第 層交換技術

會計學1第層交換技術什么是以太網計算機網絡分2類：采用點到點連接的網絡和采用廣播信道的網絡。以太網就是一種典型的廣播網絡。以太網由施樂公司PARC研究中心于1973年5月22日首次提出，經過不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，已成為世界上最流行的局域網技術。第1頁/共42頁以太網與CSMA/CDCSMA/CD（CarrierSenseMultipleAcesswithCollisionDetection）即載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測，它是廣播式以太網共享傳輸介質的理論基礎。CSMA/CD規(guī)定一個想傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點必須執(zhí)行以下步驟：監(jiān)視信道直到其空閑；傳輸數(shù)據(jù)，并監(jiān)視信道是否有沖突發(fā)生；如果檢測到沖突發(fā)生，則停止傳輸并發(fā)出一個沖突信號到網絡上，以便其它節(jié)點知道網絡上有沖突，再等待一個隨機的時間，然后回到第一步。這個隨機時間依如下規(guī)則選定：如果數(shù)據(jù)包沖突了n次（n<16），則此節(jié)點以等概率從0，1，2，…2n-1中隨機選一個數(shù)K，然后等待K*512比特時間（在10Mbps以太網中1比特時間＝10-7秒），如果n>15,則放棄發(fā)送。第2頁/共42頁以太網絡與802.3標準IEEE802.3標準規(guī)定了以太網的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。IEEE802.3規(guī)定的以太網物理層：

10BASE-5使用粗同軸電纜，最大傳輸距離為500m；

10BASE-2使用細同軸電纜，最大傳輸距離為200m；

10BASE-T使用非屏蔽雙絞線，最大傳輸距離為100m；

10BASE-F使用光纜，最大傳輸距離為2000m；第3頁/共42頁以太網絡與802.2標準

邏輯鏈路控制層LLCIEEE802.2規(guī)定的以太網鏈路層之LLC子層（802.2幀格式）：LLCMAC數(shù)據(jù)鏈路層網絡層物理層MAC頭LLC頭數(shù)據(jù)包MAC校驗和LLC頭數(shù)據(jù)包比特流數(shù)據(jù)包注意：IEEE802.2LLC邏輯鏈路控制子層隱藏了各種802網絡之間的差別，向網絡層提供了一個統(tǒng)一的格式和接口。第4頁/共42頁3種常用的802.3連接方式1、10Base-5：總線型結構，使用粗纜和收發(fā)器連接主機。2、10Base-2：總線型結構，使用細纜和無源BNCT型接頭連接主機。3、10Base-T：總線型（或星型）結構，雙絞線和集線器連接主機。第5頁/共42頁其他概念（1）沖突域：帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)以太網中的所有節(jié)點在任何需要的時候都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而CSMA/CD網絡卻努力確保任一時刻只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，兩個節(jié)點卻有可能同時發(fā)送數(shù)據(jù)，出現(xiàn)這種情況就會導致沖突。如果一個設備檢測到沖突，它就停止發(fā)送，并將沖突情況通知其他節(jié)點。其他所有正在發(fā)送的節(jié)點得到通知后停止發(fā)送。廣播域：廣播就是要發(fā)送到網段上的所有節(jié)點、而不是單個節(jié)點或一組節(jié)點的數(shù)據(jù)。要廣播的節(jié)點將數(shù)據(jù)送到MAC地址0xFFFFFFFFFFFF，就能實現(xiàn)上述目的。廣播域由一組能夠接收同組中所有其他節(jié)點發(fā)來的廣播報文的節(jié)點構成。局域網分段：影響局域網性能的兩個常見問題是過高的沖突和過多的廣播?！胺侄巍睂⒕W絡分割成較小的段。網橋、交換機和路由器通過將沖突域分割成較小的部分，從而降低對帶寬的競爭，減少沖突。路由器還有一個好處，它可以劃分更小的廣播域。

