以太网技术原理.ppt

以太网技术原理,ISSUE1.0,1,以太网是当今应用最广泛的局域网技术,2,学习指南,理解以太网技术原理，可以遵循两个逻辑：以太网设备的发展和链路物理介质速率提升,3,参考资料,IEEE802.3IEEE802.2,4,目标,学习完此课程，您将会：了解以太网相关标准掌握以太网技术原理和发展过程,5,第1章以太网相关标准第2章以太网技术原理,6,以太网的诞生,以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和载波检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由DEC、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE802.3规范相互兼容,7,IEEE802.3线缆,8,快速（100M）以太网,数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u,9,千兆以太网,千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1Gbps。标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）,10,IEEE802.3ab的线缆标准,1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。,11,万兆以太网,已经开始部署，预计未来将有大规模的应用标准为IEEE802.3ae网络线缆只可以使用光纤只有全双工模式创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM),12,第1章以太网相关标准第2章以太网技术原理,13,第2章以太网技术原理第1节以太网技术基本概念第2节HUB和L2交换机的出现第3节VLAN和L3交换机的出现第4节GE/10GE以太网出现,14,冲突的检测：由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。,以太网原理-CSMA/CD,CS：载波侦听。在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。MA：多址访问。每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。CD：冲突检测。边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。,15,00e0.fc39.80341.MAC地址有48位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。2.MAC地址全球唯一，由IEEE对这些地址进行管理和分配。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位二进制代表该供应商代码。剩下的24位由厂商自己分配。3.如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。4.如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。,你知道为什么IP地址不像MAC地址一样做成固定的？,以太网的MAC地址,16,第2章以太网技术原理第1节以太网技术基本概念第2节HUB和L2交换机的出现第3节VLAN和L3交换机的出现第4节GE/10GE以太网出现,17,HUB设备工作模型：,注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。,传统以太网连接设备HUB,18,HUB设备工作原理：,HUB仅仅改变了以太网的物理拓扑,所有的HUB都是半双工的,19,HUB,LAN,LAN,LAN,LAN,LAN,HUB对所连接的LAN只做信号的中继，所有的物理设备构成了一个冲突域。,冲突域,20,由HUB组建以太网，依然是一种共享式以太网。,由HUB组建以太网的实质,实际上网络中由HUB组建以太网，仍然存在以下缺陷：冲突严重；广播泛滥；无任何安全性。,21,(BRIDGE/以太网交换机/L2)设备工作模型：,L2工作模型,22,分段1,分段2,A,B,C,PORT1,PORT2,D,交换机典型应用,交换机,基于源地址学习,注意：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。,23,MAC地址,所在端口,MACA,1,MACB,1,MACC,2,MACD,2,MACD,MACA,.,端口1,MACD,MACA,.,端口2,基于目的地址转发,24,上述原则中存在三处严重的错误，你知道是什么吗？,二层交换机原理,接收网段上的所有数据帧；利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表（源地址自学习），使用地址老化机制进行地址表维护；在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到就将该数据帧发送到相应的端口，如果找不到，就向所有的端口发送(除接收帧的端口)；向所有端口转发广播帧和多播帧。,25,三种交换模式,Cut-Through：交换机接收到目的地址即开始转发过程延迟小交换机不检测错误Store-and-Forward：交换机将全部内容接收才开始转发过程延迟大交换机检测错误，不会有错包Frag-free：交换机接收完数据包的前64字节（一个最短帧长度），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。