路由交換技術及應用第4章--以太網交換技術課件

1、路由交換技術及應用（第3版）孫秀英 主編史紅彥 副主編第4章 以太網交換技術學習目標了解以太網的發(fā)展歷史；了解以太網常用的傳輸介質；掌握以太網幀結構、MAC地址（重點）；理解共享以太網的工作過程（難點）；理解交換式以太網的工作原理（重點）。關鍵詞：局域網 MAC地址 CSMA/CD地址學習 轉發(fā)/過濾4.1 局域網基礎4.1.1 局域網簡介 局域網（Local Area Network，LAN）即計算機局部區(qū)域網，它是在一個局部的地理范圍內（通常網絡連接的范圍以幾千米為限）將各種計算機、外圍設備、數(shù)據庫等互相連接起來組成的計算機通信網。局域網除完成一站對另一站的通信外，還通過共享的通信媒體（如

2、數(shù)據通信網或專用數(shù)據電路）與遠方的局域網、數(shù)據庫或處理中心相連，構成一個大范圍的信息處理系統(tǒng)。其用途主要是數(shù)據通信與資源共享，傳送數(shù)據、影像及語音。局域網的構成組件可以是PC工作站、網絡適配卡、各類線路、網絡操作系統(tǒng)及服務器等。 局域網技術主要對應于OSI參考模型的物理層和數(shù)據鏈路層，TCP/IP協(xié)議族層次模型的網絡接口層。 由于局域網發(fā)展迅速，類型繁多，1980年2月，美國電氣和電子工程師學會（IEEE）成立802課題組，研究并制定了局域網標準IEEE 802。后來，國際標準化組織（ISO）經過討論，建議將802標準定為局域網國際標準。 IEEE 802為局域網制定了一系列標準，主要有如下1

3、2種。IEEE 802.1：描述局域網體系結構及網絡互聯(lián)。IEEE 802.2：定義邏輯鏈路控制（LLC）子層的功能與服務。IEEE 802.3：描述CSMA/CD總線式介質訪問控制協(xié)議及相應的物理層規(guī)范。IEEE 802.4：描述令牌總線（Token Bus）式介質訪問控制協(xié)議及相應的物理層規(guī)范。IEEE 802.5：描述令牌環(huán)（Token Ring）式介質訪問控制協(xié)議及相應的物理層規(guī)范。IEEE 802.6：描述市域網（MAN）的介質訪問控制協(xié)議及相應的物理層規(guī)范。IEEE 802.7：描述寬帶技術進展。IEEE 802.8：描述光纖技術進展。IEEE 802.9：描述語音和數(shù)據綜合局域網

4、技術。IEEE 802.10：描述局域網安全與解密問題。IEEE 802.11：描述無線局域網技術。IEEE 802.12：描述用于高速局域網的介質訪問方法及相應的物理層規(guī)范。 常見的局域網技術包括以太網（Ethernet）、令牌環(huán)、光纖分布式數(shù)據端口（Fiber Distributed Data Interface，F(xiàn)DDI）、無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）等，它們在拓撲、傳輸介質、傳輸速率、數(shù)據格式、控制機制等各方面都有許多不同。隨著以太網帶寬的不斷提高和可靠性的不斷提升，令牌環(huán)和FDDI的優(yōu)勢已不復存在，漸漸退出了局域網領域。而以太網由于其

5、具有開放、簡單、易于實現(xiàn)、易于部署等特性被廣泛應用，迅速成為局域網中占統(tǒng)治地位的技術。另外，無線局域網技術的發(fā)展也非常迅速，目前已經進入大規(guī)模安裝和普及階段。4.1.2 以太網的發(fā)展歷史 以太網是在20世紀70年代由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。以太網最初被設計為使多臺計算機通過一根共享的同軸電纜進行通信的局域網技術，隨后又逐漸擴展到包括雙絞線在內的多種共享介質。由于任意時刻只有一臺計算機能發(fā)送數(shù)據，所以共享通信介質的多臺計算機之間必須使用某種共同的沖突避免機制，以協(xié)調介質的使用，以太網通常采用CSMA/CD機制檢測沖突。 從拓撲方面來看，最初的以太網使用同軸電纜形成總線拓撲，

