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第四章局域网 局域网概述以太网访问控制以太网物理层网桥和交换机 4 1局域网概述 IEEE802局域网标准LAN地址 4 1局域网概述 局域网是一种通信网络 通信网络由一定数量的设备互连而成 为网络中的两个相连设备提供它们之间的数据传输的途径 这些设备常被称为网络节点 Node 而在局域网技术中又经常被称为站点 Station 美国电子和电气工程师协会IEEE于1980年成立了802委员会 该委员会通过制定一个广为接受的LAN标准 从而保证了市场的容量 并使得不同厂商生产的设备间能够相互通信 4 1局域网概述 局域网最主要的特点是 网络为一个单位所拥有 且地理范围和站点数目均有限 局域网具有如下的一些主要优点 具有广播功能 从一个站点可很方便地访问全网 局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源 便于系统的扩展和逐渐地演变 各设备的位置可灵活调整和改变 提高了系统的可靠性 可用性和残存性 4 1 1IEEE802局域网标准 1 局域网参考模型 4 1 1IEEE802局域网标准 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准 802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层媒体接入控制MAC MediumAccessControl 子层与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 4 1 1IEEE802局域网标准 续 IEEE802参考模型的最低层对应OSI模型的物理层 包括以下功能 1 信号的编码 解码 2 前导码的生成 去除 3 比特的传输 接收 4 传输媒体和拓扑结构的说明 4 1 1IEEE802局域网标准 续 物理层之上的层为局域网的用户提供相应服务 主要功能如下 1 发送时 把要传输的数据组装成帧 2 接收时 把收到的帧解包并进行地址识别和差错检测 3 管理和控制对局域网传输媒体的访问 4 为高层协议提供相应接口 SAP 并进行流量和差错控制 4 1 1IEEE802局域网标准 续 LAN协议的上下层关系 4 1 1IEEE802局域网标准 续 LLC与其他链路控制协议不同的特点 局域网的链路是共享媒体 必须支持多点访问 LLC包括一些有关链路访问的内容 和MAC层一起来规范对链路的访问 LLC为高层用户提供相应的机制来为每个站点编址 SAP 并为用户间交换数据提供相应控制 2 逻辑链路控制子层LLC 4 1 1IEEE802局域网标准 续 LLC提供的服务 类型1 无确认无连接的服务数据报PDU的传送无需任何形式的确认 也无需流量控制和差错控制机制 服务支持单点 多点传送以及广播 依赖于高层协议软件提供可靠和流量控制机制 类型2 面向连接的服务用户交换数据前必须建立一条逻辑连接 并且要提供相应的流量控制 排序和差错控制机制 同时提供连接释放功能 只支持单点传送 没有组广播和广播方式 类型3 带确认的无连接服务提供对数据报的确认机制 同时在进行数据传输前无需建立逻辑连接 4 1 1IEEE802局域网标准 续 LLC协议数据单元PDU结构 8比特的SAP字段有2位具有特殊的含义 全局 本地 Global Local 比特 它表明是由802委员会分配了这个SAP数字 确保它的唯一性 还是由本地网络管理员管理这个数字的 另外一个 组 个体 比特用来标识该SAP指定了一组高层协议还是一个高层协议 4 1 1IEEE802局域网标准 续 有效的SAP编号只有6位 全局的SAP编号非常有限可以使用本地分配的SAP编号 但这要求预先知道对方机器的SAP编号 对SAP进行扩展 即子网访问协议SNAPSAP 这时DSAP和SSAP都被设为SNAP 为0 xAA 这表明报头被扩展而包括了一个 协议类型 字段 4 1 1IEEE802局域网标准 续 3 媒体访问控制子层MACMAC协议决定广播链路中信道如何分配 使得对传输媒体的访问更加有序 有效 它又常常称为多路访问协议 媒体访问控制策略 在哪里控制 集中式控制 选择某个节点 它可以授权访问网络分布式控制 所有节点平等地参与决定传输顺序 4 1 1IEEE802局域网标准 续 怎样控制对共享媒体的访问 同步机制 采用的是信道分割协议频分多路 FDM 时分多路 TDM 码分多路 CDMA 局域网一般不采用该机制 异步机制 可以进一步分为三类 时间片轮转 预约和竞争 4 1 1IEEE802局域网标准 续 时间片轮转 每个节点按照一定的逻辑顺序得到传输时间片 站点的逻辑顺序的控制可采用集中式或分布式 轮询采用集中式的控制方式 