以太网交换机工作原理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,以太网交换机工作原理,言杉,SPD RD2010.11.30,目录,1.,以太网的基础知识,1.1,以太网概述,1.2,MAC,地址,1.3,以太网帧格式,1.4,CSMA/CD,1.5,冲突域与广播域,1.6,以太网的典型设备,-HUB,1.7,全双工以太网,2.,网络层的概念,2.1 OSI,模型,2.2,各层的作用,2.3,不同层对应的网络设备,3.,局域网常见拓扑结构,4.,以太网交换机,基础知识,4.1,概述,4.2,交换机数据转发原理,4.3,交换机能分割冲突域,4.4,交换机,工作模式,4.5,交换机的交换方式,5.,交换机,硬件,电路架构,5.1,模块图,（,Gigabit switch),5.2,RJ45,接口,5.3,MII/GMII/RMII,接口,5.4,物理层特性,5.4.1,自协商,5.4.2 Auto MDI/MDIX,5.4.3,流量控制,6.,Winwin,gigabit,交换机,6.1,概述,6.2 Loop detect,6.3,方框图,6.4,电路图,6.5 Layout guide,7,.,交换机参考测试标准,7.1 RFC2544,7.2 RFC2899,以太网的基础知识,1,.以太网概述,-1,以太网是在,70,年代初期由,Xerox,公司,Palo Alto,研究中心推出的。,1979,年,Xerox,、,Intel,和,DEC,公司正式发布了,DIX,版本的以太网规范，,1983,年,IEEE 802.3,标准正式发布。初期的以太网是基于同轴电缆的，到八十年代末期基于双绞线的以太网完成了标准化工作，即我们常说的,10BASE-T,。,随着市场的推动，以太网的发展越来越迅速，应用也越来越广泛。下面简单列一下以太网的发展历程：,70,年代初，以太网产生；,1929,年，,DEC,、,Intel,、,Xerox,成立联盟，推出,DIX,以太网规范；,1980,年，,IEEE,成立了,802.3,工作组；,1983,年，第一个,IEEE802.3,标准通过并正式发布,通过,80,年代的应用，,10Mb/s,以太网基本发展成熟,1990,年，基于双绞线介质的,10BASE-T,标准和,IEEE 802.1D,网桥标准发布,90,年代，,LAN,交换机出现，逐步淘汰共享式网桥,1992,年，出现了,100Mb/s,快速以太网,通过,100BASE-T,标准,(IEEE802.3u),全双工以太网,(IEEE97),千兆以太网开始迅速发展,(96),1000Mb/s,千兆以太网标准问世,(IEEE802.3z/ab),IEEE 802.1Q,和,802.1P,标准出现,(98),10GE,以太网工作组成立,(IEEE802.3ae),以太网是一种能够使计算机进行相互传递信息的介质，,它利用二进制位形成一个个的字节，这些字节然后组合成一帧帧的数据。帧有一个起点，我们称之为帧头；也有终点，我们称之为作帧尾。以太网由许多物理网段组合而成，每个网段包括一些导线和与导线相连的网络设备。以太网上有很多网络设备，每个设备都会接收到各种各样的帧信息。那么，设备怎样才能知道帧是否是直接对它进行访问呢？其实，,在每个帧报头中，都包含有一个目地介质访问控制地址（,MAC,）和一个源,MAC,地址，目的,MAC,地址就可以告诉网络设备帧是否是对它进行直接访问。如果设备发现帧的目的,MAC,地址与自己的,MAC,不匹配，设备将对不处理该帧。,以太网的基础知识,1,.以太网概述,-2,MAC,地址有,48,位，它可以转换成,12,位的十六进制数，,参见下图。这个数分成三组，每组有四个数字，中间以点分开。,MAC,地址有时也称为点分十六进制数。为了确保,MAC,地址的唯一性，,IEEE,对这些地址进行管理。,每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。,供应商代码代表,NIC,（网络接口卡）制造商的名称，它占用,MAC,的前六位,12,进制数字，即,24,位二进制数字。序列号由供应商管理，它占用剩余的,6,位地址，或最后的,24,位二进制数字。,以太网的基础知识,2,.MAC,地址,常用以太网帧格式,前同步字符：,在每种格式的以太网帧的开始处都有,64,比特（,8,字节）的前同步字符，下图,1,所示。其中，前,7,个字节称为前同步码（,Preamble,），内容是,16,进制数,0xAA,，最后,1,字节为帧起始标志符,0xAB,，它标识着以太网帧的开始。前导字符的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。,以太网帧前导字符,以太网的基础知识,3,.,以太网帧格式,-1,除此之外，不同格式的以太网帧的各字段定义都不相同，彼此也不兼容。常见帧格式有,4,种。,2.Ethernet 802.3 raw,帧格式,在,Ethernet 802.3 raw,类型以太网帧中，原来,Ethernet II,类型以太网帧中的类型字段被,总长度,字段所取代，它指明其后数据域的长度，其取值范围为：,46-1500,。