以太网知识学习

1、第三章第三章 以太网技以太网技术术3.1 以太网概述以太网概述3.1.1 以太网发展历史以太网发展历史1973197319821982年：年：19731973年，年，XeroxXerox公司提出并实现最初的以太网；公司提出并实现最初的以太网；19791979年，年，XeroxXerox与与DECDEC联合，后来联合，后来IntelIntel加入，加入，19801980年发布年发布10Mb/s10Mb/s版以太网标准版以太网标准DIX80DIX80；19801980年，年，IEEEIEEE的的802802组成立。组成立。1983198319901990年：年：19831983年，年，IEEEIE

2、EE发布了发布了802.3802.3标准；标准；19841984年年,DEC,DEC发布透明发布透明LANLAN网桥产品；网桥产品；19871987年，开始研究不同的年，开始研究不同的LANLAN互联，互联，19901990年产生年产生802.1D802.1D标准；标准；19901990年，年，IEEEIEEE通过了双绞线以太网标准。通过了双绞线以太网标准。1991199119971997年：年：19911991年，年，KalpanaKalpana公司开始开发新型的以太网公司开始开发新型的以太网交换机，交换机，19951995年年IEEE802.3IEEE802.3委员会开始研究全双工交换标准

3、，委员会开始研究全双工交换标准，19971997年通过该标准；年通过该标准；1991199119921992年，年，Grand JunctionGrand Junction公司开始公司开始开发开发100Mb/s100Mb/s以太网，以太网，19951995年年IEEEIEEE通过了快速以太网标准，自通过了快速以太网标准，自DIX80DIX80后，以太网第一次速度升级。后，以太网第一次速度升级。19981998今：今：19961996年，年，IEEE802.3IEEE802.3成立千兆以太网标准开发组，成立千兆以太网标准开发组，19981998年完成并同过了该标准，以太网第二次提速；年完成并同过

4、了该标准，以太网第二次提速；19991999年，年， IEEEIEEE成立高速研究组成立高速研究组HSSGHSSG致力于万兆以太网标准的研究，致力于万兆以太网标准的研究，20022002年完成并通过了该标准，以太网第三次提速。年完成并通过了该标准，以太网第三次提速。第三章第三章 以太网技以太网技术术3.1.2 全双工交换式以太网全双工交换式以太网从共享介质到专用介质：从共享介质到专用介质：由同轴电缆向双绞线、光纤由同轴电缆向双绞线、光纤布线转换。布线转换。从共享从共享LAN到专用到专用LAN：由集线器由集线器HUB向交换机转换，向交换机转换，消除冲突域。消除冲突域。交换机核心结构：交换机核心结

5、构：交换矩阵，交换带宽交换矩阵，交换带宽M（端口带（端口带宽）宽）N（端口个数）。（端口个数）。模块模块模块模块模块模块模块模块3.1.3 交换机功能构件交换机功能构件透明网桥透明网桥自协商机制自协商机制访问端口访问端口端口管理端口管理访问端口访问端口上行端口上行端口端口管理端口管理端口管理端口管理 地址转发表地址转发表MAC地址地址; 端口端口 ; 状态状态 ; 过滤过滤 ;VLAN ; 转发、学习转发、学习生成树生成树检查、过滤检查、过滤交换矩阵交换矩阵VTP第三章第三章 以太网技以太网技术术3.2 以太网接线标准以太网接线标准标准名称标准名称介质类型介质类型全双工支持全双工支持10BAS

6、E550欧同轴电缆（粗）欧同轴电缆（粗）否否10BASE250欧同轴电缆（细）欧同轴电缆（细）否否10BASE-T2对对3/4/5类类UTP是是10BASE-FL2路光纤（路光纤（62.5m）是是10BASE-FB2路光纤（路光纤（62.5m）否否10BASE-FP2路光纤（路光纤（62.5m）否否10ROAD3675欧同轴电缆欧同轴电缆否否100BASE-TX2对对5类类UTP或或STP是是100BASE-FX2路光纤（路光纤（62.5m）是是100BASE-T44对对3类类UTP否否100BASE-T22对对3/4/5类类UTP是是1000BASE-SX2路光纤（路光纤（62.5/50m）

