以太網(wǎng)交換機(jī)工作原理課件

1、以太網(wǎng)交換機(jī)工作原理言杉SPD RD2010.11.30目錄1.以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 以太網(wǎng)概述 1.2 MAC地址 1.3 以太網(wǎng)幀格式 1.4 CSMA/CD 1.5 沖突域與廣播域 1.6 以太網(wǎng)的典型設(shè)備-HUB 1.7 全雙工以太網(wǎng)2.網(wǎng)絡(luò)層的概念 2.1 OSI模型 2.2 各層的作用 2.3 不同層對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3.局域網(wǎng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 4.1 概述 4.2 交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理 4.3 交換機(jī)能分割沖突域 4.4 交換機(jī)工作模式 4.5 交換機(jī)的交換方式5.交換機(jī)硬件電路架構(gòu) 5.1 模塊圖（Gigabit switch) 5.2 RJ45接口 5.3

2、MII/GMII/RMII接口 5.4 物理層特性 5.4.1 自協(xié)商 5.4.2 Auto MDI/MDIX 5.4.3 流量控制6. Winwin gigabit交換機(jī) 6.1 概述 6.2 Loop detect 6.3 方框圖 6.4 電路圖 6.5 Layout guide7.交換機(jī)參考測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 7.1 RFC2544 7.2 RFC2899 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)1.以太網(wǎng)概述-1 以太網(wǎng)是在70年代初期由Xerox公司Palo Alto研究中心推出的。1979年Xerox、Intel和DEC公司正式發(fā)布了DIX版本的以太網(wǎng)規(guī)范，1983年IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。初期的以太網(wǎng)是

3、基于同軸電纜的，到八十年代末期基于雙絞線的以太網(wǎng)完成了標(biāo)準(zhǔn)化工作，即我們常說的10BASE-T。 隨著市場的推動(dòng)，以太網(wǎng)的發(fā)展越來越迅速，應(yīng)用也越來越廣泛。下面簡單列一下以太網(wǎng)的發(fā)展歷程：70年代初，以太網(wǎng)產(chǎn)生；1929年，DEC、Intel、Xerox成立聯(lián)盟，推出DIX以太網(wǎng)規(guī)范；1980年，IEEE成立了802.3工作組；1983年，第一個(gè)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)通過并正式發(fā)布通過80年代的應(yīng)用，10Mb/s以太網(wǎng)基本發(fā)展成熟1990年，基于雙絞線介質(zhì)的10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.1D網(wǎng)橋標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布90年代，LAN交換機(jī)出現(xiàn)，逐步淘汰共享式網(wǎng)橋1992年，出現(xiàn)了100Mb/s快速

4、以太網(wǎng)通過100BASE-T標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3u)全雙工以太網(wǎng)(IEEE97)千兆以太網(wǎng)開始迅速發(fā)展(96)1000Mb/s千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)問世(IEEE802.3z/ab)IEEE 802.1Q和802.1P標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)(98)10GE以太網(wǎng)工作組成立(IEEE802.3ae) 以太網(wǎng)是一種能夠使計(jì)算機(jī)進(jìn)行相互傳遞信息的介質(zhì)，它利用二進(jìn)制位形成一個(gè)個(gè)的字節(jié)，這些字節(jié)然后組合成一幀幀的數(shù)據(jù)。幀有一個(gè)起點(diǎn)，我們稱之為幀頭；也有終點(diǎn)，我們稱之為作幀尾。以太網(wǎng)由許多物理網(wǎng)段組合而成，每個(gè)網(wǎng)段包括一些導(dǎo)線和與導(dǎo)線相連的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。以太網(wǎng)上有很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都會(huì)接收到各種各樣的幀信息。那么，設(shè)備怎樣

5、才能知道幀是否是直接對(duì)它進(jìn)行訪問呢？其實(shí)，在每個(gè)幀報(bào)頭中，都包含有一個(gè)目地介質(zhì)訪問控制地址（MAC）和一個(gè)源MAC地址，目的MAC地址就可以告訴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備幀是否是對(duì)它進(jìn)行直接訪問。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)幀的目的MAC地址與自己的MAC不匹配，設(shè)備將對(duì)不處理該幀。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)1.以太網(wǎng)概述-2MAC地址有48位，它可以轉(zhuǎn)換成12位的十六進(jìn)制數(shù)，參見下圖。這個(gè)數(shù)分成三組，每組有四個(gè)數(shù)字，中間以點(diǎn)分開。MAC地址有時(shí)也稱為點(diǎn)分十六進(jìn)制數(shù)。為了確保MAC地址的唯一性，IEEE對(duì)這些地址進(jìn)行管理。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)。供應(yīng)商代碼代表NIC（網(wǎng)絡(luò)接口卡）制造商的名稱，它占用MAC的前六

