CCNA數(shù)據(jù)鏈路層與以太網(wǎng)交換技術(shù)

第四章：數(shù)據(jù)鏈路層與以太網(wǎng)交換技術(shù)一，數(shù)據(jù)鏈路層與以太網(wǎng)1.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層位于網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議比特（Bit）幀（Frame）包(Packet）主機(jī)A主機(jī)B數(shù)據(jù)單元1.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)與拆除幀包裝、幀傳輸、幀同步幀的差錯(cuò)恢復(fù)流量控制1.2以太網(wǎng)以太網(wǎng)工作在數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議比特幀包12主機(jī)A主機(jī)B數(shù)據(jù)單元層以太網(wǎng)1.3什么是以太網(wǎng)我們平常使用的局域網(wǎng)就是以太網(wǎng)①如果中間的線路是共享的，這條鏈路在同一時(shí)間由誰(shuí)來(lái)使用呢？如何來(lái)保證這些主機(jī)能有序的使用共享線路，不發(fā)生數(shù)據(jù)的沖突？

②如果主機(jī)A發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包給主機(jī)B，如何標(biāo)識(shí)主機(jī)A和主機(jī)B呢？這就是主機(jī)的地址問(wèn)題。③主機(jī)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要保證雙方互相都能讀懂，那么它們發(fā)送的數(shù)據(jù)的格式，是不是需要有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范呢？1.4單工、半雙工與全雙工單工只有一個(gè)信道，傳輸方向只能是單向的半雙工只有一個(gè)信道，在同一時(shí)刻，只能是單向傳輸全雙工雙信道，同時(shí)可以有雙向數(shù)據(jù)傳輸ABABAB例如：尋呼機(jī)例如：對(duì)講機(jī)例如：電話1.5

以太網(wǎng)歷史回顧以太網(wǎng)的早期版本使用同軸電纜在總線拓?fù)渲羞B接計(jì)算機(jī)。粗纜(10BASE5)細(xì)纜(10BASE2)最初的同軸粗纜和同軸細(xì)纜等物理介質(zhì)被早期的UTP類電纜所取代。物理拓?fù)湟哺臑槭褂眉€器的星型拓?fù)洹?.6

以太網(wǎng)沖突管理傳統(tǒng)的以太網(wǎng)---半雙工

基于共享的介質(zhì)，每次只有一個(gè)站點(diǎn)能夠成功發(fā)送。隨著更多的設(shè)備加入以太網(wǎng)，幀的沖突量大幅增加。當(dāng)前的以太網(wǎng)---全雙工交換機(jī)可以隔離每個(gè)端口，只將幀發(fā)送到正確的目的地（如果目的地已知），而不是發(fā)送每個(gè)幀到每臺(tái)設(shè)備，數(shù)據(jù)的流動(dòng)因而得到了有效的控制。1.7以太網(wǎng)采用CSMA/CDCSMA/CD—帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)以太網(wǎng)采用CSMA/CD避免信號(hào)的沖突工作原理發(fā)送前先監(jiān)聽信道是否空閑，若空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送時(shí)，邊發(fā)邊繼續(xù)監(jiān)聽若監(jiān)聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送等待一段隨機(jī)時(shí)間（稱為退避）以后，再重新嘗試(最多15次)1.8以太網(wǎng)MAC地址以太網(wǎng)地址用來(lái)識(shí)別一個(gè)以太網(wǎng)上的某個(gè)單獨(dú)的設(shè)備或一組設(shè)備

例如：00－06－1b－e3－93－6c00－0d－28－be－b6－4224比特（供應(yīng)商標(biāo)識(shí)）24比特（供應(yīng)商對(duì)網(wǎng)卡的唯一編號(hào)）對(duì)于目的地址：0–物理地址（單播地址）1–邏輯地址（組播地址）1.9以太網(wǎng)幀格式802.3以太網(wǎng)幀格式7字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)前導(dǎo)碼目的地址源地址類型/長(zhǎng)度數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)序列46～1500字節(jié)4字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)幀啟始定界符大于0600H表示類型，小于0600H表示長(zhǎng)度1.10以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)物理層數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層（LLC)介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC)以太網(wǎng)IEEE802.2IEEE802.31.10

