以太網(wǎng)技術(shù)原理課件

DP200004以太網(wǎng)技術(shù)原理ISSUE1.0以太網(wǎng)技術(shù)原理DP200004以太網(wǎng)技術(shù)原理ISSUE1.0以太網(wǎng)技Page1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)當中以太網(wǎng)技術(shù)以其簡明高效的特點逐漸占據(jù)了主導地位前言Page1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,Page2學習指南理解以太網(wǎng)技術(shù)原理，可以遵循兩個邏輯：以太網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展和鏈路物理介質(zhì)速率提升Page2學習指南理解以太網(wǎng)技術(shù)原理，可以遵循兩個邏輯：以Page3參考資料IEEE802.3IEEE802.3uIEEE802.3zIEEE802.3abIEEE802.3aePage3參考資料IEEE802.3Page4學習完此課程，您將會：了解以太網(wǎng)的發(fā)展史掌握以太網(wǎng)的基本原理掌握以太網(wǎng)端口技術(shù)理解L2交換機和L3交換機的工作原理目標Page4學習完此課程，您將會：目標Page5第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page5第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史內(nèi)容介紹Page6第1章以太網(wǎng)發(fā)展史1.1以太網(wǎng)起源及原理簡介1.2以太網(wǎng)發(fā)展及標準協(xié)議內(nèi)容介紹Page6第1章以太網(wǎng)發(fā)展史內(nèi)容介紹Page7以太網(wǎng)的誕生以太網(wǎng)最初是由Xerox公司開發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡媒體，采用載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）機制,數(shù)據(jù)傳輸速率達到10Mbps。以太網(wǎng)被設(shè)計用來滿足非持續(xù)性網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而IEEE802.3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DigitalEquipmentCorporation、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)，與IEEE802.3規(guī)范相互兼容。Page7以太網(wǎng)的誕生以太網(wǎng)最初是由Xerox公司開發(fā)的一Page8沖突檢測：由于兩個站點同時發(fā)送信號，經(jīng)過疊加后，會使線路上電壓的擺動值超過正常值一倍。據(jù)此可判斷沖突的產(chǎn)生。以太網(wǎng)原理CSMA/CDCS：載波偵聽在發(fā)送數(shù)據(jù)之前進行監(jiān)聽，以確保線路空閑，減少沖突的機會。MA：多址訪問每個站點發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以同時被多個站點接收。CD：沖突檢測邊發(fā)送邊檢測，發(fā)現(xiàn)沖突就停止發(fā)送，然后延遲一個隨機時間之后繼續(xù)發(fā)送。Page8沖突檢測：以太網(wǎng)原理CSMA/CDCS：載Page9以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值含義Length/T>1500Length/T<=1500代表了該幀的類型代表了該幀的長度802.3Page9以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)Ethernet_IIDMACSMAPage10以太網(wǎng)的MAC地址MAC地址有48位，但它通常被表示為12位的點分十六進制數(shù)。MAC地址全球唯一，由IEEE對這些地址進行管理和分配。每個地址由兩部分組成，分別是供應商代碼和序列號。其中前24位二進制代表該供應商代碼。剩下的24位由廠商自己分配。如果48位全是1，則表明該地址是廣播地址。如果第8位是1，則表示該地址是組播地址。00e0.fc39.8034Page10以太網(wǎng)的MAC地址MAC地址有48位，但它通Page11最小幀長與最大傳輸距離最大傳輸距離：通常由線路質(zhì)量、信號衰減程度等因素決定。最小幀長（64字節(jié)）：由最大傳輸距離和沖突檢測機制共同決定。規(guī)定最小幀長是為了避免這種情況發(fā)生：某站點已經(jīng)將一個數(shù)據(jù)包的最后一個BIT發(fā)送完畢，但這個報文的第一個BIT還沒有傳送到距離很遠的一個站點。而站點認為線路空閑而發(fā)送數(shù)據(jù)，導致沖突。