以太网基础知识ppt课件.ppt

文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 1 以太网基础知识 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 2 了解以太网起源和基本技术 理解以太网数据链路层及以太网帧格式 理解以太网交换机的实现方法 理解VLAN的含义及应用 了解生成树的实现方式 了解组播的实现方式 课程目标 经过该课程后 学员应该掌握以下内容 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 3 以太网起源 原始社会 HUB出现 奴隶社会 L2出现 封建社会 VLAN出现 资本主义社会 L3出现 社会主义社会 GE 10GE出现 共产主义社会 以太网社会发展简史 思考 为什么不把R3 路由器 做为一个社会阶段呢 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 4 以太网起源1 以太网起源和目标2 以太网基本技术 CSMA CD3 以太网基本技术 物理介质 同轴电缆 原始社会 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 5 以太网起源 起源于Xerox公司的一个实验网 该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来 由于该实验网络的突出表现 DEC Intel Xerox三家公司最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书 该建议书的核心思想是 在一个10M带宽的共享物理介质上 把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接 当然 这些设备之间的距离不能太大 最大2 5公里 以太网起源和目标 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 6 以太网的目标 简明和成本低兼容性 对网络层协议的兼容性 寻址灵活 应该有一种机制来确定网络中的一台计算机 全部计算机或一组计算机 MAC地址 公平高速 各个终端应该公平的享有带宽 CSMA CD 高速 数据链路层 无连接 尽力传送 best effort 以太网起源和目标 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 7 以太网基本技术 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 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 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 8 共享介质的灵魂 CSMA CD 带碰撞检测的载波监听多路访问 原理 1 终端设备不停的检测共享线路的状态 只有在空闲的时候才发送数据 如果线路不空闲则一直等待 2 发送过程中 若其他设备也同时发送数据 则其发送的数据必然产生碰撞 导致线路上的信号不稳定 终端设备检测到这种不稳定之后 马上停止发送自己的数据 然后再发送一连串干扰脉冲 然后等待一段时间之后再进行发送 缺点 带宽窄 冲突检测机制 传输时间必须大于延迟时间导致物理长度限制 51 2us的冲突检测窗口 1位在2500m 加上四个中继器的往返时间 帧长最小字节数64 刚好512位 以太网基本技术 CSMA CD 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 9 最小帧长与最大传输距离 最大传输距离 通常由线路质量 信号衰减程度等因素决定 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 某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一个站点 而站点认为线路空闲而发送数据 导致冲突 以太网通信的原则 同一时刻只能有一台主机在发送 但可以有多台主机同时接收 广播 如果一个以太网报文被完全发送出去则在链路上肯定不会发生冲突 即理论上不再需要发送第二次 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 10 古老的传输介质 10Base5 粗同轴电缆 5代表电缆的字段长度是500米 10Base2 细同轴电缆 2代表电缆的字段长度是200米 在上古时代 人们使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接 须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞 然后将抽头接入 此项工作存在一定的风险 因为任何疏忽 都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接 导致这个网络段的崩溃 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 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 11 原始社会的主要矛盾 原始社会中没有阶级关系 所有的主机都以平等的地位连接到同轴电缆上 但如果以太网中主机数目较多 则存在以下严重问题 介质可靠性差 冲突严重 广播泛滥 无任何安全性 其中介质可靠性差是原始社会的主要社会矛盾 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 12 HUB的出现1 以太网基本技术 物理介质 双绞线 2 以太网基本技术 全双工3 HUB的工作原理4 以太网基本技术 自协商 奴隶社会 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 13 物理介质 从同轴电缆到双绞线 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 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逻辑拓扑依旧是总线的 但物理拓扑变为星形 使单段线缆的故障不会影响到这个网络 10BASE T 采用电话双绞线的IEEE802 310Mb s物理层规格 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 14 全双工以太网 1990年 基于双绞线介质的10BAST T以太网 这是以太网历史上一次最重要的革命 提高灵活性和降低了成本 而且引入全双工模式 全双工的出现 加大了带宽利用率 使走出了CSMA CD的模式 以太网基本技术 全双工以太网 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 15 HUB工作模型 HUB设备工作模型 仅仅是物理上的连接设备 