以太网技术原理

1、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedInternal DA040001 以太网技术原理 ISSUE 1.5HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 1我们知道局域网包含以太网,令牌环和令牌总线等等,这些技术当中以太网技术以其简明高效的特点逐渐占据了主导地位HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 2学习完此课程，您将会：了解以太网的发展史掌握以太网的基本原理掌握以太网端口技术理解L2交换机和L3交换机的工作原

2、理HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 3第第2章章 以太网端口技术以太网端口技术第第3章章 以太网设备介绍以太网设备介绍HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 41.1 以太网起源及原理简介以太网起源及原理简介1.2 以太网发展及标准协议以太网发展及标准协议HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 5以太网的诞生l以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用

3、载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。 l以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE 802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 6冲突检测：由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。以太网原理-CSMA/CDlCS：

4、载波侦听 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。lMA：多址访问 每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。lCD：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。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 7以太网帧结构Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值值含义含义Length/T 1500Length/T = 1500代表了该帧的类型代表了该帧的类型代表了该帧的长度代表了该帧的长度802.3HUAWEI TECHNO

5、LOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 8以太网的MAC地址lMAC地址有4 8位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。lMAC地址全球唯一，由 IEEE对这些地址进行管理和分配。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位二进制代表该供应商代码。剩下的24位由厂商自己分配。l如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。l如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。00e0.fc39.8034HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 9最小帧长与最大传输距离l最大传输距离：通常

6、由线路质量、信号衰减程度等因素决定。l最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制共同决定。l规定最小帧长是为了避免这种情况发生：某站点已经将一个数据包的最后一个BIT发送完毕，但这个报文的第一个BIT还没有传送到距离很远的一个站点。而站点认为线路空闲而发送数据，导致冲突。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 101.1 以太网起源及原理简介以太网起源及原理简介1.2 以太网发展及标准协议以太网发展及标准协议HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 11万兆

7、以太网出现lIEEE802.3 以太网标准lIEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准lIEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准lIEEE802.3ae 10GE以太网标准70年代80年代90年代以太网产生10M以太网发展成熟共享式转发LAN交换机100M快速以太网92年96年千兆以太网迅速发展2002年以太网发展简史HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 12共享式以太网传输介质l在共享式以太网之时，使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接。须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞，然后将抽头接入。

8、此项工作存在一定的风险：因为任何疏忽，都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接，导致这个网络段的崩溃。同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点的故障可以导致这个网络的崩溃。10Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）10Base2：细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 13其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。共享式以太网的缺点l在共享式以太网中，所有的主机都以平等的地位连接到同轴电缆上，但如果以太网中主机数目较多，则存在以下严重问题：介质可靠性差冲突严重广播

9、泛滥无任何安全性HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 14标准以太网l标准以太网（10Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层最终用户和接入层交换机之间的连接汇聚层通常不使用核心层通常不使用HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 15IEEE802.3 线缆名称电缆最大区间长度10BASE-5粗同轴电缆500m10BASE-2细同轴电缆200m10BASE-T双绞线100m10BASE-F光纤2000mHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LT

10、D.All rights reservedPage 16快速（100M）以太网l数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。 lIEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3uHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 17快速以太网l快速以太网（100Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入汇聚层提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接核心层提供交换设备间的连接

11、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 18快速以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离100BaseTXEIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100m100BaseT4EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m100BaseFX多模光纤（MMF）线缆550m-2km单模光纤（SMF）线缆2km-15kmHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 19千兆以太网l千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速

12、以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1 Gbps。 l标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 20千兆以太网l千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位模型分类网络定位接入层一般不使用汇聚层提供接入层和汇聚层设备间的高速连接核心层提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 21千兆以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离100

13、0BaseT铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m1000BaseCX铜质屏蔽双绞线（STP）25m1000BaseSX多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光550m/275m1000BaseLX单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光2km-15kmHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 22IEEE802.3z的线缆标准l1000BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光，既可以驱动多模光纤，也

14、可以驱动单模光纤。l1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。 l1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 23IEEE802.3ab的线缆标准l1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户可以采用这种

15、技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 24万兆以太网l已经开始部署，预计未来将有大规模的应用l标准为IEEE802.3ael只有全双工模式l创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 25第第1章章 以太网技术发展史以太网技术发展史第第3章章 以太网设备介绍以太网设备介绍HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All r

16、ights reservedPage 262.1 自协商技术自协商技术2.2 自适应技术自适应技术2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 27自协商HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 28自协商基本页信息HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 29自协商信号l整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rig

17、hts reservedPage 30与没有自协商机制的设备连接l不使用自协商机制会出现以下情况：无法实现端口的自动双速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)无法确定双工工作模式无法确定是否需要流量控制功能HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 31自协商优先级优先级顺序工作方式A100BASE-TX全双工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全双工E10BASE-THUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 32光纤上的自协商l对

18、光纤以太网而言，得出的结论是：链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式、流控等），如果光纤两端的配置不同，是不能正确通信的。l千兆以太网的自协商机制已经实现。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 332.1 自协商技术自协商技术2.2 自适应技术自适应技术2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 34智能MDI/MDIXl不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备l消除由于

