华为-3COM系列培训课程_以太网交换机基础

1、以太网交换机原理,LAN Switch Fundamental,引入：网络帝国,路由器（男主角） 网络中的核心设备，提供丰富的接口连接、软件特性，也是构建网络的核心力量。 以太网交换机（女主角） 提供各种以太网接口类型的线速转发功能，是构建局域网和城域网的核心力量。 路由交换设备（反串） 提供LAN交换板的路由器；提供增强型引擎的交换机 路由器和交换机的融合趋势越来越明显。 其他设备（配角） 网管、安全、语音、视讯设备，提供网络的管理或业务增值功能。 链路层或物理层交换设备（剧务） ATM交换机、FR、X.25交换机、DDN节点机、传输设备。对各种物理端口进行带宽或时隙的拆分。,培训目标,了解

2、以太网工作的基本机制 掌握二层交换机转发机制和流程（重要！） 掌握三层交换机转发机制和流程（重要！） 掌握三层交换机和路由器的区别 了解交换机的常用协议和技术（可选） 了解当前交换机主要厂商和产品（可选）,培训大纲,以太网基本概念 二层交换机基本原理 三层交换机基本原理 交换机相关协议和技术（可选） 交换机厂商和相关产品（可选）,以太网发展简史,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 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

3、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,万兆以太网出现,2002年,以太网工作机制,CSMA/CD：载波侦听与冲突检测-Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection CS: 载波侦听 发送之前的侦听，确保线路空闲，减少冲突机会 MA: 多址访问 每个站点发送的数据，可以被多个站点接收 CD: 冲突检测： 边发送边检测，发现冲突后进行回退 回退： 检测到冲突后的处理：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,以太网帧格式Ethernet II,DA ：目的MAC地址 SA ：源MAC地址

4、 Type ：帧类型（ARP，IP，RARP） Frame Load：有效载荷 FCS ：帧检测序列,MAC地址,Media Access Control，网络设备根据目的MAC来判断是否处理接收到以太网帧 MAC地址是48 bit二进制的地址，前24位为供应商代码，后24为序列号 单播地址：第一字节最低位为0，如00-e0-fc-00-00-06 多播地址：第一字节最低位为1，如 01-e0-fc-00-00-06 广播地址：48位全1 ff-ff-ff-ff-ff-ff,冲突域和广播域,物理网段（冲突域）：连接在同一导线上所有工作站的集合 逻辑网段（广播域）：限制以太网广播报文的范围。一般

5、来说，逻辑网段定义了第三层网络，如IP子网等。,以太网典型设备-Hub工作原理,Hub的缺陷,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和广播域 在主机数目较多的情况下： 冲突严重 广播泛滥,全双工以太网,数据通过两种独立的路径传输和接收。 只存在两个节点，可以在同一时间对信息进行双向传输，而不会发生冲突。,本章小结,以太网工作机制 CSMA/CD 以太网Ethernet II帧格式和MAC地址 概念：广播域和冲突域 典型设备HUB工作原理和缺陷 全双工以太网,培训大纲,以太网基本概念 二层交换机基本原理 三层交换机基本原理 交换机相关协议和技术（可选） 交换机厂商和

6、相关产品（可选）,二层交换机基本交换过程,通过识别MAC进行,Switch,A,B,C,D,二层交换机工作模型,二层交换引擎,ASIC-Application Specific Integrated Circuit L2FDBLayer 2 forwarding database,二层交换机转发处理流程,查MAC转发表(即L2FDB)处理转发 对于表中不包含的地址，通过广播的方式转发 使用地址自动学习(根据以太网帧的源MAC)和老化机制进行地址表维护 一般不对帧格式进行修改,二层交换机的局限性,二层交换机将网段上的冲突域限制到了端口级、但是无法限制广播域的大小。,扁平二层网络,问题 广播泛滥，

