紧密 4.应用广泛,VLAN（三）,划分方式基于MAC地址,通过MAC地址指定端口的VLAN， 需要TFTP服务器和TFTP客户端的 支持。 特点： 1.安全性高 2.配置比较烦琐,1234.ABCD.0001 100 1234.ABCD.0002 200 1234.ABCD.0003 100 1234.ABCD.0004 200 . .,TFTP,1234.ABCD.0001,1234.ABCD.0003,VLAN（四）,跨越交换机的VLAN,实际应用中，VLAN往往跨越多个 交换机。这时候，需要交换机的某 些端口有特殊的能力。 请思考：跨越交换机的VLAN如何 正确的通信？,1234.ABCD.0001,1234.ABCD.0003,VLAN（五）,交换机间链路TAG链路,两个交换机间用来传递VLAN通信的 链路称为TRUNK。 在TAG链路上传输的帧携带VLAN ID， 用来正确的区分帧所属的VLAN。,1234.ABCD.0001,1234.ABCD.0003,TAG链路,VLAN（六）,802.1q帧格式,在TAG链路上传输这种类型的帧， 对端交换机根据802.1q中的VLAN ID来区分正确的VLAN,然后向该 VLAN包含的端口转发.,D_Addr,S_Addr,802.1q,L/T,DATA,TYPE,PRI/CFI/VID,NAME,VLUE,TYPE PRI CFI VID,8100 优先级 用于环形结构网络 VLAN ID,VLAN（七）,交换机端口类型和交换机间链路类型,端口类型,类型含义,TAGED 非TAGED,能接收包含VLAN ID帧的端口,常用作 交换机间连接 不能识别VLAN ID 帧,用来连接终端,链路类型,类型含义,TAGED ACCESS 混合,交换机间链路,传输 的帧携带VLAN信息 ,如果在该链路上接收 到不包含VLAN信息 的帧,则按照配置动作. 不能识别包含VLANID 的帧,连接终端. 既能识别标记帧,有能 接收非标记帧,有一个 默认VLAN用于接收到 的非标记帧.,VLAN（八）,简单例子,VLAN10,VLAN20,在这个网络结构中,哪些 链路是TAG链路,哪些链路 是ACCESS? 哪些端口必须是VLAN 知晓的,哪些端口不必是 VLAN知晓的? 假设PC1发送了一个广播 包,哪些PC 能接收到?,PC1,PC2,PC3,PC5,PC4,VLAN（九）,VLAN聚合基本概念,可以把多个VLAN聚合成 一个Super_VLAN，这样 广播抑制在Sub_VLAN里 面，而在网络层则只有 Super_VLAN一个视图。 好处： 节省网络层地址。,Sub_Vlan,Sub_Vlan,Super_Vlan,VLAN（十）,VLAN聚合通信过程,1.PC1有一个数据包向PC2 发送，则先用ARP解析 PC2 IP 地址； 2.交换机LSW3运行ARP代 理，把ARP请求转发到 另外一个Sub_VLAN中； 3.PC2回应ARP响应，ARP 代理转发给PC1； 4.建立网络层连接，通信 开始。,Sub_Vlan,PC1,Super_Vlan,PC2,ARP Proxy,VLAN（十一）,VLAN聚合限制,如果位于一个Super_VLAN内 的计算机运行基于广播或组播 的高层应用，则这些应用被限 制在Sub_VLAN中。 CAUTION： 使用VLAN聚合的时候，应仔 细分析高层应用，在没有基于 组播或广播的应用时，VLAN 聚合才可以使用。,Sub_Vlan,PC1,Super_Vlan,PC2,VLAN（十二）,VLAN间路由,VLAN间通信必须跨越路由 器。 思考： 如果路由器以太端口不是 VLAN知晓的，怎么实现 VLAN之间的通信？