以太網(wǎng)交換基礎(chǔ)

華為 3Com培訓(xùn)中心 華為 3Com公司版權(quán)所有，未經(jīng)授權(quán)不得使用與傳播 課程編碼 以太網(wǎng)交換基礎(chǔ) ISSUE 1.0 華為 3Com產(chǎn)品培訓(xùn)系列膠片 協(xié)議原理及配置 2 引入 以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用 以太網(wǎng)技術(shù)的強(qiáng)大生命力 以太網(wǎng)的擴(kuò)張趨勢 3 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解以太網(wǎng)發(fā)展史 、 以太網(wǎng)原理和相關(guān)技術(shù) 進(jìn)行以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的簡單配置 了解二層及三層以太網(wǎng)交換的基本原理 掌握關(guān)于 VLAN的基本知識和配置 學(xué)習(xí)完本課程 ， 您應(yīng)該能夠： 4 課程內(nèi)容 第一章 以太網(wǎng)的發(fā)展簡史 第二章 以太網(wǎng)基礎(chǔ) 第三章 以太網(wǎng)相關(guān)基本配置 第四章 二層交換的基本原理 第五章 VLAN(802.1Q) 第六章 三層交換的基本原理 5 以太網(wǎng)的起源 以太網(wǎng)是在 70年代中期由 Xerox公司 Palo alto研究中心推出的 。 由于介質(zhì)技術(shù)的發(fā)展 ， Xerox可以將許多機(jī)器相互連接 ， 這就是以太網(wǎng)的原型 。 后來 ， Xerox公司推出了帶寬為 2Mb/s的以太網(wǎng) 。 又和 Intel和 DEC公司合作推出了帶寬為 10Mb/s的以太網(wǎng) ， 這就是通常所稱的 DIX以太網(wǎng) （ Digital， Intel和Xerox） 。 6 以太網(wǎng)的起源 早期的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是采用同軸線作為傳輸介質(zhì) 。 同軸電纜的致命缺陷是：電纜上的設(shè)備是串連的 ， 單點(diǎn)的故障可以導(dǎo)致這個網(wǎng)絡(luò)的崩潰 。 IEEE的標(biāo)準(zhǔn)為： 10Base5， 10Base2。 10 傳輸速度為 10Mbps Base 傳輸信號調(diào)制方式為基帶調(diào)制 5/2 傳輸距離為 500/200米 。 7 以太網(wǎng)的發(fā)展 80年代末期 ， 非屏蔽雙絞線 （ UTP） 出現(xiàn) ， 并迅速得到廣泛的應(yīng)用 。 UTP的巨大優(yōu)勢在于 ： 邏輯拓?fù)?依舊是總線的 ， 但物理拓?fù)渥優(yōu)樾切?，使得網(wǎng)絡(luò)布線變得簡單 。 價格低廉 ， 只有同軸電纜的幾分之一 。 制作簡單 ， 成功率高 。 收發(fā)使用不同的線纜 ， 為實(shí)現(xiàn)全雙工奠定了物質(zhì)基礎(chǔ) 。 8 共享式以太網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)的收發(fā)都依賴于同一套物理介質(zhì) ， 即共享介質(zhì) 。 同一時刻只能有一臺主機(jī)在發(fā)送 ， 各主機(jī)通過遵循CSMA/CD規(guī)則來保證網(wǎng)絡(luò)的正常通訊 。 發(fā)送 監(jiān)聽 監(jiān)聽 監(jiān)聽 9 交換式以太網(wǎng) 擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)帶寬 。 分割了網(wǎng)絡(luò)沖突域 ， 使得網(wǎng)絡(luò)沖突被限制在最小的范圍內(nèi) 。 交換機(jī)作為更加智能的交換設(shè)備 ， 能夠提供更多用戶所要求的功能：優(yōu)先級 、 虛擬網(wǎng) 、 遠(yuǎn)程檢測 交換矩陣 發(fā)送 發(fā)送 接收 接收 10 以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 IEEE802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3u 100BASE-T快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3ae 10GE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 70年代 80年代 90年代 以太網(wǎng)產(chǎn)生 10M以太網(wǎng)發(fā)展成熟 共享式轉(zhuǎn)向 LAN交換機(jī) 100M快速以太網(wǎng) 92年 96年 千兆以太網(wǎng)迅速發(fā)展 萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn) 2002年 11 以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 以太網(wǎng)速度的迅速提高 從 10Mbps向 100Mbps、 1000Mbps過渡 ， 并進(jìn)一步向 10000Mbps過渡 。 VLAN技術(shù)使得以太網(wǎng)的應(yīng)用日趨靈活 。 