以太网交换机与以太网络-讲课用

以太网的MAC地址,以太网的地址叫硬件地址、物理地址、MAC地址。48bit，全球唯一标识。,一般用十六进制表示为：0000.0c12.3456或00-00-0c-12-34-56,接口网卡上的硬件地址,路由器有两个接口,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,每个卡有三个地址：广播地址；多播地址；单播地址。,广播地址自动是FF-FF-FF-FF-FF-FF,单播地址是固定的（一般由厂家设置）,多播地址是根据应用动态设置,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,接口网卡上的硬件地址,单播地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,接口网卡上的硬件地址,广播地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,路由器收得到吗？,网卡上的硬件地址,收不到，因为接口地址必须和帧带的地址一致,上次课我们重点讲了什么？,计算机网络,B向D发送数据,C,D,A,E,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有D接受B发送的数据,物理总线的广播来实现了站（链路）的单播！,以太网的缺点：站点多了，加剧碰撞、效率低,以太网络的主要工作,帧的定界和透明传输；根据MAC地址传输数据帧到正确的接收站；差错检查。,8,以太网设备与网络,第4章局域网络,杨雄编写,传统以太网以太网的工作原理,两个标准DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。,以太网的层次,媒体接入控制介质访问控制MAC,站点,以太网地址也叫MAC地址,物理层,链路层,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,目的地址,FCS,6,6,2,4,字节,461500,网络数据,杨雄编写,以太网的帧,12,帧的怎么定界？怎么做透明传输？,第4章局域网络,基带信号与基带传输,A,B,010011100,基带信号时钟同步困难（A和B同步）,三个1（码元）需要四个时间点,由于采样时间比发送端长变成了2个1（码元）,？1100,基带信号与曼彻斯特编码传输,01,电平变化来发现信号变化识别出码元数据,码元,无码元（数据）传输时电平没有变化，即理解为没有载波！,以上介绍是为了理解以太网络的传输方法而作的示意具体的准确的原理和方法需要在其他课程学习和掌握,数据,信号,以太帧,物理层,杨雄编写,链路层,MAC以太帧,前同步码为1010间隔的电平变化，强化电路上电平变化，使得接收方和发送方采样时钟同步，即位同步,帧的定界符是10101011，遇到它就是帧的开始！,那么帧的结束呢？,没有！,帧之间用什么来分别？,空闲！,帧透明传输如何做？,10101011可以出现在数据中，无需转义,因为空闲之后有10101011才可能是帧开始,即每个帧发完之后必须停止一段时间，即无载波，这样就可以判断是帧结束,帧内数据是连续发送的！空即结束,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,目的地址字段6字节,杨雄编写,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,源地址字段6字节,杨雄编写,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,类型字段2字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。,杨雄编写,杨雄编写,以太网V2的MAC帧格式,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。,以太类型值(16制)对应协议0 x01010 x01FF实验0 x0800网际协议（IP）0 x0805X.25Level30 x0806地址解析协议（ARP：AddressResolutionProtocol）0 x0808帧中继ARP（FrameRelayARP）RFC17010 x80F3AppleTalk地址解析协议0 x8848多协议标签交换（MPLS组播）0 x8863以太网上的PPP（发现阶段）0 x8864以太网上的PPP（PPP会话阶段）0 