以太網(wǎng)技術(shù)原理

1、1以太網(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)技術(shù)2我們知道局域網(wǎng)包含以太網(wǎng),令牌環(huán)和令牌總線等等,這些技術(shù)當(dāng)中以太網(wǎng)技術(shù)以其簡(jiǎn)明高效的特點(diǎn)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位3學(xué)習(xí)完此課程，您將會(huì)：n了解以太網(wǎng)的發(fā)展史n掌握以太網(wǎng)的基本原理n掌握以太網(wǎng)端口技術(shù)n理解L2交換機(jī)和L3交換機(jī)的工作原理4第第2節(jié)節(jié) 以太網(wǎng)端口技術(shù)以太網(wǎng)端口技術(shù)第第3節(jié)節(jié) 以太網(wǎng)設(shè)備介紹以太網(wǎng)設(shè)備介紹51.1 以太網(wǎng)起源及原理簡(jiǎn)介以太網(wǎng)起源及原理簡(jiǎn)介1.2 以太網(wǎng)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以太網(wǎng)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議6以太網(wǎng)的誕生n以太網(wǎng)最初是由Xerox公司開(kāi)發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，采用載波多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制,數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10

2、Mbps。 n以太網(wǎng)被設(shè)計(jì)用來(lái)滿足非持續(xù)性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而IEEE 802.3規(guī)范則是基于最初的以太網(wǎng)技術(shù)于1980年制定。以太網(wǎng)版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，與IEEE 802.3規(guī)范相互兼容。7沖突檢測(cè)：由于兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信號(hào)，經(jīng)過(guò)疊加后，會(huì)使線路上電壓的擺動(dòng)值超過(guò)正常值一倍。據(jù)此可判斷沖突的產(chǎn)生。以太網(wǎng)原理-CSMA/CDnCS：載波偵聽(tīng)n在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，以確保線路空閑，減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)。nMA：多址訪問(wèn)n每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以同時(shí)被多個(gè)站點(diǎn)接收。nCD：沖突檢測(cè)n邊發(fā)送邊檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)沖突就停

3、止發(fā)送，然后延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間之后繼續(xù)發(fā)送。8以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值值含義含義Length/T 1500Length/T = 1500代表了該幀的類(lèi)型代表了該幀的類(lèi)型代表了該幀的長(zhǎng)度代表了該幀的長(zhǎng)度802.39以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)n以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式（Ethernet-II）n類(lèi)型值大于等于600H 10以太網(wǎng)的MAC地址nMAC地址有4 8位，但它通常被表示為12位的點(diǎn)分十六進(jìn)制數(shù)。nMAC地址全球唯一，由 IEEE對(duì)這些地址進(jìn)行管理和分配。每個(gè)地址由兩部分組成，分別是供應(yīng)商代碼和序列號(hào)。其中前24位二進(jìn)制代表該供

4、應(yīng)商代碼。剩下的24位由廠商自己分配。n如果48位全是1，則表明該地址是廣播地址。n如果第8位是1，則表示該地址是組播地址。00e0.fc39.803411最小幀長(zhǎng)與最大傳輸距離n最大傳輸距離：通常由線路質(zhì)量、信號(hào)衰減程度等因素決定。n最小幀長(zhǎng)（64字節(jié)）：由最大傳輸距離和沖突檢測(cè)機(jī)制共同決定。n規(guī)定最小幀長(zhǎng)是為了避免如下情況發(fā)生：即某站點(diǎn)已經(jīng)將一個(gè)數(shù)據(jù)包的最后一個(gè)BIT發(fā)送完畢，但這個(gè)報(bào)文的第一個(gè)BIT還沒(méi)有傳送到距離很遠(yuǎn)的一個(gè)站點(diǎn)。而站點(diǎn)認(rèn)為線路空閑而發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致沖突。121.1 以太網(wǎng)起源及原理簡(jiǎn)介以太網(wǎng)起源及原理簡(jiǎn)介1.2 以太網(wǎng)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以太網(wǎng)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議13萬(wàn)兆以太網(wǎng)出現(xiàn)7

5、0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2002年以太網(wǎng)發(fā)展簡(jiǎn)史nIEEE802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)nIEEE802.3u 100BASE-T快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)nIEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)nIEEE802.3ae 10GE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)14共享式以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)n在共享式以太網(wǎng)之時(shí)，使用一種稱為抽頭的設(shè)備建立與同軸電纜的連接。須用特殊的工具在同軸電纜里挖一個(gè)小洞，然后將抽頭接入。此項(xiàng)工作存在一定的風(fēng)險(xiǎn)：因?yàn)槿魏问韬?，都有可能使電纜的中心導(dǎo)體與屏蔽層短接，導(dǎo)致這個(gè)網(wǎng)絡(luò)段的崩潰。同軸電纜的致命缺陷是