數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)匯總1.11MAC子層與LLC子層介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）子層（802.3）將上層交下來(lái)的數(shù)據(jù)封裝成幀進(jìn)行發(fā)送(接收時(shí)進(jìn)行相反的過(guò)程，將幀拆卸)；實(shí)現(xiàn)和維護(hù)介質(zhì)訪訪問(wèn)控制協(xié)議，例如CSMA/CD；比特差錯(cuò)檢測(cè)；MAC幀的尋址，即MAC幀由哪個(gè)站（源站）發(fā)出，被哪個(gè)站／哪些站接收（目的站）。1.11MAC子層與LLC子層邏輯鏈路控制（LLC）子層（802.2）建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接；提供與上層的接口；給幀加上序號(hào)。二，以太網(wǎng)交換原理2.1以太網(wǎng)交換機(jī)交換機(jī)是用來(lái)連接局域網(wǎng)的主要設(shè)備交換機(jī)能夠根據(jù)以太網(wǎng)幀中目標(biāo)地址智能的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層交換機(jī)分割沖突域，實(shí)現(xiàn)全雙工通信2.1以太網(wǎng)的物理實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的成功離不開以下因素：維護(hù)的簡(jiǎn)便性整合新技術(shù)的功能可靠性安裝和升級(jí)成本在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)使用UTP銅纜和光纜通過(guò)集線器和交換機(jī)等中間設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理11B334422AABBA端口1端口1端口2端口2data端口3端口3主機(jī)11給主機(jī)33發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀：目標(biāo)地址：33源地址：112.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理A交換機(jī)A在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作：交換機(jī)A查找MAC地址表交換機(jī)A學(xué)習(xí)主機(jī)11的MAC地址交換機(jī)A向其他所有端口發(fā)送廣播1112.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理11B334422AABBA端口1端口1端口2data端口2端口3端口3data2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理交換機(jī)B在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作：交換機(jī)B查看MAC地址表交換機(jī)B學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)交換機(jī)B向所有端口廣播數(shù)據(jù)包主機(jī)22，查看數(shù)據(jù)包的目標(biāo)MAC地址不是自己，丟棄數(shù)據(jù)包B11322data2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理B334422AABBA端口1端口1端口2data端口2端口3端口3data11data2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理主機(jī)33，接收到數(shù)據(jù)幀主機(jī)44，丟棄數(shù)據(jù)幀3344datadata在這個(gè)過(guò)程中，交換機(jī)的MAC地址表中沒(méi)有需要的條目，交換機(jī)通過(guò)廣播的方式，轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)幀2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理B334422AABBA端口1端口1端口2端口2端口3端口3data11這時(shí)，主機(jī)44要給主機(jī)11發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀：目標(biāo)地址：11源地址：442.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理B113交換機(jī)B在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作：交換機(jī)B學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)交換機(jī)B查看MAC地址表，根據(jù)MAC地址表中的條目，單播轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到端口34422.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理A111交換機(jī)A在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作：交換機(jī)A學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)交換機(jī)A查看MAC地址表，根據(jù)MAC地址表中的條目，單播轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到端口1主機(jī)11，收到數(shù)據(jù)幀4432.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理B334422AABBA端口1端口1端口2端口2端口3端口311data在這個(gè)過(guò)程中，交換機(jī)的MAC地址表中已經(jīng)學(xué)到了需要的條目，交換機(jī)通過(guò)單播的方式，轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)幀2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理A111443222333113442223331交換機(jī)最終的MAC地址表B2.2交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)根據(jù)MAC地址表單播轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀學(xué)習(xí)MAC地址表是交換機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)接收的數(shù)據(jù)幀的源MAC地址來(lái)形成的廣播如果目標(biāo)地址在MAC地址表中沒(méi)有，交換機(jī)就向除接收到該數(shù)據(jù)幀的端口外的其他所有端口廣播該數(shù)據(jù)幀更新交換機(jī)MAC地址表的老化時(shí)間是300秒交換機(jī)如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)幀的入端口和MAC地址表中源MAC地址的所在端口不同，交換機(jī)將MAC地址重新學(xué)習(xí)到新的端口PrimarilysoftwarebasedOnespanning-treeinstanceperbridgeUsuallyupto16portsperbridge分隔多個(gè)沖突域，共享同一個(gè)廣播域BridgingPrimarilyhardwarebased(ASIC)Manyspanning-treeinstancesperswitchMoreportsonaswitch分隔多個(gè)沖突域，一般共享廣播域。在劃分VLAN時(shí)，可以分割多個(gè)廣播域LANSwitching2.3橋接和交換機(jī)的比較2.4了解多層交換第2層交換：本質(zhì)上是多端口的透明橋接，但比傳統(tǒng)橋接增加了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)外的兩種轉(zhuǎn)發(fā)交換方式。2層交換機(jī)比橋增加了VLAN功能，同一交換機(jī)可以當(dāng)作多個(gè)獨(dú)立的橋使用，在分割沖突域的同時(shí)，分隔廣播域。第3層交換：類似于路由，根據(jù)目的IP來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)幀，同時(shí)改變幀中的MAC地址，減少生存期TTL域，執(zhí)行一次幀檢測(cè)。但3層交換機(jī)使用ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)路由器使用通用微處理器和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。Cisco實(shí)現(xiàn)了“路由一次，交換多次”的快捷交換方式。2.5交換機(jī)交換數(shù)據(jù)Cut-throughSwitchchecksdestinationaddressandimmediatelybeginsforwardingframeFrame交換，就是將分組(或幀)從一個(gè)端口移到另一個(gè)端口的簡(jiǎn)單動(dòng)作。第三層交換是基于網(wǎng)絡(luò)層目的地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而第二層交換是基于MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)幀。直通交換法：交換機(jī)一確定幀的目的MAC地址和正確的端口號(hào)，就立即將幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。通常情況下，大約在收到幀頭14個(gè)字節(jié)左右就開始轉(zhuǎn)發(fā)。這使得直通法比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)法具有更小且相對(duì)固定的延遲時(shí)間，但它連小于64字節(jié)的幀以及一些壞幀也一塊兒轉(zhuǎn)發(fā)，可能浪費(fèi)帶寬。2.5交換機(jī)交換數(shù)據(jù)StoreandforwardCompleteframeisreceivedandcheckedbeforeforwardingFrameFrameFrame存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)法：交換機(jī)將幀向目的端口轉(zhuǎn)發(fā)之前要先收到完整的幀并進(jìn)行CRC校驗(yàn)、確定目的地址。交換機(jī)將整個(gè)幀存儲(chǔ)在內(nèi)存緩沖區(qū)中，直到它獲得有效資源才將其發(fā)往目的地。好處是能夠拋棄小于64字節(jié)的幀以及其他任何受損的幀，這樣可以節(jié)約帶寬。缺點(diǎn)是延遲較大且不固定，因?yàn)樗谵D(zhuǎn)發(fā)之前要收到并處理完整的幀。Fragmentfree