6、位12進(jìn)制數(shù)字，即24位二進(jìn)制數(shù)字。序列號(hào)由供應(yīng)商管理，它占用剩余的6位地址，或最后的24位二進(jìn)制數(shù)字。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)2.MAC地址常用以太網(wǎng)幀格式前同步字符： 在每種格式的以太網(wǎng)幀的開始處都有64比特（8字節(jié)）的前同步字符，下圖1所示。其中，前7個(gè)字節(jié)稱為前同步碼（Preamble），內(nèi)容是16進(jìn)制數(shù)0 xAA，最后1字節(jié)為幀起始標(biāo)志符0 xAB，它標(biāo)識(shí)著以太網(wǎng)幀的開始。前導(dǎo)字符的作用是使接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備。 以太網(wǎng)幀前導(dǎo)字符 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)3.以太網(wǎng)幀格式-1 除此之外，不同格式的以太網(wǎng)幀的各字段定義都不相同，彼此也不兼容。常見幀格式有4種。2.Ethernet

7、802.3 raw幀格式在Ethernet 802.3 raw類型以太網(wǎng)幀中，原來Ethernet II類型以太網(wǎng)幀中的類型字段被總長度字段所取代，它指明其后數(shù)據(jù)域的長度，其取值范圍為：46-1500。1.Ethernet II類型以太網(wǎng)幀格式其中，2個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)的類型，即以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)，如16進(jìn)制數(shù)0 x0800代表IP協(xié)議數(shù)據(jù)，16進(jìn)制數(shù)0 x809B代表AppleTalk協(xié)議數(shù)據(jù)，16進(jìn)制數(shù)0 x8138代表Novell類型協(xié)議數(shù)據(jù)等。在不定長的數(shù)據(jù)字段后是4個(gè)字節(jié)的幀校驗(yàn)序列（Frame. Check Sequence，F(xiàn)CS），采用32位CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)對(duì)從目標(biāo)MAC地址字

8、段到數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí) 3.以太網(wǎng)幀格式-23.Ethernet 802.3 SAP幀格式從圖中可以看出，在Ethernet 802.3 SAP幀中，將原Ethernet 802.3 raw幀中2個(gè)字節(jié)的0 xFFFF變?yōu)楦?個(gè)字節(jié)的DSAP和SSAP，同時(shí)增加了1個(gè)字節(jié)的“控制”字段，構(gòu)成了802.2邏輯鏈路控制（LLC）的首部。新增的802.2 LLC首部包括兩個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)：源服務(wù)訪問點(diǎn)（SSAP）和目標(biāo)服務(wù)訪問點(diǎn)（DSAP）。它們用于標(biāo)識(shí)以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型，如16進(jìn)制數(shù)0 x06代表IP協(xié)議數(shù)據(jù)，16進(jìn)制數(shù)0 xE0代表Novell類型協(xié)議數(shù)據(jù)，16進(jìn)制

9、數(shù)0 xF0代表IBM NetBIOS類型協(xié)議數(shù)據(jù)等。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)3.以太網(wǎng)幀格式-34.Ethernet 802.3 SNAP幀格式Ethernet 802. 3 SNAP類型以太網(wǎng)幀格式和Ethernet 802. 3 SAP類型以太網(wǎng)幀格式的主要區(qū)別在于： 2個(gè)字節(jié)的DSAP和SSAP字段內(nèi)容被固定下來，其值為16進(jìn)制數(shù)0 xAA。 1個(gè)字節(jié)的“控制”字段內(nèi)容被固定下來，其值為16進(jìn)制數(shù)0 x03。 增加了SNAP字段，由下面兩項(xiàng)組成： 新增了3個(gè)字節(jié)的組織唯一標(biāo)識(shí)符（Organizationally Unique Identifier，OUI ID）字段，其值通常等于MAC地址的

10、前3字節(jié)，即網(wǎng)絡(luò)適配器廠商代碼。 2個(gè)字節(jié)的類型字段用來標(biāo)識(shí)以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)3.以太網(wǎng)幀格式-4 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)4.CSMA/CD以太網(wǎng)使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，帶有沖突監(jiān)測(cè)的載波偵聽多址訪問）。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)確定的CSMA/CD檢測(cè)沖突的方法如下： （1）當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，它檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)查看是否有其他站點(diǎn)正在傳輸，即監(jiān)聽信道是否空閑。（2）如果信道忙，則等待，直到信道空閑；如果信道閑，站點(diǎn)就傳輸數(shù)據(jù)。（3）在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，站點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)

