以太网技术原理.ppt

1,DZ010011以太网技术原理,ISSUE1.0,2,引入,我们知道局域网包含以太网,令牌环和令牌总线等等,这些技术当中以太网技术以其简明高效的特点逐渐占据了主导地位,所以以下课程单独讲以太网技术。,3,学习目标,描述以太网的基本概念,学习完本课程，您应该能够：,理解以太网常见的几种设备和理解交换机的工作过程,理解VLAN和L3交换机的工作原理,描述以太网当今的发展趋势和千兆以太网,4,课程内容,第一章以太网基本概念第二章HUB和L2交换机出现第三章VLAN和L3交换机出现第四章GE/10GE以太网出现,5,00e0.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,6,Ethernet_II,DMAC,SMAC,Length/T,DATA/PAD,FCS,Length/Type值,含义,Length/T1500Length/T=1500,代表了该帧的类型代表了该帧的长度,802.3,以太网帧结构,7,以太网原理-CSMA/CD,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。,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。,8,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。,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。,9,共享式以太网传输介质,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）,在共享式以太网之时，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。,10,其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。,共享式以太网的缺点,在共享式以太网中，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,11,课程内容,第一章以太网基本概念第二章HUB和L2交换机出现第三章VLAN和L3交换机出现第四章GE/10GE以太网出现,12,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；制作简单；收发使用不同的线缆；逻辑拓扑依旧是总线的，但物理拓扑变为星形；,星形的物理拓扑是如何实现的？,13,传统以太网连接设备HUB,HUB设备工作模型：,注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。,14,所有的HUB都是半双工的,HUB设备工作原理：,HUB仅仅改变了以太网的物理拓扑,15,冲突域,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。,16,由HUB组建以太网的实质,由HUB组建以太网，依然是一种共享式以太网。,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。,17,L2工作模型,(BRIDGE/以太网交换机/L2)设备工作模型：,18,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。,19,基于目的地址转发,MAC地址,所在端口,MACA,1,MACB,1,MACC,2,MACD,2,MACD,MACA,.,端口1,MACD,MACA,.,端口2,20,二层交换机原理,上述原则中存在三处严重的错误，你知道是什么吗？,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。,21,1.接收网段上的所有数据帧；2.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；3.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（不包括源端口）；如果找不到，就向所有的端口发送（不包括源端口）；4.向所有端口转发广播帧和多播帧（不包括源端口）。,正确答案,你知道为什么有这样的限制吗？,22,正确答案,不仅仅是没有必要的问题，而是一定不能再发送，因为这样一个报文会在网段中出现两次。造成严重错误,从这个端口接收的报文，肯定被这个端口所在的网段已知，所以没有必要从这个端口再发送一遍。,23,三种交换模式,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。,24,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,25,双工方式,运行速率,全双工半双工,10M100M1000M10G,8种组合,自动协商,26,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,自动协商实现基础,27,系统加电的时候，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。,双工模式,运行速率,流量控制,.,101001010111000101001101010101.,编码支持能力,28,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,29,广播域,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。,冲突域,冲突域,冲突域,冲突域,30,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,其中广播泛滥严重是L2以太网的主要缺点,为什么使用L2会在一定程度上提高以太网的安全性？,31,课程内容,第一章以太网基本概念第二章HUB和L2交换机出现第三章VLAN和L3交换机出现第四章GE/10GE以太网出现,32,VLAN的起源基于端口分组,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,33,VLAN技术的优点和缺点,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？,34,解决办法（一）,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,35,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,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,36,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。,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,（L2+路由器）模式的缺陷,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,37,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）,SWITCH,工程部VLAN,市场部VLAN,销售部VLAN,10.110.10.0,10.110.20.0,10.110.30.0,38,什么是三层交换机,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。,39,路由器与交换机的接口,40,进行三层转发VLAN间转发,进行二层转发VLAN内转发,是否是路由接口的MAC地址,VLAN属性,帧输入,选择二层交换或三层交换,41,三层交换机的应用,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,42,低端的路由器和L3的区别,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,43,二个问题,为什么L3不增强对路由变化的适应能力？答：必须使用更昂贵的CUP，成本增高。为什么路由器不使用L3的硬件转发？答：广域网路由太多，且不固定，CACHE命中率太低。,44,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。,45,课程内容,第一章以太网基本概念第二章HUB和L2交换机出现第三章VLAN和L3交换机出现第四章GE/10GE以太网出现,46,0101010110101010.,01010101011010101010.,链路层,物理层,千兆以太网物理层8B10B编码,47,8B10B不对称影射10B：1024种组合8B：256种组合数据代码组特殊代码组保留代码组,代码组,48,特殊代码组,特殊代码组,有序集,有序集,链路层数据,有序集,把数据封装在有序集中进行传输,一个或多个特殊代码组的整体是有序集，有序集是特殊代码的组合有序集是个整体在传输链路层数据的时候，在数据前后添加有序集，指示传输的开始,有序集和数据封装,49,千兆以太网物理层有序集Start_Of_Packet：在传输具体数据的开始，发送该有序集。IDLE需要注意的，在没有数据传输的时候物理链路也不空闲，而是传输该有序集来保持激活状态。End_Of_Packet具体数据传输结束的时候发送该有序集，指示数据传输结束。Configuration封装自动协商数据,千兆以太网有序集示例,50,GE对以太网技术的深远影响,GE的特点:1.以低廉的价格提供巨大的带宽2.对以太网技术提供平滑的升级和良好的兼容3.GE的出现使以太网技术从企业网走向城域网10GE的特点:1.10G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。2.10GE的出现将使以太网技术最终冲出城域网，走向骨干网。,51,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/