CHL以太网的扩展互联和PPT课件

1、 大学计算机基础大学计算机基础 金可音金可音 欢迎学生使用欢迎学生使用计算机与通信学院School of Computer and Communication计算机网络原理计算机网络原理计算机网络原理计算机网络原理第第7讲讲 以太网的扩展、互联和以太网的扩展、互联和VLAN【第【第3章章 数据链路层（第数据链路层（第3讲）】讲）】第1页/共60页上讲小结（快速提问1）上讲的重点是什么？CSMA/CD协议的要点 载波监听 冲突检测 截断型二进制指数退避算法第2页/共60页上讲要点复习（快速提问2） 什么是局域网 局域网的特点 局域网的数据链路层的特点 CSMA/CD 协议的主要作用 CSMA/C

2、D协议的要点 为什么要冲突检测 冲突时如何处理 什么是以太网争用期，如何计算 指数退避算法的实质是什么 集线器的作用 什么是MAC地址 以太网(V2)的MAC层第3页/共60页本讲内容及其安排 第7讲：以太网的扩展、互联和VLAN 1. 局域网扩展和互连的概念 2. 在物理层扩展局域网 (3.5.1) 3. 在数据链路层互连局域网 (3.5.2) 3.1 网桥的内部结构 （重点） 3.2 透明网桥 （重点） 4. 以太网交换机 (3.5.2) 5. 虚拟局域网 (3.5.2) 6. 快速(100M)以太网 (3.6.1) 第4页/共60页本讲预习情况检查（快速提问3） 什么是局域网的物理扩展

3、什么是局域网的数据链路层互连 透明网桥的工作原理 透明网桥如何知道发到某站的端口 什么是交换以太网 什么是虚拟局域网第5页/共60页1. 局域网扩展和互连的概念 本人定义 局域网扩展：是物理层互联 不执行数据链路层协议 多个共享以太网扩展后仍是一个局域网， 扩展后仍是一个冲突域 局域网互联：是数据链路层互联 执行数据链路层协议，不同类型局域网需要协议转换 多个共享以太网互联后是多个局域网， 互联后是多个冲突域第6页/共60页局域网扩展和互连的概念（续1） 扩展 连接设备：集线器、中继器 不执行数据链路层协议 接收后，不存储、不解读数据帧（不读取帧的控制信息，也不重组帧） 按“位”转发（对衰减了

4、的信号重发） 互连 连接设备：网桥、交换机 执行数据链路层协议 接收后，存储、解读帧的控制信息， 选择转发端口，重组帧，再转发第7页/共60页局域网扩展和互连的概念（续2） 局域网扩展和互连作用上的区别 扩展 扩大地域范围 互联 扩大地域范围 分割冲突域 不同局域网的共享 提高可靠性第8页/共60页局域网扩展和互连的概念（续3） 互连的类型 数据链路层互联：网桥 固定的一种或几种局域网的互连 网桥根据自己的规则，选择转发端口 网络层互联：路由器（参见第四章） 任意类型的局域网互连 为各个互连的局域网分配不同的IP子网路由器根据IP协议和IP地址确定向哪个网络转发第9页/共60页2. 在物理层扩

5、展局域网 (3.5.1)2.1 使用光纤扩展网络的覆盖范围以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器主机第10页/共60页2.2 用多个集线器可连成更大的局域网 设，某大学的三个系，各自有一个局域网一系二系三系 加一个主干集线器组成更大的局域网加一个主干集线器组成更大的局域网主干集线器一系二系三系第11页/共60页用集线器扩展局域网 特点：扩展网络的覆盖范围 缺点 不同的数据率的局域网，不能用物理层扩展。 冲突域增大了，总的吞吐量并未提高，还会下降。在同一个冲突域中的每个节点都能收到信道上的所有帧 第12页/共60页用多个集线器连大网的缺点：冲突域增大了 扩展前：三个独立的冲突域（广播域）

6、同时可以有三对通信，共10M330M带宽一系二系三系冲突域冲突域冲突域第13页/共60页用多个集线器连大网的缺点 扩展后： 一个冲突域 物理上是树型结构，逻辑上是总线结构 主机数量增加冲突次数增加重载时效率更低 同时只能有一对通信，还是10M带宽 必须是相同的（如速率相同）局域网才能这样扩展一系三系二系主干集线器一个更大的冲突域第14页/共60页3. 在数据链路层互连局域网(3.5.2) 局域网的数据链路层互连： 连接设备称为网桥。 网桥：依据帧地址进行转发的二层网络设备，可将数个局域网网段连接在一起。 网桥的主要优点 分割和减少冲突域。 其它优点 可连接不同速率的网段。 可连接不同介质的网段