6、：電纜上的設(shè)備是串連的，單點(diǎn)的故障可以導(dǎo)致這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的崩潰。10Base5：粗同軸電纜（5代表電纜的字段長(zhǎng)度是500米）10Base2：細(xì)同軸電纜（2代表電纜的字段長(zhǎng)度是200米）15其中介質(zhì)可靠性差是共享式以太網(wǎng)的主要問(wèn)題。共享式以太網(wǎng)的缺點(diǎn)n在共享式以太網(wǎng)中，所有的主機(jī)都以平等的地位連接到同軸電纜上，但如果以太網(wǎng)中主機(jī)數(shù)目較多，則存在以下嚴(yán)重問(wèn)題：n介質(zhì)可靠性差n沖突嚴(yán)重n廣播泛濫n無(wú)任何安全性16標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)n標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbit/s）的網(wǎng)絡(luò)定位模型分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)定位接入層最終用戶和接入層交換機(jī)之間的連接匯聚層通常不使用核心層通常不使用17IEEE802.3 線纜名稱電纜最大區(qū)間長(zhǎng)度10BAS

7、E-5粗同軸電纜500m10BASE-2細(xì)同軸電纜200m10BASE-T雙絞線100m10BASE-F光纖2000m18快速（100M）以太網(wǎng)n數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps的快速以太網(wǎng)是一種高速局域網(wǎng)技術(shù)，能夠?yàn)樽烂嬗脩粢约胺?wù)器或者服務(wù)器集群等提供更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。 nIEEE為快速以太網(wǎng)制訂的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3u19快速以太網(wǎng)n快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）的網(wǎng)絡(luò)定位模型分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)定位接入層為高性能的PC機(jī)和工作站提供100Mbit/s的接入?yún)R聚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)器的連接核心層提供交換設(shè)備間的連接20快速以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)線纜類(lèi)型傳

8、輸距離100BaseTXEIA/TIA 5類(lèi)（UTP）非屏蔽雙絞線2對(duì)100m100BaseT4EIA/TIA 3、4、5類(lèi)（UTP）非屏蔽雙絞線4對(duì)100m100BaseFX多模光纖（MMF）線纜550m-2km單模光纖（SMF）線纜2km-15km21千兆以太網(wǎng)n千兆以太網(wǎng)是對(duì)IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，在基于以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)之上，將快速以太網(wǎng)的傳輸速率100Mbps提高了10倍，達(dá)到了1Gbps。 n標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3z（光纖與銅纜）和IEEE802.3ab（雙絞線）22千兆以太網(wǎng)n千兆（1000Mbit/s）以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定位模型分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)定位接入層一般不使用匯聚層提供接入層和

9、匯聚層設(shè)備間的高速連接核心層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)23千兆以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)線纜類(lèi)型傳輸距離1000BaseT銅質(zhì)EIA/TIA5類(lèi)（UTP）非屏蔽雙絞線4對(duì)100m1000BaseCX銅質(zhì)屏蔽雙絞線25m1000BaseSX多模光纖，50/62.5um光纖，使用波長(zhǎng)為850nm的激光550m/275m1000BaseLX單模光纖，9um光纖，使用波長(zhǎng)為1300nm的激光2km-15km24IEEE802.3z的線纜標(biāo)準(zhǔn)n1000BaseLX是一種使用長(zhǎng)波激光作信號(hào)源的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)技術(shù)，在收發(fā)器上配置波長(zhǎng)為1270-1355nm（一般為1300nm）的激光，

10、既可以驅(qū)動(dòng)多模光纖，也可以驅(qū)動(dòng)單模光纖。n1000BaseSX是一種使用短波激光作為信號(hào)源的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)技術(shù)，收發(fā)器上所配置的波長(zhǎng)為770-860nm（一般為800nm）的激光傳輸器不支持單模光纖，只能驅(qū)動(dòng)多模光纖。 n1000BaseCX使用的一種特殊規(guī)格的高質(zhì)量平衡雙絞線對(duì)的屏蔽銅纜，最長(zhǎng)有效距離為25米，使用9芯D型連接器連接電纜。25IEEE802.3ab的線纜標(biāo)準(zhǔn)n1000BaseT是一種使用5類(lèi)UTP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，最長(zhǎng)有效距離與100BASETX一樣可以達(dá)到100米。用戶可以采用這種技術(shù)在原有的快速以太網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從100Mbps到1000Mbps的平滑升級(jí)。26萬(wàn)