,26,全双工简述,实现全双工的物质保证全双工对以太网技术的影响支持全双工的设备,27,运行速率,双工模式,100M10M,全双工半双工,运行速率,双工模式,100M10M,全双工半双工,100M，全双工,协商原则,28,冲突域,广播域,L2对所接收到的数据帧根据MAC地址进行二层转发，冲突域被限制到了一个端口上。但是无法限制广播域的大小。,广播域,冲突域,冲突域,冲突域,冲突域,29,其中广播泛滥严重是L2以太网的主要缺点,全双工和L2交换机的缺点,全双工和L2带来了以太网两次重大飞跃，彻底解决了困扰以太网的冲突问题，极大的改进了以太网的性能。并且以太网的安全性也有所提高。但以太网存在如下缺点：广播泛滥安全性仍旧无法得到有效的保证,30,第2章以太网技术原理第1节以太网技术基本概念第2节HUB和L2交换机的出现第3节VLAN和L3交换机的出现第4节GE/10GE以太网出现,31,SWITCH,工程部,市场部,销售部,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,1,2,9,8,5,实现简单，但只能适用于一台交换机,解决广播泛滥问题的主导思想：将没有互访需求的主机隔离开,VLAN的起源基于端口分组,32,我有个办法，你看行吗让VLAN只限制广播报文，不限制单播报文！,VLAN技术的优点和缺点,VLAN技术成功的解决了广播问题，并且使以太网的安全性有了进一步的提高，此时的以太网技术趋于完美。但VLAN技术也有缺点：使用VLAN来划分网络后，网络的效率提高不少，可是本来不需要相互访问的两个部门，现在又要少量的访问需求，该怎么办到呢？,33,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,使用路由器连接不同的VLAN,前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系,缺点：每个VLAN需要占用一个路由器的端口；不同VLAN中的主机需配置不同的缺省网关,解决办法（一）,34,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,使用支持VLAN属性的路由器连接不同的VLAN,前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系,解决办法（二）-单臂路由,35,1.需要多个设备，组网复杂；2.VLAN间通信通过路由器完成；3.路由器价格昂贵，速率较低。,传统路由器整机64字节包转发能力通常100,100pps,LANSwitch单个100M端口64字节包转发能力148,810pps,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,（L2+路由器）模式的缺陷,36,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,将路由器和交换机合成一个设备三层交换机,前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系,解决办法（三）,37,什么是三层交换机,在逻辑上，三层交换和路由是等同的，三层交换的过程就是IP报文选路的过程。三层交换机与路由器在转发操作上的主要区别在于其实现的方式：三层交换机通过硬件实现查找和转发；传统路由器通过微处理器上运行的软件实现查找和转发；三层交换机的转发路由表与路由器一样，需要软件通过路由协议来建立和维护。在局域网中引入三层交换：能够更加经济的替代传统路由器。,38,三层交换机的应用,三层交换机特别适合下面这样的组网几乎全以太网接口路由比较稳定，变化比较少,39,项目,路由器,三层交换机,端口类型,非常丰富，几乎可以支持所有通信端口,比较单一，主要支持以太网,转发实现途径,主要以CPU加软件实现为主。,由硬件ASIC实现转发,路由算法,最长匹配,第一包路由，以后做精确匹配,包转发率,低,高（命中）或者更低（没命中）,成本,高,低,对路由变化的适应能力,强,弱,二层交换,不支持,支持,低端的路由器和L3的区别,40,L3交换机仍有不足之处,L3交换机仍有不足之处：L3虽然几乎具备了路由器的所有功能，但在走向广域网的过程中却遇到了广域网接口带宽不足，路由性能低下的尴尬。,41,第2章以太网技术原理第1节以太网技术基本概念第2节HUB和L2交换机的出现第3节VLAN和L3交换机的出现第4节GE/10GE以太网出现,42,GE对以太网技术的深远影响,GE的特点:以低廉的价格提供巨大的带宽对以太网技术提供平滑的升级和良好的兼容GE的出现使以太网技术从企业网走向城域网10GE的特点:10G是目前路由器技术中所能达到的最高单端口带宽，而10GE由于具有以太网技术的许多天然优势，已经远远走在10GPOS之前，并很可能取而代之。10GE的出现将使以太网技术最终冲出城域网，走向骨干网。,43,添翼！,(GE/10GE+L3)=如,GE/10GE与L3,早期的L3由于主要基于以太网技术，所以相对于路由器，主要的缺点是没有或者只要少量的低速广域网口，而GE/10GE的出现，恰好弥补了L3的不足。,44,总结,以太网相关标准以太网原理和发展过程,总结,45,目标,学习完此课程，您将会：了解STP协议产生的背景掌握STP工作原理掌握RSTP工作原理,46,第1章STP的产生原因第2章STP的基本原理第3章RSTP的基本原理,47,透明网桥的应用,拓展LAN的能力。自主动态学习站点的地址信息。问题：一般的透明网桥不会对转发的报文做任何记号，这样，如果网络中存在回路，则有可能报文在回路中不断循环转发，造成网络拥塞。