19、电缆配错引起的连接错误简化10/100M网络安装维护，降低开销Receive PairTransmit PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive Pair交叉网线交叉网线直连网线直连网线HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 352.1 自协商技术自协商技术2.2 自适应技术自适应技术2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 36流量控

20、制l当通过交换机一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧。l在半双工方式下，流量控制是通过反压（backpressure）技术实现的，模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。l在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x标准。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 37半双工流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 38全双工流量控制lIEEE802.3x标准定义了一种新方法，在全双工环境中

21、去实现流量控制。交换机产生一个PAUSE帧，PAUSE帧使用一个保留的组播地址：01-80-C2-00-00-01，将它发送给正在发送的站，发送站接收到该帧后，就会暂停或停止发送。lPAUSE帧利用了一个保留的组播地址，它不会被网桥和交换机所转发，这样，PAUSE帧不会产生附加信息量。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 39全双工流量控制lPAUSE功能的应用场合：一对终端 （简单的两点网络）一个交换机和一个终端交换机和交换机之间的链路lPAUSE功能不解决下列问题：稳定状态的网络拥塞端到端流量控制比简单的“停启”更复杂的机

22、制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 40第第1章章 以太网技术发展史以太网技术发展史第第2章章 以太网端口技术以太网端口技术HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 413.2 二层交换机的工作原理二层交换机的工作原理3.3 VLAN与三层交换机与三层交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 42传统以太网连接设备HUBlHub的工作模式注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。应用层应用层表示层

23、表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层物理层HUB应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 43所有的HUB都是半双工的lHub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUTHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 44由HUB组建以太网的实质l实际上网络中由HUB组建以太网实质是一种共享式以太网，存在共享式以太网的所有缺陷： 冲突严重；

24、 广播泛滥； 无任何安全性。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 453.1 Hub的工作原理的工作原理3.3 VLAN与三层交换机与三层交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 46二层工作模式l网桥/二层以太网交换机的工作模式应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层物理层二层交换机应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层链路层链路层链路层链路层HUA

25、WEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 47基于源地址学习l多播情况下，CAM表项的建立不是通过学习得到的，而是通过IGMP窥探，CGMP等协议获得的。MAC地址地址所在端口所在端口MAC A1MAC B1MAC C2MAC D2分段1分段2ABCPORT1PORT2D 交换机典型应用交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 48基于目的地址转发MACD MACA.端口1MACDMACA.端口2MAC地址地址所在端口所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2H

26、UAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 49二层交换机原理l接收网段上的所有数据帧；l利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表（源地址自学习），使用地址老化机制进行地址表维护；l在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到就将该数据帧发送到相应的端口（不包括源端口）；如果找不到，就向所有的端口发送（不包括源端口）；l向所有端口转发广播帧和多播帧（不包括源端口）。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 50三种交换模式l Cut-Through： 交

27、换机接收到目的地址即开始转发过程 延迟小 交换机不检测错误lStore-and-Forward： 交换机将全部内容接收才开始转发过程 延迟大 交换机检测错误，不会有错包 lFrag-free： 交换机接收完数据包的前64字节（一个最短帧长度），然后根据头信息查表转发。 结合了直通方式和存储转发方式的优点。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 51L2交换机的缺点lL2带来了以太网技术的重大飞跃，彻底解决了困扰以太网的冲突问题，极大的改进了以太网的性能。并且以太网的安全性也有所提高。但以太网存在如下缺点：广播泛滥安全性仍旧无法得

28、到有效的保证l其中广播泛滥严重是L2以太网的主要缺点HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 523.1 Hub的工作原理的工作原理3.2 二层交换机的工作原理二层交换机的工作原理HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 53VLAN的起源基于端口分组l解决广播泛滥问题的主导思想：将没有互访需求的主机隔离开交换机工程部市场部销售部10.110.10.010.110.20.010.110.30.012985HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All

29、 rights reservedPage 54VLAN技术的优点和缺点lVLAN技术成功的解决了广播问题，并且使以太网的安全性有了进一步的提高，此时的以太网技术趋于完美。l但VLAN技术也有缺点： 使用VLAN来划分网络后，网络的效率提高不少，可是本来不需要相互访问的两个部门，现在又要少量的访问需求，该怎么办到呢？HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 55解决办法（一）l使用路由器连接不同的VLAN前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系缺点：每个VLAN需要占用一个路由器的接口；不同VLAN中的主机需配置不同的缺省网关工程部

30、VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 56解决办法（二）-单臂路由l使用支持VLAN属性的路由器连接不同的VLAN前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 57（L2+路由器）模式的缺陷l需要多个设备，组网复杂；lVLAN间通信通过路由器完成；l路由器价格昂贵，速率较低。工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 58解决办法（三）l将路由器和交换机合成一个设备三层交换机前提：VLAN和IP子网间是一对一的关系SWITCH工程部VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0HUAWEI TECHNOLOGI