要求选取一个节点作为主节点 主节点按照时间片轮转的方式来询问所有站点是否有数据要发送 令牌传递采取分布式控制 一串特殊的比特流即令牌按照固定的顺序在节点间传递 站点必须抓住令牌才能传输 4 1 1IEEE802局域网标准 续 预约 媒体访问时间被分成一些时槽 很象同步时分多路复用 一个节点在要传输时 可以为即将到来的传输预约一些时槽 预约也可以是集中式或分布式的 4 1 1IEEE802局域网标准 续 竞争所有节点展开竞争以获取对共享媒体的访问权 冲突检测可以检测出媒体上有多个传输同时进行载波监听 设备通过侦听媒体来避免冲突两者结合在一起就是带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 4 1 1IEEE802局域网标准 续 4 1 2LAN地址 在对LAN地址进行标准化的过程中 IEEE802委员会给出的建议是可以使用48位或者16位地址 局域网上的所有节点都有一个唯一的LAN地址 4 1 2LAN地址 续 LAN地址的前24位被称为 厂商代号 或全球唯一标识OUI 前24位中还有两位有特殊的含义 第一个字节中最低位表示 组 个体 如为0 则表示一个特定的节点 而如该位为1 则表示是一个组播地址 下一个比特用来表示是全球还是本地分配的地址 LAN地址书写的标准格式采用最低位在前的顺序 地址a2 41 42 59 31 51不是一个组播地址 因为它的第一个八位组 a2 10100010 的最低位是0 4 2以太网访问控制 CSMA CDALOHACSMACSMA CD二进制指数退避算法千兆以太网的CSMA CD扩展以太网帧格式全双工以太网 4 2 1CSMA CD 以太网将许多计算机都连接到一根总线上 特点是 当一台计算机发送数据时 总线上的所有计算机都能检测到这个数据 这种通信方式是广播通信 4 2 1CSMA CD 续 1 ALOHA AdditiveLinkOn lineHawaiiSystem ALOHA协议用于基于地面的无线广播通信系统 其基本思想适用于那些站点间无需协调的多路访问链路中 一个站点想要传输信息帧 可立即发送信息帧 接收站点通过检查帧检验序列字段来决定帧是否完好无损 如果是合法帧 站点通过另外一个信道发出一个确认站点在发送帧后监听一段时间 如果在信息来回传播的最大延迟时间 两倍于相距最远的两个站点之间传递信息的时间 再加上一小段固定的时间内 如果收到了确认 则传输成功否则 发送站点等待一段随机的时间后重发信息帧 如果重传多次仍得不到确认 放弃传输帧 4 2 1CSMA CD 续 一个帧发送成功的条件是在2 时间内只有一个帧发送 帧时 表示发送一个标准长度的帧所需的时间 1 纯ALOHA 4 2 1CSMA CD 续 设 1 无限多个用户按泊松分布来产生新帧 平均每帧时产生N个新帧 0 N 1 2 除新帧外 各站还要重传受到冲突的帧 新旧帧之和也服从泊松分布 其均值为G G N 吞吐量是指负载G乘以每一次成功传送的概率 即 S GP0 在 内共生成k帧的概率服从泊松分布 4 2 1CSMA CD 续 当G 0 5时 S达到最大值1 2e 即Smax 0 184 在整个冲突危险期内 不存在其他流量的概率为 考虑用户数固定的网络模型 N个相同的用户每个用户在一个帧时内成功传输一帧的概率为S N每个时槽一个用户产生的负载 包括新帧和重传帧 为G N 4 2 1CSMA CD 续 用户在给定时槽内成功发送一帧 相当于用户在冲突危险区内发送一帧并且其他用户都没有发送帧 因此 N趋于无穷大时 即无限用户环境下与前面的分析有同样的结论 4 2 1CSMA CD 续 2 分槽ALOHA 时隙ALOHA 若要使一个帧成功发送 则必须在同一个 内无任何其他帧产生 其概率为 P 0 e G 当G 1时 S达到最大值1 e 即Smax 0 368 4 2 1CSMA CD 续 ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系 4 2 1CSMA CD 续 载波监听多路访问 CSMA 也叫做先听后说 LBT 在ALHOA和分槽ALOHA协议中 每个站点在发送时不考虑其他站点的情况 在局域网中 帧的传播时间常远小于帧的传输时间一个站点发送帧后 别的站点马上就可以监听到 2 CSMA CarrierSenseMultipleAccess 4 2 1CSMA CD 续 想要传输的站点首先监听媒体上是否有其他站点在传输 载波监听 如果媒体空闲 则可立即传输如果媒体忙 它必须等待发送站点在发送完后要等待一段时间以等待确认 如果没有收到确认 发送站点认为发生了冲突 就重发该帧 4 2 1CSMA CD 续 非坚持CSMA1坚持CSMAP坚持CSMA 非坚持CSMA 发送前先检测信道如空闲就发送如忙则延迟一个随机时间后重复a 4 2 