7、。第15页/共60页3.1 网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体缓存端口 1端口 2网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥端口 1端口 212第16页/共60页站表是转发帧的依据 转发收到的无差错的帧： 按目的地址查找站表的地址栏 找到记录， 若该记录给出的端口就是该帧进入网桥的端口， 则丢弃这个帧 否则，组帧后，向该记录给出的端口转发 没找到记录，组帧后向其他所有端口广播转发第17页/共60页3.2 透明网桥(transparent bridge) 是目前使用得最多的网桥。 根据站表（转发表）组装、转发数据帧。 重点：站表的建立 地址 端口 时间端口：可以到达该地址的端

8、口时间：最近进入该网桥的时间（计时器）第18页/共60页网桥的自学习算法建立站表 自学习的原理： 如果从 A 发出的帧从端口 x 进入了网桥，那么，从这个端口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A 初始：站表为空 网桥每收到一个帧，在站表中记载有关信息： 源地址、进入的端口、时间 方法：查站表中是否有与该帧源地址匹配的记录 若没有：增加一个记录（源地址、进入的端口、时间） 若有：对原记录进行更新（进入的端口、时间）第19页/共60页站表的建立过程举例D 2 t6D BA BA 1 t2F CF 2 t3地址 端口 时间A BA 1 t1F CF 2 t4B2B1ABCDEF1212D 1 t5

9、D B地址 端口 时间B 1 t7B AQuestion：请填写新记录网桥X网桥Y第20页/共60页站表中的时间信息的作用 作用：反映当前网络的最新拓扑状态。 如果一段时间没有收到该地址发来的帧，猜测该站已经关机，则删除该记录。站地址 端口 时间 第21页/共60页透明性 “透明”： “向后学习法”获知路径并逐步完善路径表。 局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，发送站不必指明接收站在哪个子网。不需要任何设置。 网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备， 标准： 第22页/共60页源站在站表中yes在站表插入新记录：源站地址，该帧进入端口号，设置计时器no更新端口号、

10、计时器透明网桥算法（仅供参考）透明网桥算法（仅供参考）维护站表维护站表决定是否、如何转发决定是否、如何转发向除源端口以外的所有端口转发此帧向目的端口转发此帧正确目的端口源端口noyes在站表中找目的站地址找到未找到收到数据帧noyes丢弃此帧第23页/共60页请同学自行小结 网桥：实现局域网的数据链路层互联除了扩大网络范围，互连比扩展有以下优点： 可以将物理层或MAC层不同的局域网互连 二个以太网互连后仍是二个冲突域 提高总的吞吐量。 具有过滤帧的功能（选网功能），收到一帧时， 根据目的 MAC 地址，尽量对一个端口转发 广播信道局域网互连后是多条广播信道 局域网互连后，一个局域网称为一个网段

11、，（区别三层互连中的一个网络） 区别：集线器（同学自己比较）第24页/共60页网桥使各网段成为隔离开的冲突域 保持n个网络原有的n个冲突域B2B1冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域ABCDEF第25页/共60页网桥之间可以使用点到点链路 例如，二栋楼相距较远，各有一个局域网A，B可以在二栋楼之间用一条点到点链路B2B1冲突域冲突域冲突域冲突域ABXY第26页/共60页用户层用户层IPMAC站站 1用户层用户层IPMAC站站 2物理层物理层网桥网桥 1网桥网桥 2AB用户数据用户数据IP-HMAC-HMAC-TPPP-HPPP-T 物理层物理层DLRMAC物理层物理层物理层物理层DLRMAC物

12、理层物理层物理层物理层LANLAN实通信过程中的PDU的变化注意：PPP是对MAC帧的“封装”，而不是“换装”第27页/共60页用透明桥互连不能构成回路局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了第28页/共60页生成树(spanning tree) 目的：避免转发的帧在网络中不断地兜圈子。 生成树(spanning tree)：在多个网桥的互联局域网中，一个全连通的、不存在回路的子集（任何两个站之间只有一条路径） 生成树算法：通过互连的网桥彼此通信后，找出原来的网络拓扑的这个子集(算法比较复杂，略)。 为了反