7、网络性能差 网络安全性差 解决方法 在二层交换机上引入VLAN功能,VLAN的基本作用,Virtual Local Area Network 相同VLAN内主机可以任意通信 二层交换 不同VLAN内主机二层流量完全隔离 阻断广播包，减小广播域 提供了网络安全性 相同VLAN跨设备通信 实现虚拟工作组 减少用户移动带来的管理工作量,VLAN的划分方法,基于端口划分 基于MAC地址划分 基于网络层(协议、IP地址、IP子网)划分 基于IP组播划分 基于组合策略划分,基于端口VLAN的划分,建议VLAN和IP子网间是一对一的关系，便于管理,VLAN和端口对应表,VLAN标准（12比特彻底改变了以太网

8、！）,VLAN的标准： 802.10，Cisco在1995年提出 802.1Q，IEEE于1996 制定,VLAN实现虚拟工作组,Access和Trunk链路,Access链路 连接Access链路的交换机端口称为Access端口 帧在Access链路上转发不带VLAN Tag 交换机Access端口接收到以太网帧后，按照端口所在VLAN加上VLAN Tag，然后进行转发 帧从Access端口发送出去，帧中的VLAN Tag会被去掉 Trunk链路 连接Trunk链路的交换机端口称为Trunk端口 帧在Trunk链路上转发带VLAN Tag，因此允许多个VLAN的帧在Trunk链路上转发 交换

9、机Trunk端口接收到以太网帧后，需要判断该Trunk端口是否允许帧中VLAN ID对应的VLAN通过。若允许，则进行转发；否则要直接丢弃该帧 帧从Trunk端口发送出去，VLAN Tag一般不会被去掉,支持VLAN的二层交换引擎,支持VLAN二层交换机地址学习方式,IVL： Independent VLAN Learning； SVL： Shared VLAN Learning；,MAC1 VLAN1 PORT1,MAC2 VLAN1 PORT2,MAC2 VLAN2 PORT3,MAC3 VLAN3 PORT3,MAC1 VLAN1 PORT1,MAC2 VLAN2 PORT2,MAC3

10、VLAN3 PORT3,IVL,SVL,支持VLAN二层交换机转发流程-IVL,根据帧内Tag Header的VLAN ID查找L2FDB表，确定查找的范围； 根据目的MAC查找出端口，图中应该从端口2转发出去； 如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC，则该报文将通过广播的方式在该VLAN内所有端口转发； 同时该以太网帧的源MAC将被学习到接收到报文的端口上，即端口1（VLAN 2）； L2FDB表中的MAC地址通过老化机制更新； 在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改,支持VLAN二层交换机转发流程-SVL,根据帧的目的MAC查MAC转发表(即L2FDB)，查找相应的出端口。根据现有L2F

11、DB表，报文应该从端口2发送出去； 判断出端口的VLAN ID和报文Tag Header内的VLAN ID是否匹配，匹配则转发，不匹配则丢弃； 如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC，则判断出端口的VLAN ID和报文Tag Header内的VLAN ID是否匹配，不匹配直接丢弃；匹配则在该VLAN内广播； L2FDB表中MAC地址通过老化机制来更新； 在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改,支持VLAN交换机的广播域和冲突域,本章小结,交换机的基本转发原理 根据MAC进行转发 VLAN产生的背景 传统交换机不能限制广播域 安全性差 VLAN的基本概念 标签的定义，VLAN的范围 VLAN的

12、划分方法 Access链路和Trunk链路 支持VLAN的交换机的转发流程（可选，了解即可） 地址学习方式为SVL的转发流程 地址学习方式为IVL的转发流程,培训大纲,以太网基本概念 二层交换机基本原理 三层交换机基本原理 交换机相关协议和技术（可选） 交换机厂商和相关产品（可选）,80/20规则,通常，我们按照组织内的工作单位将网络主机划分到一个个的逻辑网络内，从而将这些主机的大部分流量限制在一个比较小的范围内，以减少对其他主机的影响，并降低网络主干的负载。 在这样的划分下，传统网络中的数据流量模式遵循80/20规则（传统园区网络流量模式）,20/80规则,新兴园区网流量模式:,流量模式演变