1CSMA CD 续 1坚持CSMA 发送前先检测信道如空闲就发送如忙则一直监听直至空闲后立即发送如果有冲突 则等待一段随机的时间后重复a 4 2 1CSMA CD 续 P坚持CSMA 发送前先检测信道如空闲就以P概率发送数据 以1 P概率延迟一个时间单位 再重复a如忙则一直监听直至空闲后重复b若传输延迟了一个时间单位后 重复a 4 2 1CSMA CD 续 P 坚持要避免的主要问题是在重负荷下的不稳定总共有N个站点 如果这些站点都有帧要传输 为了避免冲突 显然应该满足NP 1 即P 1 N但是这样的概率P在轻负荷下时会出现大部分信道时间被浪费掉的情况 各种随机访问协议的信道利用率和载荷曲线的比较 4 2 1CSMA CD 续 4 2 1CSMA CD 续 3 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 由于CSMA协议中不进行冲突检测 一旦有两个帧发生冲突 在这两个坏帧传输的这段时间内 其他站点都不能传输 CSMA CD在传输的同时进行冲突检测 又叫做边说边听 LWT 每一个正在发送数据的站 一旦发现总线上出现了碰撞 就要立即停止发送 免得继续浪费网络资源 然后等待一段随机时间后再次发送 4 2 1CSMA CD 续 以太网采用载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD多路访问即多个站点通过一个共享媒体来发送和接收帧 载波监听意味着站点能够监测到链路是忙还是空闲 冲突检测是指站点在传输帧的同时监听链路 从而能够监测到站点所传输的帧与别的站点传输的帧之间发生冲突的情形 4 2 1CSMA CD 续 1坚持CSMA CD算法 发送前先检测信道如空闲就发送如忙则一直监听直至空闲后立即发送若在传输中监听到冲突 则发出扰码 jamming 32比特 来强化冲突发完人为扰码后等待一段随机时间再重复a 4 2 1CSMA CD 续 帧间间隔IFG 实际的以太网标准中 要求在检测到媒体空闲后必须等待一个帧间间隔IFG InterFrameGap IFG长度为96比特时间目的是允许最近传输的站点能够将其收发器硬件从发送模式转向接收模式 4 2 1CSMA CD 续 帧必须足够长以使冲突能在帧传输完毕前被检测到 基带总线上发送方的发送时间要大于等于两倍的传播时间 4 2 1CSMA CD 续 使用CSMA CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信 半双工通信 每个站在发送数据之后的一小段时间内 存在着遭遇碰撞的可能性 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率 4 2 1CSMA CD 续 最先发送数据帧的站 在发送数据帧后至多经过时间2 两倍的端到端往返时延 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞 以太网的端到端往返时延2 称为争用期 或碰撞窗口 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞 才能肯定这次发送不会发生碰撞 4 2 1CSMA CD 续 CSMA CD采用1 坚持算法 为了使得发生冲突的站点在下次试图传输的时候不大可能再次发生冲突 采用二进制指数退避算法 4 二进制指数退避算法 4 2 1CSMA CD 续 当冲突发生后 时间被分成离散的时槽 其长度为传输媒体上来回传输的时间 以太网标准时槽长度为512比特时间 10M网为51 2us 第一次冲突产生后 每个站点等待0或1个时槽后尝试重新发送 如果每个站点等待的时槽数相同 这样它们将再次冲突 这一次 它们会从0 1 2 3中随机挑选一个数作为等待的时槽数 如果又产生第三次冲突 它们将从0 23 1中随机挑选一个等待的时槽数 4 2 1CSMA CD 续 对每个帧 当首次发生冲突时 设置参量n 1 退避时间间隔取0到2n 1个时槽数中的一个随机数 一个时槽数等于2倍的传播延迟时间 每当帧重复发生一次冲突 就将n加1 但达到10次后 随机等待的最大时槽数固定为1023 若重传16次仍不能成功 则丢弃该帧并向高层报告错误 4 2 1CSMA CD 续 采用二进制指数退避的1 坚持方式的好处在于它在不同的负载时信道利用率都比较合理 不良后果 没有遇到过或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站点更有机会得到媒体的访问权 4 2 2以太网帧格式 以太网是美国施乐 Xerox 公司于1975年研制成功的 它是一种基带总线局域网 当时的数据率为2 94MBit s 以太网用无源电缆作为总线来传送数据帧 