8.1以太网技术原理解析课件

1、DP200004 以太网技术原理 ISSUE 1.0以太网技术原理第1页，共68页。Page 2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前 言第2页，共68页。Page 3学习指南理解以太网技术原理，可以遵循两个逻辑：以太网设备的发展和链路物理介质速率提升第3页，共68页。Page 4参考资料IEEE802.3IEEE802.3uIEEE802.3z IEEE802.3abIEEE802.3ae第4页，共68页。Page 5学习完此课程，您将会：了解以太网的发展史掌握以太网的基本原理掌握以太网端口技术理解L2交换机和L3交换机的

2、工作原理目 标第5页，共68页。Page 6第1章 以太网技术发展史第2章 以太网端口技术第3章 以太网设备介绍内容介绍第6页，共68页。Page 7第1章 以太网发展史1.1 以太网起源及原理简介1.2 以太网发展及标准协议内容介绍第7页，共68页。Page 8以太网的诞生以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。 以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE 802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由Digital Equipm

3、ent Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。第8页，共68页。Page 9冲突检测：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。以太网原理CSMA/CDCS：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。第9页，共68页。Page 10以太网帧结构Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCS

4、Length/Type值含义Length/T 1500Length/T = 1500代表了该帧的类型代表了该帧的长度802.3第10页，共68页。Page 11以太网的MAC地址MAC地址有4 8位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。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。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。00e0.fc39.8034第11页，共68页。Page 12最小帧长与最大传输距离最大传输距离：通常由线路

5、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。第12页，共68页。Page 13第1章 以太网发展史1.1 以太网起源及原理简介1.2 以太网发展及标准协议内容介绍第13页，共68页。Page 14万兆以太网出现IEEE802.3 以太网标准IEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准IEEE802.3ae

6、 10GE以太网标准70年代80年代90年代以太网产生10M以太网发展成熟共享式转向LAN交换机100M快速以太网92年96年千兆以太网迅速发展2002年以太网发展简史第14页，共68页。Page 15共享式以太网传输介质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。10Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）10Base2：细同轴电

7、缆（2代表电缆的字段长度是200米）第15页，共68页。Page 16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第16页，共68页。Page 17标准以太网标准以太网（10Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层最终用户和接入层交换机之间的连接汇聚层通常不使用核心层通常不使用第17页，共68页。Page 18IEEE802.3 线缆名称电缆最大区间长度10BASE-5粗同轴电缆500m10BASE-2细同轴电缆200m10B

8、ASE-T双绞线100m10BASE-F光纤2000m第18页，共68页。Page 19快速（100M）以太网数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。 IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u第19页，共68页。Page 20快速以太网快速以太网（100Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入汇聚层提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接核心层提供交换设备间的连接第20页，共68页。Page 21快速以太网传输距

9、离技术标准线缆类型传输距离100BaseTXEIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100m100BaseT4EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m100BaseFX多模光纤（MMF）线缆550m-2km单模光纤（SMF）线缆2km-15km第21页，共68页。Page 22千兆以太网千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1 Gbps。 标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）第22页，共68页。Page 23千兆以太网千兆（1000Mbi

10、t/s）以太网网络定位模型分类网络定位接入层一般不使用汇聚层提供接入层和汇聚层设备间的高速连接核心层提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联第23页，共68页。Page 24千兆以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离1000BaseT铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m1000BaseCX铜质屏蔽双绞线25m1000BaseSX多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光550m/275m1000BaseLX单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光2km-15km第24页，共68页。Page 25IEEE802.3z的线缆标准10

11、00BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。 1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。第25页，共68页。Page 26IEEE802.3ab的线缆标准1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，

12、最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。第26页，共68页。Page 27万兆以太网已经开始部署，预计未来将有大规模的应用标准为IEEE802.3ae只有全双工模式创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)第27页，共68页。Page 28第1章 以太网技术发展史第2章 以太网端口技术第3章 以太网设备介绍内容介绍第28页，共68页。Page 29第2章 以太网端口技术2.1 自协商技术2.2 自适应技术2.3 流量控制内容介绍第29页，共68页。Page 30自协商10Mb/

13、s半双工10Mb/s全双工10Mb/s自协商100Mb/s自协商100Mb/s全双工端口1自动协商端口2自动协商端口3自动协商端口4自动协商端口5自动协商第30页，共68页。Page 31自协商基本页信息000010123456789101112131415Message TypeEthernet=00001Reserved10BASE-T半双工10BASE-T全双工100BASE-TX半双工100BASE-TX全双工100BASE-T4流控支持远程故障指示确认下一页指示第31页，共68页。Page 32自协商信号约2ms约100ns约62.5s时钟数据位0时钟数据位1数据位13时钟数据位14