6、隨即又出現(xiàn)了用集線器實現(xiàn)的星形結構共享式以太網、用網橋（Bridge）實現(xiàn)的橋接式以太網和用以太網交換機實現(xiàn)的交換式以太網。 以太網的發(fā)展如圖4-1所示，從早期10Mbit/s的標準以太網、100Mbit/s的快速以太網、1Gbit/s的吉比特以太網，一直到10Gbit/s的萬兆以太網，以太網技術不斷發(fā)展，并形成一系列標準，已成為局域網技術的主流。圖4-1 以太網的發(fā)展4.1.3 以太網常見傳輸介質 適用于以太網的有線介質主要有同軸電纜、雙絞線和光纖3類。1同軸電纜 同軸電纜由內、外兩部分同軸線的導體組成，所以稱為同軸電纜。在同軸電纜中，內導體是一根導線，外導體是圓柱面，兩者之間有填充物，外導

7、體能夠屏蔽外界電磁場對內導體中信號的干擾。 同軸電纜既可以用于基帶傳輸，又可以用于寬帶傳輸。基帶傳輸時只傳輸一路信號，而寬帶傳輸時則可以同時傳輸多路信號。用于局域網的同軸電纜都是基帶同軸電纜。 處于萌芽時期的以太網一般都使用同軸電纜作為傳輸介質，常見的類型如下。 10BASE5，俗稱粗纜，如圖4-2所示，其最大傳輸距離為500m。 圖4-2 10BASE5 10BASE2，俗稱細纜，如圖4-3所示，其最大傳輸距離為185m。圖4-3 10BASE22雙絞線 雙絞線（Twisted Pair Cable）有8芯，由絞合在一起的4對導線組成，如圖4-4所示。導線之間的絞合減少了導線相互之間的電磁干

8、擾，并具有抗外界電磁干擾的能力。圖4-4 雙絞線 雙絞線電纜可以分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）兩類，如圖4-5與圖4-6所示。屏蔽雙絞線外面環(huán)繞著一圈保護層，即屏蔽層，有效減小了影響信號傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，但相應增加了成本。非屏蔽雙絞線沒有保護層，易受電磁干擾，但成本較低。非屏蔽雙絞線廣泛用于星形拓撲的以太網。圖4-5 屏蔽雙絞線 圖4-6 非屏蔽雙絞線 雙絞線在制作過程中需要按照一定的標準排列線序，目前常用的線序標準為EIA/TIA568A和EIA/TIA568B，這兩種標準規(guī)定了不同線芯與水晶頭管腳的對應關系，如果定義管腳編號為18，則標準EIA/TIA568A的線序為白/綠

9、、綠、白/橙、藍、白/藍、橙、白/棕、棕，標準EIA/TIA568B的線序為白/橙、橙、白/綠、藍、白/藍、綠、白/棕、棕，如圖4-7所示。圖4-7 雙絞線標準 根據一根線纜兩端執(zhí)行的標準是否一致，雙絞線可分為直連網線（兩端線序標準一致）和交叉網線（兩端線序標準不一致）。 網絡設備端口分MDI（Medium Dependent Interface）和MDIX兩種。一般路由器的以太網端口、主機的NIC（Network Interface Card）端口類型為MDI，交換機的端口類型為MDI或MDIX，集線器的端口類型為MDIX。直連網線用于連接MDI和MDIX，交叉網線用于連接MDI和MDI或M

10、DIX和MDIX，如表4-1所示。 主 機路由器交換機DIX交換機MDIHub主機交叉交叉直連N/A直連路由器交叉交叉直連N/A直連交換機MDIX直連直連交叉直連交叉交換機MDIN/AN/A直連交叉直連Hub直連直連交叉直連交叉表4-1 設備連接方法3光纖 光纖的全稱為光導纖維，如圖4-8所示。對于計算機網絡而言，光纖具有無可比擬的優(yōu)勢。光纖由纖芯、包層及護套組成。纖芯由玻璃或塑料制成；包層則是玻璃材質的，使光信號可以反射回去，沿著光纖傳輸；護套則由塑料制成，用于防止外界的傷害和干擾。圖4-8 光纖 根據光在光纖中的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：纖芯較細，芯徑一般為9m或1

11、0m，只能傳輸一種模式的光。其色散很小，適用于遠程通信。多模光纖：纖芯較粗，芯徑一般為50m或62.5m，可傳輸多種模式的光。其色散較大，一般用于短距離通信。4.2 以太網原理4.2.1 MAC地址 IEEE將局域網的數(shù)據鏈路層劃分為邏輯鏈路控制層（Logical Link Control，LLC）和介質訪問控制層（Medium Access Control，MAC）兩個子層。 LLC子層實現(xiàn)數(shù)據鏈路層與硬件無關的功能，如流量控制、差錯恢復等；MAC子層提供LLC子層和物理層之間的端口，不同局域網的MAC層不同，LLC子層相同。 LLC子層負責識別協(xié)議類型，并對數(shù)據進行封裝，以便通過網絡進行傳