并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太 Ether 来命名 1980年9月 DEC公司 英特尔 Intel 公司和施乐公司联合提出了10MBit s以太网规约的第一个版本DIXV1 1982年又修改为第二版规约DIXEthernetV2 成为世界上第一个局域网产品的规约 在此基础上 IEEE802委员会于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准 其编号为802 3 数据串为10MBit s 802 3局域网对以太网标准中的帧格式作了很小的一点更动 但允许基于这两种标淮的硬件实现可以在同一个局域网上互操作 4 2 2以太网帧格式 续 DIX帧格式 IEEE802 3帧格式 主要差别在于一个是2字节类型 另一个是2字节长度 由于DIX格式的帧中的类型字段都是大于1500的 因此不会和802 3LAN帧的长度字段混淆 所以以太网网卡可以接受两种类型的帧格式 4 2 2以太网帧格式 PA 前导码 每个字节均为10101010 B SFD 帧起始符 位模式为10101011 B DA和SA 目标地址和源地址 L 指明数据字段的字节数 它的值在0到1500之间 DATA 数据字段 允许从0到1500个字节PAD 帧填充 802 3规定有效帧 即从目的地址字段到校验字段的最短长度为64个字节 FCS 校验 提供对从目的地址开始的CRC校验 4 2 3千兆以太网的CSMA CD扩展 10Mbps的以太网冲突检测最坏时间为512us 所以其最小帧长为512位 千兆以太网的数据速率提高了100倍 如果不对CSMA CD协议进行任何改变 所能支持的网络直径将只有20米 载波扩展帧阵发扩展 4 2 3千兆以太网的CSMA CD扩展 续 1 载波扩展 在1G以太网中是必须的在MAC帧尾部附加了特殊的编码 这些编码和正常数据不同 这样帧的传输时间最少为4096比特时间 使帧的最小传输时间比1Gbps下的传播时间要长 因此冲突检测机制能够正常执行 4 2 3千兆以太网的CSMA CD扩展 2 帧阵发 是可选的允许站点在获取媒体访问权之后 可以连续发送多个短帧 能连续发送帧的总长的上限为64k比特第一个短帧的传输按照正常的过程来进行 如果帧长不够4096比特 则采用载波扩展 只要连续发送的帧的总长不超过64k比特 站点可以不释放媒体的访问权而连续发送短帧连续发送帧时 中间要有帧间间隔IFG 4 2 3千兆以太网的CSMA CD扩展 帧阵发避免了当单个站点有大量短帧等待发送时载波扩展的开销如不采用帧阵发 站点发送完一个短帧后 将放弃对链路的访问控制 然后再通过CSMA CD重新竞争对链路的访问 4 2 4全双工以太网 传统的以太网采用CSMA CD技术 是半双工的 IEEE802 3 提出全双工 但有下列条件 1 只能在点到点的链路上使用 没有竞争和冲突 2 链路要能支持同时传输和接收 3 站点能支持全双工方式 4 2 4全双工以太网 续 1 MAC控制子层它是可选的 且对MAC层采用的媒体访问控制协议是透明的 4 2 4全双工以太网 续 当以太网的帧类型为0 x8808时 则表示是MAC控制帧 由MAC控制子层来处理 而对于正常的数据 则直接由原来的MAC用户来处理 4 2 4全双工以太网 续 2 PAUSE帧提供简单的流量控制机制 只支持全双工方式点到点链路的两端 站点通过Pause帧课要求链路另一端暂时停止除MAC控制帧以外其他帧的发送 4 2 4全双工以太网 续 目的地址 可以是链路另一端站点地址 也可以是为Pause保留的01 80 c2 00 00 01组播地址 控制操作码 0 x0001控制参数 16比特的整数 表示暂时停止发送以512位为时间单位的时间 如为0 则表示立刻恢复数据帧的传输 4 2 4全双工以太网 续 3 对称流量控制和非对称流量控制 对称流量控制指全双工链路两端都可发送Pause帧 非对称流量控制只允许其中某一端发送Pause帧 可以通过自动协商来确定采用哪种方式 4 2 4全双工以太网 续 非对称流量控制最为常见的是交换机可以阻塞端系统 而反过来则不行 通过限制端系统的发送 从而控制了拥塞发生的源头 不仅防止自身的缓冲区的溢出 也使得注入到网络的总负载得到减少 另一种是端系统可以阻塞交换机 反过来则不行端系统的处理能力不够时可通过发送PAUSE帧给交换机要求交换机暂停发送要求交换机具有较大的缓冲区 相当于端系统借用交换机的内部缓冲区 4 3以太网物理层 与媒体无关接口自动协商传统以太网媒体选项高速以太网媒体选项 4 3 1媒体无关接口 以太网支持多种传输媒体 这样物理层硬件有两部分构成 媒体无关的控制器和媒体相关的收发器 中间通过连接接口单元AUI连接 媒体无关的控制器中包括总线接口 存储管理 以太网MAC以及曼彻斯特编码解码器 