11、絡(luò)確信沒有其他站點(diǎn)在同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。因?yàn)橛锌赡軆蓚€(gè)或多個(gè)站點(diǎn)都同時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑然后幾乎在同一時(shí)刻開始傳輸數(shù)據(jù)。如果兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生沖突。（4）當(dāng)一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)識(shí)別出一個(gè)沖突，它就發(fā)送一個(gè)擁塞信號(hào)，這個(gè)信號(hào)使得沖突的時(shí)間足夠長，讓其他的節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)。（5）其他節(jié)點(diǎn)收到擁塞信號(hào)后，都停止傳輸，等待一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的時(shí)間間隙（回退時(shí)間，Backoff Time）后重發(fā)。沖突域:指的是會(huì)產(chǎn)生沖突的最小范圍，在計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)通過設(shè)備互聯(lián)時(shí)，會(huì)建立一條通道，如果這條通道只允許瞬間一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文通過，那么在同時(shí)如果有兩個(gè)或更多的數(shù)據(jù)報(bào)文想從這里通過時(shí)就會(huì)出現(xiàn)沖突了。 沖突域1沖突域2沖突域3 以

12、太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)5.沖突域與廣播域-1廣播域:指接收同樣廣播消息的節(jié)點(diǎn)的集合,如果一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的目標(biāo)地址是這個(gè)網(wǎng)段的廣播地址IP或者目標(biāo)計(jì)算機(jī)的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，那么這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文就會(huì)被這個(gè)網(wǎng)段的所有計(jì)算機(jī)接收并響應(yīng)，這就叫做廣播。. . . .廣播域廣播 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)5.沖突域與廣播域-2以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)6.以太網(wǎng)的典型設(shè)備-HUB在局域網(wǎng)（LAN-Local Area Network）中，每個(gè)工作站都通過某種傳輸介質(zhì)連接到網(wǎng)絡(luò)上。一般情況下，服務(wù)器不會(huì)有很多網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。因此，不可能將所有的工作站都連接到服務(wù)器上。因此，局域網(wǎng)中會(huì)使用HUB，這是網(wǎng)絡(luò)中

13、很常用的設(shè)備。HUB是一種典型的采用以太網(wǎng)CSMA/CD機(jī)制的設(shè)備，其主要作用是：1,被用作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中點(diǎn)2.放大信號(hào)3.無路徑檢測(cè)或交換從HUB的作用可以看出，HUB對(duì)所連接的LAN只做信號(hào)的中繼，工作在網(wǎng)絡(luò)的物理層，連接在HUB上的所有物理設(shè)備相當(dāng)于連接在同一根導(dǎo)線上，都處于同一個(gè)沖突域和廣播域，如下圖。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很多的情況下，設(shè)備之間的沖突將會(huì)很嚴(yán)重，并且導(dǎo)致廣播泛濫，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。 以太網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)7.全雙工以太網(wǎng)當(dāng)兩個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過10baseT的電纜直接連接時(shí)，導(dǎo)線類似于下圖。在這種情況下，數(shù)據(jù)可以通過兩種獨(dú)立的路徑傳輸和接收。由于只存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就沒有總線，所以就

14、可以在同一時(shí)間對(duì)信息進(jìn)行雙向傳輸，而不會(huì)發(fā)生沖突。在這種情況下，以太網(wǎng)稱為全雙工以太網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)全雙工以太網(wǎng)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)必須通過10baseT直接連接，而且NIC必須支持全雙工。OSI模型:即開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnection, OSI/RM,Open Systems Interconnection Reference Model)，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的一個(gè)試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)框架，簡稱OSI。下圖即為OSI模型 ： 網(wǎng)絡(luò)層的概念1.OSI模型1.物理層。物理層規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點(diǎn)之間的機(jī)械特性、電氣特

15、性、功能特性以及過程特性。物理層為上層協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。屬于物理層定義的典型規(guī)范包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。2.數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。3.網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。網(wǎng)絡(luò)層還可以實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。4.傳輸層。傳輸層是第一個(gè)端到端，即主機(jī)到主機(jī)層次。