,1.Ethernet II,类型以太网帧格式,其中，,2,个字节标识的类型，即以太网帧所携带的上层数据，如,16,进制数,0x0800,代表,IP,协议数据，,16,进制数,0x809B,代表,AppleTalk,协议数据，,16,进制数,0x8138,代表,Novell,类型协议数据等。,在不定长的数据字段后是,4,个字节的帧校验序列（,Frame. Check Sequence,，,FCS,），采用,32,位,CRC,循环冗余校验对从,目标,MAC,地址,字段到,数据,字段的数据进行校验。,以太网的基础知识,3,.,以太网帧格式,-2,3.Ethernet 802.3 SAP,帧格式,从图中可以看出，在,Ethernet 802.3 SAP,帧中，将原,Ethernet 802.3 raw,帧中,2,个字节的,0xFFFF,变为各,1,个字节的,DSAP,和,SSAP,，同时增加了,1,个字节的,“,控制,”,字段，构成了,802.2,逻辑链路控制（,LLC,）的首部。,新增的,802.2 LLC,首部包括两个服务访问点：源服务访问点（,SSAP,）和目标服务访问点（,DSAP,）。它们用于标识以太网帧所携带的上层数据类型，如,16,进制数,0x06,代表,IP,协议数据，,16,进制数,0xE0,代表,Novell,类型协议数据，,16,进制数,0xF0,代表,IBM NetBIOS,类型协议数据等。,以太网的基础知识,3,.,以太网帧格式,-3,4.Ethernet 802.3 SNAP,帧格式,Ethernet 802. 3 SNAP,类型以太网帧格式和,Ethernet 802. 3 SAP,类型以太网帧格式的主要区别在于：,2,个字节的,DSAP,和,SSAP,字段内容被固定下来，其值为,16,进制数,0xAA,。 ,1,个字节的,“,控制,”,字段内容被固定下来，其值为,16,进制数,0x03,。 增加了,SNAP,字段，由下面两项组成： 新增了,3,个字节的组织唯一标识符（,Organizationally Unique Identifier,，,OUI ID,）字段，其值通常等于,MAC,地址的前,3,字节，即网络适配器厂商代码。 ,2,个字节的,类型,字段用来标识以太网帧所携带的上层数据类型。,以太网的基础知识,3,.,以太网帧格式,-4,以太网的基础知识,4,.,CSMA/CD,以太网使用,CSMA/CD,（,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。,IEEE 802.3,标准确定的,CSMA/CD,检测冲突的方法如下：,（,1,）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。（,2,）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道闲，站点就传输数据。（,3,）在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。（,4,）当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都能发现。（,5,）其他节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间，,Backoff,Time,）后重发。,冲突域,:,指的是会产生冲突的最小范围，在计算机和计算机通过设备互联时，会建立一条通道，如果这条通道只允许瞬间一个数据报文通过，那么在同时如果有两个或更多的数据报文想从这里通过时就会出现冲突了。,冲突域,1,冲突域,2,冲突域,3,以太网的基础知识,5,.,冲突域与广播域,-1,广播域,:,指接收同样广播消息的节点的集合,如果一个数据报文的目标地址是这个网段的广播地址,IP,或者目标计算机的,MAC,地址是,FF-FF-FF-FF-FF-FF,，那么这个数据报文就会被这个网段的所有计算机接收并响应，这就叫做广播。,. . . .,广播域,广播,以太网的基础知识,5,.,冲突域与广播域,-2,以太网的基础知识,6,.,以太网的典型设备,-HUB,在局域网（,LAN-Local Area Network,）中，每个工作站都通过某种传输介质连接到网络上。一般情况下，服务器不会有很多网络接口卡（,NIC,）。因此，不可能将所有的工作站都连接到服务器上。因此，局域网中会使用,HUB,，这是网络中很常用的设备。,HUB,是一种典型的采用以太网,CSMA/CD,机制的设备，其主要作用是：,1,被用作网络设备的集中点,2.,放大信号,3.,无路径检测或交换,从,HUB,的作用可以看出，,HUB,对所连接的,LAN,只做信号的中继，工作在网络的物理层，连接在,HUB,上的所有物理设备相当于连接在同一根导线上，都处于同一个冲突域和广播域，,如下图。因此，在网络设备很多的情况下，设备之间的冲突将会很严重，并且导致广播泛滥，严重影响网络的性能。