Page11最小幀長與最大傳輸距離最大傳輸距離：通常由線路Page12第1章以太網(wǎng)發(fā)展史1.1以太網(wǎng)起源及原理簡介1.2以太網(wǎng)發(fā)展及標準協(xié)議內(nèi)容介紹Page12第1章以太網(wǎng)發(fā)展史內(nèi)容介紹Page13萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn)IEEE802.3以太網(wǎng)標準IEEE802.3u100BASE-T快速以太網(wǎng)標準IEEE802.3z/ab1000Mb/s千兆以太網(wǎng)標準IEEE802.3ae10GE以太網(wǎng)標準70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)展簡史Page13萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn)IEEE802.3以太網(wǎng)標準7Page14共享式以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)在共享式以太網(wǎng)之時，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小洞，然后將抽頭接入。此項工作存在一定的風險：因為任何疏忽，都有可能使電纜的中心導體與屏蔽層短接，導致這個網(wǎng)絡段的崩潰。同軸電纜的致命缺陷是：電纜上的設(shè)備是串連的，單點的故障可以導致這個網(wǎng)絡的崩潰。10Base5：粗同軸電纜（5代表電纜的字段長度是500米）10Base2：細同軸電纜（2代表電纜的字段長度是200米）Page14共享式以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)在共享式以太網(wǎng)之時，使用一Page15其中介質(zhì)可靠性差是共享式以太網(wǎng)的主要問題。共享式以太網(wǎng)的缺點在共享式以太網(wǎng)中，所有的主機都以平等的地位連接到同軸電纜上，但如果以太網(wǎng)中主機數(shù)目較多，則存在以下嚴重問題：介質(zhì)可靠性差沖突嚴重廣播泛濫無任何安全性

Page15其中介質(zhì)可靠性差是共享式以太網(wǎng)的主要問題。共享Page16標準以太網(wǎng)標準以太網(wǎng)（10Mbit/s）的網(wǎng)絡定位模型分類網(wǎng)絡定位接入層最終用戶和接入層交換機之間的連接匯聚層通常不使用核心層通常不使用Page16標準以太網(wǎng)標準以太網(wǎng)（10Mbit/s）的網(wǎng)絡Page17IEEE802.3線纜名稱電纜最大區(qū)間長度10BASE-5粗同軸電纜500m10BASE-2細同軸電纜200m10BASE-T雙絞線100m10BASE-F光纖2000mPage17IEEE802.3線纜名稱電纜最大區(qū)間長度Page18快速（100M）以太網(wǎng)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)，能夠為桌面用戶以及服務器或者服務器集群等提供更高的網(wǎng)絡帶寬。IEEE為快速以太網(wǎng)制訂的標準為IEEE802.3uPage18快速（100M）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率為100MbPage19快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）的網(wǎng)絡定位模型分類網(wǎng)絡定位接入層為高性能的PC機和工作站提供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，提供高速服務器的連接核心層提供交換設(shè)備間的連接Page19快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）的網(wǎng)Page20快速以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標準線纜類型傳輸距離100BaseTXEIA/TIA5類（UTP）非屏蔽雙絞線2對100m100BaseT4EIA/TIA3、4、5類（UTP）非屏蔽雙絞線4對100m100BaseFX多模光纖（MMF）線纜550m-2km單模光纖（SMF）線纜2km-15kmPage20快速以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標準線纜類型傳輸距離10Page21千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)是對IEEE802.3以太網(wǎng)標準的擴展，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，達到了1Gbps。標準為IEEE802.3z（光纖與銅纜）和IEEE802.3ab（雙絞線）Page21千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)是對IEEE802.3以太Page22千兆以太網(wǎng)千兆（1000Mbit/s）以太網(wǎng)網(wǎng)絡定位模型分類網(wǎng)絡定位接入層一般不使用匯聚層提供接入層和匯聚層設(shè)備間的高速連接核心層提供匯聚層和高速服務器的高速連接，提供核心設(shè)備間的高速互聯(lián)Page22千兆以太網(wǎng)千兆（1000Mbit/s）以太網(wǎng)網(wǎng)Page23千兆以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標準線纜類型傳輸距離1000BaseT銅質(zhì)EIA/TIA5類（UTP）非屏蔽雙絞線4對100m1000BaseCX銅質(zhì)屏蔽雙絞線25m1000BaseSX多模光纖，50/62.5um光纖，使用波長為850nm的激光550m/275m1000BaseLX單模光纖，9um光纖，使用波長為1300nm的激光2km-15kmPage23千兆以太網(wǎng)傳輸距離技術(shù)標準線纜類型傳輸距離10Page24IEEE802.3z的線纜標準1000BaseLX是一種使用長波激光作信號源的網(wǎng)絡介質(zhì)技術(shù)，在收發(fā)器上配置波長為1270-1355nm（一般為1300nm）的激光，既可以驅(qū)動多模光纖，也可以驅(qū)動單模光纖。