7、是是1000BASE-LX2路光纤路光纤（62.5/50/10m）是是1000BASE-CX2对对STP（25m）是是1000BASE-T4对对5类类UTP是是第三章第三章 以太网技以太网技术术3.2.1 100BASE-FX非归零反转码：非归零反转码：如果传输的数字是如果传输的数字是1 1，则进行高低电平，则进行高低电平跳转；如果传输的数字是跳转；如果传输的数字是0 0，则不进行高低电平跳转。，则不进行高低电平跳转。0 1 1 0 1 0 0 0 14B/5B4B/5B编码：编码：每每4 4位比特的数据用一个位比特的数据用一个5 5位比特的码组表位比特的码组表示。每个码组中至少有示。每个码组

8、中至少有2 2次电平转换（次电平转换（2 2个个“1”1”）；连）；连续续“0”0”排列不超过排列不超过2 2个。个。0 0000 111101 0001 01001 2 0010 10100 3 0011 101014 0100 01010 5 0101 01011 6 0110 01110 7 0111011118 1000 10010 9 1001 10011 A 1010 10110 B 101110111C 1100 11010 D 1101 11011 E 1110 11100 F 1111111013.2.2 100BASE-T48B/6T8B/6T编码：编码：采用每采用每8 8

9、个比特数据映射为一个个比特数据映射为一个6 6比特三进比特三进制符号组成的码组。制符号组成的码组。0 1 1 0 1 0 0 0 10000001 000200030+004000E000F 0058 0 59 0 5A 0MLT-3MLT-3码：码：使用使用3 3种不同的电平信号。种不同的电平信号。加权求反平衡规则：加权求反平衡规则：码组每个符号位相加计算权值，码组每个符号位相加计算权值，如果前一码组和当前码组的权值都为如果前一码组和当前码组的权值都为1 1，则当前码组求，则当前码组求反；接收方进行类似的加权求反处理。反；接收方进行类似的加权求反处理。使用使用4 4对对3 3类类UTPUTP

10、：采用特殊编码标志帧开始和结束；用采用特殊编码标志帧开始和结束；用3 3对线同时发送数据，对线同时发送数据，1 1对线报告冲突；数据字节按循对线报告冲突；数据字节按循环方式分配给环方式分配给3 3对线。对线。8B 8B 8B6T6T6T8B 8B 8B6T6T6T1#2#3#4#发送方发送方接收方接收方第三章第三章 以太网技以太网技术术3.2.3 1000BASE-X（802.3z）8B/10B8B/10B编码：编码：对每对每8 8位比特的数据字节用位比特的数据字节用1010个比特的码个比特的码组表示。组表示。流动不等量流动不等量RDRD：1010位码组按前位码组按前6 6位子串和后位子串和后

11、4 4位子串构位子串构成一个流动不等量，如果某个子串在其成一个流动不等量，如果某个子串在其RDRD中中“0 0，1”1”不平衡，则在其不平衡，则在其RDRD中对该子串求反。中对该子串求反。hexRDRDhexRDRD00 100111 0100 011000 101101 011101 0100 100010 10110E 011100 1011 011100 010057 111010 0101 000101 0101选码：选码：按照按照0 0、1 1平衡原则，为码组流选择合适的平衡原则，为码组流选择合适的RDRD或或RDRD组成信息码流。组成信息码流。3.2.4 1000BASE-T（80

12、2.3ad）8B1Q48B1Q4编码：编码：将将8 8比特的字节转换为比特的字节转换为4 4个有个有5 5种电平值的种电平值的码组（码组（A An n,B,Bn n,C,Cn n,D,Dn n) )，n n为序列周期，即转换不仅与源为序列周期，即转换不仅与源字节数字有关，也与字节在字节流中的顺序位置有关。字节数字有关，也与字节在字节流中的顺序位置有关。使用使用4 4对对UTPUTP：采用采用4 4对线同时全双工通信传输。对线同时全双工通信传输。250Mb/s250Mb/sTRTRTRTRTRTRTRTR转换步骤：转换步骤：1)对输入的字节加入一个特殊位进行置乱计算，对输入的字节加入一个特殊位进