媒体相关收发器包括传输媒体的收发以及冲突检测功能 4 3 1媒体无关接口 快速以太网中 为了提高编码效率 采用了把控制器和收发器连接起来的媒体无关接口MII MediaIndependentInterface 采用4位宽的并行数据通道 4 3 1媒体无关接口 千兆以太网中对MII进行扩展 形成千兆媒体无关接口GMII 采用8位宽的并行数据通道 同时把25MHz时钟提升到125MHz 在10Gbps以太网中引入XGMII 定义了32位并行同步数据接口 时钟频率为156 25MHz 但接口支持距离为7cm XAUI接口解决了XGMII的缺陷 提供4个8位通道 用8B 10B编码 4 3 2自动协商 自动协商是指连接在一条链路上的两个设备交换关于它们能力的信息 自动以合适的数据速率或模式来进行通信 自动协商只能用在那些采用非屏蔽双绞线的传输媒体选项中 比如10Base T 100Base TX等 4 3 2自动协商 续 传统10BASE T标准中包括一个链路测试机制来维持链路网络空闲 没有数据传输 时 收发器会每隔16ms发送一个100纳秒的正常链路脉冲NLP自动协商采用了NLP的改进版本来实现每隔16ms发送一串由多个持续100纳秒的NLP组成的快速链路脉冲FLP 每个FLP包括33个脉冲位 其中17个奇数位作为时钟脉冲 16个偶数位用来传递协商信息 即链路码字LCW 4 3 2自动协商 续 自动协商在收发器中实现 是一个可选项当以太网设备加电 重置或者要求重新协商时 才开始自动协商过程接收方在收到三个连续的相同FLP之后 从FLP中取得链路码字LCW 选择双方所能支持的具有最好能力的媒体选项 并且通过FLP发送ACK来进行确认自动协商完成之后按照协商的结果进行正常的数据通信 无需再进行自动协商 直到链路重新加电 重置或者强制重新协商后才重新开始自动协商过程 4 3 2自动协商 续 在互相交换设备能力之后选择双方所能共同支持的具有最高优先级的媒体选项来进行连接 4 3 3传统以太网媒体选项 几种802 3标准以太网 4 3 3传统以太网媒体选项 续 三种以太网电缆 a 10Base2 b 10Base5 c 10Base T 4 3 3传统以太网媒体选项 续 转发器与集线器 转发器一般用于10Base2和10Base5中 用来扩展传输媒体的长度 集线器是一个多口的转发器 当从一条线路上接收到信号时 集线器会向其他线路转发 如果多于两个端口同时传输 产生并发送一个冲突存在信号 转发器和集线器都工作在物理层 4 3 3传统以太网媒体选项 续 网段间通过转发器和集线器连接只是为扩展覆盖范围 本质上仍属于同一冲突域 Collisiondomain 采用CSMA CD规则共享同一个信道的所有节点位于同一个冲突域 在同一冲突域内 任何两个节点同时传输都会冲突 4 3 3传统以太网媒体选项 续 在通过转发器或集线器构建以太网的实践中常常要求遵循5 4 3原则 5指任意两个站点间最多有5个以太网网段4指任意两个站点间最多有4个转发器3表示任意两个站点间最多有3个网段有站点相连 另外2个网段仅仅用于扩充网络覆盖的范围通过转发器或集线器来连接多个网段的方式常常称为级连 4 3 3传统以太网媒体选项 续 可堆叠集线器 StackableHub 各个集线器之间可以通过另外一个高速数据通道 常常是Gbps 相连 从而使得各个堆叠起来的Hub组合起来形成一个具有更多端口的Hub 堆叠起来的Hub实际上相当于一个大的Hub 它和通过以太网技术把多个网段级连起来是不同的概念 级连技术必须遵循以太网的基本组网原则 即5 4 3原则 4 3 4高速以太网媒体选项 速率达到或超过100Mb s的以太网称为高速以太网 在双绞线上传送100Mb s基带信号的星型拓扑以太网 仍使用IEEE802 3的CSMA CD协议 100BASE T以太网又称为快速以太网 FastEthernet 4 3 4高速以太网媒体选项 可在全双工方式下工作而无冲突发生 因此 不使用CSMA CD协议 MAC帧格式仍然是802 3标准规定的 保持最短帧长不变 但将一个网段的最大电缆长度减小到100m 帧间时间间隔从原来的9 6 s改为现在的0 96 s 4 3 4高速以太网媒体选项 1 100M媒体选项 4 3 4高速以太网媒体选项 续 1 100BASE TX 使用两对屏蔽双绞线STP或者两对五类以上的非屏蔽双绞线 一对用来传输 一对用来接收 100BaseTX限制所连接的双绞线电缆的长度为最多100米 采用的是MLT 3编码方案 MLT 3的基本思想是采用3级的信号电平并通过相应的编码方法将传输信号的能量集中在30MHz以下 由此减少了由于干扰而产生的问题 4 3 4高速以太网媒体选项 续 对于每个1都有一次跳变 采用3种电平 正电压 V 负电压 V 零电压 0 如果下一个输入位是0 则输出值与前面的那一位一样 