第6頁/共42頁其他概念（2）設備OSI層分隔沖突域分隔廣播域備注HUB物理層不不

網橋數(shù)據(jù)鏈路層是不每個端口是單獨的沖突域交換機數(shù)據(jù)鏈路層是不實際上是多端口網橋，每個端口是單獨的沖突域路由器網絡層是是每個端口是單獨的廣播域第7頁/共42頁地址學習幀的轉發(fā)/過濾環(huán)路防止交換機的三個功能第8頁/共42頁交換機如何學習主機的位置最初開機時MAC地址表是空的1900最大mac地址表可存1024個.一旦地址表滿,就會洪泛所有到新MAC地址的幀，直到現(xiàn)存地址條目老化為止.Mac地址表條目默認老化時間是300秒，以下命令可改變老化時間:wg_sw_a(config)#mac-address-tableaging-time?<10-1000000>AgingtimevalueMAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD第9頁/共42頁交換機如何學習主機的位置主機A發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機C交換機通過學習數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，記錄下主機A的MAC地址對應端口E0該數(shù)據(jù)幀轉發(fā)到除端口E0以外的其它所有端口(不清楚目標主機的單點傳送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBAMAC地址表第10頁/共42頁交換機如何學習主機的位置主機D發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機C交換機通過學習數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，記錄下主機D的MAC地址對應端口E3該數(shù)據(jù)幀轉發(fā)到除端口E3以外的其它所有端口(不清楚目標主機的單點傳送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E3:0260.8c01.4444E0E1E2E3DCABMAC地址表第11頁/共42頁交換機如何過濾幀交換機A發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機C在地址表中有目標主機，數(shù)據(jù)幀不會泛洪而直接轉發(fā)E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMAC地址表第12頁/共42頁主機D發(fā)送廣播幀或多點幀廣播幀或多點幀泛洪到除源端口外的所有端口0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3DCABE0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.4444廣播幀和多點傳送幀MAC地址表第13頁/共42頁Part.2生成樹協(xié)議第14頁/共42頁冗余網絡拓撲冗余拓撲消除了由于單點故障所引致的網絡不通問題冗余拓撲卻帶來了廣播風暴、重復幀和MAC地址表不穩(wěn)定的問題網段1網段2服務器/主機X路由器Y第15頁/共42頁廣播交換機A交換機B主機X發(fā)送一廣播信息廣播風暴網段1網段2服務器/主機X路由器Y第16頁/共42頁廣播廣播風暴交換機A交換機B主機X發(fā)送一廣播信息網段1網段2服務器/主機X路由器Y第17頁/共42頁廣播交換機不停地發(fā)出廣播信息廣播風暴交換機A交換機B網段1網段2服務器/主機X路由器Y第18頁/共42頁重復幀單點幀主機X發(fā)關一單點幀給路由器Y路由器Y的MAC地址還沒有被交換機A和B學習到交換機A交換機B網段1網段2服務器/主機X路由器Y第19頁/共42頁

單點幀主機X發(fā)送一單點幀給路由器Y路由器Y的MAC地址還沒有被交換機A和B學習到路由器Y會收到同一幀的兩個拷貝單點幀單點幀重復幀交換機A交換機B網段1網段2服務器/主機X路由器Y第20頁/共42頁單點幀單點幀主機X發(fā)送一單點幀給路由器Y路由器Y的MAC地址還沒有被交換機A和B學習到交換機A和B都學習到主機X的MAC地址對應端口0端口0端口1端口0端口1MAC地址表不穩(wěn)定交換機A交換機B網段1網段2服務器/主機X路由器Y第21頁/共42頁

Unicast主機X發(fā)送一單點幀給路由器Y路由器Y的MAC地址還沒有被交換機A和B學習到交換機A和B都學習到主機X的MAC地址對應端口0到路由器Y的數(shù)據(jù)幀在交換機A和B上會泛洪處理交換機A和B都錯誤學習到主機X的MAC地址對應端口1MAC地址表不穩(wěn)定單點幀端口0端口1端口0端口1交換機A交換機B網段1網段2服務器/主機X路由器Y第22頁/共42頁更復雜的拓撲結構可能導致多重回路在第2層沒有能夠防止這種回路的機制服務器/主機工作站回路回路回路多重回路問題

廣播第23頁/共42頁回路的解決辦法:生成樹協(xié)議

Spanning-TreeProtocol將某些端口置于阻塞狀態(tài)就能防止冗余結構的網絡拓撲中產生回路

阻塞x第24頁/共42頁#每個網絡只能有一個根橋，根橋具有最低的橋ID，根橋上的所有端口都是指派端口每個非根橋只能有一個根端口，根端口到達根橋所花代價最低每段只能有一個指派端口，指派端口到達根橋所花代價最低x指派端口(F)根端口(F)指派端口(F)非指派端口(B)根橋非根橋SWXSWY100baseT10baseT生成樹運作第25頁/共42頁交換機Y缺省的優(yōu)先級32768