13、带来的影响,传统的路由器在新兴20/80流量规则面前显的无能为力： 解决办法：使用三层交换机来替代路由器,三层交换技术和L3的提出,二层交换技术极大的提升了以太网的性能，但仍然不能完全满足局域网的需要； 为了将广播和本地流量限制在一定的范围内，交换式以太网采取划分逻辑子网（VLAN）的方式； VLAN间的互通传统上需要由路由器来完成，但路由器配置复杂，造价昂贵，而且转发速度容易成为网络的瓶颈； 新20/80规则的兴起，80%的流量需要跨越VLAN，路由器不堪重负,三层交换机基本特征,三层交换机与传统路由器具有相同的功能： 根据IP地址进行选路 进行三层的校验和 使用生存时间（TTL） 对路由表

14、进行更新和维护 二者最大的区别 三层交换采用ASIC硬件进行包转发 而传统路由器采用CPU进行包转发 相比于传统路由器三层交换具有以下优点： 基于硬件的包转发，转发效率高 低时延 低花费 三层交换机实质就是一种特殊的路由器，有很强交换能力而价格低廉的路由器。,三层交换机功能模型,ETH0:10.153.0.254/24,ETH1:10.153.1.254/24,ETH2:10.153.2.254/24,10.153.0.113/24 G:10.153.0.254/24,10.153.1.8/24 G:10.153.1.254/24,10.153.1.11/24 G:10.153.1.254/2

15、4,10.153.2.22/24 G:10.153.2.254/24,VLAN Switch,Layer3 Switch,三层交换引擎,IP网络规则,主机IP/掩码/目的主机IP确定目的主机是否在本地网络内,ARP请求目的主机MAC,ARP查找设定网关MAC,网关MAC填入以太网帧,三层交换完成通信,目的MAC填入以太网帧,二层交换完成通信,在本地网络内,不在本地网络内,三层交换机选择二层或三层交换,目的MAC是否为三层接口MAC,三层交换 VLAN间转发,是,否,检查VLAN属性,以太网帧输入,二层交换 VLAN内转发,三层交换过程,V1:10.153.80.1/24 MAC:0-0-1,V

16、2:10.153.90.1/24 MAC:0-0-2,A :10.153.80.10/24 MAC:0-0-A,B :10.153.80.11/24 MAC:0-0-B,C :10.153.90.20/24 MAC:0-0-C,Arp请求,ARP 应答,Arp请求,ARP 应答,路由器选路-最长匹配,根据报文的目的地址，与路由项进行匹配操作； 匹配的动作是用报文目的地址与路由项的子网掩码进行“与”；如图 目的IP10.111.1.88和各表项子网掩码“与”的结果如下 10.111.1.88 & 255.255.0.0 10.111.0.0 10.111.1.88 & 255.255.255.0

17、 10.111.1.0 10.111.1.88 & 255.255.0.0 10.111.0.0 如果“与”的结果和路由项中网络地址相同，则认为路由匹配 所有匹配项中子网掩码位数最长的为最佳匹配项，报文据此进行转发（从该表项对应接口发送） 如果找不到匹配项，则根据缺省路由0.0.0.0/0进行转发 如果没有缺省路由则报文被丢弃 路由表和FIB表,交换机选路,交换机的报文选路转发通过ASIC硬件进行，效率大大超过路由器； 交换机除了支持最长匹配转发外（和路由器相同），还支持精确匹配转发 L3FDB表是三层交换机转发的基础,三层交换机转发-精确匹配（流转发）,支持精确匹配转发的L3FDB是类似于二

18、层交换机MAC地址表的Cache； 交换机根据报文的目的IP在L3FDB表中进行查找； 对于能够在此“Cache”命中的报文，则直接根据表项的端口信息进行转发； 不能在“Cache”命中的报文将被送到CPU进行软件路由，路由的原理和路由器完全相同的最长地址匹配； 软件路由后将把该目的IP添加到L3FDB表中； 如果表项长期不被刷新则会被老化掉； 因此，通过多次地址学习就可以把表项逐一加进来，这样后续的流量就可以直接Cache命中，不需要软件路由。这就是三层交换机所谓的“一次路由，多次交换”。,三层交换机转发-最长匹配（逐包转发）,最长匹配转发也依赖于L3FDB； L3FDB转发项通过FIB表项