如果下一个输入位是1 则输出值将包含一个跳变 如果前一位的输出是 V或 V 下一位的输出是0 如果前一位的输出是0 下一位的输出是非0 其符号与最近的那个非0输出的符号相反 4 3 4高速以太网媒体选项 续 2 100BASE FX 100BASE FX使用两条光纤 一条用于发送 一条用于接收 100BASE FX限制媒体的跨段距离 连接的网段中最长的直径 最长可达415米 100BaseFX采用4B 5B NRZI码编码方案采用了强度调制技术 1用一个光脉冲表示 0用无脉冲或极小强度的光脉冲表示 4 3 4高速以太网媒体选项 续 3 100BASE T4 可在低质量的3类UTP上提供100Mbps的数据速率采用4对双绞线 这也正是T4的含义 三对双绞线用于数据传输另外一对用于冲突检测所连接的网段的长度最长为100米100BASE T4采用8B6T的块编码方案 4 3 4高速以太网媒体选项 续 4 100BASE T2 采用2对3类双绞线来实现100Mbps的数据速率采用双向基带传输机制 每对电缆可以同时进行发送和接收 即支持全双工的数据传输采用5级脉冲幅度调制PAM5x5 Five levelPulseAmplitudeModulation 信号编码机制采用5种不同的信号电平 其中4个信号电平用于传递2比特的数据每对电缆采用25Mbaud的信号速率 支持的数据速率为 2 对 25Mbaud 2bit signal 100Mbps 4 3 4高速以太网媒体选项 续 2 1Gbps媒体选项 允许在1Gb s下全双工和半双工两种方式工作 使用802 3协议规定的帧格式 在半双工方式下使用CSMA CD协议 全双工方式不需要使用CSMA CD协议 与10BASE T和100BASE T技术向后兼容 4 3 4高速以太网媒体选项 续 千兆以太网支持4种传输媒体 1000BASE X采用8B 10B信号编码机制 具有更好的传输特性和差错检测能力包括三种媒体选项 长波光纤的1000BASE LX 短波光纤的1000BASE SX 铜媒体的1000BASE CX1000BASE T使用4对5类UTP 网段长度最大为100米信号编码方案是4D PAM5 支持1Gbps5类UTP支持125M波特的信号速率PAM5采用5级电平 其中4种电平可以携带2比特的数据 4 3 4高速以太网媒体选项 续 3 10Gbps媒体选项 10吉比特以太网与10Mb s 100Mb s和1Gb s以太网的帧格式完全相同 10吉比特以太网还保留了802 3标准规定的以太网最小和最大帧长 便于升级 10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体 10吉比特以太网只工作在全双工方式 因此没有争用问题 也不使用CSMA CD协议 4 3 4高速以太网媒体选项 续 10Gb支持2种信号编码 8B 10B 64B 66B10GBASE X采用8B 10B信号编码机制长波光纤的10GBaseLX4 采用多模光纤时覆盖范围为2 300米 采用单模光纤则为2米 10千米10GBaseR和10GBaseW采用64B 66B编码方式支持短波串行10GBaseS 长波串行10GBaseL 超长波串行10GBaseE光纤 4 4网桥和交换机 网桥工作原理生成树算法局域网交换机虚拟局域网 4 4 1网桥工作原理 1 概述网桥 bridge 最早是设计为把那些具有相同的物理层和媒体访问子层的局域网互连起来而设计的网桥适合于不是非常复杂的局域网之间的互连 它工作在OSI模型中的第二层网桥提供一种对LAN的扩展 实现MAC子层的连接网桥对遵循IEEE802标准的局域网是完全透明的 4 4 1网桥工作原理 站表 接口管理软件 网桥协议实体 缓存 接口1 接口2 网段B 网段A 1 1 1 2 2 2 站地址 接口 网桥 网桥 接口1 接口2 1 2 4 4 1网桥工作原理 续 网桥是第二层 数据链路层 的设备网桥特点 能够实现不同类型局域网之间的互联能扩大互联局域网的地理范围能提供网段间的隔离能隔离错误 缓解网络通信的繁忙程度 提高网络性能可以提高网络的安全性 4 4 1网桥工作原理 续 B2 B1 冲突域 冲突域 冲突域 A B C D E F 4 4 1网桥工作原理 续 网桥功能 网桥的作用是通过其 过滤和转发 功能来实现的 当网桥收到一个MAC帧时 它检查该帧的源地址和目的地址 如果目的站点和源站点是在同一网络之上 则不对其进行转发 这起到了相应的 过滤 作用 否则根据它所保持的路由表选择正确的网络来进行 转发 网桥可能具有 学习 功能 应该能够动态地了解别的局域网或网桥的状态 帮助其进行自我配置工作 4 4 1网桥工作原理 续 IEEE802委员会提出两种路由策略 基于生成树算法的透明网桥以及适合于令牌环网的源路由网桥2 