1000BaseSX是一種使用短波激光作為信號源的網(wǎng)絡介質(zhì)技術(shù)，收發(fā)器上所配置的波長為770-860nm（一般為800nm）的激光傳輸器不支持單模光纖，只能驅(qū)動多模光纖。1000BaseCX使用的一種特殊規(guī)格的高質(zhì)量平衡雙絞線對的屏蔽銅纜，最長有效距離為25米，使用9芯D型連接器連接電纜。Page24IEEE802.3z的線纜標準1000BasePage25IEEE802.3ab的線纜標準1000BaseT是一種使用5類UTP作為網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，最長有效距離與100BASETX一樣可以達到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)中實現(xiàn)從100Mbps到1000Mbps的平滑升級。Page25IEEE802.3ab的線纜標準1000BasPage26萬兆以太網(wǎng)已經(jīng)開始部署，預計未來將有大規(guī)模的應用標準為IEEE802.3ae只有全雙工模式創(chuàng)造了一些新的概念，例如光物理媒體相關(guān)子層(PDM)Page26萬兆以太網(wǎng)已經(jīng)開始部署，預計未來將有大規(guī)模的應Page27第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page27第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史內(nèi)容介紹Page28第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)2.1自協(xié)商技術(shù)2.2自適應技術(shù)2.3流量控制內(nèi)容介紹Page28第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)內(nèi)容介紹Page29自協(xié)商10Mb/s半雙工10Mb/s全雙工10Mb/s自協(xié)商100Mb/s自協(xié)商100Mb/s全雙工端口1自動協(xié)商端口2自動協(xié)商端口3自動協(xié)商端口4自動協(xié)商端口5自動協(xié)商Page29自協(xié)商10Mb/s半雙工10Mb/s全雙工10Page30自協(xié)商基本頁信息000010123456789101112131415MessageTypeEthernet=00001Reserved10BASE-T半雙工10BASE-T全雙工100BASE-TX半雙工100BASE-TX全雙工100BASE-T4流控支持遠程故障指示確認下一頁指示Page30自協(xié)商基本頁信息000010123456789Page31自協(xié)商信號約2ms約100ns約62.5μs時鐘數(shù)據(jù)位0時鐘數(shù)據(jù)位1數(shù)據(jù)位13時鐘數(shù)據(jù)位14時鐘……整個報文按16ms間隔重復，直到自協(xié)商完成Page31自協(xié)商信號約2ms約100ns約62.5μs時Page32與沒有自協(xié)商機制的設(shè)備連接不使用自協(xié)商機制會出現(xiàn)以下情況：無法實現(xiàn)端口的自動雙速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)無法確定雙工工作模式無法確定是否需要流量控制功能Page32與沒有自協(xié)商機制的設(shè)備連接不使用自協(xié)商機制會出Page33自協(xié)商優(yōu)先級優(yōu)先級順序工作方式A100BASE-TX全雙工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全雙工E10BASE-TPage33自協(xié)商優(yōu)先級優(yōu)先級順序工作方式A100BASEPage34光纖上的自協(xié)商對光纖以太網(wǎng)而言，得出的結(jié)論是：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。千兆以太網(wǎng)的自協(xié)商機制已經(jīng)實現(xiàn)。