13、映网络拓扑变化，还要对生成树进行更新。 第29页/共60页使用网桥带来的缺点 存储转发，帧延迟，增加了时延。 比较：集线器扩展，位延迟 因传播过多的广播信息（在站表中找不到目的站地址时）可能产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网第30页/共60页分类 分类之一 二口桥：二个端口，二个局域网互连 多口桥：多个端口，多个局域网互连 分类之二（按工作原理分类） 802标准提供了网桥的两种路径选择算法 透明桥(智能桥)，使用较多： 分委员会推荐， 源路由桥（源站选路桥），用户逐步减少： 分委员会推荐第31页/共60页附录： 源路由网桥简介

14、透明网桥容易安装，但不能充分利用网络资源。 源路由(source route)网桥 发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部。 路由信息的获取 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个“发现帧”，一路记录所经过的路由。 目的站每收到一个“发现帧”，就沿各自的路由送回源站。 源站得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。 发送帧： 发送帧的首部，携带源站所确定的这一路由信息。 第32页/共60页4. 多端口网桥以太网交换机 以太网交换机(switch) 每个端口连接一个局域网或一台设备的网桥 多端口网桥（如，8，24个端口）交换式集线器(switching hub) 第二层交换机（工作在数

15、据链路层） 1990 年问世 工作原理与网桥类似，当收到一帧时 存储转发。 根据目的MAC地址，确定将该帧转发到哪一个端口第33页/共60页以太网交换机的特点 能同时连通多对端口，使每一对端口独占通信媒体，进行无冲突地传输数据。 N 对10M端口的以太网交换机的总容量为 N10 Mb/s 明显地提高了局域网的性能 每个端口工作在全双工方式。 可以具有多种速率的端口 10M、100M、1000M 可以具有多种介质的端口 双绞线、光纤 使用了专用的交换结构芯片，交换速率较高。第34页/共60页用以太网交换机扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb

16、/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器 每个系有一个每个系有一个10M的带宽的带宽 每个服务器有每个服务器有100M的带宽的带宽第35页/共60页以太网交换机的发展 第二层交换机 根据MAC 地址，确定将该帧转发到哪一个端口 具有第三层特性的第二层交换机 有IP数据报分片等功能（见第四章） 多层交换机 根据IP地址，确定将该帧转发到哪一个端口第36页/共60页交换以太网 共享式以太网：所有结点共享同一传输介质。 简单、便宜。最常用的一种组网方式。 主要缺点。 1覆盖的地理范围有限 2网络总带宽容量固定 3不能支持多种速率 交换以太网 采用交换机（不是集线器）构成局域网 每个端口直接

17、连接一台主机第37页/共60页5. 虚拟局域网VLAN （Virtual LAN） p98 网段的概念 一个网段内的主机可以互相直接访问； 一个网段是一个独立的广播域（广播包只在本网段内进行广播，不能传输到其他网段） ；第38页/共60页虚拟局域网VLAN的概念 VLAN：对物理网络进行逻辑划分的多个用户组，每个用户组称为一个VLAN二个VLAN PC1PC2PC3PC4 二个VLAN VLAN1：PC1、PC3 VLAN2：PC2、PC4 交换机第39页/共60页VLAN的概念 VLAN：对物理网络进行逻辑划分的多个用户组，每个用户组称为一个VLAN 一个VALN中的主机具有某些共同的需求；

18、 一个VLAN内的主机可以互相直接访问； 一个VLAN 是一个独立的广播域（广播包只在本VLAN内进行广播，不能传输到其他VLAN） ； 不同VLAN间的主机之间在第二层不能直接通信（必须经第三层路由设备进行转发实现互相访问）。 一个VLAN内的主机不受物理位置的限制，可以进行灵活的划分。（与物理连接的位置无关， VLAN最大的特性 ）第40页/共60页VLAN 优点： 可以灵活设置（不受物理连接限制） 隔离广播域，减小冲突域，提高网络效率 提高数据安全性 VLAN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。第41页/共60页以太网交换机B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN2

19、C1A2C2B2A4VLAN1A1A3以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和和 VLAN3VLAN：可以跨越多个交换机当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。A1, C1等都不会收到 B1 发出的广播信息物理网段3：A4、B3、C3物理网段2：A3、B2、C2物理网段1：A1,A2,B1,C1第42页/共60页VLAN的主要类型 静态 基于端口的VLAN 动态 基于MAC地址的VLAN 基于IP地址的VLAN 基于协议的VLAN 第43页/共60页基于端口的VLAN 是最简单、最有效、最常用的划