,TAG链路,VLAN（十三）,创建VLAN 必须手工创建VLAN，交换机默认所有 端口位于VLAN1 将端口加入VLAN 明确将端口加入VLAN，一个端口可以加入多个VLAN，但有 一个默认VLAN 配置交换机间链路 配置链路为TAGED，默认情况下TAGED传输所有的VLAN帧， 可以手工改变。,VLAN在交换机上的配置,VLAN（十四）,VLAN高级主题,VTP协议 VLAN和STP协议 三层交换机的实现方式 ISL 交换机间链路,VLAN（十五）,思考与总结,VLAN10,VLAN20,VLAN30,PC1,LSW1,假设有如图所示的组网结构，请问： 1.三个交换机中哪些 必须具有VLAN知 晓端口？ 2.哪些链路必须是 TAG链路？ 3.假设VLAN20中的 PC1位置移动到 LSW1上（VLAN ID 不变），请问， 需要在哪些交换机 上设置哪些数据？,多层交换（一）,VLAN10,VLAN20,传统的VLAN间通信是这样的： 发送终端判断接收终端跟自己不是 一个网段，于是把数据发往路由器； 路由器接收到以后，再发送给相应 的接收终端。 这个过程交换的数据包在交换机和 路由器之间的TRUNK链路上流动两 次，有很大的带宽浪费。,传统的VLAN间路由,多层交换（二）,VLAN10,VLAN20,在这种情况下，VLAN间通信完全 可以由交换机来完成。这时，需要 实现两个软件模块： 1.位于路由器上的RP 2.位于交换机上的SE SE的功能是转发VLAN间通信数据 包，并同RP交互；RP来控制SE，比 如，如果VLAN间路由信息变化，则 发控制信息给交换机，让交换机重 新建立转发路径。,RP,SE,控制信息流,数据信息流,多层交换基本概念,多层交换（三）,VLAN10,VLAN20,交换机接收到一个数据包后，检查 目的MAC是不是路由器，如果是， 则建立不完全转发项（S_MAC,S_IP ,D_IP,NULL），如果从路由器上接 收到另外一个数据包，该数据包跟 （S_IP,D_IP）匹配，则把不完全 转发项补充完全（S_MAC,S_IP, D_IP,I_OUT），以后按照该转发项 转发。 CAUTION： 第一个数据包总发往路由器处理，如 果多层转发项建立成功，则后续数据 包按照多层转发项处理。,RP,SE,多层交换转发过程,多层交换（四）,VLAN10,VLAN20,如果路由器上关于VLAN间的路由 表发生变化，则通知SE，SE把相 应的多层转发项删除，按照常规的 方式转发。,RP,SE,数据流,控制流,控制信息的交互,生成树协议（一）,为了提高冗错性，交换机往往通过 多条链路连接上 层交换机，假设 其中一条链路断 了，可以有另外 一条备用。,冗余链路,生成树协议（二）,这时候，如果交换机接收到一个广播包，则向所有两条上行链路上转发，核心层交换机接收到以后，互相转发 ，这样最终形成环路，带来网络风暴 。,冗余链路带来的问题,生成树协议（三）,运行STP协议，自动把冗余端口阻塞 ，如果链路故障，则自动把阻塞的端口解开，进入转发状态。,运行生成树协议，可以解决这个问题,SPT协议把该端口阻塞,生成树协议（四）,SPT运行的最终结果就是生成一棵无环树来充当转发路径。 CAUTION： 必须存在一个根，而且生成的树是不是最优跟根位置有极大关系。,生成树协议目标生成一棵无环数,ROOT,生成树协议（五）,交换机优先级 端口成本 端口优先级 根交换机 根端口 指定交换机 指定端口 交换机标识,生成树协议基本概念,ROOT,生成树协议（六）,交换机复位，从各端口发送BPDU包，进行根交换机的选举。最后具有最小优先级的交换机成为根交换机。,生成树协议运行过程选举根交换机,根ID,发送ID,COST,优先级,MAC,BPDU,生成树协议（七）,选出根交换机后，根交换机开始发送配置 BPDU，其它交换机根据配置BPDU携带的信息计算出自己的根端口。 