,48,冗余链路产生的问题Mac地址表不稳定,LAN1,LAN2,HostAMac:00-E0-FC-F4-67-2C,HostBMac:00-E0-FC-F4-45-7D,MacAddressTable,Port1:00-E0-FC-F4-67-2C,MacAddressTable,Port1:00-E0-FC-F4-67-2C,X,Y,Port1,Port1,Port2,Port2,Port2:00-E0-FC-F4-67-2C,49,冗余链路产生的问题广播风暴,LAN1,LAN2,HostAMac:00-E0-FC-F4-67-2C,HostBMac:00-E0-FC-F4-45-7D,MacAddressTable,Port1:00-E0-FC-F4-67-2CPort2:00-E0-FC-F4-45-7D,MacAddressTable,Port1:00-E0-FC-F4-67-2CPort2:00-E0-FC-F4-45-7D,X,Y,Port1,Port1,Port2,Port2,二层广播数据帧,1,2,3,2,3,1,1,50,为什么引入生成树协议,通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径回环当前活动路径发生故障时激活冗余备份链路恢复网络连通性,ROOT,LANA,LANB,LANC,LAND,LANE,51,第1章STP的产生原因第2章STP的基本原理第3章RSTP的基本原理,52,生成树协议的基本原理,基本思想：在网桥之间传递特殊的消息（配置消息），包含足够的信息做以下工作：从网络中的所有网桥中，选出一个作为根网桥（Root）计算本网桥到根网桥的最短路径对每个LAN，选出离根桥最近的那个网桥作为指定网桥，负责所在LAN上的数据转发网桥选择一个根端口，该端口给出的路径是此网桥到根桥的最佳路径选择除根端口之外的包含于生成树上的端口（指定端口）,53,配置消息的内容,配置消息也被称作桥协议数据单元（BPDU）主要内容包括根网桥的Identifier（RootID）从指定网桥到根网桥的最小路径开销（RootPathCost）指定网桥的Identifier指定网桥的指定端口的Identifier即（RootID，RootPathCost，DesignatedBridgeID，DesignatedPortID）,54,配置消息格式,协议ID(2字节)当前保留没有被利用协议版本(1字节)如果两大小不一的协议版本数字比较,则数字越大的将被认为最新定义的协议版本BPDU类型(1字节)类型域仅仅服务于区分BPDU的类型;在不同类型BPDU之间没有任何关系标志位(1字节)被用来表示拓扑的变化,当拓扑发生变化时被置1,反之则置0根桥ID(8字节)表示当前网络里的根桥,包括:网桥优先级(2字节)网桥的Mac地址(6字节),55,配置端口开销,根路径开销(4字节)网桥到达根网桥的路径开销,数值大小可以由网桥自动配置或手动配置,56,配置消息格式,指定网桥ID(8字节)指发送BPDU的网桥,包括:网桥优先级(2字节)网桥的Mac地址(6字节)指定端口ID(2字节)指发送BPDU的网桥端口,包括:端口优先级端口号,57,配置消息格式,MessageAge(2字节)BPDU的有效存活时间MaximumAge(2字节)BPDU的最大有效存活时间,默认为20秒HelloTime(2字节)周期发送BPDU的时间间隔,默认为2秒ForwardDelay(2字节)端口转入发送状态的时延,默认为15秒,58,配置消息的处理,将各个端口收到的配置消息和自己的配置消息做比较，得出优先级最高的配置消息更新本身的配置消息，主要工作有：选择根网桥RootID：最优配置消息的RootID计算到根桥的最短路径开销RootPathCost：如果自己是根桥，则最短路径开销为0，否则为它所收到的最优配置消息的RootPathCost与收到该配置消息的端口开销之和选择根端口RootPort：如果自己是根桥，则根端口为0，否则根端口为收到最优配置消息的那个端口选择指定端口：包括在生成树上处于转发状态的其他端口从指定端口发送新的配置消息,59,如何确定最优的配置消息,配置消息的优先级比较原则，假定有两条配置消息C1和C2，则：如果C1的RootID小于C2的RootID，则C1优于C2如果C1和C2的RootID相同，但C1的RootPathCost小于C2，则C1优于C2如果C1和C2的RootID和RootPathCost相同，但C1的TransmitID小于C2，则C1优于C2如果C1和C2的RootID、RootPathCost和TransimitId相同，但C1的PortID小于C2，则C1优于C2,60,链路故障怎么办,HelloTime网桥从指定端口以HelloTime为周期定时发送配置消息。MessageAge和MaxAge端口保存的配置消息有一个生存期MessageAge字段，并按时间递增。每当收到一个生存期更小的配置消息，则更新自己的配置消息。当一段时间未收到任何配置消息，生存期达到MaxAge时，网桥则认为该端口连接的链路发生故障，进行故障的处理。,61,临时回路的问题,当拓扑结构发生变化，新的配置消息要经过一定的时延才能传播到整个网络，在所有网桥收到这个变化的消息之前：若旧拓扑结构中处于转发的端口还没有发现自己应该在新的拓扑中停止转发，则可能存在临时的回环；若旧的拓扑结构中阻塞的端口还没有发现自己应该在新的拓扑结构中开始转发，则可能造成网络暂时失去连通性。,62,如何避免临时回路,端口由阻塞状态进入转发状态时，要经过一定时间的延时，这个时间起码是配置消息传播到整个网络所需最大时间的两倍。For