以太网基本原理

以太网基本原理2013年中国电信网络操作维护职工技能竞赛办公室2021/6/27经过该课程后，学员应该掌握以下内容：了解以太网物理层的工作过程掌握以太网端口自协商的原理掌握MAC地址概念和以太网帧数据收发过程掌握以太网VLAN基本概念掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义了解二层组播协议和生成树协议的工作过程目标2021/6/272参考资料IEEE802.2IEEE802.3IEEE802.3uIEEE802.3z2021/6/273内容介绍第1章以太网概述1.1以太网的起源和设计目标1.2以太网的几种类型及应用领域第2章以太网物理层第3章数据链路层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/274起源和设计目标起源 起源于Xerox公司的一个实验网，该网络运行的经验是Xerox、DEC、Intel1980年提出的以太网建议的基础。目标简明和成本低寻址灵活：应该有一种机制来确定网络中的一台计算机、全部计算机或一组计算机－MAC地址。公平高速：各个终端应该公平的享有带宽－CSMA/CD，高速－数据链路层－无连接，尽力传送-“best－effort”稳定和低延迟2021/6/275以太网的几种类型标准以太网（10Mbit/s）的网络定位：模型分类网络定位接入层汇聚层最终用户和接入层交换机（或HUB）之间的连接核心层通常不使用通常不使用2021/6/276以太网的几种类型快速以太网（100Mbit/s）的网络定位：模型分类网络定位接入层汇聚层为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入核心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提供交换设备间的连接2021/6/277快速以太网传输距离技术标准线缆类型100BaseTX100BaseT4EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100BaseFXEIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对多模光纤（MMF）线缆传输距离100m100m550m-2km2km-15km单模光纤（SMF）线缆2021/6/278以太网的几种类型千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位：模型分类网络定位接入层汇聚层一般不使用核心层提供接入层和汇聚层设备间的高速连接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2021/6/279千兆以太网传输距离技术标准线缆类型1000BaseT1000BaseCX铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对1000BaseSX铜质屏蔽双绞线多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光传输距离100m25m550m/275m2km-15km单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光1000BaseLX2021/6/2710以太网主要应用领域以太网主要应用领域：高速网络设备之间互连城域网中用户接入的手段2021/6/2711内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层2.1以太网基本技术2.1自动协商机制第3章数据链路层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/2712以太网物理层标准10BASE210BASE510BASE-T100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4100BASE-T22021/6/2713半双工任一时刻只能接收或发送采用CSMA/CD访问机制物理上有距离限制2021/6/2714共享介质的灵魂－CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）原理：1、终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据，如果线路不空闲则一直等待。2、发送过程中，若其他设备也同时发送数据，则其发送的数据必然产生碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送。缺点：带宽窄，冲突检测机制，传输时间必须大于延迟时间导致物理长度限制－51.2us的冲突检测窗口，1位在2500m，加上四个中继器的往返时间。帧长最小字节数64，刚好512位。CSMA/CD2021/6/2715最小帧长与最大传输距离最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。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。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。以太网通信的原则：同一时刻只能有一台主机在发送，但可以有多台主机同时接收——广播；如果一个以太网报文被完全发送出去则在链路上肯定不会发生冲突，即理论上不再需要发送第二次。2021/6/2716全双工物理层同一时刻可以发送和接收，不用预先判断链路的忙闲状态最大吞吐量达到双倍速率从根本上消除了半双工的物理距离限制2021/6/2717双工方式运行速率全双工半双工10M100M1000M10G常见的8种组合自动协商2021/6/2718使用1ms的脉冲来携带自动协商信息。16ms每个大脉冲插入16小脉冲自动协商实现基础……2021/6/2719自协商基本页信息000010123456789101112131415MessageTypeEthernet=00001Reserved10BASE-T半双工10BASE-T全双工100BASE-TX半双工100BASE-TX全双工100BASE-T4流控支持远程故障指示确认下一页指示2021/6/2720自协商信号整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成约2ms约100ns约62.5μs时钟数据位0时钟数据位1数据位14时钟数据位15时钟……2021/6/2721系统加电的时候（建立链路连接时候），首先检测自动协商标志，如果允许，则从配置寄存器读出支持模式标志，编码后通过空闲脉冲发送出去。发送出去的编码格式称为基页。如果接收到对方的基页，则跟自