12、輸。為了區(qū)別網絡層數(shù)據類型，實現(xiàn)多種協(xié)議復用鏈路，LLC用服務訪問點（Service Access Point，SAP）標識上層協(xié)議。 LLC包括源服務訪問點（Source Service Access Point，SSAP）和目的服務訪問點（Destination Service Access Point，DSAP）兩個服務訪問點，分別用于標識發(fā)送方和接收方的網絡層協(xié)議。 MAC子層可以提供物理鏈路的訪問，提供鏈路級的站點標識及數(shù)據傳輸。MAC子層用MAC地址來唯一標識一個站點。MAC地址有48bit，通常轉換成12位的十六進制數(shù)，有時也稱為點分十六進制數(shù)。這個數(shù)分成3組，每組有4個數(shù)字，中

13、間以點分開，如00e0.fc0l.9942。它一般燒入NIC（網絡端口控制器）中。為了確保MAC地址的唯一性，IEEE對這些地址進行管理。每個地址由兩部分組成，分別是供應商代碼和序列號。供應商代碼代表NIC制造商的名稱，它占用MAC的前六位十六進制數(shù)字，即24bit二進制數(shù)字。序列號由設備供應商管理，它占用剩余的6位地址，即最后的24bit二進制數(shù)字，如圖4-9所示。華為品牌網絡產品的MAC地址的前六位十六進制數(shù)是0 x00e0fc。圖4-9 MAC地址 在具體應用中，常見的特殊MAC地址包括廣播MAC地址和多播MAC地址。如果48位全是1，則該地址是廣播MAC地址。如果第8位是1，則表示該地

14、址是多播MAC地址。在目的地址中，地址的第8位為1時表明該幀將要發(fā)送給一組站點，為0時表明該幀將要發(fā)送給單個站點。在源地址中，第8位必須為0，因為一個幀是不會從一組站點發(fā)出的。4.2.2 以太網幀結構 在以太網的發(fā)展歷程中，以太網的幀格式出現(xiàn)過多個版本。不過，目前正在應用中的幀格式為DIX（Dec、Intel、Xerox）的Ethernet_II幀格式和IEEE的IEEE 802.3幀格式。1Ethernet_II幀格式 Ethernet_II幀格式由DEC、Intel和Xerox在1982年公布，由Ethernet_I修訂而來。Ethernet_II幀格式如圖4-10所示。DMACSMACT

15、ypeData/PADCRC2B6B6B461500B4B圖4-10 Ethernet_II幀格式（1）DMAC（Destination MAC）是目的地址，確定幀的接收者。（2）SMAC（Source MAC）是源地址，標識發(fā)送幀的工作站。（3）Type是類型字段，用于標識數(shù)據字段中包含的高層協(xié)議，該字段取值大于1500。在以太網中，多種協(xié)議可以在局域網中同時共存。因此，在Ethernet_II的類型字段中設置相應的十六進制值可提供在局域網中支持多協(xié)議傳輸?shù)臋C制。類型字段取值為0800的幀代表IP幀。類型字段取值為0806的幀代表ARP幀。類型字段取值為8035的幀代表RARP幀。類型字段取

16、值為8137的幀代表IPX和SPX幀。（4）Data是數(shù)據字段，表明幀中封裝的具體數(shù)據。數(shù)據字段的最小長度必須為46B，以保證幀長至少為64B，這意味著傳輸1B信息也必須使用46B的數(shù)據字段。如果該字段的信息少于46B，該字段的其余部分也必須進行填充。數(shù)據字段的最大長度為1500B。（5）CRC（Cyclic Redundancy Check）為循環(huán)冗余校驗字段，提供了一種錯誤檢測機制。每一個發(fā)送器都計算一個包括地址字段、類型字段和數(shù)據字段的CRC碼，然后將計算出的CRC碼填入4B的CRC字段。2IEEE 802.3幀格式 IEEE 802.3幀格式由Ethernet_II幀格式發(fā)展而來。它將

17、Ethernet_II幀的Type字段用Length字段取代，并且占用了Data字段的8B作為LLC字段和SNAP字段，如圖4-11所示。圖4-11 IEEE 802.3幀格式（1）Length字段定義了Data字段包含的字節(jié)數(shù)。該字段取值小于或等于1500（大于1500時的幀格式為Ethernet_II）。（2）LLC（Logical Link Control）字段由DSAP（目的服務訪問點）、SSAP（源服務訪問點）和CTRL字段組成。（3）SNAP（Sub-network Access Protocol）由Org Code（機構代碼）和Type（類型）字段組成。Org Code的3個字節(jié)