16、傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯(cuò)控制和流量控制問題。傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。 網(wǎng)絡(luò)層的概念2.各層的作用-15.會(huì)話層。會(huì)話層管理主機(jī)之間的會(huì)話進(jìn)程，即負(fù)責(zé)建立、管理、終止進(jìn)程之間的會(huì)話。會(huì)話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。6.表示層。表示層對(duì)上層數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行變換以保證一個(gè)主機(jī)應(yīng)用層信息可以被另一個(gè)主機(jī)的應(yīng)用程序理解。表示層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉(zhuǎn)換等。7.應(yīng)用層。應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。應(yīng)用層協(xié)議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等

17、。數(shù)據(jù)在各層之間的單位都是不一樣的，在物理層數(shù)據(jù)的單位稱為比特(bit);在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)的單位稱為幀(frame);在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包(packet);傳輸層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段(segment)。 網(wǎng)絡(luò)層的概念2.各層的作用-2網(wǎng)絡(luò)層的概念3.不同層對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備-1交換機(jī)(Switch)是一種基于MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址，因此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。集線器(Hub）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中連接多個(gè)計(jì)

18、算機(jī)或其他設(shè)備的連接設(shè)備，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理的最小單元。英文Hub就是中心的意思，像樹的主干一樣，它是各分支的匯集點(diǎn)。Hub是一個(gè)共享設(shè)備，主要提供信號(hào)放大和中轉(zhuǎn)的功能，它把一個(gè)端口接收的所有信號(hào)向所有端口分發(fā)出去。一些集線器在分發(fā)之前將弱信號(hào)加強(qiáng)后重新發(fā)出，一些集線器則排列信號(hào)的時(shí)序以提供所有端口間的同步數(shù)據(jù)通信。 路由器(Router)是一種連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀”懂對(duì)方的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)。路由器有兩大典型功能，即數(shù)據(jù)通道功能和控制功能。數(shù)據(jù)通道功能包括轉(zhuǎn)發(fā)決定、背板轉(zhuǎn)發(fā)以及輸出鏈路調(diào)度等，一般由特定

19、的硬件來完成；控制功能一般用軟件來實(shí)現(xiàn)，包括與相鄰路由器之間的信息交換、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理等。 網(wǎng)絡(luò)層的概念3.不同層對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備-2internet路由器交換機(jī)/HUB局域網(wǎng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-1internet路由器交換機(jī)交換機(jī)/HUB交換機(jī)/HUB局域網(wǎng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-2 交換機(jī)是用來連接局域網(wǎng)的主要設(shè)備，我們最常見的交換機(jī)的端口類型一般包括10Base-T、100Base-T、1000Base-T，其中10Base-T,100Base-T,1000Base-T 一般是由10M/100M自適應(yīng)端口提供，即通常我們所講的RJ-45端口。以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.概述11334422AB端口1端口1

20、端口2端口2端口3端口3data如上圖，假設(shè)交換機(jī)A 、B MAC地址表都是空的，我們通過兩個(gè)例子來說明交換機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸1.主機(jī)11給主機(jī)33發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀2.主機(jī)44給主機(jī)11發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-1data11334422AB端口1端口1端口2端口2data端口3端口3交換機(jī)A在接收從主機(jī)11發(fā)出的數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作步驟：1.交換機(jī)A查找MAC地址表,查看是否有此MAC地址（有則直轉(zhuǎn)給相應(yīng)的端口）2.若沒有，學(xué)習(xí)主機(jī)11的MAC地址3.交換機(jī)A向除端口1的其它所有端口發(fā)送廣播例1：主機(jī)11給主機(jī)33發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀（1）以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2

21、.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-2334422ABA端口1端口1端口2data端口2端口3端口3data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)包交換機(jī)B在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作步驟：1.交換機(jī)B查看MAC地址表，查看是否有此MAC地址（有則直轉(zhuǎn)給相應(yīng)的端口）2.若沒有，學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)3.交換機(jī)B向除源數(shù)據(jù)發(fā)送端口3外的向所有端口廣播數(shù)據(jù)包11例1：主機(jī)11給主機(jī)33發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀（2）以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-3B334422ABA端口1端口1端口2端口2端口3端口3data11dataAA主機(jī)33，接收到數(shù)據(jù)幀主機(jī)44，丟棄數(shù)據(jù)幀例1：主機(jī)11給主機(jī)3