14、时钟整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成第32页，共68页。Page 33与没有自协商机制的设备连接不使用自协商机制会出现以下情况：无法实现端口的自动双速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)无法确定双工工作模式无法确定是否需要流量控制功能第33页，共68页。Page 34自协商优先级优先级顺序工作方式A100BASE-TX全双工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全双工E10BASE-T第34页，共68页。Page 35光纤上的自协商对光纤以太网而言，得出的结论是：链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式、流控等），如果光纤两端的配置不同

15、，是不能正确通信的。千兆以太网的自协商机制已经实现。第35页，共68页。Page 36第2章 以太网端口技术2.1 自协商技术2.2 自适应技术2.3 流量控制内容介绍第36页，共68页。Page 37智能MDI/MDIX不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备消除由于电缆配错引起的连接错误简化10/100M网络安装维护，降低开销Receive PairTransmit PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive Pair交叉网线

16、直连网线第37页，共68页。Page 38第2章 以太网端口技术2.1 自协商技术2.2 自适应技术2.3 流量控制内容介绍第38页，共68页。Page 39流量控制当通过交换机一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧。在半双工方式下，流量控制是通过反压（backpressure）技术实现的，模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x标准。第39页，共68页。Page 40半双工流量控制backpressure假装有冲突了，这样你就不会发个不停了！第40页，共68页。Page 41全双

17、工流量控制IEEE802.3x标准定义了一种新方法，在全双工环境中去实现流量控制。交换机产生一个PAUSE帧，PAUSE帧使用一个保留的组播地址：01-80-C2-00-00-01，将它发送给正在发送的站，发送站接收到该帧后，就会暂停或停止发送。PAUSE帧利用了一个保留的组播地址，它不会被网桥和交换机所转发，这样，PAUSE帧不会产生附加信息量。第41页，共68页。Page 42全双工流量控制PAUSE功能的应用场合：一对终端 （简单的两点网络）一个交换机和一个终端交换机和交换机之间的链路PAUSE功能不解决下列问题：稳定状态的网络拥塞端到端流量控制比简单的“停启”更复杂的机制第42页，共6

18、8页。Page 43第1章 以太网技术发展史第2章 以太网端口技术第3章 以太网设备介绍内容介绍第43页，共68页。Page 44第3章 以太网设备介绍3.1 Hub的工作原理3.2 二层交换机的工作原理3.3 VLAN与三层交换机内容介绍第44页，共68页。Page 45传统以太网连接设备HUBHub的工作模式注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层物理层HUB应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层第45页，共68页。Page 46所有的HUB都是半双工的Hub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUT第46页，共68页。Page 47由

19、HUB组建以太网的实质实际上网络中由HUB组建以太网实质是一种共享式以太网，存在共享式以太网的所有缺陷： 冲突严重； 广播泛滥；无任何安全性。第47页，共68页。Page 48第3章 以太网设备介绍3.1 Hub的工作原理3.2 二层交换机的工作原理3.3 VLAN与三层交换机内容介绍第48页，共68页。Page 49二层工作模式网桥/二层以太网交换机的工作模式应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层物理层二层交换机应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层链路层链路层第49页，共68页。Page 50基于源地址学习多播情况下，CAM表项的建立不是通过学习得到的，而是通过IGMP窥探，

20、CGMP等协议获得的。MAC地址所在端口MAC A1MAC B1MAC C2MAC D2分段1分段2ABCPORT1PORT2D 交换机典型应用交换机第50页，共68页。Page 51基于目的地址转发MACDMACA端口1MACDMACA端口2MAC地址所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2第51页，共68页。Page 52二层交换机原理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（不包括源端口）；如果找不到，就向所有的端口发

21、送（不包括源端口）；向所有端口转发广播帧和多播帧（不包括源端口）。第52页，共68页。Page 53三种交换模式 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。第53页，共68页。Page 54L2交换机的缺点L2带来了以太网技术的重大飞跃，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

22、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以太网的主要缺点第54页，共68页。Page 55第3章 以太网设备介绍3.1 Hub的工作原理3.2 二层交换机的工作原理3.3 VLAN与三层交换机内容介绍第55页，共68页。Page 56VLAN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交换机工程部市场部销售部10.110.10.010.110.20.010.110.30.012985第56页，共68页。Page 57VLAN技术的优点和缺点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

23、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？可以让VLAN只限制广播报文，不限制单播报文吗？第57页，共68页。Page 58解决办法（一）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接口；不同VLAN中的主机需配置不同的缺省网关工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机第58页，共68页。Page 59解决办法（二）单臂路由使用支持VLAN属性的路由器连接

24、不同的VLAN前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机第59页，共68页。Page 60（L2+路由器）模式的缺陷需要多个设备，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。工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机第60页，共68页。Page 61解决办法（三）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SWITCH工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.01