19、下发建立起来； 对于能够在此“Cache”命中的报文，则直接进行转发。”Cache”方式采用最长匹配算法； 不能在“Cache”命中的报文将被转发到CPU进行软件路由，路由的原理和路由器完全相同的最长地址匹配。,逐包转发引擎保护设备本身,逐包转发,流转发,流转发模式无法适应网络的动荡，更严重的是在“冲击波”等网络蠕虫病毒发作时可能会使全网陷于瘫痪！ 逐包转发模式即使在加载大量路由、网络路由频繁波动、网络蠕虫极其严重的情况下，仍然保证IP报文的线速转发，因而可以保障正常业务的运行。,物理接口与三层接口,Eth1: 2.2.2.2/24,Eth0: 1.1.1.1/24,Eth0/1,Eth0/2

20、,Eth0/3,Eth0/4,VLAN2: 2.2.2.2/24,VLAN1: 1.1.1.1/24,路由器和三层交换机比较,实际上三层交换机和路由器并没有绝对的区别，往高端上其技术是融合的。,本章小结,三层交换机基本原理和功能模型 三层交换流程 三层交换机的精确匹配转发 三层交换机的最长匹配转发 三层交换机与路由器的异同,培训大纲,以太网基本概念 二层交换机基本原理 三层交换机基本原理 交换机相关协议和技术（可选） 交换机厂商和相关产品（可选）,自协商机制,解决不同速率以太网速率兼容性问题 自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据报文或带来任何高层协议开销 自协商的内容包括速

21、率、双工、流控等 注： 若对端设备不支持自协商，缺省假设：链路工作于半双工模式 千兆以太网的自协商机制已经实现,智能MDI/MDIX识别,流控机制,网络拥塞一般是由于线速不匹配（如100M向10M端口发送数据）和突发的集中传输而产生的，它可能导致这几种情况：延时增加、丢包、重传增加，网络资源不能有效利用。 结论：在链路层解决缓冲区溢出的问题 半双工网络后退压力算法(backpressure) 全双工网络PAUSE帧(IEEE802.3x),半双工流控,后退压力算法(backpressure) 基于CSMA/CD算法，网络上设备都会监听网络以确定网络是否可用，当设备的资源不足时就会启动流量控制，

22、发送一组载波信号脉冲串（假冲突信号），设备检测到网络上的载波信号就会认为网络由于正在被其他设备使用而发生冲突，半双工网络上的其他站点就会停止发送数据。,全双工流控,IEEE802.3x 发送PAUSE帧 是特定的一种MAC控制帧 特定的组播目的地址，送CPU处理，不会转发,POE供电,标准，802.3af标准，2003.6正式批准，全球统一的电源接口 可靠，实现了集中式电源供电 方便，网络终端不需外接电源，只需要一根网线 802.3af标准定义了两种设备PSE和PD PSE Power-Sourcing Equipment 供电设备 PD Powered Device 受电设备,端口流量镜像,

23、作用 查看网络中某个或某些端口流量，用于故障定位和分析 设置方法 设置监控端口，被镜像端口。ASIC将被镜像端口所收发的报文同步地拷贝一份给监控端口。 被镜像端口可以是一个端口，也可以是一组端口 监控端口具有普通业务口的功能,被镜像端口,监控端口,生成树协议Spanning-Tree Protocol,采用STP生成树协议，可以有效的管理冗余链路： 阻断环路 链路备份 协议标准IEEE 802.1D,STP掌管着端口的转发大权 “小树枝抖一抖，上层协议就得另谋生路”。,STP基本原理,Switch A,Switch B,Switch C,Switch D,ROOT,BPDU,BPDUBridg

24、e Protocol Data Unit,STP/RSTP/MSTP,STP：IEEE Std 802.1D-1998定义，不能快速迁移。即使是在点对点链路或边缘端口，也必须等待2倍的forward delay的时间延迟，网络才能收敛。 RSTP：IEEE Std 802.1w定义，可以快速收敛，却存在以下缺陷：局域网内所有网桥共享一棵生成树，不能按vlan阻塞冗余链路。 MSTP：IEEE Std 802.1s定义，它允许不同VLAN的流量沿各自的路径分发，从而为冗余链路提供了更好的负载分担机制。,MSTP基本原理,Switch A,Switch B,Switch C,Switch D,VL