優(yōu)先級 ， 組播 ， 三層交換 ， P-VLAN， S-VLAN. 傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展使得以太網(wǎng)技術(shù)從局域網(wǎng)走向廣域網(wǎng) 。 Ethernet Over SDH， QinQ. 12 課程內(nèi)容 第一章 以太網(wǎng)的發(fā)展簡史 第二章 以太網(wǎng)基礎(chǔ) 第三章 以太網(wǎng)相關(guān)基本配置 第四章 二層交換的基本原理 第五章 VLAN(802.1Q) 第六章 三層交換的基本原理 13 第二章 以太網(wǎng)基礎(chǔ) 第一節(jié) 以太網(wǎng)的幀類型 第二節(jié) 以太網(wǎng)工作原理 第三節(jié) 以太網(wǎng)端口技術(shù) 14 以太網(wǎng)的地址 Media Access Control， 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)目的 MAC來判斷是否處理接收到以太網(wǎng)幀 MAC地址是 48 bit二進(jìn)制的地址 ，前 24位為供應(yīng)商代碼 ， 后 24為序列號 單播地址：第一字節(jié)最低位為 0，如 00-e0-fc-00-00-06 多播地址：第一字節(jié)最低位為 1，如 01-e0-fc-00-00-06 廣播地址： 48 位全 1 ff-ff-ff-ff-ff-ff 15 以太網(wǎng)的幀類型 -Ethernet II 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination15:0 | MAC Source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | EtherType | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Ethernet v2 區(qū)別與 802.3 LLC的方法是 EtherType域 ， Ethernet II Ethertype 1,500 (0x5DC). Ethertype = 1,500 表示包長 (LLC封裝 ) 16 以太網(wǎng)的幀類型 -802.3 LLC 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC destination15:0 | MAC source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Length | DSAP | SSAP | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Ctrl | +-+-+-+-+-+-+-+-+ 17 以太網(wǎng)的幀類型 -802.3 SNAP 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination47:16 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Destination15:0 | MAC Source47:32 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | MAC Source31:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Length | DSAP=0xAA | SSAP=0xAA | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Ctrl=0x3 | OUI23:16 | OUI15:0 | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | EtherType | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ SNAP封裝是 LLC封裝的擴(kuò)展 ， 特征是固定了 DSAP=SSAP=0xAA 18 第二章 以太網(wǎng)基礎(chǔ) 第一節(jié) 以太網(wǎng)的幀類型 第二節(jié) 以太網(wǎng)工作原理 第三節(jié) 以太網(wǎng)端口技術(shù) 19 以太網(wǎng)工作原理 -CSMA/CD CSMA/CD：載波偵聽與沖突檢測 -Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection CS: 載波偵聽 發(fā)送之前的偵聽 ， 確保線路空閑 ， 減少沖突機(jī)會 MA: 多址訪問 每個站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù) ， 可以被多個站點(diǎn)接收 CD: 沖突檢測： 邊發(fā)送邊檢測 ， 發(fā)現(xiàn)沖突后進(jìn)行回退 回退： 檢測到?jīng)_突后的處理：發(fā)現(xiàn)沖突就停止發(fā)送 ， 然后延遲一個隨機(jī)時間之后繼續(xù)發(fā)送 20 以太網(wǎng)工作原理 -沖突域 物理網(wǎng)段 （ 沖突域 ） ： 連接在同一傳輸介質(zhì)上所有工作站 /服務(wù)器的集合 。 位于同一沖突域的工作站 /服務(wù)器不能同時發(fā)送數(shù)據(jù) 。 