,以太网的基础知识,7,.,全双工以太网,当两个以太网节点通过,10baseT,的电缆直接连接时，导线类似于下图。在这种情况下，数据可以通过两种独立的路径传输和接收。由于只存在两个节点，也就没有总线，所以就可以在同一时间对信息进行双向传输，而不会发生冲突。在这种情况下，以太网称为全双工以太网。为了实现全双工以太网，两个节点必须通过,10baseT,直接连接，而且,NIC,必须支持全双工。,OSI,模型,:,即开放式通信系统互联参考模型,(Open System Interconnection, OSI/,RM,Open,Systems Interconnection Reference Model),，是国际标准化组织,(ISO),提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称,OSI,。下图即为,OSI,模型 ：,网络层的概念,1,.,OSI,模型,1.,物理层。,物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。物理层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。,属于物理层定义的典型规范包括：,EIA/TIA RS-232,、,EIA/TIA RS-449,、,V.35,、,RJ-45,等。,2.,数据链路层。,数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。数据链路层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。,数据链路层协议的代表包括：,SDLC,、,HDLC,、,PPP,、,STP,、帧中继等。,3.,网络层。,网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。,网络层协议的代表包括：,IP,、,IPX,、,RIP,、,OSPF,等。,4.,传输层。,传输层是第一个端到端，即主机到主机层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。,传输层协议的代表包括：,TCP,、,UDP,、,SPX,等。,网络层的概念,2,.,各层的作用,-1,5.,会话层。,会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。,6.,表示层。,表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。,7.,应用层。,应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。,应用层协议的代表包括：,Telnet,、,FTP,、,HTTP,、,SNMP,等。,数据在各层之间的单位都是不一样的，,在物理层数据的单位称为比特,(bit);,在数据链路层，数据的单位称为帧,(frame);,在网络层，数据的单位称为数据包,(packet);,传输层，数据的单位称为数据段,(segment),。,网络层的概念,2,.,各层的作用,-2,网络层的概念,3,.,不同层对应的网络,设备,-1,交换机,(Switch),是一种基于,MAC,（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。,交换机可以“学习”,MAC,地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址，因此交换机工作在数据链路层。,集线器,(Hub,）,是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备，,是对网络进行集中管理的最小单元。英文,Hub,就是中心的意思，像树的主干一样，它是各分支的汇集点。,Hub,是一个共享设备，主要提供信号放大和中转的功能，它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。,路由器,(Router),是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。,路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。数据通道功能包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成；控制功能一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。,网络层的概念,3,.,不同层对应的网络,设备,-,2,internet,路由器,交换机,/HUB,局域网常见拓扑结构,-1,internet,路由器,交换机,交换机,/HUB,交换机,/HUB,局域网常见拓扑结构,-2,交换机是用来连接局域网的主要设备，我们最常见的交换机的,端口类型一般包括,10Base-T,、,100Base-T,、,1000Base-T,，其中,10Base-T,100Base-T,1000Base-T,一般是由,10M/100M,自适应端口提供，即通常我们所讲的,RJ-45,端口,。