第12章 层2交换技术

1、第十二章层2交换技术主讲人：ALLEN以太网交换机基础什么是以太网计算机网络分计算机网络分2 2类：采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。以类：采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。以太网就是一种典型的广播网络。太网就是一种典型的广播网络。以太网由施乐公司以太网由施乐公司PARCPARC研究中心于研究中心于19731973年年5 5月月2222日首次提出，经过不断日首次提出，经过不断的发展和创新，已成为世界上最流行的局域网技术。的发展和创新，已成为世界上最流行的局域网技术。以太网与CSMA/CDCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Acess with Coll

2、ision Detection）即载波监听多路访问冲突检测，它是广播式以太网即载波监听多路访问冲突检测，它是广播式以太网共享传输介质的理论基础。共享传输介质的理论基础。CSMA/CD规定一个想传输数据的节点必须执行以下步骤：规定一个想传输数据的节点必须执行以下步骤：1.监视信道直到其空闲；监视信道直到其空闲；2.传输数据，并监视信道是否有冲突发生；传输数据，并监视信道是否有冲突发生；3.如果检测到冲突发生，则停止传输并发出一个冲突信号到网络如果检测到冲突发生，则停止传输并发出一个冲突信号到网络上，以便其它节点知道网络上有冲突，再等待一个随机的时间上，以便其它节点知道网络上有冲突，再等待一个随机

3、的时间，然后回到第一步。这个随机时间依如下规则选定：如果数据，然后回到第一步。这个随机时间依如下规则选定：如果数据包冲突了包冲突了n次（次（n15,则放弃发送。则放弃发送。以太网络与802.3标准IEEE 802.3IEEE 802.3标准规定了以太网的物理层和数据链路层的标准规定了以太网的物理层和数据链路层的MACMAC子层。子层。IEEE 802.3IEEE 802.3规定的以太网物理层：规定的以太网物理层： 10 10BASE-5 BASE-5 使用粗同轴电缆，最大传输距离为使用粗同轴电缆，最大传输距离为500500m m； 10 10BASE-2 BASE-2 使用细同轴电缆，最大传输

4、距离为使用细同轴电缆，最大传输距离为200m200m； 10 10BASE-T BASE-T 使用非屏蔽双绞线，最大传输距离为使用非屏蔽双绞线，最大传输距离为100100m m； 10 10BASE-F BASE-F 使用光缆，最大传输距离为使用光缆，最大传输距离为20002000m m；以太网络与802.2标准逻辑链路控制层LLCIEEE 802.2IEEE 802.2规定的以太网链路层之规定的以太网链路层之LLCLLC子层（子层（802.2802.2帧格式）：帧格式）：LLCMAC数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层MAC头 LLC头数据包MAC校验和LLC头数据包比特流比特流数据

5、包数据包注意：注意：IEEE802.2 LLCIEEE802.2 LLC逻辑链路控制子层隐藏了各种逻辑链路控制子层隐藏了各种802802网络之间的差别，网络之间的差别，向网络层提供了一个统一的格式和接口。向网络层提供了一个统一的格式和接口。3种常用的802.3连接方式1、10Base-5：总线型结构，使用粗缆和收总线型结构，使用粗缆和收发器连接主机。发器连接主机。2、10Base-2：总线型结构，使用细缆和无总线型结构，使用细缆和无源源BNC T型接头连接主机。型接头连接主机。3、10Base-T：总线型（或星型）结构，双总线型（或星型）结构，双绞线和集线器连接主机。绞线和集线器连接主机。其他

6、概念（1）冲突域冲突域：带冲突检测的载波侦听多路访问：带冲突检测的载波侦听多路访问( (CSMA/CD)CSMA/CD)以太网中的所有节点在任以太网中的所有节点在任何需要的时候都可以发送数据，而何需要的时候都可以发送数据，而CSMA/CDCSMA/CD网络却努力确保任一时刻只有一个网络却努力确保任一时刻只有一个节点发送数据。但是，两个节点却有可能同时发送数据，出现这种情况就会节点发送数据。但是，两个节点却有可能同时发送数据，出现这种情况就会导致冲突。如果一个设备检测到冲突，它就停止发送，并将冲突情况通知其导致冲突。如果一个设备检测到冲突，它就停止发送，并将冲突情况通知其他节点。其他所有正在发送