22、3發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀（3）以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-4334422AB端口1端口1端口2端口2端口3端口311data交換機(jī)B在接收到主機(jī)44發(fā)出的數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作步驟：1.交換機(jī)B學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)2.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3例2：主機(jī)44給主機(jī)11發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀（1）以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-5交換機(jī)A在接收到數(shù)據(jù)幀后，執(zhí)行以下操作：1.交換機(jī)A學(xué)習(xí)源MAC地址和端口號(hào)2.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13.主機(jī)11，收到數(shù)據(jù)幀334422AB端口1端口1端口

23、2端口2端口3端口311data例2：主機(jī)44給主機(jī)11發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀（2）以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-6AMAC地址端口號(hào)11 144 322 233 3MAC地址端口號(hào)11 344 222 333 1交換機(jī)最終的MAC地址表B以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-7學(xué)習(xí)通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址來形成的MAC地址表廣播若目標(biāo)地址在MAC地址表中沒有，交換機(jī)則向除接收到該數(shù)據(jù)幀的端口外的其他所有端口廣播該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)若目標(biāo)地址在MAC地址表中存在，交換機(jī)根據(jù)MAC地址表單播轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀更新交換機(jī)MAC地址表的老化時(shí)間是一般最長是300秒，即MAC地址在MAC地址表中存在的

24、時(shí)間。交換機(jī)若發(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)到新的端口以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)2.交換機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理-8以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)3.交換機(jī)能分割沖突域從前面的轉(zhuǎn)發(fā)流程可看出，交換機(jī)分割沖突域，但是不分割廣播域，即交換機(jī)的所有端口屬于同一個(gè)廣播域。交換機(jī)分割沖突域，可提高傳輸效率沖突域1沖突域2沖突域3單工（Simplex）只有一個(gè)信道，傳輸方向只能是單向的半雙工（Half duplex）只有一個(gè)信道，在同一時(shí)刻，只能是單向傳輸全雙工（Full Duplex）雙信道，同時(shí)可以有雙向數(shù)據(jù)傳輸ABABAB以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)4.交換機(jī)工作模式以太網(wǎng)

25、交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)5.交換機(jī)的交換方式-1直通轉(zhuǎn)發(fā)（Cut-through）前導(dǎo)SFD目的MAC源MAC長度DATAFCS7字節(jié) 1字節(jié) 6字節(jié) 6字節(jié) 2字節(jié) 多達(dá)1500字節(jié) 4字節(jié)直通轉(zhuǎn)發(fā)：不進(jìn)行錯(cuò)誤檢查正常幀殘幀超長幀正常幀殘幀超長幀存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（Store-and-forward）前導(dǎo)SFD目的MAC源MAC長度DATAFCS7字節(jié) 1字節(jié) 6字節(jié) 6字節(jié) 2字節(jié) 多達(dá)1500字節(jié) 4字節(jié)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)：對(duì)所有的錯(cuò)誤進(jìn)行檢查，延遲高正常幀殘幀超長幀正常幀以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)5.交換機(jī)的交換方式-2碎片隔離（FragmentFree）正常幀殘幀超長幀正常幀前導(dǎo)SFD目的MAC源MAC長度DATAFC

26、S7字節(jié) 1字節(jié) 6字節(jié) 6字節(jié) 2字節(jié) 多達(dá)1500字節(jié) 4字節(jié)碎片隔離：檢查前64字節(jié)的數(shù)據(jù)，沒有增加顯著的延遲超長幀以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)5.交換機(jī)的交換方式-3交換機(jī)硬件電路架構(gòu)1.模塊圖(Gigabit switch)Port 1 RJ45Transformer 1PHY 1MAC 1MAC 2MAC nTransformer nPHY nTransformer 2PHY 2Port 1 RJ45Port n RJ45Switch Controller MDI/MDIXMDI/MDIXMDI/MDIXGMII GMII GMII IC1IC21.RJ45 Pin序及定義Pin10/10

27、0 BASE-TX1000 BASE-TX1TX+BI_DA+2TX-BI_DA-3RX+BI-DB+4n/cBI-DC+5n/cBI-DC-6RX-BI-DB-7n/cBI-DD+8n/cDI-DD-交換機(jī)硬件電路架構(gòu)2.RJ45接口2. MDI/MDIX接口MDI：MediaDependentInterface（介質(zhì)有關(guān)接口）MDIX：(MediaDependentInterfacexmode)交叉模式介質(zhì)相關(guān)接口 MDI/DMIX是IEEE為以太網(wǎng)絡(luò)RJ-45接口所制定的標(biāo)準(zhǔn)。X代表交錯(cuò)配置(crossover)， MDI的針腳定義為：1.Tx+、2.Tx-、3.Rx+、6.Rx-，MD