x9200VLAN标签协议标识符（VLANTagProtocolIdentifier）,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,杨雄编写,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,杨雄编写,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,杨雄编写,PPPoE,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,数据字段461500字节,数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度,杨雄编写,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,FCS字段4字节,杨雄编写,以太网保留了FCS，基本不用了,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,当数据字段的长度小于46字节时,杨雄编写,21字节,46-21=25字节,填充25个字节垃圾,接收方怎么知道有25个字节垃圾？,杨雄编写,交换机的出现-设备与拓扑,局域网络,杨雄编写,以太网的连接方法,以太网可使用的传输媒体有三（四）种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有多种不同的物理层。,10BASE5粗缆,10BASE2细缆,10BASE-T双绞线,10BASE-F光缆,以太网媒体接入控制MAC,100BASE-T双绞线,1000BASE-X光缆,杨雄编写,以太网连接的演化,10BASE5粗缆,10BASE2细缆,10BASE-T双绞线,10BASE-F光缆,100BASE-T双绞线,1000BASE-X光缆,1000BASE-T双绞线,同轴电缆,双绞线电缆,光缆,杨雄编写,星形网以太网,把总线封在一个小盒子里,通过RJ45接口连接总线,RJ45,计算机和小盒子用双绞线连接,HUB,集线器,外表星型，实际总线,100米,缺点：距离短、争用效率低,杨雄编写,用多个集线器可连成更大的局域网,主干集线器,HUB-集线器,扩大网络规模,杨雄编写,扩大网络规模,物理上，是一个总线，更大的总线,杨雄编写,扩大网络规模,一个更大的HUB,一个网络用HUB来扩大有什么问题？,杨雄编写,碰撞域(冲突域CollisionDomaim)冲突域是CSMA/CD工作的范围任何两站点间同时发送数据就会产生冲突的范围属于同一个冲突域广播域(BroadcastDomaim)广播帧到达的网络范围称为广播域每个广播帧，广播域内所有站点都听到总线型的以太的碰撞域肯定是广播域因为物理层就是一个广播网，才引起碰撞的问题,冲突域与广播域,杨雄编写,扩展的局域网物理层到链路层扩展的演化,存储器存储器隔离物理信号存储器来转发帧,三个独立的碰撞域，还是独立的。随着网络扩大，碰撞域没有扩大。,桥,CPU,网桥的内部结构,站表,网桥协议软件或硬件,端口1,端口2,缓存,物理网段B,物理网段A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,MAC地址,从到的帧如何走？1、在网段B发布帧无站接收2、网桥接收后查表从1端口再送出去3、网段A的接收了,杨雄编写,端口2,端口1,CSMA/CD,CSMA/CD,网段A和网段B之间没有了CSMA/CD,桥的MAC地址和端口映射表怎么生成？,局域网络,杨雄编写,网桥的转发表生成,站表,网段B,网段A,站地址,端口,网桥,MAC地址,1、想发送帧给2、知道的MAC地址但是不知道怎么连接在哪里3、用CSMA/CD协议发送给的帧4、网段A没有，没有真的接收站,5、网桥接收这个帧6、网桥知道了和端口1的关系（在站表登记）7、网桥从其它端口广播转发帧8、这个帧在网段B传，收到帧9、其它网段没有接收者,网段C,网段D,站表中就有一项：对应到端口1,端口1,端口2,端口3,端口4,杨雄编写,网桥的转发表生成,站表,网段B,网段A,站地址,端口,网桥,MAC地址,1、想发送帧给2、知道的MAC地址但是不知道怎么连接在哪里3、用CSMA/CD协议发送给的帧4、网段B没有，没有真的接收站,5、网桥接收这个帧6、网桥知道了和端口2的关系，在站表登记7、网桥从端口1转发帧8、收到这个帧（定点转的）9、站表越来越满,站表中就有一项：对应到端口1,地址,2,网段C,网段D,端口1,端口2,端口3,端口4,地址,2,地址,2,X地址,3,Y地址,4,杨雄编写,站表与转发总结,站表,网段B,网段A,站地址,端口,网桥,MAC地址,地址,2,网段C,网段D,端口1,端口2,端口3,端口4,当网桥收到帧，就取出目的MAC地址在站表中找,如找得到，则定点转发,如找不得到，则广播转发,源MAC地址和接收的端口，登记在表中,这个叫来路决定去路,这里的广播转发，不是HUB和总线的物理广播了，而是主动的广播。