13、行置乱计算， 得到一个得到一个9位字，以使生成的位流不会对双工位字，以使生成的位流不会对双工 传输的一对双绞线产生很强的干扰。传输的一对双绞线产生很强的干扰。2)查找查找9位到位到4符号码组的映射表，即符号码组的映射表，即8B1Q4编码。编码。例如：例如：0000000000，0，0，0 ；0000000012，0，0，0；0000000100，2，0，0；0000000112，2，0，0；0100000000，0，1，1；0100000012，0，1，13）利用公式，调整某些符号，使传输线上的）利用公式，调整某些符号，使传输线上的“”、“”平衡。平衡。第三章第三章 以太网技以太网技术术3.3

14、 以太网透明网桥以太网透明网桥3.3.1 转发与学习转发与学习帧的错误校验以及过滤帧的错误校验以及过滤的限制查询逻辑的限制查询逻辑开始开始结束结束转发表有目的转发表有目的MAC？向除了向除了X外的端口转发外的端口转发或者向上行端口转发或者向上行端口转发目的端口目的端口YX？向端口向端口Y转发转发更新转发表定时器更新转发表定时器转发表有源转发表有源MAC？将源将源MAC和端口号和端口号添加到转发表中。添加到转发表中。丢弃帧丢弃帧帧正确地从端口接收？帧正确地从端口接收？NoNoNoNoYesYesYesYes存储转发模式存储转发模式进行完全的错误校验、报文过进行完全的错误校验、报文过 滤和速率转换

15、；滤和速率转换；直通式模式直通式模式接收到目的接收到目的MAC地址后即开始地址后即开始 转发；转发；碎片避免模式碎片避免模式采用直通方式转发大于采用直通方式转发大于64字节字节 的数据帧；的数据帧；智能模式智能模式通过帧错误率在存储转发和直通模通过帧错误率在存储转发和直通模 式间切换；式间切换； 核心交换机可侦听网络内主机和路由器的核心交换机可侦听网络内主机和路由器的ARP广播流，建立自己的广播流，建立自己的IP地址到地址到MAC地址映地址映射表；射表； 学习到的新的转发信息被分布到所有端口学习到的新的转发信息被分布到所有端口模块的转发引擎，转发决策通过位于端口模块模块的转发引擎，转发决策通过

16、位于端口模块的多个分布转发引擎独立完成。的多个分布转发引擎独立完成。第三章第三章 以太网技以太网技术术3.3.2 生成树协议生成树协议STP广播风暴：广播风暴：生成树协议：生成树协议：定义一个覆盖交换域（子网）中所有交换定义一个覆盖交换域（子网）中所有交换机的树，强迫某些冗余链路进入备份（阻塞）状态；一机的树，强迫某些冗余链路进入备份（阻塞）状态；一旦有链路失效，重新配置生成树，激活阻塞的链路。旦有链路失效，重新配置生成树，激活阻塞的链路。工作步骤：工作步骤：1 1）选举根网桥；）选举根网桥； 2 2）发现根通路；）发现根通路； 3 3）监测网络拓扑；）监测网络拓扑； 4 4）改变端口状态。）

17、改变端口状态。 BOOTBPDU内容：内容：目的目的MAC地址地址0180C2000000;源源MAC地址地址目的服务访问点目的服务访问点42；源服务访问点源服务访问点42；控制字段控制字段03；协议标识符协议标识符0000版本版本类型类型00（配置消息）（配置消息）/80（拓扑变化）；（拓扑变化）；根标识符优先级根标识符优先级MAC地址地址根路径费用根路径费用发送消息网桥标识符优先级发送消息网桥标识符优先级MAC地址；地址；发送端口标识符优先级端口号；发送端口标识符优先级端口号；消息寿命消息寿命最大期限最大期限Hello时间时间转发延时转发延时根交换机向邻居发出根交换机向邻居发出一个一个“配

