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1、第二章：以太网交换技术,2.1 以太网技术发展概述,2.2 以太网交换工作原理,2.3 以太网交换的方式和实现结构,2.4 以太网交换器的组网应用,2.5 以太网发展其它技术,第2章：重点与难点,1、透明网桥、以太网交换原理和生成树算法2、以太网全双工端口、聚合、10G以太网技术特点3、*以太网交换特性、以太网交换机组网应用,重点理解：,主要了解：,1、以太网交换方式的实现结构，2、链路聚合协议LCAP的基本思想3、10G以太网的PHY类型和表达4、共享以太网向交换以太网发展过程,2.1 以太网技术发展概述,1975年Xerox PARC（施乐Palo Alto Research Center
2、）推出第1个2.94Mb/s的基带总线局域网，以Ethernet命名；,范冰冰:由于90年代后期，实际只存在Ethernet市场，即令牌环退出，所以LLC在网卡接口中基本被省略，只剩MAC层。,1980年DEC、Intel和Xerox提出了10Mb/s Ethernet厂家规范DIX V1，1982年修改为DIX V2；,1983年IEEE 802工作组；制定了第1个 Ethernet工业标准 IEEE 802.3，它和DIX V2只在帧结构上有微小差别（在传统头部后插入8字节IEEE LLC/SNAP附加头部，总长度不变），虽然2者兼容，但实际上使用最初格式。,2.1.1 以太网技术发展,在
3、 802.3Ethernet标准下，从10base/T（早期10base/2、5），到90年代中开始，出现了 100base/TX、100base/FX、1000base/SX、1000base/LX；以太网实现技术向高速和长距离发展；,目前还出现了1000base/T，万兆（10G）的以太网，不久将出现40G以太网；802.11无线Ethernet可能有更广阔的发展前景。,受限于厂家的商业竞争中，IEEE 802工作组没有能制订最佳LAN标准，而分别制定了Ethernet 802.4 与802.5（令牌环网）标准；同时制定802.2定义了在透明标准的LLC；实现不同LAN、FDDI的互连。,
4、1、基于CSMA/CD的实现技术，核心是媒介共享、插孔广播发送和碰撞检测处理，特点：简单、成本低和易推广；,2.1.3 以太网特点和发展：,2、网络速度始终高于同时代的其它技术和实际应用需求；,5、从企业级应用向运营商服务网络。,3、以太网技术和传统电信网技术不断产生深刻的融合；,4、从开始的局域网向城域网和广域网发展；,范冰冰:Ethernet在企业网中采用了较高的带宽富裕，简化（或称解决）用户碰撞和协调管理，如修大路，无规则。但这样的技术基础，在公众网大用户的应用中（服务质量、可管理性、计费等）面临许多新问题。,怎样理解早期以太网交换机制和一般网络不同？,怎样理解以太网碰撞和后果？,2.1
5、.3 传统以太网技术的缺陷,1、有效带宽窄。共享域带宽W，受到共享（冲突碰撞）域的限制，实际的带宽取决于系统环境的工作站点数N，每站平均带宽为W/N；大流量的应用和实时音像服务受限。,2、覆盖范围。传统CSMA/CD机制使覆盖范围受限。,3、安全机制。共享域以太网帧的广播机制，给数据侦听截取提供便利，存在较大安全性问题。,4、可管理性。缺乏可运营性（认证、服务质量QoS等）和可管理性（计费、带宽控制支持）等。,基本思路：交换器/机的端口之间通常是隔离的，但许可条件下（可控制）也可以建立端口间数据传递、组播或广播；即建立一种交换机制，克服共享广播机制与碰撞；,2.2.1 以太网交换概述,2.2