7、的节点得到通知后停止发送。他节点。其他所有正在发送的节点得到通知后停止发送。 广播域广播域：广播就是要发送到网段上的所有节点、而不是单个节点或一组节点：广播就是要发送到网段上的所有节点、而不是单个节点或一组节点的数据。要广播的节点将数据送到的数据。要广播的节点将数据送到MACMAC地址地址0 0 xFFFFFFFFFFFFxFFFFFFFFFFFF，就能实现上述目就能实现上述目的。广播域由一组能够接收同组中所有其他节点发来的广播报文的节点构成的。广播域由一组能够接收同组中所有其他节点发来的广播报文的节点构成。局域网分段局域网分段：影响局域网性能的两个常见问题是：影响局域网性能的两个常见问题是过

8、高的冲突和过多的广播过高的冲突和过多的广播。“分段分段”将网络分割成较小的段。网桥、交换机和路由器通过将冲突域分割将网络分割成较小的段。网桥、交换机和路由器通过将冲突域分割成较小的部分，从而降低对带宽的竞争，减少冲突。路由器还有一个好处，成较小的部分，从而降低对带宽的竞争，减少冲突。路由器还有一个好处，它可以划分更小的广播域。它可以划分更小的广播域。 其他概念（2）设备设备OSIOSI层层分隔冲分隔冲突域突域分隔广分隔广播域播域备注备注HUBHUB物理层物理层不不不不 网桥网桥数据链数据链路层路层是是不不每个端口是单独每个端口是单独的冲突域的冲突域交换机交换机数据链数据链路层路层是是不不实际上

9、是多端口实际上是多端口网桥，每个端口网桥，每个端口是单独的冲突域是单独的冲突域路由器路由器网络层网络层是是是是每个端口是单独每个端口是单独的广播域的广播域 地址学习 帧的转发/过滤 环路防止交换机的三个功能交换机如何学习主机的位置 最初开机时最初开机时MAC地址表是空的地址表是空的 1900 1900 最大最大macmac地址表可存地址表可存10241024个个. . 一旦地址表满一旦地址表满, , 就会洪泛所有到新就会洪泛所有到新MACMAC地址的帧，直到现存地址条目老化为止地址的帧，直到现存地址条目老化为止. . MacMac地址表条目默认老化时间是地址表条目默认老化时间是300300秒，

10、以下命令可改变老化时间秒，以下命令可改变老化时间: : wg_sw_a(config)#macwg_sw_a(config)#mac-address-table aging-time ?-address-table aging-time ? Aging time value Aging time valueMAC地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD交换机如何学习主机的位置 主机主机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下

11、主机地址，记录下主机A的的MAC地址地址 对应端口对应端口E0 该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式单点传送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBAMAC地址表地址表交换机如何学习主机的位置 主机主机D发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机D的的MAC地址对应地址对应端口端

12、口E3 该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的单点不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式传送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E3: 0260.8c01.4444E0E1E2E3DCABMAC地址表地址表交换机如何过滤帧 交换机交换机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转发发E0: 0260.8c01.1111E2: 0260

13、.8c01.2222E1: 0260.8c01.3333E3: 0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMAC地址表地址表 主机主机D发送广播帧或多点帧发送广播帧或多点帧 广播帧或多点帧泛洪到除源端口外的所有端口广播帧或多点帧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: 02

14、60.8c01.3333E3: 0260.8c01.4444广播帧和多点传送帧MAC地址表地址表Part.2 生成树协议冗余网络拓扑 冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题 冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 广播广播交换机交换机 A交换机交换机 B主机主机 X 发送一广播信息发送一广播信息广播风暴网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y广播广播广播风暴交换机交换机 A交换机交换机 B主机主机 X 发送一广播信息发送一广播信息网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机

