以太网技术原理PPT课件

1以太网技术以太网技术2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3学习完此课程，您将会：n了解以太网的发展史n掌握以太网的基本原理n掌握以太网端口技术n理解L2交换机和L3交换机的工作原理4第第2节节 以太网端口技术以太网端口技术第第3节节 以太网设备介绍以太网设备介绍51.1 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6以太网的诞生n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，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。n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。7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/CDnCS：载波侦听n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。nMA：多址访问n每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。nCD：冲突检测n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。8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802.39以太网帧结构n以太网数据帧格式（Ethernet-II）n类型值大于等于600H 10以太网的MAC地址nMAC地址有4 8位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。nMAC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。n如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。n如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。00e0.fc39.803411最小帧长与最大传输距离n最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。n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。n规定最小帧长是为了避免如下情况发生：即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。121.1 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13万兆以太网出现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向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nIEEE802.3 以太网标准nIEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准nIEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准nIEEE802.3ae 10GE以太网标准14共享式以太网传输介质n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。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）15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n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：n介质可靠性差n冲突严重n广播泛滥n无任何安全性16标准以太网n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17IEEE802.3 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2000m18快速（100M）以太网n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。nIEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u19快速以太网n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20快速以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离100BaseTXEIA/TIA 5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100m100BaseT4EIA/TIA 3、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-15km21千兆以太网n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，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1Gbps。n标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）22千兆以太网n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23千兆以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离1000BaseT铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m1000BaseCX铜质屏蔽双绞线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-15km24IEEE802.3z的线缆标准n1000BaseLX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，也可以驱动单模光纤。n1000BaseSX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。n1000BaseCX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。25IEEE802.3ab的线缆标准n1000BaseT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。26万兆以太网n已经开始部署，预计未来将有大规模的应用n标准为IEEE802.3aen只有全双工模式n创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)27第第1节节 以太网技术发展史以太网技术发展史第第3节节 以太网设备介绍以太网设备介绍282.1 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29自协商解决兼容问题30自协商基本页信息31自协商信号n整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成32与没有自协商机制的设备连接n不使用自协商机制会出现以下情况：n无法实现端口的自动双速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)n无法确定双工工作模式n无法确定是否需要流量控制功能33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-T34光纤上的自协商n对光纤以太网而言，得出的结论是：n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。n千兆以太网的自协商机制已经实现。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36智能MDI/MDIXn不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备n两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备n消除由于电缆配错引起的连接错误n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372.1 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38流量控制n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。n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。n在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x标准。39全双工流量控制nIEEE802.3x标准定义了一种新方法，在全双工环境中去实现流量控制。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。nPAUSE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。40全双工流量控制nPAUSE功能的应用场合：n一对终端（简单的两点网络）n一个交换机和一个终端n交换机和交换机之间的链路nPAUSE功能不解决下列问题：n稳定状态的网络拥塞n端到端流量控制n比简单的“停启”更复杂的机制41第第1节节 以太网技术发展史以太网技术发展史第第2节节以太网端口技术以太网端口技术423.2 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43传统以太网连接设备HUBnHub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44所有的HUB都是半双工的nHub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUT45由HUB组建以太网的实质n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；广播泛滥；无任何安全性。463.1 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47二层工作模式n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48基于源地址学习n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49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MACA1MACB1MACC2MACD250二层交换机原理n接收网段上的所有数据帧；n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；n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）；n向所有端口转发广播帧和多播帧（不包括源端口）。51三种交换模式n Cut-Through：n交换机接收到目的地址即开始转发过程n延迟小n交换机不检测错误nStore-and-Forward：n交换机将全部内容接收才开始转发过程n延迟大n交换机检测错误，不会有错包 nFrag-free：n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。n结合了直通方式和存储转发方式的优点。52L2交换机的缺点nL2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：n广播泛滥n安全性仍旧无法得到有效的保证n其中广播泛滥严重是L2以太网的主要缺点533.1 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54VLAN的起源基于端口分组n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10.110.10.010.110.20.010.110.30.01298555VLAN技术的优点和缺点nVLAN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。n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？56解决办法（一）n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VLAN市场部VLAN销售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交换机57解决办法（二）-单臂路由n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58（L2+路由器）模式的缺陷n需要多个设备，组网复杂；nVLAN间通信通过路由器完成；n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59解决办法（三）n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VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.060什么是三层交换机n在逻辑上，三层交换和路由是等同的，三层交换的过程就是IP报文选路的过程。n三层交换机与路由器在转发操作上的主要区别在于其实现的方式：n三层交换机通过硬件实现查找和转发；n传统路由器通过微处理器上运行的软件实现查找和转发；n三层交换机的转发路由表与路由器一样，需要软件通过路由协议来建立和维护。n在局域网中引入三层交换：n能够更加经济的替代传统路由器61选择二层交换或三层交换进行三层转发VLAN间转发进行二层转发VLAN内转发是否是路由接口的MAC地址VLAN属性帧输入是否62三层交换机的应用n三层交换机特别适合下面这样的组网n几乎全以太网接口n路由比较稳定，变化比较少63低端的路由器和L3的区别项目路由器三层交换机端口类型非常丰富，几乎可以支持所有通信端口比较单一，主要支持以太网转发实现途径主要以CPU加软件实现为主。由硬件ASIC实现转发路由算法最长匹配第一包路由，以后做精确匹配包转发率低高（命中）或者更低（没命中）成本高低对路由变化的适应能力强弱二层交换不支持支持64二个问题n为什么L3不增强对路由变化的适应能力？n答：必须使用更昂贵的CPU，成本增高。n为什么路由器不使用L3的硬件转发？n答：广域网路由太多，且不固定，CACHE命中率太低。65L3交换机仍有不足之处nL3交换机仍有不足之处：nL3虽然几乎具备了路由器的所有功能，但在走向广域网的过程中却遇到了广域网接口带宽不足，路由性能低下的尴尬。66n本次课主要介绍以太网原理和发展过程n介绍L2交换机和L3交换机的工作原理n介绍自协商、自适应、流量控制等以太网端口技术