己发送的基页比较，找出支持能力的交集，选取最优组合运行。双工模式运行速率流量控制…...101001010111000101001101010101…...编码支持能力2021/6/2722自协商优先级优先级顺序工作方式ABCDE100BASE-TX100BASE-TX全双工100BASE-T410BASE-T全双工10BASE-T2021/6/2723运行速率双工模式100M10M全双工半双工运行速率双工模式100M10M全双工半双工100M，全双工协商原则2021/6/2724与没有自协商机制的设备连接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如果对接时一端采用自协商，另一端采用固定模式会出现什么现象？2021/6/2725光纤上的自协商对光纤以太网而言，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。千兆以太网的自协商机制已经实现。2021/6/2726集线器HUB——I类只能单一种类型的物理接口内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。2021/6/2727

可以提供多种类型的物理接口内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。集线器——II类2021/6/2728

问题一：图中各PC机安装了10/100M自适应网卡，交换机支持10/100M自动协商，HUB为10M，请问：

PCA和交换机之间工作在什么方式？

PCB和HUB之间工作在什么方式？

HUB和交换机之间工作在什么方式？总结与思考PC-CPC-BHUBLANSwitchPC-A2021/6/2729总结与思考10Mb/s半双工10Mb/s全双工10Mb/s自协商100Mb/s自协商100Mb/s全双工端口1自动协商端口2自动协商端口3自动协商端口4自动协商端口5自动协商问题二：以上各个交换机端口工作在什么方式？2021/6/2730内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层第3章数据链路层3.1数据链路层结构3.2MAC子层3.3LLC子层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/2731网络层数据链路层物理层LLC子层MAC子层数据链路层位置和结构2021/6/2732

针对不同的物理介质提供不同的MAC层面来访问。针对不同的双工模式，Ethernet划分为半双工MAC和全双工MAC。

MAC层的主要功能是组帧、寻址、控制和维护各种MAC协议、定义各种媒体访问规则等。MAC子层——位置与功能LLC子层TokenRingMACEthernetMACFDDIMACHalfDuplexMACFullDuplexMAC2021/6/2733半双工MAC跟物理层之间至少有六种信号：接收数据线发送数据线接收数据指示发送数据指示载波侦听冲突发生HalfDuplexMACPhysical_Layer数据线指示信号冲突和检测信号半双工MAC（CSMA/CD）2021/6/2734全双工MAC跟物理层之间至少有四种信号：接收数据线发送数据线接收数据指示发送数据指示HalfDuplexMACPhysical_Layer数据线指示信号全双工MAC2021/6/2735MAC地址MAC地址用来标识网络上的唯一的一个站点；它是一个48比特的数字，但通常被表示为12位的点分十六进制数。MAC地址举例：00.e0.fc.39.80.34

物理MAC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位由供应商自己分配。例如某设备的MAC的前24位就是00.e0.fc广播MAC地址：如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。组播MAC地址：如果最高字节的第8位是1，则表示该地址是组播地址。2021/6/2736几种主要的以太网帧结构2021/6/2737以太网帧结构关于Length/Type，对于Ethernet_II，它的值通常为0x0800（表示后面数据为IP）。目前我们大部分计算机网卡只支持这种帧结构。Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值含义Length/T>1500Length/T<=1500代表了该帧的类型代表了该帧的长度802.32021/6/2738Ethernet_II帧结构64到1518字节PRE:先导字节,7个10101010SFD:帧开始标志,101010112021/6/2739Ethernet_II帧结构2021/6/2740LLC子层MAC子层DSAPSSAPControl8bit8bit8/16bitDMACSMACLengthLLCDATA/FCSIEEE802.3帧结构LLC子层——帧结构和服务2021/6/2741LLC层维护一张以DSAP为索引的函数列表，每接收到一个数据包，以DSAP为索引调用相应的函数，该函数把数据包挂到相应接收队列。…...函数列表OnReceivedData_IP(Length,PDU)OnReceivedData_IPX(Length,PDU)OnReceivedData_NetBEUI(Length,PDU)OnReceivedData_05(Length,PDU)OnReceivedData_06(Length,PDU)……….126SSAPControlLLC子层——数据的上层分发2021/6/2742问题：1、MAC地址是一个（）比特的数字？2、广播MAC地址是（）？3、组播MAC地址为（），这是一个（）﹤逻辑or物理﹥的MAC地址？4、00-10-a4-ab-21-ca是（）类型的MAC地址？

10-80-00-3d-44-3a是（）类型的MAC地址？总结与思考本节重点：对MAC子层的理解

MAC子层的工作过程

三种类型的MAC地址

MAC数据帧结构及收发过程

2021/6/2743内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层第3章数据链路层第4章以太网交换机4.1以太网交换机结构4.2以太网交换机工作过程4.3以太网交换机的交换方式