(8000十六進制)MAC0c0022222222交接機X缺省的優(yōu)先級32768

(8000十六進制)MAC0c0011111111

BPDUBPDU=Bridgeprotocoldataunit

(缺省地每2秒發(fā)送BPDU數(shù)據(jù))根橋=有最低橋識別碼的橋（橋ID）橋識別碼=橋優(yōu)先級+橋MAC地址例中，

哪個交換機的橋識別碼最低?RootBridge的選擇第26頁/共42頁交接機Y缺省的優(yōu)先級32768MAC0c0022222222交換機X缺省的優(yōu)先級32768MAC0c0011111111Rootbridgex端口0端口1端口0端口1100baseT10baseT

指派端口(F)根端口(F)非指派端口(B)指派端口(F)端口狀態(tài)每個非根橋有且僅有一個根端口forwarding，根端口到達根橋所花代價＋優(yōu)先級＋MAC地址＋Port#最?。◤淖蟮接乙来伪容^）根端口RP和指派端口DP一般處于forwarding狀態(tài)，非指派NDP一般是blocked狀態(tài)第27頁/共42頁連接速率 代價(修訂的IEEE規(guī)范)代價(舊IEEE規(guī)范)----------------------------------------------------------------------------------------------------10Gbps 2 1 1Gbps 4 1100Mbps 19 1010Mbps 100 100

路徑代價第28頁/共42頁交換機YMAC0c0022222222缺省的優(yōu)先級32768交換機XMAC0c0011111111缺省的優(yōu)先級32768端口0端口1端口0端口1交換機ZMac0c0011110000缺省的優(yōu)先級32768端口0請指出:根橋指派端口、非指派端口和根端口?各端口分別是轉發(fā)還是阻塞狀態(tài)?

100baseT100baseT生成樹第29頁/共42頁端口0

100baseT100baseT指派端口(F)根端口(F)非指派端口(阻塞)指派端口(F)根端口(F)請指出:根橋指派端口、非指派端口和根端口?各端口分別是轉發(fā)還是阻塞狀態(tài)?生成樹交換機YMAC0c0022222222缺省的優(yōu)先級32768交換機XMAC0c0011111111缺省的優(yōu)先級32768端口0端口1端口0端口1交換機ZMac0c0011110000缺省的優(yōu)先級32768第30頁/共42頁阻塞Blocking偵聽Listening學習Learning轉發(fā)Forwarding生成樹會將每個端口的狀態(tài)作以下變換:生成樹端口狀態(tài)第31頁/共42頁交換機YMAC0c0022222222缺省的優(yōu)先級32768交換機XMAC0c0011111111缺省的優(yōu)先級32768端口0端口1端口0端口110baseTx100baseTRootBridge指派端口根端口(F)非指派端口(阻塞)指派端口生成樹重新生成第32頁/共42頁交換機YMAC0c0022222222缺省優(yōu)先級32768交換機XMAC0c0011111111缺省優(yōu)先級32768端口0端口1端口0端口110baseTx100baseTRootBridge指派端口根端口(F)非指派端口(阻塞)指派端口BPDUxMAXAGEx生成樹重新生成SwitchY在最多20秒后會發(fā)現(xiàn)從SwitchX來的BPDU信號消失，于是就重新計算STP。網絡恢復后，SwitchY將會是根橋，而且它的所有單口都會處于轉發(fā)狀態(tài)(Designatedport)。第33頁/共42頁Part.3橋接和交換第34頁/共42頁基于軟件實現(xiàn)每個橋只能有一個生成樹每個橋通常最多到16個端口橋基于硬件實現(xiàn)(ASIC)每個交換機可以有多個生成樹有更多的端口交換機橋與交換機的比較透明橋接第35頁/共42頁幀交換直通轉發(fā)Cut-through交換機檢測到目標地址后即轉發(fā)幀F(xiàn)rame交換機一確定幀的目的MAC地址和正確的端口號，就立即將幀轉發(fā)出去。通常情況下，大約在收到幀頭14個字節(jié)左右就開始轉發(fā)。這使得直通法比存儲轉發(fā)法具有更小且相對固定的延遲時間，但它連小于64字節(jié)的幀以及一些壞幀也一塊兒轉發(fā)，可能浪費帶寬。第36頁/共42頁幀交換存貯轉發(fā)Storeandforward完整地收到幀并檢查無錯后才轉發(fā)直通轉發(fā)交換機檢測到目標地址后即轉發(fā)幀F(xiàn)rameFrameFrameFrame交換機將幀向目的端口轉發(fā)之前要先收到完整的幀并進行CRC校驗、確定目的地址。交換機將整個幀存儲在內存緩沖區(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。缺點是延遲較大且不固定，因為它在轉發(fā)之前要收到并處理完整的幀。第37頁/共42頁直通轉發(fā)Cut-through交換機檢測到目標地址