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1、以太网技术基本原理,1,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,2,前言,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交换机的工作原理,目 标,3,目标,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,4,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,5,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
2、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 Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。,6,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/CD,CS：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
3、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。,7,以太网帧结构,Ethernet_II,DMAC,SMAC,Length/T,DATA/PAD,FCS,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,802.3,8,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
4、。如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。,00e0.fc39.8034,9,最小帧长与最大传输距离,最大传输距离：通常由线路质量、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。,10,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,11,万兆以太网出现,以太网发展简史,IEEE802.3 以太网标准IEEE802.3u 100BASE-T
5、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,12,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。,10
6、Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）10Base2：细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米）,13,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,14,标准以太网,标准以太网（10Mbit/s）的网络定位,15,IEEE802.3 线缆,16,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
7、太网制订的标准为IEEE802.3u,17,快速以太网,快速以太网（100Mbit/s）的网络定位,18,快速以太网传输距离,19,千兆以太网,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）,20,千兆以太网,千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位,21,千兆以太网传输距离,22,IEEE802.3z的线缆标准,1000BaseLX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
8、（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。,23,IEEE802.3ab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，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10
9、00Mbps的平滑升级。,24,万兆以太网,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),25,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,26,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,27,自协商,10Mb/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,28,自协商基本页信息,0,0,0,0,1,0
10、,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,Message TypeEthernet=00001,Reserved,10BASE-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,29,自协商信号,整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成,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,时钟,30,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
11、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,31,自协商优先级,32,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，是不能正确通信的。千兆以太网的自协商机制已经实现。,33,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,34,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 Pair,
12、Transmit Pair,Transmit Pair,Receive Pair,Transmit Pair,Receive Pair,Transmit Pair,Receive Pair,交叉网线,直连网线,35,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,36,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
13、准。,37,半双工流量控制,38,全双工流量控制,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。,39,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
14、制,40,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,41,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,42,传统以太网连接设备HUB,Hub的工作模式,注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。,43,所有的HUB都是半双工的,Hub的工作原理,44,由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。,45,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
15、三层交换机,内容介绍,46,二层工作模式,网桥/二层以太网交换机的工作模式,物理层,物理层,二层交换机,链路层,链路层,47,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，CGMP等协议获得的。,分段1,分段2,A,B,C,PORT1,PORT2,D,交换机典型应用,交换机,48,基于目的地址转发,MACD,MACA,.,端口1,MACD,MACA,.,端口2,MAC地址,所在端口,MACA,1,MACB,1,MACC,2,MACD,2,49,二层交换机原理,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
16、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）。,50,三种交换模式,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。,51,L2交换机的缺点,L2带来了以太网技
17、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,52,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,53,VLAN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,54,VLAN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
18、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？,55,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,56,解决办法（二）-单臂路由,使用支持VLAN属性的路由器连接不同的VLAN,前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系,57,（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。,58,解决办法（三）,将路由器和交换机合成一个设
19、备三层交换机,前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系,59,什么是三层交换机,在逻辑上，三层交换和路由是等同的，三层交换的过程就是IP报文选路的过程。三层交换机与路由器在转发操作上的主要区别在于其实现的方式：三层交换机通过硬件实现查找和转发；传统路由器通过微处理器上运行的软件实现查找和转发；三层交换机的转发路由表与路由器一样，需要软件通过路由协议来建立和维护。在局域网中引入三层交换：能够更加经济的替代传统路由器,60,选择二层交换或三层交换,61,三层交换机的应用,三层交换机特别适合下面这样的组网几乎全以太网接口路由比较稳定，变化比较少,62,低端的路由器和L3的区别,项目,路由器,三层交换
20、机,端口类型,非常丰富，几乎可以支持所有通信端口,比较单一，主要支持以太网,转发实现途径,主要以CPU加软件实现为主。,由硬件ASIC实现转发,路由算法,最长匹配,第一包路由，以后做精确匹配,包转发率,低,高（命中）或者更低（没命中）,成本,高,低,对路由变化的适应能力,强,弱,二层交换,不支持,支持,63,二个问题,为什么L3不增强对路由变化的适应能力？答：必须使用更昂贵的CPU，成本增高。为什么路由器不使用L3的硬件转发？答：广域网路由太多，且不固定，CACHE命中率太低。,64,L3交换机仍有不足之处,L3交换机仍有不足之处：L3虽然几乎具备了路由器的所有功能，但在走向广域网的过程中却遇到了广域网接口带宽不足，路由性能低下的尴尬。,65,小结,本章主要介绍以太网原理和发展过程介绍L2交换机和L3交换机的工作原理介绍自协商、自适应、流量控制等以太网端口技术,小结,66,Thank You!,67,