,以太网交换机,基础知识,1.,概述,11,33,44,22,A,B,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,data,如上图，假设交换机,A,、,B MAC,地址表都是空的，我们通过两个例子来说明,交换机,是如何实现数据的传输,1.,主机,11,给主机,33,发送一个数据帧,2.,主机,44,给主机,11,发送一个数据帧,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-1,data,11,33,44,22,A,B,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,data,端口,3,端口,3,交换机,A,在接收从主机,11,发出的数据帧后，执行以下操作步骤：,1.,交换机,A,查找,MAC,地址表,查看是否有此,MAC,地址,（有则直转给相应的端口）,2.,若没有，学习主机,11,的,MAC,地址,3.,交换机,A,向除端口,1,的其它所有端口发送广播,例,1,：主机,11,给主机,33,发送一个数据帧（,1,）,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,2,33,44,22,A,B,A,端口,1,端口,1,端口,2,data,端口,2,端口,3,端口,3,data,主机,22,，查看数据包的目标,MAC,地址不是自己，丢弃数据包,交换机,B,在接收到数据帧后，执行以下操作步骤：,1.,交换机,B,查看,MAC,地址表，查看是否有此,MAC,地址（,有则直转给相应的端口）,2.,若没有，学习源,MAC,地址和端口号,3.,交换机,B,向除源数据发送端口,3,外的向所有端口广播数据包,11,例,1,：主机,11,给主机,33,发送一个数据帧（,2,）,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,3,B,33,44,22,A,B,A,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,data,11,data,A,A,主机,33,，接收到数据帧,主机,44,，丢弃数据帧,例,1,：主机,11,给主机,33,发送一个数据帧（,3,）,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,4,33,44,22,A,B,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,11,data,交换机,B,在接收到主机,44,发出的数据帧后，执行以下操作步骤：,1.,交换机,B,学习源,MAC,地址和端口号,2.,交换机,B,查看,MAC,地址表，根据,MAC,地址表中的条目，单播转发数据到端口,3,例,2,：主机,44,给主机,11,发送一个数据帧（,1,）,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,5,交换机,A,在接收到数据帧后，执行以下操作：,1.,交换机,A,学习源,MAC,地址和端口号,2.,交换机,A,查看,MAC,地址表，根据,MAC,地址表中的条目，单播转发数据到端口,1,3.,主机,11,，收到数据帧,33,44,22,A,B,端口,1,端口,1,端口,2,端口,2,端口,3,端口,3,11,data,例,2,：主机,44,给主机,11,发送一个数据帧（,2,）,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,6,A,MAC,地址,端口号,11 1,44 3,22 2,33 3,MAC,地址,端口号,11 3,44 2,22 3,33 1,交换机最终的,MAC,地址表,B,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,7,学习,通过学习数据帧的,源,MAC,地址,来形成的,MAC,地址表,广播,若目标地址在,MAC,地址表中没有，交换机则向除接收到该数据帧的端口外的其他所有端口广播该数据帧,转发,若目标地址在,MAC,地址表中存在，交换机根据,MAC,地址表单播转发数据帧,更新,交换机,MAC,地址表的老化时间是一般最长是,300,秒，即,MAC,地址在,MAC,地址表中存在的时间。,交换机若发现一个帧的入端口和,MAC,地址表中源,MAC,地址的所在端口不同，交换机将,MAC,地址重新学习到新的端口,以太网交换机,基础知识,2.,交换机数据转发原理,-,8,以太网交换机,基础知识,3.,交换机能分割冲突域,从前面的转发流程可看出，,交换机分割冲突域，但是不分割广播域，即交换机的所有端口属于同一个广播域。