CAUTION： 如果两个端口到根的代价相同，则由端口号和端口优先级决定胜负。,生成树协议运行过程选举根端口,配置BPDU,根端口,ROOT,生成树协议（八）,对于每个Sub_LAN 选出一个指定交换机和指定端口。如果连接同一个 Sub_LAN的端口有相同的成本，则由端口号和端口优先级来打破僵持。,生成树协议运行过程选举指定交换机和指定端口,配置BPDU,指定端口,ROOT,指定交换机,生成树协议（九）,其他既非根端口又非指定端口的端口都处于闭塞状态，把所有没有接收到配置BPDU的端口置于倾听状态，一段时间后进入转发状态。至此，STP协议稳定，正常转发数据。,生成树协议运行过程闭塞所有冗余端口,配置BPDU,闭塞,ROOT,指定交换机,生成树协议（十）,新加入的交换机发送BPDU选举包，但原来交换机忽略，在新加入的交换机接收到原来交换机发送的BPDU后，不再发送BPDU选举包，而接收原来的根交换机。 如果新交换机标识比原来根交换机小，则重新运行STP。,生成树协议故障恢复加入新交换机,新加入的交换机,ROOT,配置BPDU,选举BPDU,生成树协议（十一）,交换机检测到链路故障之后，通过根端口向根交换机发送拓扑改变BPDU，根交换机接收到以后，向所有交换机发送重配置BPDU，于是，各交换机老化自己的CAM表,生成树协议故障恢复链路故障,ROOT,配置BPDU,拓扑改变BPDU,生成树协议（十二）,运行STP的交换机为了安全，开始的时候各个端口都处于阻塞状态。 但一些连接终端的端口却没有必要处于阻塞，这些端口一开始马上就可以处于转发状态。这些手工设置的一开始就处于转发状态的端口就是快速端口。,生成树协议性能优化快速端口,ROOT,阻断状态,快速端口,生成树协议（十三）,启动了快速上行链路的交换机检测到自己的根端口故障时，马上把阻塞的端口打开变成根端口。 CAUTION： 传统的做法是交换机一端时间接收不到根的BPDU，然后重新运行STP。,生成树协议性能优化快速上行链路,ROOT,阻断状态,生成树协议（十四）,总结与思考,1 2,2 1,1 2,3,3,3,3,1 2,2 1,1,2,3,4,5,NO,PRI,MAC,1 2 3 4 5,10 5 10 5 10,1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ABCD.0003 1234.ABCD.0004 1234.ABCD.0005,假设上面图中各个交换机的端口号和端口成本相同，请思考： 1.根交换机是哪个？ 2.非根交换机的根端口是哪个？ 3.各个Sub_LAN的指定交换机和指定端 口分别是哪个？,以太网QoS保证（一）,如果没有服务质量保证， 关键性业务可能因为得 不到带宽而受影响,以太网QoS保证（二）,三比特的优先级字段,802.1q帧格式，为实施带优先级的服务提供了基础,高优先级数据包,低优先级数据包,以太网QoS保证（三）,优先级跟交换机发送队列的对应关系,优先级,队列,0 1 2 3 4 5 6 7,1,2,优先级,队列,0 1 2 3 4 5 6 7,1,2,3,二层组播（一）,媒体流服务器,媒体流接收端,不同于广播，组播针对网络终端的一个子集。当网络 上只有部分终端需要某种数据的时候，采用组播方式 最方便。,二层组播（二）,媒体流服务器,媒体流接收端,交换机对组播的传统处理方式是向每个端口上转发多播数据包,二层组播（三）,媒体流服务器,媒体流接收端,希望的对待方式是，交换机只向需要组播数据的端口转发， 这需要交换机在CAM中建立多出口转发表项（G，出端口 集合），例如（G，1，2，3）。