20、分方法 在第二层，处于同一个VLAN的端口才能通信 通过交换机实现 例 S1(config)# vlan 8 新建vlan 8 （在全局配置模式下) S1(config)# interface fastethernet 0/5 进入“0/5”号快速以太网端口的配置子模式 S1(config-if)# switchport access vlan 8 将“0/5”号端口定义为VLAN 8的成员第44页/共60页跨交换机的VLAN 交换机为每一个 VLAN分配一个VLAN标识符 接入链路：连接主机和交换机的链路 承载一个VLAN数据的链路 干道链路（trunk link）：用于交换机间的互连。 可

21、以承载多个不同VLAN数据的链路。 以太网的帧有两种格式： 接入链路上：未标记的帧（Untagged Frame） 干道链路：带有标记的帧（Tagged Frame）第45页/共60页VLAN通信过程简介 主机发出都是untagged帧； 主机不需要知道VLAN的存在。 交换机接收到untagged帧后，根据配置规则: 如果需要通过另一台交换机发送，则给该帧加上VLAN标记后通过干道链路传输。 如果是直接将帧交给用户，则不加VLAN标记，将帧发送给主机 (主机接收到是untagged帧） 交换机接收到tagged帧后，根据配置规则 如果需要通过另一台交换机发送，则不删除VLAN标记，通过干道链

22、路传输。 如果是直接将帧交给用户，则删除VLAN标记，将帧发送给主机 (主机接收到是untagged帧）第46页/共60页VLAN干道链路的以太网帧格式 定义了以太网帧格式的扩展 以太网帧格式中的源地址字段后的二个字节 如果值为08100H，表示插入 4 字节的VLAN tag，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个VLAN。 MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址 类 型数 据FCS42 字节2 字节用户优先级用户优先级CFI 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 插入插入 4 字节的字节的 VLAN

23、标记标记第47页/共60页32位的VLAN 标记 标记类型（16位）：0 x8100 0 x8100 0 x6000=1832D：表示这是VLAN帧 标记控制信息（三个域，共16位） VID（VLAN Identified、VLAN ID ):12位， 指明源站属于哪一个VLAN 可以建立4096个VLAN UP(用户优先级、User Priority ) ：3位 指明帧的优先级。共有8种优先级 CFI（Canonical Format Indicator）：1位规范格式指示符 0 ：非规范格式（先传低位，以太网格式） 1：规范格式，用在令牌环/源路由（FDDI）介质访问方法中第48页/共60

24、页VLAN间通信 使用三层的网络设备：路由器或三层交换机， 转发不同VLAN间的数据 第49页/共60页6. 100M以太网(快速以太网Fast Ethernet) 里程碑：确立了以太网技术在桌面的统治地位。 1992年9月提出，1993年10月出产品 1995年推出正式标准： 100Base-T ， 由10Base-T标准以太网发展而来的，相同之处 用双绞线和集线器或交换机 基带传输 MAC 帧格式不变，保持最短帧长不变 可支持共享式与交换式两种使用环境 在交换式环境中可以实现全双工通信所以，10BASE-T的应用软件、网络软件不必修改。第50页/共60页100M以太网的三种不同的物理层标准

25、 （没有同轴电缆标准 ） 100BASE-TX（常用的标准） 使用 2 对 UTP 5 类线（100米） 一对发送，一对接收，可以全双工操作 4B/5B编码 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线（半双工操作） 3对同时传输数据（每对速率） 1对作为冲突检测的接收信道 6B/6T编码 100BASE-FX 使用 2 根光纤，一根发送，一根接收 。 第51页/共60页争用期2 从原来的 51.2 s 改为 s a较小时，信道利用率较高 100M以太网的速率C扩大10倍，为了兼容，需保持a不变， 方法一：增大帧长L （不变） 方法二： 减小（帧长L不变） 实际采用了方法二 最短帧长512bit不变 网段距离100m，争用期（发送512bit的时间）： 从原来的 51.2 s 改为 s 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为 0.96 s。 LCCLTa/0(4-9)第52页/共60页 MAC层：仍采用CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了的帧格式。 在交换式环境中实现全双工通信的100M以太网，CSMA/CD协议是不起作用的。 为了支持3种不同的物理层介质标准，在物理层和MA