透明网桥 TransparentBridge 透明 网桥对于现有LAN的运行是完全透明的不用改动硬件和软件LAN上的站点不用作任何改动 完全透明网桥也不用转入路由表路由机制采用的是一种叫做生成树算法的技术 来防止路由回路 4 4 1网桥工作原理 续 网桥工作原则 每个桥维护一个基于MAC地址的过滤数据库 过滤数据库中列出了每个可能的目的地 目的MAC地址 以及它属于哪一条输出线路 一个端口号 即表示转发给哪个LAN 过滤数据库中每个表项有一个超时字段 如果一段时间内没有来自于该站点的帧 则从表中移走 4 4 1网桥工作原理 续 地址接口 A B C D E F 1 2 1 2 地址接口 转发表的建立过程举例 4 4 1网桥工作原理 续 过滤数据库采用逆向学习法 backwardlearning 获得 即利用每个MAC帧中的源地址来获得各主机的位置 当一个帧到达一个端口时 桥显然知道它是来自于LAN的哪一边 帧的源地址字段表示了源站点 因而桥可以更新那个MAC地址对应的过滤数据库中有关信息 4 4 1网桥工作原理 续 网桥根据这个过滤数据库 把收到的帧往相应的局域网进行转发或者过滤 如目的地址找不到 则采用扩散法把该帧转发到除进来端口外的其他所有端口如目的地址的端口和进来端口一致 则丢弃该数据帧如目的地址的端口和进来端口不一致 且目的端口为非阻塞 则通过目的端口转发到其所在网段 4 4 1网桥工作原理 续 如果收到一个广播帧 网桥会把广播帧向该帧的到来端口外的所有其它端口转发广播帧的目的地址代表所连接的局域网的所有目的主机网桥实现MAC子层的连接 通过网桥连接的LAN相当于一个大的LAN通过网桥连接的站点位于同一个广播域 broadcastdomain 即这些节点能相互接收彼此的广播帧 4 4 1网桥工作原理 续 网桥的工作过程示例 学习 站点A给B发送数据 网桥通过察看帧的源地址了解到A在端口1 过滤数据库中加入 扩散 网桥并不知道B在何处 因此把帧向所有其它端口 即端口2和3 进行扩散 4 4 1网桥工作原理 续 转发 B收到A发过来的帧之后 可能会进行回应 即B发送数据给A 这个时候网桥察看源地址了解到B在端口2上 加入表项 同时帧的目的地址A在过滤数据库中存在 并且在端口1上 因此B发回给A的帧向端口1转发 4 4 1网桥工作原理 续 过滤 现在站点C向A发送数据 由于A C和网桥连接到同一个集线器上 网桥也会收到该帧 察看源地址C 记录C在端口1 加入表项 同时目的地址A在过滤数据库中并且所在的端口正是收到该帧的端口 因此不进行转发 4 4 1网桥工作原理 续 老化 过滤数据库表项的TTL每秒都增加 超过某个值则从数据库中清除 一般缺省的TTL设置为300秒 老化主要是考虑到网桥的内存有限 节点移动的情况 4 4 2生成树算法 1 路由回路 为了提高可靠性 LAN之间会连接多个网桥 同时也带来路由回路 1 广播帧带来的广播风暴 假设站点1发送一个广播帧 网桥a和b都会收到这个广播帧 并把广播帧转发到LANY上 然后又被网桥a和b收到并转发到LANX 如此往复 4 4 2生成树算法 续 2 单播帧带来的问题 错误学习和重复转发假设桥都已经知道站点1和2的信息 并且站点1传输一个到站点2的帧 这样网桥a和b都会从LANX收到帧 认为1在LANX的一方 并转发到LANY中 站点2就会收到这个帧的两个拷贝同时网桥a转发的帧被网桥b从LANY接收到 因而认为站点1在LANY的这一方 即网桥b会认为1和2都在LANY 这样A和B之间的帧就会被过滤 4 4 2生成树算法 续 单播帧的广播风暴假设两个桥都还不了解站点2的存在 并且站点1传输一个到站点2的帧 这样每个桥收到这个帧后由于没有2的信息会扩散到LANY上 并且被另一个网桥收到后进一步扩散到LANX 如此继续形成单播帧的风暴 4 4 2生成树算法 续 2 生成树算法 解决路由回路的方法是让网桥互相通信 并且构造一棵到达每个LAN的生成树 确保任意两个LAN间只有唯一的一条路径 对于那些由许多节点以及连接节点的边组成的连通图 存在一个生成树 它保证了图的连通性 同时又没有一个闭合环 算法是动态的 当拓扑结构改变时 桥应该能够发现它的改变 并且检测回路 通过关闭某些网桥的端口来自动生成一个新的生成树 4 4 2生成树算法 续 生成树算法中的基本术语 每个桥有一个唯一的序列号 BID 由6字节MAC地址和2字节优先级构成 根桥 标识BID最低的网桥被选为生成树的根每个桥的端口 都分配一个该桥中的16比特的唯一标识 称为 端口号标识 每个端口都赋予一个路径花费 指的是通过该端口在其连接的LAN上传输帧的花费 4 4 2生成树算法 续 两个节点间的路径有一个总花费 等于经过的桥的端口路径花费的和 两个站点间的路径将会通过零或多个桥 在每个桥都加上通过相应端口传输的花费 从而对于每个特定路径有一个总的花费 