以太网交换基础

华为 3Com培训中心 华为 3Com公司版权所有，未经授权不得使用与传播 课程编码 以太网交换基础 ISSUE 1.0 华为 3Com产品培训系列胶片 协议原理及配置 2 引入 以太网技术的广泛使用 以太网技术的强大生命力 以太网的扩张趋势 3 学习目标 了解以太网发展史 、 以太网原理和相关技术 进行以太网相关技术的简单配置 了解二层及三层以太网交换的基本原理 掌握关于 VLAN的基本知识和配置 学习完本课程 ， 您应该能够： 4 课程内容 第一章 以太网的发展简史 第二章 以太网基础 第三章 以太网相关基本配置 第四章 二层交换的基本原理 第五章 VLAN(802.1Q) 第六章 三层交换的基本原理 5 以太网的起源 以太网是在 70年代中期由 Xerox公司 Palo alto研究中心推出的 。 由于介质技术的发展 ， Xerox可以将许多机器相互连接 ， 这就是以太网的原型 。 后来 ， Xerox公司推出了带宽为 2Mb/s的以太网 。 又和 Intel和 DEC公司合作推出了带宽为 10Mb/s的以太网 ， 这就是通常所称的 DIX以太网 （ Digital， Intel和Xerox） 。 6 以太网的起源 早期的以太网标准是采用同轴线作为传输介质 。 同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的 ， 单点的故障可以导致这个网络的崩溃 。 IEEE的标准为： 10Base5， 10Base2。 10 传输速度为 10Mbps Base 传输信号调制方式为基带调制 5/2 传输距离为 500/200米 。 7 以太网的发展 80年代末期 ， 非屏蔽双绞线 （ UTP） 出现 ， 并迅速得到广泛的应用 。 UTP的巨大优势在于 ： 逻辑拓扑 依旧是总线的 ， 但物理拓扑变为星形 ，使得网络布线变得简单 。 价格低廉 ， 只有同轴电缆的几分之一 。 制作简单 ， 成功率高 。 收发使用不同的线缆 ， 为实现全双工奠定了物质基础 。 8 共享式以太网 网络中所有主机的收发都依赖于同一套物理介质 ， 即共享介质 。 同一时刻只能有一台主机在发送 ， 各主机通过遵循CSMA/CD规则来保证网络的正常通讯 。 发送 监听 监听 监听 9 交换式以太网 扩展了网络带宽 。 分割了网络冲突域 ， 使得网络冲突被限制在最小的范围内 。 交换机作为更加智能的交换设备 ， 能够提供更多用户所要求的功能：优先级 、 虚拟网 、 远程检测 交换矩阵 发送 发送 接收 接收 10 以太网技术的发展 IEEE802.3 以太网标准 IEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准 IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准 IEEE802.3ae 10GE以太网标准 70年代 80年代 90年代 以太网产生 10M以太网发展成熟 共享式转向 LAN交换机 100M快速以太网 92年 96年 千兆以太网迅速发展 万兆以太网出现 2002年 11 以太网技术的进一步发展 以太网速度的迅速提高 从 10Mbps向 100Mbps、 1000Mbps过渡 ， 并进一步向 10000Mbps过渡 。 VLAN技术使得以太网的应用日趋灵活 。 优先级 ， 组播 ， 三层交换 ， P-VLAN， S-VLAN. 传输技术的迅猛发展使得以太网技术从局域网走向广域网 。 Ethernet Over SDH， QinQ. 12 课程内容 第一章 以太网的发展简史 第二章 以太网基础 第三章 以太网相关基本配置 第四章 二层交换的基本原理 第五章 VLAN(802.1Q) 第六章 三层交换的基本原理 13 第二章 以太网基础 第一节 以太网的帧类型 第二节 以太网工作原理 第三节 以太网端口技术 14 以太网的地址 Media Access Control， 网络设备根据目的 MAC来判断是否处理接收到以太网帧 MAC地址是 48 bit二进制的地址 ，前 24位为供应商代码 ， 后 24为序列号 单播地址：第一字节最低位为 0，如 00-e0-fc-00-00-06 多播地址：第一字节最低位为 1，如 01-e0-fc-00-00-06 广播地址： 48 位全 1 ff-ff-ff-ff-ff-ff 15 以太网的帧类型 -Ethernet II 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination15:0 | MAC Source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | EtherType | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Ethernet v2 区别与 802.3 LLC的方法是 EtherType域 ， Ethernet II Ethertype 1,500 (0x5DC). Ethertype = 1,500 表示包长 (LLC封装 ) 16 以太网的帧类型 -802.3 LLC 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC destination15:0 | MAC