也叫链路层广播。,杨雄编写,站表信息：1)站地址：源MAC地址2)端口号：这个源MAC地址对应的端口号3)寿命(生存期)：收到最后一个帧的时长生存期：如生存期是5秒，寿命大于等于5秒则清除这个项目到达这个站的道路将重新建立,网桥在转发表中登记以下三个信息,物理网段B,物理网段A,端口2,端口1,站对应端口1：即发往站，只要转发给端口1即可,4秒前发了最后一个帧给站。,过1秒后，还是没有发给站的帧。,这个项目清除了,站没有对应端口了：不知道站在哪里了即发往站，只能广播了。,只有等站发了帧，才重新建立它，寿命为5,表项为什么要长时间不用后清除？,杨雄编写,交换机的出现,网段B,网段A,网桥,分段共享式存储交换SWITCHHUBHUB部分非独占带宽,杨雄编写,交换机的出现,端口独占带宽SWITCH,每个端口全双工通信,无碰撞无需CSMA/CD,计算机网卡有CSMA/CD，和无CSMA/CD可以相连,杨雄编写,交换机的出现,以太网交换机的每个端口都可直接与计算机相连，并且都工作在全双工方式,每个计算机独占端口带宽,每个计算机无碰撞地传输数据,交换机总容量为N10Mb/s,HUB总容量为10Mb/s,HUB是半双工传输数据，每个计算机静态得到10Mb/s的N分之一,以太网交换机是物理层的二层，所以也叫二层交换机,杨雄编写,用以太网交换机扩展局域网,至因特网,100Mb/s,100Mb/s,100Mb/s,万维网服务器,电子邮件服务器,以太网交换机,通信学院,计算机学院,数学学院,集线器,集线器,集线器,10BASE-T,杨雄编写,桥或交换机扩展网络会出现什么问题？,站表,网段B,网段A,站地址,端口,网桥,地址,2,网段C,网段D,端口1,端口2,端口3,端口4,环路的出现,广播风暴,严重的效率低下网络死亡,生成树,虚拟网络VLAN,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,任何主机之间可以直接传输数据,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,port1,port2,port3,port4,port5,port6,VLAN1,VLAN2,port1-port2可以传输数据吗?,port1-port6可以传输数据吗?,一个虚网络内可以传输数据！虚网之间不能传输数据！,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,port1,port2,port3,port4,port5,port6,VLAN1,VLAN2,相当于,两个交换机,欢迎提问和讨论,为什么说以太网交换机是双工的？,杨雄编写,铜缆连接到以太网的示意图,粗缆收发器外置：收发数据、冲突检测,粗缆,收发器放在网卡内,细缆,铜缆连接到以太网的示意图,细缆,收发器,粗缆,杨雄编写,铜线连接到以太网的示意图,HUB物理层设备（设备之间100米）,杨雄编写,1、由于是广播转发的；2、道路必须避免环出现-生成树,透明网桥或交换机构造的网络有环怎么办？,杨雄编写,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,透明网桥或交换机使用了生成树算法,局域网2,局域网1,网桥1,A,F,A发出的帧,B,A向B发送帧：源地址A，目的地址B,网桥1转发表目的站出口A1,接口1,接口2,网桥1转发表目的站出口A2,网桥1转发表目的站出口A1,假设网桥1的转发表为空，则到B的路径是不存在的，所以要广播出去,2问题：,1）到A的出口无法稳定,杨雄编写,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,局域网2,局域网1,网桥1,A,F,A发出的帧,B,A向B发送帧：源地址A，目的地址B,接口1,接口2,只有当网桥1有B的转发接口后才停止这样的疯狂转发；但是，几乎没有机会建立这个映射网络就被堵死！,透明网桥或交换机使用了生成树算法,杨雄编写,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,局域网2,局域网1,网桥2,网桥1,A,F,不停地兜圈子,A发出的帧,网络资源白白消耗了,B,A向B发送帧,透明网桥或交换机使用了生成树算法,2）B没有发送出报文前，复制的分组越来越多1变2,2变4,4变。