18、置配置”BPDU；收到收到“配置配置”BPDU的的交换机将接收端口设交换机将接收端口设置为根端口，更改置为根端口，更改BPDU（加入自己通（加入自己通往根的费用，设自己往根的费用，设自己为发送消息的网桥），为发送消息的网桥），再向除根端口外的邻再向除根端口外的邻居转发该居转发该BPDU。如果交换机从多个端如果交换机从多个端口收到口收到“配置配置”BPDU，则说明存在冗余链路；则说明存在冗余链路；交换机选择根费用最交换机选择根费用最低的端口作为本机的低的端口作为本机的根端口，并将其他几根端口，并将其他几个收到个收到“配置配置”BPDU的端口设为的端口设为“阻塞阻塞”状态；类似的修改状态；类似的修

19、改BPDU，继续传递该，继续传递该BPDU。发现拓扑变化的交换发现拓扑变化的交换机向指定网桥（根端机向指定网桥（根端口）发送口）发送“变化变化”BPDU，等待；收到，等待；收到“变化变化”BPDU的交换的交换机发送确认消息，同机发送确认消息，同时继续向自己的指定时继续向自己的指定网桥传递该网桥传递该“变化变化”BPDU；传递一直到；传递一直到根交换机，根除了改根交换机，根除了改变配置信息，还重新变配置信息，还重新发出发出“配置配置”BPDU。交换机根据新的交换机根据新的“配置配置”BPDU，改变对端口的，改变对端口的配置。配置。 开始，所有交换机开始，所有交换机都将自己设为根，并把都将自己设为

20、根，并把自自己根标识符的己根标识符的BPDU泛泛洪出去；如果交换机洪出去；如果交换机收收到一个有更低标识符到一个有更低标识符的的BPDU，则修该根网，则修该根网桥桥信息。信息。 这样，通过交换这样，通过交换BPDU就可以选举出根就可以选举出根网桥。网桥。第三章第三章 以太网技以太网技术术3.4 流量控制与自协商机制流量控制与自协商机制3.4.1 以太网流量控制以太网流量控制丢帧的影响：丢帧的影响：整个网络吞吐量随着帧丢失率迅速下降。整个网络吞吐量随着帧丢失率迅速下降。帧丢失率帧丢失率最好吞吐量比率最好吞吐量比率超时超时10s超时超时5s超时超时1s超时超时100msMACMAC控制层：控制层：

21、IEEE802.3MACIEEE802.3MAC控制结构及其帧格式增加了控制结构及其帧格式增加了流量控制。流量控制。物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层MAC介质访问控制介质访问控制MAC控制控制MAC客户端（网桥，客户端（网桥，LLC）OSI模型模型PAUSEPAUSE功能：功能：在全双工以太网链路实现流量控制，使用在全双工以太网链路实现流量控制，使用MACMAC控制帧。控制帧。PAUSEPAUSE操作：操作：实现实现“停启停启”形式的流量控制。形式的流量控制。PAUSEPAUSE配置：配置：1 1）手工配置；）手工配置；2 2）自动协

22、商机制配置。）自动协商机制配置。如果某个设备需要阻止帧的到来，它发送一个如果某个设备需要阻止帧的到来，它发送一个带有等待时间带有等待时间PAUSE帧；帧；对方设备收到该对方设备收到该PAUSE后，按照其中的时间参后，按照其中的时间参数暂停发送帧；暂停时间计时满后，继续正常数暂停发送帧；暂停时间计时满后，继续正常的帧传输；的帧传输；如果希望对方提前结束暂停状态，可发送等待如果希望对方提前结束暂停状态，可发送等待0时间参数的时间参数的PAUSE帧来激活对方。帧来激活对方。PAUSEPAUSE实现：实现：1 1）在发送队列中插入）在发送队列中插入PAUSEPAUSE帧。帧。 2 2）对收到的）对收到

23、的PAUSEPAUSE帧进行语法分析。帧进行语法分析。 3 3）PAUSEPAUSE时序。时序。 4 4）流量缓冲。）流量缓冲。流量控制：流量控制：1）缓冲区阈值。）缓冲区阈值。 2）PAUSE时间的选取。时间的选取。 3）对称性（单向控制、双向控制）。）对称性（单向控制、双向控制）。第三章第三章 以太网技以太网技术术3.4.2 以太网自协商机制以太网自协商机制目的：目的：让计算机和交换机相互确定对方的能力，并把让计算机和交换机相互确定对方的能力，并把它们自己设置为它们自己设置为“最高公共体最高公共体”双方共同支持的双方共同支持的最大功能集合。最大功能集合。自协商协议功能：自协商协议功能：1