source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Length | DSAP | SSAP | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Ctrl | +-+-+-+-+-+-+-+-+ 17 以太网的帧类型 -802.3 SNAP 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination15:0 | MAC Source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Length | DSAP=0xAA | SSAP=0xAA | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Ctrl=0x3 | OUI23:16 | OUI15:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | EtherType | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ SNAP封装是 LLC封装的扩展 ， 特征是固定了 DSAP=SSAP=0xAA 18 第二章 以太网基础 第一节 以太网的帧类型 第二节 以太网工作原理 第三节 以太网端口技术 19 以太网工作原理 -CSMA/CD CSMA/CD：载波侦听与冲突检测 -Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection CS: 载波侦听 发送之前的侦听 ， 确保线路空闲 ， 减少冲突机会 MA: 多址访问 每个站点发送的数据 ， 可以被多个站点接收 CD: 冲突检测： 边发送边检测 ， 发现冲突后进行回退 回退： 检测到冲突后的处理：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 20 以太网工作原理 -冲突域 物理网段 （ 冲突域 ） ： 连接在同一传输介质上所有工作站 /服务器的集合 。 位于同一冲突域的工作站 /服务器不能同时发送数据 。 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层链 路 层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层物理层H u b物 理 层21 以太网工作原理 -冲突域 HUB 集线器 (HUB)是工作在物理层的设备 ， 连接到集线器上的所有设备位于同一冲突域 ， 同一时刻只可以有一台设备在发送数据 。 全网设备共享带宽 。 22 最大传输距离和最小帧长 最大传输距离：通常由线路质量 、 信号衰减程度度等因素决定 。 最小帧长 （ 64字节 ） ：由最大传输距离和冲突检测机制共同决定 。 规定最小帧长是为了避免这种情况发生： a站点已经将一个数据包的最后一个 bit发送完毕 ， 但这个报文的第一个 bit还没有传送到距离很远的 b站点 。 而 b站点认为线路空闲而发送数据 ， 导致冲突 。 更为严重的是 a站点无法知道报文发送失败 。 如果一个数据帧发送完毕还没有检测到冲突 ， 则认为数据帧被正确发送和接收了 。 23 共享式以太网的弱点 全网带宽共享 用户数上升时全网性能急剧下降 用户数 网络性能 24 全双工以太网 数据通过两种独立的路径传输和接收 。 只存在两个节点 ， 可以在同一时间对信息进行双向传输 ， 而不会发生冲突 。 TX TX RX RX 25 全双工以太网 实现全双工的物质保证： 支持全双工的网卡芯片收发线路完全分离物理介质点到点的连接 （ hub都是半双工的 ） 。 全双工对以太网技术的影响 最大吞吐量达到双倍速率； 从根本上解决了以太网的冲突问题 ， 以太网从此告别CSMA/CD。 支持全双工的设备 ： HUB除外的目前几乎所有的支持以太网的设备 。 26 第二章 以太网基础 第一节 以太网的帧类型 第二节 以太网工作原理 第三节 以太网端口技术 27 标准以太网接口传输距离 技术标准 线缆类型 10Base5 10Base2 AUI(DB15)接口电缆 BNC接口同轴电缆 传输距离 500m 180m 100m 10BaseT EIA/TIA3、 5类（ UTP）非屏蔽双绞线 2对 28 标准以太网接口 标准以太网 （ 10Mbit/s） 的网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 最终用户和接入层交换机之间的连接 核心层 通常不使用 通常不使用 29 快速以太网接口 技术标准 线缆类型 100BaseTX 100BaseT4 EIA/TIA5类（ UTP）非屏蔽双绞线 2对 100BaseFX EIA/TIA3、 4、 5类（ UTP）非屏蔽双绞线 4对 多模光纤（ MMF）线缆 传输距离 100m 100m 550m-2km 2km-15km 单模光纤（ SMF）线缆 30 快速以太网接口 快速以太网 （ 100Mbit/s） 的网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 为高性能的 PC机和工作站提供 100Mbit/s的接入 核心层 