,杨雄编写,生成树算法(Spanningtree),生成树算法（IEEE802.1d)：从互连在一起的网桥或交换机中找出一个没有环路的网来，即产生一个树为了组网方便：无需考虑环是否存在，想怎么接就怎么接为了提高可靠性：有意考虑环的存在，冗余、备份线路让网桥自动发现环的存在，并自动断开环，形成树状结构,杨雄编写,交换设备,总线型拓扑总线交换一个冲突域共享带宽半双工通信淘汰,星型拓扑总线交换一个冲突域共享带宽半双工通信特殊应用,星型拓扑内存交换局部冲突域一个广播域局部共享半双工通信很少用了,星型拓扑内存交换无冲突域一个广播域独占带宽双工通信局域应用支持广域应用,杨雄编写,PPP和以太交换,拓扑点到点；星型/多路访问作用实现2结点之间数据传输；实现多点之间的数据传输信号传输方式频带；基带帧的识别数据链路层；物理层交换无交换；通过交换机实现交换广播无广播；多点广播,PPP以太交换,杨雄编写,以太网络的交换技术,局域网络,杨雄编写,交换机的两种工作方式,存储转发(store-and-forward)收到完整帧再转发直通式(cutthrough)收到地址部分后，识别出目的地址就转发,杨雄编写,存储转发(store-and-forward),存储器,存储总线,存储总线,1、入口的数据帧放入存储器；,2、读取帧的目的MAC地址和源MAC地址；,3、计算FCS里的校验和，发现错误抛弃，结束这个帧的处理；,4、源MAC地址用于填写转发表；,5、目的MAC地址用于查找出口；,6、无出口-广播；有出口从出口转发；,1、可以发现帧错误；,2、由于有缓冲支持不同速率接口；,1、延时大；,杨雄编写,直通式(cutthrough),杨雄编写,1、入口来的数据帧的目的MAC和源MAC地址放入存储器（也可以暂存数据部分）；,2、读取帧的目的MAC地址和源MAC地址；,3、源MAC地址用于填写转发表；,4、目的MAC地址用于查找出口；,5、无出口-广播；有出口从出口转发；,1、快速交换，延时小；,1、接口必须一致的速率；,ASIC高速地址表,交换矩阵,6、转发时无需得到全部的帧，只要识别MAC地址即可。交换矩阵的线路打开直接通出口；,2、没有差错发现；,帧越小效果越好！,采用电子技术开启线路，其它线路则关闭,没有冲突（碰撞）发生！,杨雄编写,线速交换机(wirespeed),存储器,存储总线,存储总线,ASIC高速地址表,交换矩阵,不管是存储交换还是矩阵交换其内部都是称为“交换背板”,交换背板能力用带宽来衡量B,交换背板能力越强，速度越快,接口带宽总数等于各个接口带宽总和S,杨雄编写,线速交换机(wirespeed),接口带宽总数等于各个接口带宽总和S,交换背板能力用带宽来衡量B,称为背板带宽上是线速的,交换机也可以称为是线速的,或称线速交换机,假设一个线速交换机有2个千兆口，12个百兆口，请问背板带宽是多少？,背板带宽=2*1000M*2+12*100M*2=6400M=6.4G,*2表示全双工,杨雄编写,桥或交换机扩展网络会出现什么问题,站表,网段B,网段A,站地址,端口,网桥,地址,2,网段C,网段D,端口1,端口2,端口3,端口4,环路的出现,广播风暴,严重的效率低下网络死亡,生成树技术,？,杨雄编写,1、由于是广播转发的（第一次）；2、广播风暴；3、管理与安全问题；4、生成树算法收敛慢导致网络初期效率低下；5、长距离无法连接。,用2层交换机构造大规模网络的有没有问题？,局域网络,杨雄编写,虚拟局域网络,局域网络,杨雄编写,虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,虚拟局域网虚拟局域网的概念,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,任何主机之间可以直接传输数据,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,port1,port2,port3,port4,port5,port6,VLAN1,VLAN2,port1-port2可以传输数据吗?,port1-port6可以传输数据吗?,一个虚网络内可以传输数据！虚网之间不能传输数据！,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,port1,port2,port3,port4,port5,port6,VLAN1,VLAN2,相当于,两个交换机,杨雄编写,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,虚拟局域网使用的以太网帧格式,802.3MAC帧,字节,6,6,2,461500,4,目地地址,源地址,长度/类型,数据,FCS,插入4字节的VLAN标记,4,VLAN标记12位-4096,VLAN标记称为tag标记,杨雄编写,虚拟局域网虚拟局域网的概念,VLAN1001,VLAN200F,1、VLAN1的端口来的数据帧没有VI