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 16 HUB工作原理 HUB设备工作原理 所有的HUB都是半双工的 HUB仅仅改变了以太网的物理拓扑 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 17 HUB基本特点和面临的问题 HUB的特点 1 在物理上是星形结构的 逻辑上为总线结构 各网卡采用CSMA CD技术对其总线进行访问 扩展共享介质局域网 2 HUB根据提供的接口不同 可以分为I类和II类 传统HUB仅支持半双工 根据型号不同 速率有10M 100M 目前使用最多的是10M半双工的 面临的问题 冲突域 在网络中 数据分组传播 产生冲突的区域 HUB扩展了冲突域的范围 但是不能对业务流量进行过滤 如果网络过大 影响了网络性能 必须对冲突域进行分段 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 18 HUB的冲突域 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 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 19 以太网的接口速率有10M和100M 后继出现1000M 10G 端口模式有半双工 后继出现全双工 如果对每个接入网络的设备进行配置 则必然是一项很繁重的工作 而且不容易维护 怎么办 以太网基本技术 自协商 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 20 使用1ms的脉冲来携带自动协商信息 16ms 每个大脉冲插入16小脉冲 以太网基本技术 自协商 自协商的基础 一种底层的以太网机制 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 21 系统建立链路连接时候 首先检测自动协商标志 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 11010101 以太网基本技术 自协商 编码支持能力 思考 为什么对接时一端自协商 一端固定模式会有问题 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 22 HUB 奴隶社会 的主要矛盾 从奴隶社会开始 以太网中第一次出现了阶级的概念 统治阶级和被统治阶级 被统治阶级通常是生产者 主机 网络中的流量只要由生产者产生 统治阶级通常指网络中的连接和交换设备 HUB 虽然他们不从事生产劳动 但却对劳动果实有分配权 奴隶社会存在如下社会矛盾 冲突严重 广播泛滥 无任何安全性 其中冲突严重是奴隶社会的主要社会矛盾 当时的社会生产力非常低下 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 23 如图 各PC机安装了10 100M自适应网卡 交换机支持10 100M自动协商 HUB为10M 请问 1 PC A和交换机之间工作在什么方式 2 PC B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 PC C PC B 总结与思考 HUB LANSwitch PC A 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 24 L2的出现1 以太网基本帧结构2 L2的基本工作原理3 STP 生成树 的基本思想 封建社会 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 25 以太网的MAC地址 MAC地址有48位 但它通常被表示为12位的点分十六进制数 MAC地址举例 00 e0 fc 39 80 34MAC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 例如华为设备的MAC的前24位就是00 e0 fc如果48位全是1 则表明该地址是广播地址 如果第8位是1 则表示该地址是组播地址 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 26 MAC地址是一个 比特的数字 1 物理MAC地址 这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端 比如网卡等 实际上这样的地址是固化在硬件ROM里面的 2 广播MAC地址是 3 组播MAC地址 这是一个 逻辑or物理 的MAC地址 例如 00 10 a4 ab 21 ca是 类型的MAC地址 10 80 00 3d 44 3a是 类型的MAC地址 数据链路层 MAC子层 MAC地址 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 27 几种主要的以太网帧结构 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 28 数据链路层 以太网帧结构 关于Length Type 对于Ethernet II 它的值通常为0 x0800 表示后面数据为IP 目前我们大部分计算机网卡只支持这种帧结构 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 29 Ethernet II帧结构 PRE 先导字节 7个10101010SFD 帧开始标志 10101011 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 30 Ethernet II帧结构 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 31 1 以太网帧结构的查看 答 通过Sniffer软件 可以查看数据帧格式 比较全面的了解各层数据的关系 非常有利于理解目前的帧结构 2 以太网和IEEE802 3区别 答 802 3在以太网标准基础上形成 以太网 物理层 以太网只定义10M 50欧同轴电缆 包括物理层 数据链路层的全部内容 802 3 物理层 定义多种媒质 速率1 10M 包括物理层和数据链路层的MAC子层 而LLC子层在802 2里面定义 另 二者数据帧格式不同 什么地方不同 总结与思考 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 32 HUB带来冲突域的不断扩大 超过200台严重影响了网络性能 必须采用其他设备对冲突域进行分段 对其流量进行过滤 历史上出现过 网桥 通过MAC地址进行流量过滤 另也可以连接两个异构网 比如以太网和令牌环网 网桥在这两个网络中完成地址翻译 通信中继等功能 随后出现了交换机 相当于多端口的的网桥 目前 随着以太网的发展 以太网交换机大行其道 以太网交换机 概述 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 33 HUB和以太网交换机的区别 1 HUB工作在物理层 