Page34光纖上的自協(xié)商對光纖以太網(wǎng)而言，得出的結(jié)論是：Page35第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)2.1自協(xié)商技術(shù)2.2自適應技術(shù)2.3流量控制內(nèi)容介紹Page35第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)內(nèi)容介紹Page36智能MDI/MDIX不需要知道電纜另一端為MDI還是MDIX設(shè)備兩種電纜（普通、交叉）都可連接交換機、集線器或NIC設(shè)備消除由于電纜配錯引起的連接錯誤簡化10/100M網(wǎng)絡安裝維護，降低開銷ReceivePairTransmitPairTransmitPairReceivePairTransmitPairReceivePairTransmitPairReceivePair交叉網(wǎng)線直連網(wǎng)線Page36智能MDI/MDIX不需要知道電纜另一端為MDPage37第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)2.1自協(xié)商技術(shù)2.2自適應技術(shù)2.3流量控制內(nèi)容介紹Page37第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)內(nèi)容介紹Page38流量控制當通過交換機一個端口的流量過大，超過了它的處理能力時，就會發(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。在半雙工方式下，流量控制是通過反壓（backpressure）技術(shù)實現(xiàn)的，模擬產(chǎn)生碰撞，使得信息源降低發(fā)送速度。在全雙工方式下流量控制一般遵循IEEE802.3x標準。Page38流量控制當通過交換機一個端口的流量過大，超過了Page39半雙工流量控制backpressure假裝有沖突了，這樣你就不會發(fā)個不停了！Page39半雙工流量控制backpressure假裝有沖Page40全雙工流量控制IEEE802.3x標準定義了一種新方法，在全雙工環(huán)境中去實現(xiàn)流量控制。交換機產(chǎn)生一個PAUSE幀，PAUSE幀使用一個保留的組播地址：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，就會暫?；蛲Ｖ拱l(fā)送。PAUSE幀利用了一個保留的組播地址，它不會被網(wǎng)橋和交換機所轉(zhuǎn)發(fā)，這樣，PAUSE幀不會產(chǎn)生附加信息量。Page40全雙工流量控制IEEE802.3x標準定義了一Page41全雙工流量控制PAUSE功能的應用場合：一對終端（簡單的兩點網(wǎng)絡）一個交換機和一個終端交換機和交換機之間的鏈路PAUSE功能不解決下列問題：穩(wěn)定狀態(tài)的網(wǎng)絡擁塞端到端流量控制比簡單的“?！獑ⅰ备鼜碗s的機制Page41全雙工流量控制PAUSE功能的應用場合：Page42第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史第2章以太網(wǎng)端口技術(shù)第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page42第1章以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展史內(nèi)容介紹Page43第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹3.1Hub的工作原理3.2二層交換機的工作原理3.3VLAN與三層交換機內(nèi)容介紹Page43第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page44傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接設(shè)備HUBHub的工作模式注意：HUB僅僅是物理上的連接設(shè)備。應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層物理層物理層HUB應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層Page44傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接設(shè)備HUBHub的工作模式注意：Page45所有的HUB都是半雙工的Hub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUTPage45所有的HUB都是半雙工的Hub的工作原理123Page46由HUB組建以太網(wǎng)的實質(zhì)實際上網(wǎng)絡中由HUB組建以太網(wǎng)實質(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：沖突嚴重；廣播泛濫；無任何安全性。Page46由HUB組建以太網(wǎng)的實質(zhì)實際上網(wǎng)絡中由HUB組Page47第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹3.1Hub的工作原理3.2二層交換機的工作原理3.3VLAN與三層交換機內(nèi)容介紹Page47第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page48二層工作模式網(wǎng)橋/二層以太網(wǎng)交換機的工作模式應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層物理層物理層二層交換機應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層鏈路層物理層鏈路層鏈路層Page48二層工作模式網(wǎng)橋/二層以太網(wǎng)交換機的工作模式應Page49基于源地址學習多播情況下，CAM表項的建立不是通過學習得到的，而是通過IGMP窺探，CGMP等協(xié)議獲得的。MAC地址所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2分段1分段2ABCPORT1PORT2D