15、 X路由器路由器 Y 广播广播交换机不停地发出广播信息交换机不停地发出广播信息广播风暴交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y重复帧 单点帧单点帧 主机主机X发发 出一单点帧给路由器出一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 单点帧单点帧 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 路由器路

16、由器Y会收到同一帧的两个拷贝会收到同一帧的两个拷贝单点帧单点帧 单点帧单点帧重复帧交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y单点帧单点帧 单点帧单点帧 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 交换机交换机A和和B都学习到主机都学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口0端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1MAC地址表不稳定交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y Unicast

17、 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 交换机交换机A和和B都学习到主机都学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口0 到路由器到路由器Y的数据帧在交换机的数据帧在交换机A和和B上会泛洪处理上会泛洪处理 交换机交换机A和和B都错误学习到主机都错误学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口 1MAC地址表不稳定 单点帧单点帧端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1交换机交换机 A交换机交换机 B网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 更复杂的拓扑结构可能导致多重

18、回路 在第2层没有能够防止这种回路的机制服务器服务器/主机主机工作站工作站回路回路回路回路回路回路多重回路问题 广播广播回路的解决办法: 生成树协议Spanning-Tree Protocol将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回路中产生回路 阻塞阻塞x# 每个网络只能有一个根桥，根桥具有最低的桥每个网络只能有一个根桥，根桥具有最低的桥ID，根桥上的根桥上的所有端口都是指派端口所有端口都是指派端口 每个非根桥只能有一个根端口，根端口到达根桥所花代价最每个非根桥只能有一个根端口，根端口到达根桥所花代价最低低 每段只能有一个指派端口

19、，指派端口到达根桥所花代价最低每段只能有一个指派端口，指派端口到达根桥所花代价最低x指派端口指派端口(F)根端口根端口(F)指派端口指派端口(F)非指派端口非指派端口(B)根桥根桥非根桥非根桥SW XSW Y100baseT 10baseT生成树运作交换机交换机 Y缺省的优先级缺省的优先级 32768 (8000 十六进制十六进制)MAC 0c0022222222交接机交接机 X缺省的优先级缺省的优先级 32768 (8000 十六进制十六进制) MAC 0c0011111111 BPDUBPDU = Bridge protocol data unit (缺省地每缺省地每2秒发送秒发送BPDU

20、数据数据)根桥根桥 = 有最低桥识别码的桥（桥有最低桥识别码的桥（桥ID）桥识别码桥识别码 = 桥优先级桥优先级 + 桥桥MAC地址地址例中，例中， 哪个交换机的桥识别码最低哪个交换机的桥识别码最低?Root Bridge的选择交接机交接机 Y缺省的优先级缺省的优先级 32768MAC 0c0022222222交换机交换机 X缺省的优先级缺省的优先级 32768 MAC 0c0011111111Root bridgex端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1100baseT10baseT 指派端口指派端口(F)根端口根端口 (F)非指派端口非指派端口(B)指派端口指派端口(F)端口状态1.

21、每个非根桥有且仅有一个根端口每个非根桥有且仅有一个根端口forwarding ，根端口到达，根端口到达根桥所花代价优先级根桥所花代价优先级MAC地址地址Port#最小（从左到最小（从左到右依次比较）右依次比较）2. 根端口根端口RP和指派端口和指派端口DP一般处于一般处于forwarding状态，非指状态，非指派派NDP一般是一般是blocked状态状态连接速率连接速率代价代价(修订的修订的 IEEE 规范规范) 代价代价(旧旧IEEE 规范规范)-10 Gbps 211 Gbps41100 Mbps191010 Mbps100100路径代价交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的

22、优先级缺省的优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768端口端口 0请指出请指出: 根桥根桥 指派端口、非指派端口和根端口指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分别是转发还是阻塞状态各端口分别是转发还是阻塞状态? 100baseT100baseT生成树端口端口 0 100baseT100baseT指派端口指派端口(F)根端口根端口 (F)非指派端口非指派端口 (阻塞阻塞)指派端口指派端口 (F)根端口根端口 (F