28、IX的針腳定義為：1.Rx+、2.Rx-、3.Tx+、6.Tx-。3.MII/RMII/GMII接口 MII ：Media Independent Interface（介質(zhì)無關(guān)接口） 它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MII標(biāo)準(zhǔn)接口 用于連快Fast Ethernet MAC-block與PHY。“介質(zhì)無關(guān)”表明在不對(duì)MAC硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類型的PHY設(shè)備都可以正常工作,接口包 括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨(dú)立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和控制信號(hào)。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)3.MII/GMII/RMII接口-1RMII：Reduced Media Independ

29、ant Interface MII支持10兆和100兆的操作，一個(gè)接口由14根線組成，它的支持還是比較靈活的，但是有一個(gè)缺點(diǎn)是因?yàn)樗粋€(gè)端口用的信號(hào)線太多，如果一個(gè)8端口的交換機(jī)要用到112根線，16端口就要用到224根線，到32端口的話就要用到448根線，一般按照這個(gè)接口做交換機(jī)，是不太現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)代的交換機(jī)的制作都會(huì)用到其它的一些從MII簡化出來的標(biāo)準(zhǔn)，比如RMII、SMII、GMII等。 RMII是簡化的MII接口，在數(shù)據(jù)的收發(fā)上它比MII接口少了一倍的信號(hào)線，所以它一般要求是50兆的總線時(shí)鐘。RMII一般用在多端口的交換機(jī)，它不是每個(gè)端口安排收、發(fā)兩個(gè)時(shí)鐘，而是所有的數(shù)據(jù)端口公用一個(gè)

30、時(shí)鐘用于所有端口的收發(fā)，這里就節(jié)省了不少的端口數(shù)目。RMII的一個(gè)端口要求7個(gè)數(shù)據(jù)線，比MII少了一倍，所以交換機(jī)能夠接入多一倍數(shù)據(jù)的端口。和MII一樣，RMII支持10兆和100兆的總線接口速度。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)3.MII/GMII/RMII接口-2GMII：Gigabit MII（1000M 介質(zhì)無關(guān)接口） GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)1000Mbps。同時(shí)兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該接口定義見IEEE 802.3-2000。發(fā)送器： GTXCLK吉比特TX.信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（125MH

31、z） TXCLK10/100M信號(hào)時(shí)鐘 TXD7.0被發(fā)送數(shù)據(jù) TXEN發(fā)送器使能信號(hào) TXER發(fā)送器錯(cuò)誤（用于破壞一個(gè)數(shù)據(jù)包）注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號(hào)，TXD、TXEN、TXER信號(hào)與此時(shí)鐘信號(hào)同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供TXCLK時(shí)鐘信號(hào)，其它信號(hào)與此信號(hào)同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡(luò)）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡(luò)）。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)3.MII/GMII/RMII接口-3接收器： RXCLK接收時(shí)鐘信號(hào)（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關(guān)聯(lián)） RXD7.0接收數(shù)據(jù) RXDV接收數(shù)據(jù)有效指示 RXER接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)指示 COL沖突檢測(cè)

32、（僅用于半雙工狀態(tài)）管理配置 MDC配置接口時(shí)鐘 MDIO配置接口I/O管理配置接口控制PHY的特性。該接口有32個(gè)寄存器地址，每個(gè)地址16位。其中前16個(gè)已經(jīng)在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中規(guī)定了用途，其余的則由各器件自己指定。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)3.MII/GMII/RMII接口-41.自協(xié)商（Auto negotiation)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到100M速率以后，出現(xiàn)了一個(gè)如何與原10M以太網(wǎng)設(shè)備兼容的問題，自協(xié)商技術(shù)就是為了解決這個(gè)問題而制定的，如下圖。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)4.物理層特性-1.自協(xié)商-1 自協(xié)商功能允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將

33、自己所支持的工作模式信息傳達(dá)給網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)端，并接受對(duì)方可能傳遞過來的相應(yīng)信息。自協(xié)商功能完全由物理層芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，因此并不使用專用數(shù)據(jù)報(bào)文或帶來任何高層協(xié)議開銷。 在鏈路初始化時(shí)，自協(xié)商協(xié)議向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送16bit的報(bào)文并從對(duì)端設(shè)備接收類似的報(bào)文。自協(xié)商的內(nèi)容主要包括速度、雙工、流控等等，一方面通知對(duì)端設(shè)備自身可工作的方式，另一方面，從對(duì)端發(fā)來的報(bào)文中獲得對(duì)端設(shè)備可以工作的方式。如果對(duì)端設(shè)備不支持自協(xié)商，缺省的假設(shè)是：鏈路工作于半雙工模式。 交換機(jī)硬件電路架構(gòu)4.物理層特性-1.自協(xié)商-2 以太網(wǎng)交換機(jī)屬于MDIX設(shè)備，輸出的以太網(wǎng)口屬于MDIX接口，連接MDI類設(shè)備（如PC機(jī)）時(shí)，需要使用普