,交换机分割冲突域，可提高传输效率,冲突域,1,冲突域,2,冲突域,3,单工（,Simplex,）,只有一个信道，传输方向只能是单向的,半双工（,Half duplex,）,只有一个信道，在同一时刻，只能是单向传输,全双工（,Full Duplex,）,双信道，同时可以有双向数据传输,A,B,A,B,A,B,以太网交换机,基础知识,4.,交换机,工作模式,以太网交换机,基础知识,5.,交换机的交换方式,-1,直通转发（,Cut-through,）,前导,SFD,目的,MAC,源,MAC,长度,DATA,FCS,7,字节,1,字节,6,字节,6,字节,2,字节 多达,1500,字节,4,字节,直通转发：不进行错误检查,正常帧,残帧,超长帧,正常帧,残帧,超长帧,存储转发（,Store-and-forward,）,前导,SFD,目的,MAC,源,MAC,长度,DATA,FCS,7,字节,1,字节,6,字节,6,字节,2,字节 多达,1500,字节,4,字节,存储转发：对所有的错误进行检查，延迟高,正常帧,残帧,超长帧,正常帧,以太网交换机,基础知识,5.,交换机的交换方式,-2,碎片隔离（,FragmentFree,）,正常帧,残帧,超长帧,正常帧,前导,SFD,目的,MAC,源,MAC,长度,DATA,FCS,7,字节,1,字节,6,字节,6,字节,2,字节 多达,1500,字节,4,字节,碎片隔离：检查前,64,字节的数据，没有增加显著的延迟,超长帧,以太网交换机,基础知识,5.,交换机的交换方式,-3,交换机,硬件,电路,架构,1.,模块图,(Gigabit switch),Port 1 RJ45,Transformer 1,PHY 1,MAC 1,MAC 2,MAC n,Transformer n,PHY n,Transformer 2,PHY 2,Port 1 RJ45,Port n RJ45,Switch Controller,MDI/MDIX,MDI/MDIX,MDI/MDIX,GMII,GMII,GMII,IC1,IC2,1.RJ45 Pin,序及定义,Pin,10/100 BASE-TX,1000 BASE-TX,1,TX+,BI_DA+,2,TX-,BI_DA-,3,RX+,BI-DB+,4,n/c,BI-DC+,5,n/c,BI-DC-,6,RX-,BI-DB-,7,n/c,BI-DD+,8,n/c,DI-DD-,交换机,硬件,电路,架构,2.RJ45,接口,2.,MDI/MDIX,接口,MDI,：,MediaDependentInterface,（介质有关接口）,MDIX,：,(MediaDependentInterfacexmode),交叉模式介质相关接口,MDI/DMIX,是,IEEE,为以太网络,RJ-45,接口所制定的标准。,X,代表交错配置,(crossover),，,MDI,的针脚定义为：,1.Tx+,、,2.Tx-,、,3.Rx+,、,6.Rx-,，,MDIX,的针脚定义为：,1.Rx+,、,2.Rx-,、,3.Tx+,、,6.Tx-,。,3.MII/RMII/GMII,接口,MII,：,Media Independent Interface,（介质无关接口）,它是,IEEE-802.3,定义的以太网行业标准。,MII,标准接口 用于连快,Fast Ethernet MAC-block,与,PHY,。“介质无关”表明在不对,MAC,硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的,PHY,设备都可以正常工作,接口包 括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。,交换机,硬件,电路架构,3,.MII/GMII/RMII,接口,-1,RMII,：,Reduced Media,Independant,Interface,MII,支持,10,兆和,100,兆的操作，一个接口由,14,根线组成，它的支持还是比较灵活的，但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多，如果一个,8,端口的交换机要用到,112,根线，,16,端口就要用到,224,根线，到,32,端口的话就要用到,448,根线，一般按照这个接口做交换机，是不太现实的，所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从,MII,简化出来的标准，比如,RMII,、,SMII,、,GMII,等。,RMII,是简化的,MII,接口，在数据的收发上它比,MII,接口少了一倍的信号线，所以它一般要求是,50,兆的总线时钟。,RMII,一般用在多端口的交换机，它不是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。,RMII,的一个端口要求,7,个数据线，比,MII,少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和,MII,一样，,RMII,支持,10,兆和,100,兆的总线接口速度。