(modifiedcut-through)Switchchecksthefirst64bytesthenimmediately

beginsforwardingframeFrame2.5交換機(jī)交換數(shù)據(jù)改進(jìn)直通法：在轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀之前要先看它是不是沖突碎片。沖突碎片通常小于64字節(jié)，如果幀超過(guò)64字節(jié)，改進(jìn)直通法就認(rèn)為它是合法的，好處是能夠拋棄小于64字節(jié)的幀，有固定的延遲。三，交換冗余和STP3.1交換機(jī)端口狀態(tài)

運(yùn)行生成樹協(xié)議的交換機(jī)上的端口，總是處于下面五個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)。在正常操作期間，端口處于轉(zhuǎn)發(fā)或阻塞狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備識(shí)別網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)，交換機(jī)自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在這期間端口暫時(shí)處于監(jiān)聽和學(xué)習(xí)狀態(tài)。

阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動(dòng)以防止回路。處于阻塞狀態(tài)的端口不轉(zhuǎn)發(fā)FRAME,但可接受但不轉(zhuǎn)發(fā)BPDU監(jiān)聽：不轉(zhuǎn)發(fā)FRAME,接收并發(fā)送BPDU學(xué)習(xí)：不轉(zhuǎn)發(fā)FRAME，接收并發(fā)送BPDU，開始地址學(xué)習(xí)MAC地址表（臨時(shí)狀態(tài)）轉(zhuǎn)發(fā)：接收和發(fā)送FRAME禁用:

不工作3.2冗余拓?fù)銻edundanttopology：可以避免單點(diǎn)故障Redundanttopology：會(huì)導(dǎo)致廣播風(fēng)暴，幀的反復(fù)傳送以及

MAC地址表不穩(wěn)定等問(wèn)題Segment1Segment2Server/hostXRouterYSegment1Segment2Server/hostXRouterY

BroadcastSwitchASwitchBHostXsendsaBroadcast另一方向的廣播洪泛未畫出來(lái)，我們只講一個(gè)方向的流量3.2廣播風(fēng)暴Segment1Segment2Server/hostXRouterY

BroadcastSwitchASwitchBHostXsendsaBroadcast3.2廣播風(fēng)暴Segment1Segment2Server/hostXRouterY

