江门电信-002-以太网基础和交换机原理

1、 / www .raisecom. com 以太网基础和交换机原理 / 目录 u 以太网历史以太网历史 u 以太网基础知识以太网基础知识 u 交换机工作原理交换机工作原理 2 / 以太网发展历史-以太网诞生 1972年，Robert Metcalfe加入 Xerox公司，创建了Ethernet 。 1977年， Robert和他的合作 者获得了“具有冲突检测的 多点数据通信系统”的专利 ，标志着以太网的诞生。 Ethernet原型：速率2.94Mbps ，物理介质为粗同轴电缆， 物理拓扑为总线型结构。 3 / 以太网发展历史-标准以太网 1982年，DIX发布以太网第二 个版本，Etherne

2、t II。 1983年，IEEE802.3工作组发 布了第一个关于以太网的 IEEE标准。 1990年，IEEE802.3i标准发布 ，公布了10Base-T技术。 标准以太网：速率10Mbps， 共享介质使用同轴电缆、双 绞线、光纤，从总线型结构 过渡到星型结构化布线。 4 / 名称名称电缆电缆最大区间长度最大区间长度 10BASE-5粗同轴电缆500m 10BASE-2细同轴电缆200m 10BASE-T双绞线100m 10BASE-F光纤2000m 以太网发展历史-标准以太网 5 / 以太网发展历史-快速以太网 1993年，成立快速以太网联 盟FEA。 1995年，通过IEEE802.3

3、u规范 。快速以太网时代来临。 快速以太网，速率100Mbps ，共享介质使用UTP和光纤， 可工作在全双工模式。 6 / 技术标准技术标准线缆类型线缆类型传输距离传输距离 100BaseTX EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2 对 100m 100BaseT4 EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽 双绞线4对 100m 100BaseFX 多模光纤（MMF）线缆550m-2km 单模光纤（SMF）线缆2km-15km 以太网发展历史-快速以太网 7 / 以太网发展历史-千兆以太网 1995年，IEEE802.3标准委员 会组建“高速研究组”，研 究1000Mbps速率的以太网。

4、 1998年，IEEE 发布802.3z（光 纤和铜缆）1000Mbps以太网 标准。 1999年，IEEE发布了802.3ab （双绞线）1000Mbps以太网 标准。 8 / 以太网发展历史-千兆以太网 技术标准技术标准线缆类型线缆类型传输距离传输距离 1000BaseT 铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏 蔽双绞线4对 100m 1000BaseCX铜质屏蔽双绞线25m 1000BaseSX 多模光纤，50/62.5um光纤 ，使用波长为850nm的激光 550m/275m 1000BaseLX 单模光纤，9um光纤，使用 波长为1310nm的激光 3km 9 / 以太网发展历史-万兆

5、以太网 2002年，10GE以太网标准 802.3ae（光纤）正式发布。 IEEE802.3ak（铜缆）标准和 IEEE802.3an（双绞线）标准 相继发布。 10GE以太网只支持全双工， 可应用于广域网物理层技术 SONET/SDH。 10 / 目录 u 以太网历史以太网历史 u 以太网基础知识以太网基础知识 u 交换机工作原理交换机工作原理 11 / CSMA/CD 传统以太网是一种共享介质的局域网技术，基于传统以太网是一种共享介质的局域网技术，基于CSMA/CD。 CS：载波监听 在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。 MA：多址访问 每个站点发送的数据，可以同时被多

6、个站点接收。 CD：冲突检测 边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之 后继续发送。 12 / 以太网帧结构 Ethernet II 封装 Preamble(7)SFD(1)DA(6)SA(6)Type(2)PayLoad(46-1500)FCS(4) Preamble(7)SFD(1) DA (6) SA (6) Type (2) PayLoad (46-1500) FCS (4) 前导码，通知接收方有数据帧到来 目的节点的MAC地址 源节点的MAC地址 协议类型 上层协议有效载荷 校验和 Type： 0 x0800-IP 0 x0806-ARP 13 / 自协商 端口自动协

7、商：端口根据另一端设备的连接速度和双工模式，自动把 自身的速度调节到最高的公共水平，即线路两端能具有的最快速度和 双工模式。 自协商的内容主要包括速率、双工模式、流控等。对于两端处于自协 商工作方式的设备，最终协商的结果是采用二者技术能力域中优先级 低的网口提供的工作方式工作。协商级别一般为100Mfull，100Mhalf ，10Mfull，10Mhalf。 A（auto），B（auto），A、B的工作模式是？ A（auto），B（100M,HALF），A、B的工作模式是？ A（auto），B（100M,FULL），A、B的工作模式是？ A（auto），B（10M,FULL），A、B的工作模

8、式是？ A（auto,100M,FULL），B（100M,HALF），A、B的工作模式是？ 14 / 端口MDI/MDIX自适应 不需要知道线缆另一端为MDI还是MDIX设备，两种线缆都 能使用。 消除了由于线缆配错引起的连接错误。 15 / 流控 流控：当接收者没有能力处理接收到的报文时，为防止丢 包，接收者需要通知报文的发送者在一段时间内停止发送 报文。 对于半双工和全双工模式，流控通过不同的方式来实现。 半双工：背压、载波侦听扩展机制 全双工：IEEE802.3x标准（以太网流控标准） 16 / 半双工流控 半双工流控：两种方式实现流量控制。 利用Backpressure 背压方式 利用