,交换机,硬件,电路架构,3.MII/GMII/RMII,接口,-2,GMII,：,Gigabit MII,（,1000M,介质无关接口）,GMII,采用,8,位接口数据，工作时钟,125MHz,，因此传输速率可达,1000Mbps,。同时兼容,MII,所规定的,10/100 Mbps,工作方式。,GMII,接口数据结构符合,IEEE,以太网标准。该接口定义见,IEEE 802.3-2000,。发送器：,GTXCLK,吉比特,TX.,信号的时钟信号（,125MHz,）,TXCLK10/100M,信号时钟,TXD7.0,被发送数据,TXEN,发送器使能信号,TXER,发送器错误（用于破坏一个数据包）注：在千兆速率下，向,PHY,提供,GTXCLK,信号，,TXD,、,TXEN,、,TXER,信号与此时钟信号同步。否则，在,10/100M,速率下，,PHY,提供,TXCLK,时钟信号，其它信号与此信号同步。其工作频率为,25MHz,（,100M,网络）或,2.5MHz,（,10M,网络）。,交换机,硬件,电路架构,3.MII/GMII/RMII,接口,-3,接收器：,RXCLK,接收时钟信号（从收到的数据中提取，因此与,GTXCLK,无关联）,RXD7.0,接收数据,RXDV,接收数据有效指示,RXER,接收数据出错指示,COL,冲突检测（仅用于半双工状态）管理配置,MDC,配置接口时钟,MDIO,配置接口,I/O,管理配置接口控制,PHY,的特性。该接口有,32,个寄存器地址，每个地址,16,位。其中前,16,个已经在“,IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”,中规定了用途，其余的则由各器件自己指定。,交换机,硬件,电路架构,3.MII/GMII/RMII,接口,-4,1.,自协商（,Auto negotiation),以太网技术发展到,100M,速率以后，出现了一个如何与原,10M,以太网设备兼容的问题，自协商技术就是为了解决这个问题而制定的，如下图。,交换机,硬件,电路架构,4,.,物理层特性,-,1.,自协商,-1,自协商功能允许一个网络设备将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对端，并接受对方可能传递过来的相应信息。自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据报文或带来任何高层协议开销。,在链路初始化时，自协商协议向对端设备发送,16bit,的报文并从对端设备接收类似的报文。自协商的内容主要包括速度、双工、流控等等，一方面通知对端设备自身可工作的方式，另一方面，从对端发来的报文中获得对端设备可以工作的方式。,如果对端设备不支持自协商，缺省的假设是：链路工作于半双工模式。,交换机,硬件,电路架构,4,.,物理层特性,-,1.,自协商,-,2,以太网交换机属于,MDIX,设备，输出的以太网口属于,MDIX,接口，连接,MDI,类设备（如,PC,机）时，需要使用普通（平行）网线，如果采用交叉网线，是不能正确连接通信的。,以太网交换机的,10/100M,以太网口具备智能,MDI/MDIX,识别技术，可以自动识别连接的网线类型，用户不管采用普通网线或者交叉网线均可以正确连接设备，极大方便了用户的使用。用户也可以对端口进行配置，将其强制配置成,MDIX,或者,MDI,工作方式。,MDI/MDIX,识别技术的实现是通过物理层芯片和变压器技术实现了该功能。物理层芯片内部的电子开关可以进行,MDI,和,MDIX,之间的智能切换，具有中心抽头的、收发对称的变压器保证了发送与接收通道的切换。,2.,智能,MDI/MDIX,自动识别,(Auto MDI/MDIX),交换机,硬件,电路架构,4,.,物理层特性,-2.Auto MDI/MDIX,3.,流量控制,(flow control,),网络拥塞一般是由于速率不匹配（如,100M,向,10M,端口发送数据）和突发的集中传输而产生的，它可能导致这几种情况：延时增加、丢包、重传增加，网络资源不能有效利用。,IEEE 802.3x,规定了一种,64,字节的“,PAUSE”MAC,控制帧的格式。当端口发生阻塞时，交换机向信息源发送“,PAUSE”,帧，告诉信息源暂停一段时间再发送信息。,在实际的网络中，尤其是一般局域网，产生网络拥塞的情况极少，所以有的厂家的交换机并不支持流量控制。高性能的交换机应支持半双工方式下的反向压力和全双工的,IEEE802.3x,流控。有的交换机的流量控制将阻塞整个,LAN,的输入，降低整个,LAN,的性能；高性能的交换机采用的策略是仅仅阻塞向交换机拥塞端口输入帧的端口，保证其他端口用户的正常工作。