以太网交换机工作在数据链路层 2 HUB 半双工 所有端口的广播 效率低 以太网交换机 全双工 通过MAC地址的学习和转发 限制了冲突域 却扩大了广播域 交换机让用户通过虚拟线路并行通信并是网络段处于无冲突的环境 以太网交换机 基础知识 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 34 以太网交换机 工作过程 交换机内部维护的CAM表 Content addressablememorg 内容可寻址存储器 1 基于源端口的学习 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 35 交换机学习 转发数据帧的基本规则 1 交换机查CAM表 如果查找到结果 根据查找结果进行转发 不包括源端口 2 如果交换机在CAM表中查找不到结果 则根据配置进行处理 通常情况下是向所有的端口 不包括源端口 发送该数据帧 在发送数据帧的同时 学习到一条CAM表项 3 向所有端口 不包括源端口 转发多播帧和组播帧 4 交换机一般不对帧格式进行修改 交换机的基于源端口的学习 开始的时候 交换机的CAM表是空的 当交换机接收到第一个数据帧的时候 查找CAM表失败 于是向所有端口 不包括源端口 转发该数据帧 在转发数据帧的同时 交换机把接收到的数据帧的源MAC地址和接收端口进行关联 形成一项记录 填写到CAM表中 这个过程就是学习的过程 以太网交换机 工作过程 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 36 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 以太网交换机 工作过程 2 基于宿端口的转发 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 37 以太网交换机 工作过程 老化时间 交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器 该定时器从一个初始值开始递减 每当使用了一次该表项 接收到了一个数据帧 查找CAM表后用该项转发 定时器被重新设置 如果长时间没有使用该CAM表的转发项 则定时器递减到零 于是该CAM表项被删除 此定时器的时间就是老化时间 通常缺省为5分钟 我司设备的CAM表容量 SS42 61ET1V2 8K 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 38 工作过程 交换机把接收到的整个数据帧缓存 检查数据包长度 进行CRC校验然后查询CAM 进行转发 特点 提高了可靠性 可以让数据包提前滤掉 但速度上有折扣 我司METRO设备就是采用这种方式 以太网交换机 交换方式 1 存储转发 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 39 工作过程 交换机接收数据帧的时候 只要接收完帧头信息 发上查询CAM表 根据结果直接转发 特点 大大提高了转发速度 但可能转发一些错误数据包 以太网交换机 交换方式 2 直通方式 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 40 工作过程 交换机接收完数据帧的前64个字节 一个最短帧的长度 然后根据头信息 查CAM表进行转发 特点 滤掉了一些碎片 结合了前两种的优点 以太网交换机 交换方式 3 碎片隔离 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 41 二层交换机硬件结构 L2的转发完全由硬件通过ASIC实现 以低廉的价格实现了线速的转发还有强大的背板总线做支撑 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 42 全双工就是解放生产力 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 支持全双工的设备最近10年制造的网卡 L2 路由器 HUB除外 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 43 L2的冲突域 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 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 44 路径回环的产生 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 45 生成树协议 STP 解决环路问题 生成树协议 SpanningTreeProtocol 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 并在当前活动路径发生故障时激活冗余备份链路恢复网络 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 46 封建社会 L2 的主要矛盾 在封建社会中 全双工和L2带来了以太网社会生产力的两次重大飞跃 彻底解决了困扰以太网的冲突问题 极大的促进了社会进步 并且以太网的安全性也有所提高 但封建社会仍旧存在如下社会矛盾 广播泛滥 安全性仍旧无法得到有效的保证 其中广播泛滥严重是封建社会的主要社会矛盾 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 47 1 交换机为什么建立这种学习 转发的机制 答 因为数据帧宿端口的不确定性 通过学习 确定宿端口 然后转发 如果不学习和HUB相同了 假如宿端口确定 不需要学习 例如我司ET1V1就不用学习 ET1V2就必须学习 2 ping命令 在各网络层面上是如何动作的 答 首先查询自己的ARP表 是否有对应IP的MAC 没有发ARP广播 三层上 和自己一个网段 IP包的目的地址为ping的目的地址 否则为网关地址 二层上 以太网帧则是向所有端口广播 ARPreply后 在发ICMP请求 然后收到reply 表示通 总结与思考 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 48 VLAN的出现1 Vlan的基本概念和划分2 802 1Q帧格式3 跨越交换机的Vlan4 Vlan之间的通信5 以太网的QoS6 IGMP组播 资本主义社会 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 49 VLAN的起源 基于端口分组 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 实现简单 但只能适用于一台交换机 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 50 VLAN 基础知识 1 为什么会出现VLAN 虚拟局域网 以太网交换机的端口 默认情况下 连接到这些端口的计算机能够无阻隔的进行二层通信 