11、兆以太網(wǎng)n已經(jīng)開(kāi)始部署，預(yù)計(jì)未來(lái)將有大規(guī)模的應(yīng)用n標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3aen只有全雙工模式n創(chuàng)造了一些新的概念，例如光物理媒體相關(guān)子層(PDM)27第第1節(jié)節(jié) 以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史第第3節(jié)節(jié) 以太網(wǎng)設(shè)備介紹以太網(wǎng)設(shè)備介紹282.1 自協(xié)商技術(shù)自協(xié)商技術(shù)2.2 自適應(yīng)技術(shù)自適應(yīng)技術(shù)2.3 流量控制流量控制29自協(xié)商解決兼容問(wèn)題30自協(xié)商基本頁(yè)信息31自協(xié)商信號(hào)n整個(gè)報(bào)文按16ms間隔重復(fù)，直到自協(xié)商完成32與沒(méi)有自協(xié)商機(jī)制的設(shè)備連接n不使用自協(xié)商機(jī)制會(huì)出現(xiàn)以下情況：n無(wú)法實(shí)現(xiàn)端口的自動(dòng)雙速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)n無(wú)法確定雙工工作模式n無(wú)法確定是否需要流

12、量控制功能33自協(xié)商優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí)順序工作方式A100BASE-TX全雙工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全雙工E10BASE-T34光纖上的自協(xié)商n對(duì)光纖以太網(wǎng)而言，得出的結(jié)論是：n鏈路兩端的工作模式必須使用手工配置（速度、雙工模式、流控等），如果光纖兩端的配置不同，是不能正確通信的。n千兆以太網(wǎng)的自協(xié)商機(jī)制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。352.1 自協(xié)商技術(shù)自協(xié)商技術(shù)2.2 自適應(yīng)技術(shù)自適應(yīng)技術(shù)2.3 流量控制流量控制36智能MDI/MDIXn不需要知道電纜另一端為MDI還是MDIX設(shè)備n兩種電纜（普通、交叉）都可連接交換機(jī)、集線器或NIC設(shè)備n消除由于電纜配錯(cuò)引起的連接錯(cuò)誤n簡(jiǎn)化

13、10/100M網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)，降低開(kāi)銷(xiāo)Receive PairTransmit PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive Pair交叉網(wǎng)線交叉網(wǎng)線直連網(wǎng)線直連網(wǎng)線372.1 自協(xié)商技術(shù)自協(xié)商技術(shù)2.2 自適應(yīng)技術(shù)自適應(yīng)技術(shù)2.3 流量控制流量控制38流量控制n當(dāng)通過(guò)交換機(jī)一個(gè)端口的流量過(guò)大，超過(guò)了它的處理能力時(shí)，就會(huì)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。n在 半 雙 工 方 式 下 ， 流 量 控 制 是 通 過(guò) 反 壓（backpressure）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，模擬產(chǎn)生碰

14、撞，使得信息源降低發(fā)送速度。n在全雙工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x標(biāo)準(zhǔn)。39全雙工流量控制nIEEE802.3x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(gè)PAUSE幀，PAUSE幀使用一個(gè)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(huì)暫?；蛲Ｖ拱l(fā)送。nPAUSE幀利用了一個(gè)保留的組播地址，它不會(huì)被網(wǎng)橋和交換機(jī)所轉(zhuǎn)發(fā)，這樣，PAUSE幀不會(huì)產(chǎn)生附加信息量。40全雙工流量控制nPAUSE功能的應(yīng)用場(chǎng)合：n一對(duì)終端 （簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)）n一個(gè)交換機(jī)和一個(gè)終端n交換機(jī)和交換機(jī)之間的鏈路nPAUSE功能不解決下列

15、問(wèn)題：n穩(wěn)定狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)擁塞n端到端流量控制n比簡(jiǎn)單的“停啟”更復(fù)雜的機(jī)制41第第1節(jié)節(jié) 以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史第第2節(jié)節(jié)以太網(wǎng)端口技術(shù)以太網(wǎng)端口技術(shù)423.2 二層交換機(jī)的工作原理二層交換機(jī)的工作原理3.3 VLAN與三層交換機(jī)與三層交換機(jī)43傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接設(shè)備HUBnHub的工作模式注意：HUB僅僅是物理上的連接設(shè)備。應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層物理層物理層物理層物理層物理層HUB應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層物理層44所有的HUB都是半雙工的nHub的工作原理12345INOUTOU