24、1）检查和控制接口；）检查和控制接口； 2 2）双绞线的技术能力；）双绞线的技术能力； 3 3）对流量控制的协商；）对流量控制的协商； 4 4）确定主）确定主/ /从定时器；从定时器； 5 5）双绞线电缆的并行检测；）双绞线电缆的并行检测； 6 6）通过双绞线交换协商数据。）通过双绞线交换协商数据。0123456789 10 11 12 13 14 15基本页基本页信息信息报文类型报文类型10BASE-T半双工半双工10BASE-T全双工全双工100BASE-TX半双工半双工100BASE-TX全双工全双工100BASE-T4半双工半双工流控制支持流控制支持远程故障指示远程故障指示确认确认下一

25、页指示下一页指示保留保留0123456789 10 11 12 13 14 15基本页基本页信息信息报文类型报文类型全双工全双工半双工半双工PAUSE非对称方向非对称方向远程故障远程故障1确认确认下一页指示下一页指示保留保留远程故障远程故障21000BASE1000BASEX X接口的自协商接口的自协商 相同类型接口间的数据交换包括：相同类型接口间的数据交换包括： 1 1）全双工或半双工能力：）全双工或半双工能力： 2 2）流量控制机制；）流量控制机制； 3 3）远程故障状况；）远程故障状况； 4 4）厂商产品的相关数据。）厂商产品的相关数据。3.5 优先级管理与链路聚合优先级管理与链路聚合3

26、.5.1 以太网信息流优先级以太网信息流优先级优先级分配管理：优先级分配管理：1 1）由（核心）交换机完成对输入帧的确认、分类和优）由（核心）交换机完成对输入帧的确认、分类和优 先级分配；先级分配；2 2）由终端系统完成对帧的确认、分类和优先级分配。）由终端系统完成对帧的确认、分类和优先级分配。802.1p802.1p：在链路层定义优先级。在链路层定义优先级。目的目的MAC源源MAC 协议协议标志标志类型类型数据数据CRC3112优先级优先级VLAN_ID7保留保留6交互式语音交互式语音5交互式多媒体交互式多媒体4多媒体流多媒体流3实时控制数据实时控制数据2标准信息流标准信息流1后台数据后台数

27、据0尽力而为尽力而为实现过程：实现过程：第三章第三章 以太网技以太网技术术P B XH u b边缘交换机边缘交换机核心交换机核心交换机P B XH u b虚链路虚链路MACMAC1端口端口AMAC2端口端口BMAC3端口端口CMAC4端口端口D第三章第三章 以太网技以太网技术术3.5.2 链路聚合链路聚合目的：目的：把一组传输链路聚合起来，形成一条更高速率的把一组传输链路聚合起来，形成一条更高速率的虚链路或主干链路。虚链路或主干链路。链路聚合子层：链路聚合子层：也属于也属于MACMAC控制子层。链路聚合控制协控制子层。链路聚合控制协议议LACPLACP与每条真实的链路独立协商，对输出帧进行调度

28、，与每条真实的链路独立协商，对输出帧进行调度，对接收帧排序并转交给高层应用。对接收帧排序并转交给高层应用。聚合虚链路：聚合虚链路：聚合后的虚链路必需有自己的聚合后的虚链路必需有自己的MACMAC地址。地址。链路聚合消息：链路聚合消息：使用的参数大多来自于生成树协议，同使用的参数大多来自于生成树协议，同时要为每个端口指定一个时要为每个端口指定一个“关健字关健字”。目的目的MAC地址地址0180C2000002协议类型协议类型8809本地系统标识符优先级本地系统标识符优先级MAC地址地址本地端口标识符优先级端口号本地端口标识符优先级端口号分配给端口的关键字分配给端口的关键字本地状态标志本地状态标志