但人们希望某些端口上的计算机不能被其他端口上的计算机访问 可以把交换机上任意数目的端口进行组合 这些组合的端口成为一个封闭的系统 只有连接到该封闭系统的计算机可以二层通信 同时可以抑制广播 2 VLAN如何实现 通过在以太网帧里面加入四个字节 引入VLAN ID实现 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 51 在TAG链路上传输这种类型的帧 对端交换机根据802 1Q中的VLANID来区分正确的VLAN 然后向该VLAN包含的端口转发 目前 计算机基本不支持此帧格式 D Addr S Addr 802 1Q L T DATA TYPE PRI CFI VID NAME VLUE TYPEPRICFIVID 8100优先级用于环形结构网络VLANID VLAN 802 1Q帧格式 4个字节 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 52 划分VLAN的目的 抑制广播安全性考虑管理方便 VLAN 基础知识 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 53 可以通过配置的形式 明确指定端口所属的VLAN 特点 配置简单 含义明确与实际联系紧密 应用广泛目前我们用的多是这种方式 VLAN的划分方式 a 划分方式 基于端口 VLAN 2 VLAN 3 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 54 通过MAC地址指定端口的VLAN 和CAM配合可实现VLAN 端口的转换 特点 安全性高配置比较烦琐 VLAN的划分方式 b 划分方式 基于MAC地址 PC A 1 4 A 1 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 55 根据每个主机的网络层地址或协议类型 如果支持多协议 划分的 虽然这种划分方法可能是根据网络地址 比如IP地址 但它不是路由 不要与网络层的路由混淆 它虽然查看每个数据包的IP地址 但不处理 这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN 这样可以减少网络的通信量 但是效率低 使用较少 VLAN的划分方式 c 划分方式 基于三层协议 d 基于IP组播的Vlan划分方式e 基于混合策略的Vlan划分方式 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 56 交换机对VLAN的处理流程 1 接收过程 该过程负责接收数据包 数据包可以是带标签头的 也可以不带标签头 如果不带 交换机会知道根据该端口所属的VLAN添加上相应的标签头 2 查找 路由过程 该过程根据数据包的目的MAC地址 VLAN标识以及数据库中注册的信息决定把数据包发送到哪个端口 3 发送过程 将数据包发送到以太网段上 如果该网段的主机不能识别802 1Q标签头 那么就将该标签头去掉 如果是与其他交换机互连的端口 一般不去掉 交换机对VLAN的处理 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 57 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 VLAN 跨越交换机的VLAN 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 58 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VLANID 用来正确的区分帧所属的VLAN Trunk链路 VLAN 跨越交换机的VLAN TRUNK链路 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 59 端口类型 类型含义 TRUNKUntagged 能接收包含VLANID帧的端口 常用作交换机间连接不能识别VLANID帧 用来连接终端既能识别标记帧 又能接收非标记帧 有一个默认VLAN用于接收到的非标记帧 链路类型 类型含义 TAGACCESS 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 交换机端口类型和交换机间链路类型 Tagged Hybrid 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 60 三个ID VID 以太网帧中所携带的表示该帧所属的VLAN的ID 就是改变以太网世界的那12个bit PVID L2上的所有端口 包括Tagged和Untagged 必须指明属于哪个VLAN 缺省都属于VLAN1 TrunkallowVlanID 在Trunk端口上 必须标识出允许那些vlan通过 即等效于Vlan过滤表中定义的Vlan 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 61 802 1Q的转发原则 当Untagged端口收到帧时 交换机将认为该帧不包含Tag 因此将会把它定义为属于接收端口的缺省VLAN 对带Tag的处理方法各种交换机不尽相同 并在本VLAN内转发 当Tagged端口收到帧时 若收到的帧没有Tag 则利用接收端口的缺省VLAN来确定该帧所属VLAN 并在本VLAN内转发 如果该帧已包含Tag 则该帧所属于的VLAN由Tag中指明的VID所确定 如果该VID属于本端口允许的VLAN 则在本VLAN内转发 否则丢弃 当Untagged端口发送帧时 交换机同样认为端口所连接的设备不能识别Tag 因此发送出去的帧也将不包含802 1QTagheader当Tagged端口发送帧时 如果端口的PVID与被发送帧中的VID不相一致时 发送而且不改变帧中的VID 否则 去掉VID后发送 注意 ET1的处理是有不同之处的 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 62 资本主义社会 Vlan 的问题 在资本主义社会中 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 社会生产力极大提高 社会物质生产空前繁荣 但资本主义社会仍然存在如下问题 使用VLAN来划分网络后 网络的效率提高不少 但是无产阶级为了自己的权益 需要将自己的需求反馈到资产阶级处 可是本来不需要相互访问的两个阶级 现在又要少量的访问需求 该怎么办到呢 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 63 解决办法 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 为什么 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散 64 L2 路由器 模式的缺陷 缺陷 需要多个设备 组网复杂VLAN间通信通过路由器完成 路由器价格昂贵 速率较低 文档密级 内部公开 华为文档 未经许可不得扩散