在最简单的情况下 所有路径花费都为1 因此一条路径的花费将是在路上经过的桥的个数 4 4 2生成树算法 续 根路径花费 对于每个桥 到根桥的具有最少花费的路径 根端口 每个桥有一条到根桥的具有最少花费的路径 该路径上面的第一个跳段所使用的端口就是根端口 如果有两个端口有同样的花费 则选择具有更低端口号的端口 以保证建立一个唯一的生成树 4 4 2生成树算法 续 选取桥 在每个LAN中都有一个桥被选为选取桥 这个桥是在那个LAN中具有最少的到根路径花费的桥 只有这个选取桥允许把帧转发给那个LAN或把来自于那个LAN的帧转发出去 选取端口 选取桥的那个用来把桥连接到该LAN上的端口称为选取端口 对于所有根桥连接的LAN而言 根桥就是选取桥 所有到达LAN或从LAN出发的互连网中的通信都要经过选取端口 4 4 2生成树算法 续 生成树算法中的BPDU消息 生成树算法要求网桥之间通过桥协议数据单元 BPDU 交换信息 定义了三种BPDU 配置BPDU CBPDU 拓扑变化通知 TCN 拓扑变化通知确认 TCA 4 4 2生成树算法 续 每个BPDU由下列信息组成 产生该BPDU消息的桥标识发送该BPDU消息的端口标识产生该BPDU消息的桥所了解到的根桥标识到根桥的路径花费 直接连接到根桥的端口花费一般为0 4 4 2生成树算法 续 生成树的构造的基本步骤 首先决定根桥 标识最低的网桥被选为生成树的根然后决定所有其它桥的根端口桥到根桥的最短路径上的端口就是根端口如果有两个端口有同样的花费 则选择具有更低端口号的端口 4 4 2生成树算法 续 最后决定每个LAN的选取桥和选取端口 LAN上的具有最少根路径花费的网桥就是选取桥 如果有两个或多个桥具有同样的根路径花费 具有最高优先级的桥选取为选取桥 如果选取桥有两个或多个端口连在这个LAN上 具有最低端口标识的端口被作为选取端口 只有选取桥允许执行其选取端口连接的LAN的帧转发过程 开始所有桥都认为自己是根桥 每个桥都会在它连接的每个LAN上广播一个CBPDU来宣告这个信息 4 4 2生成树算法 续 直接连到根桥上的那些LAN上的所有桥可以决定它们的根端口 那个具有到根桥的最少路径花费的端口 这些桥接着在它所连接的其它LAN 除了它的根端口所在的其它LAN 上广播一个BPDU 在转发BPDU时更新其中包括的根路径花费 宣称它离根桥有一个跳段 在任一LAN中 宣称最靠近根的桥 具有最少的到根桥的路径花费的桥 成为选取桥 如果收到一个具有更小路径花费或者路径花费相同但BID更小的BPDU则说明自身不是该端口直接连接的LAN的选取桥 4 4 2生成树算法 续 系统稳定时 只有根桥定期产生BPDU 各个LAN中只有选取桥通过选取端口转发BPDU消息 如果生成树中的某个网桥出故障 下游的网桥将无法收到BPDU消息 在等待一定时间的超时后 下游的网桥将宣称自己就是根桥 从而重新开始配置生成树的过程 任何时候一个桥从某个端口收到一个BPDU时 要判断是否是一个 更好 的BPDU消息 4 4 2生成树算法 续 用三元组来表示一个BPDU消息 Y D X 表示桥X发送的BPDU消息 其中到根桥Y的花费为D 假设所有网桥开始加电 都宣称自己是根桥 则 B3收到B2来的BPDU消息 B2 0 B2 因为2 3 因此B3接受B2为根桥 4 4 2生成树算法 续 接着B3转发该BPDU 在转发时更新路径花费 因此B3往LANA转发BPDU B2 1 B3 该BPDU将被B5收到 同时这个时候B2收到B1来的BPDU消息 发现B1的BID更小 因此接受B1为根桥 同时往LANC转发BPDU消息 B1 1 B2 该BPDU将被B3接收 B5也收到B1发送的BPDU 接受B1为根桥 B5会把刚收到的BPDU转发给LANA B3会收到 B1 1 B5 B3接受B1为根桥 并且发现B2和B5都更靠近B1 停止转发消息 4 4 2生成树算法 续 当拓扑结构变化时 为减少暂时的路由回路出现 对要从阻塞状态变为转发状态的端口 不是立即进行状态迁移 而是等待一段时间后在变化 以保证新的拓扑信息传遍所有的局域网 为解决收敛速度慢的问题 对生成树算法作了一些改进 引入了快速生成树协议 对点到点链路和直接连到端系统链路的端口 可直接从丢弃状态 原来的Disabled Blocking Listening状态 变为转发状态 4 4 3局域网交换机 局域网交换机实际上是一种高性能的多端口网桥 局域网交换机和网桥的主要区别 网桥一般只有少数几个接口 而局域网交换机则可能有几十个端口 局域网交换机中帧的转发采用了高效的交换逻辑来实现 从而能够达到较高的性能 许多交换机都支持全双工模式 也就是能够同时通过同一个端口发送和接收帧 以全双工方式连接到以太网端口的站点永远也不会检测到冲突的存在 吞吐量是原来的一倍 4 4 3局域网交换机 对于普通10Mb