23、)请指出请指出: 根桥根桥 指派端口、非指派端口和根端口指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分别是转发还是阻塞状态各端口分别是转发还是阻塞状态?生成树交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768阻阻 塞塞 Blocking侦侦 听听 Listening学学 习习 Learning转转 发发 Forwarding生成树会将每个端口的状态作以下变换生成

24、树会将每个端口的状态作以下变换:生成树端口状态交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的优先级 32768交换机交换机 XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口 0端口端口 1端口端口0端口端口110baseTx100baseTRoot Bridge指派端口指派端口根端口根端口 (F)非指派端口非指派端口(阻塞阻塞)指派端口指派端口生成树重新生成交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省优先级缺省优先级 32768交换机交换机 XMAC 0c0011111111缺省优先级缺省优先级 32768 端口端口 0端口端口 1端口端

25、口 0端口端口110baseTx100baseTRoot Bridge指派端口指派端口根端口根端口 (F)非指派端口非指派端口(阻塞阻塞)指派端口指派端口BPDUxMAXAGEx生成树重新生成1.1. Switch Y Switch Y 在最多在最多2020秒后会发现从秒后会发现从 Switch X Switch X 来的来的 BPDU BPDU 信信号消失，于是就重新计算号消失，于是就重新计算 STP STP 。 2.2. 网络恢复后，网络恢复后， Switch Y Switch Y 将会是根桥，将会是根桥， 而且它的所有单口而且它的所有单口都会处于转发状态都会处于转发状态( (Design

26、ated port) )。Part.3 桥接和交换基于软件实现每个桥只能有一个生成树每个桥通常最多到16个端口桥桥基于硬件实现(ASIC)每个交换机可以有多个生成树有更多的端口交换机交换机桥与交换机的比较透明桥接透明桥接帧交换直通转发Cut-through交换机检测到目标地址后即转发帧Frame交换机一确定帧的目的交换机一确定帧的目的MACMAC地址和正确的端口号，就立即将帧转发出去地址和正确的端口号，就立即将帧转发出去。通常情况下，大约在收到帧头。通常情况下，大约在收到帧头1414个字节左右就开始转发。这使得直个字节左右就开始转发。这使得直通法比存储转发法具有更小且相对固定的延迟时间，但它连

27、小于通法比存储转发法具有更小且相对固定的延迟时间，但它连小于6464字字节的帧以及一些坏帧也一块儿转发，可能浪费带宽。节的帧以及一些坏帧也一块儿转发，可能浪费带宽。 帧交换存贮转发Store and forward 完整地收到帧并检查无错后才转发直通转发交换机检测到目标地址后即转发帧FrameFrameFrameFrame交换机将帧向目的端口转发之前要先收到完整的帧并进行交换机将帧向目的端口转发之前要先收到完整的帧并进行CRCCRC校验、确定目校验、确定目的地址。交换机将整个帧存储在内存缓冲区中，直到它获得有效资源才将其的地址。交换机将整个帧存储在内存缓冲区中，直到它获得有效资源才将其发往目的

28、地。好处是能够抛弃小于发往目的地。好处是能够抛弃小于6464字节的帧以及其他任何受损的帧，这样字节的帧以及其他任何受损的帧，这样可以节约带宽。缺点是延迟较大且不固定，因为它在转发之前要收到并处理可以节约带宽。缺点是延迟较大且不固定，因为它在转发之前要收到并处理完整的帧。完整的帧。 直通转发Cut-through交换机检测到目标地址后即转发帧Frame片断转发片断转发 Fragment free (直通转发的修订版)Cat1900 的缺省模式(modified cut-through)交换机检测到帧的前64字节后即转发Frame存贮转发Store and forward完整地收到帧并检查无错后才转发FrameFrameFrame帧交换多层交换1.1. 第第2 2层交换：本质