,二层组播（四）,媒体流服务器,IGMP窥探,IGMP加入消息,每当终端想要接收针对组G的组播 数据时，它发出IGMP加入消息，交 换机探测到这个消息，建立转发项 （G，I），其中I为终端所在的端 口。若另外有终端也加入G，则交 换机仅仅把另外终端所在端口加入 转发项即可。,二层组播（五）,媒体流服务器,IGMP窥探存在的问题,针对组G的组播数据流,交换机必须检测每个组G的组播数据 包，如果终端发送数据过多，就会把 交换机冲跨。,二层组播（六）,媒体流服务器,IGMP加入消息,CGMP协议,（G，MAC）,每当路由器接收到一个IGMP加入 消息，马上向交换机发一个CGMP 消息（G，MAC），交换机根据 MAC找到对应端口，建立转发项 （G，I，）。,二层组播（七）,媒体流服务器,GMRP（General Multicast Register Protocol）协议,GMRP请求消息,组播数据流,GMRP是一种交换设备和交换设备之 间，交换设备和终端设备之间的信息 交流协议，用来表达自己的请求和分 发自己的本地信息。,千兆以太网（一）,千兆以太网概述,按双工模式 半双工模式千兆以太网（完全为了兼容） 全双工模式千兆以太网 按照物理介质 1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-CX 1000BASE-T,千兆以太网（二）,千兆以太网物理层8B10B编码,01010101 10101010 .,0101010101 1010101010 .,链路层,物理层,数据链路层把要传送 的数据提交给物理层 之后，物理层做一个 810影射，把8位 码组变换为10位在物 理介质上传输。 请问：1000M以太网 物理层时钟频率是1G 吗？,千兆以太网（三）,千兆以太网物理层代码组,8B10B不对称影射 10B：1024种组合 8B： 256 种组合 数据代码组 特殊代码组 保留代码组 代码组的选择 做到0和1均衡，考虑传输影响,千兆以太网（四）,千兆以太网物理层有序集和数据封装,特殊代码组,特殊代码组,有序集,有序集,链路层数据,有序集,把数据封装在有序集中进行传输,一个或多个特殊代码组 的整体是有序集，需要注意： 1.有序集是特殊代码组 的组合 2.有序集是个整体 数据的封装： 在传输链路层数据的时候，在数据前后添加有 序集，指示传输的开始,千兆以太网（五）,千兆以太网物理层有序集示例,Start_Of_Packet 在传输具体数据的开始，发送该有序集。 IDLE 需要注意的是，在没有数据传输的时候， 物理链路也不空闲，而是传输该有序集来 保持激活状态。 End_Of_Packet 具体数据传输结束的时候发送该有序集， 指示数据传输结束。 Configuration 封装自动协商数据,千兆以太网（六）,千兆以太网物理层自动协商,终端设备把自己支持的能力编码到下列形式的基页中， 发送给对方，相互比较，按照最优的原则选择运行方式。,千兆以太网（七）,流量控制,在GE模式下，数据突发量非常大， 如果不采取适当措施，可能大量 的丢数据包。 流量控制： 1.数据接收端发现接收缓冲区快用 完，向对端发送PAUSE帧； 2.对端接收到PAUSE帧后暂停发 送，暂停时间由PAUSE帧指定； 3.如果在PAUSE指定的时间内数 据处理完，则发送延迟为0的 PAUSE帧，对方收到后马上恢 复发送。 流量控制方式： 1.对称 2.不对称,大量数据,PAUSE帧,千兆以太网（八）,千兆以太网未来技术,半双工以太网 基于双绞线的千兆以太网 10G以太网 千兆以太网与传统以太网的兼容,千兆以太网（九）,总结与思考,图中，两个以太网交换机安装了 千兆以太网接口卡，但其中A交 换机