6、以太网交换工作原理,范冰冰:交换Ethernet主要解决共享广播和碰撞：建立按地址的、独享的数据通信（电信方法）。Hub的系统带宽为10M/100M，每站平均带宽1/N；交换器系统带宽为N*10M/100M，每站带宽10M/100M。,共享型Hub,交换器,端口之间直接物理连接,交换矩阵,端口之间可控逻辑连接,1、交换器/机端口可以连接一台计算机（站点），也可以连接一个网段，交换器与Hub混用的结构；,2、交换器/机端口速率10/100M，当N端口时，系统最大（理论）带宽是 N*10/100M，有时又表述为N/2*10/100M，为什么？,3、在端口半双工通信方式时，实际仍是CSMA/CD碰撞
7、域；当端口全双工通信方式时，实际已不存在CSMA/CD碰撞域，只是沿用了以太网的接口和帧标准。,交换以太网特点：,以太网中继器和网桥是早期扩展LAN的主要方法。,2.2.2 以太网网桥,LAN碰撞域是限制LAN范围和性能，为什么？怎么办？,分割多个网段，形成多个碰撞域，实现LAN范围带宽扩展。,透明网桥体系和基本功能由802.1D 定义。,网桥工作流程主要包括如下：地址自学习（形成端口/地址表）、根据目的地址DA完成帧的转发和过滤、广播帧。,范冰冰:何谓“透明”：当不同网段通过网桥连接后，不需做任何处理，就可工作。,透明网桥功能,网桥,网桥1,1,2,13,11,12,14,23,21,22,
8、24,25,1 LAN1 11 12 13 14,端口号 MAC地址,2 LAN2 21 22 23 24 25,范冰冰:地址自学习是根据LAN上网桥端口侦听到的帧中的源地址，或其它端口帧接收，记录到相应端口的地址栏目中形成端口-地址表。,3,32,31,3 LAN3 31 32,网桥端口地址表,透明网桥的帧广播,网桥,网桥1,1,2,13,S,12,14,广播帧：1、以太网正常广播（组播），网桥全部转发。,32,31,3,2、多网桥（交换器）网络中的帧转发广播,3、加电时（端口地址表空），自学习阶段的广播，引起广播风暴，加速完善地址表。怎么会加速？,网桥存在问题,大型闭合网络中，帧广播的无限
9、循环；,在以上最简单的闭环网络中，当A向B发帧时，如B关机，在网桥1和网桥2端口/地址表中没有B，端口B1、B2又重新把帧广播到LAN1，则形成无限循环广播。（理论一般原理到可能的情况分析处理！）,B1,B2,网桥1,LAN1,LAN2,A,B,网桥2,B11,B21,当A向B发帧时，假设t1t2，B先后收到2帧；,地址记录出错，无法正常转发工作；,当B11收到B21端口转发的源A到目的B的帧是，把LAN2上转发帧的源地址A记载到LAN2地址表中，同样B21也如此，这样网桥1、2误认为A在LAN2网段中，B到A的帧永远不转发了。,大型网桥存在什么问题，解决方法？,生成树算法（Spanning
10、Tree Algorithm),图论基本思想：任何一个连接图，总存在一棵不含任何回路但保持原图所有连接的树；,LAN1,LAN2,LAN3,LAN4,生成树算法思想：找到一条可以把帧广播到所有网段（的计算机）上的途径，但又不引起广播循环的方法。体会数学在计算方法中的应用!,如图中在切断任一个点都形成遍历所有网段，但不循环的途径,3、在每个LAN上BPDU帧指明距离最短的为指定桥（距离相等取MAC编号小的桥），只允许通过指定桥向其连接LAN（除根端口的LAN外）转发BPDU帧，其它桥被堵塞；从而避免循环转发。,1、找出以太网MAC地址最小的网桥端口作为根桥，算法计算开始点，向它所连接的所有LAN
11、广播BPDU帧（桥协议数据单元，专门交换桥信息特殊帧）。,2、每当一个网桥收到一个BPDU帧时，并回复一个BPDU帧说明它和根桥距离。,4、生成树建立后，为了能对网络拓扑结构变化及时反映，各网桥周期地交换BPDU。,桥协议和生成树算法原理：,算法依据数学原理而设计的可执行程序，重要点初始起点和结束点的处理！。,生成树算法图例演示（Spanning Tree Algorithm),LAN1,LAN2,LAN3,LAN4,桥根,LAN5,指定桥,指定桥,桥,生成树算法在以太网普遍采用，解决思想数学基础是什么？计算机中数学问题还有在哪里？举1-2例。,2.2.3 以太网网桥和交换比较,80中后期，为