BroadcastSwitchescontinuetopropagatebroadcasttrafficoverandoverSwitchASwitchB3.2廣播風(fēng)暴3.2幀的反復(fù)傳送Segment1Segment2Server/hostXRouterY

UnicastSwitchASwitchBHostXsendsanunicastframetorouterYRouterYMACaddresshasnotbeenlearnedbyeitherswitchyetSegment1Segment2Server/hostXRouterY

UnicastSwitchASwitchBRouterYwillreceivetwocopiesofthesameframe

Unicast

Unicast3.2幀的反復(fù)傳送Segment1Segment2Server/hostXRouterY

Unicast

UnicastSwitchA

SwitchBSwitchAandBlearnHostXMACaddressonport0Port0Port1Port0Port13.2MAC地址表不穩(wěn)定Segment1Segment2Server/hostXRouterY

Unicast

UnicastSwitchASwitchBFrametoRouterYisfloodedSwitchAandBincorrectlylearnHostXMACaddressonport1Port0Port1Port0Port13.2MAC地址表不穩(wěn)定ComplextopologycancausemultipleloopstooccurLayer2hasnomechanismtostoptheloopServer/hostWorkstationsLoopLoopLoop3.2MultipleLoopProblems

Broadcast3.3解決方法：Spanning-TreeProtocol通過(guò)阻塞其中的一個(gè)端口，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)的結(jié)果這樣的機(jī)制就是STP-生成樹協(xié)議STP保證了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性，并且在發(fā)生環(huán)路的端口進(jìn)行阻塞Blockx每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè)根橋，根橋具有最低的橋ID，根橋上的所有端口都是指派端每個(gè)非根橋有且僅有一個(gè)根端口,根端口到達(dá)根橋所花代價(jià)最低每個(gè)網(wǎng)段有且僅有一個(gè)指派端口，指派端口到達(dá)根橋所花代價(jià)最低xDesignatedport(F)Rootport(F)Designatedport(F)Nondesignatedport(B)RootbridgeNonrootbridgeSWXSWY100baseT10baseT3.4生成樹操作原理SwitchYDefaultpriority32768

(8000hex)MAC0c0022222222SwitchXDefaultpriority32768

(8000hex)MAC0c0011111111

BPDUBPDU每2秒間隔發(fā)送3.4根橋的選擇SwitchYDefaultpriority32768MAC0c0022222222SwitchXDefaultpriority32768MAC0c0011111111RootbridgexPort0Port1Port0Port1100baseT10baseT

Designatedport(F)Rootport(F)Nondesignatedport(B)Designatedport(F)每個(gè)非根橋有且僅有一個(gè)根端口forwarding，根端口到達(dá)根橋所花代價(jià)＋優(yōu)先級(jí)＋MAC地址＋Port#最小RP和DP一般處于forwarding狀態(tài)，NDP一般是blocked狀態(tài)3.4STP端口狀態(tài)LinkSpeed Cost(reratifyIEEEspec)Cost(previousIEEEspec)-------------------------------------------------------------10Gbps 2

1 1

Gbps

4

1100Mbps 19

1010Mbps 100

100

3.4STP路徑成本SwitchYMAC0c0022222222Defaultpriority32768SwitchXMAC0c0011111111Defaultpriority32768Port0Port1Port0Port1SwitchZMac0c0011110000Defaultpriority32768Port0請(qǐng)你判斷：Whatistherootbridge?Whatarethedesignated,nondesignated,androotports?Whicharetheforwardingandblockingports?

100baseT100baseT3.5思考題Blocking(20sec)Listening(15sec)Learning(15sec)ForwardingSpanning-treetransitionseachportthroughseveraldifferentstate:3.6STP計(jì)時(shí)器3.7交換網(wǎng)絡(luò)的收斂Convergence收斂：網(wǎng)絡(luò)正常工作--對(duì)于2層交換網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的收斂就是指所有交換機(jī)的所有端口要么處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，要么處于阻塞狀態(tài)。大型網(wǎng)絡(luò)中重新收斂可能引起周期性的不穩(wěn)定，在根橋的重新選擇過(guò)程中，所有已學(xué)到的MAC地址都被老化掉，從而引起單播幀的大量洪泛。四，RSTP4.1RSTP端口類型4.2RSTP端口狀態(tài)RSTPPortStateDiscardingSTPPortStateDisabledPortIncludedin

ActiveTopology?NoPortLearningMAC

Addresses?NoDiscardingBlockingNoNoDiscardingListeningNoNoLearningLearningNoYesForwardingForwardingYesYES4