第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/2744……...RXTXRXTX接收缓冲区发送缓冲区高速背板总线交换机工作过程：1.接收数据并缓冲；2.缓冲发送的数据；3.利用总线完成接口交换。注意：1.发送缓冲区要比接收缓冲区大。2.端口之间的数据帧转发依靠MAC转发表来实现。以太网交换机－基础结构2021/6/2745以太网交换机－硬件结构L2的转发完全由硬件通过ASIC实现，以低廉的价格实现了线速的转发还有强大的背板总线做支撑。2021/6/2746交换机维持一个CAM表，这个表决定交换机的转发过程。每接收到一个MAC帧，则剥取源MAC建立CAM项，然后向所有端口转发该帧。MAC出口集合1234.ABCD.00011234.ABCD.00021234.ADCB.0003..{port1}{port2}{port3}..以太网交换机－工作过程基于源端口的学习：2021/6/27471、交换机接收到数据帧后，根据目的地址查询CAM，找到出口后，把数据包从该出口集合发送出去。2、在单播的情况下，出口列表集合只有一个元素，但在多播情况下，出口列表集合就可能不只一个元素。3、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出口集合1234.ABCD.00011234.ABCD.00021234.ADCB.0003..{port1}{port2}{port3}..以太网交换机－工作过程基于宿端口的转发：2021/6/2748以太网交换机－工作过程交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器，该定时器从一个初始值开始递减，每当使用了一次该表项（接收到了一个数据帧，查找CAM表后用该项转发），定时器被重新设置。如果长时间没有使用该CAM表的转发项，则定时器递减到零，于是该CAM表项被删除。－－此定时器的时间就是老化时间，通常缺省为5分钟。老化时间：2021/6/2749工作过程：交换机把接收到的整个数据帧缓存，检查数据包长度，进行CRC校验然后查询CAM，进行转发。特点：提高了可靠性，可以让数据包提前滤掉，但速度上有折扣。以太网交换机－交换方式存储转发：2021/6/2750工作过程：交换机接收数据帧的时候，只要接收完帧头信息，发上查询CAM表，根据结果直接转发。特点：大大提高了转发速度，但可能转发一些错误数据包。以太网交换机－交换方式直通方式：2021/6/2751工作过程：交换机接收完数据帧的前64个字节（一个最短帧的长度），然后根据头信息，查CAM表进行转发。特点：滤掉了一些碎片，结合了前两种的优点。以太网交换机－交换方式碎片隔离：2021/6/2752问题：1、交换机为什么建立这种学习、转发的机制？2、ping命令，在各网络层面上是如何动作的？总结与思考本节重点：以太网交换机的工作过程和交换方式答1：因为数据帧宿端口的不确定性。通过学习，确定宿端口，然后转发。如果不学习和HUB相同了。假如宿端口确定，就不需要学习。