12、了扩展局域网，网桥被大量使用，网桥将LAN分割成不同的网段，限制了共享冲撞域，但转发广播帧，所以存在广播风暴问题。,在小规模网桥连接的网络上广播是合理，但在大型网络中的广播实际是不能容忍的，为什么？所以网桥连接的LAN规模不能太大，一般不多于几十个。,网桥连接的网络的生成树算法是线性的处理，即视网络是一个平等的网状结构，但实际大型网络是分层结构的网络。,网桥的可扩展性限制是根本的问题：,广播风暴：由于环路导致广播在网段内大量复制、传播，导致网络性能下降，甚至瘫痪。广播风暴是由于网络拓扑的设计问题，或其他原因广播风暴爆发后，网络中传输的全部是广播包，计算机处理的也全部都是广播包，正常的数据包无法
13、得到转发和处理。拔掉网线或关掉交换机后，广播风暴得到扼制，从而恢复正常通讯。,网桥普遍使用发展，及另一方面IC技术发展，使网桥产品向多端口（4、8、16、24），实际上多端口网桥就是基本的以太网交换机（器）。,以太网交换的基本功能仍是：帧转发、帧过滤、Spanning Tree Algorithm；但由于更多的端口，使以太网交换机演变为一种多网桥同时工作设备，更多网段独立工作，进一步减小了碰撞域（实际上端口/终端部署，彻底消除了碰撞域），使系统带宽大大得到提高，但并不能完全抑制广播数据。,以太网交换在继承了网桥的基本功能外，发展了VLAN、链路聚合等、端口全双工、接入认证等新功能，成为真正交换
14、设备。,2.3 以太网交换的方式和实现结构,2.3.1 以太网交换的方式,1、基于端口的静态交换。,1 2 3 4 5 6,7 8 9 10 1112,如上图（1、10）、（4、6）、（5、11）端口之间交换，通过交换机的管理软件配置而成，相当于可人工处理的硬件连接器（多端口网桥），在最早期端口交换机产品中使用。,交换方式是端口间怎样实现按需的数据交换的方法。,2、基于MAC地址的动态交换。,1 2 3 4 5 6,7 8 9 10 1112,动态交换基于网桥原理，根据MAC源/目的地址，通过自学习的端口/地址表，形成端口间的一次帧交换连接和转递，然后通道自动关闭，是目前使用方式。,1、存储转
15、发方式：可靠、延时大、交换速度低。,1、串并转换，帧缓存和检验CRC,A,B,3、串并转换，帧缓存和CRC检验,2、查端口地址表,2、穿通交换方式：硬件方式直接取出目的地址，查表传递，收端CRC检验纠错，出错重发；快速。,取目的地址,3、碎片丢弃方式：输入帧的512bit后，完全采用穿通交换方式进行处理；如512bit帧碎片丢弃；1、2折中方式。,理解以太网交换实际快速实现的方法？,2.3.2 以太网交换实现结构,1、软件实现结构：利用CPU和RAM软件计算环境完成输入缓存、查表和输出，灵活，但速度低（特别端口多、数据量大时），无法实现交换机堆叠和广播。,2、交换矩阵结构：当输入目的地址查表确
16、定输出端口后，通过硬件输入/输出矩阵实现输入/出端口直连；但在多对一环境下，需要增加输入/出缓冲，和排队优先机制。产品主流结构，但堆叠和广播实现较难，需要附加处理。,3、共享存储交换结构：所有数据直接输入共享存储器中（而不是端口缓存），并直接从共享存储器输出到端口；对大量交换数据，需要专门交换引擎，但管理、堆叠和广播实现较易。,4、总线交换：总线时分复用，处理各输入帧，类似电路交换原理，性能好，复杂、成本高。,2.4 以太网交换的应用,2.4.1 以太网交换机特性,1、端口/地址表大小。端口/地址空间（如8192，8K）决定各端口可连接的站数。,2、体系结构。ASIC、CICS（复杂指令系统）