34、通（平行）網(wǎng)線，如果采用交叉網(wǎng)線，是不能正確連接通信的。 以太網(wǎng)交換機(jī)的10/100M以太網(wǎng)口具備智能MDI/MDIX識(shí)別技術(shù)，可以自動(dòng)識(shí)別連接的網(wǎng)線類型，用戶不管采用普通網(wǎng)線或者交叉網(wǎng)線均可以正確連接設(shè)備，極大方便了用戶的使用。用戶也可以對(duì)端口進(jìn)行配置，將其強(qiáng)制配置成MDIX或者M(jìn)DI工作方式。 MDI/MDIX識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過物理層芯片和變壓器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該功能。物理層芯片內(nèi)部的電子開關(guān)可以進(jìn)行MDI和MDIX之間的智能切換，具有中心抽頭的、收發(fā)對(duì)稱的變壓器保證了發(fā)送與接收通道的切換。2.智能MDI/MDIX自動(dòng)識(shí)別(Auto MDI/MDIX) 交換機(jī)硬件電路架構(gòu)4.物理層特性-2.A

35、uto MDI/MDIX3.流量控制(flow control ) 網(wǎng)絡(luò)擁塞一般是由于速率不匹配（如100M向10M端口發(fā)送數(shù)據(jù)）和突發(fā)的集中傳輸而產(chǎn)生的，它可能導(dǎo)致這幾種情況：延時(shí)增加、丟包、重傳增加，網(wǎng)絡(luò)資源不能有效利用。 IEEE 802.3x規(guī)定了一種64字節(jié)的“PAUSE”MAC控制幀的格式。當(dāng)端口發(fā)生阻塞時(shí)，交換機(jī)向信息源發(fā)送“PAUSE”幀，告訴信息源暫停一段時(shí)間再發(fā)送信息。 在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，尤其是一般局域網(wǎng)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況極少，所以有的廠家的交換機(jī)并不支持流量控制。高性能的交換機(jī)應(yīng)支持半雙工方式下的反向壓力和全雙工的IEEE802.3x流控。有的交換機(jī)的流量控制將阻塞整個(gè)L

36、AN的輸入，降低整個(gè)LAN的性能；高性能的交換機(jī)采用的策略是僅僅阻塞向交換機(jī)擁塞端口輸入幀的端口，保證其他端口用戶的正常工作。交換機(jī)硬件電路架構(gòu)4.物理層特性- 3.流量控制Winwin gigabit交換機(jī)1. 概述1.Outline10M/100M/1000M Internal Power MetalCase 8port Swithing Hub2.FeaturesSupport Auto-Negotiation (10/100/1000,Full/Half-Duplex)Support Auto-MDIXSupport FlowControl (Full-Duplex:IEEE802.3

37、x,Half-Duplex:Backpresure)Can be Fowarding and Filtering at full wire speedSupport JumboFrameSupport LEDs per port for statusLOOP DetectionPower Saving mode(Linkdown mode / Cable length mode)Loop detect:我們知道，交換機(jī)是采用單線級(jí)聯(lián)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不允許發(fā)生：1.上級(jí)交換機(jī)有一個(gè)以上的端口同時(shí)聯(lián)到下一級(jí)或更下一級(jí)的交換機(jī)2.同一交換機(jī)兩個(gè)或多個(gè)端口互聯(lián)這樣會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)故障，具有Loop detec

38、t交換機(jī)，幫助布線人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)物理連接上的錯(cuò)誤。工作原理：具有Loop detect功能的交換機(jī)，會(huì)周期性的發(fā)送Loop detect數(shù)據(jù)包，通過比對(duì)收到的Loop detect數(shù)據(jù)包的MAC與隨機(jī)數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)是它自己發(fā)出來的，這就是說發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)發(fā)Loop的情況，它將提示發(fā)生Loop的端口，方便用戶排除問題。下面是發(fā)生Loop detect的機(jī)種情形：Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-11.同一交換機(jī)兩個(gè)或多個(gè)端口互聯(lián)Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-2Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-32.上級(jí)交換機(jī)有一個(gè)以