18、都為0。Type字段的含義與Ethernet_II幀中的Type字段相同。 其他字段與Ethernet_II幀的字段含義相同。4.3 共享式以太網工作原理 同軸電纜是以太網發(fā)展初期所使用的連接線纜。通過同軸電纜連接起來的設備共享信道，即在每一個時刻，只能有一臺終端主機發(fā)送數(shù)據，其他終端處于偵聽狀態(tài)，不能夠發(fā)送數(shù)據。這種情況下，網絡中的所有設備共享同軸電纜的總線帶寬。早期的網絡都是通過集線器連接形成共享式以太網，每個時刻只能有一個端口在發(fā)送數(shù)據。集線器把從一個端口接收到的比特流從其他所有端口轉發(fā)出去，如圖4-12所示。 用集線器連接的所有站點處于一個沖突域之中，當網絡中有兩個或多個站點同時進行數(shù)

19、據傳輸時，將會產生沖突。圖4-12 集線器工作過程示意圖 共享式以太網利用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）機制來檢測及避免沖突，工作過程如下。（1）發(fā)前先聽：發(fā)送數(shù)據前先檢測信道是否空閑。如果空閑，則立即發(fā)送；如果繁忙，則等待。（2）邊發(fā)邊聽：在發(fā)送數(shù)據的過程中，不斷檢測是否發(fā)生沖突。通過檢測線路上的信號是否穩(wěn)定判斷是否沖突。（3）遇沖退避：如果檢測到沖突，立即停止發(fā)送，等待一個隨機時間（稱為退避）。（4）重新嘗試：隨機時間結束后，重新發(fā)送嘗試。 由集線器和中繼器組建的以太網實質是

20、一種傳統(tǒng)的共享式以太網，存在的缺陷包括沖突嚴重、廣播泛濫、無任何安全性。4.4 交換式以太網工作原理 交換式以太網的出現(xiàn)有效地解決了共享式以太網的缺陷，它大大減小了沖突域的范圍，顯著提升了網絡的性能，并加強了網絡的安全性。 目前在交換式以太網中經常使用的網絡設備是交換機和網橋，本書不嚴格區(qū)分交換機與網橋，因為從某種意義上說，交換機就是網橋。 交換機與集線器一樣同為具有多個端口的轉發(fā)設備，在各個終端主機之間進行數(shù)據轉發(fā)。但相對于集線器的單一沖突域，交換機通過隔離沖突域，使得終端主機可以獨占端口的帶寬，并實現(xiàn)全雙工通信，所以交換式以太網的交換效率大大高于共享式以太網。 交換機有3個主要功能，分別是

21、地址學習、轉發(fā)/過濾和環(huán)路避免。通常，交換機的3個主要功能在網絡中是同時起作用的。交換機內維護著一張表，該表為MAC地址表，記錄了相連設備的MAC地址、端口號及所屬的VLAN ID之間的對應關系，如圖4-13所示。 在轉發(fā)數(shù)據時，交換機根據報文中的目的MAC地址和VLAN ID查詢MAC地址表，快速定位出端口，從而減少廣播。 設備在轉發(fā)報文時，根據MAC地址表項信息，交換機會采取單播方式或廣播方式。當MAC地址表中包含與報文目的MAC地址對應的表項時，交換機采用單播方式直接將報文從該表項中的轉發(fā)出端口發(fā)送。當設備收到的報文為廣播報文、多播報文或MAC地址表中沒有包含對應報文目的MAC地址的表項

22、時，交換機將采取廣播方式將報文向除接收端口外同一VLAN內的所有端口轉發(fā)。圖4-13 MAC地址表 交換機基于目標MAC地址做出轉發(fā)決定，所以它必須獲取MAC地址的位置，這樣才能準確地轉發(fā)。當交換機與物理網段連接時，它會對它監(jiān)測到的所有幀進行檢查，如圖4-14所示，交換機讀取幀的源MAC地址字段后與接收端口關聯(lián)，并記錄到MAC地址表中。A：00d0.d001.1111C：00d0.d001.2222B：00d0.d001.3333D：00d0.d001.4444E0E1E2E3MAC 地址表圖4-14 交換機工作過程（1） 由于MAC地址表是保存在交換機的內存之中的，所以當交換機啟動時MAC地址表是空的。此時，若工作站A給工作站C發(fā)送一個單播數(shù)據幀，交換機會通過E0端口收到這個數(shù)據幀，讀取出幀的源MAC地址后將工作站A的MAC地址與E0端口關聯(lián)，并記錄到MAC地址表