29、同伴系统标识符优先级同伴系统标识符优先级MAC地址地址同伴端口标识符优先级端口号同伴端口标识符优先级端口号分配给同伴端口的关键字分配给同伴端口的关键字同伴系统状态同伴系统状态计时器信息计时器信息链路聚合：链路聚合：将对方交换机中某一关键字组的端口与自己将对方交换机中某一关键字组的端口与自己某一关键字组的端口聚合，允许关键字交叉聚合。某一关键字组的端口聚合，允许关键字交叉聚合。PBXPBX关键字关键字1关键字关键字2关键字关键字3活动聚合链路活动聚合链路备份聚合链路备份聚合链路帧调度方式：帧调度方式：1 1）循环法（）循环法（Round-RobinRound-Robin）；）； 2 2）HASH

30、HASH散列法（散列法（802.3ad802.3ad）。）。会话：会话：将需要按顺序传输的帧组成一个会话，特定会话将需要按顺序传输的帧组成一个会话，特定会话中的所有帧都经过同一条链路按顺序传输，不属于会话中的所有帧都经过同一条链路按顺序传输，不属于会话的帧分布到所有链路。的帧分布到所有链路。会话转移：会话转移：为处理链路失效或负载均衡，可以进行会话为处理链路失效或负载均衡，可以进行会话迁移。向源链路发送特殊消息，告诉同伴终止该链路上迁移。向源链路发送特殊消息，告诉同伴终止该链路上的会话；受到确认后，在另外一条链路上建立会话传输。的会话；受到确认后，在另外一条链路上建立会话传输。PBXPBXF1

31、F2F3F4F5F6PBXPBXFC1F1F3F2F4F5FC1FC1FC2第三章第三章 以太网技以太网技术术3.6 虚拟局域网虚拟局域网虚拟局域网：虚拟局域网：将分布在不同地理位置上的终端组织在一将分布在不同地理位置上的终端组织在一起，形成一个逻辑上的子网（广播域），该子网为一个起，形成一个逻辑上的子网（广播域），该子网为一个VLAN。3.6.1 VLAN划分方法划分方法交换机端口组；交换机端口组；MAC地址组；地址组；IP地址；组播地址。地址；组播地址。3.6.2 VLAN标识标识802.1Q：在以太网帧加入在以太网帧加入4个字节来标识一个个字节来标识一个VLAN。目的目的MAC 源源MA

32、C 8100 TCI数数 据据CRC3bits112bitsVLAN_IDCisco采用不改变原以太网帧格式，而是在帧前面加入采用不改变原以太网帧格式，而是在帧前面加入26个字节的头，以及在帧最后加上个字节的头，以及在帧最后加上4个字节尾部的方法个字节尾部的方法来标识一个来标识一个VLAN。12345678SwitchAVLAN1VLAN2B3.6.3 虚网成员的自动登记虚网成员的自动登记GVRP：基于基于GARP的工作机制，维护交换机中的的工作机制，维护交换机中的VLAN成员的动态注册信息，并传播该信息到其它的交成员的动态注册信息，并传播该信息到其它的交换机中。换机中。GARP消息：消息：消

33、息类型有三类，分别为消息类型有三类，分别为Join、Leave和和LeaveAll。作用：作用：当一个当一个GARP应用实体希望其它交换机注册自己应用实体希望其它交换机注册自己的某属性信息时，将对外发送的某属性信息时，将对外发送Join消息。当一个消息。当一个GARP应用实体希望其它交换机注销自己的某属性信息时，将应用实体希望其它交换机注销自己的某属性信息时，将对外发送对外发送Leave消息。每个消息。每个GARP应用实体启动后，将应用实体启动后，将同时启动同时启动LeaveAll定时器，当超时后将对外发送定时器，当超时后将对外发送LeaveAll消息。消息。GARP应用实体的协议数据报文的目的应用实体的协议数据报文的目的MAC地址地址都是特定的组播都是特定的组播MAC地址。支持地址。支持GARP特性的交特性的交换机在接收到换机在接收到GARP应用实体的报文后，会根据应用实体的报文后，会根据其目的其目的MAC地址加以区分并交给不同的地址加以区分并交给不同的GARP应应用（如用（如GVRP或或GMRP）去处理。）去处理。 12345678Switch1AVLAN1VLAN212345678Switch2VLAN1VLAN2BC第三章第三章 以太网技以太网技术术3.6.3 VLAN通信通信3.6.3.1 VLAN成员通信成员通信链路法：链路法：