25、AN 2 ROOT,BPDU,BPDUBridge Protocol Data Unit,VLAN 3 ROOT,Trunk VLAN2, 3,VLAN2,VLAN3,VLAN3,VLAN2,GARP协议,GARP（Generic Attribute Registration Protocol）是一种通用的属性注册协议，它为处于同一个交换网内的交换成员之间提供了分发、传播、注册某种信息的一种手段。如VLAN、多播组地址等,GARP基本原理,a = 注册了的属性 A = 属性声明 属性会通过GARP“声明注册声明”的过程传播到整个网络域中,S1,S2,S3,GARP的应用,GARP本身不作为一个

26、实体在Switch中存在 遵循GARP协议的应用实体称为GARP应用 目前主要的GARP应用为GVRP和GMRP GVRP-维护Switch中的VLAN动态注册信息 GMRP-维护Switch中的动态多播组注册信息 CISCO特性协议VTP(VLAN Trunk Protocol)，其实现功能与GVRP类似,端口聚合Link Aggregation,Link Aggregation-将两个以上的端口捆绑在一起 增加上行端口带宽 链路备份 负载分担 聚合方式 手工聚合 LACP-Link aggregation control protocol 端口聚合的三种模式(MAC) Ingress In

27、gress-egress Egress 目前也有根据IP实现负载分担,Isolate-user-vlan,也称为PVLAN 作用和目的 节省汇聚交换机的VLAN资源 二层隔离接入交换机不同端口下的用户 用于多播VLAN 类似概念: VLAN透传,接入交换机,汇聚交换机,VLAN1,VLAN2,VLAN3,VLAN4,VLAN6,VLAN5,VLAN7,VLAN8,Isolate-user-vlan 6,Isolate-user-vlan 5,为什么二层需要支持多播,多播：只传递数据给有接收者的那些链路,多播方案,方案1：VLAN定义多播的边界 方法不灵活，对VLAN数目要求高 方案2：GMRP

28、 目前没有第三方客户端支持 方案3：CGMP Cisco私有协议 方案4： IGMP Snooping,IGMP Snooping原理,二层交换机截获主机和路由器之间传送的IGMP报文，建立多播MAC和端口的对应表，从而控制多播报文在二层交换机上的转发。,IGMP Snooping应用,二层交换机侦听用户发往组播路由器的IGMP数据报文，明确端口的多播成员,QinQvMAN,vMAN,DomainA,DomainB,QinQ双Tag，用于虚拟城域网vMAN,SuperVLAN,作用和目的 节省交换机路由接口数目 节约IP地址 SuperVLAN只建立三层接口，不包含物理端口 Subvlan包含

29、物理端口，但不能建立三层接口 SuperVLAN内通信通过ARP Proxy实现,接入交换机,汇聚交换机,VLAN1,VLAN2,VLAN3,VLAN4,Trunk VLAN3,4,Trunk VLAN1,2,SuperVLAN7:subvlan1,2 SuperVLAN8:subvlan3,4,QOS/ACL,ACLAccess Control List 访问控制列表 QOSQuality of Service 服务质量 不同于路由器，ACL和QOS功能都基于ASIC芯片实现 QOS主要功能 CAR（Committed Access Rate） 优先级标记 流量统计 报文重定向 流镜像 SP

30、/WRR/WFQ队列调度方式 QOS-profile a set of QoS rules 提供了一种有效的访问策略组织形式 与用户绑定，基于8021X认证在端口上下发,IEEE 802.1X基本概念,提出背景 解决以太网的可运营可管理 认证策略 基于端口进行接入控制(Port-Based Access Control) 认证基本原理 认证成功，“打开”端口，允许所有的报文通过 认证不成功就使这个端口保持“关闭”，此时只允许802.1X的认证报文EAPOL（Extensible Authentication Protocol over LAN）通过,802.1X认证体系结构,8021X相关,Central MAC AuthenticationMAC地址认证 不需要任何客户端软件 交换机在首次检测到此用户的新MAC地址以后，启动对此用户的认证 MAC地址作为用户名和密码 认证过程与1X认证一致 DUD Authentication MAC绑定端口动态MAC地址学习数目端口限制 过滤未认证MAC所有的流量,Portal认证,什么是PORTAL？ 在英语中的原意是大门、正门的意思 在IT行业一般将PORTAL称为门户网站 PORTA