提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接 提供交换设备间的连接 31 千兆以太网接口 技术标准 线缆类型 1000BaseT 1000BaseCX 铜质 EIA/TIA5类（ UTP）非屏蔽双绞线 4对 1000BaseSX 铜质屏蔽双绞线 多模光纤， 50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光 传输距离 100m 25m 550m/275m 2km-15km 单模光纤， 9um光纤，使用波长为1310nm的激光 1000BaseLX 32 千兆以太网接口 千兆 （ 1000Mbit/s） 以太网网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 一般不使用 核心层 提供接入层和汇聚层设备间的高速连接 提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联 33 万兆以太网传输距离 技术标准 线缆类型 10GBaseCX4 10GBase-S 4对铜轴电缆 10GBase-L 单模光纤， 50/62.5um光纤，使用波长为1310nm的激光 传输距离 15m 300m 10km 40km 单模光纤， 9um光纤，使用波长为1550nm的激光 10GBase-E 多模光纤， 50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光 34 万兆以太网接口 万兆 （ 10000Mbit/s） 以太网网络定位 模型分类 网络定位 接入层 汇聚层 不使用 核心层 提供核心层和汇聚层设备间的高速连接 提供核心设备间的高速互联 35 以太网接口自协商 10Mb/s半双工 10Mb/s全双工 10Mb/s自协商 100Mb/s自协商 100Mb/s全双工 端口 1自动协商 端口 2自动协商 端口 3自动协商 端口 4自动协商 端口 5自动协商 36 自协商基本页信息 0 0 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Message Type Ethernet=00001 Reserved 10BASE-T半双工 10BASE-T全双工 100BASE-TX半双工 100BASE-TX全双工 100BASE-T4 流控支持 远程故障指示 确认 下一页指示 37 自协商信号 约 2ms 约 100ns 约 62.5s 时 钟 数 据 位 0 时 钟 数 据 位 1 数 据 位 13 时 钟 数 据 位 14 时 钟 整个报文按 16ms间隔重复 ， 直到自协商完成 。 数 据 位 15 38 与没有自协商机制的设备连接 不使用自协商机制会出现以下情况： 无法实现端口的 10/100M速率自适应 无法确定双工工作模式 无法确定是否需要流量控制功能 如果协商不成功 ， 协议规定端口将为 10M半双工 。 39 自协商优先级 优先级顺序 工作方式 A B C D E 100BASE-TX 100BASE-TX全双工 100BASE-T4 10BASE-T全双工 10BASE-T 40 光纤上的自协商 对光纤以太网而言 ， 得出的结论是： 缺省情况下 ， 百兆 、 千兆和万兆以太网光端口均工作在全双工模式下 ， 不需用户对其进行配置 。 百兆 、 千兆和万兆以太网光端口的速率不需用户进行设置 。 41 智能 MDI/MDIX 不需要知道电缆另一端为 MDI还是 MDIX设备 两种电缆 （ 普通 、 交叉 ） 都可连接交换机 、 集线器或 NIC设备 消除由于电缆配错引起的连接错误 简化 10/100M网络安装维护 ， 降低开销 Receive Pair Transmit Pair Transmit Pair Receive Pair Transmit Pair Receive Pair 交叉网线 直连网线 Receive Pair Transmit Pair 42 流量控制 当通过交换机一个端口的流量过大 ， 超过了它的处理能力时 ， 就会发生端口阻塞 。 流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧 。 在半双工方式下 ， 流量控制是通过背压式流控（ backpressure） 技术实现的 ， 模拟产生碰撞 ， 使得信息源降低发送速度 。 在全双工方式下流量控制一般遵循 IEEE 802.3x标准 。 43 半双工流量控制 backpressure 假装有冲突了，这样你 就不会发个不停了！ 44 全双工流量控制 IEEE802.3x标准定义了一种新方法 ， 在全双工环境中去实现流量控制 。 交换机产生一个 PAUSE帧 ，PAUSE帧使用一个保留的组播地址： 01-80-C2-00-00-01， 将它发送给正在发送的站 ， 发送站接收到该帧后 ， 就会暂停或停止发送 。 PAUSE帧利用了一个保留的组播地址 ， 它不会被网桥和交换机所转发 ， 这样 ， PAUSE帧不会产生附加信息量 。 45 端口汇聚定义 端口汇聚 （ Link Aggregation） ， 也称为端口捆绑 、端口聚集或链路聚集 。 为交换机提供了端口捆绑的技术 ， 允许两个交换机之间通过两个或多个端口并行连接同时传输数据以提供更高的带宽 。 端口汇聚是目前许多交换机支持的一