16、TOUTOUT45由HUB組建以太網(wǎng)的實(shí)質(zhì)n實(shí)際上網(wǎng)絡(luò)中由HUB組建以太網(wǎng)實(shí)質(zhì)是一種共享式以太網(wǎng)，存在共享式以太網(wǎng)的所有缺陷： 沖突嚴(yán)重； 廣播泛濫；無(wú)任何安全性。463.1 Hub的工作原理的工作原理3.3 VLAN與三層交換機(jī)與三層交換機(jī)47二層工作模式n網(wǎng)橋/二層以太網(wǎng)交換機(jī)的工作模式應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層物理層物理層物理層物理層物理層二層交換機(jī)應(yīng)用層應(yīng)用層表示層表示層會(huì)話層會(huì)話層傳輸層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層鏈路層物理層物理層鏈路層鏈路層鏈路層鏈路層48基于源地址學(xué)習(xí)n多播情況下，CAM表項(xiàng)的建立不是通過(guò)學(xué)習(xí)得到的，而是通過(guò)IGM

17、P窺探，CGMP等協(xié)議獲得的。MAC地址地址所在端口所在端口MAC A1MAC B1MAC C2MAC D2分段1分段2ABCPORT1PORT2D 交換機(jī)典型應(yīng)用交換機(jī)49基于目的地址轉(zhuǎn)發(fā)MACD MACA.端口1MACDMACA.端口2MAC地址地址所在端口所在端口MACA1MACB1MACC2MACD250二層交換機(jī)原理n接收網(wǎng)段上的所有數(shù)據(jù)幀；n利用接收數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址來(lái)建立MAC地址表（源地址自學(xué)習(xí)），使用地址老化機(jī)制進(jìn)行地址表維護(hù)；n在MAC地址表中查找數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，如果找到就將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到相應(yīng)的端口（不包括源端口）；如果找不到，就向所有的端口發(fā)送（不包括源端口

18、）；n向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)廣播幀和多播幀（不包括源端口）。51三種交換模式n Cut-Through：n交換機(jī)接收到目的地址即開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程n延遲小n交換機(jī)不檢測(cè)錯(cuò)誤nStore-and-Forward：n交換機(jī)將全部?jī)?nèi)容接收才開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程n延遲大n交換機(jī)檢測(cè)錯(cuò)誤，不會(huì)有錯(cuò)包 nFrag-free：n交換機(jī)接收完數(shù)據(jù)包的前64字節(jié)（一個(gè)最短幀長(zhǎng)度），然后根據(jù)頭信息查表轉(zhuǎn)發(fā)。n結(jié)合了直通方式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)。52L2交換機(jī)的缺點(diǎn)nL2帶來(lái)了以太網(wǎng)技術(shù)的重大飛躍，徹底解決了困擾以太網(wǎng)的沖突問(wèn)題，極大的改進(jìn)了以太網(wǎng)的性能。并且以太網(wǎng)的安全性也有所提高。但以太網(wǎng)存在如下缺點(diǎn)：n廣播泛濫n安全性仍舊無(wú)法得到

19、有效的保證n其中廣播泛濫嚴(yán)重是L2以太網(wǎng)的主要缺點(diǎn)533.1 Hub的工作原理的工作原理3.2 二層交換機(jī)的工作原理二層交換機(jī)的工作原理54VLAN的起源基于端口分組n解決廣播泛濫問(wèn)題的主導(dǎo)思想：將沒(méi)有互訪需求的主機(jī)隔離開(kāi)交換機(jī)工程部市場(chǎng)部銷(xiāo)售部10.110.10.010.110.20.010.110.30.01298555VLAN技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)nVLAN技術(shù)成功的解決了廣播問(wèn)題，并且使以太網(wǎng)的安全性有了進(jìn)一步的提高，此時(shí)的以太網(wǎng)技術(shù)趨于完美。n但VLAN技術(shù)也有缺點(diǎn)：使用VLAN來(lái)劃分網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)的效率提高不少，可是本來(lái)不需要相互訪問(wèn)的兩個(gè)部門(mén)，現(xiàn)在又要少量的訪問(wèn)需求，該怎么辦到呢？56解

20、決辦法（一）n使用路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對(duì)一的關(guān)系缺點(diǎn)：每個(gè)VLAN需要占用一個(gè)路由器的接口；不同VLAN中的主機(jī)需配置不同的缺省網(wǎng)關(guān)工程部VLAN市場(chǎng)部VLAN銷(xiāo)售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機(jī)57解決辦法（二）-單臂路由n使用支持VLAN屬性的路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對(duì)一的關(guān)系工程部VLAN市場(chǎng)部VLAN銷(xiāo)售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機(jī)58（L2+路由器）模式的缺陷n需要多個(gè)設(shè)備，組網(wǎng)復(fù)雜；nVLAN間通信通過(guò)路由器完成；n路由器價(jià)格昂貴，速率較低。工程部VLAN市場(chǎng)部VLAN銷(xiāo)售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機(jī)59解決辦法（三）n將路由器和交換機(jī)合成一個(gè)設(shè)備三層交換機(jī)前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對(duì)一的關(guān)系SWITCH工程部VLAN市場(chǎng)部VLAN銷(xiāo)售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.3