17、、RISC（精简指令系统）。CICS和 RISC体系是基于ROM固化指令工作，ASIC是全硬件实现；各有利弊。,3、背板（交换或传输）速率。无阻塞模式下，交换机背板传输数据的速率。如64口10BaseT交换机，最大32交叉连接，背板传输率32*10M=320Mbps,64口广播时640Mbps。,4、端口能力：10/100MBaseT自适应端口；支持1G（1000MBaseT、GBIC)端口或其它类型端口能力。,5、全双工端口。,6、Jabber（超长帧）处理：Jabber是长度超过1518Byte 的以太帧，一般由错误引起，Jabber处理是指把超长帧转化为正常帧能力。,7、协议支持：生成树
18、算法、端口认证、MAC地址绑定等。,9、管理：管理界面、远程、SNMPV2/3、其它管理功能（接入带宽、访问控制）。,8、Cache高速缓冲区：端口或共享高速缓存区大小。,10、堆叠功能：扩展交换端口时2台或多台交换机联合。,11、VLAN功能。交换机灵活分组方法，下面章节介绍。,群组级交换应用通常是指一个办公室环境应用的网络，一般规模小于20PC桌面，具有少量的办公室服务器，一般OA、业务和上网环境）。,2.4.2 以太网交换机组网应用,1、群组级交换应用,当几个群组结合到更大部门时网络环境考虑分层：接入层和汇聚层的网络环境。,2、部门级交换应用,根据需求100M或1G,1、汇聚交换机提供对
19、部门服务器的集中访问，和连接群组之间的通道。,2、汇聚交换机需要更高的可靠性，和高带宽的接口能力。,3、向上汇聚链路根据带宽需要和距离限制，选用100M、1GB的电或光线路。,当大型企业或校园，多部门或用户群很大时，网络环境考虑更细分层：接入层、汇聚层和核心层的网络环境。,3、企业级交换应用,1、接入交换机提供对用户的就近接入。,2、汇聚交换机就近汇集接入交换机组。,3、核心交换机提供主要应用服务、互联网接入和部门连通。,4、核心交换机提供双机冗余和关键部件冗余，汇聚交换机提供关键部件冗余，对重要用户汇聚交换机提供冗余连接。,2.5 以太网交换发展其它技术,交换以太网双工技术,FBB:什么全双
20、工、半双工通信技术？,交换以太网全双工背景：如一个交换端口接一台计算机实际没有计算机间竞争碰撞，但仍存在（半双工）收发碰撞，这种不仅影响收发共享带宽，还制约媒体传输的长度，即以太网覆盖域有限。1997年IEEE802.3X制订全双工以太网的标准。,以太网全双工：在端口间使用两对双绞线或两芯光纤，使收发在两组独立的传输媒体进行，实现完全的无碰撞传输。,重要概念：交换全双工以太网（当不接Hub共享设备）是使用CSMA/CD碰撞共享机制，但实际是无碰撞和竞争以太帧交换设备；因为不存在媒介多路访问、碰撞。,当以太网实现全双工后，传输媒体的传输距离完全取决于数字信号在该媒体上传输衰变。,对10M/100
21、M以太网交换机实现全双工后，对设备系统带宽，增加到20M/200M。,目前以太网主要端口基本都可以支持全双工/半双工自适应。见下表，全双工对高速光纤的传输影响非常大。,2.5.2 交换以太网链路聚合技术,以太网链路聚合发展背景：当主要交换机之间或主服务器与交换机间，需要多条1G链路扩充带宽时，各链路之间是否可以简单连接，要按什么规范处理聚合？,一般当交换机之间两条链路连接时，形成了循环闭合连接，实际上将受到：IEEE802.1DS生成树算法的制约，每次只允许一条链路工作，但一条故障时（拓扑改变），另一条工作，只起到备份作用，而不能增加带宽。,1、交换机链路聚合参数配置；,FBB:聚合链路接口和
22、子层是专门定义的，产品中专门确定的，不是一般端口都可以有的功能。,2、分配机制：对各物理链路分配数据流，实现负载均衡；,4、接收和收集各链路输入，和分配机制配合进行聚合后数据流的顺序；,3、链路状态检测，出现故障，分配机制进行报警和数据流重新分配；,5、增加和删除聚合的物理链路；,目前以太网链路聚合采用2000年IEEE802.3ad标准，链路聚合控制协议LACP。,以太网链路聚合功能：1、扩充带宽，并实现多链路自动负载均衡；2、链路冗余备份，当一条链路故障时自动实现帧重定向或切换。链路聚合IEEE802.3ad标准定义实现的功能：,IEEE802.3ad链路聚合LACP协议功能实现要解决：聚