,交换机,硬件,电路架构,4,.,物理层特性,-,3.,流量控制,Winwin,gigabit,交换机,1.,概述,1.Outline,10M/100M/1000M Internal Power,MetalCase,8port,Swithing,Hub,2.Features,Support Auto-Negotiation (10/100/1000,Full/Half-Duplex),Support Auto-MDIX,Support,FlowControl,(Full-Duplex:IEEE802.3x,Half-Duplex:Backpresure),Can be,Fowarding,and Filtering at full wire speed,Support,JumboFrame,Support,LEDs,per port for status,LOOP Detection,Power Saving,mode(Linkdown,mode / Cable length mode),Loop detect:,我们知道，交换机是采用单线级联树状拓扑结构，不允许发生：,1.,上级交换机有一个以上的端口同时联到下一级,或更下一级的,交换机,2.,同一交换机两个,或多个,端口互联,这样会造成网络故障，具有,Loop detect,交换机，帮助布线人员及时发现物理连接上的错误。,工作原,理,：,具有,Loop detect,功能,的交换机，会周期性的发送,Loop detect,数据包，通过比对收到的,Loop detect,数据包的,MAC,与随机数，如果发现是它自己发出来的，这就是说发生了网络发,Loop,的情况，它将提示发生,Loop,的端口，方便用户排除问题。,下面是发生,Loop detect,的机种情形：,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-1,1.,同一交换机两个,或多个,端口互联,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-2,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-3,2.,上级交换机有一个以上的端口同时联到下一级,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-4,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-5,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-6,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-7,3.,上级交换机有一个以上的端口同时联到下一级,或更下一级的,交换机,Winwin,gigabit,交换机,2,.,Loop detect-8,Winwin,gigabit,交换机,3,.,方框图,Winwin,gigabit,交换机,4,.,电路图,Winwin,gigabit,交换机,5,.Layout guide,-1,一、一般的,guideline:,1.,去耦电容尽可能接近的,RTL8370,引脚。,2.,网络变压器尽可能的靠近,RTL8370,。,3.RJ45,插座尽可能的靠近,网,路变压器。,4.,所有的线路不能走,90,度直角。,5.,组件面和焊接面没有放零件的区域要铺铜并通过,via,连接到,GND,。,二、,clock,电路,1.,晶振（,crystal,）尽可能的靠近,RTL8370,。,2.Clock,走线必须用,GND,包围。,3.,为了消除干扰，,SCK,走线必须远离其它线路，。,4.,保证晶振（,crystal,）或,OSC,电路与其它线路有一定的,clearance area,。,5.,不要让,clock,线通过内层,Ground plane,有,GAP,部份 （也就是说,Clock,走线时，对应到内层的,Ground plane,必须是连续的，完整的,),。,Winwin,gigabit,交换机,5,.Layout guide,-2,三、,Power plane:,需依据电路电源划分,Power plane,，例如：,AVDDL,DVDDL,，,AVDDH,，,DVDDIO,。,四、,Ground plane:,1.,确保,system Ground,的连续和完整，从网络变压器的初级一直到延伸到板子其它区域。,2.system Ground,与,Chassis Ground,必需有一个间隙。,五,.E-PAD,（散热焊盘）,layout,注意：,为了减小芯片的温度，在,RTL8370 Footprint,需要用多个,via(drill,size=2024mil),并且在组件面和焊接面铺上大面积的铜，然后通过,via,与,ground plane,。,六、,MII/TMII/RGMII/GMII,信号线,Layout guide,1.,为减小交差干扰，需确保内部走线间的距离,3,倍于走线的宽度（例如，如果线宽是,6mil,那么内部走线间距应是,18mil,或更多）。,2.,当走线超过,5 inches,保护走线应该放在信号线之间。这个保护走线应通过许多的,via,连接到地。,3.,输出端的电阻需要靠近轮出引脚。,4.RGMII,线路的阻抗应为,50ohm, RGMII,的每一组,TX,与,RX,的宽度必须在,25mil,以内。,5.RGMII,走线时要避免使用,Via,或换层。,七、,Ethernet MDI,差动信号,1.,确保差动信号线对的的阻抗在,100ohm+-10%,。