答2：首先查询自己的ARP表，是否有对应IP的MAC，没有发ARP广播，三层上，和自己一个网段，IP包的目的地址为ping的目的地址，否则为网关地址。二层上，以太网帧则是向所有端口广播。ARPreply后，在发ICMP请求，然后收到reply，表示通。2021/6/2753内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层第3章数据链路层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN5.1VLAN的作用及划分方式5.2VLAN链路类型5.3802.1Q帧及数据帧收发5.4QoS第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/2754VLAN基本概念划分VLAN的目的：抑制广播安全性考虑管理方便VLAN划分方式：基于端口划分基于MAC地址划分基于协议划分基于子网划分2021/6/2755可以通过配置的形式明确指定端口所属的VLAN。特点：配置简单、含义明确、与实际联系紧密，应用广泛。目前我们用的多是这种方式。划分方式——基于端口VLAN表主机A主机B主机C主机D以太网交换机Port1Port2Port7Port10端口所属VLANPort1VLAN5Port2VLAN10…………Port7VLAN5…………Port10VLAN102021/6/2756通过MAC地址指定端口所属的VLAN，需要服务器和客户端的支持；和CAM配合可实现VLAN－端口的转换。特点：安全性高、配置比较烦琐，应用较少。划分方式——基于MAC地址VLAN表主机A主机B主机C主机D以太网交换机MACAMACBMACCMACDMAC地址所属VLANMACAVLAN5MACBVLAN10MACCVLAN5MACDVLAN102021/6/2757基于协议的VLANVLAN表协议类型所属VLANIPX协议VLAN5IP协议VLAN10…………通过二层数据中协议字段，判断上层运行的网络协议，如IP或者是IPX协议。特点：不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量，技术要求高，应用较少。主机A主机B主机C主机D使用IPX协议运行IP协议使用IPX协议运行IP协议以太网交换机2021/6/2758基于子网的VLANVLAN表IP网络所属VLANIP1.1.1.1/24VLAN5IP1.1.2.1/24VLAN10…………根据报文中的IP地址决定报文属于哪个VLAN。特点：可以按传输协议划分网段、技术要求高，应用较少。主机A主机B主机C主机D1.1.1.51.1.2.881.1.1.81.1.2.99以太网交换机2021/6/2759VLAN链路类型接入链路干道链路交换机间的链路----干道（Trunk/TAG）链路，主机和交换机间----接入（Access）链路。在Trunk（TAG）链路上传输的帧携带VLANID，用来正确的区分帧所属的VLAN。2021/6/2760在TAG链路上传输这种类型的帧，对端交换机根据802.1Q中的VLANID来区分正确的VLAN,然后向该VLAN包含的端口转发.NAMEVLUETYPE（2bytes)PRI(3bits)CFI(1bit)VID(12bits)8100优先级用于环形结构网络VLANID802.1Q帧格式D_AddrS_Addr802.1qL/TDATATYPEPRI/CFI/VID6bytes6bytes4bytes2bytes46-1517bytes4bytesFCS2021/6/2761以太网端口类型Tag能接收包含VLANID帧的端口,常用作交换机间连接Access不能识别VLANID帧,用来连接终端Hybrid既能识别标记帧,又能接收非标记帧,有一个默认VLAN用于接收到的非标记帧102352021/6/2762数据包端口TagUntagTagaware(入)透传丢弃Tagaware(出)透传－Access(入)丢弃添加默认VLANIDAccess(出)剥离VLANID－Hybrid(入)透传添加默认VLANIDHybrid(出)如果VLANID相同，剥离VLANID，反之则透传－以太网基本术语－Tag属性(续)2021/6/2763Internet如果没有服务质量保证，关键性业务可能因为得不到带宽而受影响以太网QoS保证2021/6/2764三比特的优先级字段802.1Q帧格式，为实施带优先级的服务提供了基础高优先级数据包低优先级数据包以太网QoS保证D_AddrS_Addr802.1qL/TDATATYPEPRI/CFI/VIDFCS6bytes6bytes4bytes2bytes46-1517bytes4bytes2021/6/2765优先级队列0123456712优先级队列01234567123优先级跟交换机发送队列的对应关系2021/6/27661、VLAN域和以太网学习转发数据帧之间的关系？答：VLAN域对以太网学习转发的端口范围进行了约束。以太网交换机通过学习转发数据帧，进行点到点的无连接通信。2、VLAN之间如何通信？答：通常不同VLAN属于不同的网段，如果需要通信，必须通过路由器转接，或者直接使用三层交换机。总结与思考本节重点：VLAN的划分和数据帧的转发2021/6/2767内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层第3章数据链路层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/27680101010110101010…...01010101011010101010…...链路层物理层千兆以太网物理层——8B10B编码2021/6/2769代码组8B10B不对称影射10B：1024种组合8B：256种组合数据代码组特殊代码组保留代码组2021/6/2770特殊代码组特殊代码组有序集有序集链路层数据有序集把数据封装在有序集中进行传输有序集和数据封装一个或多个特殊代码组的整体是有序集，有序集是特殊代码的组合有序集是个整体在传输链路层数据的时候，在数据前后添加有序集，指示传输的开始2021/6/2771有序集示例Start_Of_Packet在传输具体数据的开始，发送该有序集。

IDLE在没有数据传输的时候，物理链路也不空闲，而是传输该有序集来保持激活状态。

End_Of_Packet具体数据传输结束的时候发送该有序集，指示数据传输结束。

Configuration封装自动协商数据2021/6/2772大量数据PAUSE帧流量控制2021/6/2773终端设备把自己支持的能力编码到上述形式的基页中，发送给对方，相互比较，按照最优的原则选择运行方式。自动协商2021/6/2774内容介绍第1章以太网概述第2章以太网物理层第3章数据链路层第4章以太网交换机第5章以太网VLAN第6章千兆以太网第7章二层组播第8章生成树协议2021/6/2775概念媒体流服务器媒体流接收端2021/6/2776IGMP加入消息每当终端想要接收针对组G的组播数据时，它发出IGMP加入消息，交换机探测到这个消息，建立转发项（G，{I}），其中I为终端所在的端口。若另外有终端也加入G，则交换机仅仅把另外终端所在端口加入转发项即可。IGMP窥探媒体流服务器2021/6/2777媒体流服务器针对组G的组播数据流交换机必须检测每个组G的组播数据包。IGMP窥探存在的问题2021/6/2778媒体流服务器GMRP请求消息组播数据流