9、载波侦听扩展机制 17 / 全双工流控 全双工流控：IEEE802.3x中定义，数据接收方向数据发送方 发送Pause帧，以通知数据发送方停止发送数据。 Pause帧中指定要求发送方暂停发送流量的时间。 接收方也可发送等待时间为0的Pause帧通知发送方开始发送数据。 DA SA Type Code Parameters Reserved 组播MAC：0180-C200-0001 发送Pause的节点MAC 0 x8808 要求发送方停止的时间，单位是当前传送512bit的时间 0 x0001 保留，为0 64byte 18 / 交换三种模式 Store-and-Forward：存储转发模式

10、交换机接收检测到全部数据开始转发过程 数据传输延迟大 保证数据帧无差错传输 不同速率端口之间转发 Cut-Through：直通交换模式 交换机接收检测到目的MAC开始转发过程 数据传输低延迟 无法对数据帧进行校验和纠错 Fragment-free：碎片隔离方式 交换机接收检测到不是冲突碎片开始转发过程 延迟介于直通转发和存储转发之间 过滤冲突碎片 19 / 目录 u 以太网历史以太网历史 u 以太网基础知识以太网基础知识 u 交换机工作原理交换机工作原理 20 / 共享式以太网互联一层HUB 传统以太网采用CSMA/CD机制，使用共享总线型的连接方式。 所有互连设备位于一个冲突域中，在网络流量

11、增大到一定程度时，会导 致冲突不断，吞吐量受到严重影响。 21 / 交换式以太网互联二层交换机 交换式以太网使用星型连接方式，通过二层交换机进行互 连。 通过MAC地址进行数据报文的转发。 内部使用ASIC硬件芯片实现转发。 各端口属于不同的冲突域。 冲突域1冲突域2 冲突域3 二层交换机 22 / 交换机的工作原理 交换机有着透明桥相同的特点 Station A Station B 1/1 1/2 Segment A Segment B 23 / 交换机的三个功能 地址学习 转发 过滤 24 / 地址学习 最开始的地址表是空的 MAC 地址表 00d0.d001.1111 00d0.d001

12、.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0E1 E2E3 AB CD 25 / MAC 地址表 00d0.d001.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0: 00d0.d001.1111 E0E1 E2E3 DC BA 地址学习基于源MAC地址学习 Station A 发送一个帧（frame） 给 Station C 交换机从端口 E0 学习到 station A 的 MAC 地址 将该帧做 “洪泛（flooding）” 转发。 00d0.d001.1111 26 / MAC 地址表 00d0.d001.1111 00d0.

13、d001.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0: 00d0.d001.1111 E3: 00d0.d001.4444 E0E1 E2E3 DC AB 地址学习-基于源MAC地址学习 Station D 发送一个帧（frame） 给 Station C 交换机从端口 E3 学习到 station D 的 MAC 地址 将该帧做 “洪泛（flooding）” 转发。 27 / 转发-基于目的MAC地址转发 Station A 发送一个帧（frame）给 station C 目标地址已经知道, 不再 “洪泛” 发送，直接从 E2 端口发 送出去。 E0: 00d

14、0.d001.1111 E2: 00d0.d001.2222 E1: 00d0.d001.3333 E3: 00d0.d001.4444 00d0.d001.1111 00d0.d001.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0E1 E2E3 X X DC AB MAC 地址表 28 / 00d0.d001.1111 00d0. d001.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0E1 E2E3 DC AB E0: 00d0.d001.1111 E2: 00d0.d001.2222 E1: 00d0.d001.3333 E3:

15、00d0.d001.4444 MAC address table 转发-目的MAC查询不到时 Station D 发送一个帧（frame）给 station E 由于StationE的MAC地址交换机不知道，则交换机进行 “洪泛”， 转发给其他所有端口（不包括进来的那个端口)。 29 / 00d0.d001.1111 00d0. d001.2222 00d0.d001.3333 00d0.d001.4444 E0E1 E2E3 DC AB E0: 00d0.d001.1111 E2: 00d0.d001.2222 E1: 00d0.d001.3333 E3: 00d0.d001.4444 MA

16、C address table 转发-广播和多播帧 Station D 发送一个广播或多播帧 （frame）给 C 交换机将广播（broadcast）或多播（multicast）帧 “泛洪”转发给 其他所有端口（不包括进来的那个端口)。 30 / 二层交换机基本原理 二层交换机主要包括三个功能： 学习：学习源MAC，构建MAC地址表。 转发：根据目的MAC查找MAC地址表进行转发。 查找成功，向对应端口转发； 查找失败，向所有端口转发，（不包括进来的那个端口）； 目的MAC为广播或组播，向所有端口转发,（不包括进来的那个端口）。 过滤：发送端口和接收端口一致，不向该端口转发该帧。 31 / 二层交换机基本原理-MAC地址表