交換機典型應用交換機Page49基于源地址學習多播情況下，CAM表項的建立不是Page50基于目的地址轉(zhuǎn)發(fā)MACDMACA端口1MACDMACA端口2MAC地址所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2Page50基于目的地址轉(zhuǎn)發(fā)MACDMACA端Page51二層交換機原理接收網(wǎng)段上的所有數(shù)據(jù)幀；利用接收數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址來建立MAC地址表（源地址自學習），使用地址老化機制進行地址表維護；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）；向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)廣播幀和多播幀（不包括源端口）。Page51二層交換機原理接收網(wǎng)段上的所有數(shù)據(jù)幀；Page52三種交換模式Cut-Through：交換機接收到目的地址即開始轉(zhuǎn)發(fā)過程延遲小交換機不檢測錯誤Store-and-Forward：交換機將全部內(nèi)容接收才開始轉(zhuǎn)發(fā)過程延遲大交換機檢測錯誤，不會有錯包Frag-free：交換機接收完數(shù)據(jù)包的前64字節(jié)（一個最短幀長度），然后根據(jù)頭信息查表轉(zhuǎn)發(fā)。結(jié)合了直通方式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點。Page52三種交換模式Cut-Through：Page53L2交換機的缺點L2帶來了以太網(wǎng)技術(shù)的重大飛躍，徹底解決了困擾以太網(wǎng)的沖突問題，極大的改進了以太網(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：廣播泛濫安全性仍舊無法得到有效的保證其中廣播泛濫嚴重是L2以太網(wǎng)的主要缺點Page53L2交換機的缺點L2帶來了以太網(wǎng)技術(shù)的重大飛躍Page54第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹3.1Hub的工作原理3.2二層交換機的工作原理3.3VLAN與三層交換機內(nèi)容介紹Page54第3章以太網(wǎng)設(shè)備介紹內(nèi)容介紹Page55VLAN的起源——基于端口分組解決廣播泛濫問題的主導思想：將沒有互訪需求的主機隔離開交換機工程部市場部銷售部10.110.10.010.110.20.010.110.30.012985Page55VLAN的起源——基于端口分組解決廣播泛濫問題Page56VLAN技術(shù)的優(yōu)點和缺點VLAN技術(shù)成功的解決了廣播問題，并且使以太網(wǎng)的安全性有了進一步的提高，此時的以太網(wǎng)技術(shù)趨于完美。但VLAN技術(shù)也有缺點：使用VLAN來劃分網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡的效率提高不少，可是本來不需要相互訪問的兩個部門，現(xiàn)在又要少量的訪問需求，該怎么辦到呢？可以讓VLAN只限制廣播報文，不限制單播報文嗎？Page56VLAN技術(shù)的優(yōu)點和缺點VLAN技術(shù)成功的解決Page57解決辦法（一）使用路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對一的關(guān)系缺點：每個VLAN需要占用一個路由器的接口；不同VLAN中的主機需配置不同的缺省網(wǎng)關(guān)工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機Page57解決辦法（一）使用路由器連接不同的VLAN前提Page58解決辦法（二）單臂路由使用支持VLAN屬性的路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對一的關(guān)系工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機Page58解決辦法（二）單臂路由使用支持VLAN屬Page59（L2+路由器）模式的缺陷需要多個設(shè)備，組網(wǎng)復雜；VLAN間通信通過路由器完成；路由器價格昂貴，速率較低。工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機Page59（L2+路由器）模式的缺陷需要多個設(shè)備，組網(wǎng)復Page60解決辦法（三）將路由器和交換機合成一個設(shè)備－－三層交換機前提：VLAN和IP子網(wǎng)間是一對一的關(guān)系SWITCH工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010