23、合的链路群/端口在逻辑上看成是一条链路、一个端口。实际是通过以太网MAC子层上增加了一个链路聚合子层，在链路聚合子层上实现LACP协议功能。所以聚合是在一类特殊处理的、运行LACP协议的端口上实现。,目前链路聚合实际使用：,1、目前产品一般提供2-6条1G链路聚合，为什么？,2、链路聚合（两端）使用通常选择同一厂家的产品（因为IEEE802.3ad 标准，没有详细定义分配机制算法的实现，可能存在不兼容的问题。）,FBB:聚合链路接口和子层是专门定义的，产品中专门确定的，不是一般端口都可以有的功能。,3、一些产品提供多交换机主干 链路之间聚合功能。,汇聚交换机A,核心交换机A,2*1G聚合,核心
24、交换机B,2.5.3 万兆（10G）以太网技术,10G以太网发展背景：以太网向城域网发展中，以太网汇聚层和骨干层的1G、N*1G速率开始不适应用户规模、服务带宽和覆盖区域的要求。,10G以太网技术特点,2002年6月，IEEE 802.3ae标准正式批准通过，2003-04年主要厂家产品投向市场。,2、保留802.3的MAC子层的帧结构格式和帧长度,3、不支持共享总线型，只支持全双工交换型以太网，采用点对点星型连接；,4、定义了局域网和广域网两大系列和相应数据传输速率机制；,5、不支持双绞线，只支持多模和单模光纤，确定了连接距离的PHY层技术规范；,1、MAC子层和PHY层实现10Gbps速率
25、，,10G以太网PHY层结构类型,10G以太网保留以太网层次结构和802.3帧结构同时，其MAC、特别是PHY层变化很大，PHY层定义了三种不同类型：,1、10GbaseX型：一种对应1GbaseX（SX/LX）的PHY结构，8B/10B编码，为达到10G，采用CWDM（稀疏波分复用），1300nm波长(25nm间隔）4对2.5Gbps光发送/接收器；一种从1G到10G传统发展思路。,2、10GbaseR型；PCS采用 64B/66B编码，为达到10G，其时钟速率必须配置在10.3G。,3、10GbaseW型，一种广域网方式的PHY结构，PCS采用 64B/66B编码，采用SONET OC-1
26、92结构标准，速率为9.686Gbps,其时钟速率必须配置在9.953G；采用SONET长距离、高速率和可管理的可靠传输机制。,10G以太网为了达到10Gbps 速率采用PHY层三种不同类型，当对应到标准MAC层的帧结构时，必须进行与媒体接口无关的复杂协调，如10GbaseW型，需实现10Gbps和9.686Gbps变换，以太帧结构和SDH帧结构转换、传输管理等变化。,多级多平面交换架构，高速背板交换能力，支持未来40GE和100GE以太网标准；物理层高速编解码技术和光纤通信技术；超高端口密度，支持大量万兆、千兆端口能力;智能弹性架构技术，解决高可靠性、分布性和易管理性;独立的控制引擎、检测引
27、擎、维护引擎，强大的控制能力和50ms的高可靠保障;)多层次的安全保护，保证控制平面在遭受攻击或者大流量的情形下维护正常的转发和协议状态;智能化的EMS引擎系统，支持对电源的智能管理功能。,万兆交换机的关键技术,思考题：1、以太网CSMA/CD的工作原理和优缺点？2、以太网CSMA/CD机制和一般交换方法的主要区别。3、以太网交换机中骨干端口上是否还存在总线共享与帧碰撞问题？3、解释什么是以太网共享域、碰撞域和广播域，为什么大型网络中广播不可取的？4、以太网网桥和以太网交换机的主要差异是什么？5、直接交换性能指标有哪些，影响以太网交换性能的主要因素？6、说明跨越多个交换机时的以太网交换的寻址实现？7、交换以太网比CSMA/CD以太网带来的哪些 深刻变化。8、以太网组网最典型的应用结构。9、链路聚合解决什么问题，核心技术是什么？专题报告；1、以太网交换技术的最新发展（主要从可管理性、QoS、可靠性、支持多业务服务等角度考虑）。,