應(yīng) 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層鏈 路 層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層物理層物理層H u b物 理 層21 以太網(wǎng)工作原理 -沖突域 HUB 集線器 (HUB)是工作在物理層的設(shè)備 ， 連接到集線器上的所有設(shè)備位于同一沖突域 ， 同一時刻只可以有一臺設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù) 。 全網(wǎng)設(shè)備共享帶寬 。 22 最大傳輸距離和最小幀長 最大傳輸距離：通常由線路質(zhì)量 、 信號衰減程度度等因素決定 。 最小幀長 （ 64字節(jié) ） ：由最大傳輸距離和沖突檢測機(jī)制共同決定 。 規(guī)定最小幀長是為了避免這種情況發(fā)生： a站點(diǎn)已經(jīng)將一個數(shù)據(jù)包的最后一個 bit發(fā)送完畢 ， 但這個報文的第一個 bit還沒有傳送到距離很遠(yuǎn)的 b站點(diǎn) 。 而 b站點(diǎn)認(rèn)為線路空閑而發(fā)送數(shù)據(jù) ， 導(dǎo)致沖突 。 更為嚴(yán)重的是 a站點(diǎn)無法知道報文發(fā)送失敗 。 如果一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢還沒有檢測到?jīng)_突 ， 則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀被正確發(fā)送和接收了 。 23 共享式以太網(wǎng)的弱點(diǎn) 全網(wǎng)帶寬共享 用戶數(shù)上升時全網(wǎng)性能急劇下降 用戶數(shù) 網(wǎng)絡(luò)性能 24 全雙工以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)通過兩種獨(dú)立的路徑傳輸和接收 。 只存在兩個節(jié)點(diǎn) ， 可以在同一時間對信息進(jìn)行雙向傳輸 ， 而不會發(fā)生沖突 。 TX TX RX RX 25 全雙工以太網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)全雙工的物質(zhì)保證： 支持全雙工的網(wǎng)卡芯片收發(fā)線路完全分離物理介質(zhì)點(diǎn)到點(diǎn)的連接 （ hub都是半雙工的 ） 。 全雙工對以太網(wǎng)技術(shù)的影響 最大吞吐量達(dá)到雙倍速率； 從根本上解決了以太網(wǎng)的沖突問題 ， 以太網(wǎng)從此告別CSMA/CD。 支持全雙工的設(shè)備 ： HUB除外的目前幾乎所有的支持以太網(wǎng)的設(shè)備 。 26 第二章 以太網(wǎng)基礎(chǔ) 第一節(jié) 以太網(wǎng)的幀類型 第二節(jié) 以太網(wǎng)工作原理 第三節(jié) 以太網(wǎng)端口技術(shù) 27 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口傳輸距離 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 線纜類型 10Base5 10Base2 AUI(DB15)接口電纜 BNC接口同軸電纜 傳輸距離 500m 180m 100m 10BaseT EIA/TIA3、 5類（ UTP）非屏蔽雙絞線 2對 28 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) （ 10Mbit/s） 的網(wǎng)絡(luò)定位 模型分類 網(wǎng)絡(luò)定位 接入層 匯聚層 最終用戶和接入層交換機(jī)之間的連接 核心層 通常不使用 通常不使用 29 快速以太網(wǎng)接口 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 線纜類型 100BaseTX 100BaseT4 EIA/TIA5類（ UTP）非屏蔽雙絞線 2對 100BaseFX EIA/TIA3、 4、 5類（ UTP）非屏蔽雙絞線 4對 多模光纖（ MMF）線纜 傳輸距離 100m 100m 550m-2km 2km-15km 單模光纖（ SMF）線纜 30 快速以太網(wǎng)接口 快速以太網(wǎng) （ 100Mbit/s） 的網(wǎng)絡(luò)定位 模型分類 網(wǎng)絡(luò)定位 接入層 匯聚層 為高性能的 PC機(jī)和工作站提供 100Mbit/s的接入 核心層 提供接入層和匯聚層的連接，提供匯聚層到核心層的連接，提供高速服務(wù)器的連接 提供交換設(shè)備間的連接 31 千兆以太網(wǎng)接口 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 線纜類型 1000BaseT 1000BaseCX 銅質(zhì) EIA/TIA5類（ UTP）非屏蔽雙絞線 4對 1000BaseSX 銅質(zhì)屏蔽雙絞線 多模光纖， 50/62.5um光纖，使用波長為850nm的激光 傳輸距離 100m 25m 550m/275m 2km-15km 單模光纖， 9um光纖，使用波長為1310nm的激光 1000BaseLX 32 千兆以太網(wǎng)接口 千兆 （ 1000Mbit/s） 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定位 模型分類 網(wǎng)絡(luò)定位 接入層 匯聚層 一般不使用 核心層 提供接入層和匯聚層設(shè)備間的高速連接 