39、上的端口同時(shí)聯(lián)到下一級(jí)Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-4Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-5Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-6Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-73.上級(jí)交換機(jī)有一個(gè)以上的端口同時(shí)聯(lián)到下一級(jí)或更下一級(jí)的交換機(jī)Winwin gigabit交換機(jī)2.Loop detect-8Winwin gigabit交換機(jī)3.方框圖Winwin gigabit交換機(jī)4.電路圖Winwin gigabit交換機(jī)5.Layout guide-1一、一般的guideline:1.去耦電容

40、盡可能接近的RTL8370引腳。2.網(wǎng)絡(luò)變壓器盡可能的靠近RTL8370。3.RJ45插座盡可能的靠近網(wǎng)路變壓器。4.所有的線路不能走90度直角。5.組件面和焊接面沒有放零件的區(qū)域要鋪銅并通過via連接到GND。二、clock電路1.晶振（crystal）盡可能的靠近RTL8370。2.Clock走線必須用GND包圍。3. 為了消除干擾，SCK走線必須遠(yuǎn)離其它線路，。4.保證晶振（crystal）或OSC電路與其它線路有一定的clearance area。5.不要讓clock線通過內(nèi)層Ground plane有GAP部份 （也就是說Clock走線時(shí)，對(duì)應(yīng)到內(nèi)層的Ground plane必須是連

41、續(xù)的，完整的)。Winwin gigabit交換機(jī)5.Layout guide-2三、Power plane:需依據(jù)電路電源劃分Power plane，例如：AVDDL,DVDDL，AVDDH，DVDDIO。四、Ground plane:1.確保system Ground的連續(xù)和完整，從網(wǎng)絡(luò)變壓器的初級(jí)一直到延伸到板子其它區(qū)域。2.system Ground與Chassis Ground必需有一個(gè)間隙。五.E-PAD（散熱焊盤） layout注意：為了減小芯片的溫度，在RTL8370 Footprint需要用多個(gè)via(drill size=2024mil),并且在組件面和焊接面鋪上大面積的銅

42、，然后通過via與ground plane。六、MII/TMII/RGMII/GMII 信號(hào)線Layout guide1.為減小交差干擾，需確保內(nèi)部走線間的距離3倍于走線的寬度（例如，如果線寬是6mil,那么內(nèi)部走線間距應(yīng)是18mil或更多）。2.當(dāng)走線超過5 inches,保護(hù)走線應(yīng)該放在信號(hào)線之間。這個(gè)保護(hù)走線應(yīng)通過許多的via連接到地。3.輸出端的電阻需要靠近輪出引腳。4.RGMII線路的阻抗應(yīng)為50ohm, RGMII的每一組TX與RX的寬度必須在25mil以內(nèi)。5.RGMII走線時(shí)要避免使用Via或換層。七、Ethernet MDI差動(dòng)信號(hào)1.確保差動(dòng)信號(hào)線對(duì)的的阻抗在100ohm+

43、-10%。2.針對(duì)4層板PCB Layout,差動(dòng)線對(duì)的所有microstrip走線的線寬應(yīng)為5mil,線對(duì)的線間距應(yīng)為7mil。（如Figure 1所示）3.針對(duì)2層板PCB Layout, 差動(dòng)線對(duì)的所有microstrip走線的線寬應(yīng)為7mil,線對(duì)的線間距應(yīng)為5mil。（如Figure 2所示）4.確保差動(dòng)線對(duì)盡可能的靠近并且走線也要盡可能一樣。5. 走線時(shí)要避免使用Via或換層。6.在兩個(gè)端口的差動(dòng)線對(duì)之間保持30mil最小間隙。Winwin gigabit交換機(jī)5.Layout guide-3八、ESD保護(hù)1.在網(wǎng)終變壓器的次級(jí)，兩個(gè)差動(dòng)線對(duì)或信號(hào)線之間保持80mil的最小間隙去改善ESD保護(hù)。2.在信號(hào)線與結(jié)構(gòu)GND之間保持80mil的最小間隙去改善ESD保護(hù)。3.在系統(tǒng)GND與機(jī)構(gòu)GND間保持80mil的最小間隙去改善ESD保護(hù)。Winwin gigabit交換機(jī)5.Layout guide-3交換機(jī)測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)1.RFC2544由于IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)沒有對(duì)特定設(shè)備性能測(cè)試作專門規(guī)定，一般來說只能按照RFC2544（Benchmarking Methodology for NetworkInterconnect