,2.,针对,4,层板,PCB Layout,差动线对的所有,microstrip,走线的线宽应为,5mil,线对的线间距应为,7mil,。,（如,Figure 1,所示）,3.,针对,2,层板,PCB Layout,差动线对的所有,microstrip,走线的线宽应为,7mil,线对的线间距应为,5mil,。,（如,Figure 2,所示,）,4.,确保差动线对尽可能的靠近并且走线也要尽可能一样。,5.,走线时要避免使用,Via,或换层。,6.,在两个端口的差动线对之间保持,30mil,最小间隙。,Winwin,gigabit,交换机,5,.Layout guide,-3,八,、,ESD,保护,1.,在网终变压器的次级，两个差动线对或信号线之间保持,80mil,的最小间隙去改善,ESD,保护。,2.,在信号线与结构,GND,之间保持,80mil,的最小间隙去改善,ESD,保护。,3.,在系统,GND,与机构,GND,间保持,80mil,的最小间隙去改善,ESD,保护。,Winwin,gigabit,交换机,5,.Layout guide,-3,交换机测试参考标准,1.RFC2544,由于IETF,(互联网工程任务组,),没有对特定设备性能测试作专门规定，一般来说只能按照,RFC2544,（,Benchmarking Methodology for,NetworkInterconnect,Devices),测试。网络互联设备性能测试应当包括下列指标：,1.,吞吐量（,Throughput,）：,测试路网络互联设备包转发的能力。通常指路由器在不丢包条件下每秒转发包的极限。一般可以采用二分发查找该极限点。,2.,时延（,Latency,）：,测试网络互联设备在吞吐量范围内从收到包到转发出该包的时间间隔。时延测试应当重复,20,次然后去其平均值。,3.,丢包率（,Packet loss rate,）：,测试网络互联设备在不同负荷下丢弃包占收到包的比例。不同负荷通常指从吞吐量测试到线速（线路上传输包的最高速率），步长一般使用线速的,10%,。,4.,背靠背帧数（,Back-to-back frame,）：,测试网络互联设备在接收到以最小包间隔传输时不丢包条件下所能处理的最大包数。该测试实际考验网络互联设备缓存能力。如果网络互联设备具备线速能力（吞吐量,=,接口媒体线速），则该测试没有意义。,5.,系统恢复时间（,System recovery,）：,测试网络互联设备在过载后恢复正常工作的时间。测试方法可以采用向网络互联设备端口发送吞吐量,110%,和线速间的较小值持续,60,秒后将速率下降到,50%,的时刻到最后一个丢包的时间间隔。如果网络互联设备具备线速能力，则该测试没有意义。,6.,系统复位（,Reset,）：,测试网络互联设备从软件复位或关电重启到正常工作的时间间隔。正常工作指能以吞吐量转发数据。,RFC2899(,Benchmarking Methodology for LAN Switching Devices,),给局域网（,LAN,）交换设备提供测试基准方法。它将已在,RFC 25443,中定义的网络互连设备测试基准的方法扩展到局域网（,LAN,）交换设备的测试中来。主要处理在,MAC,层交换帧的设备。它为交换设备，转发性能，拥塞控制，时延地址处理和过滤提供了一个测试基准方法。,测试项目包括：,1.,全网状吞吐量，丢帧率和转发率 ，,测量,LAN,交换设备在全网状的吞吐量，丢帧率和转发率。,2.,部分网状,one-to-many/many-to-one,的吞吐量,测量,当从多个端口传输到一个端口或从一个端口传输到多个端口时的吞吐量,。,3,.,部分网状多重设备下,吞吐量,帧丢失率和转发率,测量设,备有多个端口和一个高速上行中枢线,(high speed backbone,uplink)(Gigabit,Ethernet,ATM,SONET,),的两个交换设备的吞吐量,帧丢失率和转发率,。,4.,部分网状单向通信的吞吐量,测量当,DUT/SUT,上一半端口单向传输信息流往另一半的端口时,DUT/SUT,的吞吐量。,交换机测试参考标准,1.RFC2899-1,5.,拥塞控制,确定一个,DUT,如何处理拥塞,.,一个设备是否执行拥塞控制,一个拥塞的端口是否会影响到一没有拥塞的端口。,6,.,转压,Forward Pressure,和最大转发率,转压测试使一个,DUT/SUT,端口超负荷,然后测量其输出量 的转压，如果,DUT/SUT,传输帧的帧间隙小于,96,位，那么转压被侦测到。最大转发率的测试是测量当吞吐量在,0 load,和最大,load,之间变化时转发率的峰值。,7.,地址缓冲能力,测量,LAN,交换设备地址缓冲能力 。,8.,地址学习速率,测量,LAN,交换设备地址学习速率 。,9.,错误帧过滤,测理,DUT,在错误或反常帧情况下的行为,.,测试结果说明,DUT/SUT,是过滤出错误的帧还是继续传播错误帧到目的地址。,10,广播帧转发和延迟,确定,DUT/SUT,当转发广播通信时的吞吐量和延迟,.,交换机测试参考标准,1.RFC2899-2,The end,Thanks!,