提供匯聚層和高速服務(wù)器的高速連接，提供核心設(shè)備間的高速互聯(lián) 33 萬兆以太網(wǎng)傳輸距離 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 線纜類型 10GBaseCX4 10GBase-S 4對銅軸電纜 10GBase-L 單模光纖， 50/62.5um光纖，使用波長為1310nm的激光 傳輸距離 15m 300m 10km 40km 單模光纖， 9um光纖，使用波長為1550nm的激光 10GBase-E 多模光纖， 50/62.5um光纖，使用波長為850nm的激光 34 萬兆以太網(wǎng)接口 萬兆 （ 10000Mbit/s） 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定位 模型分類 網(wǎng)絡(luò)定位 接入層 匯聚層 不使用 核心層 提供核心層和匯聚層設(shè)備間的高速連接 提供核心設(shè)備間的高速互聯(lián) 35 以太網(wǎng)接口自協(xié)商 10Mb/s半雙工 10Mb/s全雙工 10Mb/s自協(xié)商 100Mb/s自協(xié)商 100Mb/s全雙工 端口 1自動協(xié)商 端口 2自動協(xié)商 端口 3自動協(xié)商 端口 4自動協(xié)商 端口 5自動協(xié)商 36 自協(xié)商基本頁信息 0 0 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Message Type Ethernet=00001 Reserved 10BASE-T半雙工 10BASE-T全雙工 100BASE-TX半雙工 100BASE-TX全雙工 100BASE-T4 流控支持 遠(yuǎn)程故障指示 確認(rèn) 下一頁指示 37 自協(xié)商信號 約 2ms 約 100ns 約 62.5s 時 鐘 數(shù) 據(jù) 位 0 時 鐘 數(shù) 據(jù) 位 1 數(shù) 據(jù) 位 13 時 鐘 數(shù) 據(jù) 位 14 時 鐘 整個報文按 16ms間隔重復(fù) ， 直到自協(xié)商完成 。 數(shù) 據(jù) 位 15 38 與沒有自協(xié)商機(jī)制的設(shè)備連接 不使用自協(xié)商機(jī)制會出現(xiàn)以下情況： 無法實(shí)現(xiàn)端口的 10/100M速率自適應(yīng) 無法確定雙工工作模式 無法確定是否需要流量控制功能 如果協(xié)商不成功 ， 協(xié)議規(guī)定端口將為 10M半雙工 。 39 自協(xié)商優(yōu)先級 優(yōu)先級順序 工作方式 A B C D E 100BASE-TX 100BASE-TX全雙工 100BASE-T4 10BASE-T全雙工 10BASE-T 40 光纖上的自協(xié)商 對光纖以太網(wǎng)而言 ， 得出的結(jié)論是： 缺省情況下 ， 百兆 、 千兆和萬兆以太網(wǎng)光端口均工作在全雙工模式下 ， 不需用戶對其進(jìn)行配置 。 百兆 、 千兆和萬兆以太網(wǎng)光端口的速率不需用戶進(jìn)行設(shè)置 。 41 智能 MDI/MDIX 不需要知道電纜另一端為 MDI還是 MDIX設(shè)備 兩種電纜 （ 普通 、 交叉 ） 都可連接交換機(jī) 、 集線器或 NIC設(shè)備 消除由于電纜配錯引起的連接錯誤 簡化 10/100M網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù) ， 降低開銷 Receive Pair Transmit Pair Transmit Pair Receive Pair Transmit Pair Receive Pair 交叉網(wǎng)線 直連網(wǎng)線 Receive Pair Transmit Pair 42 流量控制 當(dāng)通過交換機(jī)一個端口的流量過大 ， 超過了它的處理能力時 ， 就會發(fā)生端口阻塞 。 流量控制的作用是防止在出現(xiàn)阻塞的情況下丟幀 。 在半雙工方式下 ， 流量控制是通過背壓式流控（ backpressure） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 ， 模擬產(chǎn)生碰撞 ， 使得信息源降低發(fā)送速度 。 在全雙工方式下流量控制一般遵循 IEEE 802.3x標(biāo)準(zhǔn) 。 43 半雙工流量控制 backpressure 假裝有沖突了，這樣你 就不會發(fā)個不停了！ 44 全雙工流量控制 IEEE802.3x標(biāo)準(zhǔn)定義了一種新方法 ， 在全雙工環(huán)境中去實(shí)現(xiàn)流量控制 。 交換機(jī)產(chǎn)生一個 PAUSE幀 ，PAUSE幀使用一個保留的組播地址： 01-80-C2-00-00-01， 將它發(fā)送給正在發(fā)送的站 ， 發(fā)送站接收到該幀后 ， 就會暫?；蛲Ｖ拱l(fā)送 。 PAUSE幀利用了一個保留的組播地址 ， 它不會被網(wǎng)橋和交換機(jī)所轉(zhuǎn)發(fā) ， 這樣 ， PAUSE幀不會產(chǎn)生附加信息量 。 45 端口匯聚定義 端口匯聚 （ Link Aggregation） ， 也稱為端口捆綁 、端口聚集或鏈路聚集 。 為交換機(jī)提供了端口捆綁的技術(shù) ， 允許兩個交換機(jī)之間通過兩個或多個端口并行連接同時傳輸數(shù)據(jù)以提供更高的帶寬 。 端口匯聚是目前許多交換機(jī)支持的一